基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的騰格里湖水環(huán)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(chǎn)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(huán)境惡化已經(jīng)成為我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素，水環(huán)境作為社會、經(jīng)濟系統(tǒng)發(fā)展的基本載體，其承載能力對社會經(jīng)濟的發(fā)展具有重要作用。對水環(huán)境承載能力進行評價，并根據(jù)水環(huán)境承載能力指導區(qū)域發(fā)展和規(guī)劃，已成為當前水科學領域的熱點問題[1]。水環(huán)境承載力研究目前使用的方法主要有系統(tǒng)動力學法[2]、指數(shù)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(jīng)網(wǎng)絡法[6]、多元回歸模型方法[7]、最優(yōu)化方法[8]、灰關聯(lián)法[9]等。

騰格里湖地處寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市區(qū)西北部，騰格里沙漠東南邊緣，距中衛(wèi)城區(qū)6 km，西北與沙漠草原通湖、水稍子旅游區(qū)相連。騰格里湖占地面積為22 km2，其中水域面積667 hm2，是中衛(wèi)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(qū)。近年來，騰格里湖不合理的開發(fā)利用，使得其水質下降，水生生物多樣性指數(shù)降低，造成了生態(tài)系統(tǒng)的破壞。目前，對于騰格里湖水環(huán)境的研究很少，在水環(huán)境承載力方面未見報道，本文使用具有強大非線性數(shù)據(jù)處理能力的誤差反向傳遞神經(jīng)網(wǎng)絡，即BP神經(jīng)網(wǎng)絡對騰格里湖的水環(huán)境承載力進行研究，以期為騰格里湖水環(huán)境保護和可持續(xù)利用提供依據(jù)。

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(jù)騰格里湖區(qū)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(jù)第四版《水和廢水監(jiān)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(shù)(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(shù)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(wěn)定性的重要指標，本論文采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(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(shù)、浮游動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)[11,12]。

Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)(H′)。

H′=-∑(ni/N)log(ni/N)

(1)

式中：ni為第i種生物的個體數(shù)；N為生物總個數(shù)。

1.3 研究方法

1.3.1 騰格里湖水環(huán)境承載力指數(shù)

文中為了更具體地表現(xiàn)出人類經(jīng)濟社會和水環(huán)境之間的協(xié)調狀態(tài)，使用量化的方法體現(xiàn)它們的協(xié)調程度，引入“水環(huán)境承載力能力指數(shù)”[13]的概念來評價水環(huán)境承載力。假定某河流選取n個指標進行水環(huán)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(huán)境承載力指數(shù)為：D=C/C0。

通過一些國際公認的指標值和我國發(fā)布的《全國人民生活小康水平的基本標準》，以及相關行業(yè)、地方法規(guī)、并征求專家意見和參考有關文獻[4]，確定了水環(huán)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(huán)境的承載力狀況。

表1 騰格里湖水環(huán)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(huán)境承載狀態(tài)小于最差值，水環(huán)境已被嚴重污染，水生生態(tài)系統(tǒng)嚴重失衡，有可能引發(fā)水環(huán)境危機。水生生態(tài)系統(tǒng)處于病態(tài)。

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

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

當0.6≤D<0.8時，水環(huán)境承載狀態(tài)一般，處于及格值和最優(yōu)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(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài)。

當0.8≤D<1.0時，水環(huán)境承載狀態(tài)較強，接近最優(yōu)值，對污染物有較大的容量和較強的自凈能力，水生生態(tài)系統(tǒng)處于很健康的狀態(tài)。

1.3.2 水環(huán)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(huán)境承載力的研究成果和水環(huán)境承載力的特點，以及水環(huán)境承載力指標的選取原則，文中從水質、水生生態(tài)層面選取了以下9個指標，作為騰格里湖的水環(huán)境承載力評價指標體系。

以《地表水環(huán)境質量標準》[15]為依據(jù)，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(yōu)值、較優(yōu)值、及格值、較差值和最差值。最優(yōu)值是按照水體富營養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(tǒng)。根據(jù)國家地表水環(huán)境質量標準相關規(guī)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(yōu)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(shù)(CODMn)、化學需氧量(CODCr)4項指標的最差、最優(yōu)和及格值。

根據(jù)《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術規(guī)定》的規(guī)定，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對騰格里湖水質進行評價，以綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)小于30時為中營養(yǎng)，以此作為最優(yōu)值；以綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)等于50時為中營養(yǎng)，以此作為及格值；以綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)大于50時為富營養(yǎng)，以此作為最差值，其中各個指標采用正向指標，取綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的倒數(shù)為指標體系的輸入數(shù)據(jù)。

(3)水生生態(tài)子系統(tǒng)。采用水生生物多樣性指數(shù)[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(shù)=2為及格值，≥4為最優(yōu)值，≤1為最差值。

騰格里湖水環(huán)境承載力評價指標分級標準如表2。

表2 騰格里湖水環(huán)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(jīng)網(wǎng)絡模型

水環(huán)境承載能力指數(shù)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(jīng)網(wǎng)絡法，建立了如下的水環(huán)境承載力BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型：

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

2 結果與分析

本文建立了C1，C2，…,C9為輸入，并將水環(huán)境承載能力指數(shù)作為輸出的如圖2所示的騰格里湖的水環(huán)境承載力BP人工神經(jīng)網(wǎng)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(shù)據(jù)的輸入原則為：所選取的最優(yōu)指標向量C優(yōu)=(C1優(yōu)，C2優(yōu)，…,C9優(yōu))；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(yōu)的指標向量為C較優(yōu)=(C優(yōu)+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(yōu)、C較優(yōu)、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(huán)境承載力BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，并輸入騰格里湖2013、2014、2015年四個季節(jié)的指標實測數(shù)據(jù)，以此計算出騰格里湖的水環(huán)境承載能力指數(shù)，并進行分析評價。

圖2 騰格里湖水環(huán)境承載力BP人工神經(jīng)網(wǎng)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(shù)據(jù)進行所建立模型的擬合計算，其中各個樣本數(shù)據(jù)和期望值以及相對誤差如表3所示。

表3 樣本數(shù)據(jù)Tab.3 Sample date

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

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

為了直觀表達騰格里湖在2013-2015年的水環(huán)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(huán)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(huán)境承載能力呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。2013年從秋季到冬季，騰格里湖的水環(huán)境承載力在數(shù)月內呈現(xiàn)大幅增長趨勢，達到0.75，為三年數(shù)據(jù)記錄的峰值。2013年和2015年從春季到夏季的騰格里湖水環(huán)境承載能力下降較為明顯，其中2015年夏季屬于最差狀態(tài)，水環(huán)境承載能力指數(shù)僅為0.44，屬于基本可承載力狀態(tài)，水生生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康狀態(tài)。對比2013年與2014年，水環(huán)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(huán)境承載能力下降迅速，由0.6～0.65區(qū)間滑落到0.4～0.5區(qū)間，區(qū)域內水質狀況不斷變差。

綜合以上結果，造成騰格里湖水環(huán)境承載力下降的主要原因在于其補水水源為農(nóng)田退水，近些年來，騰格里湖流域內農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)藥用量的增加，使得大量未充分利用的農(nóng)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(huán)境承載能力指數(shù)最低均為每年夏季，這正是農(nóng)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(huán)境承載力的影響。

另外，次要原因為騰格里湖作為寧夏中衛(wèi)市著名旅游景區(qū)，在當?shù)卣拇罅π麄飨?，每年游客?shù)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(huán)境承載力的逐年下降。

3 討論與結論

根據(jù)對水環(huán)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(huán)境承載力進行研究，但目前水環(huán)境承載力的研究主要以社會經(jīng)濟系統(tǒng)為承載目標，缺乏對水生生態(tài)環(huán)境、水體自凈能力、生態(tài)環(huán)境用水等的研究。社會經(jīng)濟系統(tǒng)對水環(huán)境的壓力為系統(tǒng)外力，該壓力與水環(huán)境系統(tǒng)的承載力作用相反，若以二者合理表征水環(huán)境承載力，則會混淆作為承載體和被承載對象的系統(tǒng)內力與外力，將難以準確度量水環(huán)境系統(tǒng)對社會經(jīng)濟系統(tǒng)的承載能力。

此外，水環(huán)境系統(tǒng)對社會、經(jīng)濟、人口目標的承載可以歸結為水環(huán)境系統(tǒng)水量、水質的承載、對水環(huán)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(tài)的健康狀況，因此本論文將水環(huán)境承載力定義為：水環(huán)境系統(tǒng)在水生態(tài)系統(tǒng)健康的前提下容納污染物的能力和維系其良好生態(tài)環(huán)境功能的能力，并以此為依據(jù)進行分析和研究。雖然有很多學者對水環(huán)境承載力的量化研究做了大量工作，但人們在對于水環(huán)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(shù)據(jù)收集簡便、計算過程易懂的BP神經(jīng)網(wǎng)絡應用到騰格里湖的水環(huán)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(tài)系統(tǒng)2個層面，選取了總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)、化學需氧量(CODCr)、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、浮游動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)等9項指標，作為騰格里湖水環(huán)境承載力評價指標體系，并以國家水環(huán)境質量Ⅳ類水標準和水體中營養(yǎng)程度為目標，分析確定了騰格里湖水環(huán)境承載力評價指標分析標準。建立了基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡的騰格里湖水環(huán)境承載力模型，對騰格里湖的水環(huán)境承載力進行了量化分析。騰格里湖水環(huán)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(tài)，水生生態(tài)系統(tǒng)為亞健康狀態(tài)，需及時采取環(huán)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(xié)調，完善騰格里湖的管理制度，進而促進區(qū)域經(jīng)濟、管理水平的提升。

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