基于PCA与TSIKO的Saemangeum人工咸淡水湖河流–咸水湖连续体水质长期时空动态与营养状态轨迹

《Water》：Long-Term Spatiotemporal Dynamics of Water Quality Along the River–Brackish Lake Continuum in an Artificial Brackish Lake System

　　

Saemangeum水库（Saemangeum Reservoir）是2010年完成33.9 km海堤后形成的人工水库，海水入流通过两座闸门调控。海堤建成后，海水交换减少、淡水滞留时间增加和潮汐影响减弱，与水质恶化相关，包括叶绿素-a（Chl-a）和溶解无机营养盐升高。此后，填海造陆以及道路和港口建设持续推进，闸门运行和海水交换条件亦不断调整，导致水力环境和水质特征持续变化。研究人员利用2014—2025年长期季节水质数据，考察河流–咸水湖连续体沿程水质空间结构及其年际和季节动态。水质变量的主成分分析（PCA）显示，第一主成分（PC1）主要反映盐度–营养盐/有机物梯度，并将河流站点与咸水湖站点分离。年际和季节轨迹在很大程度上按空间位置聚类，并呈现共同的长期变化方向，即盐度升高以及总氮（TN）、总磷（TP）和化学需氧量（COD）降低；基于轨迹的组按平均韩国营养状态指数（TSI_KO，Korean trophic state index）均属富营养状态，但在水平和变异性上存在差异，表明仅凭预期空间结构不能充分刻画长期和季节水质动态。因此，人工咸淡水系统的监测与管理应追踪空间上不同的时间轨迹，而非依赖长期均值；在高营养状态持续的区域应全年实施营养盐削减，在变异性较大的区域应加强季节/年际监测，同时考虑水文和水力条件以及闸门运行可能带来的权衡。

研究背景：河口是淡水与海水交汇的过渡环境，受营养盐丰富淡水输入和海水稀释反复影响；盐度分层、溶解氧（DO）亏缺以及有机物和营养盐积累是水质变异的重要特征。人工咸淡水湖通过海堤和闸门限制海水交换，易出现营养盐和有机物积累、富营养化及底层缺氧。Saemangeum是韩国最大填海工程，33.9 km海堤于2010年完成，Saemangeum湖通过Sinsi和Garyeok闸门进行海水交换；建堤后海水交换受限，伴随盐度下降、Chl-a和COD、TP升高及分层相关底层缺氧，尽管控制上游污染源，达标仍困难。Mangyeong河受城市和工业点源影响较强，Dongjin河受农业和畜禽非点源影响较强。既往研究多关注单一水质参数或有限时段，缺少跨河流–咸水湖连续体的多变量长期与季节比较及营养状态动态评估。因此，研究人员利用长期水质数据，分析水质环境随空间位置和时间尺度的变化，按轨迹对站点分组并比较营养状态长期和季节特征，以区分空间结构与叠加其上的时间变异，为分区监测管理提供依据。

关键技术方法（≤250字）：研究人员使用Saemangeum湖及Dongjin河、Mangyeong河17个站点（DJ01–DJ08、MG01–MG09）2014—2025年每年2、5、8、11月共四次长期季节水质监测数据，按River、Transition和Brackish-lake分区。分析变量为盐度、COD、TN、TP和Chl-a；采用韩国营养状态指数（TSI_KO）由COD、Chl-a和TP计算。以主成分分析（PCA）识别多变量水质结构；用PC1和PC2得分构建年际与季节轨迹，以欧氏距离和Ward.D2层次聚类比较轨迹相似性；整合两类轨迹定义空间组，比较TSI_KO年际变化、季节振幅，并用配对Wilcoxon符号秩检验和Holm校正进行组间比较。

研究结果：3.1 河流–咸水湖连续体主要水质变量的季节与长期变化：按River、Transition、Brackish-lake均值比较，盐度在River最低、Transition和Brackish-lake较高，冬春秋差异较明显，夏季盐度整体下降且区间差异减弱；River盐度总体增加。TN呈相反格局，River最高、Transition和Brackish-lake较低，冬季差异最明显；夏季River的TN下降，2022—2023年低于Transition。TP在River较高但区间差异较小；COD冬季River较高，其他季节重叠；Chl-a年际变异大且无持续区间差异。结论是盐度和TN的区间差异相对清晰。3.2 多变量空间格局：PCA中PC1和PC2分别解释45.7%和20.9%，累计66.6%；PC1为盐度正载荷与TN、TP、COD负载荷，分离River与Brackish-lake，Transition居中并重叠；PC2主要反映Chl-a负载荷，三区重叠明显。结论是盐度–营养/有机梯度构成主要空间结构。3.3 年际轨迹：基于年际PC1–PC2轨迹聚类得到I1–I4，I1为DJ01、MG01、MG02，I2为DJ02、DJ03、MG03，I3为DJ04、MG04，I4为Brackish-lake站点；轨迹类型总体对应空间位置，所有类群2025年相对2014年向PC1正方向移动，但移动幅度和PC2模式不同；River类群盐度升高、TN/TP/COD降低，Chl-a年际模式不同；I3处中间波动，I4自2016年后持续高盐低营养。结论是共同长期变化叠加Chl-a轨迹差异。3.4 季节轨迹：季节轨迹聚类得到S1–S4，较年际更明显对应空间位置；S1为DJ01、DJ02、MG01、MG02，S2为DJ03、MG03，S3为Transition，S4为Brackish-lake。S1全年低盐高营养低Chl-a且移动小；S2低盐高营养，春季Chl-a升高、夏季回落；S3和S4沿PC1、PC2呈明显季节循环，冬季高盐低营养，春夏盐度降低、营养盐和Chl-a升高，秋季回返；S4全年PC1最偏正。结论是Transition和Brackish-lake季节变化更明显。3.5 TSI_KO空间组的年际与季节变化：整合轨迹得G1–G5（G1=DJ01、MG01、MG02；G2=DJ02；G3=DJ03、MG03；G4=DJ04、MG04；G5=Brackish-lake站点）。各组平均TSI_KO均为富营养，G3最高（61.8），G5最低（50.6）；多数组2014—2015较高、2016—2018下降、2023再升，G5多数时期较低并在2017和2020—2021降至中营养；年际标准差G5最高（7.82）、G2最低（6.12），年际平均绝对变化G5最高（8.67）。季节上G1、G2变化小，G3—G5更明显；G5冬季中营养、春季富营养、夏季继续升高、秋季下降；季节振幅由G1至G5增大，G5显著大于G1（校正p=0.0132）和G3（校正p=0.0098）。结论是均值同属富营养但时间动态不同，仅空间结构不能解释。

讨论部分总结：Saemangeum水质呈沿河流–咸水湖连续体的空间结构，盐度为主环境轴并与TN、TP、COD相反，符合咸淡水混合特征；但营养盐分布还受淡水入流、滞留时间及闸门调控海水交换等水文水力条件影响。轨迹分析显示同一River区内上中游与下游存在差异，DJ02年际轨迹似下游而季节轨迹似上中游；降水响应并不一致，2023年降水最高时上中游Chl-a升高，而I2在2022年降水较低后Chl-a升高并持续。Transition和Brackish-lake随降水增加出现盐度下降及TN、TP、COD升高，秋季反向，且闸门运行频率变化需纳入解释。TSI_KO各组均值富营养但年际变异和季节振幅不同，G5均值最低而变异性最大；降水和闸门变化均不能单独解释，应综合考虑多水文水力因素。管理上，持续高营养区应全年削减营养盐输入；下游River区春季重点管理；Transition应关注季节转换；Brackish-lake虽均值较低但春夏升高和年际变化大，需跟踪；DJ02等非典型站点需站点特异监测。研究未直接分析水深、分层、淡水入流、流量和闸门运行，未来应定量整合评估；管理还需考虑水质、盐度、水位调控和污染物外输等权衡。

研究结论部分翻译：本研究表明，Saemangeum系统沿河流–咸水湖连续体具有明显空间结构，盐度构成主要环境轴并与营养盐和有机物分布行为相关。该空间梯度虽是咸淡水环境的预期特征，但以其为框架评估长期年际和季节动态，可区分与空间位置相关的水质特征和叠加于该结构上的时间变异。年际和季节轨迹及TSI_KO时间动态揭示了空间结构不能解释的时间异质性；即使同属富营养类别的空间组，其平均营养状态及年际和季节尺度变异性仍不同，部分河口附近站点呈现不同于邻近站点的轨迹。因此，管理性水质监测不应仅依赖长期均值，还应追踪空间上不同的时间动态，尤其是季节转换和年际变异，并对呈现非典型格局的站点开展站点特异监测。这些时空特征提示，在Saemangeum等人工建造和管理咸淡水湖中，按空间组区分管理时机和重点可能有效：高营养状态持续区域应优先全年减少营养盐输入；季节和年际变异大的区域应在春夏等变化显著期加强监测管理，并考虑闸门运行等水文水力条件。应用此类管理策略还应考虑水质、盐度、水位调控及其他管理目标之间的潜在权衡，尤其在确定闸门运行时；有效管理需超越单一水质指标或平均营养状态，基于综合水质指数持续监测，并采用反映空间和时间变异的差异化监测框架。