基于WQImin模型的武汉市金银湖水质时空特性

杨 列,闫霄珂,刘艳丽,朱 静 ,吴 丽,张祖麟

(1.武汉理工大学 资源与环境工程学院,武汉 430070； 2.湖北省生态环境厅武汉生态环境监测中心,武汉 430022)

1 研究背景

城市湖泊作为城市生态系统的重要组成部分， 正面临水体污染和生态系统退化的双重压力[1-2]。 一方面， 随着城市化和工业化进程的加快， 人类活动、 工业废水及未分流的雨污废水径流排放， 都会加剧湖泊水体污染[1, 3]； 另一方面， 城市湖泊多为封闭或半封闭生态系统， 水深较浅、 流速低， 导致自净能力弱， 易受环境影响[4]。 金银湖作为武汉西郊最大的城市生态湖泊[5]， 通过湖北省一江三河水系连通工程引水线路， 引水入金银湖， 随后流经府河汇入长江[5-6]， 因此, 其生态环境状况易影响下游府河及长江流域水体安全。 金银湖共包含7片水系， 各水系间存在物理隔堤， 这在一定程度上阻碍了湖泊水循环， 降低了水体自净能力。 同时， 由于汉口地区用地紧张， 位于汉口片区的东西湖区城市化和工业化飞速发展， 对金银湖水域造成了前所未有的环境压力[5]。 2013—2019年金银湖水质整体处于Ⅳ-Ⅴ类， 除金银湖水系的上银湖2017—2019年水质达到Ⅳ类功能类别， 其余均未达到功能水域类别。 目前金银湖水质评价报告较少， 因此对金银湖水质时空特性的分析， 对我国城镇大型湖泊的水体评价具有重要的参考意义。

水质指数法(WQI)已被广泛用于分析湖泊和河流的水质状况和水质趋势。 不同于比较各个水质指标的评估结果， WQI将多个物理、 化学和生物指标组合转换为反映水质状况的单个数值， 从而提供评价水体整体质量的综合信息[7-8]。 但由于不同WQI在具体研究中存在不同的局限性[9]， 选定关键指标的WQImin方法有助于水管理人员以最低成本获得有关当地水体质量的重要信息[7]。 Zeinalzadeh等[10]将主成分分析(PCA)与WQImin模型结合， 有效识别了伊朗乌鲁米耶湖流域沙赫柴河的水质时空特性。 Sun等[11]通过主成分建立WQImin模型， 表明改良的WQI更能反映水质的季节变化并降低了分析成本。 Koçer等[12]使用主成分选择关键指标计算WQImin， 在评估鳟鱼养殖场废水对溪流水质的影响方面效果显著。 关键指标的选取与确定， 对水质分析结果至关重要。 本文拟采用PCA识别金银湖水质演变的关键驱动因子， 继而建立WQImin模型， 可以在保证精度和准确性的前提下简化评价过程， 确定金银湖水域水质状况， 揭示水质空间差异及影响因素， 以期为金银湖水域的水质管理及环境修复提供科学依据， 并为其他城市湖泊水质评价提供参考。

2 材料与方法

2.1 区域概况

金银湖为城市浅水湖泊，地处武汉东西湖区东北部，汉口西北隅，包含金银湖国家城市湿地公园。金银湖水系分布较复杂，包括东大湖、上金湖、下金湖、上银湖、下银湖、东银湖、墨水湖(东西湖区)7片水域，金银湖地形及监测点位与风险源分布如图1所示。水域总面积约为7.24 km2，约占东西湖区湖泊总面积的54%，是武汉西郊最大的生态湖泊[5]，其主要水体功能为调蓄、生态与景观娱乐。金银湖2013—2019年水质状况如表1所示。

图1 金银湖地形及监测点位与风险源分布Fig.1 Topography, monitoring points and risk sources of Jinyin Lake area

表1 2013—2019年金银湖各水系水质状况Table 1 Current water quality in seven water systemsof Jinyin Lake from 2013 to 2019

2.2 数据来源

本研究水质数据来源于武汉生态环境监测中心。金银湖水系内共设置9个监测点位(见图1)，其中东银湖、上金湖、下金湖、上银湖、下银湖、墨水湖(东西湖区)各设置1个监测点位，东大湖设置3个监测点位，取其平均值。2018年8月—2019年10月期间以月为周期(无2018年10月、12月和2019年2月监测数据)，以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表1中10项基本项目为评价指标进行统计分析，从而判别金银湖水质状况。10项评价指标为溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、高锰酸盐指数(PI)、五日生化需氧量(BOD5)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、砷(As)、阴离子表面活性剂和粪大肠菌群。由于监测数据中重金属砷、汞、铅、镉、六价铬的指标均符合Ⅰ类水质标准，而砷易于在食物链中转化和生物富集[9]，从而危害人类健康，故本文仅选取重金属砷作为评价指标。

2.3 研究方法

2.3.1 主成分分析

PCA法将多个水质指标转化为几个综合指标，同时反映原始指标提供的大部分信息，从而简化水质评价过程[13]。PCA分析原始变量前，应确定KMO和Bartlett球形检验结果显著(P<0.05),即各变量有明显相关性[14]。本文利用SPSS 22对10项水质指标进行降维处理。

2.3.2 基于关键指标的水质指数模型

相比水质指数法(WQI)，WQImin模型仅选取由逐步多元回归或主成分分析筛选的关键指标进行综合水质评价，可减少水质指标的冗余信息和测量成本[9, 11]。本研究采用包含指标权重的WQImin模型，模型计算如式(1)[9]所示。

(1)

式中：n为水质指标的总数；Ci为第i个指标的归一化值，计算方法如式(2)所示；Pi为第i个指标的权重，Pi采用Kocer 等[12]、Pesce 等[15]和Sun等[11]研究结果，列于表2。

表2 基于GB 3838—2002标准计算WQImin所用水质指标的归一化值和权重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为第i个指标的实测值；Si,k和Si,k+n为第i个指标的k级和k+n级标准浓度；N为标准值相同的个数(当无相同时，N=1)；Ii,k为第i个指标的k级指数值。WQImin分级标准如表3所示。

表3 WQImin分级标准Table 3 Grading standard of WQImin

3 结果与讨论

3.1 水质特征时空变化

金银湖水域各水质指标时空变化特征如图2所示。2018年8月—2019年10月期间主要的污染指标为DO、COD、BOD5和PI，其中COD、BOD5和PI是评估水质有机污染的重要指标，它们的最大污染浓度分别是V类标准的1.5倍、1.1倍和1.1倍。金银湖周围人口密集，餐饮业和商业聚集，易产生含大量碳水化合物、蛋白质、油脂的生活污水；金银湖南部的制药、装潢、印刷、乳品制造等企业，产生的工业废水有机成分复杂，二者可能是导致湖泊水体有机物含量增加的主要原因。湖泊中的溶解氧易受温度和好氧微生物代谢活动的影响。温度的升高与微生物代谢活动的加强均易造成溶解氧匮乏[16-17]，最低浓度仅为Ⅴ类标准的80%。

图2 金银湖水域各水质指标时空特征分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of water quality indexes in Jinyin Lake

由空间尺度结果可得，金银湖中的上金湖、墨水湖和东银湖污染相对严重。根据水文地势和周边环境推测原因如下：

(1)金银湖地区地势南高北低[6]，故其南部周边工业企业(见图1)产排污易对湖泊水质造成影响。

(2)金银湖属于半封闭城市湖泊，水系分布复杂，且各水域存在物理阻隔，水循环周期长；而东银湖、上金湖、墨水湖位处金银湖南端，面积较小，相对闭塞且流动性差，水体自净能力弱。

(3)上金湖周边工业等制造业相对密集，除受纳商业和餐饮业产生的生活污水外，还可能承接周边约2 km内航修、幕墙、家电制造、制药、烟草等个体及工业园的工业废水。

因此在10个监测指标中，除砷(低于Ⅰ类标准)、阴离子表面活性剂(低于Ⅰ类标准)和粪大肠菌群(低于Ⅳ类标准)以外，其余指标均超出Ⅴ类标准。

工业废水中复杂的有机物使上金湖的COD、BOD5、PI、DO污染程度大于东银湖与墨水湖。砷符合Ⅰ类标准，表明上金湖周边家电制造及电子器件企业可能未对其造成不良影响。墨水湖在三者中面积最小，且周边环境以居民区为主，故整体污染程度在三者中最小；但人口密集造成粪大肠菌群超出Ⅴ类标准的7.75倍。东湖承接2 km内3所高校校区产生的生活污水，故NH3-N、TN、TP及阴离子表面活性剂污染相对严重，最大污染浓度分别是Ⅴ类标准的5.25倍、8.25倍、5.95倍和2.13倍。除此之外，东银湖北部存在未开发土地，因此水土流失和农药化肥[18]也可能是其营养盐污染较重的潜在原因。

时间尺度上，金银湖2019年1月水质相对优于其他监测时段。相比2019年3—10月，有机指标COD、BOD5、PI和DO浓度在2018年8月—2019年1月期间均未超出Ⅴ类标准限值。

营养盐指标TN、TP和NH3-N在整个监测周期中具有不同程度的污染(超出V类标准限值)。粪大肠菌群在春季(3—5月份)污染相对严重。阴离子表面活性剂在3月份和8月份出现污染，其最大浓度分别是Ⅴ类标准的2.13倍和1.93倍。阴离子表面活性剂仅在某一月份浓度过高，可能与该月份生活或工业用水量增大导致外源污染输出增多，或外力扰动导致沉积物释放的污染物浓度增大有关。

3.2 基于PCA的指标筛选

本文对2018年8月—2019年10月金银湖7个水系的10项水质指标数据进行KMO-Bartlett检验。检验结果如表4所示。其中KMO值>0.7，样本数据结构合理；Bartlett球形检验显著概率远<0.05，各指标有明显相关性，满足主成分分析要求。基于特征值>1的原则，本文提取出3个主成分，如表5所示，累计贡献率为73.463%。

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

表5 金银湖主成分解释的总方差Table 5 Total variance of the interpretation of main components of water quality in Jinyin Lake

提取各主成分旋转因子载荷>0.45的指标解释主成分[19]，并绘制图3。主成分旋转因子载荷的强、中和弱载荷分别对应0.75～1.00、0.50～0.75和0.30～0.50的绝对载荷值[20]。第1主成分方差贡献率约为44.20%，主要包括强载荷BOD5、PI、COD和DO。DO与第1主成分呈负相关，其余呈正相关。表明第1主成分污染物主要为有机物，可能来源于生活污水或工业废水[21]。第2主成分方差贡献率约为17.13%，主要包括强正载荷TN、NH3-N和TP，以及弱正载荷粪大肠菌群。它们与第2主成分呈正相关，表明污染物主要为营养盐。其中粪大肠杆菌来源于生活污水。第3主成分方差贡献率约为12.13%，主要包括强正载荷砷和中等正载荷阴离子表面活性剂。第3主成分中砷污染可能与金银湖周边工业企业点源排放有关，但出水中低浓度的砷被悬浮物快速吸附从而沉降于底泥，使其符合Ⅰ 类水质标准[22]。考虑第1主成分贡献率远高于其他主成分，因此金银湖污染物中有机物占主导，营养盐次之。故本文选取第1主成分中BOD5、PI、COD和DO作为后续主要评价指标。

图3 主成分旋转因子载荷Fig.3 Loads of rotation factors of main components

3.3 基于WQImin模型的水质评价

监测期间各监测水域的WQImin值如图4(a)所示。东银湖、上金湖和墨水湖的WQImin平均值在25.63～31.79，水质被归类为差，将三者判别为污染区域；东大湖、下金湖、下银湖和上银湖的WQImin平均值在45.64～53.19，水质被归类为中等，将其判别为低污染区域。两区域组间差异显著，组内无显著差异(通过方差齐性检验，进行LSD分析，P<0.05)。上银湖具有最高的WQImin平均值(53.19)，其次是下银湖(49.60)。低污染区域的4个水系监测期间WQImin最小均值>20，且最大值均>60，表明河流的水质处于中等或更好。东银湖、上金湖和墨水湖监测期间分别有41.67%、33.33%和33.33%的监测数据表明其水域质量较差。东银湖、上金湖监测期间未观察到>60的WQImin值，即没有良好水质的时段。

图4 2018—2019年金银湖WQImin的时空变化Fig.4 Spatio-temporal changes of WQImin inJinyin Lake during 2018-2019

综上，水质恶化发生在金银湖水系的上游(东银湖、上金湖和墨水湖)。这与图2结果一致，其原因主要是工业和生活污水的点源污染[8]。下游(东大湖、下金湖、下银湖和上银湖)水质较好，可能是由于水转移及引水线路(湖北省一江三河水系连通工程引水线路)促进了湖泊的水循环，改变了湖泊的水动力，增加了水体扰动[23]。

图4(b)为金银湖水域各监测日期的WQImin值。金银湖水质时间格局分为以下3段：2019年1月水质整体处于良好水平，且具有最大WQImin平均值(61.68)。其余月份水质状况被归类为差或中等。除2019年1月，2018年8月—2019年3月期间WQImin平均值在47.17～52.70，水质被归类为中等，将其判别为低污染时期；而2019年4月—2019年10月WQImin平均值在24.41～35.95，水质被归类为差，并将其判别为污染时期。两时期水质状况无显著性差异(方差不齐，进行Dunnett T3分析，P<0.05)。低污染时期WQImin值>20，且最大值均>60，表明河流的水质处于中等或更好。污染时期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)，表明该时期部分监测水域水质极差。

本文WQImin所选取的关键指标为DO、BOD5、PI和COD。结合图2可得，2019年1月(冬季)水质最佳，原因在于溶解氧是评价湖泊水质的重要指标，在水质指数模型建立中具有较高权重。该月份在评价周期中温度最低，微生物代谢活性降低，耗氧减少，溶解氧浓度升高。这与岳智颖[24]、佟霁坤[25]结论一致。2019年8—9月与2018年同期相比，WQImin平均值分别下降至24.70和23.18。推测原因如下：①外源污染物增加。随着金银湖周边城市化和工业化的飞速发展，人口密度和工业规模随之扩大，这可能会导致外源污染物的增加。②内源污染物释放量增加。水质与城市发展密切相关[26]，城市化进程的加快，可能增加人为扰动造成沉积物释放污染物的风险。

4 结 论

本文通过主成分分析建立了WQImin模型，并对2018年8月—2019年10月金银湖水质的时空特性进行了分析评价，结论如下：

(1)有机物和营养盐是影响金银湖水质的主要污染物，其中有机物占主导。

(2)金银湖水域水质空间分布特征显著，可分为水质较差的污染区域(东银湖、上金湖和墨水湖)，位于金银湖上游；水质中等的低污染区域(东大湖、下金湖、下银湖和上银湖)，位于金银湖下游。这与金银湖水系破碎关系密切，上游易受周边工业及生活污水的点源污染，其面积较小又相对闭塞，导致自净能力降低，污染物累积；下游相对较大的湖面积和较好的水循环，使污染物可以较好地扩散降解。

(3)金银湖水质时间格局分为3段：2019年1月具有最佳的水质状况；除2019年1月，2018年8月—2019年3月被归类为水质中等的低污染时期；2019年4月—2019年10月被归类为水质较差的污染时期。2019年8—9月与2018年同期相比水质下降，其原因可能是城市化和工业化进程加快导致的外源污染物增加，以及沉积物释放的内源污染物增加。