太湖流域水质变化解析

汪丽娜 ，李 艳，陈晓宏

(1. 华南师范大学地理科学学院，广东广州510631;2. 广东商学院资源与环境学院，广东广州510320;3. 中山大学水资源与环境研究中心，广东广州510275;4. 华南地区水循环与水安全广东省教育厅重点实验室，广东广州510275)

近20年来，我国湖泊水质问题日益严重［1］. 城市湖泊目前都已处于重富营养或异常营养状态，绝大部分大中型湖泊均已具备发生富营养化的条件或处于富营养化状态，导致水量、水质和水生态系统的巨大变化［2］. 以太湖梅梁湾为代表的重污染湖湾，其水污染的程度和范围仍呈加重的趋势. 湖泊水体水质的治理对于生态环境［3－4］、人类生活和工农业生产具有积极的意义. 近年来，在湖泊及其流域，政府积极实施了城镇化、工业化的战略，大量农村剩余劳动力进入城镇，生活污染源使污染负荷迅速增加，如何保障湖泊流域人们的饮水健康成为该区域十分迫切的问题.

太湖是我国第三大淡水湖泊，太湖正常水位下容积为44.3 亿m3，平均水深1.89 m，最大水深2.6 m，多年平均年吞吐水量52 亿m3，水量交换系数1.2，换水周期约300 天. 太湖具有蓄洪、供水、灌溉、航运、旅游等多方面功能，是流域的重要供水水源地，不仅担负着无锡、苏州、锡山、吴县、吴江、长兴、宜兴、武进市(县)的城乡供水，在太浦河开通后，还将向上海供水并改善黄浦江上游的水质，其供水服务范围超过2 000 万人，占太湖流域总人口的55%.因此，本文解析太湖流域水质现状及其变化特征，探讨富营养化的治理措施. 利用国家环境保护部官方网站公布的2010—2011年太湖水质常规监测数据，以国家地表水质标准为基础，分析各项指标的水质类别状况，并结合FCM 算法，综合考虑各项指标，判断各断面水质类别，从而深入了解太湖水质恶化的主要影响因素，并为太湖水质污染治理提供科学依据.

1 研究方法

采用模糊C－means 聚类算法和Pettitt 突变检测法［5－7］，选取江苏无锡沙渚、江苏苏州西山、浙江湖州新塘港和上海青浦急水港等4个断面进行分析，截取2010年2月28日—2011年2月20日的水质数据进行分析. 选取溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)以及氨氮含量(NH3－N)作为衡量水质状况的指标值.

模糊C－means 聚类算法是一种无监督的聚类算法，它是由Bezdek 在1973年提出的硬C 均值聚类(FCM)方法改进的算法. 该算法有广泛的应用领域［8－9］，其理论方法为:设X ={xi，i =1，2，…，n}为训练样本集，{A1，A2，…，Ac}(2≤c≤n)是数据样本的预定类别数目，U 是相似分类矩阵，vi(i =1，2，…，c)为各类别的聚类中心，uik(i=1，2，…，c;k =1，2，…，n)是样本xi对于第k个样本对第i 类的隶属度函数(简写为uik). 且0≤uik≤1 及0≤n，则目标函数或聚类损失函数Jb为:

模糊C－均值聚类算法是为寻找一种最佳的分类U，以使分类所产生的函数值Jb最小. 满足下式的约束条件:

则由式(2)、(5)得出:

图1 太湖流域4个断面水质状况变化趋势Figure 1 Change trend of water quality in Taihu lake basin

模糊C－均值聚类算法是基于误差平方和目标函数准则，给出初始方案后，根据式(4)和式(5)反复迭代聚类中心、数据隶属度，并且进行分类，使目标函数达到最小，从而完成了模糊聚类的划分.

2 结果与分析

图1 表明，4个断面的DO、CODMn和NH3－N 均呈现波动变化特征. 其中DO 呈增加的趋势，而CODMn的变化较为平稳，但是2011年初，NH3－N 有上升的趋势，这可能与人类的活动有关，因为检测时段正值春节时期，人类活动和生活用水相对频繁.相同断面，不同的指标变化趋势不相同;不同的断面同一指标值其变化趋势亦不相同.

结合我国的《地表水环境质量标准》(GB 3838－2002)，分别得出4个断面水质状况(图2). 表明不同的指标得出的水质类别不一样. 如果用单一的指标判断水质状况，难以确定水质的综合情况.

图2 太湖流域4个断面不同指标的水质类别Figure 2 Water quality of different indexes in Taihu lake basin

图3 太湖流域各个断面水质类别Figure 3 Comprehensive assessment of water quality in Taihu lake basin

采用FCM 算法对水样进行水质分类评价，且将分类数设置为5，所得的水质类别结果(图3)，相比单一因子划分水质类别更为客观. 在2010年从第33 周到第45 周期间，4个断面水质相对较差，这是由于NH3－N 和CODMn指标在此期间内呈现增加的趋势，因此，水质表现为恶化的趋势.

计算各断面不同类别水质的百分比值，如表1所示. 整体上，Ⅳ类水和Ⅴ类水，在各断面上所占的比例仍较高，说明太湖流域水质状况仍需要改进.

根据Pettitt 法分别进一步分析4个断面3个指标的变化情况(表2)，均发生显著性水平，其中DO指标发生突变的时间较为集中，基本在2010年11月左右，图1 表明，突变后的DO 含量增加，水质呈现转好的趋势. 而CODMn和NH3－N 指标的突变时间，4个断面均不相同，这是由于每个断面处于不同的区域，受到的人类活动的影响不同所造成的.

表1 太湖流域各个断面水质类别的百分比Table 1 The proportion of different water quality in Taihu lake basin

表2 Pettitt 法检验各断面水质突变情况Table 2 Test water mutation situation by Pettitt method

3 讨论与结论

通过分析太湖流域不同断面水质状况的变化特征，并与国家地表水的水质标准对比，得出各断面各指标的类别状况. 同时，采用Pettitt 方法，寻找各断面3 项指标的突变点，发现基本在2010年11月左右发生溶解氧指标的突变，显示突变后的溶解氧含量增加. 并根据FCM 算法，将水质状况进行综合评价，得出各断面水质状况类别，结果表明:IV 类水和V 类水，在各断面上所占的比例仍较高，太湖流域的水质仍需加强治理. 城市周边的湖泊，特别是大城市周边的湖泊，由于受到人类活动的影响，例如大量的工业和生活污染物直接或间接向湖泊排放，导致水体的恶化程度加剧. 据2010年的统计显示，滇池、巢湖、太湖、洞庭湖和鄱阳湖接纳废水量仍未减少，甚至有增加的趋势［10］. 太湖水华爆发的频繁发生，将成为制约太湖周边地区经济发展的主要因素.

［1］张运林，秦伯强. 太湖水环境的演变研究［J］. 海洋湖泊沼通报，2001，2:8－15.

［2］李军，刘丛强，肖化云，等. 太湖北部夏季浮游藻类多样性与水质评价［J］. 生态环境，2006，15(3):453－456.

［3］顾宗濂. 中国富营养化湖泊的生物修复［J］. 农村生态环境，2002，18(1):42－45.

［4］秦伯强，高光，胡维平，等. 浅水湖泊生态系统－恢复的理论与实践思考［J］. 湖泊科学，2005，17(1):9－16.

［5］PETTITT A N. A non－ parametric approach to the change－point problem［J］. Applied Statistics，1979，28(2):126－135.

［6］PETTITT A N. Some results on estimating a change－point using nonparametric type statistics［J］. J Stat Comput Sim，1980b，11:261－272.

［7］PETTITT A N. A simple cumulative sum type statistic for the change－ point problem with zero－ one observations［J］. Biomstrika，1980，67:79－84.

［8］RAMZE M，LELIEVELDT B P F，REIBER H C. A new cluster validity index for the fuzzy c－mean［J］. Pattern Recognition Letters，1998，19(3/4):237－246.

［9］BEZDEK J C. Pattern recognition with fuzzy objective function algorithms ［M］. New York:Plenum Press，1981.

［10］程曦.湖泊水质与经济发展关系研究［J］.党政干部学刊，2012，9:46－55.