莱索托卡茨水库集水区河流水质的时空变异：基于多指标的相关性分析

《Environments》：Spatiotemporal Variation of River Water Quality in the Katse Reservoir Catchment in Lesotho: A Correlation Analysis Using Multiple Indices

　　

准确的河流水质评估需要对集水区内人类活动有精确认知。卡茨水库入流河流（KRIRs）的水质不同程度地受到采矿废水和畜禽粪便的影响。研究人员通过比较第一个十年（FD，2003至2013年）与第二个十年（SD，2014至2024年）期间水质指数（WQI）与富营养化指数（EI）的相关性分析及聚合层次聚类，对比了人类活动对KRIRs的累积影响。研究选取计算WQI的参数（NO3?、PO43?、NH4+、NO2?、Fe2+、Cd2+、Pb2+、EC及pH）除化学需氧量（COD）和大肠杆菌（Escherichia coli，E. coli）外均在水质标准内波动。溶解无机氮（DIN）、溶解无机磷（DIP）、溶解氧（DO）及COD用于计算EI。所有水质站点（WQS）结果显示水体不适于生活用水（WQI < 50）。WQS-E与WQS-D适于工业用水（51 < WQI < 75），而WQS-A、WQS-B与WQS-C在处理前不适于任何用途（100 < WQI）。E. coli对WQI贡献显著，在FD（r = 0.98）与SD（r = 0.94）均呈强相关（p < 0.023）。硝酸盐在SD对EI贡献显著（r = 0.67）。WQI与EI的相关系数由FD的r = 0.45升至SD的r = 0.81（α = 0.05）。研究有效揭示了SD阶段WQS-A污染由面源向点源演变的过程。上述发现可用于预测未来土地利用下的水质响应，并指导源头控污的管理策略。

研究背景方面，天然湖泊、人工水库、河流与地下水等淡水资源的可用性与水质需妥善管理，但人口增长、气候变化、城市化与工业发展使其承压。莱索托高地卡茨水库（Katse Reservoir，KR）集水区既往研究认为第一个十年（FD）入流河流水质良好，但2011年矿山开采后人类活动增强，第二个十年（SD）水质明显退化。金刚石采矿废水携带Cd²⁺、NO₃^?、Pb²⁺等，铵油炸药增加NO₃^?负荷，尾矿库溢流形成酸性矿山排水（AMD）；畜禽养殖通过粪尿输入E. coli与氮磷养分。已有研究多单一使用水质指数（WQI）或富营养化指数（EI），且参数选取与指数不确定性存在争议。本研究耦合多元统计与多指数相关性分析，刻画两十年间KR入流河流（KRIRs）水质时空演变，明确污染由面源向点源转化过程，服务于莱索托高地供水与南非调水工程的水质保障。

关键技术方法上，研究人员在KR集水区5个入流河断面（WQS-A至WQS-E）于2003至2024年每年1月、4月、7月、10月采样，样品送南非SANAS认可的Randwater实验室按ISO/IEC 17025:2017分析；现场用YSI Sonde 6600测DO、EC、pH，实验室用紫外可见分光光度计测NO₃^?、NO₂^?、NH₄⁺、PO₄^3?，COD用分光法，E. coli用Colilert-18 Quanti-Tray法。计算加权算术水质指数（WAWQI）时选11项参数并赋权（E. coli权重5最高），对照SANS 241:2015与DWAF指南分级；EI按Liu等公式由DIN、DIP、COD求得。数据分析采用Pearson相关、时间序列及R语言hclust聚合层次聚类（AHCA），以α=0.05为显著性水平。

研究结果部分，3.1节统计显示除COD与E. coli外各理化参数在标准中波动，SD平均浓度多高于FD，WQS-A的Fe²⁺与NO₃^?上升明显，WQS-C的E. coli与COD最高。3.2节相关分析表明FD中E. coli与WQI相关最强（r=0.98），SD仍达r=0.94；NO₃^?与WQI相关由0.02升至0.27；WQI与EI相关由0.45增至0.81。3.3节WQI时间序列显示WQS-C在2007年因E. coli极高出现WQI 1232的峰值，SD整体抬升。3.4节EI时间序列指出SD因采矿NO₃^?输入致WQS-A富营养化增强。3.5节统计表显示WQS-A平均WQI由FD 87.6升至SD 227.4，平均EI由14.5升至245.2；污染排序由FD的WQS-E>WQS-A>WQS-D>WQS-C>WQS-B变为SD的WQS-E>WQS-D>WQS-B>WQS-C>WQS-A。3.6节WQI与EI站点相关显示WQS-A在SD达r=0.93（p<0.023），WQS-C在FD为r=-0.24。3.7节用水分类确认所有断面不适生活用，SD中WQS-D与WQS-E适工业用，WQS-A/B/C处理前不适任何用途。3.8节层次聚类将2003至2024年分高、中、低质三簇，2016（低流量干旱年）归低质簇，2020至2021矿山检修期年份归高质簇。

讨论部分指出，FD空间变异无单点突出故属面源，SD中WQS-A因NO₃^?（0.22至0.95 mg/L）、COD（5.99至8.66 mg/L）、PO₄^3?（0.03至0.85 mg/L）跃升转点源，铵油炸药与AMD为机制；E. coli高值佐证WQS-C畜圈近河排放。WQI受E. coli、EC、COD、pH、NO₃^?等驱动，EI在SD受NO₃^?主导（r=0.67）。WQI与EI在FD局部负相关说明多指数可分辨源差异，SD强正相关印证点源集中排放。年份聚类与气候（2016干旱低稀释）及矿山检修期吻合。

结论部分翻译如下：本研究应用多指数关联采矿与水质退化，将KR入流河划入非专业者亦可理解的水用途适宜性等级。通过相关性分析与聚合层次聚类结合多指数，有效识别集水区人类活动驱动的时空变异，推进既往研究并填补知识缺口。Malibamat?o河WQS-A断面因SD采矿增强由面源转为点源。多数既往研究未区分气候与流体动力影响，而本研究借层次聚类认定2016干旱年水质受损。KR集水区水体均不适生活用（WQI<50）；SD中WQS-D与WQS-E适工业与灌溉（51₃^?显著贡献SD阶段EI，源于WQS-A断面采矿废水。富营养化由FD至SD显著上升。建议集水区利益相关方在畜圈周边修筑挡墙并采用含微生物的生物修复技术削减采矿废水养分后再排放，协商式政策框架可提升集水区尺度水质。发现为减缓源头污染、保护公众健康与水生生态系统提供长期可持续环境管理依据。论文发表于《Environments》。