＊鄭蘭香 楊桂欽 董亞萍 楊程

（1.寧夏大學生態(tài)環(huán)境學院 寧夏 750021 2.寧夏大學地理科學與規(guī)劃學院 寧夏 750021 3.寧夏生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 寧夏 750011 4.北方民族大學土木工程學院 寧夏 750021）

銀川市作為寧夏回族自治區(qū)首府，有“回族之鄉(xiāng)”“西夏古都”“塞上湖城”的美譽。2018年聯(lián)合國國際濕地公約組織授予銀川市全球首批“國際濕地城市”稱號，銀川市正式成為首批候選“國際濕地城市”，也是西部地區(qū)唯一一家入選的城市。

閱海國家濕地公園、鳴翠湖國家濕地公園及貫穿銀川市南北的典農(nóng)河做為銀川市代表性河湖濕地，在改善局部氣候、美化環(huán)境和維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面具有重要的作用。水質(zhì)是河湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分，本文以2011年-2019年的水質(zhì)數(shù)據(jù)，在單因子指數(shù)評價和水質(zhì)污染分擔率分析的基礎(chǔ)上，采用水質(zhì)綜合指數(shù)、T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)評價和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)對銀川市的典農(nóng)河、鳴翠湖國家濕地公園及閱海國家濕地公園進行水質(zhì)和富營養(yǎng)化評價，分析水質(zhì)變化趨勢，為銀川市河湖濕地水質(zhì)控制和水生態(tài)保護提供參考。

1.研究區(qū)概況

典農(nóng)河，原名艾依河。作為寧夏引黃灌區(qū)重要的河湖濕地連通水系，其全長158.5km，集防洪、排水、旅游、生態(tài)、景觀為一體。典農(nóng)河河道來水主要靠農(nóng)田退水和黃河補水，對改善銀川市防洪排水條件、調(diào)控地下水位以及提高城區(qū)人居環(huán)境具有重要意義。

鳴翠湖位于銀川市興慶區(qū)掌政鎮(zhèn)東，距黃河3km，總面積667hm2。鳴翠湖集河流、湖泊、沼澤、灌渠于一體，是歷史上黃河改道后遺留下的濕地。其自然生態(tài)系統(tǒng)完整，自然植被豐富。鳴翠湖主要通過農(nóng)田退水、地下水和溝渠進行補水。

銀川市閱海國家濕地公園于2006年6月被國家林業(yè)局批準為國家濕地公園?？偯娣e2667公頃，是銀川市面積最大，原始地貌保存最完整的一塊濕地。閱海濕地資源豐富，生態(tài)系統(tǒng)完整，既是銀川市良好的水源涵養(yǎng)地，也是銀川市西部的生態(tài)屏障。閱海與典農(nóng)河貫通，補水水源主要來自唐徠渠、農(nóng)田退水、地下水、山洪雨水等。是集濕地保護、漁業(yè)養(yǎng)殖、鳥類保護、科研教育、生態(tài)旅游于一體的國家濕地公園。

2.材料與方法

(1)數(shù)據(jù)來源及評價標準

2011-2019年的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過《寧夏環(huán)境質(zhì)量報告書》獲得。根據(jù)3個河湖濕地的考核目標，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）中的Ⅲ類水質(zhì)做為評價標準。分析3個河湖濕地24個水質(zhì)指標的逐年數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示化學需氧量、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總氮，總磷等5個水質(zhì)指標出現(xiàn)超標現(xiàn)象，其余19項指標均能滿足Ⅲ類水體的水質(zhì)標準。因此，本文采用化學需氧量、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總氮，總磷等5個指標做為評價因子，分析水質(zhì)變化。

(2)水質(zhì)評價方法

①污染分擔率

均值綜合污染指數(shù)是各項單因污染指數(shù)之和與單因子個數(shù)的比值，能夠全面、準確地反映水質(zhì)的綜合狀況[1]。本文依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）中Ⅲ類水質(zhì)標準，采用式（1）計算單因子污染指數(shù)，然后采用式（2）和式（3）分別計算均值綜合污染指數(shù)和各年各指標的污染分擔率。

式中，pij為第i年指標j的單因子指數(shù)；pi為第i年均值綜合污染指數(shù)；Cij為第i年指標j的實測濃度；C0為第i個水質(zhì)因子在Ⅲ類水標準中的濃度限值；Kij為第i年j指標的污染分擔率。

②T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)評價

傳統(tǒng)評價方法不能解決復雜的非線性、不確定性問題[2]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Fuzzy Neural Network，F(xiàn)NN）有著強大的處理大規(guī)模復雜非線性問題的能力[3]，可逼近任意非線性連續(xù)函數(shù)[4]。Takagi-Sugeno（T-S）模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種自適應(yīng)能力很強的模糊系統(tǒng)[5]，它保留了模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點[6]。T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過構(gòu)造混合訓練樣本，通過Matlab編程實現(xiàn)，詳見參考文獻[7]。

③綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

根據(jù)《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》選取總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、透明度（SD）、葉綠素a為指標，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對水體富營養(yǎng)化程度進行評價[8]。

3.結(jié)果與分析

(1)主要水質(zhì)指標的污染分擔率

圖1顯示了2011年-2019年典農(nóng)河、鳴翠湖和閱海的總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量和化學需氧量的污染分擔率。由圖可見，典農(nóng)河、鳴翠湖和閱海的總氮污染分擔率分別為32.10%-53.86%、19.30%-31.57%、14.82%-33.29%。3個河湖濕地總氮的污染分擔率中位值均高于其他4個水質(zhì)指標，說明3個典型河湖濕地的總氮污染最為嚴重。各濕地污染分擔率中位值僅次于總氮的為化學需氧量和總磷，且總氮、總磷、化學需氧量的污染分擔率之和大于60%，可見3個河湖濕地的主要污染物指標為總氮、總磷和化學需氧量。

圖1 主要水質(zhì)指標的污染分擔率Fig.1 The pollution sharing rate of the main water quality indicators

(2)T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)評價

選擇高錳酸鹽指數(shù)，化學需氧量，生化需氧量，總氮和總磷作為水質(zhì)評價指標，構(gòu)造混合訓練樣本訓練T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其中混合訓練樣本由標準樣本（在國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中相鄰兩類水質(zhì)標準指標值之間插值得到）和實測樣本構(gòu)成。在訓練T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前，對訓練樣本的數(shù)據(jù)采用最大最小法進行歸一化處理，歸一化后的數(shù)據(jù)位于區(qū)間[-1,1]。標準樣本訓練和測試樣本測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 訓練樣本和測試樣本預測值與實際值對比圖Fig.2 Comparison between the predicted and actual values of training samples and test samples

表1顯示了3個河湖濕地2011年-2019年的水質(zhì)評價結(jié)果。由表可見，2011年-2016年鳴翠湖、閱海、典農(nóng)河均為Ⅳ類水質(zhì)，鳴翠湖、閱海、典農(nóng)河分別在2017年、2018年、2019年開始水質(zhì)達到Ⅲ類。

表1 T-S神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)評價結(jié)果Tab.1 Water quality evaluation results of T-S neuralnetwork

(3)富營養(yǎng)化評價

2012年-2019年典農(nóng)河、鳴翠湖、閱海的富營養(yǎng)化評價結(jié)果見圖3所示?？梢?，三個河湖濕地中，典農(nóng)河的營養(yǎng)狀況相對穩(wěn)定，基本在中營養(yǎng)狀態(tài)。2013年-2017年鳴翠湖均達到輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，2018年后開始恢復至中營養(yǎng)狀態(tài)，營養(yǎng)狀況呈好轉(zhuǎn)趨勢。近年來閱海一直處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，但其綜合營養(yǎng)指數(shù)值總體呈下降趨勢，說明閱海的富營養(yǎng)狀態(tài)也呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的趨勢。

圖3 富營養(yǎng)化狀態(tài)逐年變化Fig.3 Eutrophication state varies with time

4.討論

2011年-2019年典農(nóng)河、鳴翠湖和閱海3個河湖濕地的水質(zhì)總體呈轉(zhuǎn)好趨勢。其中，鳴翠湖水質(zhì)變化最大，呈明顯的逐年變好趨勢，并在2017年達到Ⅲ類水質(zhì)，2018年達到中營養(yǎng)水平。這主要是2016年鳴翠湖管理方對湖底進行了全面清淤，輔以岸邊植物帶修復及荷花池預凈化工程[7]，鳴翠湖的水質(zhì)得以迅速改善提升。閱海的水質(zhì)2018年達到Ⅲ類，并一直處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，這主要是閱海沿岸農(nóng)灌退水、水土流失及生活用水攜帶營養(yǎng)物入湖造成其水質(zhì)現(xiàn)狀[9]。典農(nóng)河（親水大橋采樣點）水質(zhì)轉(zhuǎn)好趨勢最慢，在2019年才達到Ⅲ類水質(zhì)，主要是因為農(nóng)田退水是河道主要補水水源，水體富含氮、磷、有機污染物等[10]，導致水質(zhì)恢復存在一定難度。

總體而言，銀川市近年來加大湖泊濕地保護與恢復力度，形成完整的湖泊濕地生態(tài)保護體系。以“城內(nèi)湖泊濕地以治理保護為主，城邊湖泊濕地以恢復保護為主，城市遠郊濕地以自然保護為主”的原則，開展了退田（塘）還湖、擴湖增容、植被恢復、鳥類棲息地修復、河湖連通、濕地管理等項目建設(shè)。利用建設(shè)濕地、恢復地表植被，合理的調(diào)控生態(tài)補水等手段，河湖濕地的水質(zhì)得以明顯的改善，維持了銀川濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5.結(jié)論

做為“國際濕地城市”，銀川市河湖濕地的水質(zhì)控制十分重要。通過治理保護和恢復措施，2011年-2019年銀川市3個典型河湖濕地的水質(zhì)總體呈轉(zhuǎn)好趨勢。鳴翠湖、閱海和典農(nóng)河分別從2017年、2018年和2019年開始由Ⅳ類水質(zhì)轉(zhuǎn)好為Ⅲ類水質(zhì)，閱海呈輕度富營養(yǎng)狀況。河湖濕地的主要污染物指標為總氮、總磷和化學需氧量，是水質(zhì)控制和水環(huán)境管理的重點，需要采取防控措施確保水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)好。