改良水质指标在东江水质时空变化趋势评价中的应用外文翻译资料

改良水质指标在东江水质时空变化趋势评价中的应用

原文作者：Raquel Lebrero, Elisa Rodriacute;guez, Joseacute; M. Estrada, Pedro A. Garciacute;a-Encina, Rauacute;l Muntilde;oz.

文献题目：Application of modified water quality indices as indicators to assess the spatial and temporal trends of water quality in the Dongjiang River

出版时间及页码：2016：306-312

摘要：东江在华南地区发挥着重要的作用，是香港和珠江三角洲其他地区的灌溉水源和饮用水的来源。利用水质指数(WQI)对河流的空间和时间变化进行了评价，确定了河流水质的分类。为了简化程序，降低水质评价的分析成本，本文采用主成分分析(PCA)方法对WQImin进行了改进，并对2011 - 2012年干湿季节的水质参数进行了相关分析。与前面的指数相比,类似的空间变化趋势和分类的水质得到的WQImin,这是由pH值、温度、总悬浮固体、NH₄ N和NO₃^—N组成。结果显示一个优秀的支流附近的水库,水质良好的水质应该在河的上游,水质和媒介在河的下游,这表明城市废水来源于人口规模的不断扩大以及主要下游产业发展导致沿着河流水质的恶化。此外，WQImin能够更充分地反映水分品质的季节性变化，在旱季比雨季稍差。我们的研究结果还表明，连续监测应该继续进行，以防止工业污染和人为活动。

关键词：东江 水质指数（WQI）； 水环境质量评价

1、介绍

由于经济的快速发展和城市化的发展，中国南方现有水资源的质量和数量已经成为一个严重的问题。珠江三角洲(PRD)的人口超过5620万，是中国南方快速增长的经济区域。东江是珠江最大的支流。除灌溉农业用水外，香港的饮用水源(占香港饮用水的近80%)和珠江三角洲的其他部分都是从东江提取的。由于工业、农业和人口规模不断增加所造成的过度浪费，造成了不同的环境问题，威胁和恶化了河流水质。然而，对东江污染源的研究却很少。此外，东江水质的时空变化和趋势还没有得到充分的调查。为了可持续的水资源管理和公共卫生的安全保障，有效、及时地监测河流水质是非常重要的。了解和定量评估河流水质时空变化趋势是有效管理水资源的必要条件。

传统的水质监测方法是基于所确定的变量与当地规范标准比较，它提供了对整体质量的部分信息。为了快速和容易获得的淡水质量信息具有全球视野，水质指数（WQI）是近年来淡水水质监测的广泛应用，如苏区河，奇廉河，巴格马蒂河，土耳其的萨潘贾湖, Aydughmush河和登嘉楼河。实践证明，WQI是真正的实用的方法考虑的关键环境变量表示水体的污染状况。此外，WQI还能促进不同采样点之间的对比，并确定水质变化趋势。然而，WQI的计算方法却不尽相同。在一般情况下，考虑了相似的物理化学变量，但在不同的报告中，这些方法的统计积分是不同的。例如，18和20个参数分别涉及WQI评价巴格马提河和苏区河水质的时空变化。事实上，为了减少冗余变量和降低分析成本，修改WQI是必要的。此外，具体的WQI的建立应该考虑到当地的背景条件，如土地利用的变化或人为活动。

在本研究中，在为期两年的监测期间(2011-2012年)中获得的环境变量，将会对东江流域水质的时空变化趋势和水质分类进行研究。为了确定水质和相关参数中最负责任的变量，进行了主成分分析（PCA）和相关分析，其中一些冗余变量可以被删除。然后将修改引入到WQI计算中。新方法较好地反映了水质的季节性变化，降低了分析成本。此外，我们还试图量化人类活动对水质的影响。

2、材料和方法

2.1、采样地点

东江流域从江西省开始，主要分布在广东省。其排水面积为35340km²，全长562公里。这一地区的气候是亚热带季风气候，气候干燥、凉爽，而且是潮湿和温暖的时期，两者的长度大致相等。年平均温度约为20-22℃。年平均降水量1500-2400毫米。流域地区降水呈现明显的季节性变化。大多数降雨(占全年的80%)在四月至九月的雨季中。

为了对流域内水质的时空变化特征和人类活动对流域水质的影响进行表征，精心挑选了五个采样点的位置。从这四个地方，河源（HY：N23°44′3.99Prime;，E114°42′10.07Prime;），广州(GZ：N23°31′315.57Prime;，E114°41′23.26Prime;)，赫兹（HZ：N23°6′5.83Prime;，E114°24′7.88Prime;）上定义变量的主要河流从上游到下游人口规模和经济东江河畔，而剩下的一个站点新丰（XF：N23°43′26.64Prime;，E114°41′8.63Prime;）是位于支流附近的水库新丰江水库含有76%的总存储容量在东江流域，作为与人类活动的干扰(图1)。图1也展示了关于这些选定采样点的详细介绍。

图1所示 东江采样点(填满圆) N和E号表示北纬

和东经的度数红色的细箭头表示从上游到下游的水流方向

2.2、抽样策略和分析程序

从2011年到2012年，在旱季3月和雨季9月进行了水样取样。采用有机玻璃瓶采样器采集每个采样点水平面以下1-5米的水样。取样后24小时内进行水质测量(表S1)。水质结果见表1。本研究中所采用的水质参数包括了大部分具有不同变化范围的重要权重因子，以计算水质指标，并在以前的出版物中得到验证。

2.3、水质指数

其中，n表示参数的总个数，Ci为赋值给参数的归一化值，而Pi(即参数i的权重)表示水生物/人用水的相对重要参数的指标。在上面的方程中，WQI被计算为不同子指标得分的加权和。对每个场址，确定一个年度和两个季节WQI值。为了计算某一给定地点的干湿季节的WQI，分别从3月和9月的数据中计算出平均参数值。计算年度WQI的平均值来自四个运动的平均值。WQI是一个从1到100不等的单位数，在90-100的评分中是优秀的，70-90是好的，50-70是中等的，25-50是差的，等等。数字越高，水质越好。评价水质的参数如表S2所示，其中也包含相应的相对权值和参数的归一化因子。为了简化WQI的计算，减少了参数的数量和分析检测的成本，利用Minitab软件和SPSS 17.0对无量纲化数据进行了主成分分析(PCA)和相关分析。这些分析的结果用于WQI的修正。

见表1。

表1 2011-2012年东江流域水质测量平均值

采样地点 采样地点

图2所示 2011-2012年 图3所示 2011-2012年

东江地区氮素参数的变化 东江地区氮素参数的季节变化

3、结果与讨论

3.1、采用氮含量进行水质评价

如图2所示，溶解的无机氮(DIN)浓度从XF位点增加到HZ，表明氨氮、亚硝酸盐和硝态氮浓度较高导致水质恶化，而HZ到QT的DIN含量略有下降。从XF到HY、HY到HZ和QT(图2)，水质恶化的变化尤为重要。也就是说，从水库附近的支流到城市，从上游欠发达地区到下游人口较发达、人口较多的地区。从XF到QT的总氮(TN)浓度与DIN的变化趋势相似。新丰江水库附近的支流XF的氮污染最少，超过了主流站点，表明人口增长和工业发展是导致DIN和TN上升的主要原因。值得注意的是，硝酸盐氮是XF到QT(图2)中对DIN的主要贡献，DIN与硝酸盐氮之间存在显著的正相关关系(p = 0.036)。这个结果是一致的发现苏区河，在大多数采样点中，对总无机氮(TIN)的主要贡献是硝酸盐氮。氨氮主要贡献于巴格马蒂河流域的锡。这可能是由于东江流域氨氮明显降低，污染较少(NH₄ N，0.05-1.48mg/L)和苏区河(NH₄ N，0.58-0.66mg/L)比比巴格马蒂河(NH₄ N，1.70-18.84mg/L)。东江流域氮素含量的季节变化表现为NH₄ N、NO₃^-N、DIN和TN在旱季的浓度高于湿季(图3)。这可能会导致旱季的水质更差。此外，很明显，在湿季中，DIN的贡献大于干季。总的来说，氮养分的变化显示了河流的季节性变化。干湿季节的不同气候和降雨可能影响氮含量的分布。

3.2、利用碳含量进行水质评价

人为排放的增加，增加了大气中的二氧化碳浓度，导致了影响生态系统和人类基础设施的气候变化。无机碳的种类包括二氧化碳、碳酸、碳酸氢盐、碳酸盐等，可能会影响生物的活动，进而间接影响到自然生态系统中的水质。目前已知，表层海水中TIC的浓度较低，在温暖的地表水中为1.8 mmol/kg，在深水中为2.4 mmol/kg。然而，在河流生态系统中发现的TIC却很少被报道。在本研究中，TIC浓度从XF降低到HY，从HY增加到HZ，与氮含量变化趋势略有不同(图4)。在所有的采样点中，TIC是TC的主要贡献者。TOC经常被用作水质的非特异性指标，并对天然有机物质(NOM)和水源中的合成源进行估计。TOC是很重要的，因为它可能对环境、人类健康和制造过程产生影响。东江流域的TOC在3 mg/L左右的低浓度采样点间变化不大。化学需氧量(COD)是评价水系统中有机污染的主要决定因素，是水质监测中最重要的参数之一。考虑到标准重铬酸盐法COD_Cr主要用于有机污染物gt;30 mg/L的氧气需求，而高锰酸盐指数法(PI)则反映了低有机含量水的污染水平，适用于从1.0到15.0 mg/L的有机污染物的氧需求范围。因此，在2008年至2010年期间，选择的采样点的平均COD值低于6 mg/L，故选择PI确定东江水的有机污染。如图4所示，在HZ中PI值最高，为3.20 mg/L，XF最低为2.10 mg/L，不同采样点之间无显著差异。TOC和PI的上述结果都表明，有机污染没有明显的上游到下游的变化，城市扰动对水体有机物含量的影响也不明显，氮养分的情况也不明显。观察到季节性差异对于TIC、TOC、PI和TC在旱季的浓度都高于湿季，特别是TOC的含量(图5)，说明干燥季节的有机污染可能比湿季更严重，这与氮含量的季节变化趋势一致。

采样地点 采样地点

图4所示 2011-2012年 图5所示 2011-2012年

东江碳参数变化 东江碳参数的季节变化

3.3、水质评估使用WQI

通过分析不同的变量，特别是不同用途的不同标准来评价整体水质，这不是一个容易的任务。WQI从几个常规水质参数中收集数据，并提供一个值(类似于分数)，并在特定区域和时间内对水质进行快速和可理解的解释。此外，WQI可以帮助我们决定对环境影响的快速评价的整体水质。表1给出了东江不同水质采样点水质的平均年值和标准差。WQI为9个测量参数，按照以往文献中提出的数值进行标准化和加权。不同季节和年度的WQI计算结果如图6所示。WQI分析使河流水系统分类为：支流XF (WQI = 93.2)、上游HY和GZ (WQI = 79.1-83.2)和下游HZ和QT为介质(WQI = 63.6-64.1)。水质分类(2011-2012)与2008年至2010年在东江流域收集的水样一致。上游采样点HY和GZ(年平均)显示水质恶化10.0-14.1，与附注位点XF相比，具有统计学意义(plt;0.05)。随着河流进入较发达的城区f，HZ和QT水质显著下降(约19，plt;0.05)。这与较大的人口规模、更快的工业发展以及下游地区(HZ)的城市污水排放比上游地区(HY和GZ)有关。这些结果是一致的，由于不同的人为活动的影响，沿江上游到下游的DIN和TN浓度上升和DO浓度的降低，与登嘉楼河流域相似。我们的研究结果表明，东江流域水质保持恒定，下游地区的水质需要改善。地方政府应该采取更多的控制污染的措施。

总的来说，旱季和雨季之间的水质有轻微的变化(图6)。在这两个季节之间，支流XF没有变化。这可能是由于它的位置附近的星风江水库，较少受到人为活动的影响。在HY和QT两季，两季的水质变化比较高，但两季的水质分类一致。

3.4、提出对WQI的修改

对WQI计算的评价一般需要9-20个物理、化学和细菌学参数的测量。分析成本和复杂的过程可能限制了更广泛接受WQI的因素，特别是对缺乏环境保护预算的发展中国家。事实上，重复性或相关的环境变量会导致模型解释很多的差异，但缺乏健壮性。在水质数据中，有必要对哪些环境因素负责解释大部分的差异，并应随后用于WQI的计算。因此，将主成分分析(PCA)和相关分析结合起来，帮助消除冗余数据，选择负责任的环境因子。结果显示

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