(河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000)

水是多態(tài)活躍的物質(zhì)體，水體質(zhì)量是其生物、化學(xué)、物理等特性的綜合體現(xiàn)，對水體質(zhì)量進(jìn)行識別，可為測評水生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣程度、建設(shè)水生態(tài)文明提供信息基礎(chǔ)。國內(nèi)外學(xué)者就水體質(zhì)量評價理論[1-2]、測評方法[3]、分級標(biāo)準(zhǔn)[4]、水質(zhì)預(yù)警[5]等進(jìn)行了系列研究，然而尚未形成具有廣泛認(rèn)同的統(tǒng)一評測方法。學(xué)者們對水質(zhì)評價方法的研究逐漸由傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)(多元回歸、熵權(quán)綜合指數(shù)、模糊數(shù)學(xué)等)[6]方法過渡到數(shù)據(jù)挖掘算法(灰色系統(tǒng)、物元、Elma、BP、SOM、BP、分類回歸樹等)[7]，并取得了良好的效果。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其采用局部逼近模式實現(xiàn)快速學(xué)習(xí)，以核函數(shù)為核心算法將低維線性不可分問題映射到高維特征空間，克服局部極小等問題。相比于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡單、泛化能力好的特點，在生態(tài)環(huán)境評估領(lǐng)域中應(yīng)用較多[1,3]。燕山南麓地處華北半濕潤區(qū)，區(qū)域水資源數(shù)量不豐、地下水開采過量，水庫是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水重要的水源地。為了解該地區(qū)水庫水體質(zhì)量，以RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對水體質(zhì)量進(jìn)行評估，以期為水環(huán)境保護(hù)與水污染治理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究中的桃林口、石河、洋河、陡河和邱莊5個水庫位于河北省燕山南麓的唐山、秦皇島市境內(nèi)，水庫分布見圖1。水庫修建于燕山山麓河流上游，流量較小、流速相對湍急，庫區(qū)水面廣闊蜿蜒，6—10月為蓄水期，11月至次年5月為排水期。區(qū)域地形屬于山地、丘陵、谷地、平原，海拔介于0～1400m之間，庫區(qū)海拔在500m以上。屬溫帶季風(fēng)性氣候，年均溫10℃，多年均降水量540.5mm，冬季寒冷干燥，夏季高溫雨水集中，春秋短促，月際溫差大，無霜期185天，大于10℃的積溫為2800℃，降水月際、年際之間變化大，水庫有春汛、夏汛。庫區(qū)上游為農(nóng)用地、林地、草地等主要覆被類型，另有工礦企業(yè)分布，水體中礦物質(zhì)主要來源于地質(zhì)環(huán)境過程轉(zhuǎn)化，有機、無機等成分由地表徑流、土壤侵蝕轉(zhuǎn)移至水庫。

圖1 研究區(qū)水庫分布

2 水質(zhì)樣本獲取與測定

水體質(zhì)量受時序變化、水文情勢、斷面位置等多要素綜合影響，為準(zhǔn)確而全面掌握該地區(qū)水庫水質(zhì)特征，設(shè)定監(jiān)測時間為2016年9月至2017年8月，每月取1次樣本；各水庫取樣范圍分布在庫首、庫尾、中心、沿岸等多個位置。將各庫區(qū)歷次采集的樣本混合均勻后帶回實驗室予以化驗分析，將各月監(jiān)測指標(biāo)均值作為各庫區(qū)水質(zhì)實際值。各水庫斷面水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)共7項，分別是：溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、總磷(TP)、總鋅(Zn)、氨氮(NH3-N)。按照《水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的測定》(GB 11892—1989)對各項指標(biāo)進(jìn)行測定：DO以硫酸鉀濕氧化法測定，COD以草酸鈉法測定，NH3-N以納氏劑分光光度法測定，TP以碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，Zn以半微量凱氏法測定[8]。

3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法水質(zhì)評價

3.1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

RBF (Radical Basis Function)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在徑向基函數(shù)逼近理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的前饋網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法[9]。在RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中函數(shù)基以拓?fù)潢P(guān)聯(lián)形式構(gòu)成隱含層，將輸入向量經(jīng)矢量變換后映射到高維特征空間，遂將非線性問題簡化成線性可分性問題。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由輸入層、隱含層、輸出層3個層次構(gòu)成，其中中間層為非線性映射的關(guān)鍵，此處是單元的線性加權(quán)求和，其核函數(shù)有格林函數(shù)、高斯函數(shù)等形式。相比Elma、BP等傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其具有泛化能力強、避免局部極小、擬合程度高等優(yōu)點。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)綜合評價流程

水體質(zhì)量是水體中各種理化屬性的綜合反映，水體斷面單一監(jiān)測指標(biāo)只能反映其某一性質(zhì)，應(yīng)用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實施水體質(zhì)量綜合評價的關(guān)鍵在于依據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建隸屬規(guī)則。Rstuido環(huán)境下有諸多關(guān)于BRF的程序包，本文應(yīng)用Kernlab程序包實現(xiàn)研究區(qū)水庫水質(zhì)評價，其具體流程如下：

a.依據(jù)水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用R軟件中的runif函數(shù)在各標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間隨機內(nèi)插生成100組樣本數(shù)據(jù)，并將各指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)scale函數(shù)予以歸一化處理，剔除量綱、噪聲影響，計算公式為

(1)

式中y——標(biāo)準(zhǔn)化值；

x——實際指標(biāo)值。

b.本次水質(zhì)監(jiān)測共有7個指標(biāo)，5個水質(zhì)等級，共生成了1000組樣本數(shù)據(jù)；從中選取500組為訓(xùn)練樣本，另500組為監(jiān)測樣本；監(jiān)測樣本作為RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輸入向量，其輸出向量為相對應(yīng)的水質(zhì)級別，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類水質(zhì)依次記作為1、2、3、4和5。設(shè)置好樣本后進(jìn)行建模訓(xùn)練。建模過程從輸入到輸出可以描述為

(2)

式中n——網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中感知單元數(shù)；

h——訓(xùn)練樣本數(shù)；

wij——權(quán)值；

φp(|xp-ci|)——徑向基函數(shù)；

xp——第P個n維輸入變量；

ci——網(wǎng)絡(luò)隱含層第i個基函數(shù)的中心。

c. RBF模型中需要確定基函數(shù)中心、方差寬度和循環(huán)次數(shù)，通過tunefit函數(shù)可進(jìn)行網(wǎng)格搜索尋優(yōu)，最終確定各項參數(shù)分別為1.2、0.2、1000。

d.根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中對相應(yīng)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)分級的臨界值，運用RF算法進(jìn)行模擬計算，其模擬值作為不同分級標(biāo)準(zhǔn)閥值，也是水質(zhì)評價的依據(jù)，閥值見表1。在此基礎(chǔ)上將訓(xùn)練好的RBF模型應(yīng)用于目標(biāo)數(shù)據(jù)樣本，并結(jié)合閥值綜合評價水庫水質(zhì)質(zhì)量。

3.3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)綜合評價結(jié)果與分析

3.3.1 庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測描述統(tǒng)計分析

桃林口等5個水庫水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)見圖3。就總鋅含量而言，邱莊水庫水體鋅含量最高，達(dá)1.683mg/L、桃林口水庫含量最低，為0.612mg/L。氨氮含量介于0.432～0.851之間，DO是水質(zhì)量的基礎(chǔ)，其含量與氧的分壓、水的溫度、水體營養(yǎng)物質(zhì)含量密切相關(guān)，5個水庫水體含氧量相差較大，其中桃林口水庫水體溶解氧高于90%；陡河次之，達(dá)5.667mg/L。化學(xué)需氧量是指在一定條件下，以高錳酸鉀為氧化劑，處理水樣時所消耗的氧化劑的量，是水環(huán)境質(zhì)量的重要影響因素；以邱莊水庫含量最高，達(dá)到30mg/L；石河次之，其他水庫水體化學(xué)需氧量較低?？偭椎暮客蔀楦∮沃参锏南拗菩栽刂唬壮蔀樗w營養(yǎng)化污染物；以邱莊水庫含量最高，桃林口水庫總磷含量最低類。生化需氧量在桃林口水庫水體中的含量僅為3.154mg/L。

圖3 燕山南麓水庫水體監(jiān)測指標(biāo)值

3.3.2 庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)相關(guān)性分析

相關(guān)性分析能夠幫助推斷水體中各物質(zhì)之間遷移轉(zhuǎn)化機理及其來源是否相同，水體指標(biāo)相關(guān)性分析見表2。其中化學(xué)需氧量與溶解氧之間呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.624，與總磷、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.716、0.763、0.769、0.362。水體中溶解氧的含量與生化需氧量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.354，與高錳酸鹽指數(shù)含量在0.05水平上表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.231。

表1 水質(zhì)分類閥值與庫區(qū)水質(zhì)綜合指數(shù)

3.3.3 庫區(qū)水質(zhì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法評價結(jié)果

依據(jù)前述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算流程，對溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量、總磷、總鋅、氨氮等7項監(jiān)測指標(biāo)在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的分級閥值作為矢量輸入值進(jìn)行模擬，其輸出值指示水質(zhì)評價分級標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此得到桃林口等5個水庫水體質(zhì)量綜合指數(shù)。由表1可知，邱莊水庫水質(zhì)綜合指數(shù)為3.015，依據(jù)評價閥值屬于Ⅲ類水質(zhì)；石河水庫水質(zhì)綜合指數(shù)為2.124，屬于Ⅱ類水質(zhì)；洋河、陡河、桃林口水庫水質(zhì)的綜合指數(shù)依次為1.648、1.824、1.579，均屬于Ⅱ類水質(zhì)。

表2 水體指標(biāo)相關(guān)性分析

注**表示在0.01水平上呈極顯著相關(guān)，* 表示在0.05水平上呈顯著相關(guān)。

3.4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法評價可靠性比對

為了證明該方法的可行性，另以模糊數(shù)學(xué)法對庫區(qū)水質(zhì)進(jìn)行綜合評價。模糊數(shù)學(xué)結(jié)果表明：5個水庫水體質(zhì)量排序為：桃林口>洋河>陡河>石河>邱莊，該水質(zhì)排序結(jié)果與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法所得評價排序結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)值作為輸入向量，通過隱含層核函數(shù)構(gòu)建水質(zhì)指標(biāo)與水體質(zhì)量分級之間的隸屬規(guī)則，從而將水質(zhì)評價結(jié)果在輸出層顯示。模型經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后具有精確的學(xué)習(xí)能力，進(jìn)而可對水體質(zhì)量予以量化評價。RBF模型訓(xùn)練精度高，在評價過程中具有維數(shù)擴充簡易、可移植性強的優(yōu)點，與傳統(tǒng)模糊綜合評價法評價效果相一致，因而具有良好的應(yīng)用潛力。