楊 列,閆霄珂,劉艷麗,朱 靜 ,吳 麗,張祖麟

(1.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)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(cè)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(jìn)程的加快， 人類活動(dòng)、 工業(yè)廢水及未分流的雨污廢水徑流排放， 都會(huì)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(dǎo)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(guò)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(jīng)府河匯入長(zhǎng)江[5-6]， 因此, 其生態(tài)環(huán)境狀況易影響下游府河及長(zhǎng)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(shí)， 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(duì)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(zhì)整體處于Ⅳ-Ⅴ類， 除金銀湖水系的上銀湖2017—2019年水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類功能類別， 其余均未達(dá)到功能水域類別。 目前金銀湖水質(zhì)評(píng)價(jià)報(bào)告較少， 因此對(duì)金銀湖水質(zhì)時(shí)空特性的分析， 對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)大型湖泊的水體評(píng)價(jià)具有重要的參考意義。

水質(zhì)指數(shù)法(WQI)已被廣泛用于分析湖泊和河流的水質(zhì)狀況和水質(zhì)趨勢(shì)。 不同于比較各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果， WQI將多個(gè)物理、 化學(xué)和生物指標(biāo)組合轉(zhuǎn)換為反映水質(zhì)狀況的單個(gè)數(shù)值， 從而提供評(píng)價(jià)水體整體質(zhì)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(guān)鍵指標(biāo)的WQImin方法有助于水管理人員以最低成本獲得有關(guān)當(dāng)?shù)厮w質(zhì)量的重要信息[7]。 Zeinalzadeh等[10]將主成分分析(PCA)與WQImin模型結(jié)合， 有效識(shí)別了伊朗烏魯米耶湖流域沙赫柴河的水質(zhì)時(shí)空特性。 Sun等[11]通過(guò)主成分建立WQImin模型， 表明改良的WQI更能反映水質(zhì)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(guān)鍵指標(biāo)計(jì)算WQImin， 在評(píng)估鱒魚(yú)養(yǎng)殖場(chǎng)廢水對(duì)溪流水質(zhì)的影響方面效果顯著。 關(guān)鍵指標(biāo)的選取與確定， 對(duì)水質(zhì)分析結(jié)果至關(guān)重要。 本文擬采用PCA識(shí)別金銀湖水質(zhì)演變的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子， 繼而建立WQImin模型， 可以在保證精度和準(zhǔn)確性的前提下簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)過(guò)程， 確定金銀湖水域水質(zhì)狀況， 揭示水質(zhì)空間差異及影響因素， 以期為金銀湖水域的水質(zhì)管理及環(huán)境修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)， 并為其他城市湖泊水質(zhì)評(píng)價(jià)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(guó)家城市濕地公園。金銀湖水系分布較復(fù)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(cè)點(diǎn)位與風(fēng)險(xiǎn)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(diào)蓄、生態(tài)與景觀娛樂(lè)。金銀湖2013—2019年水質(zhì)狀況如表1所示。

圖1 金銀湖地形及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與風(fēng)險(xiǎn)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(zhì)狀況Table 1 Current water quality in seven water systemsof Jinyin Lake from 2013 to 2019

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于武漢生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心。金銀湖水系內(nèi)共設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(見(jiàn)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(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，東大湖設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，取其平均值。2018年8月—2019年10月期間以月為周期(無(wú)2018年10月、12月和2019年2月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中10項(xiàng)基本項(xiàng)目為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而判別金銀湖水質(zhì)狀況。10項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(shù)(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(cè)數(shù)據(jù)中重金屬砷、汞、鉛、鎘、六價(jià)鉻的指標(biāo)均符合Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而砷易于在食物鏈中轉(zhuǎn)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(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.3 研究方法

2.3.1 主成分分析

PCA法將多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)，同時(shí)反映原始指標(biāo)提供的大部分信息，從而簡(jiǎn)化水質(zhì)評(píng)價(jià)過(guò)程[13]。PCA分析原始變量前，應(yīng)確定KMO和Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果顯著(P<0.05),即各變量有明顯相關(guān)性[14]。本文利用SPSS 22對(duì)10項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行降維處理。

2.3.2 基于關(guān)鍵指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)模型

相比水質(zhì)指數(shù)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(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)，可減少水質(zhì)指標(biāo)的冗余信息和測(cè)量成本[9, 11]。本研究采用包含指標(biāo)權(quán)重的WQImin模型，模型計(jì)算如式(1)[9]所示。

(1)

式中：n為水質(zhì)指標(biāo)的總數(shù)；Ci為第i個(gè)指標(biāo)的歸一化值，計(jì)算方法如式(2)所示；Pi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，Pi采用Kocer 等[12]、Pesce 等[15]和Sun等[11]研究結(jié)果，列于表2。

表2 基于GB 3838—2002標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算WQImin所用水質(zhì)指標(biāo)的歸一化值和權(quán)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(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；Si,k和Si,k+n為第i個(gè)指標(biāo)的k級(jí)和k+n級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度；N為標(biāo)準(zhǔn)值相同的個(gè)數(shù)(當(dāng)無(wú)相同時(shí)，N=1)；Ii,k為第i個(gè)指標(biāo)的k級(jí)指數(shù)值。WQImin分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 WQImin分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grading standard of WQImin

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)特征時(shí)空變化

金銀湖水域各水質(zhì)指標(biāo)時(shí)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(biāo)為DO、COD、BOD5和PI，其中COD、BOD5和PI是評(píng)估水質(zhì)有機(jī)污染的重要指標(biāo)，它們的最大污染濃度分別是V類標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生含大量碳水化合物、蛋白質(zhì)、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(chǎn)生的工業(yè)廢水有機(jī)成分復(fù)雜，二者可能是導(dǎo)致湖泊水體有機(jī)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(dòng)的影響。溫度的升高與微生物代謝活動(dòng)的加強(qiáng)均易造成溶解氧匱乏[16-17]，最低濃度僅為Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的80%。

圖2 金銀湖水域各水質(zhì)指標(biāo)時(shí)空特征分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of water quality indexes in Jinyin Lake

由空間尺度結(jié)果可得，金銀湖中的上金湖、墨水湖和東銀湖污染相對(duì)嚴(yán)重。根據(jù)水文地勢(shì)和周邊環(huán)境推測(cè)原因如下：

(1)金銀湖地區(qū)地勢(shì)南高北低[6]，故其南部周邊工業(yè)企業(yè)(見(jiàn)圖1)產(chǎn)排污易對(duì)湖泊水質(zhì)造成影響。

(2)金銀湖屬于半封閉城市湖泊，水系分布復(fù)雜，且各水域存在物理阻隔，水循環(huán)周期長(zhǎng)；而東銀湖、上金湖、墨水湖位處金銀湖南端，面積較小，相對(duì)閉塞且流動(dòng)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(duì)密集，除受納商業(yè)和餐飲業(yè)產(chǎn)生的生活污水外，還可能承接周邊約2 km內(nèi)航修、幕墻、家電制造、制藥、煙草等個(gè)體及工業(yè)園的工業(yè)廢水。

因此在10個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中，除砷(低于Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn))、陰離子表面活性劑(低于Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn))和糞大腸菌群(低于Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn))以外，其余指標(biāo)均超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè)廢水中復(fù)雜的有機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，表明上金湖周邊家電制造及電子器件企業(yè)可能未對(duì)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??；但人口密集造成糞大腸菌群超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的7.75倍。東湖承接2 km內(nèi)3所高校校區(qū)產(chǎn)生的生活污水，故NH3-N、TN、TP及陰離子表面活性劑污染相對(duì)嚴(yán)重，最大污染濃度分別是Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)土地，因此水土流失和農(nóng)藥化肥[18]也可能是其營(yíng)養(yǎng)鹽污染較重的潛在原因。

時(shí)間尺度上，金銀湖2019年1月水質(zhì)相對(duì)優(yōu)于其他監(jiān)測(cè)時(shí)段。相比2019年3—10月，有機(jī)指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)限值。

營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)TN、TP和NH3-N在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期中具有不同程度的污染(超出V類標(biāo)準(zhǔn)限值)。糞大腸菌群在春季(3—5月份)污染相對(duì)嚴(yán)重。陰離子表面活性劑在3月份和8月份出現(xiàn)污染，其最大濃度分別是Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)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(guò)高，可能與該月份生活或工業(yè)用水量增大導(dǎo)致外源污染輸出增多，或外力擾動(dòng)導(dǎo)致沉積物釋放的污染物濃度增大有關(guān)。

3.2 基于PCA的指標(biāo)篩選

本文對(duì)2018年8月—2019年10月金銀湖7個(gè)水系的10項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO-Bartlett檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。其中KMO值>0.7，樣本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合理；Bartlett球形檢驗(yàn)顯著概率遠(yuǎn)<0.05，各指標(biāo)有明顯相關(guān)性，滿足主成分分析要求?；谔卣髦?1的原則，本文提取出3個(gè)主成分，如表5所示，累計(jì)貢獻(xiàn)率為73.463%。

表4 KMO和Bartlett檢驗(yàn)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(zhuǎn)因子載荷>0.45的指標(biāo)解釋主成分[19]，并繪制圖3。主成分旋轉(zhuǎn)因子載荷的強(qiáng)、中和弱載荷分別對(duì)應(yīng)0.75～1.00、0.50～0.75和0.30～0.50的絕對(duì)載荷值[20]。第1主成分方差貢獻(xiàn)率約為44.20%，主要包括強(qiáng)載荷BOD5、PI、COD和DO。DO與第1主成分呈負(fù)相關(guān)，其余呈正相關(guān)。表明第1主成分污染物主要為有機(jī)物，可能來(lái)源于生活污水或工業(yè)廢水[21]。第2主成分方差貢獻(xiàn)率約為17.13%，主要包括強(qiáng)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(guān)，表明污染物主要為營(yíng)養(yǎng)鹽。其中糞大腸桿菌來(lái)源于生活污水。第3主成分方差貢獻(xiàn)率約為12.13%，主要包括強(qiáng)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(diǎn)源排放有關(guān)，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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[22]?？紤]第1主成分貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于其他主成分，因此金銀湖污染物中有機(jī)物占主導(dǎo)，營(yíng)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(píng)價(jià)指標(biāo)。

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

3.3 基于WQImin模型的水質(zhì)評(píng)價(jià)

監(jiān)測(cè)期間各監(jiān)測(cè)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(zhì)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(zhì)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(nèi)無(wú)顯著差異(通過(guò)方差齊性檢驗(yàn)，進(jìn)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(gè)水系監(jiān)測(cè)期間WQImin最小均值>20，且最大值均>60，表明河流的水質(zhì)處于中等或更好。東銀湖、上金湖和墨水湖監(jiān)測(cè)期間分別有41.67%、33.33%和33.33%的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明其水域質(zhì)量較差。東銀湖、上金湖監(jiān)測(cè)期間未觀察到>60的WQImin值，即沒(méi)有良好水質(zhì)的時(shí)段。

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

綜上，水質(zhì)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(jié)果一致，其原因主要是工業(yè)和生活污水的點(diǎn)源污染[8]。下游(東大湖、下金湖、下銀湖和上銀湖)水質(zhì)較好，可能是由于水轉(zhuǎn)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(jìn)了湖泊的水循環(huán)，改變了湖泊的水動(dòng)力，增加了水體擾動(dòng)[23]。

圖4(b)為金銀湖水域各監(jiān)測(cè)日期的WQImin值。金銀湖水質(zhì)時(shí)間格局分為以下3段：2019年1月水質(zhì)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(zhì)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(zhì)被歸類為中等，將其判別為低污染時(shí)期；而2019年4月—2019年10月WQImin平均值在24.41～35.95，水質(zhì)被歸類為差，并將其判別為污染時(shí)期。兩時(shí)期水質(zhì)狀況無(wú)顯著性差異(方差不齊，進(jìn)行Dunnett T3分析，P<0.05)。低污染時(shí)期WQImin值>20，且最大值均>60，表明河流的水質(zhì)處于中等或更好。污染時(shí)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(shí)期部分監(jiān)測(cè)水域水質(zhì)極差。

本文WQImin所選取的關(guān)鍵指標(biāo)為DO、BOD5、PI和COD。結(jié)合圖2可得，2019年1月(冬季)水質(zhì)最佳，原因在于溶解氧是評(píng)價(jià)湖泊水質(zhì)的重要指標(biāo)，在水質(zhì)指數(shù)模型建立中具有較高權(quán)重。該月份在評(píng)價(jià)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(jié)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(cè)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?dāng)U大，這可能會(huì)導(dǎo)致外源污染物的增加。②內(nèi)源污染物釋放量增加。水質(zhì)與城市發(fā)展密切相關(guān)[26]，城市化進(jìn)程的加快，可能增加人為擾動(dòng)造成沉積物釋放污染物的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)主成分分析建立了WQImin模型，并對(duì)2018年8月—2019年10月金銀湖水質(zhì)的時(shí)空特性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，結(jié)論如下：

(1)有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽是影響金銀湖水質(zhì)的主要污染物，其中有機(jī)物占主導(dǎo)。

(2)金銀湖水域水質(zhì)空間分布特征顯著，可分為水質(zhì)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(zhì)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(guān)系密切，上游易受周邊工業(yè)及生活污水的點(diǎn)源污染，其面積較小又相對(duì)閉塞，導(dǎo)致自凈能力降低，污染物累積；下游相對(duì)較大的湖面積和較好的水循環(huán)，使污染物可以較好地?cái)U(kuò)散降解。

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