農村河道整治方案優選研究

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，農村經濟的不斷發展使得河道水環境問題日趨突出。目前，農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選決策問題，相關研究提出了許多方案優選模型，但優化有關指標體系和改進這些模型的研究還鮮有報道。據此，以丹東市寬甸縣典型農村河道為研究對象，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模型優選評價，以期為農村河流水環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 河道現狀

研究河道位于丹東市寬甸縣北部的牛毛塢鎮小城子村，溝壑集水匯流形成農村小河道，而且大部分農莊和農田位于河流兩側，山區小河道存在流速快、彎度大、比降大的共同特征。由于沿河社會活動和農業生產的日益增加，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，隨著鄉鎮企業的增多和農村經濟的發展，面源污染、工業廢水、水產與畜牧養殖、生活垃圾以及居民廢棄物成為河道主要污染物[6]。例如，隨著雨水徑流和農田灌溉作用，過量施用的農藥霧滴或微粉顆粒、施藥器械清洗用水以及農藥等進入河道，農藥、化肥在顯著提升土壤肥沃力和農作物產量的同時，也會對水體環境產生污染；農村牲畜糞便污水未經妥善處理直接流入河道，對水體環境產生污染；此外，污水灌溉也會對河流水體產生不利影響，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生嚴重的污染危害。

為保證沿河居民生產和生活安全，營造良好的生態環境，根據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，促使河水規矩流暢、河床穩定，在避免土壤養分流失和土體滑落的同時凈化水體環境、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

企業排放的生產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37℃恒溫發酵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，結合新農村建設和水利現代化發展要求采取河道生態護岸形式。①植物護岸：這種護岸修復生態、美化環境、穩定堤坡的根本途徑為發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生態袋護岸：生態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展逐漸發達，進一步增強岸坡穩定性。③綠化混凝土護岸：由于農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、草組成的水環境，發揮著明顯的生態環境功能[7]。

2 整治方案的優選

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高維復雜數據的低維子空間投射轉化，從而完成高維數據的低維分析處理。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、環境協調性、工程耐久性、施工進度，如表1。邀請水利工程領域專家、生態環境領域專家、項目所在地職能部門負責人以及牛毛塢鎮群眾代表等，對工程耐久性、施工進度、環境協調性、政府支持力度、群眾支持力度指標賦分，其中優秀、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

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量級不同，無法直接參與河道整治方案的優選，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)

對于參數值越小則河道整治方案越優型指標，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。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。因此，以多元數據分布的類內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投影點平均個數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，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：投影目標函數的優化。最優投影方向能夠最大程度的體現數據特征，該方向為目標函數值達到最大時的向量，由此可實現非線性最優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：

max:Q(a)=SzDz

(9)

2.4 優選結果

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的水質凈化效果，方案S4為最優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驗的影響問題；計算過程中PCA-PP模型可對原始數據信息充分保留，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，可為農村河道整治及其方案設計提供參考。