遼陽灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)評價

田 力

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

農(nóng)業(yè)用水安全不僅是保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要基礎(chǔ)條件，而且是影響農(nóng)作物生長的關(guān)鍵因素[1]。目前，我國農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)通常是由地方、行業(yè)以及國家等相關(guān)部門制訂的，影響農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)評價的因素較多，科學(xué)、有效地協(xié)調(diào)各指標(biāo)之間的影響作用對于防范農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境破壞具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，投影尋蹤法、模糊綜合評價法、線性回歸法、水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法以及系統(tǒng)動力學(xué)法等為農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)評價的主要方法[2- 4]。近年來，許多學(xué)者逐漸將水質(zhì)評價側(cè)重于不確定性影響因素的研究分析，如鞏奕成等[5]基于螢火蟲算法建立了投影尋蹤模型，有效解決了水質(zhì)評價過程中存在指標(biāo)不相容性與模糊性問題；余勛等[6]通過構(gòu)建貝葉斯模糊綜合評價模型，更加客觀、全面地刻畫了水質(zhì)評價中參數(shù)的不確定性與模型結(jié)構(gòu)的問題，從而顯著提高了評價結(jié)果的可靠性與真實(shí)性；梁中耀等[7]利用二項(xiàng)分布檢驗(yàn)法分析了水質(zhì)不確定性可能引起的決策風(fēng)險，并科學(xué)評價了水質(zhì)達(dá)標(biāo)值狀況。

本研究依據(jù)已有文獻(xiàn)資料和遼陽灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水特征，通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)存在的中間過渡狀態(tài)構(gòu)造了投影尋蹤函數(shù)，對各等級分區(qū)粒度運(yùn)用正態(tài)云模型隸屬度判別，科學(xué)、合理評價了該區(qū)域農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)狀況。

1 改進(jìn)的投影尋蹤-云模型

水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)及各指標(biāo)為確定的，而水環(huán)境質(zhì)量各評價因子的濃度值是一個動態(tài)變化的，具有不確定性特征，因此水質(zhì)評價是綜合考慮了確定性與不確定性兩方面內(nèi)容的過程。對農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)利用數(shù)學(xué)模型和具有代表性的指標(biāo)值進(jìn)行所屬等級的綜合評判，為本研究水質(zhì)評價的主要思路。由于水質(zhì)分析的各評價指標(biāo)通常具有不可公度、非線性、多維特征，考慮到數(shù)字化限制采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析法往往難以獲取數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，而在處理高維非正態(tài)分布方面投影尋蹤法具有表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性。因此，本文對遼陽灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)評價時引入投影尋蹤法，以期為更加客觀、全面、科學(xué)的評價農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境提供借鑒和參考。

1.1 投影尋蹤函數(shù)

假設(shè)數(shù)據(jù)服從某種分布，數(shù)值模擬為傳統(tǒng)分析方法的主要流程，其本質(zhì)是對數(shù)據(jù)進(jìn)行證實(shí)性分析的方法。投影尋蹤法可有效處理傳統(tǒng)方法中存在的形式化以及數(shù)學(xué)化等相關(guān)問題，可通過投影的方式將高維探索性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為低維樣本，從而確定高維數(shù)據(jù)特征或結(jié)構(gòu)形式，該過程可不必對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行預(yù)先假定，因此可降低無關(guān)投影方向?qū)υu價結(jié)果的干擾，并避免主觀性與指標(biāo)權(quán)重不確定性對整體評價的不利影響。在處理非正態(tài)、非理性高維數(shù)據(jù)方面該方法具有較強(qiáng)的適用性，被認(rèn)為是一種有深度理論依據(jù)和科學(xué)背景的方法[8]。

Q(a)=SzDz

(1)

式中，Sz、Dz—分別為投影值z(i)的標(biāo)準(zhǔn)差和局部密度，表達(dá)式分別如下所示：

(2)

(3)

式中，Ez—投影值序列的均值；R—局部密度的窗口半徑，可利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行求解通常為αSz，其中α為0.1、0.01或0.001等，可結(jié)合在區(qū)間內(nèi)投影點(diǎn)的分布狀況進(jìn)行調(diào)整。R值既不能使得窗口內(nèi)投影點(diǎn)平均個數(shù)太少，也不能使得它隨n的增加而增大過多，從而減少滑動平均偏差。單位階躍函數(shù)為u(R-rij)，其中距離為rij=|z(i)-z(j)|，若R-rij≥0則與其對應(yīng)的函數(shù)值為1；若R-rij<0則與其對應(yīng)的函數(shù)值為0。

按照一定的方向?qū)w一化處理后的數(shù)值進(jìn)行投影，并得到對應(yīng)于數(shù)值信息和特征值的唯一評價對象，因此水樣最優(yōu)投影值可表示為：

(4)

z=(z1，z2，，zn)為最優(yōu)數(shù)值向量，即按照a=(a1，a2，，an)方向得到的各指標(biāo)數(shù)據(jù)一維投影值。

在給定樣本集指標(biāo)值的條件下，則投影方向a為影響目標(biāo)函數(shù)的唯一變量，因此對不同數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征可根據(jù)不同的投影方向進(jìn)行表征，高維數(shù)據(jù)某類特征結(jié)構(gòu)的投影方向即可通過最優(yōu)投影方向反映。所以，對最優(yōu)投影方向的向量和通過對目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化問題的求解進(jìn)行轉(zhuǎn)化，水質(zhì)評價模型可表示為：

(5)

1.2 云模型

對云模型的3個數(shù)字特征可利用下述方法確定，如果農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)存在上、下邊界條件[Bij，min，Bij，max]，則數(shù)字特征可表述為：

(6)

式中，Bij，max、Bij，min—第j個級別下指標(biāo)i的上、下邊界；Exij、Enij—第j個級別下指標(biāo)i的期望與熵；He—超熵，可依據(jù)變量模糊閥度進(jìn)行適量的調(diào)整。

(7)

利用云發(fā)生器和上述確定的云參數(shù)Ex、He、En可對指標(biāo)Xj的等級隸屬度進(jìn)行計算，然后根據(jù)指標(biāo)權(quán)重可得到水質(zhì)綜合確定度U，如下所示：

(8)

式中，μj—指標(biāo)的等級確定度。

對每組監(jiān)測數(shù)據(jù)的水質(zhì)評價等級利用綜合確定度值和下述公式進(jìn)行確定，如下：

C=max(U1，U2，，Up)

(9)

式中，C—最大隸屬度。

1.3 等級區(qū)分粒度

(10)

式中，δi、Uisec—等級區(qū)分粒度值和次大隸屬度。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 遼陽灌區(qū)概況

遼陽灌區(qū)位于遼陽城西部和太子河中部區(qū)域，屬于典型的中型自流灌區(qū)，葠窩水庫經(jīng)太子河輸水為遼陽灌區(qū)的主要水源。灌溉面積約100km2，主要涉及到大、中和小型灌區(qū)，其中小型灌區(qū)占總面積約1/5，并顯著影響到整個灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)。在灌溉過程中由于灌溉技術(shù)和制度較為傳統(tǒng)落后其水資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，并且根據(jù)灌區(qū)特點(diǎn)可灌區(qū)主要澆灌方式為噴灌、灌溉形式。遼陽灌區(qū)渠首攔河壩建設(shè)在城東鵝房其引水總干為護(hù)城河，灌溉范圍主要南北邊界為太子河和北地河、東西邊界為柳壕河和遼陽城郊，可控制面積和實(shí)際灌溉面積分別為185km2和67.3km2。

2.2 水質(zhì)評價指標(biāo)與分級標(biāo)準(zhǔn)

本文結(jié)合遼陽灌區(qū)實(shí)際情況和已有水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)，在遵循可操作性、代表性、科學(xué)性、合理性原則的基礎(chǔ)上選取了灌溉用水溶解性固體、氨氮、氯化物以及鹽度4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，其中溶解性固體主要是反映農(nóng)業(yè)灌溉用水的整體受污染程度；氨氮指標(biāo)主要是體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)灌溉時肥料的使用狀況；氯化物指標(biāo)主要包括鎂離子、鈣離子等指標(biāo)，采用該指標(biāo)對水體的礦化度水平進(jìn)行反映；鹽度指標(biāo)主要包括硝酸鹽、硫酸鹽參數(shù)，可體現(xiàn)水環(huán)境的鹽堿化狀態(tài)[10- 14]。

依據(jù)遼陽灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水污染現(xiàn)狀并參考國家農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，將水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)劃分為Ⅰ～Ⅳ4個級別，分別代表水質(zhì)好、中等、差、劣水平，各指標(biāo)在不同水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下的取值范圍見表1。

表1 水質(zhì)評價指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)

2.3 結(jié)果分析

利用文中所述的評價方法和計算流程對該灌區(qū)10個水樣進(jìn)行監(jiān)測評價，結(jié)果見表2。

由表2可知，大部分水樣的經(jīng)驗(yàn)等級值范圍與評價結(jié)果之間相差不大，個別樣本的經(jīng)驗(yàn)等級與計算等級存在較大的差異，如水樣10的等級區(qū)分粒度值相對較小為0.6730，由此表明對此樣本的模型評價效果并不理想，然而該水樣評價值仍處于0.3028～1區(qū)間，該水樣評價結(jié)果的不確定性并未對最終的評價結(jié)果造成顯著的不利影響，對水質(zhì)評價等級的影響作用較低。所選取的10個水樣具有較高的經(jīng)準(zhǔn)確，各水樣的相對平均誤差為0.1247，該灌區(qū)水質(zhì)整體處于“中等”水平。

表2 遼陽灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)等級評價

對水質(zhì)各評價指標(biāo)利用云發(fā)生器生成云模型，水質(zhì)樣本的評價等級即為各指標(biāo)最大隸屬度所處等級，結(jié)果表明經(jīng)驗(yàn)得到的水樣分級標(biāo)準(zhǔn)與綜合確定度所屬級別基本保持一致。

3 結(jié)語

本文在分析了云模型與投影尋蹤函數(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種綜合評價方法，建立水質(zhì)評價指標(biāo)體系與分級標(biāo)準(zhǔn)，并利用模型對遼陽灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)進(jìn)行了評價，得出的主要結(jié)論如下。

(1)利用改進(jìn)的投影尋蹤函數(shù)可有效處理投影值與各水質(zhì)類別之間的非線性關(guān)系，對于監(jiān)測數(shù)據(jù)波動的情況下利用云模型的客觀權(quán)重分配法進(jìn)行水質(zhì)等級的準(zhǔn)確判斷。

(2)為防止細(xì)微噪聲對評價等級的影響并體現(xiàn)評價結(jié)果等級間的區(qū)分程度，引入等級區(qū)分粒度的概念，從而進(jìn)一步提高了評價結(jié)果的準(zhǔn)確性與可行性。

(3)大部分水樣的經(jīng)驗(yàn)等級值范圍與評價結(jié)果之間相差不大，個別樣本的經(jīng)驗(yàn)等級與計算等級存在較大的差異；遼陽灌區(qū)水質(zhì)整體處于“中等”水平。