城市景觀水體水質時空分布特征及其評價方法適用性研究

關鍵詞：單因子評價法；綜合水質指數評估法；水質健康綜合評估法；熵權－ＴＯＰＳＩＳ 法；湖泊水質

中圖分類號：Ｘ５２４ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．０２１

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

城市景觀水體在城市防洪調蓄和保護生物多樣性等方面發揮著重要作用［１］ ，影響城市規劃和人文環境景觀塑造［２］ ，對城市生態化建設具有重要意義。科學有效評估城市景觀水體水環境現狀及其時空變化特征是其水污染防治的基礎。目前，單因子評價法是一種較為常用的水質評價方法，但該方法不能反映水體水質的整體狀況［３］ 。綜合水質評價法綜合考慮了各指標間的相互作用關系，可以提高水質評價的準確性和可靠性。綜合水質評價法包括綜合水質指數評估法［４］ 、水質健康綜合評估法［５］ 、綜合營養狀態指數法［６－７］ 、改進ＴＯＰＳＩＳ 法［８］ 等。

為了解城市景觀水體水質時空分布特征，選取興慶湖為研究對象，采用單因子評價法、綜合水質評價法，基于２０１８—２０２０ 年監測數據對興慶湖水質進行評價，揭示湖泊水質變化特征，探討不同評價方法在興慶湖水質評價中的適用性，以期為后續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，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、涵養水源、美化市容市貌等功能。興慶湖日常蓄水量２０ 萬ｍ^３，調蓄庫容２７ 萬ｍ^３，平均水深１．６ｍ，區域多年平均氣溫１３．３ ℃，多年平均降水量６２９．９ ｍｍ。

１．１數據來源

在興慶湖進水口、東湖區、大湖區、出水口、小湖區分別布設采樣點Ｑ１～ Ｑ５（見圖１），監測指標包括ｐＨ值，以及溶解氧（ＤＯ）、化學需氧量（ＣＯＤ）、氨氮（ＮＨ－Ｎ）、總磷（ＴＰ）含量。２０１８ 年1月至２０２０ 年９ 月逐月進行水質監測，監測數據來自西安高新區中凱環境檢測有限公司水質監測報告，其中ｐＨ 值采用玻璃電極法測定，ＤＯ 采用電化學探頭法測定，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）單因子評價法。單因子評價法將各評價指標與《地表水環境質量標準》（ＧＢ ３８３８—２００２）中的評價標準值一一對比，將最差水質指標作為水體的水質評價結果。

根據綜合水質指數值將湖泊水質劃分為優秀、好、中等、差、非常差５ 個等級，其分值分別為［９０，１００］、［７０、９０）、［５０，７０）、［２５，５０）、［０，２５）。

２結果與分析

２．１興慶湖水質指標時空變化

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，從進水口到出水口ｐＨ 值先增大后減小，大湖區ｐＨ 均值相對較大，達到８．３０。湖泊水體ＤＯ 含量為７．４２ ～ １０．９４ ｍｇ／ Ｌ，均值為９．４６ｍｇ／ Ｌ，達到地表水Ⅱ類水標準，其中大湖區ＤＯ 含量較高，均值為１０．０４ ｍｇ／ Ｌ。ＣＯＤ 質量濃度為１２．４６ ～１９．３２ ｍｇ／ Ｌ，進水口、東湖區、大湖區、小湖區和出水口ＣＯＤ 質量濃度均值分別為１４．６１、１５．０９、１６．０８、１４．３０、１５．７７ ｍｇ／ Ｌ，其中小湖區ＣＯＤ 質量濃度較低，大湖區ＣＯＤ 質量濃度較高。ＮＨ３ －Ｎ 質量濃度為０．３１～ ０．７１ｍｇ／ Ｌ，進水口、東湖區、大湖區、小湖區和出水口ＮＨ３ －Ｎ 質量濃度均值分別為０．５１、０．４９、０．４７、０．４４、０．４８ ｍｇ／Ｌ，進水口ＮＨ－Ｎ 質量濃度較高，小湖區ＮＨ－Ｎ質量濃度較低。ＴＰ 質量濃度為０．０２８～０．０６０ ｍｇ／ Ｌ，進水口ＴＰ 波動較大，范圍為０．０２９～０．０４８ ｍｇ／Ｌ，均值為０．０４１ｍｇ／ Ｌ，低于地表水Ⅲ類水標準，而在小湖區和出水口的均值分別為０．０５１、０．０５２ ｍｇ／ Ｌ，均達到地表水Ⅳ類水標準。

從時間分布上看，春夏秋冬４ 個季節興慶湖水體ｐＨ 均值分別為８．２４、８．１９、８．０６、７．９９，ｐＨ 值波動不大，春夏兩季ｐＨ 值較高。春夏秋冬４ 個季節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 個季節ＣＯＤ質量濃度范圍分別為１４．２０～１５．８０、１２．４７～１５.１１、１３．３５～１９．３２、１３．１８～１６．８４ ｍｇ／ Ｌ，與其他季節相比，秋季興慶湖水體ＣＯＤ 質量濃度較高，且波動范圍較大，春季ＣＯＤ質量濃度相對穩定。春夏秋冬４ 個季節ＮＨ３ －Ｎ 質量濃度均值分別為０．４２、０．３７、０．４８、０．６５ ｍｇ／ Ｌ，冬季進水口ＮＨ－Ｎ 質量濃度高于其他季節的，且不同區域ＮＨ－Ｎ 質量濃度波動范圍較大，為０．３１～０．６７ ｍｇ／ Ｌ。春夏秋冬４ 個季節ＴＰ 質量濃度均值分別為０．０４７、０．０５０、０．０４９、０．０４８，與春夏冬三季相比，秋季不同區域ＴＰ 質量濃度波動范圍較大，為０．０２９～０．０５９ ｍｇ／ Ｌ。

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

２．２興慶湖水質評價結果

１）單因子評價法。采用單因子評價法對興慶湖２０１８—２０２０年不同季節不同位置水體進行水質評價，結果見表３。從表３可以看出，除２０１８年冬季進水口水質定類因子為ＣＯＤ 外，進水口其他年份和季節水質定類因子均有ＴＰ；除２０１９年冬季大湖區水質定類因子為ＮＨ－Ｎ外，其他年份和季節大湖區水質定類因子均有ＴＰ；東湖區、小湖區、出水口水質定類因子均有ＴＰ。水質定類因子中ＴＰ 占比９６％，ＣＯＤ 占比２２％，ＮＨ－Ｎ 占比２２％。ｐＨ 值和ＤＯ 未出現在水質定類因子中。總體而言，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，進水口、東湖區、大湖區、小湖區、出水口水質達到Ⅱ類水標準的占比分別為１０％、０、０、０、０，水質達到Ⅲ類水標準的占比分別為４０％、４０％、２０％、２０％、３０％，水質達到Ⅳ類水標準的占比分別為９０％、９０％、７０％、１００％、８０％。綜合來看，進水口、小胡區水質較好，大湖區水質較差，水質由優到劣排序為小湖區、進水口、東湖區、出水口、大湖區。從時間變化來看，春季、夏季、秋季、冬季水質達到Ⅱ類水標準的占比分別為７％、０、０、０，水質達到Ⅲ類水標準的占比分別為４０％、７％、７０％、１０％，水質達到Ⅳ類水標準的占比分別為１００％、６０％、１００％、９０％。綜合來看，春季和秋季水質較好，夏季和冬季水質較差。

２）綜合水質指數評估法。興慶湖不同季節、不同采樣點綜合水質指數見圖２。從空間方面看，進水口綜合水質指數Ｓ為６６．６７～８０．００，平均值為７３．９６，水質等級為中等或好；東湖區Ｓ 為７３．３３～７６．６７，平均值為７５．００，水質等級均為好；大湖區Ｓ 為７３．３３ ～７５．８３，平均值為７４．５８，水質等級均為好；小湖區Ｓ為７２．５０～７４．５８，平均值為７４．５８，水質等級均為好；出水口Ｓ為６９．１７～７４．１７，平均值為７２．５０，水質等級為中等或好。綜合不同區域Ｓ 平均值，進水口和東湖區水質略優于出水口水質，而大湖區和小湖區水質較差。從不同季節看，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。春夏兩季水質為中等或好，秋冬兩季水質等級均為好，即秋冬兩季水質優于春夏兩季水質。Ｓ最大值和最小值分別出現在進水口的秋季和春季，分別為８０．００ 和６６．６７。與其他３ 個季節相比，冬季興慶湖不同區域ＳＷＱＩ波動范圍較小；與其他區域相比，大湖區和小湖區Ｓ 在不同季節的波動范圍較小。

３）水質健康綜合評估法。興慶湖不同季節水質健康綜合評估值Ｓ見圖３。從空間方面來看，進水口Ｓ為０．６９～０．９４，平均值為０．８５；東湖區Ｓ為０．７０～０．７９，平均值為０．７５；大湖區Ｓ 為０．７０～０．８０，平均值為０．７５；小湖區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個區域水質等級均達到好，其中進水口水質等級為優秀。整體上進水口水質較好，出水口水質較差。綜合不同區域Ｓ 平均值，進水口和小湖區水質相對優于東湖區、出水口和大湖區水質。從季節來看，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 個季節水體水質均為好或優秀，整體上秋冬兩季水質優于春夏兩季水質。Ｓ的最大值和最小值分別出現在秋季進水口和夏季出水口，分別為０．９４ 和０．６８。與其他３ 個季節相比，冬季興慶湖不同區域Ｓ波動范圍較小。

４）熵權－ＴＯＰＳＩＳ 法。依據《地表水環境質量標準》（ＧＢ ３８３８—２００２）確定水質評價標準，并基于熵權法計算各指標權重，其中ｐＨ 值、ＤＯ、ＣＯＤ、ＮＨ－Ｎ、ＴＰ權重分別為０．０９０ ５、０．０６２ ０、０．２４０ ０、０．３７９ ３、０．２２８ ２。基于熵權－TＯＰＳＩＳ 法計算得到興慶湖２０１８—２０２０年不同季節各采樣點水質類別，見表４。從空間變化看，進水口、東湖區、大湖區、小湖區和出水口水質達到Ⅱ類水標準的占比分別為５０％、１０％、１０％、０、０，水質達到Ⅲ類水標準的占比分別為８０％、９０％、９０％、１００％、８０％，水質達到Ⅳ類水標準的占比均為１００％。綜合來看，進水口水質較好，出水口水質相對較差。從時間變化來看，春季、夏季、秋季和冬季水質達到Ⅱ類水標準的占比分別為２０％、１３％、１０％、１０％，水質達到Ⅲ類水標準的占比分別為９３％、９３％、１００％、６０％，水質達到Ⅳ類水標準的占比均為１００％。綜合來看，秋季水質較好，冬季水質相對較差。評價結果表明，空間和時間上興慶湖水質均達到Ⅳ類水標準，與單因子指數法評價結果有所差異。

３討論

３．１興慶湖水質變化及驅動因素分析

興慶湖水質應不超過Ⅳ類水標準，根據評價結果，興慶湖水質總體穩定，但存在超Ⅳ類水標準的情況。各水質指標存在時空差異，水體進入興慶湖后，除氨氮（ＮＨ－Ｎ）外，其他水質指標值增大。興慶湖中心區域大湖區ｐＨ值相對較大，原因是雨水和周圍排水系統排放的污水帶入大量可溶性物質，部分離子水解導致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，生物代謝導致溶解氧含量降低。湖泊的流動混合作用使污染物沉積在湖底，增加水體化學需氧量。氣溫變化顯著影響湖泊內磷的含量，進而影響磷的循環［１５－１６］ 。

春夏降水多，引發面源污染的降水量僅次于調水量［１７］ ，降水徑流攜帶沖刷物質流入湖泊使水體溶解有機物含量增加，進而影響水體酸堿度。此外，降水還將周圍土壤養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分輸入增加，生物活動產生有機物，增加湖泊水體有機負荷，進一步影響水體酸堿度。

綜合評價結果顯示，４ 個季節中，秋季興慶湖水質最好，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，導致水體水質下降。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，水體水質好轉。

３．２不同水質評價方法比較分析

不同水質評價方法對城市景觀水體的水質評估結果不同。單因子評價法操作簡單，可以快速對各水質指標進行分類，并確定是否超標，然而其評價結果過于保守，無法全面反映水體水質情況。綜合水質指數評估法通過打分和權重分配綜合考慮各水質指標對水體水質的影響，但權重確定主觀性較強，可能影響評估結果。水質健康綜合評估法考慮了湖泊自身水質特點，其綜合評價結果更符合流域特征，其評價結果與綜合水質指數評估法類似，但該方法指標標準化過程中多以湖泊自身特征為參照標準，其評價結果不具備與其他湖泊評價結果的對比性。熵權－ＴＯＰＳＩＳ法不受指標數量、數據分布等的限制，且熵權法確權與綜合水質指數評估法依賴專家經驗賦權不同，其對水質指標的賦權更客觀，能更準確反映水體水質情況，評估結果在水質空間差異的區分度上優于綜合水質指數評估法和水質健康綜合評估法。

４結論

本研究采用單因子評價法、綜合水質指數評估法、水質健康綜合評估法和熵權－ＴＯＰＳＩＳ 法對興慶湖２０１８ 年１ 月至２０２０年９月水質進行了分析，通過４種方法對比、分析了興慶湖水質時空變化規律。興慶湖水質指標在時空分布上均有差異，水體進入興慶湖后，除氨氮外，其他水質指標值增大。ｐＨ 值春夏兩季高于秋冬兩季，ＴＰ質量濃度夏秋兩季高于春冬兩季，ＣＯＤ、ＮＨ－Ｎ 質量濃度秋冬季高于春夏季。４種水質評價方法對興慶湖水質評價結果有差異，單因子評價結果顯示興慶湖水質有超Ⅳ類水標準的情況，綜合水質指數評估法評價結果顯示興慶湖水質等級為中等或好，水質健康綜合評估法評價結果顯示興慶湖水質等級為優秀或好，熵權－ＴＯＰＳＩＳ法結果顯示興慶湖水質均滿足Ⅳ類水標準。綜合比較分析４ 種評價方法，熵權－ＴＯＰＳＩＳ法不受指標數量、數據分布等的限制，減少了主觀因素的影響，能準確反映水體水質情況。