基于参数分析、PCA和VN_WQI的越南中部河流–潟湖连续体地表水水质评价

《Environmental Science: Advances》：Surface-water quality assessment across a river–lagoon continuum in central Vietnam using parameter-based analysis, PCA, and VN_WQI

　　

研究人员在越南中部香河–潭香潟湖连续体开展了一项地表水水质综合评估研究，采用了个体参数评价、主成分分析（PCA）和越南水质指数（VN_WQI）三个模块组成的框架。研究于2022年6月至2023年12月期间开展了12次监测活动，在覆盖整个河流–潟湖地表水系统的20个点位进行采样，获得了240组观测数据，涵盖18项物理化学和微生物学参数。PCA提取了5个主成分，累计解释总方差的74.8%，并识别出9个优先控制时空变异性的关键参数：大肠杆菌（E. coli）、总大肠菌群、水温、5日生化需氧量（BOD₅）、硝态氮（N–NO₃^?）、氨氮（N–NH₄⁺）、浊度、锰（Mn）和总溶解铁（Fe）。双因素方差分析（Two-way ANOVA）揭示了显著的季节性差异，雨季的E. coli、N–NO₃^?、N–NH₄⁺、浊度、Fe和水温值更高。空间上，香河和波河上游河段水质总体较好，而富拜河（Phu Bai river）表现出最明显的水质恶化和反复出现的污染热点。对于16个河流监测点位，VN_WQI将42%的观测值评为"优秀"，31%为"良好"，23%为"中等"，4.2%为"差"；监测位置和季节均对VN_WQI值有显著影响。总体而言，研究结果表明，研究区的水质恶化是由热点驱动并在雨季加剧的，而非在整个系统中均匀发生。该框架为资源高效的自适应监测和未来水治理提供了实践基础。

该研究聚焦于热带河流–潟湖系统地表水水质评估这一重要环境议题，发表于《Environmental Science: Advances》。研究背景方面，地表水水质对人类和生态系统健康至关重要，直接影响区域的可持续发展。然而，全球范围内城市化扩张、工业活动、农业径流和生活污水排放等压力日益加剧，导致地表水资源退化。在越南中部等沿海和低洼地区，这些压力还可能因气候变化相关因素而进一步加剧，包括海平面上升、风暴频率增加、洪水以及强降水模式等，这些因素可能在雨季增强污染物的迁移传输。将复杂的监测数据集转化为管理相关的证据，需要既能总结整体状况又能诊断驱动变异参数的方法。传统水质评估存在两种主要途径的局限：个体参数评估虽能保留原始信息并直接识别超标情况，但将水环境视为孤立变量集合，难以描述水体的整体受损状况或变量间的协方差结构；水质指数（WQI）虽能将多参数整合为单一数值便于解读传播，但单独使用时会掩盖导致退化的具体污染物信息，且参数选择和权重方案存在较大变异性与不确定性。此外，现有研究在时间空间上呈碎片化，采用不同方法论，难以比较结果并构建区域地表水污染水平的完整图景。特别是，同时以政策一致的方式（如VN_WQI）沟通整体河流水质状态，并以数据驱动方式识别控制季节性变异和潜在污染热点的关键参数，对于设计高效监测和针对性缓解策略至关重要，但这一需求尚未得到充分解决。基于此，研究人员开展了这项研究，旨在评估越南中部香河–潭香潟湖连续体的水质，超越单一河流分支或将河流与潟湖水体视为不相连环境的局限，通过整合个体参数评估、PCA和VN_WQI框架，为自适应监测和水治理提供科学依据。研究结论表明，水质变异性并非由所有监测变量平等控制，而是由少数优先参数主导；存在清晰的上游–下游和支流相关梯度，上游水质较好而富拜河等人为影响区域恶化明显；雨季多项参数显著升高，表明径流和水文事件是水质恶化的主要控制因素；VN_WQI分类显示多数河流观测值处于"良好"至"优秀"类别，但微生物污染在许多点位仍然显著，不应解读为可直接饮用。该研究的重要意义在于提出了一个结合可传播指数、参数级诊断和数据驱动监测变量优先化的评估框架，支持自适应监测策略——上游水质一致良好的点位可降低监测强度，而支流和下游热点尤其在雨季应接受更高优先级的监测和针对性减缓，有助于地方当局识别污染热点、优先配置监测资源，更好地支持生活供水、灌溉、渔业和生计用水保护，并为实现可持续发展目标6（SDG 6）做出贡献。

研究中采用的主要关键技术方法包括：在香河–潭香潟湖连续体设置20个监测点位（13个河流点位和7个潟湖点位），于2022年6月至2023年12月开展12次连续监测活动，采集240组地表水样品；现场使用Horiba U-52多参数仪测定水温、pH、溶解氧（DO）、电导率（EC）、总溶解固体（TDS）、盐度和浊度；实验室分析总悬浮固体（TSS）、BOD₅、化学需氧量（COD）、N–NO₃^?、N–NH₄⁺、正磷酸盐（P–PO₄^3?）、总铁、锰、总硬度、总大肠菌群和E. coli等参数，并实施质量保证/质量控制（QA/QC）程序；运用主成分分析（PCA）对18个参数进行标准化处理后降维，保留特征值≥1.0的主成分，基于平方余弦（cos²）值和累积贡献识别优先参数；按照越南技术指导文件1460/QD-TCMT计算VN_WQI，仅对16个内陆河流点位进行指数评估；采用Shapiro–Wilk检验进行正态性检验，结合单因素方差分析（ANOVA）及Tukey事后检验、Kruskal–Wallis H检验及Dunn's检验进行组间差异分析，并通过Bootstrap非参数重采样程序（10 000次迭代）估计不确定性。

研究结果部分，"地表水水质评价"下设三个子标题。"香河、支流和潟湖区域的水质变化"中，研究人员发现河流区域参数如水温、pH、EC、TDS、P–PO₄^3?和硬度符合越南国家地表水质量标准（QCVN 失调8:2015/QCVN 08:2023），但盐度、总大肠菌群和E. coli在大多数采样点位持续超标，尤其在雨季，表明存在广泛的盐渍化和微生物污染；总溶解铁也在多个点位超标。高变异系数（CV > 100%）参数包括盐度（634.4%）、TDS（552.4%）、EC（551.9%）、硬度（273.6%）、N–NO₃^?（218.6%）、E. coli（215.5%）等，这种波动源于从淡水上游到咸水河口区域的采样位置多样性，受潮汐影响和干季降雨事件较少的作用。潭香潟湖区域作为沿海水体按海洋水质标准（QCVN 10:2023/BTNMT）评估，尽管多数参数符合TCVN 13951:2024标准，但盐度、N–NH₄⁺、COD、总溶解铁、总大肠菌群和E. coli仍超标；其中COD在96%的潟湖样品中超过允许限值，表明存在大量难降解有机物，可能源于水产养殖残留物和天然腐殖质，预示着长期的慢性有机负荷。潟湖整体变异系数低于河流，表明潮汐混合和更大水体的缓冲效应稀释了污染物，但未能消除微生物污染等慢性问题。

"优先水质参数识别"中，PCA结果提取前5个主成分（PC1–PC5），累计解释74.788%的总方差。基于cos²值和总贡献，识别出对地表水水质变异性影响显著的参数（权重>0.7），按权重排序为：E. coli（1.00）、总大肠菌群（0.99）、水温（0.96）、BOD₅（0.89）、N–NO₃^?（0.85）、总溶解铁（0.84）、N–NH₄⁺（0.82）、浊度（0.78）、Mn（0.76）和COD（0.73）。载荷图显示浊度、TSS、Fe和N–NH₄⁺聚类方向相似，表明这些变量受径流驱动的悬浮物和颗粒结合污染物的共同调控；E. coli和总大肠菌群未完全重叠，提示两种微生物指标可能反映部分不同的来源路径或水文控制；DO与有机–营养–微生物变量方向大致相反，与恶化水质条件下的氧耗一致。研究最终确定E. coli、总大肠菌群、水温、BOD₅、N–NO₃^?、N–NH₄⁺、浊度、Mn和总溶解铁为9个关键优先参数，用于后续分析。

"水质的空间和季节变化"分为空间变化和季节变化两部分。空间变化方面，通过比较各点位均值或中位数，发现上游与下游、主流与支流之间的空间变异总体较小，地理位置对水质波动影响不大。但富拜河的SPB1、SPB2和SPB3三个点位在E. coli、总大肠菌群、N–NO₃^?、BOD₅、N–NH₄⁺和总溶解铁等多项参数上显著高于其他点位，表明该区域存在严重污染， likely源于富拜工业区的直接废水排放以及河床平缓、宽度窄、水深浅的低自净能力水文条件。季节变化方面，9个关键参数中有6个存在显著季节性差异（p < 0.05）：E. coli、N–NO₃^?、N–NH₄⁺、浊度、总铁和水温。N–NO₃^?、浊度和总铁在 Cruise 雨季值 notably 更高，反映地表径流和农业、生活、工业污染源污染物的 mobilization；强降雨增加浊度并通过农业区径流（导致N–NO₃^?和N–NH₄⁺营养污染）、河岸 livestock 养殖区（E. coli污染）和上游道路建设活动（铁污染）共同降解水质。

"基于VN_WQI的水质评价"中，16个内陆监测点位的VN_WQI结果显示：42%为"优秀"，31%"良好"，23%"中等"，4.2%"差"，无"极差"。双因素方差分析表明监测位置（F = 9.341, p < 0.001）和季节（F = 8.347, p < 0.001）对VN_WQI值均有显著影响。Tukey事后检验显示，2023年10月和11月的平均VN_WQI显著低于早期月份（p < 0.05），表明雨季末期洪水事件逐渐发生时水质明显恶化。空间上，香河上游点位（SHT、STT、SH1、SH2）全年 mostly 为"优秀"，显著高于富拜河的SPB1、SPB2和SPB3（p < 0.001）。Bootstrap分析证实季节性模式的稳健性：雨季总体平均VN_WQI低于干季，差值为?7.5分（95%置信区间：?11.44至?3.58）；SPB1–SPB3的雨季均值最低，而SH1、SH2、SHT、STT的干季均值最高。研究人员指出，VN_WQI的优势在于其整合性、可传播性评分，但会掩盖具体污染物贡献，阻碍溯源识别；例如富拜河点位VN_WQI低至29–31时，无法判断是由高微生物负荷、金属升高还是营养盐驱动，而本研究中参数级分析和PCA的互补使用克服了这一局限。

讨论与结论部分，研究人员总结了研究的核心发现和贡献。该研究提出的整合框架填补了政策导向水质分类与数据驱动诊断季节性变异和污染热点参数之间的空白。PCA优先参数（E. coli、总大肠菌群、水温、BOD₅、N–NO₃^?、N–NH₄⁺、浊度、Mn和总溶解铁）捕获了数据集中的大部分有意义的时空结构。研究揭示了清晰的空间梯度——香河和波河上游水质总体较好，富拜河等人为影响区域恶化明显；雨季多项参数显著升高，表明径流和水文事件是主要控制因素。从管理角度，虽然多数河流观测值处于"良好"至"优秀"类别，但微生物污染在许多点位仍然显著，不应视为可直接饮用。研究支持自适应监测策略：上游水质良好点位可降低监测强度，支流和下游热点尤其在雨季应受更高优先级监测。该框架可为地方当局识别污染热点、优先配置资源、保护支持生活供水、灌溉、渔业和生计的水资源提供实际效益，并支持可持续发展目标6的实现。研究局限性包括：VN_WQI仅适用于内陆河流点位，未能为潟湖水体提供等效综合评估；监测数据集虽季节性重复且足够密集以检测时空模式，但可能无法完全捕捉与极端降雨和洪水相关的短期污染脉冲；虽然识别了控制水质的主要因素，但未直接验证主导污染源。总体而言，研究表明热带河流–潟湖系统中的水治理可通过结合可传播指数、参数级诊断和数据驱动监测变量优先化的评估框架得到加强。

研究结论翻译如下：该研究提出了一个用于评估越南中部河流–潟湖连续体地表水水质的整合框架，有助于填补先前识别出的政策导向水质分类与数据驱动诊断驱动季节性变异和污染热点参数之间的空白。PCA首先用于识别对水质影响最强的参数，随后分析个体参数的空间和时序变异，同时应用VN_WQI对整体河流水质进行分类和沟通。该研究的关键科学贡献在于证明该水文连续系统中的水质变异性并非由所有监测变量平等控制。相反，PCA识别出一组较小的优先参数——E. coli、总大肠菌群、水温、BOD₅、N–NO₃^?、N–NH₄⁺、浊度、Mn和总溶解铁——它们捕获了数据集中的大部分有意义时空结构。结果还揭示了清晰的上游–下游和支流相关梯度，香河和波河上游水质总体较好，而富拜河和其他人为影响点位恶化更为明显。若干参数在雨季显著增加，表明径流和强降雨、洪水等水文事件是研究区水质恶化的主要控制因素。从管理角度看，大多数河流观测值落入"良好"至"优秀"VN_WQI类别，表明相对良好的原水条件，尤其在上游点位。然而，这些分类不应被解读为直接可饮用的证据，因为许多点位的微生物污染仍然显著。这凸显了将WQI与参数级分析和PCA相结合的价值：WQI为管理者和公众提供清晰概览，而个体参数和PCA提供识别污染热点和 likely 驱动因素所需的诊断细节。这些发现支持一种自适应监测策略，即水质持续良好的上游点位可降低监测强度，而支流和下游热点尤其在雨季应接受更高优先级的监测和针对性减缓。除科学贡献外，该研究通过帮助地方当局识别污染热点、优先配置监测资源、更好保护支持生活供水、灌溉、渔业和当地生计的水资源，为社会带来实际效益。更广泛地，所提出的框架可支持自适应水治理，并有助于易受威胁的河流–潟湖社区实现可持续发展目标6导向的可持续水资源管理。