王燕云 翁 莹 林宗亮

（厦门华厦学院 福建厦门361024）

近年来，随着经济社会的发展，居民生活水平的不断提高，生活饮用水安全问题越来越受到人们的重视［1］。集中式饮用水水源地是居民生活饮用水的主要来源，其水质安全直接关系到人体健康［2-3］。然而，我国饮用水水源地的安全问题日益突出，特别是湖库型水源地，容易因为氮磷等营养物质的积累而出现水体富营养化的问题［4-5］。近年来已有不少报道指出我国集中性饮用水水源地水库存在富营养化问题，严重威胁广大人民的生活安全［6-8］。

2015年，《水污染防治行动计划》明确指出，要切实推进饮用水水源地污染防治与保护工作。采取相应防控措施监测评价饮用水源地水库富营养化状况，对饮用水水源的保护、人民健康及经济可持续发展具有重要意义。

厦门市位于福建省东南沿海，是海峡西岸经济区重要的中心城市。根据厦门市统计局数据，截至2020年，厦门市常住人口突破500万。汀溪水库和坂头-石兜水库是厦门市主要集中性饮用水水源地，均属于水库型水源，其水质安全对厦门市居民生活及经济的可持续发展具有重要意义［9］。

本研究以厦门市汀溪水库和坂头-石兜水库为研究对象，通过分析总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（IMn）、叶绿素a（Chl a）和透明度（SD）等指标对水质进行评价，综合运用富营养化状态指数法和BP神经网络法对水库水体进行富营养化评价，以期为该区域水源地保护及污染防治提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 评价指标及数据来源

根据水体富营养化评价要求，选取总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（IMn）、叶绿素a（Chl a）和透明度（SD）作为评价指标。数据来源为福建省生态环境厅，监测时间为2019年1月至2020年12月，每个月监测一次，采样点位于坂头-石兜水库和汀溪水库取水口。季节划分3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12～次年2月为冬季。

1.2 水质评价方法

依据《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002），本研究中汀溪水库和坂头-石兜水库属于水源地一级保护区，水质应达到Ⅱ类标准，总氮（TN）、总磷（TP）和高锰酸盐指数（IMn）的标准限值分别为0.5、0.025、4 mg/L。

1.3 富营养化评价方法

水体富营养化已被广泛应用于评价水体环境质量［10］，前人已做了大量的研究，形成了一系列富营养化评价方法。富营养化评价方法大致可以分为两类，一是传统方法，如综合营养状态指数法、生物指标评价法等；另一类是基于现代计算机技术方法，如BP神经网络法、模糊综合评价法等［11-12］。不同方法各有优缺点，本研究运用综合营养状态指数法和BP神经网络法对厦门市饮用水水源地水库进行富营养化评价。

1.3.1 综合营养状态指数法

综合营养状态指数法是中国环境监测总站规定的基础方法。根据《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》（总站生字［2001］090号）规定，以总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（IMn）、叶绿素a（Chl a）和透明度（SD）作为评价指标计算综合营养状态指数。TLI≤30为贫营养，30＜TLI≤50为中营养，50＜TLI≤60为轻度富营养，60＜TLI≤70为中度富营养，TLI＞70为重度富营养。

1.3.2 BP神经网络法

BP神经网络法是根据给定学习样本进行训练，然后运用训练网络对输入的实测数据进行仿真，并输出营养状态指数结果，具有较强计算能力，已被广泛应用到水体富营养化评价中［11］。

运用MATLAB软件创建5-11-1神经网络模型，该模型包括输入层、隐含层和输出层。输入层的神经元为5个，分别为5个评价指标：总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（IMn）、叶绿素a（Chl a）和透明度（SD）。隐含层节点数的选取关系着神经网络的复杂程度及运行效果，本研究在创建模型时经过多次运算最终选择最优参数为1个隐含层11个节点。输出层为营养状态指数，营养状态指数的分级标准参考《水资源综合规划技术细则》，具体见表1。

表1 水体富营养化分级标准

根据神经网络模型的特点，对各评价指标实测值进行归一化处理，然后进行样本学习、训练及仿真运算，训练的均方误差为9.46×10-5，R2为0.999 3，全局误差值基本可以满足评价需求，得到输出结果为营养状态指数。

2 结果与分析

2.1 水质评价

厦门市饮用水源地汀溪水库和坂头-石兜水库中各水质评价指标结果见图1。2019年1月至2020年12月，汀溪水库和坂头-石兜水库中总磷（TP）含量分别为0.008～0.042 mg/L（平均0.019 mg/L）、0.013～0.048 mg/L（平均0.022 mg/L）；总氮（TN）含量分别为0.54～1.48 mg/L（平均1.01 mg/L）、0.37～1.06 mg/L（平均0.83 mg/L）；高锰酸盐指数（IMn）分别为0.85～2.19 mg/L（平均1.37 mg/L）、1.47～4.00 mg/L（平 均2.89 mg/L）；叶 绿 素a（Chl a）含量分别为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）分别为0.8～2.2 m（平均1.6 m）、0.7～1.3 m（平均0.9 m）。

对比两个水库中评价指标可知，汀溪水库和坂头-石兜水库中总磷（TP）含量呈现不相上下的趋势，汀溪水库的总氮（TN）含量和透明度（SD）基本大于坂头-石兜水库，汀溪水库的总氮（TN）含量较高可能与周边自然村污水排放有关；而汀溪水库的高锰酸盐指数（IMn）和叶绿素a（Chl a）含量基本小于坂头-石兜水库，这可能与坂头-石兜水库周边果林种植、非法垂钓活动有关。

通过分析各评价指标随时间的变化可知，各评价指标均随着时间变化呈现波动趋势。整体上，总磷含量在春季较高，可能与春季多雨以及农业耕作、磷肥施用等有关；总氮含量在冬季较高，可能与冬季温度较低，氮较难进行反硝化降解有关［13］；叶绿素a在夏季较高，可能与夏季温度较高，光照较充足，有利于浮游植物等的生长有关［14］。而高锰酸盐指数在四季则比较平均。

对比《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002），2019年1月至2020年12月，汀溪水库的总磷、总氮、和高锰酸盐指数分别为16.7%、100%、0，超出Ⅱ类水标准限值，且总氮41.7%超出Ⅲ类水标准限值。坂头-石兜水库的总磷、总氮、高锰酸盐指数分别为8.3%、95.8%、0，超出Ⅱ类水标准限值，且总氮8.3%超出Ⅲ类水标准限值。可见，作为厦门市主要饮用水源地的汀溪水库、坂头-石兜水库已经存在一定程度污染，主要污染因子为总氮。

2.2 水库富营养化评价

分别运用综合营养状态指数法和BP神经网络法对厦门市饮用水源地水库（汀溪水库和坂头-石兜水库）进行水体富营养化评价，结果见图2。

2019年1 月至2020年12月，汀溪水库的综合营养状态指数为29.28～44.20（平均35.71），除2020年1月为贫营养之外，其余时间均为中营养。坂头-石兜水库的综合营养状态指数为39.16～47.27（平均44.35），全部时间均为中营养。

BP神经网络法结果表明，2019年1月至2020年12月，汀溪水库的营养状态指数为34.07～44.62（平均39.19），全部时间均为中营养。坂头-石兜水库的营养状态指数为40.82～47.59（平均44.71），全部时间均为中营养。

综合营养状态指数法和BP神经网络法的评价结果可知，BP神经网络法所得的营养状态指数值会稍大于综合营养状态指数法所得的综合营养状态指数值，但是两种评价方法所得的水体富营养化程度基本一致。整体上，汀溪水库和坂头-石兜水库的富营养化程度均为中营养，营养状态整体良好，但结合水质评价结果，需要警惕总氮的污染，及时进行污染防治。

3 结论

对厦门市水源地水库（汀溪水库和坂头-石兜水库）进行水质评价并综合运用富营养化状态指数法和BP神经网络法对水库水体进行富营养化评价，结果表明，2019年1月至2020年12月，汀溪水库和坂头-石兜水库中总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（IMn）、叶绿素a（Chl a）和透明度（SD）等指标随时间呈波动性变化，汀溪水库、坂头-石兜水库中总磷分别为16.7%、8.3%、总氮分别为100%、95.8%，超出《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类水标准限值，存在总氮污染。

分别运用综合营养状态指数法和BP神经网络法进行水体富营养化评价，两种方法所得结果基本一致，整体上，汀溪水库和坂头-石兜水库的富营养化程度均为中营养，营养状态整体良好，但需要警惕总氮的污染，及时进行污染防治。