基于水质指数的宁夏沙湖综合水质状态研究

雷兴碧，冯玉雪，赵红雪，邱小琮，吴岳玲，郭 琦

(1. 宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏农村能源工作站，银川 750002；3.宁夏大学生命科学学院，银川 750021)

0 引 言

水质评价是合理利用和保护水资源的一项基本工作，是水环境管理与决策的依据。水质指数是综合水质评价中应用较为广泛的工具，最早由horton提出并应用于流域水环境管理中，其在拟定的评分尺度、水环境因子权重下，通过线性聚合函数完成了综合水质评估；Brown、Prati等相继提出类似的水质指数法[1]。国外常用的水质指数有美国国家基金会水质指数(NSFWQI)[2]、加拿大环境部长理事会水质指数(CCMEWQI)[3]、俄勒冈州水质指数[4]、通用水质指数(UWQI)[5]等。目前，我国水质指数的理论及应用研究中，潘荦等[6]利用常用水质评价方法对沱江水系进行评估，表明CCMEWQI能够很好地平抑极端指标的影响；张慧芳等[7]基于水质标识指数评估拉萨河水环境状态及其变化趋势，结果显示拉萨河水环境状态总体良好并基本满足其水功能区要求；赵爽等[8]利用水质指数法研究鄱阳湖水质演变趋势，结果显示鄱阳湖水质总体接近中等阈值，水质演变应分阶段讨论；刘玲花等[9]对国外地表水水质指数进行了对比研究，认为加拿大环境部长理事会指数法值得作为我国水源地水质指数评价方法的参考；程卫国[10]进行了不同赋权方法的综合水质标识指数对比分析，认为传统的综合水质标识指数缺乏对各指标权重的考虑。水质指数在综合水质评价中应用的模型可靠性已得到验证，但国内外综合水质指数评价水质的角度及结果的表达形式存在差异。

沙湖位于宁夏回族自治区石嘴山境内，为银川平原北部灌区水系组成部分，属浅水型半咸水湖泊，湖泊面积45 km2，平均平水深1.7 m。湖体为沙湖自然保护区核心组成部分，其地表水补水水源主要由黄河、大气降水及偶发性山洪水构成，地下水主要补水水源为引黄渠系渗漏及灌溉入渗，水功能定位于地方级自然保护区、渔业用水区、景观及娱乐用水区[11]。随着沙湖旅游资源的不断开发，沙湖生态系统破坏，水环境状态严峻[12]。为探索不同类型的水质综合指数在沙湖水质评价中的应用及其相关关系，本文采用3种水质指数对沙湖进行综合水质评价，以期为综合水质指数的应用及沙湖水环境治理提供参考与依据。

1 材料与方法

1.1 样点布置与采样时间

1.1.1 采样点布置

沙湖形态在平面上呈不规则状，污染源分布不均匀，同时其水深变化幅度较小。根据沙湖以上特性，同时综合考虑其水力特征、机动船只路线及利用现状等，共设置3个采样检测点，分别位于S01，S02，S03，具体位置见图1。

1.1.2 采样时间

基于宁夏银川平原不同时期区域温度、区域降雨量等环境因素年度内的变化规律[13]，结合周边农业及沙湖旅游活动特征，分别于2010-2017年4、7、10月对沙湖进行水样采集。

1.2 水质指标选择与测定

根据罗燕殊[14]的研究，沙湖水质相对贡献率最大的因子为高锰酸盐指数(IMn)，其次为五日生化需氧量(BOD5)、总磷(TP)；结合当前湖泊水质评价中水质指标的选取情况[6-9]，选取高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮(NH3-N)、总磷、总氮(TN)为沙湖代表性水质指标。水质指标的测定依据最新版国家标准或环境标准进行。

1.3 研究方法

由于水质指标的选取情况、水质模型的选择及区域水质标准的差异皆会对综合水质评价结果产生影响，因此，综合水质评价具备区域性。鉴于我国现行湖泊水质评价以地表水环境质量标准(GB3838-2002)为评判标准，同时，沙湖综合水质评价指标为BOD5、IMn、TN、TP及NH3-N，选用的水质指数模型应具备参评指标类型、参评指标数量、水质评价基准可根据区域差异进行调整的特征。鉴于以上考虑，选用加拿大环境部长理事会水质指数、通用水质指数为国外典型综合水质指数模型代表，以水质标识指数法为国内典型水质指数评价方法。

1.3.1 水质标识指数法

水质标识指数法是以单因子水质指数为基础，通过代数运算进行水质连续性刻画的评价方法，其基本公式[15]是：

(1)

式中：WQII为综合水质标识指数得分；Xi,1,Xi,2为第i项水质指标的单因子水质指数；ρi为第i项指标实测浓度，mg/L；ρi,k+、ρi，k-分别为ρi所处水质标准区间的上下限值，mg/L；k=1,2,…,5，对应Ⅰ～Ⅴ类水质； 为参与评价的污染物指标的数目；水质类别评价参考胡成[16]等研究成果确定，具体见表1。

表1 水质标识指数评价级别标准Tab.1 Water Quality Identification Index categorisation scheme

1.3.2CCMEWQI法

CCMEWQI是基于水质目标控制的水质评价方法，其综合了水质超标指标数量百分比、超标监测数量百分比和监测值超标幅度3方面信息，基本公式[17]是：

(2)

(3)

式中：CCMEWQI为加拿大环境部长理事会水质指数；F1超标指标百分比(代表范围)；N达为达标监测指标数量；N为总监测指标数量；F2达标监测数量百分比(代表频率)，q达为超标数据个数；Kn为第n个指标的监测数据总数；F3监测值总体超标幅度；enk为第n个水质参数第k次监测的超标幅度；xnk表示第n个水质参数第k次监测值，mg/L；cn表示第n个水质指标的控制目标浓度，mg/L；根据《水质较好湖泊生态环境保护总体规划(2013-2020年)》及沙湖水环境功能定位，确定沙湖水质控制目标为地表水Ⅲ类；综合水质类别评价阈值根据杨婷婷[18]研究确定，具体见表2。

表2 水质状况等级划分Tab.2 WQI categorization scheme

1.3.3 通用综合水质指数法

通用综合水质指数是为简化水质报告、减小水质信息理解难度而建立的综合水质评价工具，其基本公式[19]是：

(4)

式中：UWQI为水质综合指数；wi为第i个水质指标对应的权重；qi为第i个水质参数对应的无量纲q值，通过以q=ax+b形式构建水质参数对应的区域标准限值与UWQI阈值间的线性关系进行实测值的无量纲转换，当GB 3838-2002中两个等级的标准限值相同时，按高分区间进行，x为实测值，mg/L，详见表3；为适应沙湖综合水质评价，本文按营养物质指标及有机污染物指标进行分类，参考Tomas等[20]的研究确定权重，水质参数权重赋值见表4；水环境因子状态恶于Ⅴ类时，对应无量纲q取值为0；UWQI水质类别评价阈值根据Boyacioglu等[19]研究确定，具体见表2。

1.3.4 一元回归分析

一元回归分析是指研究一个自变量与一个随机变量的相关关系时所建立的数学模型及所做的统计分析[21]；当研究变量间存在显著相关关系时，对变量间相关关系的具体形式进行寻求才具备意义。相关分析及回归分析以SPSS 25进行，其中，相关性以斯皮尔曼相关系数进行分析，回归分析以曲线估算进行，以水质标识指数为自变量(x)，对应的水质指数(CCMEWQI、UWQI)为因变量(y)。回归方程显著性以F值进行检验，方程的方差分析F值的显著水平P≤0. 05时，回归分析所建立的模型具统计学意义，模型的拟合优度评价以决定系数(R2)进行。

表3 不同水质状态下UWQI模型水质指标的无量纲化Tab.3 Dimensionless water quality index of UWQI model under different water quality scheme

表4 水质参数权重Tab.4 Relative weight for water quality parameters

2 结果与分析

2.1 综合水质状态

2.1.1 水质标识指数状态

由沙湖水质单因子标识指数(图2及图3)可知：沙湖不同水质指标的单因子指数差异大；以水质单因子波动幅度分析，沙湖总氮、总磷波动幅度逐渐扩大；氨氮与高锰酸盐指数较为稳定，其中氨氮整体波动区间为2.0～3.5，高锰酸盐指数整体波动区间为4.0～5.0；五日生化需氧量波动幅度最大，波动范围为1.0～5.0。总氮单因子指数明显呈增大趋势，2015年后出现突破6.0，对应水质类别为劣Ⅴ类，不黑臭。营养污染物单因子标识状态中，总磷与总氮整体差异不大，但对应单因子水质状态明显劣于氨氮；有机污染物单因子标识状态中，高锰酸盐状态明显劣于五日生化需氧量。

由综合水质标识状态结果(表5)可看出，沙湖综合水质指数波动区间为3.1～4.7；不同监测月度综合水质类别差异逐渐明显，2015年后7月及10月综合水质状态为Ⅳ类，水质状态较4月差；不同年度间4月水质综合指数波动范围为3.1～4.1，7月年度间波动范围为3.5～4.7，10月波动范围为3.3～4.7，综合水质最好状态出现在4月，水质最差状态出现在7月。

表5 沙湖综合水质标识指数状态Tab.5 Water Quality Identification Index statue of Shahu

2.1.2CCMEWQI状态

由CCMEWQI水质指数结果(表6)可得出：取样监测期间，沙湖CCMEWQI波动区间为27.44～72.07，4月不同年度间波动范围为44.27～59.04，综合水质状态等级为较差；7月年度间波动范围为27.44～57.62，水质等级处于很差及较差状态；10月不同年度间波动范围为28.63～72.07，对应水质状态等级范围大，包括很差到中等3个等级。

表6 沙湖CCMEWQI水质指数状态Tab.6 Evaluation results of CCME model in Shahu lake

2.1.3 通用水质指数状态

由表7得出：沙湖通用综合水质指数波动区间为31.53～59.74，4月年度间波动范围为46.95～59.74，7月年度间波动范围为31.53～54.85，10月年度间波动范围为33.83～57.53；综合水质最差状态出现在7月，对应综合水质状态等级为很差，综合水质最好状态出现在4月，对应综合水质状况等级为中等。

表7 UWQI水质指数状态Tab.7 Result of UWQI model

2.1.4 不同综合水质指数状态

由图4及图5可看出：沙湖综合水质标识指数整体呈增大趋势，CCMEWQI与UWQI呈减小趋势，不同水质指数对应综合水质状态皆呈恶化趋势，但不同水质指数评价结果及变化幅度存在差异，水质标识指数评价结果数值较小，对应水质状态为Ⅲ类及劣于Ⅲ类，CCMEWQI与UWQI评价结果数值较大，对应水质状态长期处于中等及更差水质，CCMEWQI与UWQI间相对大小关系随时间发生变化。

2.2 水质指标的统计分析

根据监测期间沙湖水质数据，对监测指标进行描述性统计，统计指标包括测量次数、平均值、中位数、最小值、最大值、标准差及变异系数(表8)，根据结果可得到：不同水质指标平均值大小排序依次为高锰酸盐指数、五日生化需氧量、总氮、氨氮及总磷，以地表水环境标准进行评价，不同水质指标平均数对应水质级别分别为IMn处于Ⅳ类状态、BOD5处于Ⅲ类状态、TN为Ⅳ类、NH3-N为Ⅱ类及TP为Ⅳ类。以变异系数为不同水质指标总体波动幅度的评价值，监测水质指标波动幅度大小排序为总磷、五日生化需氧量、氨氮、总氮、高锰酸盐指数。

表8 沙湖水质参数描述统计Tab.8 Description statistics of water quality parameters of Shahu

2.3 水质指标及WQI间的相关性分析

不同水环境因子及水质综合指数间的相关系数结果(表9)显示：沙湖综合水质标识指数与五日生化需氧量、总磷、总氮呈显著正相关，对应相关系数分别为0.822、0.607及0.618。UWQI与五日生化需氧量、总磷、总氮呈显著负相关，对应相关系数分别为-0.820、-0.619及-0.409；CCMEWQI与总磷呈显著负相关，相关系数为-0.565。综合水质标识指数与CCMEWQI、UWQI皆呈显著负相关，但相关性强弱存在差别，与UWQI相关关系更强。

表9 斯皮尔曼相关系数矩阵Tab.9 Spearman correlation coefficient matrix

2.4 回归分析

不同水质指数与水质标识指数间数学模型的拟合优度以决定系数大小进行分析，由水质指数间的回归分析结果(表10及表11)可得到：沙湖CCMEWQI与水质标识指数间模型拟合优度排序为增长、幂函数、S型、二次、对数型、逆型；其中幂函数及增长型模型达到最优，R2为0.614，逆型模型拟合效果最差，R2为0.556。UWQI与水质标识指数拟合优度排序为二次、线性、对数型、复合、逆型、幂函数、S型，其中复合模型拟合效果最优，R2为0.970，S型模型拟合效果最差，R2为0.860。

表10 CCMEWQI与水质标识指数间数学模型及统计指标Tab.10 Mathematical models between CCMEWQI and WQII and statistical index

表11 UWQI 与水质标识指数间数学模型及统计指标Tab.11 Mathematical models between UWQI and WQII and statistical index

3 讨 论

3.1 沙湖综合水质状态

不同来水期由于补水量、温度都存在明显差异，会使水环境因子差异大[22]；水温的变化影响着水体物理化学和生物的活动，从而影响水体上下水层的交换、营养物的生化循环和分布[23]，同时也强烈地影响湖泊沉积物─水交换界面水环境因子的释放量[24]；补水对于水环境因子的影响与补水水质状态及补水水量相关。沙湖7月、10月水温高，补水量较4月多，营养物质及有机质输入总量大，物质循环快，出现7月及10月综合水质状态较4月差状况；沙湖不同时期综合水质状态有较大差异，综合水质最差状态集中在10月及7月，与补水及水温变化趋势一致。

不同水质指数对于综合水质的评价角度及包含的水质信息存在差异，水质标识指数是依据水环境因子对应的标准等级及区间范围，将水环境因子状态以其所处的水质等级及对应水质等级中的位置进行水质状态信息的表达。CCMEWQI着重水环境因子超标信息的表达[9]，对于水体综合水质状态信息的表达止步于水质控制目标所对应的水质状态，即该方法不能表达水质状态达标后的水体水质变化趋势及状态。UWQI将水环境因子的重要性纳入综合水质指数中，使不同水环境因子对于综合水质状态的影响产生差异。以上原因造成了沙湖以不同方法的综合水质评价结果存在差异。

沙湖综合水质长期处于较差状态，水质标识指数长期大于3，对应综合水质长期处于Ⅲ类及以下。结合单因子水质标识结果来看，沙湖综合水质长期较差的原因为沙湖总氮、总磷浓度长期处于Ⅳ类、Ⅴ类及劣Ⅴ状态，低于沙湖水功能定位对应水质要求，使得沙湖综合水质状态长期较差。造成该现象的原因可能为沙湖系银川平原北部灌区水系，大量富含营养物质的灌溉渠系渗漏及灌溉入渗补给入湖内，同时内源氮磷含量长期较高，可能会使湖泊生态遭受一定破坏，进一步导致沙湖综合水质状态较差。

3.2 相关性及回归分析

水环境因子间通常存在某种关系[25]，基于综合水质指数与环境因子的回归分析，单一水环境因子与综合水质状态间可建立可靠的数学模型[26]，综合水质指数中水环境因子的替代研究也表明可从评价指标等角度降低水质评价的难度[27]。研究沙湖不同水质指数间的相关关系及转换模型，可降低其综合水质评价的难度与成本。

沙湖氮、磷及有机污染物指标间相关关系弱，水环境因子间不存在明显相关关系，可能原因是沙湖不同时期补水及污染源存在差异，4月补水水量少，地下水作为补水水源之一，影响增大，內源污染占比会相应提高；7月由于水温高，补水量大，可能会导致湖中污染物不断浓缩，同时由于季节等原因，7月旅游人数会增加，进而导致生活污染增加。

水质信息的表达不仅需要考虑水环境管理的参与者，同时需要考虑普通公众[28]；我国水质评价多以Ⅰ类到劣Ⅴ类的等级制进行，百分制水质评价可降低水质信息传递的成本；探索不同综合指数间的转换模型，可使综合水质信息以不同形式进行表达。沙湖水质标识指数与UWQI相关性高，可通过二次模型进行转换，与CCME相关性较弱，构建直接转换模型效果欠佳，产生该现象的原因是CCMEWQI抛弃水质达到控制标准后的水质信息，直接以极好(100分)进行信息表达，使得水质刻画连续性弱，水质控制目标越低，水质标识指数法与CCMEWQI对于水质达标后的水质信息刻画差异越大。

4 结 论

本文以宁夏沙湖为例，基于水质标识指数法、加拿大环境部长理事会水质指数法、通用水质指数法分析了沙湖2010- 2017年4月、7月、10月综合水质状态，并对不同综合水质指数结果进行相关分析及回归分析，得到如下结论。

(1)沙湖综合水质标识指数区间为3.1～4.7，CCMEWQI区间为27.44～72.07，通用水质指数区间为31.53～51.74，水质状态整体处于较差等级，且综合水质呈恶化趋势；內源氮磷含量长期较高，可给沙湖生态带来进一步威胁，水环境治理刻不容缓。

(2)年内沙湖综合水环境状态变化明显，整体上7及10月综合水质较差，4月较好，与周边农业活动、补水水量变化、气温以及旅游人数的年内变化趋势都关联，表明沙湖水环境治理需要从多方面采相应措施：控制补水水质，减少农业活动产生的营养物质进入湖体，同时应控制沙湖旅游活动所带来的相应污染。

(3)沙湖CCMEWQI及UWQI评价结果皆与综合水质标识指数显著相关；CCMEWQI与综合水质标识指数在复合及增长模型下拟合优度达到最优(R2=0.614)，UWQI与综合水质标识指数在二次模型下拟合优度达到最优(R2=0.970)，通过数学模型对不同形式水质指数进行转换时需考虑水质指数模型特征及研究对象的水环境特性，沙湖综合水质状态评估中UWQI与综合水质标识指数以二次模型(y=-5.988x2+29.955x+23.925)拟合效果较好。

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