基于BP神經網絡的騰格里湖水環境承載力研究

余金龍，尹 亮，鮑廣強，李 斌，白維東，邱小琮

(1. 寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏水產技術推廣站，銀川 750021；3.寧夏大學生命科學學院，銀川 750021)

0 引 言

當前，水資源短缺和水環境惡化已經成為我國社會經濟可持續發展的主要制約因素，水環境作為社會、經濟系統發展的基本載體，其承載能力對社會經濟的發展具有重要作用。對水環境承載能力進行評價，并根據水環境承載能力指導區域發展和規劃，已成為當前水科學領域的熱點問題[1]。水環境承載力研究目前使用的方法主要有系統動力學法[2]、指數評價法[3]、多目標核心模型分析法[4]、承載力分析法[5]、人工神經網絡法[6]、多元回歸模型方法[7]、最優化方法[8]、灰關聯法[9]等。

騰格里湖地處寧夏回族自治區中衛市區西北部，騰格里沙漠東南邊緣，距中衛城區6 km，西北與沙漠草原通湖、水稍子旅游區相連。騰格里湖占地面積為22 km2，其中水域面積667 hm2，是中衛市最大的一個濕地湖泊，被譽為寧夏沙漠“美女”中的“三姑娘”，是寧夏第三大4A級沙漠旅游景區。近年來，騰格里湖不合理的開發利用，使得其水質下降，水生生物多樣性指數降低，造成了生態系統的破壞。目前，對于騰格里湖水環境的研究很少，在水環境承載力方面未見報道，本文使用具有強大非線性數據處理能力的誤差反向傳遞神經網絡，即BP神經網絡對騰格里湖的水環境承載力進行研究，以期為騰格里湖水環境保護和可持續利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣點布設與采樣時間

1.1.1 樣點設置

根據騰格里湖區特征與利用狀況，在騰格里湖布設了S01、S02、S03、S04 四個采樣點，如圖1所示。

圖1 騰格里湖采樣點位圖Fig.1 Location of Sampling sites in Tenggeli Lake

1.1.2 采樣時間

采樣時間分別為2013-2015年春(4月)、夏(7月)、秋(10月)、冬(1月)。

1.2 水樣采集與測定

1.2.1 水質指標

依據第四版《水和廢水監測分析方法》[10]。

水樣采集使用5.0 L采水器采集水樣并保存，帶回實驗室測定的水質指標包括：氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(CODMn)、化學需氧量(CODCr)。

水質指標的測定：氨氮指標采用納氏試劑分光光度法，總氮指標采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷指標采用鉬酸銨分光光度法，高錳酸鹽指數指標采用酸性法，化學需氧量指標采用重鉻酸鹽法。

1.2.2 生物指標

水生生物多樣性是表征水生生物種群結構和群落穩定性的重要指標，本論文采用Shannon-Wiener多樣性指數(H′)表征騰格里湖的水生生物種群特征。其中，指標包括：浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數、浮游動物Shannon-Wiener多樣性指數、底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數[11,12]。

Shannon-Wiener物種多樣性指數(H′)。

H′=-∑(ni/N)log(ni/N)

(1)

式中：ni為第i種生物的個體數；N為生物總個數。

1.3 研究方法

1.3.1 騰格里湖水環境承載力指數

文中為了更具體地表現出人類經濟社會和水環境之間的協調狀態，使用量化的方法體現它們的協調程度，引入“水環境承載力能力指數”[13]的概念來評價水環境承載力。假定某河流選取n個指標進行水環境承載能力的研究分析，各個指標值用向量表示為C=(C1,C2,…,Cn)，同時設各個指標對應的閾值向量為C0=(C01,C02,…,C0n)，則該河流的水環境承載力指數為：D=C/C0。

通過一些國際公認的指標值和我國發布的《全國人民生活小康水平的基本標準》，以及相關行業、地方法規、并征求專家意見和參考有關文獻[4]，確定了水環境承載力能力指標的核算標準，將其劃分為“良好可承載”、“可承載”、“基本可承載”、“弱可承載”、“不可承載”5個等級(表1)，由此來量化確定騰格里湖水環境的承載力狀況。

表1 騰格里湖水環境承載能力指標分級標準Tab.1 The index grading standard of WECC in Tenggeli Lake

當D<0.2時，水環境承載狀態小于最差值，水環境已被嚴重污染，水生生態系統嚴重失衡，有可能引發水環境危機。水生生態系統處于病態。

當0.2≤D<0.4，水環境承載轉臺較弱，處于較差值與最差值之間，水環境容量與自凈能力已不能滿足水質目標要求。水生生態系統處于不健康狀態。

當0.4≤D<0.6時，水環境承載狀態一般，處于及格值和較差值之間，水環境容量較小，自凈能力一般，水質目標可達到Ⅳ類。水生生態系統處于亞健康狀態。

當0.6≤D<0.8時，水環境承載狀態一般，處于及格值和最優值之間，有一定的容量和一定的自凈能力，水質目標可達到Ⅳ-Ⅲ類。水生生態系統處于健康狀態。

當0.8≤D<1.0時，水環境承載狀態較強，接近最優值，對污染物有較大的容量和較強的自凈能力，水生生態系統處于很健康的狀態。

1.3.2 水環境承載力評價指標體系

(1)指標體系選取。通過參考各個學者對水環境承載力的研究成果和水環境承載力的特點，以及水環境承載力指標的選取原則，文中從水質、水生生態層面選取了以下9個指標，作為騰格里湖的水環境承載力評價指標體系。

以《地表水環境質量標準》[15]為依據，確定騰格里湖各個評價指標的核算辦法，將每個指標值分為最優值、較優值、及格值、較差值和最差值。最優值是按照水體富營養化評價標準和水質控制目標要求，該項指標達到的最佳值；及格值是按照水體富營養化評價標準和水質控制目標要求，該項指標達到的最低值；最差值是按照水體富營養化評價標準和水質控制目標要求，該項指標不能容忍的最低值。

(2)水質子系統。根據國家地表水環境質量標準相關規定，文中以騰格里湖水質達到Ⅳ類水為及格值；達到Ⅲ類為最優值；達到Ⅴ類為最差值。以此分別計算總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鉀指數(CODMn)、化學需氧量(CODCr)4項指標的最差、最優和及格值。

根據《湖泊(水庫)富營養化評價方法及分級技術規定》的規定，采用綜合營養狀態指數法對騰格里湖水質進行評價，以綜合營養狀態指數小于30時為中營養，以此作為最優值；以綜合營養狀態指數等于50時為中營養，以此作為及格值；以綜合營養狀態指數大于50時為富營養，以此作為最差值，其中各個指標采用正向指標，取綜合營養狀態指數的倒數為指標體系的輸入數據。

(3)水生生態子系統。采用水生生物多樣性指數[16]表征騰格里湖水生生物的群落結構特征，物種多樣性指數=2為及格值，≥4為最優值，≤1為最差值。

騰格里湖水環境承載力評價指標分級標準如表2。

表2 騰格里湖水環境承載力指標分類Tab.2 The classification index of WECC in Tenggeli Lake

1.3.3 BP人工神經網絡模型

水環境承載能力指數的量化計算涉及多個權重和評價指標的確定，本論文運用人工神經網絡法，建立了如下的水環境承載力BP人工神經網絡模型：

以上模型中，Ci∈C，C={C1，C2，…,Cm}，m為輸入層神經元個數；n1為隱含層神經元個數；n為輸出層神經元個數，a為1～10的常數；其中水環境承載力指數Di∈D，D={D}。其中，輸入層為水環境承載力各個評價指標的值，隱含層神經元個數通過試錯法獲得，輸出層即為水環境承載能力指數。

2 結果與分析

本文建立了C1，C2，…,C9為輸入，并將水環境承載能力指數作為輸出的如圖2所示的騰格里湖的水環境承載力BP人工神經網絡模型，其中，W1代表輸入層與隱含層的連接權重矩陣；W2代表隱含層和輸出層的連接權重矩陣。樣本數據的輸入原則為：所選取的最優指標向量C優=(C1優，C2優，…,C9優)；及格指標向量C及=(C1及，C2及，…,C9及)；最差指標向量C差=(C1差，C2差，…,C9差)，較優的指標向量為C較優=(C優+C及)/2，較差的指標向量為：C較差=(C及+C差)/2。模型的輸出以C優、C較優、C及、C較差、C差為順序，對應的輸出值為1.0、0.8、0.6、0.4、0.2，進行了5 000次的學習，誤差為0.002 3，建立了騰格里湖的水環境承載力BP人工神經網絡模型，并輸入騰格里湖2013、2014、2015年四個季節的指標實測數據，以此計算出騰格里湖的水環境承載能力指數，并進行分析評價。

圖2 騰格里湖水環境承載力BP人工神經網絡模型Fig.2 BP Artificial Neural Networks of WECC in Tenggeli Lake

通過歸一化處理，并輸入樣本數據進行所建立模型的擬合計算，其中各個樣本數據和期望值以及相對誤差如表3所示。

表3 樣本數據Tab.3 Sample date

騰格里湖各時期水環境承載力指數如表4所示。2013年、2014年處于可承載狀態，2015年處于基本可承載狀態，較上兩年承載能力減弱。

表4 騰格里湖各時期水環境承載力指數Tab.4 WECC index of Tenggeli Lake

為了直觀表達騰格里湖在2013-2015年的水環境承載能力變化情況，將表4繪制為圖表形式，如圖3所示。

圖3 騰格里湖2013年至2015年的水環境承載能力變化狀況Fig.3 The situation of WECC from 2013 to 2015 in Tenggeli Lake

自2013年以來，騰格里湖的水環境承載能力呈現逐年下降的趨勢。2013年從秋季到冬季，騰格里湖的水環境承載力在數月內呈現大幅增長趨勢，達到0.75，為三年數據記錄的峰值。2013年和2015年從春季到夏季的騰格里湖水環境承載能力下降較為明顯，其中2015年夏季屬于最差狀態，水環境承載能力指數僅為0.44，屬于基本可承載力狀態，水生生態系統處于亞健康狀態。對比2013年與2014年，水環境承載力下降速度較為緩慢；對比2014年和2015年，騰格里湖水環境承載能力下降迅速，由0.6～0.65區間滑落到0.4～0.5區間，區域內水質狀況不斷變差。

綜合以上結果，造成騰格里湖水環境承載力下降的主要原因在于其補水水源為農田退水，近些年來，騰格里湖流域內農業化肥、農藥用量的增加，使得大量未充分利用的農藥、化肥殘余流入湖水，不斷累積，進而湖水水質逐年下降。另一方面，2013至2015年間水環境承載能力指數最低均為每年夏季，這正是農田灌溉退水最集中的時間段，也進一步證明補水水源對騰格里湖水環境承載力的影響。

另外，次要原因為騰格里湖作為寧夏中衛市著名旅游景區，在當地政府的大力宣傳下，每年游客數量不斷增加，使得人類活動對湖水的干擾強度變大，帶入的污染物逐漸變多，累積在湖水底部，最終造成騰格里湖水環境承載力的逐年下降。

3 討論與結論

根據對水環境承載力概念、內涵的界定，各位學者選擇不同的指標體系，采用不同的方法對水環境承載力進行研究，但目前水環境承載力的研究主要以社會經濟系統為承載目標，缺乏對水生生態環境、水體自凈能力、生態環境用水等的研究。社會經濟系統對水環境的壓力為系統外力，該壓力與水環境系統的承載力作用相反，若以二者合理表征水環境承載力，則會混淆作為承載體和被承載對象的系統內力與外力，將難以準確度量水環境系統對社會經濟系統的承載能力。

此外，水環境系統對社會、經濟、人口目標的承載可以歸結為水環境系統水量、水質的承載、對水環境承載力的量化研究應重點考慮供水量與需水量的關系，水質目標以及水生生態的健康狀況，因此本論文將水環境承載力定義為：水環境系統在水生態系統健康的前提下容納污染物的能力和維系其良好生態環境功能的能力，并以此為依據進行分析和研究。雖然有很多學者對水環境承載力的量化研究做了大量工作，但人們在對于水環境承載力的具體涵義和量化方法上存在一定的爭議，文中通過采取對數據收集簡便、計算過程易懂的BP神經網絡應用到騰格里湖的水環境承載力研究上來，得出了易于解釋的運算結果。

通過研究，從騰格里湖水質、水生生態系統2個層面，選取了總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鉀指數(CODMn)、化學需氧量(CODCr)、綜合營養狀態指數浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數、浮游動物Shannon-Wiener多樣性指數、底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數等9項指標，作為騰格里湖水環境承載力評價指標體系，并以國家水環境質量Ⅳ類水標準和水體中營養程度為目標，分析確定了騰格里湖水環境承載力評價指標分析標準。建立了基于BP人工神經網絡的騰格里湖水環境承載力模型，對騰格里湖的水環境承載力進行了量化分析。騰格里湖水環境承載力自2013-2015年以來在逐年下降，處于基本可承載力狀態，水生生態系統為亞健康狀態，需及時采取環境保護措施、減少污染物的排放，且應當注重人與自然的相互協調，完善騰格里湖的管理制度，進而促進區域經濟、管理水平的提升。

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