楊海江，鐘艷霞，羅玲玲，田 欣，王志秀

(1.寧夏大學(xué)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評價與環(huán)境調(diào)控重點實驗室，銀川 750021； 3.寧夏大學(xué)科技處，銀川 750021)

濕地是水陸相互作用形成的獨特的生態(tài)系統(tǒng)[1]，在維持區(qū)域生態(tài)平衡、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、降解污染、調(diào)徑蓄洪、排澇抗旱、美化環(huán)境等方面具有極其重要的作用[2-6]。但是隨著工業(yè)化建設(shè)和城市化的發(fā)展，人地矛盾日趨緊張，濕地受到諸多方面的影響和不同程度的破壞，隨之而來伴生一系列環(huán)境問題，諸如濕地污染、退化、消失。

由于我國濕地面積占國土面積的比例遠(yuǎn)低于世界平均水平，并面臨全球變化和人類活動的影響，濕地保護(hù)工作顯得尤為重要。寧夏地處西北內(nèi)陸，生態(tài)環(huán)境脆弱，濕地作為重要的生態(tài)資源更加顯得彌足珍貴。石嘴山作為西部重要經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展的城市，在城市轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中生態(tài)環(huán)境建設(shè)是其轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要標(biāo)志和考核指標(biāo)，其城市內(nèi)部濕地的現(xiàn)狀、發(fā)展就尤為重要，“十三五”時期，石嘴山市將實施沙湖----星海湖水系連通，開展重點水域環(huán)境綜合治理等工程，對于提升城市形象、改善大武口區(qū)生態(tài)和人居環(huán)境、拓寬區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間具有不可替代的作用，同時，更能大力促進(jìn)新型轉(zhuǎn)型的“海綿城市”建設(shè)。因此選擇石嘴山星海湖開展水質(zhì)研究，為石嘴山城市轉(zhuǎn)型發(fā)展提供環(huán)境支撐。

目前水質(zhì)評價常用的方法主要有單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、主成分分析法、灰色評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[9,10]，國內(nèi)外學(xué)者也應(yīng)用此類方法對區(qū)域的水質(zhì)和污染狀況進(jìn)行了廣泛深入研究[11-14]。但這些方法普遍具有計算量大、計算復(fù)雜的特點，不能滿足小樣本高時效的計算要求。

貝葉斯評價法作為一種以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)的統(tǒng)計學(xué)方法[15]，不僅可以形象直觀地表示各評價因子或要素之間的關(guān)系，而且還可以定量地描述各要素間的關(guān)聯(lián)程度或影響度，主要通過對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行概率推斷進(jìn)行水質(zhì)評價，該方法簡單明了，計算量小，計算方便，處理問題客觀、簡便、快捷，因此在水質(zhì)評價過程中應(yīng)用較為廣泛的應(yīng)用，較傳統(tǒng)的水質(zhì)評價更具有實用性和科學(xué)性。目前國外,貝葉斯方法在水利水電、土地資源評價、國防軍事、金融保險等各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[16,17]；國內(nèi)趨向應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、水質(zhì)監(jiān)測分析、水質(zhì)污染評價等領(lǐng)域的多個方面，證明了該方法有效可行，可以作為水質(zhì)評價的一個新方法[18-20]。

綜合近年關(guān)于星海湖水質(zhì)的相關(guān)研究[21-23]，就其研究方法而言均較為單一，以傳統(tǒng)的單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)評價法居多。因此本文采用貝葉斯評價方法對星海湖的水質(zhì)作出全面、客觀的評價，同時為星海湖的綜合治理和科學(xué)管理提供參考和建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

星海湖濕地位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市境內(nèi)(E105°58'～106°59'，N38°22'～39°23')，集湖泊、沼澤、鹽土、湖土荒地等多種類型為一體，屬于黃河水系，區(qū)域總面積48.08 km2，其中湖泊面積14.7 km2，平均水深1.2 m。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均年降水量300 mm 以下， 各季節(jié)降水分布差異性很大，年內(nèi)降水主要集中在6～9月，占年降雨量的70%以上，水源補(bǔ)給由3 部分組成：山洪水、城市及周邊雨水和引黃灌溉用水[21-23]。域內(nèi)有魚池和農(nóng)田分布；植物種類較少，覆蓋度較低；生物多樣性較為豐富，濕地有鳥類11 目24 科98 種，其中國家一級保護(hù)鳥類有中華秋沙鴨、大鴇、黑鸛，國家二級保護(hù)鳥類有灰鶴、小天鵝、白額雁、鴛鴦、蓑羽鶴等13種，有魚類20余種[24]。石嘴山市素有“塞上煤城”之稱，是寧夏典型的煤炭資源型工業(yè)城市，西北重要的工業(yè)城市。

1.2 水樣采集與處理

1.2.1 樣品采集

根據(jù)湖泊所處地形狀況和水流特點，共設(shè)置14個采樣點(見圖1)，根據(jù)流域內(nèi)降水特征及水文節(jié)律，以及采樣時間，分別定于 2016年7月(豐水期)、10月(平水期)和 2017年4月(枯水期)月初進(jìn)行水樣的采集工作。利用手持GPS 導(dǎo)航儀器進(jìn)行定位，確保每次采樣地點位置相同，同時記錄采樣點周圍地理條件、補(bǔ)水、排水等。用柱狀采水器采集表層(深度50 cm)水樣1 000 mL，所有點位均取3組平行樣。采集后的水樣按照《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ 493-2009)中要求的方法保存[25,26]。

圖1 采樣點示意圖Fig.1 Sample point

1.2.2 樣品的測定

總氮(TN)：過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法(GB11894-89)；

總磷(TP)：堿性過硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)；

氨氮(NH3-N)：納氏試劑光度法(GB7479-87)；

高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)：(GB11892-89)；

葉綠素a(Chl-a)：分光光度法(SL88-2012)；

溶解氧(DO)：采用美國哈希HACH HQ30D便攜式溶氧儀，現(xiàn)場測定；

pH：玻璃電極法(GB6920-86)。

1.3 研究方法

1.3.1 貝葉斯水質(zhì)評價原理

(1)貝葉斯水質(zhì)評價模型它與經(jīng)典統(tǒng)計方法對信息的認(rèn)識有較大差別，經(jīng)典方法是基于概率的頻率解釋，對大樣本情形似乎很吻合，而在小樣本場合則遇到很多不合理現(xiàn)象，但貝葉斯方法容納了對概率的主觀解釋，對小樣本的情況同樣是十分有效的，它提供了在增加新信息條件下將先驗概率轉(zhuǎn)化為后驗率的簡單有效的方法[27-30]。

(1)

式中：Ai表示水質(zhì)級別(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)；B表示樣本水質(zhì)指標(biāo)值；P(Ai)為事件Ai的先驗概率，即通過先驗直覺判斷水質(zhì)屬于級別i的可能性；P(B|Ai)為條件概率，即當(dāng)水質(zhì)級別為i時，出現(xiàn)水質(zhì)指標(biāo)值A(chǔ)的可能性；P(Ai|B)為后驗概率，即獲得水質(zhì)指標(biāo)值A(chǔ)的條件下，水質(zhì)屬于級別i的可能性。

(2)針對水質(zhì)評價情況時，可將概率論中的貝葉斯公式寫為：

(2)

式中：i為標(biāo)準(zhǔn)類型，i= 1，2.....5；j為指標(biāo)，= 1，2… … ；yj為代表站點指標(biāo)值；xji為水質(zhì)類型標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.2 貝葉斯水質(zhì)評價計算過程

(1)水質(zhì)評價可以確定某監(jiān)測斷面的水質(zhì)究竟屬于哪一級別。遵循無水質(zhì)信息條件下，水質(zhì)屬于某級的概率相同，則各監(jiān)測屬于某級的概率相同，即：

(3)

(2)根據(jù)幾何概率，采用距離法計算，即監(jiān)測斷面評價指標(biāo)與水質(zhì)類型標(biāo)準(zhǔn)之間的距離絕對值倒數(shù)進(jìn)行計算分別計算P(yi|xji)和P(xji|yi)。

(3)計算多指標(biāo)下綜合水質(zhì)后驗概率Pj：

(4)

式中：mi表示不同水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重。

(4)確定最終級別。以最大概率原則決策最終的級別：

Pk=maxPj(j=1,2,3,…,14)

(5)

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及評價標(biāo)準(zhǔn)

為更好地了解星海湖各采樣點的水質(zhì)狀況，取各點位枯水期、豐水期、平水期(4、7、10月)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析(見表1)，用于貝葉斯模型進(jìn)行水質(zhì)評價。

表1 星海湖各采樣點監(jiān)測指表結(jié)果 mg/L

2.2 基于貝葉斯模型的水質(zhì)評價結(jié)果

通過上述步驟進(jìn)行計算，得到P(xji|yi)及Pj值，Pj的值(見表2)。由以上的各個站點Pj的值根據(jù)式(5)以概率最大原則取5個Pj的最大值(Pk)可以得到14個監(jiān)測點的水質(zhì)級別(見表3)。

表2 各個監(jiān)測點不同水質(zhì)等級的綜合后驗概率表Tab.2 Comprehensive posteriori probability Tables for different water quality levels at each monitoring point

表3 各監(jiān)測站點水質(zhì)級別的最大概率Pk值及評價結(jié)果 Tab.3 The maximum probability of the water quality level of each monitoring site Pk value and evaluation results

通過貝葉斯公式對星海湖的水質(zhì)得出的評價結(jié)果表明最大概率Pk值較高，除D7和D14以外均大于50%，評價結(jié)果可行度較高。所有采樣點位中除了D7和D14點位，其他樣點水質(zhì)級別均達(dá)到Ⅴ類，水質(zhì)狀況污染嚴(yán)重。這與湖區(qū)旅游業(yè)的發(fā)展、農(nóng)業(yè)活動(作物施肥、畜禽養(yǎng)殖等)、農(nóng)田退水、周圍的工業(yè)污染、生活污水排放、野生鳥類生存等方面有較大的關(guān)系。此外，星海湖水質(zhì)狀況整體下降與其湖底清淤和工程建設(shè)有很大的關(guān)系。

依據(jù)綜合后驗概率，進(jìn)一步計算出各站點的污染因子可能度矩陣(表4)，矩陣表明TP、TN、CODMn為星海湖污染的最主要的污染因子。究其原因主要包括以下方面：

星海湖每年由第二農(nóng)場渠補(bǔ)給部分水源，第二農(nóng)場渠是引黃河水為賀蘭山山前洪積傾斜平原上農(nóng)田灌溉的支干渠，在唐徠渠的滿達(dá)橋上建閘引水[31]，部分污染物隨黃河水的補(bǔ)給進(jìn)入星海湖，其中入水口D6和鄰近的D5的受影響程度最明顯。

星海湖旅游及水上游樂項目開發(fā)，例如劃船、游艇等，加劇了人為因素對湖底的擾動，使得底泥中的氮磷分解釋放速率加快。此外湖區(qū)大規(guī)模的魚類養(yǎng)殖也是造成水質(zhì)下降的重要因素，魚類尸體、排泄物以及殘餌的腐解水體使得氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)不斷富集，從而對總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)產(chǎn)生影響。

表4 各站點的污染因子可能度矩陣Tab.4 Pollution factor matrix of each site

農(nóng)田灌溉退水對水質(zhì)的影響較大，隨著農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)的使用量不斷增加，農(nóng)藥化肥中的氮磷元素由于不能完全被農(nóng)作物吸收，隨著農(nóng)田退水進(jìn)入水體，對星海湖的水質(zhì)污染產(chǎn)生較大的影響。

此外，由于星海湖水體無排泄途徑，水體更新受阻，形成了只進(jìn)不出的局面，加之受到蒸發(fā)濃縮作用的影響，使得星海湖水體污染程度進(jìn)一步加深。

3 結(jié) 論

(1)通過貝葉斯公式對星海湖濕地的水質(zhì)得出的評價結(jié)果表明最大概率Pk值較高，除D7和D14以外均大于50%，評價結(jié)果可行度較高。所有采樣點位中除了D2、D7和D14三個點位，79.9%監(jiān)測點水質(zhì)級別達(dá)到Ⅴ類，水質(zhì)狀況污染嚴(yán)重。

(2)TP、TN和CODMn是星海湖濕地的主要污染指標(biāo)。因此，TN、TP和CODMn就成為治理該湖泊水質(zhì)的主要控制因子。

(3)旅游及水上游樂項目開發(fā)、農(nóng)田灌溉退水、湖底的擾動、底泥的分解釋放、黃河水補(bǔ)給引入污染物、蒸發(fā)濃縮作用、水體無排泄途徑、湖區(qū)大量的魚類養(yǎng)殖等因素對星海湖水質(zhì)狀況影響較大，需要引起管理者高度重視，加強(qiáng)治理，防止湖體水質(zhì)進(jìn)一步惡化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 殷書柏,李 冰,沈 方. 濕地定義研究進(jìn)展[J/OL].濕地科學(xué),2014,12(4):504-514.

[2] 崔保山,楊志峰.濕地學(xué)[M].北京師范大學(xué)出版社,2006.

[3] 楊桂山,馬榮華,張 路,等.中國湖泊現(xiàn)狀及面臨的重大問題與保護(hù)策略[J].湖泊科學(xué), 2010,22(6):799-810.

[4] 呂憲國.中國濕地與濕地研究[M].石家莊:河北科學(xué)技術(shù)出版社,2008.

[5] 徐 悅,周林飛.基于兩種方法的石佛寺人工濕地水質(zhì)綜合評價與分析[J].節(jié)水灌溉,2017,(4):106-109,117.

[6] 楊朝輝,蘇 群,陳志輝,等.基于LDI的土地利用類型與濕地水質(zhì)的相關(guān)性:以蘇州太湖三山島國家濕地公園為例[J/OL].環(huán)境科學(xué),2017,38(1):104-112.

[7] 周 晶,章錦河,陳 靜,李曼.中國濕地自然保護(hù)區(qū)、濕地公園和國際重要濕地的空間結(jié)構(gòu)分析[J/OL].濕地科學(xué),2014,12(5):597-605.

[8] 寧夏10年新增近30萬畝濕地[N].寧夏日報,2014-10-23.

[9] 荊紅衛(wèi),張志剛,郭 婧.北京北運河水系水質(zhì)污染特征及污染來源分析[J].中國環(huán)境科學(xué), 2013,3(2)319-327.

[10] 王 秀,王振祥,潘 寶,等. 南淝河表層水中重金屬空間分布、污染評價及來源[J]. 長江流域資源與環(huán)境,2017,26(2):297-303.

[11] Ogwueleka T C. Use of multivariate statistical techniques for the evaluation of temporal and spatial variations in water quality of the Kaduna River, Nigeria[J]. Environmental Monitoring and Assessment,2015:187-137.

[12] Simeonov V, Stratis J A, SAMARA C, et al. Assessment of the surface water quality in Northern Greece[J]. Water Research, 2003,37(17):4 119-4 124.

[13] Ranran Li,Zhihong Zou,Yan An.Water quality assessment in Qu River based on fuzzy water pollution index method[J].Journal of Environmental Sciences,2016,(50):87-92.

[14] 王 剛,李兆富,萬榮榮,等.基于多元統(tǒng)計分析方法的西苕溪流域水質(zhì)時空變化研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2015,34(9):1 797-1 803.

[15] Borsuk M E,Stow C A,Reckhow K H.A bayesian network of eutrophication modles for synthesis prediction and uncertainty analysis[J].Ecological Modelling,2004,173(2/3):19-239.

[16] Molina J L,Bromley J,et al. Integrated water resources management of over exploited hydro geological system susing object-oriented bayesian networks[J].Environmental Modeling&Software,2010,25(4):383-397.

[17] Blangiardo M. A bayesian analysis ofthe impact of air pollution episodes on cardio-respiratory hospital admissions in the greater london area[J].Statistical Methods in Medical Research,2011,20(1):69-80.

[18] 扈 震,楊之江,齊培培.基于貝葉斯方法的飲用水水質(zhì)預(yù)測及可視化研究[J].中國給水排水,2012,28(5):53-56,60.

[19] 廖 杰,王文圣,丁 晶.貝葉斯公式在河流水質(zhì)綜合評價中的應(yīng)用[J].四川師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,30(4):519-522.

[20] 廖 杰,王文圣,丁 晶.基于方法的四川主要河流水質(zhì)綜合評價[J].水文,2007,(1):33-35.

[21] 趙明蘭,張 波,李旺琦,等.于防洪安全的山洪水綜合利用----以星海湖攔洪庫為例[J]. 農(nóng)業(yè)工程,2013,3(1):52-53,43.

[22] 運麒安,劉小鵬. 基于工礦型城市濕地重建途徑研究----以石嘴山市星海湖為例[J]. 寧夏工程術(shù),2008,(1):21-27.

[23] 王亞娟,米文寶,王 莉,等.寧夏星海湖濕地水環(huán)境污染評價及可持續(xù)利用研究[J]. 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究,2010,31(4):46-49.

[24] 馬忠平.星海湖濕地綜合整治中生態(tài)規(guī)劃與景觀設(shè)計的思考[J].中國水利,2011,(10):61-63.

[25] GB/T 12999-1991,水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定[S].

[26] GB 3838-2002,地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[27] 黃凱.張曉玲. 貝葉斯方法在水環(huán)境系統(tǒng)不確定性分析中的應(yīng)用述評[J].水電能源科學(xué),2012,30(9):47-49.

[28] 候佑澤,秦天玲,嚴(yán)登華,等.基于貝葉斯理論的武烈河水質(zhì)綜合評價[J].南水北調(diào)與水利科技,2012,10(1):94-101.

[29] 趙曉慎,張 超,王文川.基于熵權(quán)法賦權(quán)的貝葉斯水質(zhì)評價模型[J].水電能源科學(xué),2011,29(6):33-35.

[30] ?；勰?閆 慶,尹 娟.基于區(qū)間型貝葉斯的湖泊水質(zhì)評價模型[J].環(huán)境工程,2015(2):130-134.

[31] 寧夏石嘴山市星海湖水質(zhì)富營養(yǎng)化程度分析評價及趨勢預(yù)測[J].寧夏農(nóng)林科技,2017,58(5):41-45.