海城市毛祁河河道整治方案优选研究

高 翔

(辽宁省鞍山市政务服务中心，辽宁 鞍山 114001)

0 引 言

河流作为重要的环境载体和基础性资源，在推动城市化发展和经济建设中发挥不可替代的作用，其水文特性、生态环境、物理结构等在一定程度上均受到人类活动的影响[1-3]。近年来，城市河道径流过水面积随着城镇化的发展不断减少，水生态功能退化和水环境污染等问题十分突出。当前，用于河流污染治理的方法较多，主要有生物投放、氧化塘修复、微生物、净化槽和湿地净化等技术，在城市河道整治中这些技术措施的应用还不够广泛[4]。由于各地区的河道岸坡状况、水环境容量、受污染范围等不尽相同，为降低河道整治成本、提高河流治理效率必须因地适宜的选取最佳的整治方案。河道治理工程涉及到的因素较多、范围较广，对其优选决策属于一个多因素、多目标的高维数综合问题[5]。虽然针对工程方案的研究较多，但涉及到指标优选的报道较少，关于优选模型的改进研究鲜有报道。据此，文章以海城市毛祁河河道为例，结合河道整治实际状况，从护岸工程措施和水质修复2个方面提出综合治理方案，不同整治方案利用PCA-PP模型优选评价，以期为促进河流水体环境和社会经济的协调统一发展提供科学的指导。

1 毛祁河河道现状

毛祁河总长16km，总控制面积87km2，平均河宽28m，平均比降4.25‰，主要径流曹家堡、张家堡等11个村庄。河流发源于毛祁镇黑音寺山上，曲折北上，穿越哈大公路、长大铁路，流经曹家堡、牛圈沟、吴家沟、付家村、二道沟、张家堡、金家口子、南毛、北毛、小河等村。流域属于温暖带季风型大陆性气候，四季冷暖干湿分明、夏季多雨湿热、冬季干燥严寒。[6-8]。

河道整治段主要承受来自吴家沟、二道沟、牛泉沟、曹家堡、金家口子等村的生活污水，且部分河道内生活垃圾堆积、岸坡塌陷、水体污染等问题突出。该河道以地表水和降雨汇集为主，在降雨或地表径流作用下随意堆放的生活垃圾进入河流，对水系统环境造成不利影响，特别是枯水期河水恶臭刺鼻现象较为常见[9]。此外，未经处理或处理不达标的工业废水、生活污水的肆意排放对水环境造成严重的破坏作用，各类污染物的汇入使得河道的流动能力不断下降，其径流运输能力和扩散空能逐渐减弱，从而导致水系统自净能力的下降。

2 河道整治方案

2.1 水质净化方案

企业排放的生产废水和居民生活排放的污水为城市河道的主要污染来源，考虑到污染源分布范围较为广泛的实际情况，对河道水体环境不宜采取大型集中式修复方法。结合河道实际情况和相关资料，经充分的论证分析拟选用投放修复技术。从河道整治成本和修复效果的角度，设计的水环境修复方案如下：①EM复壮液与污水的体积比为250×10-4，按照去离子水：糖蜜：EM原液=98∶1∶1配置EM复壮液；②污水与竹炭的质量比为75∶1，其中竹炭为6年生毛竹高温600℃煅烧后，经60目过筛后的碳粉；③污水与水质净化求的质量比为100∶3。由当地重点实验室测定毛祁河典型河段的水样，投放修复试验为期15d，初始水样的CODMn、TH3-N、TP含量分别为21.25、3.37、0.46mg/L；试验过程中对水样的CODMn、TH3-N、TP浓度每隔2d测定一次，最后对不同修复技术的CODMn、TH3-N、TP去除效率进行计算。

2.2 护岸工程措施

根据毛祁河部分河道生活垃圾堆积、岸坡塌陷、水体污染等实际情况，拟选择的护岸形式有如下三种：其一为植物护岸措施，为维持河岸稳定选用根系发达的原生草木，在易冲刷河段可插入木桩或人工柱，通过采取辅助措施形成垂直护岸。其二为生态袋护岸措施，此护岸形式主要由植被、连接扣和生态袋构成，通过将熟土置入带内满足植物生长需要，利用植物的根系固结作用提高系统的整体稳定性。其三为绿化混凝土护岸措施，选用水泥和碎石材料制成一定尺寸的块体，采用复合土填充间隙，植被和混凝土承担护岸任务，利用液压播撒技术对设计水位以上区域喷洒播种[10]。

3 基于PCA-PP模型的整治方案优选

3.1 模型原理

投影寻踪模型的实质是将存在一定内在规律的高维数据，运用计算机技术投影至1-2维的低维子空间，通过极小化转换确定能够最大限度的表征原高维特征的投影方向，分析投影后的数据在低维子空间上的特征即可实现高维度数据处理的效果。一般情况下，投影寻踪模型的计算主要有构造投影目标函数、计算数据特征值、确定最佳投影方向以及高维样本标准化处理等，由于具有较强的客观性和普遍适用性，在处理超高维、小样本数据方面具有广泛的应用前景。然而，由于河道整治涉及到的范围广、因素多，且不同因素之间存在相似性特征，在计算评价体系中各指标投影方向时易造成偏离实际情况的现象[11,12]。鉴于此，考虑对同类型指标采用主成分分析法提取，在投影寻踪分类模型中转化为一项指标参与计算，从而有效解决单一方法应用时存在的局限性问题。

3.2 指标结构及指标值

根据海城市毛祁河河道实际情况，选择整治方案优选评判指标为CODMn去除率、NH3-N去除率、TP去除率、工程造价、政府支持度、环境协调性、工程耐久性、群众支持度和施工进度，见图1。邀请河道治理领域相关专家对工程耐久性、施工进度打分，并取平均值作为初始值，邀请当地水环境领域专家、政府职能部门负责人对环境协调性和政府支持度打分，由海城市吴家沟、二道沟、牛泉沟、曹家堡、金家口子村的5位群众代表对群众支持度打分[13]。将评价等级划分为优秀、良好、一般、很差4个级别，所对应的赋分依次为>90、80-90、60-80、<60。

图1 河道整治方案优选评价体系

根据以上方法确定各评价指标值见表1，然后对赋分指标利用主成分分析法提取主成分，各指标的贡献率和主成分系数见表2。从表2可以看出，主成分f1、f2在河道整治方案评价中保留了大部分的初始数据信息，累计贡献率达81.562%。通过分析各指标综合得分发现，得分最好的方案为S6。

表1 河道整治方案的指标体系及其赋分值

表2 基于主成分法指标贡献率

3.3 构建模型

根据评价指标X5、X4、X3、X2、X1和投影寻踪模型基本原理，构建河道整治方案优选评价模型，建模步骤如下：

步骤一：构造方案评价矩阵。设评价指标和治理方案的个数分别为p、n，文中p=5、n=9，第j个指标在整治方案i中的参数值为xij*，由此可构造评价矩阵X*，即：

(1)

步骤二：标准化处理。由于各参评指标量纲的不同无法直接用于计算，在整治方案优选前应结合各指标的内涵特征进行预处理，从而使得各参数值处于0-1范围。根据各指标对整治方案的影响趋势，可分为损失型和收益型指标。其中，收益型指标主要有CODMn、NH3-N、TP去除率、赋分指标，其标准化计算公式为：

(2)

评价体系中工程造价为损失型指标，其预处理公式为：

(3)

式中：minxj*、minxj*为第j个指标在数据集中的最小值和最大值。通过标准化处理可将初始矩阵X*转化为标准矩阵，即：

(4)

步骤三：线性投影。一般情况下，PP模型选用线性投影法转化将高维数据转化至一维线性空间上，根据一维投影方向a所对应的投影值zi实现p维数据的转换，即：

(5)

步骤四：投影目标函数的构造。投影点的分布情况与线性投影原始信息的保留量之间存在密切的关系，为尽可能的使得投影值zi提取更多的变异信息，寻找的数据结构组合特征应最大程度的满足多维指标的数据值。换而言之，就是要尽量的促使局部投影点凝聚或保持密集，对于点团来说要尽量的保持散开，由此获得最佳的分散效果。所以，在投影目标函数构造过程中，要尽量保持多元数据分布的类间密度和类间间距在一维空间上达到最大，由此确定的投影指标函数Q(a)如下：

Q(a)=SzDz

(6)

式中：Sz、Dz分别为投影值zi的类间距离和局部密度；E(z)、R分别为序列zi的均值和局部密度的窗口半径；f(·)、r(i,j)分别为单位阶跃函数与特征值间的距离，即rik=|ri-rk|，其中i，k=1，2，…，n为样本容量。

单位阶跃函数为f(·)，若·≥0则与其对应的函数值f(·)为0；若·<0则与其对应的函数值f(·)为1。

3)步骤五：优化投影指标函数。根据下述公式实现非线性最优求解问题与搜索最佳投影方向之间的转化，其目标函数表达式：

maxQ(a)=SzDz

(7)

3.4 方案优选

根据以上评价结果，河道整治水平较高的方案为S4-S6，其原因为净化球、EM复壮液的水质净化效果低于竹炭，另外还与赋分指标评分和工程造价等因素相关。

4 结 论

依据河道岸坡和河流水质实际状况，从护岸工程措施和生态修复技术2个方面提出了河道整治方案，并对不同整治方案的优劣程度利用PCA-PP模型优选评价，得出的主要结论如下：

1)将多个赋分指标采用PCA法转化为单一指标，从而有效避免了主观判断对方案优选的影响。在计算过程中PCA-PP模型具有结果客观、原理科学等优点，能够最大程度的保留初始信息，具有广泛的应用前景和价值。

2)在评价体系构建中，应充分考虑河道整治方案各影响因子之间的独立性，研究成果可为河流治理方案优选及改善河道水生态环境提供一定指导。