城市景观水体水质时空分布特征及其评价方法适用性研究

关键词：单因子评价法；综合水质指数评估法；水质健康综合评估法；熵权－ＴＯＰＳＩＳ 法；湖泊水质

中图分类号：Ｘ５２４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．０２１

引用格式：袁小梦，李涛，孙超，等．城市景观水体水质时空分布特征及其评价方法适用性研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（９）：１４４－１４９．

城市景观水体在城市防洪调蓄和保护生物多样性等方面发挥着重要作用［１］ ，影响城市规划和人文环境景观塑造［２］ ，对城市生态化建设具有重要意义。科学有效评估城市景观水体水环境现状及其时空变化特征是其水污染防治的基础。目前，单因子评价法是一种较为常用的水质评价方法，但该方法不能反映水体水质的整体状况［３］ 。综合水质评价法综合考虑了各指标间的相互作用关系，可以提高水质评价的准确性和可靠性。综合水质评价法包括综合水质指数评估法［４］ 、水质健康综合评估法［５］ 、综合营养状态指数法［６－７］ 、改进ＴＯＰＳＩＳ 法［８］ 等。

为了解城市景观水体水质时空分布特征，选取兴庆湖为研究对象，采用单因子评价法、综合水质评价法，基于２０１８—２０２０ 年监测数据对兴庆湖水质进行评价，揭示湖泊水质变化特征，探讨不同评价方法在兴庆湖水质评价中的适用性，以期为后续城市景观水体管理提供参考。

１材料与方法

兴庆湖位于陕西省西安市兴庆宫公园内，是西安市最大的人工湖，兴庆湖作为典型的城市景观湖泊，具有防洪、涵养水源、美化市容市貌等功能。兴庆湖日常蓄水量２０ 万ｍ^３，调蓄库容２７ 万ｍ^３，平均水深１．６ｍ，区域多年平均气温１３．３ ℃，多年平均降水量６２９．９ ｍｍ。

１．１数据来源

在兴庆湖进水口、东湖区、大湖区、出水口、小湖区分别布设采样点Ｑ１～ Ｑ５（见图１），监测指标包括ｐＨ值，以及溶解氧（ＤＯ）、化学需氧量（ＣＯＤ）、氨氮（ＮＨ－Ｎ）、总磷（ＴＰ）含量。２０１８ 年1月至２０２０ 年９ 月逐月进行水质监测，监测数据来自西安高新区中凯环境检测有限公司水质监测报告，其中ｐＨ 值采用玻璃电极法测定，ＤＯ 采用电化学探头法测定，ＣＯＤ 采用重铬酸盐法测定，ＮＨ－Ｎ 采用纳氏试剂分光光度法测定，总磷采用钼酸铵分光光度法测定。

１．２研究方法

１）单因子评价法。单因子评价法将各评价指标与《地表水环境质量标准》（ＧＢ ３８３８—２００２）中的评价标准值一一对比，将最差水质指标作为水体的水质评价结果。

根据综合水质指数值将湖泊水质划分为优秀、好、中等、差、非常差５ 个等级，其分值分别为［９０，１００］、［７０、９０）、［５０，７０）、［２５，５０）、［０，２５）。

２结果与分析

２．１兴庆湖水质指标时空变化

从空间分布上看，兴庆湖水体ｐＨ 值为７．５０ ～８．５０，整体呈中性偏弱碱性，从进水口到出水口ｐＨ 值先增大后减小，大湖区ｐＨ 均值相对较大，达到８．３０。湖泊水体ＤＯ 含量为７．４２ ～ １０．９４ ｍｇ／ Ｌ，均值为９．４６ｍｇ／ Ｌ，达到地表水Ⅱ类水标准，其中大湖区ＤＯ 含量较高，均值为１０．０４ ｍｇ／ Ｌ。ＣＯＤ 质量浓度为１２．４６ ～１９．３２ ｍｇ／ Ｌ，进水口、东湖区、大湖区、小湖区和出水口ＣＯＤ 质量浓度均值分别为１４．６１、１５．０９、１６．０８、１４．３０、１５．７７ ｍｇ／ Ｌ，其中小湖区ＣＯＤ 质量浓度较低，大湖区ＣＯＤ 质量浓度较高。ＮＨ３ －Ｎ 质量浓度为０．３１～ ０．７１ｍｇ／ Ｌ，进水口、东湖区、大湖区、小湖区和出水口ＮＨ３ －Ｎ 质量浓度均值分别为０．５１、０．４９、０．４７、０．４４、０．４８ ｍｇ／Ｌ，进水口ＮＨ－Ｎ 质量浓度较高，小湖区ＮＨ－Ｎ质量浓度较低。ＴＰ 质量浓度为０．０２８～０．０６０ ｍｇ／ Ｌ，进水口ＴＰ 波动较大，范围为０．０２９～０．０４８ ｍｇ／Ｌ，均值为０．０４１ｍｇ／ Ｌ，低于地表水Ⅲ类水标准，而在小湖区和出水口的均值分别为０．０５１、０．０５２ ｍｇ／ Ｌ，均达到地表水Ⅳ类水标准。

从时间分布上看，春夏秋冬４ 个季节兴庆湖水体ｐＨ 均值分别为８．２４、８．１９、８．０６、７．９９，ｐＨ 值波动不大，春夏两季ｐＨ 值较高。春夏秋冬４ 个季节ＤＯ含量分别为９．４６、９．１８、８．５９、１０．６２ ｍｇ／ Ｌ，冬季ＤＯ 含量较高。春夏秋冬４ 个季节ＣＯＤ质量浓度范围分别为１４．２０～１５．８０、１２．４７～１５.１１、１３．３５～１９．３２、１３．１８～１６．８４ ｍｇ／ Ｌ，与其他季节相比，秋季兴庆湖水体ＣＯＤ 质量浓度较高，且波动范围较大，春季ＣＯＤ质量浓度相对稳定。春夏秋冬４ 个季节ＮＨ３ －Ｎ 质量浓度均值分别为０．４２、０．３７、０．４８、０．６５ ｍｇ／ Ｌ，冬季进水口ＮＨ－Ｎ 质量浓度高于其他季节的，且不同区域ＮＨ－Ｎ 质量浓度波动范围较大，为０．３１～０．６７ ｍｇ／ Ｌ。春夏秋冬４ 个季节ＴＰ 质量浓度均值分别为０．０４７、０．０５０、０．０４９、０．０４８，与春夏冬三季相比，秋季不同区域ＴＰ 质量浓度波动范围较大，为０．０２９～０．０５９ ｍｇ／ Ｌ。

综上，兴庆湖水质指标值（ｐＨ 值、ＤＯ、ＣＯＤ、ＮＨ－Ｎ、ＴＰ）时空差异较大。ｐＨ 值春夏两季高于秋冬两季，ＴＰ质量浓度夏秋两季高于春冬两季，ＣＯＤ、ＮＨ－Ｎ 质量浓度秋冬两季高于春夏两季。

２．２兴庆湖水质评价结果

１）单因子评价法。采用单因子评价法对兴庆湖２０１８—２０２０年不同季节不同位置水体进行水质评价，结果见表３。从表３可以看出，除２０１８年冬季进水口水质定类因子为ＣＯＤ 外，进水口其他年份和季节水质定类因子均有ＴＰ；除２０１９年冬季大湖区水质定类因子为ＮＨ－Ｎ外，其他年份和季节大湖区水质定类因子均有ＴＰ；东湖区、小湖区、出水口水质定类因子均有ＴＰ。水质定类因子中ＴＰ 占比９６％，ＣＯＤ 占比２２％，ＮＨ－Ｎ 占比２２％。ｐＨ 值和ＤＯ 未出现在水质定类因子中。总体而言，２０１８—２０２０ 年兴庆湖主要污染物为ＴＰ，其次为ＮＨ－Ｎ、ＣＯＤ。

在空间变化方面，进水口、东湖区、大湖区、小湖区、出水口水质达到Ⅱ类水标准的占比分别为１０％、０、０、０、０，水质达到Ⅲ类水标准的占比分别为４０％、４０％、２０％、２０％、３０％，水质达到Ⅳ类水标准的占比分别为９０％、９０％、７０％、１００％、８０％。综合来看，进水口、小胡区水质较好，大湖区水质较差，水质由优到劣排序为小湖区、进水口、东湖区、出水口、大湖区。从时间变化来看，春季、夏季、秋季、冬季水质达到Ⅱ类水标准的占比分别为７％、０、０、０，水质达到Ⅲ类水标准的占比分别为４０％、７％、７０％、１０％，水质达到Ⅳ类水标准的占比分别为１００％、６０％、１００％、９０％。综合来看，春季和秋季水质较好，夏季和冬季水质较差。

２）综合水质指数评估法。兴庆湖不同季节、不同采样点综合水质指数见图２。从空间方面看，进水口综合水质指数Ｓ为６６．６７～８０．００，平均值为７３．９６，水质等级为中等或好；东湖区Ｓ 为７３．３３～７６．６７，平均值为７５．００，水质等级均为好；大湖区Ｓ 为７３．３３ ～７５．８３，平均值为７４．５８，水质等级均为好；小湖区Ｓ为７２．５０～７４．５８，平均值为７４．５８，水质等级均为好；出水口Ｓ为６９．１７～７４．１７，平均值为７２．５０，水质等级为中等或好。综合不同区域Ｓ 平均值，进水口和东湖区水质略优于出水口水质，而大湖区和小湖区水质较差。从不同季节看，春季Ｓ 为６６．６７ ～７５．８３，平均值为７１．８９；夏季Ｓ为６９．１７～７５．８３，平均值为７２．７８；秋季Ｓ 为７３．３３～８０．００，平均值为７６．３９；冬季Ｓ 为７３．３３～７５．００，平均值为７４．１７。春夏两季水质为中等或好，秋冬两季水质等级均为好，即秋冬两季水质优于春夏两季水质。Ｓ最大值和最小值分别出现在进水口的秋季和春季，分别为８０．００ 和６６．６７。与其他３ 个季节相比，冬季兴庆湖不同区域ＳＷＱＩ波动范围较小；与其他区域相比，大湖区和小湖区Ｓ 在不同季节的波动范围较小。

３）水质健康综合评估法。兴庆湖不同季节水质健康综合评估值Ｓ见图３。从空间方面来看，进水口Ｓ为０．６９～０．９４，平均值为０．８５；东湖区Ｓ为０．７０～０．７９，平均值为０．７５；大湖区Ｓ 为０．７０～０．８０，平均值为０．７５；小湖区Ｓ为０．７８～０．８２，平均值为０．７９；出水口Ｓ为０．６８～０B2QWZz2i8P+QMJtxUwiIWQ==．８０，平均值为０．７５。

５个区域水质等级均达到好，其中进水口水质等级为优秀。整体上进水口水质较好，出水口水质较差。综合不同区域Ｓ 平均值，进水口和小湖区水质相对优于东湖区、出水口和大湖区水质。从季节来看，春季Ｓ为０．７０～０．８２，夏季Ｓ为０．６８～０．９１，秋季Ｓ 为０．７４～０．９４，冬季Ｓ为０．７９～０．８５，４ 个季节水体水质均为好或优秀，整体上秋冬两季水质优于春夏两季水质。Ｓ的最大值和最小值分别出现在秋季进水口和夏季出水口，分别为０．９４ 和０．６８。与其他３ 个季节相比，冬季兴庆湖不同区域Ｓ波动范围较小。

４）熵权－ＴＯＰＳＩＳ 法。依据《地表水环境质量标准》（ＧＢ ３８３８—２００２）确定水质评价标准，并基于熵权法计算各指标权重，其中ｐＨ 值、ＤＯ、ＣＯＤ、ＮＨ－Ｎ、ＴＰ权重分别为０．０９０ ５、０．０６２ ０、０．２４０ ０、０．３７９ ３、０．２２８ ２。基于熵权－TＯＰＳＩＳ 法计算得到兴庆湖２０１８—２０２０年不同季节各采样点水质类别，见表４。从空间变化看，进水口、东湖区、大湖区、小湖区和出水口水质达到Ⅱ类水标准的占比分别为５０％、１０％、１０％、０、０，水质达到Ⅲ类水标准的占比分别为８０％、９０％、９０％、１００％、８０％，水质达到Ⅳ类水标准的占比均为１００％。综合来看，进水口水质较好，出水口水质相对较差。从时间变化来看，春季、夏季、秋季和冬季水质达到Ⅱ类水标准的占比分别为２０％、１３％、１０％、１０％，水质达到Ⅲ类水标准的占比分别为９３％、９３％、１００％、６０％，水质达到Ⅳ类水标准的占比均为１００％。综合来看，秋季水质较好，冬季水质相对较差。评价结果表明，空间和时间上兴庆湖水质均达到Ⅳ类水标准，与单因子指数法评价结果有所差异。

３讨论

３．１兴庆湖水质变化及驱动因素分析

兴庆湖水质应不超过Ⅳ类水标准，根据评价结果，兴庆湖水质总体稳定，但存在超Ⅳ类水标准的情况。各水质指标存在时空差异，水体进入兴庆湖后，除氨氮（ＮＨ－Ｎ）外，其他水质指标值增大。兴庆湖中心区域大湖区ｐＨ值相对较大，原因是雨水和周围排水系统排放的污水带入大量可溶性物质，部分离子水解导致ｐＨ值升高。生物代谢消耗溶解氧，尤其在浅水和光照充足的地方，例如出水口，生物代谢导致溶解氧含量降低。湖泊的流动混合作用使污染物沉积在湖底，增加水体化学需氧量。气温变化显著影响湖泊内磷的含量，进而影响磷的循环［１５－１６］ 。

春夏降水多，引发面源污染的降水量仅次于调水量［１７］ ，降水径流携带冲刷物质流入湖泊使水体溶解有机物含量增加，进而影响水体酸碱度。此外，降水还将周围土壤养分和土壤颗粒带入湖泊，从而增加水体总磷含量。春夏温度升高，阳光充足，植物和浮游生物大量繁殖使水体养分输入增加，生物活动产生有机物，增加湖泊水体有机负荷，进一步影响水体酸碱度。

综合评价结果显示，４ 个季节中，秋季兴庆湖水质最好，夏季较差。夏季高温、雨水冲刷、光照充足、生物代谢加快等因素相互作用，导致水体水质下降。秋季降水量低于夏季的，降水径流带入湖泊的污染物少，气温降低、生物生长代谢减慢，在湖泊自净作用下，污染物浓度降低，水体水质好转。

３．２不同水质评价方法比较分析

不同水质评价方法对城市景观水体的水质评估结果不同。单因子评价法操作简单，可以快速对各水质指标进行分类，并确定是否超标，然而其评价结果过于保守，无法全面反映水体水质情况。综合水质指数评估法通过打分和权重分配综合考虑各水质指标对水体水质的影响，但权重确定主观性较强，可能影响评估结果。水质健康综合评估法考虑了湖泊自身水质特点，其综合评价结果更符合流域特征，其评价结果与综合水质指数评估法类似，但该方法指标标准化过程中多以湖泊自身特征为参照标准，其评价结果不具备与其他湖泊评价结果的对比性。熵权－ＴＯＰＳＩＳ法不受指标数量、数据分布等的限制，且熵权法确权与综合水质指数评估法依赖专家经验赋权不同，其对水质指标的赋权更客观，能更准确反映水体水质情况，评估结果在水质空间差异的区分度上优于综合水质指数评估法和水质健康综合评估法。

４结论

本研究采用单因子评价法、综合水质指数评估法、水质健康综合评估法和熵权－ＴＯＰＳＩＳ 法对兴庆湖２０１８ 年１ 月至２０２０年９月水质进行了分析，通过４种方法对比、分析了兴庆湖水质时空变化规律。兴庆湖水质指标在时空分布上均有差异，水体进入兴庆湖后，除氨氮外，其他水质指标值增大。ｐＨ 值春夏两季高于秋冬两季，ＴＰ质量浓度夏秋两季高于春冬两季，ＣＯＤ、ＮＨ－Ｎ 质量浓度秋冬季高于春夏季。４种水质评价方法对兴庆湖水质评价结果有差异，单因子评价结果显示兴庆湖水质有超Ⅳ类水标准的情况，综合水质指数评估法评价结果显示兴庆湖水质等级为中等或好，水质健康综合评估法评价结果显示兴庆湖水质等级为优秀或好，熵权－ＴＯＰＳＩＳ法结果显示兴庆湖水质均满足Ⅳ类水标准。综合比较分析４ 种评价方法，熵权－ＴＯＰＳＩＳ法不受指标数量、数据分布等的限制，减少了主观因素的影响，能准确反映水体水质情况。