GIS驱动的恒河帕特纳段水质季节性变化及灌溉适宜性研究

《Cleaner Water》：GIS-Driven Insights into Seasonal Water Quality Shifts: The Ganga River’s Journey Through Patna’s Urban Drains (Bihar, India)

本研究针对印度帕特纳市恒河段受城市排水渠污染影响的问题，采用GIS空间分析结合多元统计方法，系统评估了水体理化性质及灌溉适宜性。研究发现冬季污染物浓度普遍高于夏季，主要受地质风化与人为排放（生活污水、农业径流）共同影响。灌溉指数（SAR、%Na、KR）表明河水整体适宜农业使用，但部分排水渠下游存在钠污染风险。该研究为制定针对性的河流管理策略提供了科学依据。

　　

恒河作为印度北部数百万人的生命线，不仅为农业、生活和工业提供必需水源，更承载着深厚的文化底蕴和生态价值。然而，随着快速城市化和无序排污的加剧，这条圣河正面临日益严重的污染威胁。在比哈尔邦首府帕特纳市，多个城市排水渠持续将未经处理的污水排入恒河，对河流健康构成直接挑战。尽管已有研究关注恒河的水质状况，但针对帕特纳段排水渠特异性影响、灌溉适宜性的系统评估，以及结合地理信息系统（GIS）的空间可视化分析仍存在明显空白。

为填补这些研究空白，由Rajesh Kumar Ranjan领导的研究团队在《Cleaner Water》上发表了最新研究成果。研究人员在2022年夏季和2023年冬季分别采集了20个水样，覆盖帕特纳段恒河的8个区域，包括排水渠上游、排水渠本身和排水渠下游的采样点。每个样本均检测了包括碱度、浊度、氯离子（Cl^-）、pH、电导率（EC）、总溶解固体（TDS）、溶解氧（DO）、钠离子（Na⁺）、钾离子（K⁺）、磷酸盐（PO₄^3-）、硝酸盐（NO₃^-）、硫酸盐（SO₄^2-）、钙离子（Ca²⁺）和镁离子（Mg²⁺）在内的多项理化参数。

研究团队采用了多种关键技术方法：通过GIS进行空间插值和污染热点可视化；运用皮尔逊相关矩阵（PCM）分析参数间关联性；采用主成分分析（PCA）识别污染源；计算钠吸附比（SAR）、钠百分比（%Na）和凯利比率（KR）等灌溉适宜性指数。

3.1. 理化参数

分析结果显示，所有水样的pH值在夏季为7.2-7.9，冬季为7.5-8.19，均处于灌溉用水适宜范围（6.4-8.5）内。电导率（EC）值在夏季为280-760 μS/cm，冬季为440-980 μS/cm，除库尔齐排水渠和巴德拉加特排水渠在兩季以及加加排水渠在冬季的样本外，大多数样本符合灌溉标准（EC <700 μS/cm）。总溶解固体（TDS）浓度在夏季为135-410 mg/L，冬季为212-543 mg/L，均低于灌溉用水限值（500 mg/L）。钠离子（Na⁺）浓度在冬季（53-110 mg/L）显著高于夏季（0.27-30.17 mg/L），迪加排水渠、库尔齐排水渠和米唐加特排水渠在冬季的钠浓度略超FAO标准（100 mg/L）。钾离子（K⁺）在多个排水渠位点的浓度超过灌溉标准（10 mg/L）。空间分布图显示，冬季范西加特排水渠附近的镁离子（Mg²⁺）浓度异常升高，可能与附近的帕特纳医学院医院排放有关。

3.2. 统计分析与污染源识别

3.2.1. 皮尔逊相关矩阵（PCM）

夏季数据显示，钠离子（Na⁺）与磷酸盐（PO₄^3-）、钙离子（Ca²⁺）、镁离子（Mg²⁺）、TDS、EC和氯离子（Cl^-）呈强正相关（r > 0.7），表明这些参数受矿物溶解和岩石-水相互作用的共同控制。磷酸盐（PO₄^3-）与多种参数的相关性提示其来源包括地质过程和人为输入（农业径流、生活污水）。pH与碱度的极强相关性（r = 0.976）反映了碳酸盐-碳酸氢盐缓冲系统对河流酸碱平衡的调节作用。

冬季数据中，钠离子（Na⁺）与TDS、氯离子（Cl^-）、钙离子（Ca²⁺）和钾离子（K⁺）的强相关性表明低流量条件下矿物风化和离子富集效应增强。钙离子（Ca²⁺）与镁离子（Mg²⁺）的极强相关性（r = 0.956）主要受碳酸盐和硅酸盐风化作用控制。

3.2.2. 主成分分析（PCA）

PCA提取了三个主要成分，累计解释方差夏季为81.56%，冬季为75.45%。第一主成分（PC1）在夏季解释了65.311%的方差，显示了钠离子（Na⁺）、磷酸盐（PO₄^3-）、镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）、EC和TDS的强正载荷，代表地质风化与人为输入（生活污水、城市径流）的混合影响。冬季PC1（56.33%方差）以TDS、氯离子（Cl^-）、钠离子（Na⁺）和EC为主，同样反映地质与人为复合污染。

第二主成分（PC2）夏季（9.05%方差）以硫酸盐（SO₄^2-）、碱度、氯离子（Cl^-）和pH为主，受自然地质过程（硫酸盐矿物溶解、碳酸盐岩石）主导。冬季PC2（10.53%方差）以镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）和浊度为主。

第三主成分（PC3）夏季（7.18%方差）以硝酸盐（NO₃^-）为主，冬季（8.59%方差）以硫酸盐（SO₄^2-）为主，代表农业施肥、生活污水等人为营养盐输入。

3.2.3. 灌溉适宜性水质量指数

灌溉适宜性评估显示，钠吸附比（SAR）值在夏季为0.082-1.77，冬季为0.288-2.95，所有样本在夏季均无风险（SAR < 2），冬季部分样本存在低风险。钠百分比（%Na）在夏季为20.276-67.176，冬季为11.042-100.74，除冬季库尔齐排水渠外，所有样本均适宜灌溉（%Na ≤ 80）。凯利比率（KR）在夏季为0.233-0.67，冬季为0.201-1.109，仅冬季库尔齐排水渠样本（KR > 1）存在钠过剩风险。总体而言，恒河帕特纳段水质在兩季大多适宜灌溉，但冬季某些排水渠附近需关注钠污染问题。

研究结论强调，恒河帕特纳段水质受地质风化和人为污染共同影响，冬季污染程度高于夏季。灌溉适宜性总体良好，但排水渠汇入点附近存在局部风险。GIS与多元统计结合的方法能有效识别污染热点和来源。该研究为制定针对性的河流管理策略（如优先处理特定排水渠污水）提供了科学依据，建议将灌溉适宜性指标纳入常规监测体系，以保障农业用水安全。研究成果支持印度"国家恒河使命"（Namami Gange）等河流修复计划的实施，突出了空间明确、源头控制的管理策略对大型河流保护的重要性。