基于水質指數的寧夏沙湖綜合水質狀態研究

雷興碧，馮玉雪，趙紅雪，邱小琮，吳岳玲，郭 琦

(1. 寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏農村能源工作站，銀川 750002；3.寧夏大學生命科學學院，銀川 750021)

0 引 言

水質評價是合理利用和保護水資源的一項基本工作，是水環境管理與決策的依據。水質指數是綜合水質評價中應用較為廣泛的工具，最早由horton提出并應用于流域水環境管理中，其在擬定的評分尺度、水環境因子權重下，通過線性聚合函數完成了綜合水質評估；Brown、Prati等相繼提出類似的水質指數法[1]。國外常用的水質指數有美國國家基金會水質指數(NSFWQI)[2]、加拿大環境部長理事會水質指數(CCMEWQI)[3]、俄勒岡州水質指數[4]、通用水質指數(UWQI)[5]等。目前，我國水質指數的理論及應用研究中，潘犖等[6]利用常用水質評價方法對沱江水系進行評估，表明CCMEWQI能夠很好地平抑極端指標的影響；張慧芳等[7]基于水質標識指數評估拉薩河水環境狀態及其變化趨勢，結果顯示拉薩河水環境狀態總體良好并基本滿足其水功能區要求；趙爽等[8]利用水質指數法研究鄱陽湖水質演變趨勢，結果顯示鄱陽湖水質總體接近中等閾值，水質演變應分階段討論；劉玲花等[9]對國外地表水水質指數進行了對比研究，認為加拿大環境部長理事會指數法值得作為我國水源地水質指數評價方法的參考；程衛國[10]進行了不同賦權方法的綜合水質標識指數對比分析，認為傳統的綜合水質標識指數缺乏對各指標權重的考慮。水質指數在綜合水質評價中應用的模型可靠性已得到驗證，但國內外綜合水質指數評價水質的角度及結果的表達形式存在差異。

沙湖位于寧夏回族自治區石嘴山境內，為銀川平原北部灌區水系組成部分，屬淺水型半咸水湖泊，湖泊面積45 km2，平均平水深1.7 m。湖體為沙湖自然保護區核心組成部分，其地表水補水水源主要由黃河、大氣降水及偶發性山洪水構成，地下水主要補水水源為引黃渠系滲漏及灌溉入滲，水功能定位于地方級自然保護區、漁業用水區、景觀及娛樂用水區[11]。隨著沙湖旅游資源的不斷開發，沙湖生態系統破壞，水環境狀態嚴峻[12]。為探索不同類型的水質綜合指數在沙湖水質評價中的應用及其相關關系，本文采用3種水質指數對沙湖進行綜合水質評價，以期為綜合水質指數的應用及沙湖水環境治理提供參考與依據。

1 材料與方法

1.1 樣點布置與采樣時間

1.1.1 采樣點布置

沙湖形態在平面上呈不規則狀，污染源分布不均勻，同時其水深變化幅度較小。根據沙湖以上特性，同時綜合考慮其水力特征、機動船只路線及利用現狀等，共設置3個采樣檢測點，分別位于S01，S02，S03，具體位置見圖1。

1.1.2 采樣時間

基于寧夏銀川平原不同時期區域溫度、區域降雨量等環境因素年度內的變化規律[13]，結合周邊農業及沙湖旅游活動特征，分別于2010-2017年4、7、10月對沙湖進行水樣采集。

1.2 水質指標選擇與測定

根據羅燕殊[14]的研究，沙湖水質相對貢獻率最大的因子為高錳酸鹽指數(IMn)，其次為五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)；結合當前湖泊水質評價中水質指標的選取情況[6-9]，選取高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮(NH3-N)、總磷、總氮(TN)為沙湖代表性水質指標。水質指標的測定依據最新版國家標準或環境標準進行。

1.3 研究方法

由于水質指標的選取情況、水質模型的選擇及區域水質標準的差異皆會對綜合水質評價結果產生影響，因此，綜合水質評價具備區域性。鑒于我國現行湖泊水質評價以地表水環境質量標準(GB3838-2002)為評判標準，同時，沙湖綜合水質評價指標為BOD5、IMn、TN、TP及NH3-N，選用的水質指數模型應具備參評指標類型、參評指標數量、水質評價基準可根據區域差異進行調整的特征。鑒于以上考慮，選用加拿大環境部長理事會水質指數、通用水質指數為國外典型綜合水質指數模型代表，以水質標識指數法為國內典型水質指數評價方法。

1.3.1 水質標識指數法

水質標識指數法是以單因子水質指數為基礎，通過代數運算進行水質連續性刻畫的評價方法，其基本公式[15]是：

(1)

式中：WQII為綜合水質標識指數得分；Xi,1,Xi,2為第i項水質指標的單因子水質指數；ρi為第i項指標實測濃度，mg/L；ρi,k+、ρi，k-分別為ρi所處水質標準區間的上下限值，mg/L；k=1,2,…,5，對應Ⅰ～Ⅴ類水質； 為參與評價的污染物指標的數目；水質類別評價參考胡成[16]等研究成果確定，具體見表1。

表1 水質標識指數評價級別標準Tab.1 Water Quality Identification Index categorisation scheme

1.3.2CCMEWQI法

CCMEWQI是基于水質目標控制的水質評價方法，其綜合了水質超標指標數量百分比、超標監測數量百分比和監測值超標幅度3方面信息，基本公式[17]是：

(2)

(3)

式中：CCMEWQI為加拿大環境部長理事會水質指數；F1超標指標百分比(代表范圍)；N達為達標監測指標數量；N為總監測指標數量；F2達標監測數量百分比(代表頻率)，q達為超標數據個數；Kn為第n個指標的監測數據總數；F3監測值總體超標幅度；enk為第n個水質參數第k次監測的超標幅度；xnk表示第n個水質參數第k次監測值，mg/L；cn表示第n個水質指標的控制目標濃度，mg/L；根據《水質較好湖泊生態環境保護總體規劃(2013-2020年)》及沙湖水環境功能定位，確定沙湖水質控制目標為地表水Ⅲ類；綜合水質類別評價閾值根據楊婷婷[18]研究確定，具體見表2。

表2 水質狀況等級劃分Tab.2 WQI categorization scheme

1.3.3 通用綜合水質指數法

通用綜合水質指數是為簡化水質報告、減小水質信息理解難度而建立的綜合水質評價工具，其基本公式[19]是：

(4)

式中：UWQI為水質綜合指數；wi為第i個水質指標對應的權重；qi為第i個水質參數對應的無量綱q值，通過以q=ax+b形式構建水質參數對應的區域標準限值與UWQI閾值間的線性關系進行實測值的無量綱轉換，當GB 3838-2002中兩個等級的標準限值相同時，按高分區間進行，x為實測值，mg/L，詳見表3；為適應沙湖綜合水質評價，本文按營養物質指標及有機污染物指標進行分類，參考Tomas等[20]的研究確定權重，水質參數權重賦值見表4；水環境因子狀態惡于Ⅴ類時，對應無量綱q取值為0；UWQI水質類別評價閾值根據Boyacioglu等[19]研究確定，具體見表2。

1.3.4 一元回歸分析

一元回歸分析是指研究一個自變量與一個隨機變量的相關關系時所建立的數學模型及所做的統計分析[21]；當研究變量間存在顯著相關關系時，對變量間相關關系的具體形式進行尋求才具備意義。相關分析及回歸分析以SPSS 25進行，其中，相關性以斯皮爾曼相關系數進行分析，回歸分析以曲線估算進行，以水質標識指數為自變量(x)，對應的水質指數(CCMEWQI、UWQI)為因變量(y)。回歸方程顯著性以F值進行檢驗，方程的方差分析F值的顯著水平P≤0. 05時，回歸分析所建立的模型具統計學意義，模型的擬合優度評價以決定系數(R2)進行。

表3 不同水質狀態下UWQI模型水質指標的無量綱化Tab.3 Dimensionless water quality index of UWQI model under different water quality scheme

表4 水質參數權重Tab.4 Relative weight for water quality parameters

2 結果與分析

2.1 綜合水質狀態

2.1.1 水質標識指數狀態

由沙湖水質單因子標識指數(圖2及圖3)可知：沙湖不同水質指標的單因子指數差異大；以水質單因子波動幅度分析，沙湖總氮、總磷波動幅度逐漸擴大；氨氮與高錳酸鹽指數較為穩定，其中氨氮整體波動區間為2.0～3.5，高錳酸鹽指數整體波動區間為4.0～5.0；五日生化需氧量波動幅度最大，波動范圍為1.0～5.0。總氮單因子指數明顯呈增大趨勢，2015年后出現突破6.0，對應水質類別為劣Ⅴ類，不黑臭。營養污染物單因子標識狀態中，總磷與總氮整體差異不大，但對應單因子水質狀態明顯劣于氨氮；有機污染物單因子標識狀態中，高錳酸鹽狀態明顯劣于五日生化需氧量。

由綜合水質標識狀態結果(表5)可看出，沙湖綜合水質指數波動區間為3.1～4.7；不同監測月度綜合水質類別差異逐漸明顯，2015年后7月及10月綜合水質狀態為Ⅳ類，水質狀態較4月差；不同年度間4月水質綜合指數波動范圍為3.1～4.1，7月年度間波動范圍為3.5～4.7，10月波動范圍為3.3～4.7，綜合水質最好狀態出現在4月，水質最差狀態出現在7月。

表5 沙湖綜合水質標識指數狀態Tab.5 Water Quality Identification Index statue of Shahu

2.1.2CCMEWQI狀態

由CCMEWQI水質指數結果(表6)可得出：取樣監測期間，沙湖CCMEWQI波動區間為27.44～72.07，4月不同年度間波動范圍為44.27～59.04，綜合水質狀態等級為較差；7月年度間波動范圍為27.44～57.62，水質等級處于很差及較差狀態；10月不同年度間波動范圍為28.63～72.07，對應水質狀態等級范圍大，包括很差到中等3個等級。

表6 沙湖CCMEWQI水質指數狀態Tab.6 Evaluation results of CCME model in Shahu lake

2.1.3 通用水質指數狀態

由表7得出：沙湖通用綜合水質指數波動區間為31.53～59.74，4月年度間波動范圍為46.95～59.74，7月年度間波動范圍為31.53～54.85，10月年度間波動范圍為33.83～57.53；綜合水質最差狀態出現在7月，對應綜合水質狀態等級為很差，綜合水質最好狀態出現在4月，對應綜合水質狀況等級為中等。

表7 UWQI水質指數狀態Tab.7 Result of UWQI model

2.1.4 不同綜合水質指數狀態

由圖4及圖5可看出：沙湖綜合水質標識指數整體呈增大趨勢，CCMEWQI與UWQI呈減小趨勢，不同水質指數對應綜合水質狀態皆呈惡化趨勢，但不同水質指數評價結果及變化幅度存在差異，水質標識指數評價結果數值較小，對應水質狀態為Ⅲ類及劣于Ⅲ類，CCMEWQI與UWQI評價結果數值較大，對應水質狀態長期處于中等及更差水質，CCMEWQI與UWQI間相對大小關系隨時間發生變化。

2.2 水質指標的統計分析

根據監測期間沙湖水質數據，對監測指標進行描述性統計，統計指標包括測量次數、平均值、中位數、最小值、最大值、標準差及變異系數(表8)，根據結果可得到：不同水質指標平均值大小排序依次為高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、總氮、氨氮及總磷，以地表水環境標準進行評價，不同水質指標平均數對應水質級別分別為IMn處于Ⅳ類狀態、BOD5處于Ⅲ類狀態、TN為Ⅳ類、NH3-N為Ⅱ類及TP為Ⅳ類。以變異系數為不同水質指標總體波動幅度的評價值，監測水質指標波動幅度大小排序為總磷、五日生化需氧量、氨氮、總氮、高錳酸鹽指數。

表8 沙湖水質參數描述統計Tab.8 Description statistics of water quality parameters of Shahu

2.3 水質指標及WQI間的相關性分析

不同水環境因子及水質綜合指數間的相關系數結果(表9)顯示：沙湖綜合水質標識指數與五日生化需氧量、總磷、總氮呈顯著正相關，對應相關系數分別為0.822、0.607及0.618。UWQI與五日生化需氧量、總磷、總氮呈顯著負相關，對應相關系數分別為-0.820、-0.619及-0.409；CCMEWQI與總磷呈顯著負相關，相關系數為-0.565。綜合水質標識指數與CCMEWQI、UWQI皆呈顯著負相關，但相關性強弱存在差別，與UWQI相關關系更強。

表9 斯皮爾曼相關系數矩陣Tab.9 Spearman correlation coefficient matrix

2.4 回歸分析

不同水質指數與水質標識指數間數學模型的擬合優度以決定系數大小進行分析，由水質指數間的回歸分析結果(表10及表11)可得到：沙湖CCMEWQI與水質標識指數間模型擬合優度排序為增長、冪函數、S型、二次、對數型、逆型；其中冪函數及增長型模型達到最優，R2為0.614，逆型模型擬合效果最差，R2為0.556。UWQI與水質標識指數擬合優度排序為二次、線性、對數型、復合、逆型、冪函數、S型，其中復合模型擬合效果最優，R2為0.970，S型模型擬合效果最差，R2為0.860。

表10 CCMEWQI與水質標識指數間數學模型及統計指標Tab.10 Mathematical models between CCMEWQI and WQII and statistical index

表11 UWQI 與水質標識指數間數學模型及統計指標Tab.11 Mathematical models between UWQI and WQII and statistical index

3 討 論

3.1 沙湖綜合水質狀態

不同來水期由于補水量、溫度都存在明顯差異，會使水環境因子差異大[22]；水溫的變化影響著水體物理化學和生物的活動，從而影響水體上下水層的交換、營養物的生化循環和分布[23]，同時也強烈地影響湖泊沉積物─水交換界面水環境因子的釋放量[24]；補水對于水環境因子的影響與補水水質狀態及補水水量相關。沙湖7月、10月水溫高，補水量較4月多，營養物質及有機質輸入總量大，物質循環快，出現7月及10月綜合水質狀態較4月差狀況；沙湖不同時期綜合水質狀態有較大差異，綜合水質最差狀態集中在10月及7月，與補水及水溫變化趨勢一致。

不同水質指數對于綜合水質的評價角度及包含的水質信息存在差異，水質標識指數是依據水環境因子對應的標準等級及區間范圍，將水環境因子狀態以其所處的水質等級及對應水質等級中的位置進行水質狀態信息的表達。CCMEWQI著重水環境因子超標信息的表達[9]，對于水體綜合水質狀態信息的表達止步于水質控制目標所對應的水質狀態，即該方法不能表達水質狀態達標后的水體水質變化趨勢及狀態。UWQI將水環境因子的重要性納入綜合水質指數中，使不同水環境因子對于綜合水質狀態的影響產生差異。以上原因造成了沙湖以不同方法的綜合水質評價結果存在差異。

沙湖綜合水質長期處于較差狀態，水質標識指數長期大于3，對應綜合水質長期處于Ⅲ類及以下。結合單因子水質標識結果來看，沙湖綜合水質長期較差的原因為沙湖總氮、總磷濃度長期處于Ⅳ類、Ⅴ類及劣Ⅴ狀態，低于沙湖水功能定位對應水質要求，使得沙湖綜合水質狀態長期較差。造成該現象的原因可能為沙湖系銀川平原北部灌區水系，大量富含營養物質的灌溉渠系滲漏及灌溉入滲補給入湖內，同時內源氮磷含量長期較高，可能會使湖泊生態遭受一定破壞，進一步導致沙湖綜合水質狀態較差。

3.2 相關性及回歸分析

水環境因子間通常存在某種關系[25]，基于綜合水質指數與環境因子的回歸分析，單一水環境因子與綜合水質狀態間可建立可靠的數學模型[26]，綜合水質指數中水環境因子的替代研究也表明可從評價指標等角度降低水質評價的難度[27]。研究沙湖不同水質指數間的相關關系及轉換模型，可降低其綜合水質評價的難度與成本。

沙湖氮、磷及有機污染物指標間相關關系弱，水環境因子間不存在明顯相關關系，可能原因是沙湖不同時期補水及污染源存在差異，4月補水水量少，地下水作為補水水源之一，影響增大，內源污染占比會相應提高；7月由于水溫高，補水量大，可能會導致湖中污染物不斷濃縮，同時由于季節等原因，7月旅游人數會增加，進而導致生活污染增加。

水質信息的表達不僅需要考慮水環境管理的參與者，同時需要考慮普通公眾[28]；我國水質評價多以Ⅰ類到劣Ⅴ類的等級制進行，百分制水質評價可降低水質信息傳遞的成本；探索不同綜合指數間的轉換模型，可使綜合水質信息以不同形式進行表達。沙湖水質標識指數與UWQI相關性高，可通過二次模型進行轉換，與CCME相關性較弱，構建直接轉換模型效果欠佳，產生該現象的原因是CCMEWQI拋棄水質達到控制標準后的水質信息，直接以極好(100分)進行信息表達，使得水質刻畫連續性弱，水質控制目標越低，水質標識指數法與CCMEWQI對于水質達標后的水質信息刻畫差異越大。

4 結 論

本文以寧夏沙湖為例，基于水質標識指數法、加拿大環境部長理事會水質指數法、通用水質指數法分析了沙湖2010- 2017年4月、7月、10月綜合水質狀態，并對不同綜合水質指數結果進行相關分析及回歸分析，得到如下結論。

(1)沙湖綜合水質標識指數區間為3.1～4.7，CCMEWQI區間為27.44～72.07，通用水質指數區間為31.53～51.74，水質狀態整體處于較差等級，且綜合水質呈惡化趨勢；內源氮磷含量長期較高，可給沙湖生態帶來進一步威脅，水環境治理刻不容緩。

(2)年內沙湖綜合水環境狀態變化明顯，整體上7及10月綜合水質較差，4月較好，與周邊農業活動、補水水量變化、氣溫以及旅游人數的年內變化趨勢都關聯，表明沙湖水環境治理需要從多方面采相應措施：控制補水水質，減少農業活動產生的營養物質進入湖體，同時應控制沙湖旅游活動所帶來的相應污染。

(3)沙湖CCMEWQI及UWQI評價結果皆與綜合水質標識指數顯著相關；CCMEWQI與綜合水質標識指數在復合及增長模型下擬合優度達到最優(R2=0.614)，UWQI與綜合水質標識指數在二次模型下擬合優度達到最優(R2=0.970)，通過數學模型對不同形式水質指數進行轉換時需考慮水質指數模型特征及研究對象的水環境特性，沙湖綜合水質狀態評估中UWQI與綜合水質標識指數以二次模型(y=-5.988x2+29.955x+23.925)擬合效果較好。

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