城市景觀水體水質(zhì)時(shí)空分布特征及其評(píng)價(jià)方法適用性研究

關(guān)鍵詞：單因子評(píng)價(jià)法；綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)估法；水質(zhì)健康綜合評(píng)估法；熵權(quán)－ＴＯＰＳＩＳ 法；湖泊水質(zhì)

中圖分類號(hào)：Ｘ５２４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．０２１

引用格式：袁小夢，李濤，孫超，等．城市景觀水體水質(zhì)時(shí)空分布特征及其評(píng)價(jià)方法適用性研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（９）：１４４－１４９．

城市景觀水體在城市防洪調(diào)蓄和保護(hù)生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用［１］ ，影響城市規(guī)劃和人文環(huán)境景觀塑造［２］ ，對(duì)城市生態(tài)化建設(shè)具有重要意義。科學(xué)有效評(píng)估城市景觀水體水環(huán)境現(xiàn)狀及其時(shí)空變化特征是其水污染防治的基礎(chǔ)。目前，單因子評(píng)價(jià)法是一種較為常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，但該方法不能反映水體水質(zhì)的整體狀況［３］ 。綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)法綜合考慮了各指標(biāo)間的相互作用關(guān)系，可以提高水質(zhì)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性。綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)法包括綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)估法［４］ 、水質(zhì)健康綜合評(píng)估法［５］ 、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法［６－７］ 、改進(jìn)ＴＯＰＳＩＳ 法［８］ 等。

為了解城市景觀水體水質(zhì)時(shí)空分布特征，選取興慶湖為研究對(duì)象，采用單因子評(píng)價(jià)法、綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)法，基于２０１８—２０２０ 年監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)興慶湖水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，揭示湖泊水質(zhì)變化特征，探討不同評(píng)價(jià)方法在興慶湖水質(zhì)評(píng)價(jià)中的適用性，以期為后續(xù)城市景觀水體管理提供參考。

１材料與方法

興慶湖位于陜西省西安市興慶宮公園內(nèi)，是西安市最大的人工湖，興慶湖作為典型的城市景觀湖泊，具有防洪、涵養(yǎng)水源、美化市容市貌等功能。興慶湖日常蓄水量２０ 萬ｍ^３，調(diào)蓄庫容２７ 萬ｍ^３，平均水深１．６ｍ，區(qū)域多年平均氣溫１３．３ ℃，多年平均降水量６２９．９ ｍｍ。

１．１數(shù)據(jù)來源

在興慶湖進(jìn)水口、東湖區(qū)、大湖區(qū)、出水口、小湖區(qū)分別布設(shè)采樣點(diǎn)Ｑ１～ Ｑ５（見圖１），監(jiān)測指標(biāo)包括ｐＨ值，以及溶解氧（ＤＯ）、化學(xué)需氧量（ＣＯＤ）、氨氮（ＮＨ－Ｎ）、總磷（ＴＰ）含量。２０１８ 年1月至２０２０ 年９ 月逐月進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)來自西安高新區(qū)中凱環(huán)境檢測有限公司水質(zhì)監(jiān)測報(bào)告，其中ｐＨ 值采用玻璃電極法測定，ＤＯ 采用電化學(xué)探頭法測定，ＣＯＤ 采用重鉻酸鹽法測定，ＮＨ－Ｎ 采用納氏試劑分光光度法測定，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定。

１．２研究方法

１）單因子評(píng)價(jià)法。單因子評(píng)價(jià)法將各評(píng)價(jià)指標(biāo)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ ３８３８—２００２）中的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值一一對(duì)比，將最差水質(zhì)指標(biāo)作為水體的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果。

根據(jù)綜合水質(zhì)指數(shù)值將湖泊水質(zhì)劃分為優(yōu)秀、好、中等、差、非常差５ 個(gè)等級(jí)，其分值分別為［９０，１００］、［７０、９０）、［５０，７０）、［２５，５０）、［０，２５）。

２結(jié)果與分析

２．１興慶湖水質(zhì)指標(biāo)時(shí)空變化

從空間分布上看，興慶湖水體ｐＨ 值為７．５０ ～８．５０，整體呈中性偏弱堿性，從進(jìn)水口到出水口ｐＨ 值先增大后減小，大湖區(qū)ｐＨ 均值相對(duì)較大，達(dá)到８．３０。湖泊水體ＤＯ 含量為７．４２ ～ １０．９４ ｍｇ／ Ｌ，均值為９．４６ｍｇ／ Ｌ，達(dá)到地表水Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，其中大湖區(qū)ＤＯ 含量較高，均值為１０．０４ ｍｇ／ Ｌ。ＣＯＤ 質(zhì)量濃度為１２．４６ ～１９．３２ ｍｇ／ Ｌ，進(jìn)水口、東湖區(qū)、大湖區(qū)、小湖區(qū)和出水口ＣＯＤ 質(zhì)量濃度均值分別為１４．６１、１５．０９、１６．０８、１４．３０、１５．７７ ｍｇ／ Ｌ，其中小湖區(qū)ＣＯＤ 質(zhì)量濃度較低，大湖區(qū)ＣＯＤ 質(zhì)量濃度較高。ＮＨ３ －Ｎ 質(zhì)量濃度為０．３１～ ０．７１ｍｇ／ Ｌ，進(jìn)水口、東湖區(qū)、大湖區(qū)、小湖區(qū)和出水口ＮＨ３ －Ｎ 質(zhì)量濃度均值分別為０．５１、０．４９、０．４７、０．４４、０．４８ ｍｇ／Ｌ，進(jìn)水口ＮＨ－Ｎ 質(zhì)量濃度較高，小湖區(qū)ＮＨ－Ｎ質(zhì)量濃度較低。ＴＰ 質(zhì)量濃度為０．０２８～０．０６０ ｍｇ／ Ｌ，進(jìn)水口ＴＰ 波動(dòng)較大，范圍為０．０２９～０．０４８ ｍｇ／Ｌ，均值為０．０４１ｍｇ／ Ｌ，低于地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，而在小湖區(qū)和出水口的均值分別為０．０５１、０．０５２ ｍｇ／ Ｌ，均達(dá)到地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

從時(shí)間分布上看，春夏秋冬４ 個(gè)季節(jié)興慶湖水體ｐＨ 均值分別為８．２４、８．１９、８．０６、７．９９，ｐＨ 值波動(dòng)不大，春夏兩季ｐＨ 值較高。春夏秋冬４ 個(gè)季節(jié)ＤＯ含量分別為９．４６、９．１８、８．５９、１０．６２ ｍｇ／ Ｌ，冬季ＤＯ 含量較高。春夏秋冬４ 個(gè)季節(jié)ＣＯＤ質(zhì)量濃度范圍分別為１４．２０～１５．８０、１２．４７～１５.１１、１３．３５～１９．３２、１３．１８～１６．８４ ｍｇ／ Ｌ，與其他季節(jié)相比，秋季興慶湖水體ＣＯＤ 質(zhì)量濃度較高，且波動(dòng)范圍較大，春季ＣＯＤ質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定。春夏秋冬４ 個(gè)季節(jié)ＮＨ３ －Ｎ 質(zhì)量濃度均值分別為０．４２、０．３７、０．４８、０．６５ ｍｇ／ Ｌ，冬季進(jìn)水口ＮＨ－Ｎ 質(zhì)量濃度高于其他季節(jié)的，且不同區(qū)域ＮＨ－Ｎ 質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍較大，為０．３１～０．６７ ｍｇ／ Ｌ。春夏秋冬４ 個(gè)季節(jié)ＴＰ 質(zhì)量濃度均值分別為０．０４７、０．０５０、０．０４９、０．０４８，與春夏冬三季相比，秋季不同區(qū)域ＴＰ 質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍較大，為０．０２９～０．０５９ ｍｇ／ Ｌ。

綜上，興慶湖水質(zhì)指標(biāo)值（ｐＨ 值、ＤＯ、ＣＯＤ、ＮＨ－Ｎ、ＴＰ）時(shí)空差異較大。ｐＨ 值春夏兩季高于秋冬兩季，ＴＰ質(zhì)量濃度夏秋兩季高于春冬兩季，ＣＯＤ、ＮＨ－Ｎ 質(zhì)量濃度秋冬兩季高于春夏兩季。

２．２興慶湖水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

１）單因子評(píng)價(jià)法。采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)興慶湖２０１８—２０２０年不同季節(jié)不同位置水體進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，結(jié)果見表３。從表３可以看出，除２０１８年冬季進(jìn)水口水質(zhì)定類因子為ＣＯＤ 外，進(jìn)水口其他年份和季節(jié)水質(zhì)定類因子均有ＴＰ；除２０１９年冬季大湖區(qū)水質(zhì)定類因子為ＮＨ－Ｎ外，其他年份和季節(jié)大湖區(qū)水質(zhì)定類因子均有ＴＰ；東湖區(qū)、小湖區(qū)、出水口水質(zhì)定類因子均有ＴＰ。水質(zhì)定類因子中ＴＰ 占比９６％，ＣＯＤ 占比２２％，ＮＨ－Ｎ 占比２２％。ｐＨ 值和ＤＯ 未出現(xiàn)在水質(zhì)定類因子中?？傮w而言，２０１８—２０２０ 年興慶湖主要污染物為ＴＰ，其次為ＮＨ－Ｎ、ＣＯＤ。

在空間變化方面，進(jìn)水口、東湖區(qū)、大湖區(qū)、小湖區(qū)、出水口水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比分別為１０％、０、０、０、０，水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比分別為４０％、４０％、２０％、２０％、３０％，水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比分別為９０％、９０％、７０％、１００％、８０％。綜合來看，進(jìn)水口、小胡區(qū)水質(zhì)較好，大湖區(qū)水質(zhì)較差，水質(zhì)由優(yōu)到劣排序?yàn)樾『^(qū)、進(jìn)水口、東湖區(qū)、出水口、大湖區(qū)。從時(shí)間變化來看，春季、夏季、秋季、冬季水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比分別為７％、０、０、０，水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比分別為４０％、７％、７０％、１０％，水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比分別為１００％、６０％、１００％、９０％。綜合來看，春季和秋季水質(zhì)較好，夏季和冬季水質(zhì)較差。

２）綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)估法。興慶湖不同季節(jié)、不同采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)指數(shù)見圖２。從空間方面看，進(jìn)水口綜合水質(zhì)指數(shù)Ｓ為６６．６７～８０．００，平均值為７３．９６，水質(zhì)等級(jí)為中等或好；東湖區(qū)Ｓ 為７３．３３～７６．６７，平均值為７５．００，水質(zhì)等級(jí)均為好；大湖區(qū)Ｓ 為７３．３３ ～７５．８３，平均值為７４．５８，水質(zhì)等級(jí)均為好；小湖區(qū)Ｓ為７２．５０～７４．５８，平均值為７４．５８，水質(zhì)等級(jí)均為好；出水口Ｓ為６９．１７～７４．１７，平均值為７２．５０，水質(zhì)等級(jí)為中等或好。綜合不同區(qū)域Ｓ 平均值，進(jìn)水口和東湖區(qū)水質(zhì)略優(yōu)于出水口水質(zhì)，而大湖區(qū)和小湖區(qū)水質(zhì)較差。從不同季節(jié)看，春季Ｓ 為６６．６７ ～７５．８３，平均值為７１．８９；夏季Ｓ為６９．１７～７５．８３，平均值為７２．７８；秋季Ｓ 為７３．３３～８０．００，平均值為７６．３９；冬季Ｓ 為７３．３３～７５．００，平均值為７４．１７。春夏兩季水質(zhì)為中等或好，秋冬兩季水質(zhì)等級(jí)均為好，即秋冬兩季水質(zhì)優(yōu)于春夏兩季水質(zhì)。Ｓ最大值和最小值分別出現(xiàn)在進(jìn)水口的秋季和春季，分別為８０．００ 和６６．６７。與其他３ 個(gè)季節(jié)相比，冬季興慶湖不同區(qū)域ＳＷＱＩ波動(dòng)范圍較??；與其他區(qū)域相比，大湖區(qū)和小湖區(qū)Ｓ 在不同季節(jié)的波動(dòng)范圍較小。

３）水質(zhì)健康綜合評(píng)估法。興慶湖不同季節(jié)水質(zhì)健康綜合評(píng)估值Ｓ見圖３。從空間方面來看，進(jìn)水口Ｓ為０．６９～０．９４，平均值為０．８５；東湖區(qū)Ｓ為０．７０～０．７９，平均值為０．７５；大湖區(qū)Ｓ 為０．７０～０．８０，平均值為０．７５；小湖區(qū)Ｓ為０．７８～０．８２，平均值為０．７９；出水口Ｓ為０．６８～０B2QWZz2i8P+QMJtxUwiIWQ==．８０，平均值為０．７５。

５個(gè)區(qū)域水質(zhì)等級(jí)均達(dá)到好，其中進(jìn)水口水質(zhì)等級(jí)為優(yōu)秀。整體上進(jìn)水口水質(zhì)較好，出水口水質(zhì)較差。綜合不同區(qū)域Ｓ 平均值，進(jìn)水口和小湖區(qū)水質(zhì)相對(duì)優(yōu)于東湖區(qū)、出水口和大湖區(qū)水質(zhì)。從季節(jié)來看，春季Ｓ為０．７０～０．８２，夏季Ｓ為０．６８～０．９１，秋季Ｓ 為０．７４～０．９４，冬季Ｓ為０．７９～０．８５，４ 個(gè)季節(jié)水體水質(zhì)均為好或優(yōu)秀，整體上秋冬兩季水質(zhì)優(yōu)于春夏兩季水質(zhì)。Ｓ的最大值和最小值分別出現(xiàn)在秋季進(jìn)水口和夏季出水口，分別為０．９４ 和０．６８。與其他３ 個(gè)季節(jié)相比，冬季興慶湖不同區(qū)域Ｓ波動(dòng)范圍較小。

４）熵權(quán)－ＴＯＰＳＩＳ 法。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ ３８３８—２００２）確定水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并基于熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，其中ｐＨ 值、ＤＯ、ＣＯＤ、ＮＨ－Ｎ、ＴＰ權(quán)重分別為０．０９０ ５、０．０６２ ０、０．２４０ ０、０．３７９ ３、０．２２８ ２?；陟貦?quán)－TＯＰＳＩＳ 法計(jì)算得到興慶湖２０１８—２０２０年不同季節(jié)各采樣點(diǎn)水質(zhì)類別，見表４。從空間變化看，進(jìn)水口、東湖區(qū)、大湖區(qū)、小湖區(qū)和出水口水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比分別為５０％、１０％、１０％、０、０，水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比分別為８０％、９０％、９０％、１００％、８０％，水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比均為１００％。綜合來看，進(jìn)水口水質(zhì)較好，出水口水質(zhì)相對(duì)較差。從時(shí)間變化來看，春季、夏季、秋季和冬季水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比分別為２０％、１３％、１０％、１０％，水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比分別為９３％、９３％、１００％、６０％，水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的占比均為１００％。綜合來看，秋季水質(zhì)較好，冬季水質(zhì)相對(duì)較差。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，空間和時(shí)間上興慶湖水質(zhì)均達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，與單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果有所差異。

３討論

３．１興慶湖水質(zhì)變化及驅(qū)動(dòng)因素分析

興慶湖水質(zhì)應(yīng)不超過Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，興慶湖水質(zhì)總體穩(wěn)定，但存在超Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的情況。各水質(zhì)指標(biāo)存在時(shí)空差異，水體進(jìn)入興慶湖后，除氨氮（ＮＨ－Ｎ）外，其他水質(zhì)指標(biāo)值增大。興慶湖中心區(qū)域大湖區(qū)ｐＨ值相對(duì)較大，原因是雨水和周圍排水系統(tǒng)排放的污水帶入大量可溶性物質(zhì)，部分離子水解導(dǎo)致ｐＨ值升高。生物代謝消耗溶解氧，尤其在淺水和光照充足的地方，例如出水口，生物代謝導(dǎo)致溶解氧含量降低。湖泊的流動(dòng)混合作用使污染物沉積在湖底，增加水體化學(xué)需氧量。氣溫變化顯著影響湖泊內(nèi)磷的含量，進(jìn)而影響磷的循環(huán)［１５－１６］ 。

春夏降水多，引發(fā)面源污染的降水量僅次于調(diào)水量［１７］ ，降水徑流攜帶沖刷物質(zhì)流入湖泊使水體溶解有機(jī)物含量增加，進(jìn)而影響水體酸堿度。此外，降水還將周圍土壤養(yǎng)分和土壤顆粒帶入湖泊，從而增加水體總磷含量。春夏溫度升高，陽光充足，植物和浮游生物大量繁殖使水體養(yǎng)分輸入增加，生物活動(dòng)產(chǎn)生有機(jī)物，增加湖泊水體有機(jī)負(fù)荷，進(jìn)一步影響水體酸堿度。

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，４ 個(gè)季節(jié)中，秋季興慶湖水質(zhì)最好，夏季較差。夏季高溫、雨水沖刷、光照充足、生物代謝加快等因素相互作用，導(dǎo)致水體水質(zhì)下降。秋季降水量低于夏季的，降水徑流帶入湖泊的污染物少，氣溫降低、生物生長代謝減慢，在湖泊自凈作用下，污染物濃度降低，水體水質(zhì)好轉(zhuǎn)。

３．２不同水質(zhì)評(píng)價(jià)方法比較分析

不同水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對(duì)城市景觀水體的水質(zhì)評(píng)估結(jié)果不同。單因子評(píng)價(jià)法操作簡單，可以快速對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分類，并確定是否超標(biāo)，然而其評(píng)價(jià)結(jié)果過于保守，無法全面反映水體水質(zhì)情況。綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)估法通過打分和權(quán)重分配綜合考慮各水質(zhì)指標(biāo)對(duì)水體水質(zhì)的影響，但權(quán)重確定主觀性較強(qiáng)，可能影響評(píng)估結(jié)果。水質(zhì)健康綜合評(píng)估法考慮了湖泊自身水質(zhì)特點(diǎn)，其綜合評(píng)價(jià)結(jié)果更符合流域特征，其評(píng)價(jià)結(jié)果與綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)估法類似，但該方法指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化過程中多以湖泊自身特征為參照標(biāo)準(zhǔn)，其評(píng)價(jià)結(jié)果不具備與其他湖泊評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比性。熵權(quán)－ＴＯＰＳＩＳ法不受指標(biāo)數(shù)量、數(shù)據(jù)分布等的限制，且熵權(quán)法確權(quán)與綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)估法依賴專家經(jīng)驗(yàn)賦權(quán)不同，其對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的賦權(quán)更客觀，能更準(zhǔn)確反映水體水質(zhì)情況，評(píng)估結(jié)果在水質(zhì)空間差異的區(qū)分度上優(yōu)于綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)估法和水質(zhì)健康綜合評(píng)估法。

４結(jié)論

本研究采用單因子評(píng)價(jià)法、綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)估法、水質(zhì)健康綜合評(píng)估法和熵權(quán)－ＴＯＰＳＩＳ 法對(duì)興慶湖２０１８ 年１ 月至２０２０年９月水質(zhì)進(jìn)行了分析，通過４種方法對(duì)比、分析了興慶湖水質(zhì)時(shí)空變化規(guī)律。興慶湖水質(zhì)指標(biāo)在時(shí)空分布上均有差異，水體進(jìn)入興慶湖后，除氨氮外，其他水質(zhì)指標(biāo)值增大。ｐＨ 值春夏兩季高于秋冬兩季，ＴＰ質(zhì)量濃度夏秋兩季高于春冬兩季，ＣＯＤ、ＮＨ－Ｎ 質(zhì)量濃度秋冬季高于春夏季。４種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對(duì)興慶湖水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果有差異，單因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示興慶湖水質(zhì)有超Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的情況，綜合水質(zhì)指數(shù)評(píng)估法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示興慶湖水質(zhì)等級(jí)為中等或好，水質(zhì)健康綜合評(píng)估法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示興慶湖水質(zhì)等級(jí)為優(yōu)秀或好，熵權(quán)－ＴＯＰＳＩＳ法結(jié)果顯示興慶湖水質(zhì)均滿足Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。綜合比較分析４ 種評(píng)價(jià)方法，熵權(quán)－ＴＯＰＳＩＳ法不受指標(biāo)數(shù)量、數(shù)據(jù)分布等的限制，減少了主觀因素的影響，能準(zhǔn)確反映水體水質(zhì)情況。