基于WQImin模型的武漢市金銀湖水質時空特性

楊 列,閆霄珂,劉艷麗,朱 靜 ,吳 麗,張祖麟

(1.武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院,武漢 430070； 2.湖北省生態(tài)環(huán)境廳武漢生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,武漢 430022)

1 研究背景

城市湖泊作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分， 正面臨水體污染和生態(tài)系統(tǒng)退化的雙重壓力[1-2]。 一方面， 隨著城市化和工業(yè)化進程的加快， 人類活動、 工業(yè)廢水及未分流的雨污廢水徑流排放， 都會加劇湖泊水體污染[1, 3]； 另一方面， 城市湖泊多為封閉或半封閉生態(tài)系統(tǒng)， 水深較淺、 流速低， 導致自凈能力弱， 易受環(huán)境影響[4]。 金銀湖作為武漢西郊最大的城市生態(tài)湖泊[5]， 通過湖北省一江三河水系連通工程引水線路， 引水入金銀湖， 隨后流經府河匯入長江[5-6]， 因此, 其生態(tài)環(huán)境狀況易影響下游府河及長江流域水體安全。 金銀湖共包含7片水系， 各水系間存在物理隔堤， 這在一定程度上阻礙了湖泊水循環(huán)， 降低了水體自凈能力。 同時， 由于漢口地區(qū)用地緊張， 位于漢口片區(qū)的東西湖區(qū)城市化和工業(yè)化飛速發(fā)展， 對金銀湖水域造成了前所未有的環(huán)境壓力[5]。 2013—2019年金銀湖水質整體處于Ⅳ-Ⅴ類， 除金銀湖水系的上銀湖2017—2019年水質達到Ⅳ類功能類別， 其余均未達到功能水域類別。 目前金銀湖水質評價報告較少， 因此對金銀湖水質時空特性的分析， 對我國城鎮(zhèn)大型湖泊的水體評價具有重要的參考意義。

水質指數法(WQI)已被廣泛用于分析湖泊和河流的水質狀況和水質趨勢。 不同于比較各個水質指標的評估結果， WQI將多個物理、 化學和生物指標組合轉換為反映水質狀況的單個數值， 從而提供評價水體整體質量的綜合信息[7-8]。 但由于不同WQI在具體研究中存在不同的局限性[9]， 選定關鍵指標的WQImin方法有助于水管理人員以最低成本獲得有關當地水體質量的重要信息[7]。 Zeinalzadeh等[10]將主成分分析(PCA)與WQImin模型結合， 有效識別了伊朗烏魯米耶湖流域沙赫柴河的水質時空特性。 Sun等[11]通過主成分建立WQImin模型， 表明改良的WQI更能反映水質的季節(jié)變化并降低了分析成本。 Ko?er等[12]使用主成分選擇關鍵指標計算WQImin， 在評估鱒魚養(yǎng)殖場廢水對溪流水質的影響方面效果顯著。 關鍵指標的選取與確定， 對水質分析結果至關重要。 本文擬采用PCA識別金銀湖水質演變的關鍵驅動因子， 繼而建立WQImin模型， 可以在保證精度和準確性的前提下簡化評價過程， 確定金銀湖水域水質狀況， 揭示水質空間差異及影響因素， 以期為金銀湖水域的水質管理及環(huán)境修復提供科學依據， 并為其他城市湖泊水質評價提供參考。

2 材料與方法

2.1 區(qū)域概況

金銀湖為城市淺水湖泊，地處武漢東西湖區(qū)東北部，漢口西北隅，包含金銀湖國家城市濕地公園。金銀湖水系分布較復雜，包括東大湖、上金湖、下金湖、上銀湖、下銀湖、東銀湖、墨水湖(東西湖區(qū))7片水域，金銀湖地形及監(jiān)測點位與風險源分布如圖1所示。水域總面積約為7.24 km2，約占東西湖區(qū)湖泊總面積的54%，是武漢西郊最大的生態(tài)湖泊[5]，其主要水體功能為調蓄、生態(tài)與景觀娛樂。金銀湖2013—2019年水質狀況如表1所示。

圖1 金銀湖地形及監(jiān)測點位與風險源分布Fig.1 Topography, monitoring points and risk sources of Jinyin Lake area

表1 2013—2019年金銀湖各水系水質狀況Table 1 Current water quality in seven water systemsof Jinyin Lake from 2013 to 2019

2.2 數據來源

本研究水質數據來源于武漢生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心。金銀湖水系內共設置9個監(jiān)測點位(見圖1)，其中東銀湖、上金湖、下金湖、上銀湖、下銀湖、墨水湖(東西湖區(qū))各設置1個監(jiān)測點位，東大湖設置3個監(jiān)測點位，取其平均值。2018年8月—2019年10月期間以月為周期(無2018年10月、12月和2019年2月監(jiān)測數據)，以《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)表1中10項基本項目為評價指標進行統(tǒng)計分析，從而判別金銀湖水質狀況。10項評價指標為溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(PI)、五日生化需氧量(BOD5)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、砷(As)、陰離子表面活性劑和糞大腸菌群。由于監(jiān)測數據中重金屬砷、汞、鉛、鎘、六價鉻的指標均符合Ⅰ類水質標準，而砷易于在食物鏈中轉化和生物富集[9]，從而危害人類健康，故本文僅選取重金屬砷作為評價指標。

2.3 研究方法

2.3.1 主成分分析

PCA法將多個水質指標轉化為幾個綜合指標，同時反映原始指標提供的大部分信息，從而簡化水質評價過程[13]。PCA分析原始變量前，應確定KMO和Bartlett球形檢驗結果顯著(P<0.05),即各變量有明顯相關性[14]。本文利用SPSS 22對10項水質指標進行降維處理。

2.3.2 基于關鍵指標的水質指數模型

相比水質指數法(WQI)，WQImin模型僅選取由逐步多元回歸或主成分分析篩選的關鍵指標進行綜合水質評價，可減少水質指標的冗余信息和測量成本[9, 11]。本研究采用包含指標權重的WQImin模型，模型計算如式(1)[9]所示。

(1)

式中：n為水質指標的總數；Ci為第i個指標的歸一化值，計算方法如式(2)所示；Pi為第i個指標的權重，Pi采用Kocer 等[12]、Pesce 等[15]和Sun等[11]研究結果，列于表2。

表2 基于GB 3838—2002標準計算WQImin所用水質指標的歸一化值和權重Table 2 Normalized values and weights of the waterquality indicators for calculating WQImin basedon the Environmental Quality Standards for SurfaceWater of China(GB 3838—2002)

式中：Ti為第i個指標的實測值；Si,k和Si,k+n為第i個指標的k級和k+n級標準濃度；N為標準值相同的個數(當無相同時，N=1)；Ii,k為第i個指標的k級指數值。WQImin分級標準如表3所示。

表3 WQImin分級標準Table 3 Grading standard of WQImin

3 結果與討論

3.1 水質特征時空變化

金銀湖水域各水質指標時空變化特征如圖2所示。2018年8月—2019年10月期間主要的污染指標為DO、COD、BOD5和PI，其中COD、BOD5和PI是評估水質有機污染的重要指標，它們的最大污染濃度分別是V類標準的1.5倍、1.1倍和1.1倍。金銀湖周圍人口密集，餐飲業(yè)和商業(yè)聚集，易產生含大量碳水化合物、蛋白質、油脂的生活污水；金銀湖南部的制藥、裝潢、印刷、乳品制造等企業(yè)，產生的工業(yè)廢水有機成分復雜，二者可能是導致湖泊水體有機物含量增加的主要原因。湖泊中的溶解氧易受溫度和好氧微生物代謝活動的影響。溫度的升高與微生物代謝活動的加強均易造成溶解氧匱乏[16-17]，最低濃度僅為Ⅴ類標準的80%。

圖2 金銀湖水域各水質指標時空特征分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of water quality indexes in Jinyin Lake

由空間尺度結果可得，金銀湖中的上金湖、墨水湖和東銀湖污染相對嚴重。根據水文地勢和周邊環(huán)境推測原因如下：

(1)金銀湖地區(qū)地勢南高北低[6]，故其南部周邊工業(yè)企業(yè)(見圖1)產排污易對湖泊水質造成影響。

(2)金銀湖屬于半封閉城市湖泊，水系分布復雜，且各水域存在物理阻隔，水循環(huán)周期長；而東銀湖、上金湖、墨水湖位處金銀湖南端，面積較小，相對閉塞且流動性差，水體自凈能力弱。

(3)上金湖周邊工業(yè)等制造業(yè)相對密集，除受納商業(yè)和餐飲業(yè)產生的生活污水外，還可能承接周邊約2 km內航修、幕墻、家電制造、制藥、煙草等個體及工業(yè)園的工業(yè)廢水。

因此在10個監(jiān)測指標中，除砷(低于Ⅰ類標準)、陰離子表面活性劑(低于Ⅰ類標準)和糞大腸菌群(低于Ⅳ類標準)以外，其余指標均超出Ⅴ類標準。

工業(yè)廢水中復雜的有機物使上金湖的COD、BOD5、PI、DO污染程度大于東銀湖與墨水湖。砷符合Ⅰ類標準，表明上金湖周邊家電制造及電子器件企業(yè)可能未對其造成不良影響。墨水湖在三者中面積最小，且周邊環(huán)境以居民區(qū)為主，故整體污染程度在三者中最小；但人口密集造成糞大腸菌群超出Ⅴ類標準的7.75倍。東湖承接2 km內3所高校校區(qū)產生的生活污水，故NH3-N、TN、TP及陰離子表面活性劑污染相對嚴重，最大污染濃度分別是Ⅴ類標準的5.25倍、8.25倍、5.95倍和2.13倍。除此之外，東銀湖北部存在未開發(fā)土地，因此水土流失和農藥化肥[18]也可能是其營養(yǎng)鹽污染較重的潛在原因。

時間尺度上，金銀湖2019年1月水質相對優(yōu)于其他監(jiān)測時段。相比2019年3—10月，有機指標COD、BOD5、PI和DO濃度在2018年8月—2019年1月期間均未超出Ⅴ類標準限值。

營養(yǎng)鹽指標TN、TP和NH3-N在整個監(jiān)測周期中具有不同程度的污染(超出V類標準限值)。糞大腸菌群在春季(3—5月份)污染相對嚴重。陰離子表面活性劑在3月份和8月份出現污染，其最大濃度分別是Ⅴ類標準的2.13倍和1.93倍。陰離子表面活性劑僅在某一月份濃度過高，可能與該月份生活或工業(yè)用水量增大導致外源污染輸出增多，或外力擾動導致沉積物釋放的污染物濃度增大有關。

3.2 基于PCA的指標篩選

本文對2018年8月—2019年10月金銀湖7個水系的10項水質指標數據進行KMO-Bartlett檢驗。檢驗結果如表4所示。其中KMO值>0.7，樣本數據結構合理；Bartlett球形檢驗顯著概率遠<0.05，各指標有明顯相關性，滿足主成分分析要求。基于特征值>1的原則，本文提取出3個主成分，如表5所示，累計貢獻率為73.463%。

表4 KMO和Bartlett檢驗Table 4 Results of KMO and Bartlett tests

表5 金銀湖主成分解釋的總方差Table 5 Total variance of the interpretation of main components of water quality in Jinyin Lake

提取各主成分旋轉因子載荷>0.45的指標解釋主成分[19]，并繪制圖3。主成分旋轉因子載荷的強、中和弱載荷分別對應0.75～1.00、0.50～0.75和0.30～0.50的絕對載荷值[20]。第1主成分方差貢獻率約為44.20%，主要包括強載荷BOD5、PI、COD和DO。DO與第1主成分呈負相關，其余呈正相關。表明第1主成分污染物主要為有機物，可能來源于生活污水或工業(yè)廢水[21]。第2主成分方差貢獻率約為17.13%，主要包括強正載荷TN、NH3-N和TP，以及弱正載荷糞大腸菌群。它們與第2主成分呈正相關，表明污染物主要為營養(yǎng)鹽。其中糞大腸桿菌來源于生活污水。第3主成分方差貢獻率約為12.13%，主要包括強正載荷砷和中等正載荷陰離子表面活性劑。第3主成分中砷污染可能與金銀湖周邊工業(yè)企業(yè)點源排放有關，但出水中低濃度的砷被懸浮物快速吸附從而沉降于底泥，使其符合Ⅰ 類水質標準[22]?？紤]第1主成分貢獻率遠高于其他主成分，因此金銀湖污染物中有機物占主導，營養(yǎng)鹽次之。故本文選取第1主成分中BOD5、PI、COD和DO作為后續(xù)主要評價指標。

圖3 主成分旋轉因子載荷Fig.3 Loads of rotation factors of main components

3.3 基于WQImin模型的水質評價

監(jiān)測期間各監(jiān)測水域的WQImin值如圖4(a)所示。東銀湖、上金湖和墨水湖的WQImin平均值在25.63～31.79，水質被歸類為差，將三者判別為污染區(qū)域；東大湖、下金湖、下銀湖和上銀湖的WQImin平均值在45.64～53.19，水質被歸類為中等，將其判別為低污染區(qū)域。兩區(qū)域組間差異顯著，組內無顯著差異(通過方差齊性檢驗，進行LSD分析，P<0.05)。上銀湖具有最高的WQImin平均值(53.19)，其次是下銀湖(49.60)。低污染區(qū)域的4個水系監(jiān)測期間WQImin最小均值>20，且最大值均>60，表明河流的水質處于中等或更好。東銀湖、上金湖和墨水湖監(jiān)測期間分別有41.67%、33.33%和33.33%的監(jiān)測數據表明其水域質量較差。東銀湖、上金湖監(jiān)測期間未觀察到>60的WQImin值，即沒有良好水質的時段。

圖4 2018—2019年金銀湖WQImin的時空變化Fig.4 Spatio-temporal changes of WQImin inJinyin Lake during 2018-2019

綜上，水質惡化發(fā)生在金銀湖水系的上游(東銀湖、上金湖和墨水湖)。這與圖2結果一致，其原因主要是工業(yè)和生活污水的點源污染[8]。下游(東大湖、下金湖、下銀湖和上銀湖)水質較好，可能是由于水轉移及引水線路(湖北省一江三河水系連通工程引水線路)促進了湖泊的水循環(huán)，改變了湖泊的水動力，增加了水體擾動[23]。

圖4(b)為金銀湖水域各監(jiān)測日期的WQImin值。金銀湖水質時間格局分為以下3段：2019年1月水質整體處于良好水平，且具有最大WQImin平均值(61.68)。其余月份水質狀況被歸類為差或中等。除2019年1月，2018年8月—2019年3月期間WQImin平均值在47.17～52.70，水質被歸類為中等，將其判別為低污染時期；而2019年4月—2019年10月WQImin平均值在24.41～35.95，水質被歸類為差，并將其判別為污染時期。兩時期水質狀況無顯著性差異(方差不齊，進行Dunnett T3分析，P<0.05)。低污染時期WQImin值>20，且最大值均>60，表明河流的水質處于中等或更好。污染時期WQImin最小值均<20，其中2019年8月具有WQImin的最小值(0)，其次是2019年5月(1.97)和9月(5.90)，表明該時期部分監(jiān)測水域水質極差。

本文WQImin所選取的關鍵指標為DO、BOD5、PI和COD。結合圖2可得，2019年1月(冬季)水質最佳，原因在于溶解氧是評價湖泊水質的重要指標，在水質指數模型建立中具有較高權重。該月份在評價周期中溫度最低，微生物代謝活性降低，耗氧減少，溶解氧濃度升高。這與岳智穎[24]、佟霽坤[25]結論一致。2019年8—9月與2018年同期相比，WQImin平均值分別下降至24.70和23.18。推測原因如下：①外源污染物增加。隨著金銀湖周邊城市化和工業(yè)化的飛速發(fā)展，人口密度和工業(yè)規(guī)模隨之擴大，這可能會導致外源污染物的增加。②內源污染物釋放量增加。水質與城市發(fā)展密切相關[26]，城市化進程的加快，可能增加人為擾動造成沉積物釋放污染物的風險。

4 結 論

本文通過主成分分析建立了WQImin模型，并對2018年8月—2019年10月金銀湖水質的時空特性進行了分析評價，結論如下：

(1)有機物和營養(yǎng)鹽是影響金銀湖水質的主要污染物，其中有機物占主導。

(2)金銀湖水域水質空間分布特征顯著，可分為水質較差的污染區(qū)域(東銀湖、上金湖和墨水湖)，位于金銀湖上游；水質中等的低污染區(qū)域(東大湖、下金湖、下銀湖和上銀湖)，位于金銀湖下游。這與金銀湖水系破碎關系密切，上游易受周邊工業(yè)及生活污水的點源污染，其面積較小又相對閉塞，導致自凈能力降低，污染物累積；下游相對較大的湖面積和較好的水循環(huán)，使污染物可以較好地擴散降解。

(3)金銀湖水質時間格局分為3段：2019年1月具有最佳的水質狀況；除2019年1月，2018年8月—2019年3月被歸類為水質中等的低污染時期；2019年4月—2019年10月被歸類為水質較差的污染時期。2019年8—9月與2018年同期相比水質下降，其原因可能是城市化和工業(yè)化進程加快導致的外源污染物增加，以及沉積物釋放的內源污染物增加。