袁瑞強(qiáng)，鐘鈺翔，龍西亭

(1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006； 2.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四零二隊(duì)，湖南 長沙 410014)

地下水在一定地質(zhì)條件下或使用、管理不當(dāng)情況下會(huì)引起一系環(huán)境問題[1-5]，近年來，跨流域調(diào)水、過量施肥、地表廢棄物和尾礦隨意堆積等人類活動(dòng)引起的地下水水質(zhì)退化問題受到廣泛關(guān)注[6-9]，迫切需要開展地下水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)。

水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)是對(duì)多維變量(各種污染物含量指標(biāo))組成的非線性系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分類的綜合性評(píng)價(jià)工作[10]。若只對(duì)單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，則很難得到區(qū)域水質(zhì)全面、綜合、客觀的評(píng)價(jià)。水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)工作的難點(diǎn)在于如何從整體上客觀、準(zhǔn)確地反映水質(zhì)情況。目前，常規(guī)的評(píng)價(jià)方法有綜合指數(shù)法(內(nèi)梅羅指數(shù)法)[11]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[12-14]、主成分分析(principal component analysis, PCA)法[15]和多元統(tǒng)計(jì)法[16]等，但這些方法不能很好地分析各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與水質(zhì)等級(jí)之間復(fù)雜的非線性關(guān)系，可能存在主觀干預(yù)。近年來，人工智能異軍突起[17-19]。其中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network, ANN)模型是一種高效的、能夠模擬生物大腦的機(jī)器模型，被廣泛應(yīng)用于解決各種數(shù)據(jù)龐大的問題。ANN模型在非線性數(shù)據(jù)擬合方面存在優(yōu)勢(shì)，能夠避免確定性模型處理實(shí)際問題時(shí)的過度簡化問題。適當(dāng)充分訓(xùn)練的ANN模型的處理結(jié)果具有較高精度，將ANN模型用于水質(zhì)評(píng)價(jià)領(lǐng)域[20]，可以解決傳統(tǒng)方法難以處理的非線性關(guān)系和主觀干預(yù)問題。近年來，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)，并集成了各種算法以提高評(píng)價(jià)結(jié)果，例如，海豚群算法[21]、螢火蟲算法[22]、粒子群算法[23]和頭腦風(fēng)暴優(yōu)化算法[24-25]等。此外，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在處理不同時(shí)間和空間水樣數(shù)據(jù)組合時(shí)的效能優(yōu)于其他方法[26]。隨著各種算法的引入，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的水質(zhì)評(píng)價(jià)精度得到提高，但模型結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，且訓(xùn)練樣本的構(gòu)成方式和數(shù)量制約神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效果[27]。在實(shí)際工作中，依賴單一評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行決策仍然具有風(fēng)險(xiǎn)[28]。

洞庭湖平原素有“魚米之鄉(xiāng)”的美譽(yù)，但近年來該區(qū)域出現(xiàn)的濕地萎縮和地下水水質(zhì)退化[4]可能威脅到糧食生產(chǎn)和飲水安全。已有研究表明，洞庭湖平原淺層地下水中的污染因子主要為無機(jī)離子和重金屬離子[29]。平原東南的湘江西支地下水污染較東支嚴(yán)重，兩支流地下水由上游至下游污染逐漸減輕，鉛、錳是主要污染物[3]。本文采用綜合指數(shù)法、PCA法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)洞庭湖上游平原淺層地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為洞庭湖平原水環(huán)境研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

洞庭湖位于長江中游，跨鄂、湘兩省，南近益陽市、湘陰縣，北至安鄉(xiāng)縣、華容縣，東濱汨羅市、岳陽市，西抵澧縣，在東經(jīng)111°19′～113°34′、北緯 27°40′～29°52′之間。洞庭湖湖體大致呈U形，匯聚了西、南、東三面來水，自東北方城陵磯注入長江，是中國水量最大的通江湖泊。洞庭湖區(qū)處于燕山運(yùn)動(dòng)形成的斷陷盆地構(gòu)造中，盆地西、南、東部邊緣由山地包圍，形成了內(nèi)部低平、外部高的碟形盆地。洞庭湖上游平原區(qū)主要由西洞庭湖平原和南洞庭湖平原組成，分布在洞庭湖西緣和南緣至山區(qū)間。洞庭湖流域的多年平均年降水量為1 373 mm[30]。雨季為4—7月，降水量占全年總降水量的50%以上。年內(nèi)徑流分配不均勻，5—10月徑流量占年徑流量的70%以上。洞庭湖水位始漲于4月，7—8月最高，11月至來年3月為枯水期。該區(qū)域水系發(fā)達(dá)，澧水、沅江、資江和湘江等“四水”注入洞庭湖。

2 研究方法

2.1 采樣與測(cè)定

分別于2019年7月和10月在西洞庭湖平原和南洞庭湖平原進(jìn)行調(diào)查采樣，設(shè)置52個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，其中，36個(gè)地下水采樣點(diǎn)，16個(gè)地表水采樣點(diǎn)。對(duì)于沒有安裝提水裝置的水井使用底部帶有止回閥的不銹鋼采樣器采樣。對(duì)于安裝有手壓提水裝置的水井，直接壓水放空井管內(nèi)存水后采集水樣。村鎮(zhèn)集中供水廠采集處理前泵口的原水，并將水樣裝入4個(gè)50 mL高密度聚乙烯采樣瓶中，樣品裝滿不留氣泡并用密封帶封口，現(xiàn)場測(cè)定水體理化參數(shù)如水溫、pH值、電導(dǎo)率等。在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所理化分析中心，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES, PerkinElmer, Optime 5300DV)測(cè)定水中主要陽離子含量，用離子色譜儀(IC, Shimadzu LC-10A)測(cè)定主要陰離子含量，用電感耦合質(zhì)譜計(jì)(ICP-MS, PerkinElmer, Elan DRC-e)測(cè)定微量元素。每個(gè)水樣測(cè)定了鈉、硫酸根、氯、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氟、鋁、鋇、鎘、鈷、銅、鎳、鉛、鉬、鋅、汞、砷、硒、鐵、鉻、錳、硼的質(zhì)量濃度。依據(jù)GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

圖1 洞庭湖區(qū)域地形、水系和采樣點(diǎn)分布

2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

采用GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過綜合指數(shù)法、PCA法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。

綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)過程為[31]：①依據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分類，得出各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果；②依據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果所屬的類別為其賦值；③計(jì)算各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值與最大值的均方根平均值，得到綜合評(píng)價(jià)分值；④查表得到水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果。

PCA法由具有一定相關(guān)性的n個(gè)指標(biāo)線性變換得到一組相互無關(guān)的綜合指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)降維，同時(shí)突出數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息。這種方法保留了原始數(shù)據(jù)中的大部分信息，使得復(fù)雜環(huán)境問題更容易解決。PCA法在地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的步驟為：①水質(zhì)級(jí)別向量化；②生成數(shù)據(jù)矩陣并標(biāo)準(zhǔn)化；③計(jì)算協(xié)方差矩陣及其特征值和特征向量；④計(jì)算各成分的貢獻(xiàn)率并由大到小排列；⑤根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的原則確定主成分并計(jì)算主成分載荷；⑥以各主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重乘以各主成分得分，求和得到綜合評(píng)價(jià)分值，分值越大水質(zhì)越差，若水樣的分值低于水質(zhì)類別的分值，則水樣滿足該水質(zhì)類別。

本文使用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。其評(píng)價(jià)步驟為：①確定各水質(zhì)指標(biāo)x1、x2、…、x22的取值區(qū)間；②分別為每個(gè)水質(zhì)類別隨機(jī)生成300條訓(xùn)練數(shù)據(jù)；③用95%的訓(xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，用剩余5%的訓(xùn)練數(shù)據(jù)檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效果；④如果訓(xùn)練效果不好，則返回第2步增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)后重做后續(xù)步驟；⑤輸入水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，得到評(píng)價(jià)值y。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 結(jié)果與分析

3.1 灌溉適宜性及主要超標(biāo)成分

洞庭湖上游淺層地下水pH值主要介于6.3～8.0之間，電導(dǎo)率主要在40～800 μS/cm之間，為低礦化的淡水(圖3)。鈉吸附比是美國農(nóng)業(yè)部(United States Department of Agriculture, USDA)鹽土實(shí)驗(yàn)室提出的可評(píng)價(jià)地下水灌溉適宜性的指標(biāo)[32]，考慮到淺層地下水是該區(qū)域主要灌溉水源之一，采用鈉吸附比評(píng)價(jià)其灌溉適宜性。根據(jù)USDA鹽土實(shí)驗(yàn)室分類，鈉吸附比分成S1～S4 4個(gè)區(qū)間，電導(dǎo)率分成C1～C5 5個(gè)區(qū)間。研究區(qū)淺層地下水鈉吸附比與電導(dǎo)率關(guān)系見圖4，測(cè)量結(jié)果處于C1S1和C2S1區(qū)間，表明水源含鹽量較低且引起土壤板結(jié)風(fēng)險(xiǎn)小，適宜作為灌溉水源。在選定的22項(xiàng)指標(biāo)中，洞庭湖上游淺層地下水中硝酸鹽、鋁、鋅、鐵以及錳的質(zhì)量濃度較高，構(gòu)成主要超標(biāo)成分，使部分水樣達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)。

圖3 研究區(qū)淺層地下水和地表水電導(dǎo)率與pH值關(guān)系

圖4 研究區(qū)淺層地下水電導(dǎo)率與鈉吸附比關(guān)系

淺層地下水中硝酸鹽超標(biāo)區(qū)域均為耕地和居民養(yǎng)殖區(qū)。7月地下水中硝酸鹽質(zhì)量濃度嚴(yán)重超標(biāo)的區(qū)域包括沅江下游D22采樣點(diǎn)(45 mg/L)和D23采樣點(diǎn)(93 mg/L)附近，以及資江下游高粱坪D36采樣點(diǎn)(53 mg/L)附近；10月除D36采樣點(diǎn)外，其余地區(qū)的硝酸鹽質(zhì)量濃度較7月降低。淺層地下水中鋁含量存在明顯的季節(jié)性，7月鋁的質(zhì)量濃度普遍達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，10月鋁的質(zhì)量濃度降低到Ⅱ類或Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。澧水下游D13采樣點(diǎn)淺層地下水中鋅含量超過Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。淺層地下水中鐵含量集中在西洞庭湖平原，大部分淺層地下水中鐵的質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)；雨季結(jié)束后，10月淺層地下水中鐵的質(zhì)量濃度降為Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，靠近山前的平原邊緣部分出現(xiàn)了Ⅰ類和Ⅱ類水；南洞庭湖平原淺層地下水中鐵含量較低，7月地下水多為Ⅱ類水，10月多為Ⅰ類水。淺層地下水中錳含量普遍較高，達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，其中D13采樣點(diǎn)附近地下水中錳含量達(dá)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)?？傮w上，洞庭湖上游淺層地下水存在大面積的鐵、錳和鋁污染和局部的人為成因污染(如硝態(tài)氮和鋅)。雨季后主要超標(biāo)指標(biāo)質(zhì)量濃度普遍降低，水質(zhì)季節(jié)變化明顯。

地表水的水質(zhì)狀況與地下水類似，且地表水水質(zhì)仍然是10月優(yōu)于7月。雨季后洞庭湖流域地表水水質(zhì)好轉(zhuǎn)。

3.2 水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.1綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，7月Ⅳ類和Ⅴ類水分別占全部水樣的72.7%和27.3%；10月Ⅳ類水占66.6%，沒有Ⅴ類水，Ⅰ類和Ⅱ類水增多，占比分別為18.2%和15.2%。綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示洞庭湖流域淺層地下水水質(zhì)受到雨季影響較大，整體上10月水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)于7月。

綜合指數(shù)法將各種污染物的污染指數(shù)納入評(píng)價(jià)范圍，污染最嚴(yán)重的指標(biāo)權(quán)重超過50%。因此，綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果中，污染最嚴(yán)重的指標(biāo)對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響明顯。研究區(qū)7月地下水主要超標(biāo)成分為硝酸鹽、鋁、鐵、錳、鋅，對(duì)應(yīng)的超標(biāo)區(qū)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅳ類和Ⅴ類。10月研究區(qū)大部分地區(qū)地下水中鋁含量降低，原對(duì)應(yīng)超標(biāo)區(qū)地下水水質(zhì)達(dá)到Ⅰ類或Ⅱ類。鐵、鋅、錳含量在10月略有降低，污染嚴(yán)重的區(qū)域地下水水質(zhì)整體仍為Ⅳ類，如西洞庭湖平原澧水附近的D09～D13采樣點(diǎn)附近。

3.2.2PCA法評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)累積貢獻(xiàn)率大于85%的原則，在22項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成的矩陣中提取出10個(gè)主成分。每個(gè)主成分中指標(biāo)系數(shù)的絕對(duì)值越大，則該指標(biāo)與對(duì)應(yīng)主成分之間的相關(guān)性就越強(qiáng)。洞庭湖上游淺層地下水主要污染指標(biāo)中，鋁在第一主成分上有較高的載荷，硝酸鹽在第二主成分上有較高的載荷，鐵、鋅和錳在第三主成分上載荷較高。

PCA法評(píng)價(jià)結(jié)果接近正態(tài)分布“鐘形曲線”，Ⅰ類和Ⅴ類水很少，Ⅲ類水最多。PCA法的評(píng)價(jià)結(jié)果中，7月無Ⅰ類水，10月有4個(gè)地下水采樣點(diǎn)水質(zhì)呈Ⅰ類；7月Ⅱ類地下水有6處，10月有8處；7月Ⅲ類地下水有17處，10月有9處；7月Ⅳ類地下水有8處，10月有11處；7月Ⅴ類地下水有D13和D44采樣點(diǎn)2處，10月時(shí)僅有D13采樣點(diǎn)?？傮w上，Ⅰ類地下水占所有地下水采樣點(diǎn)的6%，Ⅱ類水的占比為21%，Ⅲ類水的占比39%，Ⅳ類水的占比29%，Ⅴ類水的占比5%。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示10月水質(zhì)優(yōu)于7月。水質(zhì)較差地區(qū)集中在西洞庭湖平原澧水和沅江間，其中澧水下游D13采樣點(diǎn)附近水質(zhì)最差。

3.2.3BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法評(píng)價(jià)結(jié)果

用于水質(zhì)評(píng)價(jià)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練效果良好，用于檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)全部評(píng)價(jià)正確。應(yīng)用該模型對(duì)洞庭湖上游平原區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果包含小數(shù)，顯示部分水樣的水質(zhì)處于兩個(gè)水質(zhì)類別之間，為水質(zhì)評(píng)價(jià)和對(duì)比提供更多的信息。將評(píng)價(jià)結(jié)果四舍五入可得到最終水質(zhì)整體評(píng)價(jià)結(jié)果。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果中，7月地下水無Ⅴ類水，多數(shù)屬于Ⅳ類水，占比為55%，Ⅲ類、Ⅱ類和Ⅰ類水占比分別為27%、16%和2%；10月地下水Ⅰ～Ⅳ類水的占比分別為21%、37%、24%和18%，多數(shù)屬于Ⅱ類和Ⅲ類水。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示了地下水水質(zhì)明顯的季節(jié)變化特征。7月西洞庭湖澧水和沅江之間以及南洞庭湖資江下游水質(zhì)較差，為Ⅳ類，其余地區(qū)水質(zhì)多呈Ⅲ類。10月洞庭湖上游平原淺層地下水水質(zhì)總體好轉(zhuǎn)，僅有澧水下游的D13和D14采樣點(diǎn)附近，以及益陽市周邊的D36采樣點(diǎn)附近水質(zhì)仍然較差。

3.3 討論

評(píng)價(jià)結(jié)果中如圖5所示。綜合指數(shù)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的結(jié)果顯示出更明顯的水質(zhì)季節(jié)變化，符合實(shí)際情況；PCA法的評(píng)價(jià)結(jié)果中7月和10月的平均值變化不大，且分布區(qū)間接近。PCA法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的評(píng)價(jià)結(jié)果更接近，相對(duì)綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果更好。綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果受個(gè)別重污染指標(biāo)的影響比PCA法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法大，使其7月水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果明顯比另外兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果差；10月主要污染指標(biāo)質(zhì)量濃度降低，綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果和另外兩種方法的結(jié)果相似。此外，PCA法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法10月的評(píng)價(jià)結(jié)果接近正態(tài)分布，但是綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示明顯的偏態(tài)分布。一般來說，當(dāng)存在明顯的大范圍污染時(shí)，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示為偏態(tài)分布；當(dāng)污染緩解后，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)近似于天然水體的正態(tài)分布。綜上所述，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際。

圖5 不同評(píng)價(jià)方法水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果箱式圖

3種評(píng)價(jià)方法都識(shí)別出了主要的污染區(qū)域。綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果中幾乎整個(gè)西洞庭湖平原和南洞庭湖平原為重污染的Ⅳ類和Ⅴ類水分布區(qū)。主成分分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示主要污染區(qū)域在西洞庭湖平原的澧水和沅江之間，以及南洞庭湖平原的資江下游，污染范圍較明確。

從采樣點(diǎn)數(shù)量來看，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和PCA法評(píng)價(jià)結(jié)果相同的采樣點(diǎn)有32個(gè)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果相同的采樣點(diǎn)有22個(gè)，PCA法和綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果相同的采樣點(diǎn)有20個(gè)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與其他方法評(píng)價(jià)結(jié)果相同的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)最多。同時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和PCA法對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水評(píng)價(jià)結(jié)果相同的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)最多；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和綜合指數(shù)法對(duì)Ⅳ類水評(píng)價(jià)結(jié)果相同的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)最多(圖6)，可見BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法能有效地反映主要污染指標(biāo)對(duì)整體水質(zhì)的影響，同時(shí)沒有過度突出這種影響。綜上所述，在水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的評(píng)價(jià)效果最優(yōu)。

圖6 任意兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果相同的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)比

綜合指數(shù)法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中需要對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)重，權(quán)重大小由經(jīng)驗(yàn)確定，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性不足。污染程度最高的指標(biāo)權(quán)重大于整體水質(zhì)的權(quán)重，對(duì)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響過大。洞庭湖上游平原區(qū)淺層地下水中主要超標(biāo)指標(biāo)硝酸鹽、鋁、鐵、鋅和錳的質(zhì)量濃度直接影響了評(píng)價(jià)結(jié)果。綜合指數(shù)法適用于嚴(yán)苛的水質(zhì)評(píng)價(jià)，例如，居民飲用水源水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。

PCA法對(duì)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果比較理想。該方法較為簡單并基本消除了主觀性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。然而，該方法中數(shù)據(jù)降維步驟雖然消除了數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，剔除冗余信息，但是丟失了部分信息，增加評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性。該方法計(jì)算過程中把數(shù)據(jù)之間的關(guān)系簡化為線性關(guān)系，忽略了自然過程中變量之間非線性關(guān)系的本質(zhì)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法克服了綜合指數(shù)法和PCA法的缺點(diǎn)，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果在反映水質(zhì)時(shí)間變化和空間變化方面是最好的。該方法克服了主觀性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的干擾，保證了水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的客觀性。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法從所有指標(biāo)的表現(xiàn)出發(fā)評(píng)價(jià)總體水質(zhì)，保留全部數(shù)據(jù)信息，不過度強(qiáng)調(diào)污染最嚴(yán)重的指標(biāo)。此外，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可以處理數(shù)據(jù)之間的非線性關(guān)系，提高了數(shù)據(jù)信息的保真度。必須指出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法屬于人工智能算法，無法給出水質(zhì)評(píng)價(jià)的過程和機(jī)理，其評(píng)價(jià)結(jié)果的精度只能通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提升網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練水平來提高。

4 結(jié) 論

a.西洞庭湖平原和南洞庭湖平原淺層地下水中存在大面積地質(zhì)成因污染(如鐵、錳和鋁)和局部人為成因污染(如硝態(tài)氮和鋅)。西洞庭湖平原的澧水和沅江之間，以及南洞庭湖平原的資江下游淺層地下水中水質(zhì)較差的Ⅳ類水分布較廣，可用于灌溉，但不適宜飲用?？傮w上，雨季西洞庭湖平原淺層地下水污染較重，主要污染物為地質(zhì)來源的鐵、錳和鋁。雨季后主要超標(biāo)指標(biāo)的質(zhì)量濃度普遍降低，水質(zhì)季節(jié)變化明顯。

b.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法適用于水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，可有效地顯示但不會(huì)過度突出主要污染指標(biāo)對(duì)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，能更好地反映出水質(zhì)季節(jié)變化，評(píng)價(jià)水體水質(zhì)整體情況的效果好于傳統(tǒng)的綜合指數(shù)法和PCA法，在3種方法中評(píng)價(jià)結(jié)果最合理。

c.PCA法不能充分反映主要污染指標(biāo)對(duì)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果中沒有Ⅲ類水，水質(zhì)“非好即壞”，這與其他兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果有明顯差異。此外，主要污染指標(biāo)對(duì)綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大，該方法適用于嚴(yán)苛的水質(zhì)評(píng)價(jià)。