基于不同综合水质评价方法的长江流域水质时空差异性对比分析

2023-10-27王飞宇李肖杨贾军伟左凌峰于雪静

灌溉排水学报 2023年10期

王飞宇，李肖杨，贾军伟，左凌峰，于雪静，张彦

(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；2.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡 453002；3.郑州大学水利与交通学院，郑州 450001；4.中电建华东勘测设计研究院（郑州）有限公司，郑州 450000；5.江苏省水文水资源勘测局南通分局，江苏南通 226006）

王飞宇1，李肖杨1，贾军伟4，左凌峰1，于雪静5，张彦2,3*

【目的】探究不同综合水质评价方法在长江流域水质评价的运用，并进一步分析长江流域干流及主要支流水质变化特征及时空差异性。【方法】基于长江流域16 个代表性监测断面2008—2018 年的水质数据，利用水质综合指数法、水污染指数法和综合水质标识指数法对长江干流及其主要支流的流域水质状况进行综合评价，并采用M-K趋势检验、聚类分析和判别分析对流域水质的时空分布特征开展研究。【结果】在汛期和非汛期，乐山岷江大桥监测断面DO 质量浓度最小分别为2.86 mg/L 和3.16 mg/L，南昌滁槎断面CODMn和NH3-N 质量浓度最大分别为10.00 mg/L 和6.45 mg/L、2.23 mg/L 和4.48 mg/L；非汛期时南昌滁槎断面采用水污染指数法评价，水质标准IV 类及以上监测次数的占比最大为31.82%，乐山岷江大桥断面采用水质综合指数法评价，处于水质标准IV 类及以上监测次数的占比最大为19.70%；水质评价结果的良好程度为综合水质标识指数法＞水质综合指数法＞水污染指数法；乐山岷江大桥、长沙新港和南昌滁槎等断面水质评价结果的变化趋势最为显著且趋于好转；水质评价结果在空间上具有一定的差异性，乐山岷江大桥、长沙新港和南昌滁槎等断面的水质评价结果相对较差，岷江、湘江和赣江相较于长江其他河流的水质状况略差。【结论】不同综合水质评价方法对长江流域主要监测断面水质的评价结果具有一定差异性，且水质综合指数法的评价结果更能体现水质现状情况。

长江流域；水质评价；时空差异；聚类分析

0 引言

【研究意义】长江流域作为我国的第一大流域，其在全国经济社会发展中具有重要的地位，在生态环境保护越来越受到重视的背景下，长江流域水环境保护成为长江大保护的重要内容，因此开展长江流域水质评价对长江流域水环境管理与保护具有重要意义[1-2]。【研究进展】河流水质评价是采用特定方法定量描述水体质量优劣程度的分析手段，目前河流水质评价的方法主要有单因子评价法、内梅罗污染指数法、模糊综合评价法、粗糙集-贝叶斯网络评价法、熵权-偏序集模型评价法、灰色聚类分析法、水质综合指数法、水污染指数法以及综合水质标识指数法等[3-6]。相关学者运用不同的评价方法对长江流域水质状况进行了评价分析，如董春燕等[7]和王逸可等[8]利用模糊综合评价法对长江中游和南京市长江子汇洲水源地的水质进行评价；白云等[9]基于智能互补思想提出了粗糙集－贝叶斯网络的水质评价方法并评估了嘉陵江流域重庆段的水质状况；陈慧文等[10]利用灰色聚类分析法对上海市长江口水质状况进行了评价；部分研究[11-16]利用水污染指数法分别对长江黄石段、汉江中下游干流、赣江上游桃江流域、沱江流域、湘江长沙段支流、澜沧江西藏段水质状况进行评价；朱叶华等[17]采用水质综合指数法评价了长江沙市江段的水质状况；有研究[18-23]利用综合水质标识指数法评价了汉江中下游、嘉陵江白庙子段、重庆市主城区8 条河流、汉江流域硫铁矿区厚子河支流、长江徐六泾断面和长江口主要入海通道断面的水质状况。【切入点】虽然相关研究运用各种评价方法对长江流域水质进行评价，但由于不同的水质评价方法对河流水质状况的评价结果略有不同，为了更加精准地描述长江流域水体状况，本研究选择不同综合水质评价方法对长江流域水质进行评价并分析其时空差异性特征。【拟解决的关键问题】本研究基于2008—2018 年长江流域干流及主要支流代表性监测断面的水质数据，利用水质综合指数法、水污染指数法和综合水质标识指数法对长江流域水质状况进行评价，并结合Mann-Kendall 趋势检验法、聚类分析等方法探究流域水质的时空差异性特征，以期为长江流域水生态环境绿色健康发展提供相应支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区及数据来源

1.1.1 研究区概况

长江流域（24°N—35°N、90°E—122°E）是我国第一大流域，干流全长约6 300 km，自西向东流经青海、四川、西藏、云南、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海等11 个省（自治区、直辖市），流域面积约180 万km2（图1），其中，汉江[24]是长江最大的支流，全长约1 577 km，流域面积约为15.9 万km2。流域大部分地区属亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，降水年内分布不均。长江流域作为我国经济的重心，年均接纳废污水量约占全国的1/3，目前随着水生态环境治理力度的加强，长江流域水质整体上呈较好的变化趋势。根据中国生态环境统计年报，2019、2020 年和2021 年长江流域处于Ⅰ—Ⅲ类水质断面的占比分别为91.7%、96.7%和97.1%，但仍有部分支流水质状况相对较差且流域内仍有湖库存在水体富营养化现象。水质状况是长江水生态环境健康的重要表征[25-26]，明晰长江流域干流及主要支流水质状况对流域生态资源安全具有重要意义。

1.1.2 数据来源

水质指标数据主要来源于中国环境监测总站编制的《全国主要流域重点断面水质自动监测周报》，文中选取长江干流及主要支流（岷江、沱江、嘉陵江、湘江、赣江、汉江、丹江口水库和夹江）16个监测断面的4项水质指标，监测断面位置及基本信息见图1及表1。水质指标为全国主要流域重点断面水质自动监测周报中监测指标，包括pH、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）和氨氮（NH3-N），指标数据分析执行《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[27]。水质指标监测时间为2008年1—12月，指标监测频次为每周1次。

表1 监测断面基本信息Table 1 Basic information of the monitoring sections

1.2 研究方法

1.2.1 水污染指数法

水污染指数法是以《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中推荐的单因子评价法为基础，选取最严重的指标作为水质类别的判断依据。根据水质类别与水污染指数（WPI）对应表（表2），利用内插法计算监测断面每个评价指标的WPI值并进行比选，在各监测断面分别取各指标对应的WPI最大值作为该断面的WPI值[28-29]。其具体计算过程如下所示：

当水质为I—V类水质标准时，WPI计算式见式（1）；若DO≥7.5 mg/L，其WPI取20；若2≤DOlt;7.5 mg/L，WPI计算式见式（2）；当水质超过V类水质标准时，WPI计算式见式（3）。

式中：C(i)、Ct(i)、Ch(i)、C5(i)分别为第i个水质监测浓度值、水质监测浓度值所在类别标准的下限浓度值、水质监测浓度值所在类别标准的上限浓度值和第i个水质监测浓度值在地表水水质标准中V类标准浓度限值；WPI(i)、WPIt(i)、WPIh(i)分别为各水质监测浓度值对应的水污染指数值；若地表水水质标准中2个水质等级标准值相同，则按低分数值区间插值计算。pH的WPI值一般取20，此外，若pHlt;6，WPI=100+6.67×(6-[pH])；若pH＞9，WPI=100+8×([pH]-9)；若DOlt;2 mg/L，WPI=100+40×(2-[DO])/2。

1.2.2 水质综合指数法

水质综合指数[30]（WQI）的计算式为：

式中：n为监测断面水质指标总数，Ci为监测断面各水质指标的归一化数值，wi为各水质指标的权重。其中，水质指标的权重值依据监测断面不同水质指标对水质影响的程度确定，影响程度较小的水质指标权重为1，影响程度最大的指标权重为4。水质综合指数法根据WQI值将水质状况分为5个等级，分别为优（80～100）、好（60～80）、良（40～60）、中（20～40）、差（0～20），具体如表2所示。

1.2.3 综合水质标识指数法

综合水质标识指数[31-32]能完整标识水质类别、水质情况以及是否达到水环境功能区目标值等信息。该方法主要包括单因子水质标识指数的计算，综合水质标识指数计算以及水质等级的确定3个步骤。通常标识指数由整数位和3位或4位小数组成，其结构为：

式中：X1.X2为综合水质指数，即单项水质指数的平均值；X3和X4为标识码，由X1.X2判断得出。其中，X1为河流总体的综合水质类别；X2为综合水质在X1类水质变化区间内所处位置，根据四舍五入的规则确定，且可实现在同类水中进行水质优劣比较；X3为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的单项指标个数；X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果，视综合水质的污染程度，1位或2位有效数字，当综合水质优于或者等于水环境功能区目标时其为0。

综合水质标识指数中的综合水质指数部分X1.X2，既反映了综合水质类别，又反映了同一水质类别中综合水质的连续性和综合水质污染程度，X1.X2数值越大，综合水质越差。X1.X2具体计算式为：

式中：m为参加综合水质评价的水质单项指标的数目；P1、P2、Pm分别为第1、2、m个水质因子的单因子水质指数，为对应单因子水质标识指数中的整数位和小数点后第1位（单因子水质标识指数中的X1.X2）。其综合水质标识指数与水质类别对应情况如表2所示。

表2 不同水质评价方法评价结果与水质类别对应Table 2 Corresponding table of evaluation results of different water quality evaluation methods and water quality categories

1.2.4 聚类分析和判别分析

聚类分析[28,33]是根据研究对象的特性，进行定量分析的一种多元统计方法。在本研究中聚类分析主要是在水质指标间定义距离，或在水质指标间定义相似系数，距离或相似系数代表水质指标间的相似程度，并按照相似程度的大小进行聚集，进而形成关系图谱。本研究利用SPSS21.0 软件进行长江流域水质评价结果的时间和空间尺度的聚类分析，聚类距离测量方式为平方欧氏距离，水质评价中常按照监测时间和监测断面的地理位置进行聚类，分析长江流域水质的时空变化特征。判别分析[34]主要是根据聚类分析结果进而识别具有显著性的水体污染物指标，其是按照一定的判别原则建立判别函数，进而通过水体污染物数据系列确定判别系数，并计算判别指标。

2 结果与分析

2.1 水质指标统计结果

长江流域主要监测断面2008—2018年不同时期水质指标统计情况如图2所示，可知在汛期和非汛期各监测断面的pH值均处于6～9之间。对于DO，在汛期时南京林山（S7）、乐山岷江大桥（S8）、泸州沱江二桥（S10）、长沙新港（S12）、南昌滁槎（S13）、武汉宗关（S14）、南阳陶岔（S15）和扬州三江营（S16）等监测断面DO质量浓度的最小值分别为4.76、2.86、4.29、3.98、2.87、4.26、4.87、3.69 mg/L，达到了IV类水质标准及以上；在非汛期时乐山岷江大桥、长沙新港和南昌滁槎等断面DO质量浓度的最小值分别为3.16、4.86、3.81 mg/L，达到了IV类水质标准。对于CODMn，在汛期时攀枝花龙洞（S1）、乐山岷江大桥、宜宾凉姜沟（S9）、泸州沱江二桥、南昌滁槎和扬州三江营等断面CODMn质量浓度的最大值分别为6.60、7.10、7.00、10.00、6.20、6.60 mg/L，达到了IV类水质标准；在非汛期时南昌滁槎断面CODMn质量浓度的最大值为6.45 mg/L，达到了IV类水质标准。对于NH3-N，在汛期时长沙新港和南昌滁槎断面NH3-N质量浓度的最大值分别为1.15 mg/L和2.23 mg/L，达到了IV类水质标准和劣V类水质标准；在非汛期时南京林山、乐山岷江大桥、长沙新港、南昌滁槎和扬州三江营等断面NH3-N质量浓度的最大值分别为1.15、1.88、1.28、4.48、1.33 mg/L，达到了IV类水质标准及以上。整体来说，长江流域主要监测断面在非汛期时DO和NH3-N的平均质量浓度略大于汛期，汛期时CODMn的平均质量浓度略大于非汛期；乐山岷江大桥（岷江）、长沙新港（湘江）和南昌滁槎（赣江）等断面的水质状况次于长江流域干流及其他支流监测断面的水质状况。

图2 长江流域主要监测断面不同时期水质指标统计情况Fig.2 Statistics of water quality indicators in different periods at the main monitoring sections in the Yangtze River Basin

2.2 不同水质评价方法下水质评价结果对比分析

利用水污染指数法（WPI）、水质综合指数法（WQI）和综合水质标识指数法（Iwq）对长江流域所选取的监测断面水质状况进行评价，其结果对比如图3所示。可知，长江流域各监测断面在汛期和非汛期时WPI值、WQI值和Iwq值处于水质标准III类及以下的监测次数占比均相对较高，汛期时WPI值、WQI值和Iwq值处于水质标准III类及以下的监测次数占比分别为77.27%、90.91%和100.00%，在非汛期时处于水质标准III类及以下的监测次数占比分别为68.18%、80.30%和100.00%。攀枝花龙洞（S1）、南京林山（S7）、乐山岷江大桥（S8）、宜宾凉姜沟（S9）、泸州沱江二桥（S10）、长沙新港（S12）、南昌滁槎（S13）、武汉宗关（S14）、南阳陶岔（S15）和扬州三江营（S16）等断面的WPI值在汛期时处于水质标准IV类及以上的占比分别为1.52%、4.55%、19.70%、3.03%、7.58%、21.21%、22.73%、1.52%、1.52%和3.03%，其中南昌滁槎的WPI值在汛期时处于劣V类水质标准占比为1.52%；南京林山、乐山岷江大桥、长沙新港、南昌滁槎和扬州三江营等断面的WPI值在非汛期时处于水质标准IV类及以上的占比分别为1.52%、22.73%、6.06%、31.82%和1.52%，其中南昌滁槎的WPI值在非汛期时处于劣V类水质标准占比为7.58%。乐山岷江大桥、长沙新港、南昌滁槎和扬州三江营等断面的WQI值在汛期时处于水质标准IV类及以上的占比分别为1.52%、1.52%、9.09%、1.52%，乐山岷江大桥、长沙新港和南昌滁槎等断面的WQI值在非汛期时处于水质标准IV类及以上的占比分别为19.70%、1.52%和13.64%。长江流域各监测断面的Iwq值在汛期和非汛期均处于水质标准III类及以下。整体来说，综合水质标识指数法水质评价结果表明各监测断面水质状况较好，水质综合指数法次之，水污染指数法相对较差；且汛期时水质评价结果相对于非汛期的评价结果相对较差。

图3 长江流域主要监测断面不同时期水质评价结果对比Fig.3 Comparison of water quality evaluation results in different periods at the main monitoring sections in the Yangtze River Basin

2.3 水质评价结果时间差异性分析

为分析各监测断面在不同水质评价方法下的评价结果的变化趋势，利用M-K趋势检验法对其评价结果的变化趋势进行检测，具体如表3所示。南京林山（S7）、乐山岷江大桥（S8）、南昌滁槎（S13）和南阳陶岔（S15）等断面在汛期时WPI值呈显著的减小趋势，而长沙新港（S12）在汛期时WPI值呈显著的增加趋势；重庆朱沱（S2）、岳阳城陵矶（S4）、南京林山、乐山岷江大桥、长沙新港和南昌滁槎等断面在非汛期时WPI值呈显著的减小趋势。乐山岷江大桥、长沙新港和南阳陶岔断面在汛期时WQI值呈显著的增加趋势，而安庆皖河口（S6）在汛期时WQI值呈显著的减小趋势；重庆朱沱、岳阳城陵矶、九江河西水厂（S5）、安庆皖河口、乐山岷江大桥、泸州沱江二桥（S10）、长沙新港、南昌滁槎和南阳陶岔等断面在非汛期时WQI值呈显著的增加趋势，而广元清风峡在非汛期时WQI值呈显著的减小趋势。攀枝花龙洞（S1）、宜昌南津关（S3）、九江河西水厂、乐山岷江大桥、武汉宗关（S14）和南阳陶岔等断面在汛期时Iwq值呈显著的减小趋势，而安庆皖河口在汛期时Iwq值呈显著的增加趋势；宜昌南津关、乐山岷江大桥、长沙新港和南昌滁槎等断面在非汛期时Iwq值呈显著的减小趋势。由于WPI值和Iwq值越大说明水质评价结果越差，而WQI值越大说明水质评价结果越好，因此长江流域大部分监测断面的水质评价结果趋于变好，而安庆皖河口和广元清风峡断面分别在汛期和非汛期的评价结果趋于变差。此外，在3种水质评价方法下乐山岷江大桥、长沙新港、南昌滁槎和南阳陶岔等断面水质评价结果的变化趋势最为显著。

表3 各监测断面在不同水质评价方法下的评价结果的变化趋势Table 3 Trend of the evaluation results under different water quality evaluation methods at each monitoring section

对各监测断面不同时期水质评价结果的差异性分析（图4）可知，对于WPI值，在汛期和非汛期时乐山岷江大桥和南昌滁槎断面WPI值的变化幅度相对较大，分别为73.20和72.20、81.74和126.17；其变异系数分别为35.10%和35.55%、38.46%和44.14%，均呈中等变异性。对于WQI值，在汛期和非汛期时乐山岷江大桥、长沙新港和南昌滁槎等断面WQI值的变化幅度相对较大，分别为38和44、40和34、45和39；其变异系数分别为10.27%和18.24%、11.27%和11.41%、14.63%和16.16%，均呈中等变异性。相较WPI和WQI，乐山岷江大桥、长沙新港和南昌滁槎断面Iwq值在汛期和非汛期的变化幅度相对较大，分别为1.69和1.82、1.69和1.51、1.86和2.01；其变异系数分别为18.43%和25.08%、13.96%和17.01%、18.86%和21.13%，均呈中等变异性；在汛期时扬州三江营断面Iwq值的变化幅度相对较大，为2.02，其变异系数为20.18%，呈中等变异性。总体来说，长江流域各监测断面不同水质评价结果均有不同程度的差异性，而乐山岷江大桥、长沙新港和南昌滁槎等断面水质评价结果的差异性较大。

2.4 水质评价结果空间差异性分析

为分析各监测断面在不同水质评价方法下评价结果的空间差异性，本文利用聚类分析将汛期和非汛期水质评价结果进行聚类，如图5所示。在汛期和非汛期WPI值和WQI值的空间聚类具有一致性，在空间尺度上将监测断面均分为2组且每组包含的监测断面相同，对于WPI值，A组的监测断面主要包括攀枝花龙洞（S1）、重庆朱沱（S2）、宜昌南津关（S3）、岳阳城陵矶（S4）、九江河西水厂（S5）、安庆皖河口（S6）、南京林山（S7）、乐山岷江大桥（S8）、宜宾凉姜沟（S9）、泸州沱江二桥（S10）、广元清风峡（S11）、长沙新港（S12）、武汉宗关（S14）、南阳陶岔（S15）和扬州三江营（S16），B组的监测断面主要包括南昌滁槎（S13）；对于WQI值，A组的监测断面主要包括S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S11、S14、S15和S16，B组的监测断面主要包括S8、S12和S13。Iwq值在汛期时的空间聚类情况与WQI值的分组是一致的，在非汛期时Iwq值A组的监测断面主要包括S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S11、S12、S14、S15和S16，B组的监测断面主要包括S8和S13。综上所述，根据水质评价结果的空间聚类结果可知其与长江流域水质统计特征分析以及水质评价结果基本上是一致的，即乐山岷江大桥（岷江）、长沙新港（湘江）和南昌滁槎（赣江）等断面的水质状况相对较差。

图4 长江流域主要监测断面不同时期水质评价结果的差异性Fig.4 Differences of water quality evaluation results in different periods at the main monitoring sections in the Yangtze River Basin

对不同时期3 种水质评价结果空间聚类进行判别分析如表4 和表5 所示。由表4 可知，判别分析的判别函数基本可以解释所有水质评价结果在不同时期的信息，WPI值在汛期和非汛期时Wilks 的Lambda 值分别为 0.007 和 0，卡方系数分别为54.938 和91.086；WQI值在汛期和非汛期时Wilks的Lambda 值分别为0 和0，卡方系数分别为73.313和71.629；Iwq值在汛期和非汛期时Wilks 的Lambda值分别为0 和0，卡方系数分别为75.760 和69.924；在不同时期水体污染物判别函数的显著性检验值均小于0.005，说明在不同时期下水体污染物的空间聚类结果有效。另外WPI值在汛期和非汛期空间聚类分析结果的判别分析交叉验证正确率均达到了93.80%，WQI值和Iwq值在汛期和非汛期空间聚类分析结果的判别分析交叉验证正确率均达到了100%（表5），可知其判别分析交叉验证正确率均超过了90%，达到了较高的判别正确率，说明长江流域主要监测断面在3 种水质综合评价方法下的空间聚类结果相对较好；同时对于WQI值，在汛期和非汛期其空间聚类分析结果与水质指标统计结果及时间差异性结果具有较大的一致性；因此，总体来说在时间和空间上水质综合指数法的评价结果更符合长江流域水质现状情况。

图5 各监测断面不同时期水质评价结果的空间尺度聚类情况Fig.5 Spatial-scale cluster of water quality evaluation results in different periods at each monitoring section

表4 不同时期水质评价结果空间尺度上判别分析统计检验Table 4 Statistical test of discriminant analysis on the spatial scale of water quality evaluation results in different periods

表5 不同时期水体污染物指标空间尺度上判别分析交叉验证正确率Table 5 Accuracy of cross-validation of discriminant analysis on spatial scales of water pollutant indicators in different periods

3 讨论

流域水质评价作为流域水环境保护和治理的基础工作，对流域水资源的合理开发利用具有重要意义。本文基于水质综合指数法、水污染指数法和综合水质标识指数法对长江流域干流及主要支流的水质状况进行评价。结果表明，长江流域主要监测断面水质评价结果的良好程度为综合水质标识指数法＞水质综合指数法＞水污染指数法，这主要是由于水污染指数法是将监测断面各水质指标对应的WPI最大值作为该断面的WPI值，即将水体污染物污染最严重的状态作为其水质评价的结果；水质综合指数法是将各水质赋予一定的权重，权重是由监测断面不同水质指标对水质影响的程度确定；综合水质标识指数法主要包括单因子水质标识指数的计算，其标识指数主要是各水质指标的单因子水质指数的平均值所得；因此长江流域主要监测断面在综合水质标识指数法下评价结果的水质状况较好，水质综合指数法次之，水污染指数法的评价结果相对较差；同时结合本研究长江流域水质统计特征分析以及水质评价结果的时间和空间差异性分析可知水质综合指数法的评价结果更能体现水质现状情况。长江流域主要监测断面DO和NH3-N质量浓度的均值非汛期略大于汛期，这主要是由于汛期时河道径流量较大并携带了耗氧污染物进入河流，加剧了河流水体中DO的消耗。相关研究表明长江流域干流宜昌城区水体的CODMn质量浓度在丰水期内随径流量的增大而增大[35]，这与本研究汛期时CODMn质量浓度均值略大于非汛期时CODMn质量浓度均值的结果是一致的。另外，相关研究表明长江下游江段2013—2018年氨氮质量浓度大幅下降[1]，长江干流CODMn质量浓度和NH3-N质量浓度在2010—2019年呈现出降低趋势[36]，2016—2020年岷江干流大部分断面水质类别呈好转趋势[37]，湘江流域永州段所有监测断面CODMn质量浓度均呈显著下降趋势[38]，2015—2020年岷、沱江流域成都段地表水环境质量明显改善且其大部分断面主要污染物浓度下降趋势显著[39]，长江干流地表水水质总体相对较好且上游水质好于中下游[40]，这与本研究长江流域大部分监测断面的水质评价结果趋于变好的结果是一致的；长江流域上中下游CODMn质量浓度在2017—2020年分别下降18.5%、16.0%和14.0%，同时岷沱江和中游两湖地区污染物通量对入长江的贡献较大，这与乐山岷江大桥（岷江）、入洞庭湖断面长沙新港（湘江）和入鄱阳湖断面南昌滁槎（赣江）的水质状况相对较差是一致的[41]。

4 结论

1）在汛期和非汛期时乐山岷江大桥监测断面DO质量浓度最小，分别为2.86 mg/L和3.16 mg/L，南昌滁槎断面CODMn和NH3-N质量浓度最大，分别10.00 mg/L和6.45 mg/L、2.23 mg/L和4.48 mg/L；各监测断面DO和NH3-N质量浓度的均值非汛期略大于汛期，CODMn质量浓度的均值汛期略大于非汛期。

2）在汛期和非汛期时南昌滁槎断面在水污染指数法水质评价下处于水质标准IV类及以上监测次数的占比均最大，分别为22.73%和31.82%，南昌滁槎断面（汛期）和乐山岷江大桥断面（非汛期）在水质综合指数法水质评价下处于水质标准IV类及以上监测次数的占比最大，分别为9.09%和19.70%；水质评价结果的良好程度为综合水质标识指数法＞水质综合指数法＞水污染指数法，且水质综合指数法的评价结果更能体现水质现状情况。

3）乐山岷江大桥、长沙新港和南昌滁槎等断面的水质评价结果的变化趋势最为显著且趋于好转，同时其在时间上具有较大的差异性；水质评价结果在空间上具有一定的差异性，乐山岷江大桥、长沙新港和南昌滁槎等断面的水质评价结果相对较差，岷江、湘江和赣江相对于长江其他河流其水质状况略差。

（作者声明本文无实际或潜在利益冲突）

Comparative Analysis of Spatiotemporal Variability in Water Quality of the Yangtze River Based on Different Water Quality Evaluation Methods

WANG Feiyu1, LI Xiaoyang1, JIA Junwei4, ZUO Lingfeng1, YU Xuejing5, ZHANG Yan2,3*
(1. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 3. School of Water Conservancy and Transportation, Zhengzhou University,Zhengzhou 450001, China; 4. Huadong Engineering (Zhengzhou) Corporation Limited, PowerChina, Zhengzhou 450000, China;5.Nantong Branch Bureau, Jiangsu Provincial Hydrology and Water Resources Investigation Bureau, Nantong, 226006, China)

【Objective】A prerequisite for managing a catchment is to comprehensively understand the changes in its water quality. Using different methods, this paper comparatively analyzes the spatiotemporal variation in water quality of the Yangtze River, including its main streams and tributaries. 【Method】The study is based on water quality data collected from 2008 to 2018 from 16 monitoring sections within the basin. Various methods, including the comprehensive water quality index (WQI), water pollution index (WPI), and comprehensive water quality identification index (Iwq), were used to assess water quality. Additionally, statistical methods including the Mann-Kendall trend test, cluster analysis, and discriminant analysis were utilized to analyze the spatiotemporal variation in water quality.【Result】In flooding and non-flooding seasons, the section proximal to the Leshan Minjiang Bridge had minimum dissolved oxygen (DO) concentration, which is 2.86 mg/L and 3.16 mg/L, respectively. Conversely,the Nanchang Chucha section had maximum concentration of chemical oxygen demand (CODMn) and ammonia nitrogen (NH3-N), which was 10.00 mg/L and 6.45 mg/L, and 2.23 mg/L and 4.48 mg/L, respectively. In the nonflooding season, 31.82% of water in the Nanchang Chucha section achieved Class IV grade or higher (evaluated byWPI), whereas this figure reduced to 19.70% (evaluated byWQI) for the Leshan Minjiang Bridge section. TheIwqmethod yielded the highest water quality, followed byWQIandWPI. All three methods indicated that water quality had improved in the Leshan Minjiang Bridge, Changsha Xingang, and Nanchang Chucha sections. Water quality varied spatially, with poor quality observed in the Leshan Minjiang Bridge, Changsha Xinkang, and Nanchang Chucha sections, and slightly poor quality was found in the Minjiang, Xiangjiang, and Ganjiang sections.【Conclusion】The evaluation of water quality using different methods within the Yangtze River basin yielded varied results, with theWQImethod working best.

Yangtze River Basin; water quality evaluation; spatio-temporal differences; cluster analysis

X824

10.13522/j.cnki.ggps.2023102

王飞宇, 李肖杨, 贾军伟, 等. 基于不同综合水质评价方法的长江流域水质时空差异性对比分析[J]. 灌溉排水学报,2023, 42(10): 74-84.

WANG Feiyu, LI Xiaoyang, JIA Junwei, et al. Comparative Analysis of Spatiotemporal Variability in Water Quality of the Yangtze River Based on Different Water Quality Evaluation Methods[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10):74-84.

1672 - 3317（2023）10 - 0074 - 11

2023-03-16

2023-06-25

2023-10-18

美丽中国生态文明建设科技工程专项资助项目（XDA23040304）；河南省自然科学基金项目（212300410310）

王飞宇（1992-），女。博士，主要从事流域水循环模拟研究。E-mail: wangfy.14s@igsnrr.ac.cn

张彦（1989-），男。助理研究员，主要从事水资源与水环境研究。E-mail: zhangyan09@caas.cn

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责任编辑：赵宇龙