尼罗河流域废水灌溉水质评估新突破：多技术融合开启精准监测新时代

为解决埃及尼罗河三角洲地区农业灌溉用水的水质评估与预测难题，研究人员开展了 “利用综合指数法和高光谱反射测量结合多变量分析预测灌溉废水水质” 的研究。研究发现多种水质特征，开发了新光谱指数，验证了 PLSR 模型准确性，对废水灌溉研究意义重大。

　　水，是生命之源，却在全球范围内面临着严峻挑战。随着人口增长、工业发展以及气候变化，水资源的供需矛盾日益突出，水污染问题也愈发严重。在农业灌溉领域，水资源的合理利用和水质保障至关重要，它直接关系到农作物的产量和质量，进而影响着粮食安全和生态平衡。埃及，作为一个严重依赖尼罗河水资源的国家，其尼罗河三角洲地区的农业灌溉用水面临着诸多困境。一方面，该地区农业灌溉对水资源的需求巨大，而水资源供应却十分有限；另一方面，农业排水废水的污染问题严重，导致灌溉用水质量参差不齐，这不仅影响了农作物的生长，还对土壤生态环境造成了潜在威胁。因此，如何准确评估和预测尼罗河流域灌溉废水的水质，成为了亟待解决的问题。

在这样的背景下，来自多个国家研究机构的研究人员共同开展了一项具有重要意义的研究。他们旨在通过综合运用多种技术手段，为埃及的水资源管理提供科学依据和可行方案，同时也为全球水资源匮乏地区的农业用水管理提供借鉴。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，通过采集尼罗河流域罗塞塔分支周围的 50 个排水水样（采样和分析），对水样进行了全面的理化参数和金属浓度测定。其次，利用便携式手持光谱仪测量水样的光谱反射率（光谱反射率测量），获取了丰富的光谱数据。最后，运用偏最小二乘法回归（PLSR）模型对光谱数据进行分析，预测灌溉用水水质指数（IWQIs）（部分最小二乘法回归）。

下面来详细看看研究结果：

1. 测量参数的统计范围：对采集的水样进行分析后发现，该地区排水水的平均温度约为 28.192^oC，pH 值呈弱碱性，平均电导率（EC）为 848.52 μS/cm，总溶解固体（TDS）平均值为 547.5 mg/L，表明水为淡水至微咸水。主要离子含量中，Na⁺是主要阳离子，HCO₃^-是主要阴离子。同时，水样中痕量元素含量较低，金属污染极小，符合灌溉用水标准。
2. 控制机制和化学演化：借助 Piper 图和 Gibbs 图等图形技术分析水文地球化学数据可知，该地区排水水的地球化学水类型主要有 Ca-HCO₃、Na-HCO₃、Ca-Mg-Cl-SO₄和 Na-Ca-HCO₃等。蒸发和岩石主导过程是影响排水水化学成分的重要机制。根据 Chadha 的分类，排水水样本显示出与碱性土壤混合的特征，受岩石 - 水相互作用影响。
3. 多种灌溉水质量指数：计算了多种灌溉水质量指数（IWQIs），包括 IWQI、钠吸附比（SAR）、钠百分比（Na%）、剩余碳酸钠（RSC）、渗透率指数（PI）等。结果显示，IWQI 值范围为 44.98 - 99.89，平均值为 81.36，约 4% 的排水水样灌溉限制较高，30% 为中度限制，18% 为低度限制，48% 无限制；所有排水样本的 SAR 值均小于 10，平均值为 1.74，表明水质较好；Na% 读数显示大部分水样（50%）状况良好，其余可用于灌溉；RSC 值均小于 1.25，所有排水水样均被评为优秀，适合灌溉；PI 值表明所有排水样本均适合农业灌溉。
4. 污染指数：计算了多种污染指数，如重金属潜在毒性指数（HPI）、金属指数（MI）、污染指数（C_d）和潜在毒性指数（PI）等，以评估水中各种金属的浓度。HPI 结果显示，短期使用时所有样本均低于推荐值，长期使用时约 96% 的样本低于推荐值，4% 高于推荐值；MI 结果表明金属对排水水样有一定影响；C_d结果显示大部分水样在长期和短期使用时金属污染较低；PI 评估显示除 Zn 对土壤和植物有中度影响外，其他重金属对灌溉用水影响较小，但长期使用时部分微量元素浓度较高，需在灌溉前去除。
5. 光谱指数评估水质指数的性能：利用 50 个排水样本的光谱反射率数据，开发了新的光谱反射指数（SRIs），如 RSI_566,1140和 RSI_564,1140与总叶绿素（T Chl.）相关性强（R²=0.73），RSI_456,422与 IWQI 相关性强（R²=0.67），RSI_500,400与生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）相关性良好（R²分别为 0.75 和 0.78）。
6. 使用 PLSR 预测不同的 WQIs：运用 PLSR 模型，以 SRIs 为输入变量预测 IWQIs，结果显示该模型在估计 IWQIs 方面具有较高准确性。例如，对 T Chl. 的预测，校准数据集 R²=0.87，验证数据集 R²=0.77；对 BOD 的预测，校准数据集 R²=0.96，验证数据集 R²=0.81 。

研究结论表明，通过综合传统水质指数、高光谱反射测量（302 - 1148 nm）和多元统计建模的方法，研究人员全面评估了埃及尼罗河三角洲地区废水灌溉的适用性。研究发现该地区以 Ca-Mg-HCO₃/SO₄为主要水化学相，岩石 - 水相互作用和蒸发是关键控制过程。开发的新光谱反射指数和验证的 PLSR 模型，为快速水质监测提供了有力工具。然而，研究也存在一定局限性，如样本量有限可能影响模型通用性，光谱测量受大气条件影响等。未来研究应聚焦于通过卫星高光谱系统扩大技术规模，测试污染缓解策略，开发适合农民使用的低成本光谱传感器等方面。这项研究将传统水质分析与先进遥感技术相结合，为水资源匮乏地区的可持续废水再利用提供了可行框架，对环境保护和粮食安全具有重要意义。