宦 娟，張 浩，徐憲根，史 兵，蔣建明，孫文迪

（1.常州大學 計算機與人工智能學院 阿里云大數(shù)據(jù)學院，江蘇 常州 213164；2.常州市環(huán)境科學研究院，江蘇 常州 213022）

洮滆流域是太湖流域西部洮滆太水系的主要區(qū)域，也是太湖流域上游重要的匯水區(qū)。洮滆流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善對提升太湖主要入湖河流水質(zhì)，改善太湖水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極其重要。然而近些年隨著城市化的不斷發(fā)展，洮滆流域淺水湖泊富營養(yǎng)化日趨嚴重、藍藻暴發(fā)頻繁［1］。因此，如何采取有效環(huán)境管理措施改善淺水湖泊水環(huán)境狀況已成為洮滆流域急需解決的問題［2－3］。

“十四五”期間，隨著“引江濟太”開通運行，洮滆流域水文和水資源格局發(fā)生了重大變化，在原有生態(tài)功能受損、污染排放強度較大等問題尚未根治的同時，又面臨著水文格局變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響的新挑戰(zhàn)，區(qū)域水資源平衡、水環(huán)境提升、水生態(tài)修復和社會經(jīng)濟高質(zhì)量協(xié)同發(fā)展面臨著巨大壓力。因此，科學分析洮滆流域河流水質(zhì)變化特征，深入剖析流域水生態(tài)環(huán)境短板，是滆湖和洮湖（長蕩湖）水環(huán)境綜合治理與可持續(xù)發(fā)展的前提。目前河流湖泊水質(zhì)評價方法有單因子評價法、模糊綜合評價法、灰色系統(tǒng)理論、主成分分析法等［4－6］。當前流域水環(huán)境研究多以單個湖泊或河流為研究對象，綜合評價水質(zhì)變化［7－9］，或結(jié)合多元統(tǒng)計方法對某一區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量時空變化進行分析［10－11］。目前對太湖流域水質(zhì)的研究較多［12－14］，對洮滆流域內(nèi)河流水質(zhì)的研究較少［15］。因此，筆者以常州市洮滆流域河流湖泊為研究對象，分析2020 年7 月至2021 年10 月水質(zhì)變化趨勢，利用綜合污染指數(shù)和動態(tài)度探究其水質(zhì)時空變化特征，并構(gòu)建深度學習模型預(yù)測洮滆流域主要出入湖河流污染物未來變化趨勢，旨在為洮滆流域水環(huán)境治理提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

洮滆流域總面積1 707.52 km2，是江蘇南部一個典型的淺水草型湖泊流域，地處長江中下游平原南部，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，見圖1（圖中圓點表示流域水質(zhì)監(jiān)測站點）。該流域東臨太湖、西連長蕩湖、南接宜興、北通長江，主要出入湖河流包括夏溪河、湟里河、中干河、武南河、漕橋河等。洮滆流域包含滆湖和長蕩湖，其中滆湖作為太湖上游和長江中下游的主要湖泊，擔負著溝通長江、太湖兩大水系，進行水量調(diào)劑、防洪排澇等重要功能。同時，滆湖作為“引江濟太”的樞紐，將長江水經(jīng)太滆運河送入太湖。

圖1 洮滆流域水系

1.2 采樣方法

水體富營養(yǎng)化加劇以及總磷超標一直是洮滆流域水體面臨的重點問題，而河湖水體富營養(yǎng)化與氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)超標密不可分，且易造成水體溶解氧過飽和。研究選取水質(zhì)監(jiān)測站點見圖1，監(jiān)測站點大多位于國家、省地表水考校斷面，水質(zhì)數(shù)據(jù)為水質(zhì)自動監(jiān)測站高頻監(jiān)測數(shù)據(jù)。在對河湖水質(zhì)進行時空變化分析時，將水質(zhì)數(shù)據(jù)整理為月均值；在預(yù)測河湖污染物未來變化趨勢時，將水質(zhì)數(shù)據(jù)整理為日平均值。熊勇峰等［16］將常州市26 個國家、省地表水考校斷面21 項水質(zhì)指標以Ⅲ類水限值為標準，發(fā)現(xiàn)溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、總磷（TP）、氨氮（NH3－N）等指標超標次數(shù)較多。在對長江中下游典型淺水型湖泊（太湖、巢湖、鄱陽湖等）水質(zhì)進行分析時［9，17－18］，大多選用DO、pH 值、CODMn、TP、總氮（TN）、NH3－N 等指標作為水質(zhì)評價指標。因此本研究選取DO、pH 值、CODMn、TP、TN、NH3－N 六項指標作為洮滆流域水質(zhì)分析評價的指標。

1.3 數(shù)據(jù)分析和預(yù)測方法

（1）綜合污染指數(shù)。采用綜合污染指數(shù)對河流水質(zhì)進行綜合評價，計算公式［19］：

式中：Pi為水質(zhì)評價指標i的污染指數(shù)；Ci為水質(zhì)評價指標i的實測質(zhì)量濃度，mg／L；Li為水質(zhì)評價指標i的標準值；n為水質(zhì)評價指標數(shù)量；P為綜合污染指數(shù)。

（2）動態(tài)度。采用動態(tài)度分析方法對洮滆流域水體綜合污染指數(shù)變化程度進行分析。計算公式為

式中：S為研究期內(nèi)河流綜合污染指數(shù)動態(tài)度，S＞0表示水質(zhì)變差，S＜0 表示水質(zhì)變好；Pe為研究期末河流綜合污染指數(shù)；Ps為研究期初河流綜合污染指數(shù)。

（3）ARIMA 模型。差分移動平均自回歸模型（ARIMA）是常用的非平穩(wěn)時間序列預(yù)測模型［20－21］，它將自回歸（AR）過程和滑動平均（MA）過程結(jié)合起來，建立時間序列的復合模型。ARIMA 模型通過d階差分將非平穩(wěn)時間序列Yt轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)時間序列Xt進行擬合建模。需要注意的是，若差分次數(shù)過多，會造成數(shù)據(jù)信息損失。ARIMA 模型：

式中：p、q分別為時間序列中的自回歸項數(shù)、滑動平均項數(shù)；φx和θy分別為自回歸系數(shù)和滑動平均系數(shù)；εt為白噪聲序列，服從均值為0 的正態(tài)分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)時空差異性分析

利用方差分析方法對洮滆流域主要出入湖河流水質(zhì)進行差異性分析，同時采用Tukey HSD 法檢驗差異性顯著程度。洮滆流域出入湖河流水質(zhì)在時間和空間上差異性檢驗結(jié)果見表1。監(jiān)測站點各水質(zhì)指標在時間上均呈現(xiàn)顯著差異性（顯著性水平a＜0.05，a＞0.05表示無顯著性差異，0.01＜a＜0.05 表示具有顯著性差異，a＜0.01 表示具有極顯著差異）。在空間上，TP、pH值的a值分別為0.110、0.935，這兩種水質(zhì)評價指標在空間上有較高的相似性，各監(jiān)測站點差異性不明顯；DO、CODMn、TN 和NH3－N 在空間上均呈現(xiàn)顯著性差異（a＜0.05）。為了更加準確描述洮滆流域水質(zhì)時空變化程度，進一步對主要出入湖河流水質(zhì)進行綜合污染指數(shù)分析和動態(tài)度分析。

表1 水質(zhì)差異性檢驗結(jié)果

2.2 主要出入湖河流水質(zhì)時間變化特征

2020 年7 月洮滆流域主要出入湖河流綜合污染指數(shù)均值為0.901，而2021 年10 月的為0.812，相較于2020 年7 月下降了9.88%，主要出入湖河流水質(zhì)出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流綜合污染指數(shù)見表2，2021 年1 月洮滆流域主要出入湖河流水質(zhì)最差，2021 年10 月的水質(zhì)最好，枯水期（2020－12—2021－03）主要出入湖河流綜合污染指數(shù)均值為1.062，豐水期（2021－06—2021－10）的均值為0.861，豐水期相較于枯水期下降了18.93%，說明洮滆流域豐水期水質(zhì)狀況相較于枯水期有所提升。

表2 洮滆流域主要出入湖河流2020 年7 月至2021 年10 月綜合污染指數(shù)

根據(jù)2020 年10 月至2021 年10 月河流綜合污染指數(shù)月動態(tài)度和總體動態(tài)度，可以將洮滆流域主要出入湖河流水質(zhì)變化趨勢分為兩類，一類河流綜合污染指數(shù)總體動態(tài)度為負，月動態(tài)度正負交替，表明河流水質(zhì)總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢，但水質(zhì)狀況存在一定波動；另一類河流綜合污染指數(shù)總體動態(tài)度為正，月動態(tài)度正負交替，表明河流水質(zhì)整體波動變差，見表3。夏溪河、中干河和錫溧漕河綜合污染指數(shù)總體動態(tài)度為負，水質(zhì)總體呈好轉(zhuǎn)趨勢，其中錫溧漕河水質(zhì)改善最為明顯；湟里河、漕橋河、武南河和武宜運河綜合污染指數(shù)總體動態(tài)度為正，水質(zhì)總體呈波動變差趨勢，其中漕橋河水質(zhì)變差最為嚴峻。通過動態(tài)度變化來看，水質(zhì)好轉(zhuǎn)河流的改善程度高于水質(zhì)變差河流的，說明“十四五”開始之年即2021 年，洮滆流域水環(huán)境治理取得了一定成效。

表3 2020—2021 年洮滆流域主要出入湖河流水質(zhì)變化趨勢

雖然洮滆流域主要出入湖河流水質(zhì)情況有所好轉(zhuǎn)，但水體富營養(yǎng)化較嚴重、TP 超標等問題依舊存在。2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流TP 平均質(zhì)量濃度呈下降趨勢，由2020 年7 月的0.151 mg／L 下降至2021 年10 月的0.129 mg／L，下降了14.57%。自2020 年以來，常州市關(guān)閉了多家高污染、高能耗企業(yè)，工業(yè)污染點源減少，這反映出人類活動等對流域水環(huán)境變化的影響。但是截至2021 年10 月，只有中干河TP 質(zhì)量濃度達到Ⅳ類水標準，其余河流TP 質(zhì)量濃度僅達到Ⅴ類水標準。TN 平均質(zhì)量濃度由2020 年7 月的2.318 mg／L 下降至2021 年10 月的2.101 mg／L，下降了9.36%。2021 年8 月TN 平均質(zhì)量濃度最低，總體上洮滆流域汛期（6—9 月）TN 質(zhì)量濃度低于非汛期的。中干河TN 質(zhì)量濃度較低，能夠達到Ⅲ類水標準。2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖CODMn平均質(zhì)量濃度波動較為明顯，除2021 年1 月和2021 年7 月CODMn平均質(zhì)量濃度有明顯增大外，其余時期平均質(zhì)量濃度呈減小趨勢，由2020 年7 月的4.539 mg／L 下降至2021 年10 月的3.868 mg／L，下降了14.78%?？傮w來說，2020—2021年洮滆流域主要出入湖河流TP、TN 和CODMn等主要水質(zhì)指標質(zhì)量濃度呈減小趨勢，但是在眾多污染物中，磷元素是影響河流水質(zhì)的關(guān)鍵因子，因此改善洮滆流域水質(zhì)狀況的關(guān)鍵在于磷元素的控制。

2.3 主要出入湖河流水質(zhì)空間變化特征

根據(jù)河湖連通關(guān)系將洮滆流域主要出入湖河流劃分為長蕩湖－滆湖水系（主要河流包括夏溪河、湟里河和中干河）、滆湖－西太湖水系（主要河流包括武南河和漕橋河）、京杭運河－新孟河水系（包括武宜運河和錫溧漕河）。上述水系與沿江水系相通，形成南北交匯的網(wǎng)狀水系。2021 年10 月長蕩湖－滆湖水系綜合污染指數(shù)為0.690，相較于2020 年10 月的0.744 下降了7.26%，綜合污染指數(shù)動態(tài)度小幅下降，水質(zhì)狀況有所改善。京杭運河－新孟河水系綜合污染指數(shù)最大，但下降幅度最大，由2020 年10 月的1.021 下降至2021 年10 月的0.919，下降了9.99%，綜合污染指數(shù)動態(tài)度有所減小，水質(zhì)狀況有所改善。其原因是，新孟河開通引入了水質(zhì)較好的長江水，拓寬了沿線河道，進而改善了沿線河流水質(zhì)。滆湖－西太湖水系綜合污染指數(shù)由2021 年10 月的0.784 增大至2021 年10 月的0.887，綜合污染指數(shù)上升了13.14%，綜合污染指數(shù)動態(tài)度明顯增大，水質(zhì)變差。

2.4 主要出入湖河流污染物變化趨勢預(yù)測

根據(jù)洮滆流域主要出入湖河流綜合污染指數(shù)，截至2021 年10 月，中干河綜合污染指數(shù)最小、水質(zhì)狀況最好，錫溧漕河綜合污染指數(shù)最大、水質(zhì)狀況最差，因此選取TP、CODMn和TN 這3 種水質(zhì)評價指標對這兩條河流主要污染物未來變化趨勢進行預(yù)測。

在對樣本數(shù)據(jù)進行平穩(wěn)性檢驗和模型定階后，采用ARIMA 模型，以2020 年7 月1 日至2021 年9 月30日數(shù)據(jù)為訓練集，預(yù)測2021 年10 月1 日至31 日中干河和錫溧漕河TP、CODMn和TN 變化趨勢，結(jié)果見圖2、圖3（圖中灰色陰影部分為ARIMA 模型預(yù)測值區(qū)間范圍，在一定程度上可以反映河流污染物未來變化趨勢）。從圖中可以看出，預(yù)測值與觀測值擬合較好。2021 年10 月1 日至31 日，中干河TP、CODMn和TN 質(zhì)量濃度變化范圍分別為0.068～0.189、3.74～6.49、0.349～2.690 mg／L，錫溧漕河的變化范圍分別為0.048～0.310、1.59～4.91、5.13～9.38 mg／L。結(jié)合上文對中干河和錫溧漕河水質(zhì)狀況分析，預(yù)測區(qū)間趨勢符合兩條河流當前水質(zhì)狀況，但值得注意的是錫溧漕河TN 質(zhì)量濃度未來一個月內(nèi)變化幅度很大。綜上所述，ARIMA 模型能夠較為準確預(yù)測未來較長一段時間河流水質(zhì)變化趨勢。

圖2 中干河主要污染物預(yù)測結(jié)果

圖3 錫溧漕河主要污染物預(yù)測結(jié)果

3 結(jié) 語

2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流綜合污染指數(shù)均值為0.812，相較于2020 年7 月下降了9.98%，2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流水質(zhì)整體呈改善趨勢。洮滆流域出入湖河流主要超標污染物為總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)，3 種污染物平均質(zhì)量濃度在2020 年7 月至2021 年10 月整體呈現(xiàn)下降趨勢，分別下降了14.57%、9.36%、14.78%。磷元素始終是制約河湖水質(zhì)的主要因素，改善河湖水質(zhì)的關(guān)鍵在于控制磷的排放。以河湖連通關(guān)系為依據(jù)，將洮滆流域主要出入湖河流劃分為3 類，2020 年10 月至2021 年10 月長蕩湖－滆湖水系、京杭運河－新孟河水系綜合污染指數(shù)動態(tài)度分別下降了7.26%、9.99%，水質(zhì)狀況得到明顯改善，滆湖－西太湖水系綜合污染指數(shù)動態(tài)度上升了13.14%，水質(zhì)狀況有所下降。采用ARIMA 模型對中干河和錫溧漕河主要污染物質(zhì)量濃度變化趨勢進行預(yù)測表明，該模型能夠較為準確預(yù)測未來較長一段時間河流水質(zhì)變化趨勢，并可以得出兩條河流主要污染物未來變化范圍。