王燕云 翁 瑩 林宗亮

（廈門華廈學(xué)院 福建廈門361024）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，居民生活水平的不斷提高，生活飲用水安全問題越來越受到人們的重視［1］。集中式飲用水水源地是居民生活飲用水的主要來源，其水質(zhì)安全直接關(guān)系到人體健康［2-3］。然而，我國飲用水水源地的安全問題日益突出，特別是湖庫型水源地，容易因?yàn)榈椎葼I養(yǎng)物質(zhì)的積累而出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化的問題［4-5］。近年來已有不少報(bào)道指出我國集中性飲用水水源地水庫存在富營養(yǎng)化問題，嚴(yán)重威脅廣大人民的生活安全［6-8］。

2015年，《水污染防治行動計(jì)劃》明確指出，要切實(shí)推進(jìn)飲用水水源地污染防治與保護(hù)工作。采取相應(yīng)防控措施監(jiān)測評價(jià)飲用水源地水庫富營養(yǎng)化狀況，對飲用水水源的保護(hù)、人民健康及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

廈門市位于福建省東南沿海，是海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)重要的中心城市。根據(jù)廈門市統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2020年，廈門市常住人口突破500萬。汀溪水庫和坂頭-石兜水庫是廈門市主要集中性飲用水水源地，均屬于水庫型水源，其水質(zhì)安全對廈門市居民生活及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［9］。

本研究以廈門市汀溪水庫和坂頭-石兜水庫為研究對象，通過分析總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（IMn）、葉綠素a（Chl a）和透明度（SD）等指標(biāo)對水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，綜合運(yùn)用富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對水庫水體進(jìn)行富營養(yǎng)化評價(jià)，以期為該區(qū)域水源地保護(hù)及污染防治提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 評價(jià)指標(biāo)及數(shù)據(jù)來源

根據(jù)水體富營養(yǎng)化評價(jià)要求，選取總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（IMn）、葉綠素a（Chl a）和透明度（SD）作為評價(jià)指標(biāo)。數(shù)據(jù)來源為福建省生態(tài)環(huán)境廳，監(jiān)測時(shí)間為2019年1月至2020年12月，每個(gè)月監(jiān)測一次，采樣點(diǎn)位于坂頭-石兜水庫和汀溪水庫取水口。季節(jié)劃分3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～次年2月為冬季。

1.2 水質(zhì)評價(jià)方法

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002），本研究中汀溪水庫和坂頭-石兜水庫屬于水源地一級保護(hù)區(qū)，水質(zhì)應(yīng)達(dá)到Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，總氮（TN）、總磷（TP）和高錳酸鹽指數(shù)（IMn）的標(biāo)準(zhǔn)限值分別為0.5、0.025、4 mg/L。

1.3 富營養(yǎng)化評價(jià)方法

水體富營養(yǎng)化已被廣泛應(yīng)用于評價(jià)水體環(huán)境質(zhì)量［10］，前人已做了大量的研究，形成了一系列富營養(yǎng)化評價(jià)方法。富營養(yǎng)化評價(jià)方法大致可以分為兩類，一是傳統(tǒng)方法，如綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、生物指標(biāo)評價(jià)法等；另一類是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)方法，如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合評價(jià)法等［11-12］。不同方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，本研究運(yùn)用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對廈門市飲用水水源地水庫進(jìn)行富營養(yǎng)化評價(jià)。

1.3.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法是中國環(huán)境監(jiān)測總站規(guī)定的基礎(chǔ)方法。根據(jù)《湖泊（水庫）富營養(yǎng)化評價(jià)方法及分級技術(shù)規(guī)定》（總站生字［2001］090號）規(guī)定，以總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（IMn）、葉綠素a（Chl a）和透明度（SD）作為評價(jià)指標(biāo)計(jì)算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。TLI≤30為貧營養(yǎng)，30＜TLI≤50為中營養(yǎng)，50＜TLI≤60為輕度富營養(yǎng)，60＜TLI≤70為中度富營養(yǎng)，TLI＞70為重度富營養(yǎng)。

1.3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是根據(jù)給定學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，然后運(yùn)用訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)對輸入的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，并輸出營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)結(jié)果，具有較強(qiáng)計(jì)算能力，已被廣泛應(yīng)用到水體富營養(yǎng)化評價(jià)中［11］。

運(yùn)用MATLAB軟件創(chuàng)建5-11-1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型包括輸入層、隱含層和輸出層。輸入層的神經(jīng)元為5個(gè)，分別為5個(gè)評價(jià)指標(biāo)：總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（IMn）、葉綠素a（Chl a）和透明度（SD）。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的選取關(guān)系著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度及運(yùn)行效果，本研究在創(chuàng)建模型時(shí)經(jīng)過多次運(yùn)算最終選擇最優(yōu)參數(shù)為1個(gè)隱含層11個(gè)節(jié)點(diǎn)。輸出層為營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)參考《水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》，具體見表1。

表1 水體富營養(yǎng)化分級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的特點(diǎn)，對各評價(jià)指標(biāo)實(shí)測值進(jìn)行歸一化處理，然后進(jìn)行樣本學(xué)習(xí)、訓(xùn)練及仿真運(yùn)算，訓(xùn)練的均方誤差為9.46×10-5，R2為0.999 3，全局誤差值基本可以滿足評價(jià)需求，得到輸出結(jié)果為營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)評價(jià)

廈門市飲用水源地汀溪水庫和坂頭-石兜水庫中各水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)結(jié)果見圖1。2019年1月至2020年12月，汀溪水庫和坂頭-石兜水庫中總磷（TP）含量分別為0.008～0.042 mg/L（平均0.019 mg/L）、0.013～0.048 mg/L（平均0.022 mg/L）；總氮（TN）含量分別為0.54～1.48 mg/L（平均1.01 mg/L）、0.37～1.06 mg/L（平均0.83 mg/L）；高錳酸鹽指數(shù)（IMn）分別為0.85～2.19 mg/L（平均1.37 mg/L）、1.47～4.00 mg/L（平 均2.89 mg/L）；葉 綠 素a（Chl a）含量分別為1.5～13.0 mg/L（平均5.4 mg/m）、5.5～21.5 mg/L（平均14.1 mg/L）；透明度（SD）分別為0.8～2.2 m（平均1.6 m）、0.7～1.3 m（平均0.9 m）。

對比兩個(gè)水庫中評價(jià)指標(biāo)可知，汀溪水庫和坂頭-石兜水庫中總磷（TP）含量呈現(xiàn)不相上下的趨勢，汀溪水庫的總氮（TN）含量和透明度（SD）基本大于坂頭-石兜水庫，汀溪水庫的總氮（TN）含量較高可能與周邊自然村污水排放有關(guān)；而汀溪水庫的高錳酸鹽指數(shù)（IMn）和葉綠素a（Chl a）含量基本小于坂頭-石兜水庫，這可能與坂頭-石兜水庫周邊果林種植、非法垂釣活動有關(guān)。

通過分析各評價(jià)指標(biāo)隨時(shí)間的變化可知，各評價(jià)指標(biāo)均隨著時(shí)間變化呈現(xiàn)波動趨勢。整體上，總磷含量在春季較高，可能與春季多雨以及農(nóng)業(yè)耕作、磷肥施用等有關(guān)；總氮含量在冬季較高，可能與冬季溫度較低，氮較難進(jìn)行反硝化降解有關(guān)［13］；葉綠素a在夏季較高，可能與夏季溫度較高，光照較充足，有利于浮游植物等的生長有關(guān)［14］。而高錳酸鹽指數(shù)在四季則比較平均。

對比《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002），2019年1月至2020年12月，汀溪水庫的總磷、總氮、和高錳酸鹽指數(shù)分別為16.7%、100%、0，超出Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，且總氮41.7%超出Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值。坂頭-石兜水庫的總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)分別為8.3%、95.8%、0，超出Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，且總氮8.3%超出Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值。可見，作為廈門市主要飲用水源地的汀溪水庫、坂頭-石兜水庫已經(jīng)存在一定程度污染，主要污染因子為總氮。

2.2 水庫富營養(yǎng)化評價(jià)

分別運(yùn)用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對廈門市飲用水源地水庫（汀溪水庫和坂頭-石兜水庫）進(jìn)行水體富營養(yǎng)化評價(jià)，結(jié)果見圖2。

2019年1 月至2020年12月，汀溪水庫的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為29.28～44.20（平均35.71），除2020年1月為貧營養(yǎng)之外，其余時(shí)間均為中營養(yǎng)。坂頭-石兜水庫的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為39.16～47.27（平均44.35），全部時(shí)間均為中營養(yǎng)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法結(jié)果表明，2019年1月至2020年12月，汀溪水庫的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為34.07～44.62（平均39.19），全部時(shí)間均為中營養(yǎng)。坂頭-石兜水庫的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為40.82～47.59（平均44.71），全部時(shí)間均為中營養(yǎng)。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的評價(jià)結(jié)果可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法所得的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值會稍大于綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法所得的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值，但是兩種評價(jià)方法所得的水體富營養(yǎng)化程度基本一致。整體上，汀溪水庫和坂頭-石兜水庫的富營養(yǎng)化程度均為中營養(yǎng)，營養(yǎng)狀態(tài)整體良好，但結(jié)合水質(zhì)評價(jià)結(jié)果，需要警惕總氮的污染，及時(shí)進(jìn)行污染防治。

3 結(jié)論

對廈門市水源地水庫（汀溪水庫和坂頭-石兜水庫）進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)并綜合運(yùn)用富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對水庫水體進(jìn)行富營養(yǎng)化評價(jià)，結(jié)果表明，2019年1月至2020年12月，汀溪水庫和坂頭-石兜水庫中總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（IMn）、葉綠素a（Chl a）和透明度（SD）等指標(biāo)隨時(shí)間呈波動性變化，汀溪水庫、坂頭-石兜水庫中總磷分別為16.7%、8.3%、總氮分別為100%、95.8%，超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，存在總氮污染。

分別運(yùn)用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行水體富營養(yǎng)化評價(jià)，兩種方法所得結(jié)果基本一致，整體上，汀溪水庫和坂頭-石兜水庫的富營養(yǎng)化程度均為中營養(yǎng)，營養(yǎng)狀態(tài)整體良好，但需要警惕總氮的污染，及時(shí)進(jìn)行污染防治。