宋黎黎

(丹東市寬甸滿族自治縣水利局，遼寧 寬甸 118200)

0 引 言

近年來，農(nóng)村經(jīng)濟的不斷發(fā)展使得河道水環(huán)境問題日趨突出。目前，農(nóng)村河道污水治理主要有生物投放、氧化塘修復、濕地凈化、微生物、凈化槽等技術手段，而在農(nóng)村河水凈化中這些成果的應用較少。考慮到不同河道的岸坡狀況、水質條件以及受污染范圍有所差異，為降低整治成本、提高整治效率必須因地制宜的優(yōu)選出最佳的整治方案[1-3]。針對高維度、多指標、多目標河道整治方案優(yōu)選決策問題，相關研究提出了許多方案優(yōu)選模型，但優(yōu)化有關指標體系和改進這些模型的研究還鮮有報道。據(jù)此，以丹東市寬甸縣典型農(nóng)村河道為研究對象，為解決河道污泥淤積及水質惡化問題提出包含護岸工程措施、水質修復技術的整治方案，并對不同整治方案利用PCA-PP模型優(yōu)選評價，以期為農(nóng)村河流水環(huán)境保護和治理方案設計提供參考[4,5]。

1 河道整治方案

1.1 河道現(xiàn)狀

研究河道位于丹東市寬甸縣北部的牛毛塢鎮(zhèn)小城子村，溝壑集水匯流形成農(nóng)村小河道，而且大部分農(nóng)莊和農(nóng)田位于河流兩側，山區(qū)小河道存在流速快、彎度大、比降大的共同特征。由于沿河社會活動和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的日益增加，河道上游植被遭到嚴重破壞，坡面涵蓄水能力較差，大量泥沙進入河道，河床抬高，加之獨特的山前地形暴雨，來之快去之急，洪水災害日益頻繁。此外，隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的增多和農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，面源污染、工業(yè)廢水、水產(chǎn)與畜牧養(yǎng)殖、生活垃圾以及居民廢棄物成為河道主要污染物[6]。例如，隨著雨水徑流和農(nóng)田灌溉作用，過量施用的農(nóng)藥霧滴或微粉顆粒、施藥器械清洗用水以及農(nóng)藥等進入河道，農(nóng)藥、化肥在顯著提升土壤肥沃力和農(nóng)作物產(chǎn)量的同時，也會對水體環(huán)境產(chǎn)生污染；農(nóng)村牲畜糞便污水未經(jīng)妥善處理直接流入河道，對水體環(huán)境產(chǎn)生污染；此外，污水灌溉也會對河流水體產(chǎn)生不利影響，有毒、有機物質隨降水徑流不斷進入河道，病源微生物對稻田產(chǎn)生嚴重的污染危害。

為保證沿河居民生產(chǎn)和生活安全，營造良好的生態(tài)環(huán)境，根據(jù)河道自然特點因害設防的實施護岸工程措施和水質修復技術，促使河水規(guī)矩流暢、河床穩(wěn)定，在避免土壤養(yǎng)分流失和土體滑落的同時凈化水體環(huán)境、保護各類水工程，減輕下游江河水庫及河道的淤積。

1.2 水質凈化方案

企業(yè)排放的生產(chǎn)廢水及周邊村莊排放的生活污水為河道主要污染來源，考慮到主要污染源較分散的實際情況實行水環(huán)境修復工程不切實際。因此，通過分析比較多種方案擬選擇投放修復技術。以相同的投放成本為約束條件，設計不同方案的投放量及投放物：①污水與EM復壯液的體積比為40:1，其中EM復壯液為去離子水：糖蜜：EM原液=98：1：1配制并經(jīng)37℃恒溫發(fā)酵7d而成。②污水與竹炭的質量比為75：1，其中采用6年生毛竹經(jīng)600℃高溫燒制后過60目篩形成的炭粉。③污水與水質凈化球的質量比為100:3。將典型河段水樣送至實驗室測定水質，各方案的投放修復試驗為期15d。水樣中CODMn、TH3-N、TP的原始含量為21.26、3.41、0.45mg/L，試驗過程中水樣的CODMn、TH3-N、TP濃度測定頻次為2d一次，通過測定試驗結束后的CODMn、TH3-N、TP濃度確定投放修復技術的去除效率。

1.3 河道護岸措施

為解決局部河岸坍塌的問題，結合新農(nóng)村建設和水利現(xiàn)代化發(fā)展要求采取河道生態(tài)護岸形式。①植物護岸：這種護岸修復生態(tài)、美化環(huán)境、穩(wěn)定堤坡的根本途徑為發(fā)揮水文學與根系水效應，其達到護岸功能的方式有減弱水壓力、減少濺蝕、根系加筋和深根錨固作用等，比較常見的方式有岸坡覆蓋草類植物，其價格低廉且覆蓋率高，為增強局部和整體岸坡穩(wěn)定性還可將草類植物與木本植物相結合用于河道護岸。②生態(tài)袋護岸：生態(tài)袋屬于一種透水性好、強度高的護岸材料，通過輔以種植土有效解決植物護岸的穩(wěn)定性問題，植被綠化的途徑有種子與土混入袋、移栽、刷層和水噴等，植被根系隨著時間的發(fā)展逐漸發(fā)達，進一步增強岸坡穩(wěn)定性。③綠化混凝土護岸：由于農(nóng)村河道水流速度較小，可在河流岸坡設計植生型混凝土，這種護岸通常由表層土、土壤、保水劑和緩釋肥等多種材料組成，并以適量細料、低堿水泥、粗骨料等拌制而成的多孔混凝土作為植被生長的骨架，植生混凝土可將景觀美化與安全護砌相結合，營造水、草組成的水環(huán)境，發(fā)揮著明顯的生態(tài)環(huán)境功能[7]。

2 整治方案的優(yōu)選

2.1 PCA-PP模型

實際上，投影尋蹤模型是利用特定的方式實現(xiàn)高維復雜數(shù)據(jù)的低維子空間投射轉化，從而完成高維數(shù)據(jù)的低維分析處理。針對評價結果易受主觀權重的影響問題，投影尋蹤模型能夠保證評價結果的客觀性、科學性，實際應用時具有明顯的優(yōu)勢[8]。然而，構建的評價體系通常包含較多的指標且部分指標存在相似的類型，由此使得在投影方向上該類指標所占權重過高，該類指標對評價結果的貢獻偏大。對此，可將同類型指標利用主成分分析法轉化為一項指標，采用提取的主成分參與投影尋蹤運算，從而解決PP模型使用過程中的局限性。

2.2 評價指標值

河道整治方案評價指標采用CODMn、TH3-N、TP去除率以及工程造價、群眾支持力度、政府支持力度、環(huán)境協(xié)調(diào)性、工程耐久性、施工進度，如表1。邀請水利工程領域專家、生態(tài)環(huán)境領域專家、項目所在地職能部門負責人以及牛毛塢鎮(zhèn)群眾代表等，對工程耐久性、施工進度、環(huán)境協(xié)調(diào)性、政府支持力度、群眾支持力度指標賦分，其中優(yōu)秀、良好、一般、很差等級的賦分標準為>90、80-90、60-80、<60。

表1 河道整治方案評價指標與指標值

然后對賦分指標采用主成分PCA法提取，主成分貢獻率及其系數(shù)如表2。從表2看出，累計貢獻率在提取f1、f2兩個主成分時達到81.612%，表明這兩個主成分包含了大量初始信息。從綜合得分的可知，方案S6的賦分指標X1值最大為2.74，其次為S3、S5的2.60和2.25。

表2 主成分貢獻率與系數(shù)

2.3 建模流程

為了更加清晰、直觀的反映評價流程，總體上按照以下6個步驟完成河道整治方案的優(yōu)選分析，投影尋蹤建模流程如下：

(1)

步驟2：無量綱化處理。考慮各項指標的量綱和數(shù)量級不同，無法直接參與河道整治方案的優(yōu)選，因此評價前要將指標初始值無量綱化處理至0-1范圍。對于參數(shù)值越大則河道整治方案越有型指標，如CODMn、TH3-N、TP去除率、賦分指標，其無量綱化公式為：

(2)

對于參數(shù)值越小則河道整治方案越優(yōu)型指標，如工程造價，其無量綱化公式為：

(3)

(4)

(5)

步驟4：構造目標函數(shù)。投影點的分布情況及原始信息的保留量與線性投影過程密切相關，投影點分布越密集或凝聚成若干個點團則效果越好，并且不同點團越分散則效果越優(yōu)。因此，以多元數(shù)據(jù)分布的類內(nèi)密度和類間距離盡量同時達到最大為約束條件構造投影目標函數(shù)Q(a)，即：

Q(a)=SzDz

(6)

(7)

(8)

式中：Dz、Sz為投影特征值zi的局部密度和標準差，也稱為類內(nèi)密度和類間距離；E(z)為序列均值；R為局部密度的窗口半徑，R值既不能使得窗口內(nèi)投影點平均個數(shù)太少也不能使得它隨n的增加而顯著增大，由此減少滑動平均偏差；f(R-rik)為單位階躍函數(shù)，其中投影值距離rik=|zi-zk|，若R-rik≥0則與其對應的投影值取1；若R-rik<0則與其對應的投影值取0。

步驟5：投影目標函數(shù)的優(yōu)化。最優(yōu)投影方向能夠最大程度的體現(xiàn)數(shù)據(jù)特征，該方向為目標函數(shù)值達到最大時的向量，由此可實現(xiàn)非線性最優(yōu)解與搜索最佳投影方向的問題轉化。采用最大化估計法確定最佳投影方向，即利用下式作為目標函數(shù)：

max:Q(a)=SzDz

(9)

2.4 優(yōu)選結果

總體而言，投影值達到較高水平的有S4-S6方案，表明相對于凈化球、EM復壯液竹炭具有更優(yōu)的水質凈化效果，方案S4為最優(yōu)還可能與較高的賦分指標得分、較低的工程造價等因素有關。

3 結 論

根據(jù)河道岸坡和河流水質實際狀況，將護岸工程措施與投放修復技術相結合合計出多種河道整治方案，并對不同整治方案利用PCA-PP模型優(yōu)選分析。結果顯示：該模型具有較高的應用效果，PCA法以單個指標替代多個賦分指標有效解決了主觀經(jīng)驗的影響問題；計算過程中PCA-PP模型可對原始數(shù)據(jù)信息充分保留，結果客觀且原理科學，其推廣前景和應用價值較高。此外，在構建評價指標體系時應考慮不同指標間的獨立性，可為農(nóng)村河道整治及其方案設計提供參考。