雷興碧,馮玉雪,趙紅雪,邱小琮,吳岳玲,郭 琦
(1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,銀川 750021;2.寧夏農(nóng)村能源工作站,銀川 750002;3.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,銀川 750021)
水質(zhì)評(píng)價(jià)是合理利用和保護(hù)水資源的一項(xiàng)基本工作,是水環(huán)境管理與決策的依據(jù)。水質(zhì)指數(shù)是綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)中應(yīng)用較為廣泛的工具,最早由horton提出并應(yīng)用于流域水環(huán)境管理中,其在擬定的評(píng)分尺度、水環(huán)境因子權(quán)重下,通過(guò)線性聚合函數(shù)完成了綜合水質(zhì)評(píng)估;Brown、Prati等相繼提出類似的水質(zhì)指數(shù)法[1]。國(guó)外常用的水質(zhì)指數(shù)有美國(guó)國(guó)家基金會(huì)水質(zhì)指數(shù)(NSFWQI)[2]、加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI)[3]、俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)[4]、通用水質(zhì)指數(shù)(UWQI)[5]等。目前,我國(guó)水質(zhì)指數(shù)的理論及應(yīng)用研究中,潘犖等[6]利用常用水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對(duì)沱江水系進(jìn)行評(píng)估,表明CCMEWQI能夠很好地平抑極端指標(biāo)的影響;張慧芳等[7]基于水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)估拉薩河水環(huán)境狀態(tài)及其變化趨勢(shì),結(jié)果顯示拉薩河水環(huán)境狀態(tài)總體良好并基本滿足其水功能區(qū)要求;趙爽等[8]利用水質(zhì)指數(shù)法研究鄱陽(yáng)湖水質(zhì)演變趨勢(shì),結(jié)果顯示鄱陽(yáng)湖水質(zhì)總體接近中等閾值,水質(zhì)演變應(yīng)分階段討論;劉玲花等[9]對(duì)國(guó)外地表水水質(zhì)指數(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究,認(rèn)為加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)指數(shù)法值得作為我國(guó)水源地水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)方法的參考;程衛(wèi)國(guó)[10]進(jìn)行了不同賦權(quán)方法的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)對(duì)比分析,認(rèn)為傳統(tǒng)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)缺乏對(duì)各指標(biāo)權(quán)重的考慮。水質(zhì)指數(shù)在綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)中應(yīng)用的模型可靠性已得到驗(yàn)證,但國(guó)內(nèi)外綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)水質(zhì)的角度及結(jié)果的表達(dá)形式存在差異。
沙湖位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山境內(nèi),為銀川平原北部灌區(qū)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(hù)區(qū)核心組成部分,其地表水補(bǔ)水水源主要由黃河、大氣降水及偶發(fā)性山洪水構(gòu)成,地下水主要補(bǔ)水水源為引黃渠系滲漏及灌溉入滲,水功能定位于地方級(jí)自然保護(hù)區(qū)、漁業(yè)用水區(qū)、景觀及娛樂(lè)用水區(qū)[11]。隨著沙湖旅游資源的不斷開發(fā),沙湖生態(tài)系統(tǒng)破壞,水環(huán)境狀態(tài)嚴(yán)峻[12]。為探索不同類型的水質(zhì)綜合指數(shù)在沙湖水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用及其相關(guān)關(guān)系,本文采用3種水質(zhì)指數(shù)對(duì)沙湖進(jìn)行綜合水質(zhì)評(píng)價(jià),以期為綜合水質(zhì)指數(shù)的應(yīng)用及沙湖水環(huán)境治理提供參考與依據(jù)。
1.1.1 采樣點(diǎn)布置
沙湖形態(tài)在平面上呈不規(guī)則狀,污染源分布不均勻,同時(shí)其水深變化幅度較小。根據(jù)沙湖以上特性,同時(shí)綜合考慮其水力特征、機(jī)動(dòng)船只路線及利用現(xiàn)狀等,共設(shè)置3個(gè)采樣檢測(cè)點(diǎn),分別位于S01,S02,S03,具體位置見圖1。
1.1.2 采樣時(shí)間
基于寧夏銀川平原不同時(shí)期區(qū)域溫度、區(qū)域降雨量等環(huán)境因素年度內(nèi)的變化規(guī)律[13],結(jié)合周邊農(nóng)業(yè)及沙湖旅游活動(dòng)特征,分別于2010-2017年4、7、10月對(duì)沙湖進(jìn)行水樣采集。
根據(jù)羅燕殊[14]的研究,沙湖水質(zhì)相對(duì)貢獻(xiàn)率最大的因子為高錳酸鹽指數(shù)(IMn),其次為五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP);結(jié)合當(dāng)前湖泊水質(zhì)評(píng)價(jià)中水質(zhì)指標(biāo)的選取情況[6-9],選取高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮(NH3-N)、總磷、總氮(TN)為沙湖代表性水質(zhì)指標(biāo)。水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定依據(jù)最新版國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
由于水質(zhì)指標(biāo)的選取情況、水質(zhì)模型的選擇及區(qū)域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的差異皆會(huì)對(duì)綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生影響,因此,綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)具備區(qū)域性。鑒于我國(guó)現(xiàn)行湖泊水質(zhì)評(píng)價(jià)以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),同時(shí),沙湖綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)為BOD5、IMn、TN、TP及NH3-N,選用的水質(zhì)指數(shù)模型應(yīng)具備參評(píng)指標(biāo)類型、參評(píng)指標(biāo)數(shù)量、水質(zhì)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)可根據(jù)區(qū)域差異進(jìn)行調(diào)整的特征。鑒于以上考慮,選用加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù)、通用水質(zhì)指數(shù)為國(guó)外典型綜合水質(zhì)指數(shù)模型代表,以水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法為國(guó)內(nèi)典型水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)方法。
1.3.1 水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法
水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法是以單因子水質(zhì)指數(shù)為基礎(chǔ),通過(guò)代數(shù)運(yùn)算進(jìn)行水質(zhì)連續(xù)性刻畫的評(píng)價(jià)方法,其基本公式[15]是:
(1)
式中:WQII為綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)得分;Xi,1,Xi,2為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的單因子水質(zhì)指數(shù);ρi為第i項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度,mg/L;ρi,k+、ρi,k-分別為ρi所處水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的上下限值,mg/L;k=1,2,…,5,對(duì)應(yīng)Ⅰ~Ⅴ類水質(zhì); 為參與評(píng)價(jià)的污染物指標(biāo)的數(shù)目;水質(zhì)類別評(píng)價(jià)參考胡成[16]等研究成果確定,具體見表1。
表1 水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Water Quality Identification Index categorisation scheme
1.3.2CCMEWQI法
CCMEWQI是基于水質(zhì)目標(biāo)控制的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法,其綜合了水質(zhì)超標(biāo)指標(biāo)數(shù)量百分比、超標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)量百分比和監(jiān)測(cè)值超標(biāo)幅度3方面信息,基本公式[17]是:
(2)
(3)
式中:CCMEWQI為加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù);F1超標(biāo)指標(biāo)百分比(代表范圍);N達(dá)為達(dá)標(biāo)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)量;N為總監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)量;F2達(dá)標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)量百分比(代表頻率),q達(dá)為超標(biāo)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);Kn為第n個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù);F3監(jiān)測(cè)值總體超標(biāo)幅度;enk為第n個(gè)水質(zhì)參數(shù)第k次監(jiān)測(cè)的超標(biāo)幅度;xnk表示第n個(gè)水質(zhì)參數(shù)第k次監(jiān)測(cè)值,mg/L;cn表示第n個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的控制目標(biāo)濃度,mg/L;根據(jù)《水質(zhì)較好湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)總體規(guī)劃(2013-2020年)》及沙湖水環(huán)境功能定位,確定沙湖水質(zhì)控制目標(biāo)為地表水Ⅲ類;綜合水質(zhì)類別評(píng)價(jià)閾值根據(jù)楊婷婷[18]研究確定,具體見表2。
表2 水質(zhì)狀況等級(jí)劃分Tab.2 WQI categorization scheme
1.3.3 通用綜合水質(zhì)指數(shù)法
通用綜合水質(zhì)指數(shù)是為簡(jiǎn)化水質(zhì)報(bào)告、減小水質(zhì)信息理解難度而建立的綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)工具,其基本公式[19]是:
(4)
式中:UWQI為水質(zhì)綜合指數(shù);wi為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重;qi為第i個(gè)水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱q值,通過(guò)以q=ax+b形式構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)限值與UWQI閾值間的線性關(guān)系進(jìn)行實(shí)測(cè)值的無(wú)量綱轉(zhuǎn)換,當(dāng)GB 3838-2002中兩個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)限值相同時(shí),按高分區(qū)間進(jìn)行,x為實(shí)測(cè)值,mg/L,詳見表3;為適應(yīng)沙湖綜合水質(zhì)評(píng)價(jià),本文按營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)指標(biāo)及有機(jī)污染物指標(biāo)進(jìn)行分類,參考Tomas等[20]的研究確定權(quán)重,水質(zhì)參數(shù)權(quán)重賦值見表4;水環(huán)境因子狀態(tài)惡于Ⅴ類時(shí),對(duì)應(yīng)無(wú)量綱q取值為0;UWQI水質(zhì)類別評(píng)價(jià)閾值根據(jù)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(gè)自變量與一個(gè)隨機(jī)變量的相關(guān)關(guān)系時(shí)所建立的數(shù)學(xué)模型及所做的統(tǒng)計(jì)分析[21];當(dāng)研究變量間存在顯著相關(guān)關(guān)系時(shí),對(duì)變量間相關(guān)關(guān)系的具體形式進(jìn)行尋求才具備意義。相關(guān)分析及回歸分析以SPSS 25進(jìn)行,其中,相關(guān)性以斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析,回歸分析以曲線估算進(jìn)行,以水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為自變量(x),對(duì)應(yīng)的水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI、UWQI)為因變量(y)?;貧w方程顯著性以F值進(jìn)行檢驗(yàn),方程的方差分析F值的顯著水平P≤0. 05時(shí),回歸分析所建立的模型具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,模型的擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)以決定系數(shù)(R2)進(jìn)行。
表3 不同水質(zhì)狀態(tài)下UWQI模型水質(zhì)指標(biāo)的無(wú)量綱化Tab.3 Dimensionless water quality index of UWQI model under different water quality scheme
表4 水質(zhì)參數(shù)權(quán)重Tab.4 Relative weight for water quality parameters
2.1.1 水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)狀態(tài)
由沙湖水質(zhì)單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)(圖2及圖3)可知:沙湖不同水質(zhì)指標(biāo)的單因子指數(shù)差異大;以水質(zhì)單因子波動(dòng)幅度分析,沙湖總氮、總磷波動(dòng)幅度逐漸擴(kuò)大;氨氮與高錳酸鹽指數(shù)較為穩(wěn)定,其中氨氮整體波動(dòng)區(qū)間為2.0~3.5,高錳酸鹽指數(shù)整體波動(dòng)區(qū)間為4.0~5.0;五日生化需氧量波動(dòng)幅度最大,波動(dòng)范圍為1.0~5.0??偟獑我蜃又笖?shù)明顯呈增大趨勢(shì),2015年后出現(xiàn)突破6.0,對(duì)應(yīng)水質(zhì)類別為劣Ⅴ類,不黑臭。營(yíng)養(yǎng)污染物單因子標(biāo)識(shí)狀態(tài)中,總磷與總氮整體差異不大,但對(duì)應(yīng)單因子水質(zhì)狀態(tài)明顯劣于氨氮;有機(jī)污染物單因子標(biāo)識(shí)狀態(tài)中,高錳酸鹽狀態(tài)明顯劣于五日生化需氧量。
由綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)狀態(tài)結(jié)果(表5)可看出,沙湖綜合水質(zhì)指數(shù)波動(dòng)區(qū)間為3.1~4.7;不同監(jiān)測(cè)月度綜合水質(zhì)類別差異逐漸明顯,2015年后7月及10月綜合水質(zhì)狀態(tài)為Ⅳ類,水質(zhì)狀態(tài)較4月差;不同年度間4月水質(zhì)綜合指數(shù)波動(dòng)范圍為3.1~4.1,7月年度間波動(dòng)范圍為3.5~4.7,10月波動(dòng)范圍為3.3~4.7,綜合水質(zhì)最好狀態(tài)出現(xiàn)在4月,水質(zhì)最差狀態(tài)出現(xiàn)在7月。
表5 沙湖綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)狀態(tài)Tab.5 Water Quality Identification Index statue of Shahu
2.1.2CCMEWQI狀態(tài)
由CCMEWQI水質(zhì)指數(shù)結(jié)果(表6)可得出:取樣監(jiān)測(cè)期間,沙湖CCMEWQI波動(dòng)區(qū)間為27.44~72.07,4月不同年度間波動(dòng)范圍為44.27~59.04,綜合水質(zhì)狀態(tài)等級(jí)為較差;7月年度間波動(dòng)范圍為27.44~57.62,水質(zhì)等級(jí)處于很差及較差狀態(tài);10月不同年度間波動(dòng)范圍為28.63~72.07,對(duì)應(yīng)水質(zhì)狀態(tài)等級(jí)范圍大,包括很差到中等3個(gè)等級(jí)。
表6 沙湖CCMEWQI水質(zhì)指數(shù)狀態(tài)Tab.6 Evaluation results of CCME model in Shahu lake
2.1.3 通用水質(zhì)指數(shù)狀態(tài)
由表7得出:沙湖通用綜合水質(zhì)指數(shù)波動(dòng)區(qū)間為31.53~59.74,4月年度間波動(dòng)范圍為46.95~59.74,7月年度間波動(dòng)范圍為31.53~54.85,10月年度間波動(dòng)范圍為33.83~57.53;綜合水質(zhì)最差狀態(tài)出現(xiàn)在7月,對(duì)應(yīng)綜合水質(zhì)狀態(tài)等級(jí)為很差,綜合水質(zhì)最好狀態(tài)出現(xiàn)在4月,對(duì)應(yīng)綜合水質(zhì)狀況等級(jí)為中等。
表7 UWQI水質(zhì)指數(shù)狀態(tài)Tab.7 Result of UWQI model
2.1.4 不同綜合水質(zhì)指數(shù)狀態(tài)
由圖4及圖5可看出:沙湖綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)整體呈增大趨勢(shì),CCMEWQI與UWQI呈減小趨勢(shì),不同水質(zhì)指數(shù)對(duì)應(yīng)綜合水質(zhì)狀態(tài)皆呈惡化趨勢(shì),但不同水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果及變化幅度存在差異,水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值較小,對(duì)應(yīng)水質(zhì)狀態(tài)為Ⅲ類及劣于Ⅲ類,CCMEWQI與UWQI評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值較大,對(duì)應(yīng)水質(zhì)狀態(tài)長(zhǎng)期處于中等及更差水質(zhì),CCMEWQI與UWQI間相對(duì)大小關(guān)系隨時(shí)間發(fā)生變化。
根據(jù)監(jiān)測(cè)期間沙湖水質(zhì)數(shù)據(jù),對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括測(cè)量次數(shù)、平均值、中位數(shù)、最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)(表8),根據(jù)結(jié)果可得到:不同水質(zhì)指標(biāo)平均值大小排序依次為高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、總氮、氨氮及總磷,以地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià),不同水質(zhì)指標(biāo)平均數(shù)對(duì)應(yīng)水質(zhì)級(jí)別分別為IMn處于Ⅳ類狀態(tài)、BOD5處于Ⅲ類狀態(tài)、TN為Ⅳ類、NH3-N為Ⅱ類及TP為Ⅳ類。以變異系數(shù)為不同水質(zhì)指標(biāo)總體波動(dòng)幅度的評(píng)價(jià)值,監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)波動(dòng)幅度大小排序?yàn)榭偭住⑽迦丈柩趿?、氨氮、總氮、高錳酸鹽指數(shù)。
表8 沙湖水質(zhì)參數(shù)描述統(tǒng)計(jì)Tab.8 Description statistics of water quality parameters of Shahu
不同水環(huán)境因子及水質(zhì)綜合指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)結(jié)果(表9)顯示:沙湖綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)與五日生化需氧量、總磷、總氮呈顯著正相關(guān),對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)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(fù)相關(guān),對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)分別為-0.820、-0.619及-0.409;CCMEWQI與總磷呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.565。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)與CCMEWQI、UWQI皆呈顯著負(fù)相關(guān),但相關(guān)性強(qiáng)弱存在差別,與UWQI相關(guān)關(guān)系更強(qiáng)。
表9 斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.9 Spearman correlation coefficient matrix
不同水質(zhì)指數(shù)與水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)間數(shù)學(xué)模型的擬合優(yōu)度以決定系數(shù)大小進(jìn)行分析,由水質(zhì)指數(shù)間的回歸分析結(jié)果(表10及表11)可得到:沙湖CCMEWQI與水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)間模型擬合優(yōu)度排序?yàn)樵鲩L(zhǎng)、冪函數(shù)、S型、二次、對(duì)數(shù)型、逆型;其中冪函數(shù)及增長(zhǎng)型模型達(dá)到最優(yōu),R2為0.614,逆型模型擬合效果最差,R2為0.556。UWQI與水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)擬合優(yōu)度排序?yàn)槎?、線性、對(duì)數(shù)型、復(fù)合、逆型、冪函數(shù)、S型,其中復(fù)合模型擬合效果最優(yōu),R2為0.970,S型模型擬合效果最差,R2為0.860。
表10 CCMEWQI與水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)間數(shù)學(xué)模型及統(tǒng)計(jì)指標(biāo)Tab.10 Mathematical models between CCMEWQI and WQII and statistical index
表11 UWQI 與水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)間數(shù)學(xué)模型及統(tǒng)計(jì)指標(biāo)Tab.11 Mathematical models between UWQI and WQII and statistical index
不同來(lái)水期由于補(bǔ)水量、溫度都存在明顯差異,會(huì)使水環(huán)境因子差異大[22];水溫的變化影響著水體物理化學(xué)和生物的活動(dòng),從而影響水體上下水層的交換、營(yíng)養(yǎng)物的生化循環(huán)和分布[23],同時(shí)也強(qiáng)烈地影響湖泊沉積物─水交換界面水環(huán)境因子的釋放量[24];補(bǔ)水對(duì)于水環(huán)境因子的影響與補(bǔ)水水質(zhì)狀態(tài)及補(bǔ)水水量相關(guān)。沙湖7月、10月水溫高,補(bǔ)水量較4月多,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及有機(jī)質(zhì)輸入總量大,物質(zhì)循環(huán)快,出現(xiàn)7月及10月綜合水質(zhì)狀態(tài)較4月差狀況;沙湖不同時(shí)期綜合水質(zhì)狀態(tài)有較大差異,綜合水質(zhì)最差狀態(tài)集中在10月及7月,與補(bǔ)水及水溫變化趨勢(shì)一致。
不同水質(zhì)指數(shù)對(duì)于綜合水質(zhì)的評(píng)價(jià)角度及包含的水質(zhì)信息存在差異,水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)是依據(jù)水環(huán)境因子對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)及區(qū)間范圍,將水環(huán)境因子狀態(tài)以其所處的水質(zhì)等級(jí)及對(duì)應(yīng)水質(zhì)等級(jí)中的位置進(jìn)行水質(zhì)狀態(tài)信息的表達(dá)。CCMEWQI著重水環(huán)境因子超標(biāo)信息的表達(dá)[9],對(duì)于水體綜合水質(zhì)狀態(tài)信息的表達(dá)止步于水質(zhì)控制目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的水質(zhì)狀態(tài),即該方法不能表達(dá)水質(zhì)狀態(tài)達(dá)標(biāo)后的水體水質(zhì)變化趨勢(shì)及狀態(tài)。UWQI將水環(huán)境因子的重要性納入綜合水質(zhì)指數(shù)中,使不同水環(huán)境因子對(duì)于綜合水質(zhì)狀態(tài)的影響產(chǎn)生差異。以上原因造成了沙湖以不同方法的綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異。
沙湖綜合水質(zhì)長(zhǎng)期處于較差狀態(tài),水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)長(zhǎng)期大于3,對(duì)應(yīng)綜合水質(zhì)長(zhǎng)期處于Ⅲ類及以下。結(jié)合單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)結(jié)果來(lái)看,沙湖綜合水質(zhì)長(zhǎng)期較差的原因?yàn)樯澈偟⒖偭诐舛乳L(zhǎng)期處于Ⅳ類、Ⅴ類及劣Ⅴ狀態(tài),低于沙湖水功能定位對(duì)應(yīng)水質(zhì)要求,使得沙湖綜合水質(zhì)狀態(tài)長(zhǎng)期較差。造成該現(xiàn)象的原因可能為沙湖系銀川平原北部灌區(qū)水系,大量富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的灌溉渠系滲漏及灌溉入滲補(bǔ)給入湖內(nèi),同時(shí)內(nèi)源氮磷含量長(zhǎng)期較高,可能會(huì)使湖泊生態(tài)遭受一定破壞,進(jìn)一步導(dǎo)致沙湖綜合水質(zhì)狀態(tài)較差。
水環(huán)境因子間通常存在某種關(guān)系[25],基于綜合水質(zhì)指數(shù)與環(huán)境因子的回歸分析,單一水環(huán)境因子與綜合水質(zhì)狀態(tài)間可建立可靠的數(shù)學(xué)模型[26],綜合水質(zhì)指數(shù)中水環(huán)境因子的替代研究也表明可從評(píng)價(jià)指標(biāo)等角度降低水質(zhì)評(píng)價(jià)的難度[27]。研究沙湖不同水質(zhì)指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系及轉(zhuǎn)換模型,可降低其綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)的難度與成本。
沙湖氮、磷及有機(jī)污染物指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系弱,水環(huán)境因子間不存在明顯相關(guān)關(guān)系,可能原因是沙湖不同時(shí)期補(bǔ)水及污染源存在差異,4月補(bǔ)水水量少,地下水作為補(bǔ)水水源之一,影響增大,內(nèi)源污染占比會(huì)相應(yīng)提高;7月由于水溫高,補(bǔ)水量大,可能會(huì)導(dǎo)致湖中污染物不斷濃縮,同時(shí)由于季節(jié)等原因,7月旅游人數(shù)會(huì)增加,進(jìn)而導(dǎo)致生活污染增加。
水質(zhì)信息的表達(dá)不僅需要考慮水環(huán)境管理的參與者,同時(shí)需要考慮普通公眾[28];我國(guó)水質(zhì)評(píng)價(jià)多以Ⅰ類到劣Ⅴ類的等級(jí)制進(jìn)行,百分制水質(zhì)評(píng)價(jià)可降低水質(zhì)信息傳遞的成本;探索不同綜合指數(shù)間的轉(zhuǎn)換模型,可使綜合水質(zhì)信息以不同形式進(jìn)行表達(dá)。沙湖水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)與UWQI相關(guān)性高,可通過(guò)二次模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換,與CCME相關(guān)性較弱,構(gòu)建直接轉(zhuǎn)換模型效果欠佳,產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是CCMEWQI拋棄水質(zhì)達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)后的水質(zhì)信息,直接以極好(100分)進(jìn)行信息表達(dá),使得水質(zhì)刻畫連續(xù)性弱,水質(zhì)控制目標(biāo)越低,水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法與CCMEWQI對(duì)于水質(zhì)達(dá)標(biāo)后的水質(zhì)信息刻畫差異越大。
本文以寧夏沙湖為例,基于水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù)法、通用水質(zhì)指數(shù)法分析了沙湖2010- 2017年4月、7月、10月綜合水質(zhì)狀態(tài),并對(duì)不同綜合水質(zhì)指數(shù)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析及回歸分析,得到如下結(jié)論。
(1)沙湖綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)區(qū)間為3.1~4.7,CCMEWQI區(qū)間為27.44~72.07,通用水質(zhì)指數(shù)區(qū)間為31.53~51.74,水質(zhì)狀態(tài)整體處于較差等級(jí),且綜合水質(zhì)呈惡化趨勢(shì);內(nèi)源氮磷含量長(zhǎng)期較高,可給沙湖生態(tài)帶來(lái)進(jìn)一步威脅,水環(huán)境治理刻不容緩。
(2)年內(nèi)沙湖綜合水環(huán)境狀態(tài)變化明顯,整體上7及10月綜合水質(zhì)較差,4月較好,與周邊農(nóng)業(yè)活動(dòng)、補(bǔ)水水量變化、氣溫以及旅游人數(shù)的年內(nèi)變化趨勢(shì)都關(guān)聯(lián),表明沙湖水環(huán)境治理需要從多方面采相應(yīng)措施:控制補(bǔ)水水質(zhì),減少農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入湖體,同時(shí)應(yīng)控制沙湖旅游活動(dòng)所帶來(lái)的相應(yīng)污染。
(3)沙湖CCMEWQI及UWQI評(píng)價(jià)結(jié)果皆與綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)顯著相關(guān);CCMEWQI與綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)在復(fù)合及增長(zhǎng)模型下擬合優(yōu)度達(dá)到最優(yōu)(R2=0.614),UWQI與綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)在二次模型下擬合優(yōu)度達(dá)到最優(yōu)(R2=0.970),通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)不同形式水質(zhì)指數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)需考慮水質(zhì)指數(shù)模型特征及研究對(duì)象的水環(huán)境特性,沙湖綜合水質(zhì)狀態(tài)評(píng)估中UWQI與綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)以二次模型(y=-5.988x2+29.955x+23.925)擬合效果較好。
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