基于贝叶斯的星海湖湿地水质评价及特征分析

杨海江，钟艳霞，罗玲玲，田 欣，王志秀

(1.宁夏大学大学资源环境学院，银川 750021；2.宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控重点实验室，银川 750021； 3.宁夏大学科技处，银川 750021)

湿地是水陆相互作用形成的独特的生态系统[1]，在维持区域生态平衡、调节区域气候、降解污染、调径蓄洪、排涝抗旱、美化环境等方面具有极其重要的作用[2-6]。但是随着工业化建设和城市化的发展，人地矛盾日趋紧张，湿地受到诸多方面的影响和不同程度的破坏，随之而来伴生一系列环境问题，诸如湿地污染、退化、消失。

由于我国湿地面积占国土面积的比例远低于世界平均水平，并面临全球变化和人类活动的影响，湿地保护工作显得尤为重要。宁夏地处西北内陆，生态环境脆弱，湿地作为重要的生态资源更加显得弥足珍贵。石嘴山作为西部重要经济转型发展的城市，在城市转型发展过程中生态环境建设是其转型发展的重要标志和考核指标，其城市内部湿地的现状、发展就尤为重要，“十三五”时期，石嘴山市将实施沙湖----星海湖水系连通，开展重点水域环境综合治理等工程，对于提升城市形象、改善大武口区生态和人居环境、拓宽区域经济发展空间具有不可替代的作用，同时，更能大力促进新型转型的“海绵城市”建设。因此选择石嘴山星海湖开展水质研究，为石嘴山城市转型发展提供环境支撑。

目前水质评价常用的方法主要有单因子评价法、综合污染指数法、主成分分析法、灰色评价法、神经网络法等[9,10]，国内外学者也应用此类方法对区域的水质和污染状况进行了广泛深入研究[11-14]。但这些方法普遍具有计算量大、计算复杂的特点，不能满足小样本高时效的计算要求。

贝叶斯评价法作为一种以数学理论为基础的统计学方法[15]，不仅可以形象直观地表示各评价因子或要素之间的关系，而且还可以定量地描述各要素间的关联程度或影响度，主要通过对数据信息进行概率推断进行水质评价，该方法简单明了，计算量小，计算方便，处理问题客观、简便、快捷，因此在水质评价过程中应用较为广泛的应用，较传统的水质评价更具有实用性和科学性。目前国外,贝叶斯方法在水利水电、土地资源评价、国防军事、金融保险等各个领域得到广泛应用[16,17]；国内趋向应用于环境科学、水质监测分析、水质污染评价等领域的多个方面，证明了该方法有效可行，可以作为水质评价的一个新方法[18-20]。

综合近年关于星海湖水质的相关研究[21-23]，就其研究方法而言均较为单一，以传统的单因子评价法、综合污染指数法、模糊数学评价法居多。因此本文采用贝叶斯评价方法对星海湖的水质作出全面、客观的评价，同时为星海湖的综合治理和科学管理提供参考和建议。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

星海湖湿地位于宁夏回族自治区石嘴山市境内(E105°58'～106°59'，N38°22'～39°23')，集湖泊、沼泽、盐土、湖土荒地等多种类型为一体，属于黄河水系，区域总面积48.08 km2，其中湖泊面积14.7 km2，平均水深1.2 m。属于温带大陆性季风气候，平均年降水量300 mm 以下， 各季节降水分布差异性很大，年内降水主要集中在6～9月，占年降雨量的70%以上，水源补给由3 部分组成：山洪水、城市及周边雨水和引黄灌溉用水[21-23]。域内有鱼池和农田分布；植物种类较少，覆盖度较低；生物多样性较为丰富，湿地有鸟类11 目24 科98 种，其中国家一级保护鸟类有中华秋沙鸭、大鸨、黑鹳，国家二级保护鸟类有灰鹤、小天鹅、白额雁、鸳鸯、蓑羽鹤等13种，有鱼类20余种[24]。石嘴山市素有“塞上煤城”之称，是宁夏典型的煤炭资源型工业城市，西北重要的工业城市。

1.2 水样采集与处理

1.2.1 样品采集

根据湖泊所处地形状况和水流特点，共设置14个采样点(见图1)，根据流域内降水特征及水文节律，以及采样时间，分别定于 2016年7月(丰水期)、10月(平水期)和 2017年4月(枯水期)月初进行水样的采集工作。利用手持GPS 导航仪器进行定位，确保每次采样地点位置相同，同时记录采样点周围地理条件、补水、排水等。用柱状采水器采集表层(深度50 cm)水样1 000 mL，所有点位均取3组平行样。采集后的水样按照《水质样品的保存和管理技术规定》(HJ 493-2009)中要求的方法保存[25,26]。

图1 采样点示意图Fig.1 Sample point

1.2.2 样品的测定

总氮(TN)：过硫酸钾氧化—紫外分光光度法(GB11894-89)；

总磷(TP)：碱性过硫酸钾消解—钼酸铵分光光度法(GB11893-89)；

氨氮(NH3-N)：纳氏试剂光度法(GB7479-87)；

高锰酸盐指数(CODMn)：(GB11892-89)；

叶绿素a(Chl-a)：分光光度法(SL88-2012)；

溶解氧(DO)：采用美国哈希HACH HQ30D便携式溶氧仪，现场测定；

pH：玻璃电极法(GB6920-86)。

1.3 研究方法

1.3.1 贝叶斯水质评价原理

(1)贝叶斯水质评价模型它与经典统计方法对信息的认识有较大差别，经典方法是基于概率的频率解释，对大样本情形似乎很吻合，而在小样本场合则遇到很多不合理现象，但贝叶斯方法容纳了对概率的主观解释，对小样本的情况同样是十分有效的，它提供了在增加新信息条件下将先验概率转化为后验率的简单有效的方法[27-30]。

(1)

式中：Ai表示水质级别(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)；B表示样本水质指标值；P(Ai)为事件Ai的先验概率，即通过先验直觉判断水质属于级别i的可能性；P(B|Ai)为条件概率，即当水质级别为i时，出现水质指标值A的可能性；P(Ai|B)为后验概率，即获得水质指标值A的条件下，水质属于级别i的可能性。

(2)针对水质评价情况时，可将概率论中的贝叶斯公式写为：

(2)

式中：i为标准类型，i= 1，2.....5；j为指标，= 1，2… … ；yj为代表站点指标值；xji为水质类型标准值。

1.3.2 贝叶斯水质评价计算过程

(1)水质评价可以确定某监测断面的水质究竟属于哪一级别。遵循无水质信息条件下，水质属于某级的概率相同，则各监测属于某级的概率相同，即：

(3)

(2)根据几何概率，采用距离法计算，即监测断面评价指标与水质类型标准之间的距离绝对值倒数进行计算分别计算P(yi|xji)和P(xji|yi)。

(3)计算多指标下综合水质后验概率Pj：

(4)

式中：mi表示不同水质指标权重。

(4)确定最终级别。以最大概率原则决策最终的级别：

Pk=maxPj(j=1,2,3,…,14)

(5)

2 结果与讨论

2.1 水质监测数据及评价标准

为更好地了解星海湖各采样点的水质状况，取各点位枯水期、丰水期、平水期(4、7、10月)水质指标进行分析(见表1)，用于贝叶斯模型进行水质评价。

表1 星海湖各采样点监测指表结果 mg/L

2.2 基于贝叶斯模型的水质评价结果

通过上述步骤进行计算，得到P(xji|yi)及Pj值，Pj的值(见表2)。由以上的各个站点Pj的值根据式(5)以概率最大原则取5个Pj的最大值(Pk)可以得到14个监测点的水质级别(见表3)。

表2 各个监测点不同水质等级的综合后验概率表Tab.2 Comprehensive posteriori probability Tables for different water quality levels at each monitoring point

表3 各监测站点水质级别的最大概率Pk值及评价结果 Tab.3 The maximum probability of the water quality level of each monitoring site Pk value and evaluation results

通过贝叶斯公式对星海湖的水质得出的评价结果表明最大概率Pk值较高，除D7和D14以外均大于50%，评价结果可行度较高。所有采样点位中除了D7和D14点位，其他样点水质级别均达到Ⅴ类，水质状况污染严重。这与湖区旅游业的发展、农业活动(作物施肥、畜禽养殖等)、农田退水、周围的工业污染、生活污水排放、野生鸟类生存等方面有较大的关系。此外，星海湖水质状况整体下降与其湖底清淤和工程建设有很大的关系。

依据综合后验概率，进一步计算出各站点的污染因子可能度矩阵(表4)，矩阵表明TP、TN、CODMn为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：

星海湖每年由第二农场渠补给部分水源，第二农场渠是引黄河水为贺兰山山前洪积倾斜平原上农田灌溉的支干渠，在唐徕渠的满达桥上建闸引水[31]，部分污染物随黄河水的补给进入星海湖，其中入水口D6和邻近的D5的受影响程度最明显。

星海湖旅游及水上游乐项目开发，例如划船、游艇等，加剧了人为因素对湖底的扰动，使得底泥中的氮磷分解释放速率加快。此外湖区大规模的鱼类养殖也是造成水质下降的重要因素，鱼类尸体、排泄物以及残饵的腐解水体使得氮、磷等营养物质不断富集，从而对总氮、总磷、高锰酸盐指数等指标产生影响。

表4 各站点的污染因子可能度矩阵Tab.4 Pollution factor matrix of each site

农田灌溉退水对水质的影响较大，随着农业化学物质的使用量不断增加，农药化肥中的氮磷元素由于不能完全被农作物吸收，随着农田退水进入水体，对星海湖的水质污染产生较大的影响。

此外，由于星海湖水体无排泄途径，水体更新受阻，形成了只进不出的局面，加之受到蒸发浓缩作用的影响，使得星海湖水体污染程度进一步加深。

3 结 论

(1)通过贝叶斯公式对星海湖湿地的水质得出的评价结果表明最大概率Pk值较高，除D7和D14以外均大于50%，评价结果可行度较高。所有采样点位中除了D2、D7和D14三个点位，79.9%监测点水质级别达到Ⅴ类，水质状况污染严重。

(2)TP、TN和CODMn是星海湖湿地的主要污染指标。因此，TN、TP和CODMn就成为治理该湖泊水质的主要控制因子。

(3)旅游及水上游乐项目开发、农田灌溉退水、湖底的扰动、底泥的分解释放、黄河水补给引入污染物、蒸发浓缩作用、水体无排泄途径、湖区大量的鱼类养殖等因素对星海湖水质状况影响较大，需要引起管理者高度重视，加强治理，防止湖体水质进一步恶化。

参考文献：

[1] 殷书柏,李 冰,沈 方. 湿地定义研究进展[J/OL].湿地科学,2014,12(4):504-514.

[2] 崔保山,杨志峰.湿地学[M].北京师范大学出版社,2006.

[3] 杨桂山,马荣华,张 路,等.中国湖泊现状及面临的重大问题与保护策略[J].湖泊科学, 2010,22(6):799-810.

[4] 吕宪国.中国湿地与湿地研究[M].石家庄:河北科学技术出版社,2008.

[5] 徐 悦,周林飞.基于两种方法的石佛寺人工湿地水质综合评价与分析[J].节水灌溉,2017,(4):106-109,117.

[6] 杨朝辉,苏 群,陈志辉,等.基于LDI的土地利用类型与湿地水质的相关性:以苏州太湖三山岛国家湿地公园为例[J/OL].环境科学,2017,38(1):104-112.

[7] 周 晶,章锦河,陈 静,李曼.中国湿地自然保护区、湿地公园和国际重要湿地的空间结构分析[J/OL].湿地科学,2014,12(5):597-605.

[8] 宁夏10年新增近30万亩湿地[N].宁夏日报,2014-10-23.

[9] 荆红卫,张志刚,郭 婧.北京北运河水系水质污染特征及污染来源分析[J].中国环境科学, 2013,3(2)319-327.

[10] 王 秀,王振祥,潘 宝,等. 南淝河表层水中重金属空间分布、污染评价及来源[J]. 长江流域资源与环境,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 刚,李兆富,万荣荣,等.基于多元统计分析方法的西苕溪流域水质时空变化研究[J]. 农业环境科学学报,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,杨之江,齐培培.基于贝叶斯方法的饮用水水质预测及可视化研究[J].中国给水排水,2012,28(5):53-56,60.

[19] 廖 杰,王文圣,丁 晶.贝叶斯公式在河流水质综合评价中的应用[J].四川师范大学学报(自然科学版),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质综合评价[J].水文,2007,(1):33-35.

[21] 赵明兰,张 波,李旺琦,等.于防洪安全的山洪水综合利用----以星海湖拦洪库为例[J]. 农业工程,2013,3(1):52-53,43.

[22] 运麒安,刘小鹏. 基于工矿型城市湿地重建途径研究----以石嘴山市星海湖为例[J]. 宁夏工程术,2008,(1):21-27.

[23] 王亚娟,米文宝,王 莉,等.宁夏星海湖湿地水环境污染评价及可持续利用研究[J]. 农业科学研究,2010,31(4):46-49.

[24] 马忠平.星海湖湿地综合整治中生态规划与景观设计的思考[J].中国水利,2011,(10):61-63.

[25] GB/T 12999-1991,水质采样样品的保存和管理技术规定[S].

[26] GB 3838-2002,地表水环境质量标准[S].

[27] 黄凯.张晓玲. 贝叶斯方法在水环境系统不确定性分析中的应用述评[J].水电能源科学,2012,30(9):47-49.

[28] 候佑泽,秦天玲,严登华,等.基于贝叶斯理论的武烈河水质综合评价[J].南水北调与水利科技,2012,10(1):94-101.

[29] 赵晓慎,张 超,王文川.基于熵权法赋权的贝叶斯水质评价模型[J].水电能源科学,2011,29(6):33-35.

[30] 祝慧娜,闫 庆,尹 娟.基于区间型贝叶斯的湖泊水质评价模型[J].环境工程,2015(2):130-134.

[31] 宁夏石嘴山市星海湖水质富营养化程度分析评价及趋势预测[J].宁夏农林科技,2017,58(5):41-45.