干旱区城市河流融雪期间阶段性水质重组与空间异质性风险

《Journal of Hydrology》：Stage-specific water-quality reorganization and spatially differentiated risks during snowmelt in an arid urban river

　　

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  扩展的ICWQII能够捕捉局部异常和多个污染维度。
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  PMF–PCA显示因子特征从生活源向农业源发生转变。
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  融雪高峰期总铬热点与融雪后期更广泛的营养盐压力形成对比。
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  探索性PLS–SEM将F1与TLI关联，将F3与金属风险筛查指标关联。

引言

在寒冷和干旱地区，春季融雪可快速改变径流量级、水流路径和流域源区连通性，导致河流水质发生显著变化（Caskey等人，2026；Hensley等人，2022；Siwek等人，2023；van Vliet等人，2023）。这些响应不能仅用水体积增加导致的稀释作用来解释。浓度–流量（C–Q）关系表明，随着流量增大，物质浓度可能降低、升高或保持相对稳定，分别对应稀释、迁移释放或近化学稳态行为（Godsey等人，2009；Knapp和Musolff，2024；Speir等人，2024）。此外，同一流量值在水文曲线上升段和下降段可能对应不同的浓度值，从而产生水文化学滞后效应。滞后效应的方向和幅度受物质可用性、源区连通性、输移距离和流动路径变化等因素的共同控制（Liu等人，2021；Speir等人，2024）。近期的跨流域证据还表明，硝酸盐与流量峰值之间的同步性随土地利用、水文连通性和年际气候条件而变化（Yang等人，2026）。在以融雪为主导的流域中，积雪覆盖期物质积累与融解期快速释放之间的时间分离，可能进一步使浓度响应与流量动态解耦（Hensley等人，2022；Siwek等人，2023；Winnick等人，2017）。然而，C–Q关系和滞后模式提供的是潜在源区和输移过程的诊断性证据，而非特定污染机制的直接证明（Knapp和Musolff，2024）。因此，融雪水质研究需要考虑不同融雪阶段的水文条件和特定物质的响应特征，而不能仅依赖年度平均值或孤立观测。

在城市河流中，融雪驱动的水质响应还受到多种污染物库和输入途径的共同影响。融雪径流可能稀释持续排放的生活污水，同时迁移释放积雪、土壤、道路和农业用地中积累的营养盐、有机物和金属。流量增大还可能促进悬浮颗粒物和河道床面储存物质的输移（Checketts等人，2020；Ciszewski和Grygar，2016；Morris和Thomas，1985；Popick等人，2022）。城市积雪研究表明，与交通相关的金属（包括Zn、Cu和Pb）可在积雪中积累（Vijayan等人，2024）。融雪补给河流的多区室观测进一步表明，融雪期间溶解态和颗粒态微量金属浓度均可能升高，其输移与溶解性有机物、胶体和悬浮颗粒密切相关（Caskey等人，2026）。氮素输出同样受源区特征和流动路径激活的调节，导致不同河段和土地利用条件下融雪期间硝酸盐损失存在显著差异（Cui等人，2024；Yang等人，2026）。铬和铅因其潜在生态毒性和对人类健康的影响而值得持续关注。人体生物监测也在母体血液、脐带血和胎盘组织中检测到了铬（Yüksel等人，2021）。这些过程的相对重要性取决于污染物可用性、源区的空间分布、水文连通性和输移时间。因此，不同污染物组在各融雪阶段间不一定遵循固定的变化顺序。营养盐、有机污染物和金属在快速融雪过程中可能表现出不同的时间响应，使得仅测量个别参数或仅在少数站点进行监测不足以表征河段尺度水质。

水质指数将多个变量整合为可比较的水质评分或等级，已广泛应用于河流和湖泊（Chidiac等人，2023；Uddin等人，2021）。许多传统水质指数和综合水质识别指数采用固定权重方案和线性聚合方法。当常规参数因稀释而降低、而某个高风险参数局部升高时，聚合过程可能会削弱短暂异常，并对污染特征各异的水体给出相似的评级（Ding等人，2022；Kachroud等人，2019；Yuan等人，2025）。基于博弈论的组合赋权方法整合了不同赋权方法的信息，减少了对任何单一赋权方案的依赖。Liu等人（2021）将该方法引入改进的综合水质识别指数（ICWQII），使得水质等级、参数贡献和污染特征可在同一框架内表征。近期研究还进一步结合机器学习算法、博弈论赋权、数据驱动的参数筛选和优化的聚合函数，以提高指数对时空异质性和关键污染物的敏感性（Ding等人，2025；Liu等人，2025；Yuan等人，2025）。这些方法主要使用常规或长期监测数据集进行评估。在快速变化的融雪条件下，它们对短暂和局部污染信号的敏感性保留能力尚未通过野外观测得到充分检验。

伊犁河伊宁河段流经城市居住区、工业区和混合农牧区，其水质同时受季节性融雪和多样化人类活动的影响。在更大的区域尺度上，伊犁河谷的水供给服务在供需关系上也表现出显著的空间差异（Hu等人，2025）。然而，河段尺度的观测仍不足以表征此类河流中水质变量、源相关因子、金属相关生态风险和营养状态在各融雪阶段间如何联合变化。因此，2024年在伊宁河段设置了8个固定站点，分别在融雪早期、高峰期和后期进行监测，同时使用ERA5-Land再分析数据刻画各时期的区域水气候背景。在保守的上界筛选情景下，将所有实测可回收总铬视为Cr(VI)，评估铬对潜在生态风险指数（RI）和ICWQII的贡献；未直接测量Cr(VI)。研究目标为：(1) 表征主要水质参数在各融雪阶段和不同河段的变异，并将监测值与适用的法规限值或参考值进行比较；(2) 基于博弈论组合赋权扩展现有ICWQII，并与常规水质指数（WQI）和综合水质识别指数（CWQII）在识别局部异常和污染结构变化方面进行比较；(3) 使用PMF–PCA解析源相关组分因子，评估金属相关生态风险和营养状态，并利用探索性偏最小二乘结构方程模型探究水气候背景、源结构、水质指纹和风险指标之间的关联。研究结果可为识别融雪补给城市河流中的关键监测窗口、优先河段和重点控制参数提供站点特定证据和方法学支持。

章节摘要

研究区概况与样品采集

研究区域位于中国伊犁河中段的伊宁市段，跨越约35公里。该地区具有典型的温带大陆性半干旱气候，河流径流受季节性融雪强烈影响（Zhang等人，2024）。根据历史水文记录和2024年融雪季天气预报，分别于3月15日（融雪早期）、4月20日（融雪高峰期）和5月20日（融雪后期）进行了采样，

各融雪阶段的水气象条件

ERA5-Land日数据表明，2024年3月5–20日、4月5–20日和5月5–20日三个时期的区域水气象条件存在明显差异（图2）。融雪早期，区域平均2米气温为4.06 °C，日值范围为?1.99至9.18 °C（图2a）。平均日融雪量为0.0094 mm d^–1，3月14日达到0.0240 mm d^–1。同期，平均地表径流和总径流分别为0.00037和0.00047 mm d^–1，

融雪期间水质组分和空间模式的阶段性重组

伊犁河伊宁河段的水质变量在融雪期间并未对变化的水文背景做出同步响应。相反，物质组成和空间分布在三个时期内均发生了重新组织。从融雪早期到后期，平均NH₃–N浓度呈下降趋势，而NO₃^––N、TP和COD则在融雪后期达到各期最高水平，表明某一物质的改善并不意味着全面下降

结论

本研究刻画了伊犁河伊宁河段在三个融雪阶段水质、源相关组成和水生环境压力的阶段性变化。主要结论如下：

• (1)
  三个融雪阶段的区域水气候条件各不相同，水质物质表现出非同步变化。NH₃–N在三个阶段中呈下降趋势，且所有站点均保持在Ⅲ类标准以内，而NO₃^––N、TP和COD

局限性与未来展望

本研究基于2024年融雪期间三个离散阶段的8个固定站点采样，共获得24个站点–时期观测数据。尽管该设计捕捉到了阶段特异性和空间差异，但未能解析事件内变异性以及融雪量级、持续时间和前期水文条件的年际差异。稳定性分析评估了该数据集中PMF因子特征和探索性PLS–SEM关联的稳健性。其

作者贡献声明（CRediT）

陈维宏：撰写——初稿，方法论，调查研究，形式分析，数据整理。包慧莉：撰写——初稿，方法论，调查研究，形式分析，数据整理。李艳艳：形式分析。何锐：方法论，调查研究，形式分析，数据整理。王浩：经费获取，数据整理。钱大毅：撰写——审阅与编辑，项目管理。马洪志：撰写——审阅与编辑，监督指导，资源，项目管理。

未引用文献

Wu等人（2025）。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号：<22366038）和伊犁师范大学校级科研基金（编号：<2022YSYB023）的资助。

陈维宏|包慧莉|李艳艳|何锐|王浩|钱大毅|马洪志