基于WQI法的滴水湖及入湖河道水质研究

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-01-14 09:28 热度：

　　摘 要: 采用综合水质标识指数( water quality identification index，WQI) 评价法分析了对滴水湖及其入湖河道 2018 年 8 月至 2019 年 7 月间水质时空分布差异，并对水质主要影响因子进行分析。结果表明，滴水湖及入湖河道的水质具有空间上的差异性，外涟河、中涟河、内涟河、入湖口水质为“中等”，滴水湖区为“良好”，从外涟河到滴水湖区的水质呈现出逐渐变好的状态; 和 WQI 显著相关的水质参数有总氮、氨氮、水温等; 水质季节变化主要影响因子为水温和降水，空间变化主要影响因子为引水水源水质和人类活动。根据该区域水质特征和影响因子，提出了生物治理法、改建雨水排放管道和加强重要指标监测等治理对策。

　　关键词: 滴水湖; 城市人工湖; 综合水质标识指数; 水质

　　水资源作为与人类活动密切相关的重要资源之一，其保护问题备受世界瞩目。其中，水质相关问题逐步成为各界学者的关注重点[1]。为有效管理、改善和保护水体质量，对水体中的物质形式、性质和含量进行科学地调查和监测是必不可少的[1-2]。掌握其不同条件下变化规律和影响因子，并依靠技术手段，对水质污染现象进行有效控制。

　　全面系统地评价水质状态是水污染治理的首要工作。目前，水质综合评价有多种方法[3-7]: 单因子污染指数法、内梅罗污染指数法、主成分分析 法 及 综 合 水 质 标 识 指 数 ( water quality identification index，WQI) 法等。WQI 法是近年来出现的一种较新的水质评价方法 [7]，该方法可以系统客观地评价水环境类别、水质数据、水质达标情况等，相对于其他水质评价方法，其呈现出定性、定量评价优势。该方法目前大多应用于河流水质评价中，但关于湖泊的综合水质状况评价的应用较少[7-9]。近年来，随着城市现代化进程加快，湖泊污染日益严重，对其水质调查及修复研究亦逐渐增多[10-11]，但对于城市人工湖的研究偏少且不够系统[12]。

　　滴水湖位于上海市浦东新区东海之滨，是上海市面积最大的人工湖。湖泊呈圆形，总面积 5. 56 km2 ，平均水深 3. 7 m。在承担防汛排涝、置换水体等功能的同时，滴水湖对于塑造城市景观生态、优化地区小气候起着不可估量的作用，是临港新城水利调度及景观的核心[13-14]。滴水湖湖水主要源自大治河，经随塘河，在开闸放水期间经 C 港再流入滴水湖外围的“七射三涟”水网后进入湖中[15]。

　　曾有学者[16]对滴水湖水质开展过部分研究，结果显示滴水湖水体在 2004—2005 年间整体呈轻度富营养化，属于Ⅴ类水; 在 2006—2009 年整体达到Ⅳ类标准[17]; 2013 年其引水河道水体属于Ⅴ类水，湖区属于Ⅳ类水[18-19]。但未见对滴水湖及入湖河道水质时空变化进行综合研究。

　　近年来，随着临港新城建设的加快和大量外来人口的入驻，滴水湖附近的土地利用类型、结构和强度发生较大变化，污染类型和强度也随之改变 ，这对滴水湖及其入湖河道水体质量产生不利影响[14-15]。为阐明滴水湖的水质变化情况，在 2018 年 8 月—2019 年 7 月对滴水湖及入湖河道进行了为期 1 年的水质生态学调查，采用 WQI 法对滴水湖入湖河道的水质总体情况进行评价，并对其时空分布差异进行了分析，以期为上海滴水湖水系及国内外其他人工城市湖泊的环境保护和管理提供数据及理论支撑。

　　1 材料与方法

　　1. 1 水质监测范围

　　共在滴水湖区和入湖河道中设立 18 个水质监测点位( 图 1) 。按照滴水湖水系特征及周边土地利用类型将采样点分为滴水湖区、入湖口、外涟河、中涟河、内涟河共 5 个区。

　　1. 2 监测方法

　　于 2018 年 8 月—2019 年 7 月期间每月对滴水湖湖区各样点采样 2 次，对周边河道样点采样 1 次。采样选择在晴天或多云天气条件下进行，以尽量减少降雨对水质的影响。采样过程中遵循《地表水和污水监测技术规范》( HJ/T 91— 2002) 有关要求执行，水质评价参考《地表水环境质量标准》( GB 3838—2002) 。具体监测水质项目、分析仪器、分析方法见表 1。

　　1. 3 水质评价方法

　　综合 水 质 指 数 法 在 2000 年 由 PESCE 和 WUNDERLIN 提出[6]。每个水质参数都根据其对初级健康感知的影响分配了一个权重，用于计算 WQI( 表 2) 。采用水温( T) 、pH、浊度( TUR) 、溶解氧( DO) 、总氮( TN) 、氨氮( NH4-N) 、亚硝酸盐氮( NO2-N) 、硝酸盐氮( NO3-N) 计算 WQI:

　　计算出 WQI 的范围为 0 ～ 100，值越高代表水质越好。根据 WQI 得分，将水质分为 5 个等级: 优秀( 91 ～ 100) 、良好( 71 ～ 90) 、中等( 51 ～ 70) 、一般( 26 ～ 50) 和差( 0 ～ 25) [22]。每个采样点的 WQI 按月份计算，并取各点之和的平均值确定最终每个分区的 WQI。数据计算和处理使用 GraphPad Prism 8. 0 和 Excel 2010。

　　2 结果

　　2. 1 滴水湖及入湖河道水质重要参数变化趋势

　　选取了 2018 年 8 月—2019 年 7 月采样期间上海滴水湖水系中总磷( TP) 、总氮( TN) 、氨氮 ( NH4-N) 、高锰酸盐( CODMn ) 等 4 个水质指标，分析其不同月份变化趋势。4 个水质指标质量浓度值冬春季节大多高于夏秋季节。除高锰酸盐指数外，其他 3 个指标呈现出明显的下降趋势。从空间分布来看，滴水湖区的各项指标实测值明显低于其他区域，分布规律呈现出外涟河 > 中涟河 > 内涟河 > 入湖口 > 湖区的趋势。见图 2。

　　2. 2 滴水湖及入湖河道 WQI 评价结果

　　滴水湖及入湖河道综合水质指数评价结果显示( 图 3，4) ，2018 年 8 月—2019 年 7 月，“良好”水质的区域有滴水湖区、入湖口、外涟河，其中湖区水质在全年时间中都显示为“良好”，中涟河水质在全年时间都中表现为“中等”。从各水质等级出现时间比例来看，水质情况由高到低的区域依次为: 滴水湖区、入湖口、内涟河、中涟河、外涟河。5 个区域中年均水质为“中等”状态的有外涟 河 ( 58. 41 ) 、中 涟 河 ( 60. 32 ) 、内 涟 河 ( 61. 75) 、入湖口( 66. 83) ，滴水湖区的年均水质达到了“良好”( 78. 89) 。这些区域间的 WQI 存在显著差异: 1 年中 WQI 均值最高的区域为滴水湖区，其次是入湖口。3 条入湖河道从内涟河到中涟河到外涟河呈逐渐变低的趋势。同时，各区域的水质具有明显的季节变化趋势，尤其是在 2019 年 6 月，除滴水湖湖区以外，各区域的水质都出现了明显下降。

　　2. 3 各水质指标与 WQI 值的相关性分析

　　将 2018 年 8 月—2019 年 7 月滴水湖及入湖河道的各水质指标与其 WQI 值进行 Pearson 相关性分析后可得知( 表 3) : 营养盐指标( 总磷、总氮、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、高锰酸盐指数) 和水温与 WQI 之间存在负相关性( R 为负值且接近 0; P < 0. 05) ，当营养盐指标和水温较高时， WQI 呈现较低值，即温度和营养盐指标越高，水质越差; 溶解氧与 WQI 成较高正相关性，即溶解氧浓度越高，水质越好。在这些指标中，与 WQI 相关性最高的为氨氮( R = - 0. 998，P < 0. 001) 、总氮( R = - 0. 996，P < 0. 001) 和亚硝酸盐氮 ( R = - 0. 993，P < 0. 001) 。由此可知，氮元素在滴水湖及入湖河道水质中起显著作用。

　　3 讨论

　　滴水湖及入湖河道作为人工开挖于围垦滩涂的城市人工水系，具有流动性缓慢、水体自净能力较差等特点，容易受到内源或外源性的污染[23-27]。滴水湖附近的临港新城近年发展迅速，建设用地类型及开发强度等较之前都有了较大的变化[15]，同时也对滴水湖水系的水生态环境、生物多样性等带来了一系列的影响。

　　本文研究结果显示: 滴水湖及入湖河道的水质季节性变化较为明显，夏季水质会出现明显下降; 夏季水温回升较快，微生物在底泥中的作用增强，加剧耗氧; 河道中沉积物受水流扰动影响明显，底泥向上层水体中释放氮、磷元素较多。刘金金[23]研究发现，在厌氧条件下，滴水湖水系沉积物中磷的释放随着温度升高而释放作用明显加强。张焕焕等[27]研究表明，温度升高会使滴水湖水系底泥中各形态氮向表层水体释放量增加，入夏时正值上海的汛期，大量降水带来地表径流携带地表污染物进入水体中，使得这一时期水质明显下降。

　　2018 年 8 月—2019 年 7 月 WQI 结果显示，滴水湖及入湖河道的水质具有空间差异性，从外涟河到滴水湖区水质呈现出外部到内部逐渐变好的状态，引水水源及补充水源水质较差、人类活动成为重要影响因子。

　　自2003 年开始蓄水以来，滴水湖入湖河道的主要引水水源来自北边水质较差大治河等，此外，滴水湖在每年 2 月份开闸引水 1 次，同时湖区连接东海的出水口开闸放水，在其余时间为封闭状态[25]，因此具有“北引南排”的水系特征[14]。由于形成年份较短，滴水湖底质为潮滩砂砾型土，湖底沉积层较薄，因此湖底向上层水体释放氮、磷元素较少[26]，有别于引水河道。除此之外，地表降水的冲刷导致入湖河道中含氮、磷污染物随径流量的增加而增加[27]。但由于滴水湖区水体半封闭特征，河道与湖区的水质出现明显空间差异。本文研究结果显示: 入湖河道中总氮总磷质量浓度实测值明显高于滴水湖区; 受引水水源水质影响较大的外涟河与湖区相比水质较差，引水水源水质对具有半封闭性质的湖区影响较小。这一结果与国内其他研究相符: 童琰等[24]研究表明，湖区水质为Ⅳ类，引水河道为Ⅴ类水; 应悦汉[17]研究发现，滴水湖引水河道与水闸的水质明显差于湖区。

　　有关报道[14]显示，2018 年滴水湖流域的未开发土地面积从 2016 年的 4 342. 5 hm2 减少到了 3 274. 2 hm2 ，临港新城兴建了大量的道路、居住区、学校、工业区等基础设施，用地类型发生明显变化。吕永鹏等[14]报道，土地利用已经成为影响滴水湖水系水环境中最主要的非点源污染类型。在开发强度较高的区域，如中涟河、外涟河流经地区，有大量的居住用地及商业区、施工工地，部分居民区“雨污混排”现象明显[14-15]，居民生活污水通过雨水排放管排入河道中，这些废水中往往含有大量有机物，当其进入自然水体中时需要消耗大量的溶解氧来分解，从而破坏水体中氧平衡，造成河道水质的污染。同时，工地和临时施工违规排放的建筑垃圾以及河道两边植被被破坏导致岸坡裸露也会使河道水质下降。在公园绿地较多的内涟河和入湖口，河道水体自净能力较强，因此水质好于中、外涟河。

　　针对滴水湖及入湖河道水质特征及影响因子，为防止水质出现进一步恶化，提出以下几点建议: ( 1) 人工湖的生态系统一旦稳定，其水体的自净能力以及抵御外界污染的能力就会不断提升。可采用生物治理法[11]加大对入湖河道水质的治理。在湖区和河道加大滤食性鱼类的投放量，并且投放一定数量的底栖软体动物来重新构建生态系统，加强水质净化作用。同时，增加湖区和河道中水生植被量，对于水体中的营养盐也具有良好的净化作用。对于裸露的河岸可以种植植物防止水土流失带入污染物。( 2) 改建雨水排放管道，确保雨水污水分离，建设海绵城市，净化雨水。减少河道水体污染，净化河道水质，确保其运行稳定。利用工程截污等措施控制外源性污染，例如可以利用修建闸坝等措施来拦截调控污染物。( 3) 加强宣传教育，增强居民的环保意识。相关部门制定相应法律法规，建立长效监管措施，杜绝乱排偷排现象。( 4) 加强对氮、磷元素等重要指标的监测，建立科学系统的滴水湖水质监测模式和水系安全预警系统，防止水质污染进一步加剧[20]。——论文作者：范泽宇1，2 ，袁 林1，2 ，周 亦1，2 ，薛俊增1，2 ，陈 冲3 ，陈嘉杰3 ，胡茜靥3

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文章名称：基于WQI法的滴水湖及入湖河道水质研究

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