巴基斯坦饮用水源湖泊水质时空变化的地球化学与气候影响及其环境和公共卫生意义

本研究结合遥感技术与实地水质监测，系统评估了巴基斯坦伊斯兰堡地区三大饮用水源湖泊（Rawal、Simly和Khanpur）1991–2020年间的水体面积变化与水质动态。研究发现湖泊面积与降雨量呈正相关，与温度呈负相关；湿季微生物污染显著升高，重金属除硼（B）、镍（Ni）、铬（Cr）外均低于限值。该研究为气候敏感区水资源管理提供了可推广的监测框架。

　　

1 引言

水库是全球范围内用于灌溉、工业、防洪及生活饮用水的重要地表水资源。气候变化、城市化、人口增长和人类活动正深刻影响这些水体，极端天气事件如洪水、干旱以及温湿度变化对其具有显著影响。巴基斯坦境内约有225个湖泊，其中Rawal、Simly和Khanpur湖（合称RSK湖泊）作为伊斯兰堡及周边地区重要的饮用水来源，其水质与水量的变化直接关系到公共供水安全与区域生态健康。

2 材料与方法

2.1 研究区与气候特征

Rawal湖位于伊斯兰堡市中心，Simly湖位于东北约19公里，Khanpur湖则距伊斯兰堡约30公里，隶属开伯尔-普赫图赫瓦省。三者均承担着饮用、灌溉及工业用水供应，并配有水处理厂。该地区属四季分明气候，最高温可达46.5°C，年最大降雨记录为620毫米。

2.2 数据收集与处理

利用1991–2020年Landsat 5/7/8卫星影像，通过Google Earth Engine（GEE）平台进行水体提取与变化监测，并结合ArcGIS 10.8进行空间分析与可视化。气象数据来自巴基斯坦气象局（PMD）。

2.3 数据分析与水特征变化检测

采用多种遥感指数进行水体识别与变化分析，包括归一化植被指数（NDVI）、归一化水体指数（NDWI）、改进归一化水体指数（MNDWI）、自动水体提取指数（AWEI）、归一化湿度指数（NDMI）和水体比率指数（WRI）。通过设定阈值区划水体与非水体区域，并结合地面气象数据进行相关性分析。

3 水质分析

于2023年干湿两季采集水样，依据标准方法（APHA, 2017）进行理化和生物指标检测，包括pH、电导率（EC）、溶解氧（DO）、生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、重金属及细菌总数和大肠杆菌。

4 统计分析

使用Python进行Pearson相关性分析，评估湖泊面积与年平均温度（MAT）、年降雨量（MAR）之间的关系。

5 结果与讨论

5.1 Rawal湖水面变化

NDWI、MNDWI、AWEI等指数显示2020年水体面积最大，2010年最小，变化与温度呈负相关，与降雨量正相关。

5.2 Simly湖水面变化

多数指数显示2020年面积最大，2010年最低，温度与降雨的影响与Rawal湖类似。

5.3 Khanpur湖水面变化

在所有湖泊中变化幅度最大，2020年达到峰值，2010年为谷值，进一步印证气候因子的主导作用。

整体上，三个湖泊的水体面积在高温少雨的2000与2010年显著缩减，而在低温多雨的2020年明显扩张。

6 精度评估

NDWI和WRI在各湖中提取精度最高（Kappa > 0.90），NDMI因对植被湿度敏感而精度稍低。

7 RSK湖泊季节性水质

水质参数大多符合巴基斯坦饮用水标准（PSQCA），但浊度与细菌数超标。湿季大肠杆菌和总菌数显著高于干季。重金属中仅硼、镍、铬在部分样本中有检出，但仍低于限值。

8 结论

RSK湖泊的面积变化与气候变量密切相关，水质则在湿季面临微生物污染风险。遥感技术为大范围、低成本的水体监测提供有效手段。建议加强流域管理、优化土地利用政策、建立气候韧性供水策略，以保障饮用水安全与生态可持续性。

全球研究合作声明

作者感谢巴基斯坦水资源研究委员会（PCRWR）和国家饮用水质实验室（NDWQL）的协作与支持。

致谢

感谢中国国家自然科学基金（32071655）、天山人才计划、中国科学院PIFI奖学金（2025PVA0101_Y1）和ANSO培训项目（ANSO-TP-2023-04）的资助。

利益冲突声明

作者声明无相关利益冲突。