金湾区是珠海市3大行政区之一，位于珠海市西南部，地处珠江出海口磨刀门与崖门之间的南海之滨。2016—2020年，金湾区直接管辖三灶、红旗2个镇，2019年常住人口19.46万人。金湾区现有主要集中式饮用水水源地包括三灶镇木头冲水库(以下简称“木头冲水库”)、黄绿背水库和红旗镇爱国水库(以下简称“爱国水库”)，集中式饮用水水源地水质的优劣直接影响着人体健康，而水质监测是保证饮用水安全的重要手段^[1-2]。现根据这3个水库2016—2020年的水质监测数据，对其水质状况及变化趋势进行分析和评价，为有针对性地保护饮用水水源，进一步改善水质，优化水源管理提供科学依据。

1 研究方法 1.1 研究区概况

金湾区中心位置位于东经113°05′—113°25′、北纬21°59′—22°25′，毗邻香港、澳门，南连大西国际水道，北靠珠江三角洲腹地，辖区总面积447.6 km²。境内属多水地带，有黄杨河、泥湾门、磨刀门、崖门等水系分布。

1.2 数据来源

2016—2020年珠海市金湾区环境监测站根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中31项指标的历史监测数据^[3]。

1.3 监测点位、频次

木头冲水库、黄绿背水库和爱国水库每个水库各布设一个监测断面，每月监测1次。

1.4 评价方法

采用单因子指数评价法、综合污染指数评价法和综合营养状态指数法。

1.4.1 单因子评价法

即最差因子判别法，根据实测得到的数据，按《GB 3838—2002》的标准限值进行对比分类，根据评价时段内该断面参评的指标中类别最高的一项来确定类别，参与评价的指标为该标准中除水温、总氮、粪大肠菌群以外的21项指标^[4]。

1.4.2 综合污染指数评价法

使用均值综合污染指数法^[5-6]，对各污染指标的相对污染指数进行统计，得出代表水体综合污染程度的数值。评价指标同单因子评价法，根据历年监测结果选取溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、铜、锌、砷、氟化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂共13个主要污染因子作为评价指标，其他项目常年未检出或偶有检出浓度很低，故不参与统计分析，各项目的评价标准限值为《GB 3838—2002》^[3]中Ⅲ类水标准限值。综合污染指数公式如下：

$ P=\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^{n} p_{i} $

(1)

$ p_{i}=\frac{c_{i}}{c_{0}} $

(2)

其中，溶解氧$ p_{i}=\frac{c_{0}}{c_{i}}$

式中：P——均值综合污染指数；p_i——单因子污染指数；c_i——第i项指标的实际浓度测量值；c₀——第i项指标的评价标准限值；n=13。

1.4.3 综合营养状态指数法

根据《地表水环境质量评价办法(试行)》规定，采用综合营养状态指数法[TLI(∑)]，以叶绿素a(Chl-a)、总氮(TN)、总磷(TP)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(COD_Mn)5个项目为指标，对3个饮用水水源地富营养化水平进行评价。综合营养状态指数计算公式如下^{[4, 7]}：

$ \operatorname{TLI}\left(\sum\right)=\sum\limits_{j=1}^{m} W_{j} \cdot \operatorname{TLI}(j) $

(3)

式中：TLI(∑)——综合营养状态指数；W_j——第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)——为第j种参数的营养状态指数。

以Chl-a作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

$ W_{\mathrm{j}}=\frac{r_{i j}^{2}}{\sum\limits_{j=1}^{m} r_{i j}^{2}} $

(4)

式中：r_ij——第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数；m——评价参数的个数。

中国湖泊(水库)的Chl-a与其他参数之间的相关关系r_ij、r_ij²和W_j见表 1。

各项目营养状态指数计算公式见(5)—(9)：

$ \operatorname{TLI}(\text { Chl-a })=10[2.5+1.086 \ln (\text { chl-a })] $

(5)

$ \operatorname{TLI}(\mathrm{TP})=10[9.436+1.624 \ln (\mathrm{TP})] $

(6)

$ \operatorname{TLI}(\mathrm{TN})=10[5.453+1.694 \ln (\mathrm{TN})] $

(7)

$ \mathrm{TLI}(\mathrm{SD})=10[5.118-1.94 \ln (\mathrm{SD})] $

(8)

$ \operatorname{TLI}\left(\mathrm{COD}_{\mathrm{Mn}}\right)=10\left[0.109+2.661 \ln \rho\left(\mathrm{COD}_{\mathrm{Mn}}\right)\right] $

(9)

式中：Chl-a单位为mg/m³，SD单位为m；其他指标单位均为mg/L。采用0~100的一系列连续数字对湖泊(水库)营养状态进行分级：TLI(∑)＜30，为贫营养；30≤TLI(∑)≤50，为中营养；TLI(∑)＞50，为富营养；50＜TLI(∑)≤60，为轻度富营养；60＜TLI(∑)≤70，为中度富营养；TLI(∑)＞70，为重度富营养。

1.5 数据统计分析

采用EXCEL和SPSS 20.0软件对数据进行处理。水库综合污染指数年度变化趋势分析采用Spearman秩相关系数法进行变化趋势分析，当N=5时，显著性水平为0.05的临界值W_p= 0.900，统计检验用的秩相关系数计算公式如下^{[4, 8]}：

$ r_{s}=1-\left[6 \sum\limits_{i=1}^{n} d_{i}^{2}\right] /\left[N^{3}-N\right] $

(10)

$ d_{i}=X_{i}-Y_{i} $

(11)

式中：d_i——变量X_i与Y_i的差值；X_i——周期I到周期N按浓度值从小到大排列的序号；Y_i——按时间排列的序号。若r_s为负值，则表明在评价时段内有关统计量指标变化呈下降趋势或好转趋势；若r_s为正值，则表明在评价时段内有关统计量指标变化呈上升趋势或加重趋势；当r_s≤W_p则表明变化趋势没有显著意义，说明在评价时段内水质变化稳定或平稳。

2 结果与讨论 2.1 单因子评价结果

2016—2020年金湾区饮用水水源主要指标监测结果见表 1。表 1选取的是影响水质类别的主要监测指标。依据各监测断面21项指标年均值统计数据发现，2016—2020年金湾区水质比较稳定。由表 1可见，除2016年黄绿背水库超出地表水Ⅲ类标准外，超标因子为总磷，其他年份和其他水库水质类别均维持在Ⅱ—Ⅲ类，达到或优于地表水Ⅲ类断面占比93.3%。

金湾区饮用水水源2016—2020年水质类别见图 1。由图 1可见，2016年3个水库超出地表水Ⅲ类标准的比例最高，其中黄绿背水库超出地表水Ⅲ类标准占50%，水质最差。2016年影响黄绿背水库和爱国水库的主要污染指标为总磷，木头冲水库超标因子有化学需氧量、溶解氧和总磷。2018年4月份木头冲水库超出Ⅲ类标准，主要污染指标为化学需氧量、五日生化需氧量和总磷。针对2016年水库达标率低的情况，已从点源、面源和水土流失等方面着手，加强入库面源污染的控制，通过设置集中式饮用水水源地保护区保护范围围网和界桩、界碑等警示标志，植树绿化生态护土，加强人工巡查、蓄水调节等工作，加强对饮用水水源保护区的监管，确保水体质量总体稳定。从后期实际监测结果看，水质保持稳定性较好，总磷超标情况有所改观。

2.2 水质综合污染指数评价结果

2016—2020年金湾区3个水库水质综合污染指数趋势变化见图 2。由图 2可见，3个水库的水质综合指数均在2016年达到最高，水质最差，这与单因子评价结果一致。其中，黄绿背水库的综合指数范围变化为0.16~0.32，在2017年达到最低值，水质最好；爱国水库为0.16~0.30，在2017年水质最好；木头冲水库为0.22~0.32，2017年和2019年水质最好。为定量分析3个水库水污染变化趋势，对水质综合污染指数的年际变化趋势做秩次相关检验，结果表明，黄绿背水库和爱国水库秩相关系数均为-0.55，木头冲水库秩相关系数为-0.50，取置信度为95% 的W_p =0.9作为判断标准，表明在2016—2020年期间3个水源地水质总体呈好转趋势，但改善趋势不显著，水质变化平稳。

2016—2020年饮用水水源污染指数见表 3。由表 3可见，影响水质的主要因素为溶解氧、总磷、化学需氧量和五日生化需氧量，这4项指标分担率之和每年均超过60%；从单因子污染指数可看出，除了2016年黄绿背水库总磷的污染指数 > 1，超出Ⅲ类水标准外，其他指标均达到Ⅲ类水要求。

2.3 综合营养状态指数评价结果

2016年3个水库均未对叶绿素a指标进行监测，因此该年度的综合营养状态指数无法计算统计。2017—2020年金湾区饮用水水源营养状态指数见表 4。由表 4可见，2017—2020年3个水库均处于贫营养状态，未呈现富营养化。黄绿背水库TLI(∑)在15~17范围内，无明显差异；爱国水库TLI(∑)在10~19范围内，且呈上升趋势，主要是TLI(SD)和TLI(Chl-a)指数逐年升高引起的综合营养状态指数变大。木头冲水库TLI(∑)在16~24范围内波动，在2018年值最高。2017年和2018年3个水库营养状态优劣排序均为爱国水库>黄绿背水库>木头冲水库。2019年3个水库综合营养状态指数基本持平，2020年营养状态优劣排序为黄绿背水库 > 爱国水库 > 木头冲水库。

3 结论

(1) 单因子评价结果表明，除2016年黄绿背水库超出地表水Ⅲ类标准外，超标因子为总磷，其他年份和其他水库水质类别均维持在Ⅱ—Ⅲ类，2016年度3个水库超出地表水Ⅲ类标准的比例最高。

(2) 3个水库的水质综合污染指数均在2016年达到最高，水质最差，2016—2020年3个水源地水质总体呈好转趋势，但改善趋势不显著。影响水质的主要因素为溶解氧、总磷、化学需氧量和五日生化需氧量。

(3) 2017—2020年期间3个水库均处于贫营养状态，未呈现富营养化。