鄭國臣，王 碩，張繼民，張學軍

（1.松遼流域水資源保護局，吉林長春 130021；2.江南大學環(huán)境與土木工程學院，江蘇無錫 214122；3.吉林大學地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，吉林長春 130021）

隨著工農業(yè)及城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，我國水庫富營養(yǎng)化問題日益突出[1]。據2015年《中國環(huán)境狀況公報》顯示，在進行湖庫營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測的61個湖泊(水庫)中，貧營養(yǎng)狀態(tài)湖庫有6個，中營養(yǎng)狀態(tài)湖庫有41個，輕度富營養(yǎng)狀態(tài)湖庫有12個，中度富營養(yǎng)狀態(tài)湖庫有2個，湖庫水體的富營養(yǎng)化已經成為地表水環(huán)境面臨的主要環(huán)境問題[2]。國內水華與赤潮的頻繁發(fā)生，促使國家提升了對水體富營養(yǎng)化的重視。因此，大量研究人員對水庫富營養(yǎng)化的發(fā)生機理進行研究，進而對湖庫水體富營養(yǎng)化進行評價。

尼爾基水庫位于東北平原-山地湖區(qū)，坐落在黑龍江省與內蒙古自治區(qū)交界的嫩江干流上。是一座以防洪、城鎮(zhèn)生活及工農業(yè)供水為主，結合發(fā)電，兼顧改善下游航運和生態(tài)環(huán)境的大型水利工程[3,4]。近年來，由于農業(yè)耕種強度與范圍的加大，工業(yè)及生活污水的無節(jié)制排放等，尼爾基水庫的水質狀況不容樂觀。尼爾基水庫在我國北方湖庫中具有重要的地位，因此對其進行富營養(yǎng)化的研究十分重要。本文應用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（TLI）、模糊綜合評價法、BP神經網絡評價法對尼爾基水庫進行富營養(yǎng)化評價，以期找出最適合尼爾基水庫富營養(yǎng)化的評價方法，為尼爾基水庫水環(huán)境管理提供有效技術支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

尼爾基水利樞紐是國家十五計劃批準建設的大型水利工程，始建于2001年6月，于2005年12月竣工，是嫩江干流首座控制性工程。尼爾基水庫總面積6.64萬km2，占嫩江流域的22.4%；多年平均徑流量104.7億m3，占嫩江流域的45.7%；總庫容86.11億m3。區(qū)域內冬季寒冷干燥，長達半年；春季干燥多風；夏季溫濕多雨；秋季涼爽。多年平均降雨量475 mm，汛期為6—9月，汛期多年平均降雨量392.9 mm，占多年平均降水量的82.7%。按照水功能區(qū)評價，除2012年汛期個別月份水庫水質達到III類外，其他年度各月水質均不合格。

1.2 營養(yǎng)物標準應用指標選擇

該研究選擇葉綠素a(Chl-a)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)及總磷(TP)為營養(yǎng)物標準制定指標。

2 實驗結果分析

目前廣泛應用的富營養(yǎng)化評價方法較多，比如特征法、卡爾森指數(shù)法、修正卡爾森指數(shù)法、生物學方法、評分法以及綜合營養(yǎng)指數(shù)法等。近年以數(shù)理統(tǒng)計為基礎的模糊法、灰色預測法以及神經網絡法等在富營養(yǎng)化評價中合理性上都體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢[12,13]。該研究中應用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)、模糊綜合評價法和BP神經網絡法進行水庫的富營養(yǎng)化評價和比較分析。

2.1 TLI綜合指數(shù)法

TLI指數(shù)法評價結果如圖1所示，從2011年至2015年，TLI指數(shù)變化范圍在40～58之間，整體變化較小，但其波動規(guī)律性較強，指數(shù)結果呈現(xiàn)出夏季高冬季低的趨勢。最大值出現(xiàn)在2014年8月，其值為58，水庫處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)；最低值出現(xiàn)在2011年6月，其值為40，水庫處于中營養(yǎng)狀態(tài)；五年內TLI指數(shù)均值為45，因此水庫基本處于中營養(yǎng)狀態(tài)。在2014年尼爾基水庫有水華情況，而2014年的TLI指數(shù)與其他年份相比，并沒有體現(xiàn)出較大的差異性，因此，TLI指數(shù)法在富營養(yǎng)化評價上有其局限性。

表1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法應用的Chl-a與其他參數(shù)之間的相關系數(shù)

圖1 2011-2015年TLI指數(shù)

2.2 模糊綜合評價法

以模糊數(shù)學理論為基礎的模糊綜合評價法應用于水體富營養(yǎng)化評價，較好的契合了水環(huán)境因大量不確定因素所導致的模糊性和不確定性，相比于其它綜合評價方法，模糊綜合評價法對水庫水質的模糊性表達更合理，在富營養(yǎng)化評價中應用廣泛并得到了較好的評價效果。模糊綜合評價法是將模糊關系矩陣與指標權重矩陣相乘，并根據相乘取大原則對水質的類別進行評判。利用尼爾基水庫富營養(yǎng)化指標在2011年3月至2015年11月的數(shù)據，對尼爾基水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)進行評價，富營養(yǎng)化狀態(tài)及其對應序號見表2。

表2 富營養(yǎng)化狀態(tài)及其對應序號

圖2 尼爾基水庫富營養(yǎng)化模糊評價結果

利用上述方法對尼爾基水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)進行計算，模糊評價結果如圖2所示。結果表明，尼爾基水庫水質總體處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，在2012年4月，水質最好，處于中營養(yǎng)狀態(tài)，在2013年6月至2014年6月期間，尼爾基水庫水質富營養(yǎng)化程度較高，大部分時間段水質處在中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，而2014年尼爾基水庫發(fā)生水華，模糊綜合評價結果與實際情況相一致。

2.3 BP神經網絡法

BP神經網絡是一種按照誤差逆向傳播算法訓練的多層前饋網絡，是目前應用最廣泛的神經網絡模型之一。文中采用三層BP神經網絡模型，分別是輸入層、輸出層、隱含層。根據水體富營養(yǎng)化指標確定輸入層神經元個數(shù)為5個，采Kolmogorv定理以及反復實驗確定隱含層單元數(shù)為6個，輸出層節(jié)點為1。建立5-6-1的MOBP（動量BP）神經網絡模型。以水質富營養(yǎng)化評價標準作為訓練樣本，對建立的BP神經網絡進行訓練，經過反復訓練擬合，訓練結果較為理想，其預期值與擬合值見表3。

利用訓練擬合后的BP神經網絡模型，評價其水質富營養(yǎng)化情況，結果如圖3所示。尼爾基水庫水質富營養(yǎng)化總體處在[2,3]區(qū)間內，屬于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，最低值出現(xiàn)在2012年4月，水質屬于中營養(yǎng)狀態(tài)，最高值出現(xiàn)在2013年9月，水質屬于中度富營養(yǎng)狀態(tài)；從2013年5月起，尼爾基水庫富營養(yǎng)化水平逐漸提高，在2013年6月至2014年6月水質總體富營養(yǎng)化水平較高，在2014年尼爾基水庫發(fā)生水華，其評價結果與實際情況較為吻合。

表3 富營養(yǎng)化狀態(tài)對照表

圖3 尼爾基水庫水質富營養(yǎng)化BP神經網絡評價結果

3 總結

綜上所述，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（TLI）、模糊綜合評價法、BP神經網絡評價法均可以用于尼爾基水庫的富營養(yǎng)化評價，但評價結果有一定差異。

1）TLI法對于尼爾基水庫富營養(yǎng)化的評價明顯偏低，水質結果過于樂觀。采用該法進行評價時，主要應用富營養(yǎng)化相關的指標（TN、TP、SD以及CODMn）與Chl-a進行相關加權而得到綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。由于尼爾基水庫緯度較高，全年氣候較為寒冷，并不一定適用于統(tǒng)一標準，其權重系數(shù)應該做適當修改。此外，TLI指數(shù)法采用的指標的計算公式也是依據經驗確定，其數(shù)據對數(shù)處理本身含有將原始數(shù)據樂觀化的屬性。在2014年尼爾基水庫有水華情況，而2014年的TLI指數(shù)與其他年份相比，并沒有體現(xiàn)出較大的差異性，因此，TLI指數(shù)法在富營養(yǎng)化評價上有其局限性。

2）模糊綜合評價與BP神經網絡結果顯示，尼爾基水庫水質總體處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，且2013年后的數(shù)據波動性明顯提升。結合2014年發(fā)生的水華事件，說明尼爾基水庫富營養(yǎng)化狀況從2013年開始有著明顯的上升趨勢，而模糊綜合評價與BP神經網絡這兩種分析方法很明顯的體現(xiàn)出了這一變化趨勢，這兩種方法評價結果與實際情況相一致。因此模糊綜合評價與BP神經網絡評價法，更適合尼爾基水庫的富營養(yǎng)化狀態(tài)的評價與分析。

［1］吳慶龍，謝平，楊柳燕，等.湖泊藍藻水華生態(tài)災害形成機理及防治的基礎研究［J］.地球科學進展，2008，23（11）：1115-1123.

［2］中華人民共和國環(huán)境保護部.2015年中國環(huán)境狀況公報［R］.2015，6.

［3］王飛兒，呂喚春，陳英旭，等.千島湖葉綠素a濃度動態(tài)變化及其影響因素分析［J］.浙江大學學報（自然科學版），2004，30（1）：22-26.

［4］劉宇，韓銳恒，于爽.中國洪水預報系統(tǒng)在尼爾基水庫的應用［J］.東北水利水電，2015（1）：28-30.

［5］董云仙，洪雪花，譚志衛(wèi)，等.高原深水湖泊程海氮磷形態(tài)分布特征及其與葉綠素a的相關性［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2012，21（2）：333-337.