农村河道整治方案优选研究

宋黎黎

(丹东市宽甸满族自治县水利局，辽宁 宽甸 118200)

0 引 言

近年来，农村经济的不断发展使得河道水环境问题日趋突出。目前，农村河道污水治理主要有生物投放、氧化塘修复、湿地净化、微生物、净化槽等技术手段，而在农村河水净化中这些成果的应用较少。考虑到不同河道的岸坡状况、水质条件以及受污染范围有所差异，为降低整治成本、提高整治效率必须因地制宜的优选出最佳的整治方案[1-3]。针对高维度、多指标、多目标河道整治方案优选决策问题，相关研究提出了许多方案优选模型，但优化有关指标体系和改进这些模型的研究还鲜有报道。据此，以丹东市宽甸县典型农村河道为研究对象，为解决河道污泥淤积及水质恶化问题提出包含护岸工程措施、水质修复技术的整治方案，并对不同整治方案利用PCA-PP模型优选评价，以期为农村河流水环境保护和治理方案设计提供参考[4,5]。

1 河道整治方案

1.1 河道现状

研究河道位于丹东市宽甸县北部的牛毛坞镇小城子村，沟壑集水汇流形成农村小河道，而且大部分农庄和农田位于河流两侧，山区小河道存在流速快、弯度大、比降大的共同特征。由于沿河社会活动和农业生产的日益增加，河道上游植被遭到严重破坏，坡面涵蓄水能力较差，大量泥沙进入河道，河床抬高，加之独特的山前地形暴雨，来之快去之急，洪水灾害日益频繁。此外，随着乡镇企业的增多和农村经济的发展，面源污染、工业废水、水产与畜牧养殖、生活垃圾以及居民废弃物成为河道主要污染物[6]。例如，随着雨水径流和农田灌溉作用，过量施用的农药雾滴或微粉颗粒、施药器械清洗用水以及农药等进入河道，农药、化肥在显著提升土壤肥沃力和农作物产量的同时，也会对水体环境产生污染；农村牲畜粪便污水未经妥善处理直接流入河道，对水体环境产生污染；此外，污水灌溉也会对河流水体产生不利影响，有毒、有机物质随降水径流不断进入河道，病源微生物对稻田产生严重的污染危害。

为保证沿河居民生产和生活安全，营造良好的生态环境，根据河道自然特点因害设防的实施护岸工程措施和水质修复技术，促使河水规矩流畅、河床稳定，在避免土壤养分流失和土体滑落的同时净化水体环境、保护各类水工程，减轻下游江河水库及河道的淤积。

1.2 水质净化方案

企业排放的生产废水及周边村庄排放的生活污水为河道主要污染来源，考虑到主要污染源较分散的实际情况实行水环境修复工程不切实际。因此，通过分析比较多种方案拟选择投放修复技术。以相同的投放成本为约束条件，设计不同方案的投放量及投放物：①污水与EM复壮液的体积比为40:1，其中EM复壮液为去离子水：糖蜜：EM原液=98：1：1配制并经37℃恒温发酵7d而成。②污水与竹炭的质量比为75：1，其中采用6年生毛竹经600℃高温烧制后过60目筛形成的炭粉。③污水与水质净化球的质量比为100:3。将典型河段水样送至实验室测定水质，各方案的投放修复试验为期15d。水样中CODMn、TH3-N、TP的原始含量为21.26、3.41、0.45mg/L，试验过程中水样的CODMn、TH3-N、TP浓度测定频次为2d一次，通过测定试验结束后的CODMn、TH3-N、TP浓度确定投放修复技术的去除效率。

1.3 河道护岸措施

为解决局部河岸坍塌的问题，结合新农村建设和水利现代化发展要求采取河道生态护岸形式。①植物护岸：这种护岸修复生态、美化环境、稳定堤坡的根本途径为发挥水文学与根系水效应，其达到护岸功能的方式有减弱水压力、减少溅蚀、根系加筋和深根锚固作用等，比较常见的方式有岸坡覆盖草类植物，其价格低廉且覆盖率高，为增强局部和整体岸坡稳定性还可将草类植物与木本植物相结合用于河道护岸。②生态袋护岸：生态袋属于一种透水性好、强度高的护岸材料，通过辅以种植土有效解决植物护岸的稳定性问题，植被绿化的途径有种子与土混入袋、移栽、刷层和水喷等，植被根系随着时间的发展逐渐发达，进一步增强岸坡稳定性。③绿化混凝土护岸：由于农村河道水流速度较小，可在河流岸坡设计植生型混凝土，这种护岸通常由表层土、土壤、保水剂和缓释肥等多种材料组成，并以适量细料、低碱水泥、粗骨料等拌制而成的多孔混凝土作为植被生长的骨架，植生混凝土可将景观美化与安全护砌相结合，营造水、草组成的水环境，发挥着明显的生态环境功能[7]。

2 整治方案的优选

2.1 PCA-PP模型

实际上，投影寻踪模型是利用特定的方式实现高维复杂数据的低维子空间投射转化，从而完成高维数据的低维分析处理。针对评价结果易受主观权重的影响问题，投影寻踪模型能够保证评价结果的客观性、科学性，实际应用时具有明显的优势[8]。然而，构建的评价体系通常包含较多的指标且部分指标存在相似的类型，由此使得在投影方向上该类指标所占权重过高，该类指标对评价结果的贡献偏大。对此，可将同类型指标利用主成分分析法转化为一项指标，采用提取的主成分参与投影寻踪运算，从而解决PP模型使用过程中的局限性。

2.2 评价指标值

河道整治方案评价指标采用CODMn、TH3-N、TP去除率以及工程造价、群众支持力度、政府支持力度、环境协调性、工程耐久性、施工进度，如表1。邀请水利工程领域专家、生态环境领域专家、项目所在地职能部门负责人以及牛毛坞镇群众代表等，对工程耐久性、施工进度、环境协调性、政府支持力度、群众支持力度指标赋分，其中优秀、良好、一般、很差等级的赋分标准为>90、80-90、60-80、<60。

表1 河道整治方案评价指标与指标值

然后对赋分指标采用主成分PCA法提取，主成分贡献率及其系数如表2。从表2看出，累计贡献率在提取f1、f2两个主成分时达到81.612%，表明这两个主成分包含了大量初始信息。从综合得分的可知，方案S6的赋分指标X1值最大为2.74，其次为S3、S5的2.60和2.25。

表2 主成分贡献率与系数

2.3 建模流程

为了更加清晰、直观的反映评价流程，总体上按照以下6个步骤完成河道整治方案的优选分析，投影寻踪建模流程如下：

(1)

步骤2：无量纲化处理。考虑各项指标的量纲和数量级不同，无法直接参与河道整治方案的优选，因此评价前要将指标初始值无量纲化处理至0-1范围。对于参数值越大则河道整治方案越有型指标，如CODMn、TH3-N、TP去除率、赋分指标，其无量纲化公式为：

(2)

对于参数值越小则河道整治方案越优型指标，如工程造价，其无量纲化公式为：

(3)

(4)

(5)

步骤4：构造目标函数。投影点的分布情况及原始信息的保留量与线性投影过程密切相关，投影点分布越密集或凝聚成若干个点团则效果越好，并且不同点团越分散则效果越优。因此，以多元数据分布的类内密度和类间距离尽量同时达到最大为约束条件构造投影目标函数Q(a)，即：

Q(a)=SzDz

(6)

(7)

(8)

式中：Dz、Sz为投影特征值zi的局部密度和标准差，也称为类内密度和类间距离；E(z)为序列均值；R为局部密度的窗口半径，R值既不能使得窗口内投影点平均个数太少也不能使得它随n的增加而显著增大，由此减少滑动平均偏差；f(R-rik)为单位阶跃函数，其中投影值距离rik=|zi-zk|，若R-rik≥0则与其对应的投影值取1；若R-rik<0则与其对应的投影值取0。

步骤5：投影目标函数的优化。最优投影方向能够最大程度的体现数据特征，该方向为目标函数值达到最大时的向量，由此可实现非线性最优解与搜索最佳投影方向的问题转化。采用最大化估计法确定最佳投影方向，即利用下式作为目标函数：

max:Q(a)=SzDz

(9)

2.4 优选结果

总体而言，投影值达到较高水平的有S4-S6方案，表明相对于净化球、EM复壮液竹炭具有更优的水质净化效果，方案S4为最优还可能与较高的赋分指标得分、较低的工程造价等因素有关。

3 结 论

根据河道岸坡和河流水质实际状况，将护岸工程措施与投放修复技术相结合合计出多种河道整治方案，并对不同整治方案利用PCA-PP模型优选分析。结果显示：该模型具有较高的应用效果，PCA法以单个指标替代多个赋分指标有效解决了主观经验的影响问题；计算过程中PCA-PP模型可对原始数据信息充分保留，结果客观且原理科学，其推广前景和应用价值较高。此外，在构建评价指标体系时应考虑不同指标间的独立性，可为农村河道整治及其方案设计提供参考。