基于WQI-GIS综合方法的埃及法尤姆地表水质评估与多用途回用研究

《Frontiers in Environmental Science》：Assessing surface water quality in Fayoum, Egypt using an integrated WQI-GIS approach for multi-purpose reuse

　　本刊推荐：本研究采用加拿大环境部长理事会水质指数（CCME-WQI）与地理信息系统（GIS）相结合的综合方法，对埃及法尤姆省地表水进行多用途适用性评估。研究揭示了夏季水质关键参数（如TDS达3,420 mg/L、PO43?超10.85 mg/L）的严重超标现象，通过逆距离权重（IDW）空间插值精准识别污染热点，为干旱区农业依赖型流域的水资源可持续管理提供了可复制的技术框架。

　　

研究区域与背景

法尤姆省作为埃及西部沙漠中唯一的尼罗河灌溉绿洲，其封闭盆地特征导致污染物易积累难扩散。该区域农业活动密集，主要种植小麦、水稻、柑橘等作物，化肥使用以尿素、过磷酸钙等为主。水文系统通过巴哈尔·优素福运河引水，最终汇入无出流的卡伦湖，形成独特的内部排水体系。

采样与分析方法

研究于2024年7月选取10个代表性点位（S1-S10），涵盖农业排水渠和污水处理站排放口。现场测定pH、温度、总溶解固体（TDS）、电导率（EC）等参数，实验室分析包括钙镁离子（EDTA滴定法）、硫酸盐（浊度法）、化学需氧量（COD）等17项指标。所有分析均遵循美国公共卫生协会（APHA）标准方法。

水质指数构建原理

加拿大环境部长理事会水质指数（CCME-WQI）通过三个维度量化水质偏离程度：范围（F1，超标参数比例）、频率（F2，超标测试次数比例）和幅度（F3，超标程度）。计算公式为：CCME-WQI = 100 - [√(F12+F22+F32)/1.732]。指数值0-44为差，45-64为临界，65-79为一般，80-94为良好，95-100为优秀。

主要水质参数特征

温度记录显示水体普遍升温（29.9-37.3°C），加速微生物活动并降低溶解氧。pH值总体偏碱（7.395-8.63），样本S10超出灌溉水标准。电导率（EC）空间差异显著（363-6,840 μS/cm），S10点位超过灌溉警戒值3,000 μS/cm。总溶解固体（TDS）浓度跨度达181.7-3,420 mg/L，S10点位盐度接近海水阈值。

浊度指标全面超标（13.4-105 NTU），所有样本均超世界卫生组织（WHO）饮用水标准5 NTU。化学需氧量（COD）多数控制在10 mg/L以内，但S3点位达13.2 mg/L，反映有机污染风险。营养盐分析显示磷酸盐（PO₄^3?）浓度异常（0.318-10.848 mg/L），超富营养化阈值100倍；氨氮（NH₃-N）峰值10.78 mg/L，硝酸盐（NO₃^?-N）相对安全（0.025-1.837 mg/L）。

离子组成方面，钠离子（Na⁺）浓度37.5-569.4 mg/L，钠吸附比（SAR）1.44-7.98未达危害阈值。钙（Ca²⁺）和镁（Mg²⁺）浓度波动显著（Ca²⁺: 19.24-193.987 mg/L; Mg²⁺: 1.95-114.79 mg/L），影响水体硬度。碳酸氢根（HCO₃^?）夏季峰值509.6 mg/L，与微生物呼吸作用增强相关。

多用途适用性评价

饮用水适宜性评估显示，S1、S2、S6点位水质良好（WQI 80-94），S3、S4、S5、S7、S8为一般（65-79），而S9、S10为差（<45），主要受限因素为浊度、TDS和营养盐超标。水生生态评估中，50%点位（S3、S4、S7、S9、S10）属差级，反映生态系统持续受压。

灌溉适用性通过8项指标综合判定：60%点位（S1、S2、S5、S6、S7、S8）水质良好，但S9、S10存在镁危害（MH>50%）和潜在盐度（PS>10）风险。钠百分比（Na%）虽在40.9%-57.9%安全范围内，长期使用仍需土壤改良。工业用水评估显示，S1、S9、S10点位拉森-斯科尔德指数（LSI>1.2）提示腐蚀倾向，而朗格利尔指数（LI>0）显示半数样本存在结垢风险。

空间分布与热点识别

通过逆距离权重（IDW）空间插值生成的水质指数地图清晰显示：农业排水主导区域（S1、S2、S4、S5、S8）以营养盐污染为特征，而工业/市政影响区域（S3、S6、S7、S9）呈现盐度升高趋势。S9和S10作为污染热点，集中位于卡伦湖入口区域，承受农业回流、未处理污水和工业排放的叠加影响。

管理建议与展望

研究建议从四个维度提升水质管理：强化污水处理设施升级，重点监管工业排放；推广精准农业技术，优化化肥使用效率；建立基于GIS的动态监测网络，实现污染源精准管控；开展公众水环境保护教育。该集成方法为实现联合国可持续发展目标6（清洁饮水和卫生设施）提供了技术支撑，特别适用于干旱区农业依赖型流域的水资源可持续管理。未来研究需拓展季节性监测和微生物学参数，以完善风险评估体系。