利用中国太湖流域水质指标评价河流水质

摘要：太湖流域是我国最发达的地区之一，由于其严重的污染引起了相当大的关注。我们的研究为太湖流域的水质提供了清晰的认识，基于流域水质监测和水质指数（WQI）方法。从2014年9月到2016年1月，共进行了4个季节的4次采样，并在主要河流中进行了96个地点的试验。15个水质指标包括水温、PH、溶解氧（DO）、电导率、浊度（图）、高锰酸盐指数（CODMn）、总氮、总磷、氨氮（NH4-N）、亚硝酸盐、硝酸盐（NO3-N）、钙、镁以及用氯化物和硫酸盐测定WQI。在我们研究期间，WQI的平均值是59.33.因此，水质一般被认为是“温和”的。在六个河流系统中检测到WQI值有显著差异，其中在Tiaoxi和Nanhe的系统中水质较好。水质呈现出明显的季节变化，WQI的最高值在秋天，其次是春天和夏天，最低值出现在冬天。WQI最小值 (WQImin)是基于逐步线性回归分析，由5个参数组成:NH4-N、CODMn、NO3-N、DO和tur。该模型表现出太湖流域水质的优良表现，特别是在充分考虑权重的情况下。我们的研究成果有利于水质管理，可用于太湖流域快速、低成本的水质评价。此外，我们建议在使用WQImin方法时，应充分考虑环境参数的权重。

关键词：水质评价 水质指数 WQImin 河 太湖流域 长江三角洲

1. 介绍

适当数量的优质水资源为经济发展和生态完整性提供了先决条件。许多压力影响水质，如自然过程（风化、降水、土壤侵蚀等），人为活动（农业、城市、工业活动等）和增加水资源的利用(Carpenter et al., 1998; Singh et al., 2005; Toddet al., 2012)。由于上述多方面的影响，水质恶化已成为世界性的严重问题。淡水资源可能在未来会变得稀缺，这将威胁到水资源的使用，尤其是饮用水和经济发展(Cheng et al., 2009; Vorosmarty et al., 2010)。根据世界卫生组织(WHO, 2008)的一项研究，全世界约有11亿人无法获得可靠的饮用水来源。河流为国内、工业和灌溉用水提供主要的水资源;然而，由于它们在运输城市和工业污染以及农业用地径流方面的重要作用，它们很容易受到污染(Singh et al., 2005)。由于它们在生态和人类健康和经济发展方面的关键作用，必须预防和控制河流水质的不断下降。因此，必须收集有关水质变化的可靠信息，以便进行有效的管理;这已经在许多国家和地区进行(Astel et al., 2006; Behmel et al.,2016; Romero et al., 2016)。利用水化学监测方法，在足够的空间尺度上分析河流中高度不均质的水质变化(Qadir et al., 2008; Singh et al.,2005)。此外，水质评价对污染控制和资源管理具有重要意义。具体来说，水质的状况和趋势可以通过评价来确定，水质评价对于确定主要的空间和时间变化的主要因素是至关重要的，这对水资源的管理是有利的。此外，根据评估的信息，公众更有可能采取保护措施来改善水体的状况。

水质指数法已广泛应用于地下水和地表水体的水质评价，特别是河流水质评价，在水资源管理中发挥着越来越重要的作用(Debels et al., 2005; Lumb et al., 2011; Mohebbi et al., 2013; Sutadian et al., 2016)。采用WQI方法和地理信息系统相结合的方法，Sener et al. (2017) 评估了土耳其阿克苏河水质的空间变化。与传统的水质评价方法相比，WQI方法将多个环境参数结合起来，有效地将其转化为一个反映水质状况的单一值。因此，WQI不是比较各种参数的不同评价结果，而是一种有效的水质评价和管理方法，提供了综合质量的综合信息。

WQI最小值(WQImin)在基于影响水质的关键环境参数的简化中具有重要的意义。WQImin的结果与WQI的结果呈高度线性相关(Akkoyunlu and Akiner, 2012; Sanchez et al., 2007)，表明WQImin方法在使用有限参数的情况下对WQI的快速测定具有强大的作用。在使用有限的参数时，WQImin特别有利于降低测量大量环境参数的分析成本，特别是在发展中国家。一般情况下，选择的WQImin计算参数应具有其他环境参数的代表性，且必须易于测量。(Pesce and Wunderlin, 2000)。在此背景下，WQI计算所用的关键参数各不相同，主要用于水体的特性。例如，在Las Rozas的流域内，利用溶解氧不足的方法快速测定WQI。Madrid (Spain) (Sanchez et al.,2007)。Simoes等人(2008)提出了基于浊度、总磷和溶解氧(DO)的WQImin方法，用于评价巴西Sao Paulo州Medio Paranapanema流域的退化。WQImin的另一个版本是由Sun等人.(2016)开发的，基于pH、温度、总悬浮固体、铵和硝酸盐来评价中国东江水质的时空变化。WQImin基于三个参数的平均值(浊度，DO，或电导率或溶解固体)的平均值，最初由Pesce and Wunderlin(2000)提出。Simoes等人(2008)也采用了同样的计算方法。在后来的发展中，Kocer和Sevgili(2014)将WQImin的计算定义为与WQI类似，而权重则被部分考虑。对WQImin计算中权重的使用也在最近的研究中得到了部分考虑(Avigliano和Schenone, 2016;Naveedullah et al .,2016)。相比之下，WQI和WQImin计算的一致性在有限的研究中得到了观察(如Zhao et al.， 2013)。因此，WQImin的性能和不考虑环境参数的权重需要进一步的评价。太湖流域是中国最发达的地区之一，由于其经济作用和农业、城市和工业活动造成的严重污染，已引起了相当多的关注。值得一提的是，中国第三大淡水湖太湖位于流域中心，经历了许多生态问题，特别是富营养化和蓝藻华(Chen et al.，2003;Paerl et al .,2011;Qin et al .,2007)。此外，河流，特别是流入的河流，对湖泊水质有重要影响。太湖流域污染控制和自然资源管理是地方政府面临的重大挑战。作为一个国家关注的问题，这一流域的许多研究都集中在物理、化学(例如，总氮、总磷、重金属等)和生物(如浮游植物、底栖大无脊椎动物等)的参数，以及土地利用的影响(Bian et al., 2016; Huang and Gao, 2017; Mu et al., 2015; Wu et al., 2011; Wu et al., 2016)。此外，对太湖流域水质的空间变化进行了研究。例如，Li et al.(2013)通过支持向量机分类模型对Tiaoxi河的地表水水质进行了评估，但是，这些模型无法分析整个流域的水质特征。Wu et al.(2011)和Huang et al.(2015)以底栖大无脊椎动物为基础，利用不同的指标对太湖流域生态环境进行了评价;然而，这些评估的准确性依赖于专业人员的宏观无脊椎知识，而它们是耗时的。此外，当应用单一因子或不同的生物指标时，评价结果也会有所不同(Li et al., 2013;Wu et al., 2011)。在此基础上，对整个流域进行了研究，并提出了一种较为适宜的水质评价方法。在本研究中，采用了WQI方法对太湖流域河流水质及其空间变化进行了评价。我们的研究基于15个参数的数据集，在96个采样点上测量了整个盆地的4次。本研究的主要目标是(1)确定整个流域的水质状况及其空间变化(2)探讨WQImin方法发展的关键参数，以进行简单和成本效益的水质评价。我们预计WQImin的性能将在充分考虑参数权重的情况下得到改善。

1. 材料和方法

2.1研究区域

太湖流域(30°7′19 ' -32°14′56 N,119°3′E“-121°54′26”)位于长江下游(图1)，其流域面积为 36895平方公里。该流域覆盖了江苏、浙江和上海市等地的部分地区，是高度发达和人口密集的地区。人口和人口密度分别为5920万和每平方公里1600人。太湖流域占全国人口的4.4%，2012年占中国国内生产总值(GDP)的10.4%(5418.8亿元) (Lake Taihu Basin Authority, 2012)。

太湖流域的河流总长度约为12万公里。200条河流分布在整个流域，其中大部分河流与太湖相连。一般来说，这些河流可以分为6条河流系统:桃树(TG)、南河(NH)、Tiaoxi (TX)、延江(YJ)、黄浦(HP)、杭州湾和长江口(HY)河系统。TX位于浙江省北部，流域面积约4579平方公里，长293公里。TX的平均年降雨量和温度分别是1460 mm和15.6°C。NH的主流长度约为50公里。TX和NH主要分布在流域西部丘陵地区，这两河系的平均海拔较高。TG主要位于常州市、镇江市和无锡市部分地区。太湖流域数字高程模型(DEM)如图S1所示。TX、NH、TG流入太湖，分别占太湖流域径流的20%、25%和50%。YJ、HP和HY系统都是太湖的流出物。YJ由连接长江的北方河流组成，长江的大门被控制。HP的面积约为14000平方公里，是流域内的主要河流系统，包括大部分平原地区。黄浦江是HP的主流，是唯一连接长江而没有闸门控制的河流。HY系统包含了连接到杭州湾和东部长江口的河流。在6个河流系统中，土地使用情况有所不同(图S2)。林地的土地利用变化主要集中在TX和NH中观察，并在HP和YJ中占主导地位。

2.2样品收集和实验室分析

精心挑选了96个采样点来代表整个太湖流域，覆盖了全部6个河流系统的主要河流（图1）。HP、YJ、TX、HY、TG和NH系统分别包含28、21、15、14、11和7个采样点。使用便携式GPS系统(中国GPS 639 sc)记录采样点的地理位置。在2014年9月、2015年3月、2015年7月和2016年1月进行了4次抽样活动，并在每个地点收集了4个样本。每个站点的地理位置和采样时间都列在补充材料(表S1)中。大部分样本是在晴天或多云天气条件下收集的，以尽量减少降雨的影响。选定的环境参数，包括地表水温(T)、pH值、电导率(cond)、浊度(tur)和DO，都是通过一个水文实验室数据(美国)进行的。传感器在取样前校准。地表水样本(深度约20厘米(PN-ISO 5667–5, 2003; PN-ISO 5667–6, 2003))收集在酸洗的10-L塑料桶中，用地表水漂洗。用于测定氨氮(NH4-N)，亚硝酸盐(NO2-N), 硝酸盐 (NO3-N), 钙(Ca), 镁 (Mg), 氯 (Cl), 硫酸盐(SO4)浓度的样品。使用GF/F过滤器过滤(Whatman,Kent Great Britain)。样品被储存在冰箱里，里面装满了冰。每3-5天，将样品冷藏从场地送到实验室。

在湖泊科学与环境国家重点实验室中测量了环境参数浓度，包括总氮(TN)、总磷(TP)、NH4-N、NO2-N、NO3-N、高锰酸盐指数(CODMn)、Ca、Mg、Cl和SO4(Nanjing, China)。用于水化学分析的详细方法和仪器可以在补充材料(表S2)中找到。

2.3WQI计算和WQImin建立

这里使用的WQI计算是由Pesce和Wunderlin(2000)提出的。每个环境参数根据其对初级健康的感知影响分配一个权重(表S3)。用T、pH、cond、tur、DO、TN、NH4-N、NO2-N、NO3-N、Ca、Mg、Cl、SO4来计算WQI，其测量值用于归一化。WQI方程建立如下:

其中n为研究中包含的参数总数，Ci为参数i的归一化值，Pi为参数i的权重，Pi的最小值为1(表S3)，对影响水质的参数的最大权重为4;这些参数已在以前的出版物中得到证实(Debels et al.， 2005;koc Sevgili,2014;赵et al .,2013)。WQI范围从0到100，高值代表良好的水质条件。根据WQI评分，水质分为5个等级:优秀(91-100)、良好(71-90)、中度(51-70)、低(26-50)和差(0-25)(Jonnalagadda和Mhere, 2001)。每个采样点的WQI值都是按季节计算的，取平均值来确定最终的WQI值。

为开发利用太湖流域几个关键参数的简单而经济的水质评价方法，本文考虑了非加权WQImin-a和加权WQImin-b。传统的非加权WQImin-a是根据eq.(2)计算的。wqimin -b根据eq.(1)中表示的WQI的计算，将权重赋给关键参数。

在我们的研究中，WQImin-a和WQImin-b的计算中包含的参数是相同的。这些参数的选择是基于线性回归分析的结果。太湖流域WQImin的建立分为两步:培训和测试(Wu et al.，2012)。第一，在前三次抽样活动中收集的288个样本(2014年9月，2015年3月和2015年7月)用于培训WQImin。然后。我们用2016年1月收集的96个样本测试了WQImin。对WQImin（表2）的几种模型进行了测试，以获得最适宜的WQImin模型，具有最佳的适用性和预测能力。

2.4数据分析

利用古生物学统计学v2.15(过去)软件，对Kruskal-Wallis进行了空间和季节尺度数据的显著差异评价。为了探讨影响WQI值的关键参数，并对太湖流域的WQImin表达进行研究，分别进行了T、pH、cond、tur、DO、TN、NH4-N、NO2-N、NO3-N、TP、CODMn、Ca、Mg、Cl、SO4等多个线性

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