宦 娟，张 浩，徐宪根，史 兵，蒋建明，孙文迪
（1.常州大学 计算机与人工智能学院 阿里云大数据学院，江苏 常州 213164；
2.常州市环境科学研究院，江苏 常州 213022）
洮滆流域是太湖流域西部洮滆太水系的主要区域，也是太湖流域上游重要的汇水区。洮滆流域水生态环境质量的改善对提升太湖主要入湖河流水质，改善太湖水生态环境质量极其重要。然而近些年随着城市化的不断发展，洮滆流域浅水湖泊富营养化日趋严重、蓝藻暴发频繁［1］。因此，如何采取有效环境管理措施改善浅水湖泊水环境状况已成为洮滆流域急需解决的问题［2－3］。
“十四五”期间，随着“引江济太”开通运行，洮滆流域水文和水资源格局发生了重大变化，在原有生态功能受损、污染排放强度较大等问题尚未根治的同时，又面临着水文格局变化对区域生态环境产生影响的新挑战，区域水资源平衡、水环境提升、水生态修复和社会经济高质量协同发展面临着巨大压力。因此，科学分析洮滆流域河流水质变化特征，深入剖析流域水生态环境短板，是滆湖和洮湖（长荡湖）水环境综合治理与可持续发展的前提。目前河流湖泊水质评价方法有单因子评价法、模糊综合评价法、灰色系统理论、主成分分析法等［4－6］。当前流域水环境研究多以单个湖泊或河流为研究对象，综合评价水质变化［7－9］，或结合多元统计方法对某一区域水环境质量时空变化进行分析［10－11］。目前对太湖流域水质的研究较多［12－14］，对洮滆流域内河流水质的研究较少［15］。因此，笔者以常州市洮滆流域河流湖泊为研究对象，分析2020 年7 月至2021 年10 月水质变化趋势，利用综合污染指数和动态度探究其水质时空变化特征，并构建深度学习模型预测洮滆流域主要出入湖河流污染物未来变化趋势，旨在为洮滆流域水环境治理提供科学依据。
1.1 研究区概况
洮滆流域总面积1 707.52 km2，是江苏南部一个典型的浅水草型湖泊流域，地处长江中下游平原南部，属亚热带季风气候区，见图1（图中圆点表示流域水质监测站点）。该流域东临太湖、西连长荡湖、南接宜兴、北通长江，主要出入湖河流包括夏溪河、湟里河、中干河、武南河、漕桥河等。洮滆流域包含滆湖和长荡湖，其中滆湖作为太湖上游和长江中下游的主要湖泊，担负着沟通长江、太湖两大水系，进行水量调剂、防洪排涝等重要功能。同时，滆湖作为“引江济太”的枢纽，将长江水经太滆运河送入太湖。
图1 洮滆流域水系
1.2 采样方法
水体富营养化加剧以及总磷超标一直是洮滆流域水体面临的重点问题，而河湖水体富营养化与氮、磷等营养物质超标密不可分，且易造成水体溶解氧过饱和。研究选取水质监测站点见图1，监测站点大多位于国家、省地表水考校断面，水质数据为水质自动监测站高频监测数据。在对河湖水质进行时空变化分析时，将水质数据整理为月均值；
在预测河湖污染物未来变化趋势时，将水质数据整理为日平均值。熊勇峰等［16］将常州市26 个国家、省地表水考校断面21 项水质指标以Ⅲ类水限值为标准，发现溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、总磷（TP）、氨氮（NH3－N）等指标超标次数较多。在对长江中下游典型浅水型湖泊（太湖、巢湖、鄱阳湖等）水质进行分析时［9，17－18］，大多选用DO、pH 值、CODMn、TP、总氮（TN）、NH3－N 等指标作为水质评价指标。因此本研究选取DO、pH 值、CODMn、TP、TN、NH3－N 六项指标作为洮滆流域水质分析评价的指标。
1.3 数据分析和预测方法
（1）综合污染指数。采用综合污染指数对河流水质进行综合评价，计算公式［19］：
式中：Pi为水质评价指标i的污染指数；
Ci为水质评价指标i的实测质量浓度，mg／L；
Li为水质评价指标i的标准值；
n为水质评价指标数量；
P为综合污染指数。
（2）动态度。采用动态度分析方法对洮滆流域水体综合污染指数变化程度进行分析。计算公式为
式中：S为研究期内河流综合污染指数动态度，S＞0表示水质变差，S＜0 表示水质变好；
Pe为研究期末河流综合污染指数；
Ps为研究期初河流综合污染指数。
（3）ARIMA 模型。差分移动平均自回归模型（ARIMA）是常用的非平稳时间序列预测模型［20－21］，它将自回归（AR）过程和滑动平均（MA）过程结合起来，建立时间序列的复合模型。ARIMA 模型通过d阶差分将非平稳时间序列Yt转化为平稳时间序列Xt进行拟合建模。需要注意的是，若差分次数过多，会造成数据信息损失。ARIMA 模型：
式中：p、q分别为时间序列中的自回归项数、滑动平均项数；
φx和θy分别为自回归系数和滑动平均系数；
εt为白噪声序列，服从均值为0 的正态分布。
2.1 水质时空差异性分析
利用方差分析方法对洮滆流域主要出入湖河流水质进行差异性分析，同时采用Tukey HSD 法检验差异性显著程度。洮滆流域出入湖河流水质在时间和空间上差异性检验结果见表1。监测站点各水质指标在时间上均呈现显著差异性（显著性水平a＜0.05，a＞0.05表示无显著性差异，0.01＜a＜0.05 表示具有显著性差异，a＜0.01 表示具有极显著差异）。在空间上，TP、pH值的a值分别为0.110、0.935，这两种水质评价指标在空间上有较高的相似性，各监测站点差异性不明显；
DO、CODMn、TN 和NH3－N 在空间上均呈现显著性差异（a＜0.05）。为了更加准确描述洮滆流域水质时空变化程度，进一步对主要出入湖河流水质进行综合污染指数分析和动态度分析。
表1 水质差异性检验结果
2.2 主要出入湖河流水质时间变化特征
2020 年7 月洮滆流域主要出入湖河流综合污染指数均值为0.901，而2021 年10 月的为0.812，相较于2020 年7 月下降了9.88%，主要出入湖河流水质出现好转。2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流综合污染指数见表2，2021 年1 月洮滆流域主要出入湖河流水质最差，2021 年10 月的水质最好，枯水期（2020－12—2021－03）主要出入湖河流综合污染指数均值为1.062，丰水期（2021－06—2021－10）的均值为0.861，丰水期相较于枯水期下降了18.93%，说明洮滆流域丰水期水质状况相较于枯水期有所提升。
表2 洮滆流域主要出入湖河流2020 年7 月至2021 年10 月综合污染指数
根据2020 年10 月至2021 年10 月河流综合污染指数月动态度和总体动态度，可以将洮滆流域主要出入湖河流水质变化趋势分为两类，一类河流综合污染指数总体动态度为负，月动态度正负交替，表明河流水质总体呈现好转趋势，但水质状况存在一定波动；
另一类河流综合污染指数总体动态度为正，月动态度正负交替，表明河流水质整体波动变差，见表3。夏溪河、中干河和锡溧漕河综合污染指数总体动态度为负，水质总体呈好转趋势，其中锡溧漕河水质改善最为明显；
湟里河、漕桥河、武南河和武宜运河综合污染指数总体动态度为正，水质总体呈波动变差趋势，其中漕桥河水质变差最为严峻。通过动态度变化来看，水质好转河流的改善程度高于水质变差河流的，说明“十四五”开始之年即2021 年，洮滆流域水环境治理取得了一定成效。
表3 2020—2021 年洮滆流域主要出入湖河流水质变化趋势
虽然洮滆流域主要出入湖河流水质情况有所好转，但水体富营养化较严重、TP 超标等问题依旧存在。2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流TP 平均质量浓度呈下降趋势，由2020 年7 月的0.151 mg／L 下降至2021 年10 月的0.129 mg／L，下降了14.57%。自2020 年以来，常州市关闭了多家高污染、高能耗企业，工业污染点源减少，这反映出人类活动等对流域水环境变化的影响。但是截至2021 年10 月，只有中干河TP 质量浓度达到Ⅳ类水标准，其余河流TP 质量浓度仅达到Ⅴ类水标准。TN 平均质量浓度由2020 年7 月的2.318 mg／L 下降至2021 年10 月的2.101 mg／L，下降了9.36%。2021 年8 月TN 平均质量浓度最低，总体上洮滆流域汛期（6—9 月）TN 质量浓度低于非汛期的。中干河TN 质量浓度较低，能够达到Ⅲ类水标准。2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖CODMn平均质量浓度波动较为明显，除2021 年1 月和2021 年7 月CODMn平均质量浓度有明显增大外，其余时期平均质量浓度呈减小趋势，由2020 年7 月的4.539 mg／L 下降至2021 年10 月的3.868 mg／L，下降了14.78%。总体来说，2020—2021年洮滆流域主要出入湖河流TP、TN 和CODMn等主要水质指标质量浓度呈减小趋势，但是在众多污染物中，磷元素是影响河流水质的关键因子，因此改善洮滆流域水质状况的关键在于磷元素的控制。
2.3 主要出入湖河流水质空间变化特征
根据河湖连通关系将洮滆流域主要出入湖河流划分为长荡湖－滆湖水系（主要河流包括夏溪河、湟里河和中干河）、滆湖－西太湖水系（主要河流包括武南河和漕桥河）、京杭运河－新孟河水系（包括武宜运河和锡溧漕河）。上述水系与沿江水系相通，形成南北交汇的网状水系。2021 年10 月长荡湖－滆湖水系综合污染指数为0.690，相较于2020 年10 月的0.744 下降了7.26%，综合污染指数动态度小幅下降，水质状况有所改善。京杭运河－新孟河水系综合污染指数最大，但下降幅度最大，由2020 年10 月的1.021 下降至2021 年10 月的0.919，下降了9.99%，综合污染指数动态度有所减小，水质状况有所改善。其原因是，新孟河开通引入了水质较好的长江水，拓宽了沿线河道，进而改善了沿线河流水质。滆湖－西太湖水系综合污染指数由2021 年10 月的0.784 增大至2021 年10 月的0.887，综合污染指数上升了13.14%，综合污染指数动态度明显增大，水质变差。
2.4 主要出入湖河流污染物变化趋势预测
根据洮滆流域主要出入湖河流综合污染指数，截至2021 年10 月，中干河综合污染指数最小、水质状况最好，锡溧漕河综合污染指数最大、水质状况最差，因此选取TP、CODMn和TN 这3 种水质评价指标对这两条河流主要污染物未来变化趋势进行预测。
在对样本数据进行平稳性检验和模型定阶后，采用ARIMA 模型，以2020 年7 月1 日至2021 年9 月30日数据为训练集，预测2021 年10 月1 日至31 日中干河和锡溧漕河TP、CODMn和TN 变化趋势，结果见图2、图3（图中灰色阴影部分为ARIMA 模型预测值区间范围，在一定程度上可以反映河流污染物未来变化趋势）。从图中可以看出，预测值与观测值拟合较好。2021 年10 月1 日至31 日，中干河TP、CODMn和TN 质量浓度变化范围分别为0.068～0.189、3.74～6.49、0.349～2.690 mg／L，锡溧漕河的变化范围分别为0.048～0.310、1.59～4.91、5.13～9.38 mg／L。结合上文对中干河和锡溧漕河水质状况分析，预测区间趋势符合两条河流当前水质状况，但值得注意的是锡溧漕河TN 质量浓度未来一个月内变化幅度很大。综上所述，ARIMA 模型能够较为准确预测未来较长一段时间河流水质变化趋势。
图2 中干河主要污染物预测结果
图3 锡溧漕河主要污染物预测结果
2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流综合污染指数均值为0.812，相较于2020 年7 月下降了9.98%，2020 年7 月至2021 年10 月洮滆流域主要出入湖河流水质整体呈改善趋势。洮滆流域出入湖河流主要超标污染物为总磷、总氮和高锰酸盐指数，3 种污染物平均质量浓度在2020 年7 月至2021 年10 月整体呈现下降趋势，分别下降了14.57%、9.36%、14.78%。磷元素始终是制约河湖水质的主要因素，改善河湖水质的关键在于控制磷的排放。以河湖连通关系为依据，将洮滆流域主要出入湖河流划分为3 类，2020 年10 月至2021 年10 月长荡湖－滆湖水系、京杭运河－新孟河水系综合污染指数动态度分别下降了7.26%、9.99%，水质状况得到明显改善，滆湖－西太湖水系综合污染指数动态度上升了13.14%，水质状况有所下降。采用ARIMA 模型对中干河和锡溧漕河主要污染物质量浓度变化趋势进行预测表明，该模型能够较为准确预测未来较长一段时间河流水质变化趋势，并可以得出两条河流主要污染物未来变化范围。
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