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河流型水库工程建设可以发挥调节水资源的时空分配、发电、防洪等积极作用，但河流型水库在自然生态平衡维护方面还存在一些问题。如污染物处理能力不足、水库管理机制不够健全、缺乏科学有效的治理方案等问题，因此生态环境保护难度大，难以形成有效的生态管理方案。因此进行库区水环境质量分析及库区生态保护工程具有重要意义[1]。
目前对水环境质量进行评价的研究，主要通过水质指标的时空分布特征及污染指数法对水环境现状进行评价[2-3]。污染指数法基于单因子评价法，将单项因子与水功能分区的水质标准进行比较，得出单项污染指数，再通过一定的计算方法得出各污染指标的相对污染指数，以此来作为水质评价的基础。因此污染指数评价法能够直观地判断出综合水质是否符合功能区的目标要求。由于在计算的过程中所采用的数学方法不同，所以得出的污染指数也就有所不同[4-5]。主成分分析是一种多元统计方法[6-7]，使用主成分分析方法对河流或者湖泊水质进行研究时，主要是从众多的污染因子中筛选出主要部分进行分析，又称为主分量分析。由于在进行常规水质评价时，所涉及到的因子数量众多，因此难以提取出水体的重要信息，进而无法做出科学有效的水质评价。而主成分分析不仅能在一定程度上减少指标数量，且筛选出的水质指标彼此独立，这样可以在保证信息量损失最小的情况下简化计算，筛选出重要的水质指标[8]，从而提高评价结果的可信度。
湖北某水库为长江中游支流上的一座中型河流型水库，流域集水面积约2 396 km2，设计库容5200万m3，防洪库容2 700万m3。该水库主要用于防洪和发电，同时也为附近市区的自来水厂提供水源。流域内河流蜿蜒曲折，在洪水期极易爆发洪水，洪水主要集中在6、7月份，大部分由暴雨形成，水位变化剧烈，具有明显的山区河流洪水特征。随着区域经济的持续发展，库区水体污染程度不断增加，目前该河流型水库面临两大类主要污染问题：内源污染和外源污染。内源污染主要是部分底泥的释放及水体中水生生物死亡后尸体的腐烂变质所引起的；外源污染主要由于附近基础设施建设较差，产生的生活污水易排入江中，从而影响库区水质。因此，本研究以河流型水库的水环境空间分布特征为基础[9-10]，采用污染指数法和主成分分析对库区全年水质进行分析，探讨库区水质污染的主导因子，归纳水质控制的主要因素。
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本研究区域位于30.349 888～30.386 834°N、109.374 832～109.464 390°E，内干流全长约12 km，2条支流总长约1.5 km，沿途共布设10个监测点。其中，1#～7#点位于水库的干流，由上游至下游依次分布；+1#号点位于水库中上游段与支流的交汇处，+2#、+3#号点位于水库中下游段支流上。研究区域采样点，见图1。
本研究测定该水库的水质指标共13个，分别为水温（T）、水深（H）、透明度（SD）、电导率、溶解氧（DO）、pH、氨氮（NH4+-N）、亚硝酸盐氮（NO2−-N）、硝酸盐氮（NO3−-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、磷酸盐（PO43−）和高锰酸盐指数（CODMn）。使用有机玻璃采水器对各个采样点进行水样采集，并分装在2个500 ml的塑料瓶中。从2018年12月17日～2019年11月10日，共计完成了10次调查采样，各点位全年平均水质指标数据，见表1。
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由水深仪来测量水深，哈希水质分析仪测定现场的pH、水温、溶解氧和电导率等指标，最后使用塞氏盘来测定各个采样点位的透明度。
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每个采样点采集的2瓶水样中，一瓶滴加硫酸进行酸化固定处理，使pH<2，另一瓶不做处理，用于检测磷酸盐，最后将水样带回实验室完成测定。主要测定指标为总磷、总氮、高锰酸盐指数、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和磷酸盐。
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（1）使用Excel 2016对水质数据进行初步处理之后，利用ArcGIS 10.2软件并使用空间插值法[11]绘制水质指标的空间分布图，分析水库全年平均水质指标的空间变化规律。
（2）将单个水质指标数据与评价标准做对比，并通过计算其比值结果的算术平均值得出综合污染指数[12]，从而了解水库的全年平均污染状况。
（3）使用SPSS 22.0统计分析软件对水库水质指标做主成分分析[6]，从而探讨其库区水体水质的主导因子。
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根据库区水体水质检测结果和地表水环境质量标准，对研究区域内的水环境现状评价如下：水库水体的年平均水温16.92 ℃、水深14.85 m、透明度1.64 m、电导率270.00 μs/cm；年平均pH 9.00，水体总体偏碱性；年平均溶解氧含量较高，为10.382 mg/L，达到Ⅰ类水质标准；年平均氨氮含量0.160 mg/L，达到地表水环境Ⅱ类水质标准；年平均总氮含量2.102 mg/L，超过地表水环境质量标准Ⅴ类标准限值，污染严重；年平均总磷含量0.056 mg/L，超过地表水Ⅲ类水质标准；年平均高锰酸盐指数1.570 mg/L，符合地表水环境Ⅰ类水质标准。
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常规水质指标空间分布特征，见图2。
图2可知，库区水体全年平均水温在14.87～20.20 ℃的区间内变化，干流水温较支流水温低；全年平均水深在3.36～28.18 m内变化，由上游至下游不断增加，整体变化趋势较大；水体透明度在1.26～2.06 m内变化，可以明显看出水体的透明度基本随河流流向逐渐升高。一般来说，水体透明度与悬浮物、水质污染指标等有较大联系见文献[13]这与图2结论的水质情况并不完全相符，因此推测透明度的变化趋势很可能是由于该水库水深变化较大引起悬浮物浓度改变造成的；电导率在211.72～338.71 μs/cm内变化，且干流水体较支流水体电导率高，这可能与水体中的溶解盐以及浊度等指标有关见文献[14]；库区水体pH在8.60～9.53内变化，且干流水体较支流水体pH低，水库水质偏碱性主要归因于藻类的光合作用[15]，该水库的碱性较高，推测这与水库在3月份发生甲藻水华爆发事件有一定联系；库区水体溶解氧含量在9.668～11.993 mg/L内变化，整体波动不大；高锰酸盐指数在1.342～1.974 mg/L内变化，整体含量较低，水库受到的有机污染较轻。
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营养性污染物指标空间分布特征，见图3。
图3可知，库区水体年平均亚硝酸盐氮含量在0.008～0.019 mg/L的区间内变化，浓度基本随流向逐渐增加；氨氮含量在0.112～0.254 mg/L的区间内变化，除5#点位附件浓度较高外，总体上分布较为均匀；硝酸盐氮含量在0.897～1.971 mg/L的区间内变化，总氮在1.388～2.446 mg/L的区间内变化，磷酸盐含量在0.014～0.046 mg/L的区间内变化，三者分布情况类似，呈现明显的干流含量高于支流的现象；总磷在0.041～0.101 mg/L的区间内变化，整体含量分布波动不均，在+1#、+2#达到最低值和最高值。
由此可见，水库受到的氮磷污染比较严重，这主要归因于周边农业生产污水的随意排放，以及库区内水生植物的腐烂分解，释放氮磷污染[16]。
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将水库水质单个指标数据与《地表水环境质量标准：GB 3838—2002》[17]Ⅲ类标准相比，得出各水质指标的污染分指数，并通过各指标污染分指数的算术平均值计算出该水体的综合污染指数，以说明水库水体的污染程度[18]。综合污染指数的水质评级分级表，见表2[19]。污染指数计算公式，见式1。
式（1）中，P为水体的综合污染指数，n为选取的污染指标的项数（共10项），Pi为第i项水质指标的污染分指数（PDO为溶解氧的综合污染分指数），Ci为第i项水质指标的实测浓度值，C0为第i项水质指标的评价标准浓度值。
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将检测出的水质指标代入公式（1）进行计算，得到水库综合污染指数，见表3。
表3可知，该水库的综合污染指数为0.83，除+3#点位属于轻度污染外，属于中度污染。各采样点位的5项污染指数范围在0.11～2.45之间。溶解氧指标属于轻度污染，较为正常；高锰酸盐指数属于尚清洁级别，污染情况较低；氨氮已达清洁标准，对水质影响最小；总磷污染情况严重，属于重度污染；总氮含量严重超标，整体属于严重污染，超过Ⅴ类标准限值。再次说明了水库的主要污染指标为氮磷污染。
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剔除了透明度和水深2项与水质关系不大的指标，对剩余11项水质指标进行KMO与Bartlett球形度检验以检验其适用性。KMO检验系数为0.616>0.5，Bartlett球形度检验结果为209.392，球形检验P值为0.000<0.05，说明水质指标之间存在一定相关性。2项检验结果都表明了本研究的数据适用因子分析法。
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使用SPSS进行主成分分析的统计结果，见表4。
表4可知，前3项主成分的特征值均大于1，且其主成分的方差贡献率分别为36.690%、25.987%和15.558%，累积方差率达到了78.235%，即累积解释了78.235%的数据变化差异，说明它们能够较好的代表11项水质标准。
各项主成分对水质指标数据变化差异的解释程度，其中主成分因子负荷矩阵，见表5。
表5可知，与第一主成分有关的主要有高锰酸盐指数、水温和电导率等水质指标。其中，正相关指标水温的因子载荷最高，为0.941；其次为高锰酸盐指数，达0.915；电导率则为负相关性最好的指标，其值为-0.805。因此该水库的第一主成分主要反映水温升高对有机物含量增加有促进作用。结合水温、高锰酸盐指数和电导率等水质指标的空间分布情况来看，水温与高锰酸盐指数基本呈正相关趋势，而电导率则刚好与两者相反，这也表明了主成分分析结果符合实际情况。
与第二主成分有关的水质指标主要有NO3−-N、pH和TN，其中TN与第二主成分的相关系数最高，因子载荷为0.886，其次分别为NO3−-N和pH，因子载荷分别为0.781和−0.743。因此，第二主成分主要反映水库水体的氮盐指标特征。正负荷为水体的TN和NO3−-N指标，负负荷因子为水体的pH，这说明当pH升高时，TN和NO3−-N指标会相应减少。氮盐作为水生生物生存的营养物质基础，对浮游植物的生长具有一定的促进作用，而这一过程势必会消耗水体当中的氮盐[20]，从而提高水体的pH值[15]。结合空间分布情况图来看，pH与TN、NO3−-N的变化情况也基本符合负相关趋势，与实际情况相符。
与第三主成分密切相关的水质指标为PO43−，其相关系数为0.890，反映了该水库水体的磷酸盐特征。水体中的磷酸盐作为影响浮游植物生长和繁殖的限制性营养盐成分[21]，是形成富营养化的重要因素。因此，第三主成分也反映了该水库水体的营养化程度。
从对该水库水体水质的方差贡献率可以看出，水库主要有3个主成分，其方差贡献率分别为36.690%、25.987%和15.558%，累积解释了78.235%的数据变化差异。主成分分析结果与空间分布情况基本相符，表明该水库水质主要受到水温以及氮磷营养盐的控制。
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（1）本文所研究的河流型水库水体的年平均水温为16.92 ℃、水深为14.85 m、透明度为1.64 m、电导率为270.00 μs/cm。pH均值为9.00，水体总体偏碱性；溶解氧平均含量较高10.382 nmg/L，达到Ⅰ类水质标准；库区水体氨氮的平均含量为0.160 mg/L，达到地表水环境Ⅱ类水质标准；总氮的平均含量为2.102 mg/L，超过地表水环境质量标准Ⅴ类标准限值，污染严重；总磷含量的平均值为0.056 mg/L，超过地表水Ⅲ类水质标准；水库高锰酸盐指数平均值为1.570 mg/L，符合地表水环境Ⅰ类水质标准。
（2）本文水体透明度的变化趋势与水质情况并不完全相符，因此推测透明度的变化趋势很可能是由于该水库水深变化较大引起悬浮物浓度改变造成的；水库水质偏碱性主要归因于藻类的光合作用，该水库的碱性较高，推测这与水库在3月份发生的甲藻水华爆发事件有一定联系；水库受到的氮磷污染比较严重，这主要归因于周边农业生产污水的随意排放，以及库区内水生植物的腐烂分解，释放氮磷污染。
（3）该水库各采样点位的5项污染指数范围在0.11～2.45之间，其中溶解氧指标属于轻度污染，较为正常；高锰酸盐指数属于尚清洁级别，污染情况较低；氨氮已达清洁标准，对水质影响最小；总磷污染情况严重，属于重度污染；总氮含量严重超标，整体属于严重污染，超过Ⅴ类标准限值。这表明了水库的主要污染指标为氮磷污染。
（4）从对该水库水体水质的方差贡献率可以看出，水库主要有3个主成分，其方差贡献率分别为36.690%、25.987%和15.558%，累积解释了78.235%的数据变化差异。该水库的第一主成分主要反映了水温升高对有机物含量增加有促进作用，其正负荷因子为水温、高锰酸盐指数，两者基本呈正相关趋势，且与负负荷因子电导率呈负相关趋势；第二主成分为水体的氮盐指标，正负荷因子为水体的TN和NO3−-N指标，负负荷因子为pH，反映了水库中水生植物生长消耗氮盐从而使pH升高的现象；第三主成分为水体中的磷酸盐含量，正负荷因子为PO43−指标，磷酸盐作为水生植物生长的一大重要营养元素，反映了该水库水体的营养化程度。主成分分析结果再现了水库的空间分布情况变化，解释了不同水质指标之前的潜在关系，因此该模型可以作为判断河湖污染主因子的工具。
水污染综合指数评价及主导因子分析
——基于湖北某水库的水环境空间分布特征Evaluation of water pollution comprehensive index and analysis of its dominant factor
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摘要: 为了探究河流型水库水质的主要污染指标，文章通过湖北省某河流型水库2018～2019年的水样测定结果，以水库水质空间分布特征为基础，采用了污染综合指数法及主成分分析对水质进行了评估。结果表明：该水库主要受氮磷污染，主要归因于周边农业生产污水的随意排放，以及库区内水生植物的腐烂分解。同时，主成分分析也明确了主要水质指标之间的影响关系：第一主成分中正负荷因子为水温和高锰酸盐指数，主要反映了水温上升对有机物含量增加有促进作用；第二主成分中正负荷因子总氮、硝酸盐氮指标与负荷因子pH则反映了水库中水生植物生长消耗氮盐从而使pH升高的现象；第三主成分的正负荷因子为磷酸盐指标，体现了该水库水体的富营养化程度。Abstract: In order to analyze the main pollution index of riverine reservoir, the comprehensive indexes and principal component analysis were used to evaluate the water quality of this reservoir, according to the spatial distribution characteristics of water quality through the measurement results of a riverine reservoir in Hubei Province during 2018-2019. The result showed that this reservoir was mainly polluted by nitrogen and phosphorus. The main reason was the indiscriminate discharged of sewage from surrounding agricultural production and the decomposition of aquatic plants in the reservoir. In addition, the influence relationship among the indexes was also clarified. The positive load factors were water temperature (T) and permanganate index (CODMN) of the first principal components, which mainly reflected that the rise of water temperature promoted the increase of organic matter content. While the second principal component positive load factors were total nitrogen (TN) and nitrate nitrogen (NO3−-N), and the negative load factor was pH, which reflected the phenomenon of aquatic plants in the reservoir consumed nitrogen salt, thus increasing pH. The positive load factor of the third principal component was phosphate (PO43−) index. It indicated the eutrophic degree of the water in this reservoir.
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表 1 各点位水质全年平均值
点位 T/
℃H/
mSD/
m电导率/
μs·cm−1DO/
mg·L−1pH NH4+-N/
mg·L−1NO2−-N/
mg·L−1NO3−-N/
mg·L−1TN/
mg·L−1TP/
mg·L−1PO43−/
mg·L−1CODMn/
mg·L−11# 14.87 4.37 1.26 338.71 9.668 8.87 0.112 0.009 1.971 2.446 0.059 0.034 1.357 2# 16.33 10.14 1.26 281.59 10.541 8.92 0.136 0.011 1.890 2.379 0.055 0.046 1.663 3# 15.79 17.55 1.54 311.94 10.518 9.03 0.161 0.012 1.825 2.321 0.057 0.034 1.633 4# 16.02 15.77 1.59 275.36 10.259 8.97 0.125 0.018 1.645 2.171 0.056 0.036 1.649 5# 16.26 18.12 1.94 277.18 9.947 8.60 0.254 0.018 1.758 2.311 0.046 0.034 1.425 6# 16.32 21.36 1.94 275.85 10.084 8.78 0.116 0.019 1.782 2.367 0.050 0.028 1.342 7# 16.06 28.18 2.06 288.07 9.813 8.86 0.148 0.019 1.800 2.352 0.056 0.036 1.428 +1# 18.80 3.36 1.54 214.34 10.918 8.96 0.169 0.013 1.485 1.862 0.043 0.019 1.974 +2# 18.58 / / 225.26 10.082 9.47 0.202 0.011 0.914 1.388 0.101 0.028 1.698 +3# 20.20 / / 211.72 11.993 9.53 0.173 0.008 0.897 1.428 0.041 0.014 1.534 均值 16.92 14.85 1.64 270.00 10.382 9.00 0.160 0.014 1.597 2.102 0.056 0.031 1.570 
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表 2 综合污染指数评价分级表
P值 水质污染级别 ≤0.20 清洁 0.21～0.40 尚清洁 0.41～0.70 轻度污染 0.71～1.00 中度污染 1.01～2.00 重度污染 >2.00 严重污染
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表 3 水库各项指标污染分指数Pi及综合污染指数P
采样点 DO CODMn NH4+-N TP TN P 水质污染级别 1# 0.52 0.23 0.11 1.19 2.45 0.9 中度 2# 0.47 0.28 0.14 1.1 2.38 0.87 中度 3# 0.48 0.27 0.16 1.14 2.32 0.87 中度 4# 0.49 0.27 0.13 1.13 2.17 0.84 中度 5# 0.5 0.24 0.25 0.93 2.31 0.85 中度 6# 0.5 0.22 0.12 0.99 2.37 0.84 中度 7# 0.51 0.24 0.15 1.11 2.35 0.87 中度 +1# 0.46 0.33 0.17 0.86 1.86 0.74 中度 +2# 0.5 0.28 0.2 2.02 1.39 0.88 中度 +3# 0.42 0.26 0.17 0.81 1.43 0.62 轻度 平均值 0.48 0.26 0.16 1.13 2.1 0.83 中度
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表 4 主成分分析统计结果
解释的总方差 成分 对应水质指标 初始特征值 提取平方和载入 合计 方差的% 累积
%合计 方差的% 累积
%1 CODMn 4.036 36.690 36.690 4.036 36.690 36.690 2 T 2.859 25.987 62.677 2.859 25.987 62.677 3 NO3−-N 1.711 15.558 78.235 1.711 15.558 78.235 4 Cond 0.870 7.906 86.142 5 NH4+-N 0.474 4.311 90.453 6 pH 0.447 4.059 94.513 7 NO2−-N 0.256 2.324 96.837 8 TN 0.222 2.014 98.851 9 PO43− 0.067 0.609 99.460 10 TP 0.031 0.284 99.744 11 DO 0.028 0.256 100.00
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表 5 主成分因子负荷矩阵表
序号 水质指标 提取的成分 PC1 PC2 PC3 1 CODMn 0.915 0.201 0.049 2 T 0.941 −0.273 −0.039 3 NO3−-N 0.585 0.781 −0.044 4 Cond −0.805 0.014 0.340 5 NH4+-N −0.356 −0.441 −0.368 6 pH 0.464 −0.743 0.048 7 NO2−-N −0.365 0.542 −0.597 8 TN 0.162 0.886 0.085 9 PO43− −0.232 −0.128 0.890 10 TP −0.598 0.498 0.298 11 DO −0.640 −0.213 −0.455
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[1] 刘录三, 黄国鲜, 王璠, 等. 长江流域水生态环境安全主要问题、形势与对策[J]. 环境科学研究, 2020, 33(5): 1081 − 1090. [2] 杨诗笛, 曹星星, 吴攀, 等. 贵州草海岩溶湿地水体不同形态氮的时空分布特征[J]. 生态学杂志, 2021, 40(1): 93 − 102. [3] 薛巧英, 刘建明. 水污染综合指数评价方法与应用分析[J]. 环境工程, 2004, 22(1): 64 − 66. doi: 10.3969/j.issn.1000-8942.2004.01.020 [4] 孙涛, 张妙仙, 李苗苗, 等. 基于对应分析法和综合污染指数法的水质评价[J]. 环境科学与技术, 2014, 37(4): 185 − 190. [5] 刘琰, 郑丙辉, 付青, 等. 水污染指数法在河流水质评价中的应用研究[J]. 中国环境监测, 2013, 29(3): 49 − 55. doi: 10.3969/j.issn.1002-6002.2013.03.010 [6] 汪红军, 颜昌龙, 李嗣新, 等. 洪湖水质空间特异性及主导因子分析[J]. 中国环境监测, 2012, 28(3): 72 − 75. doi: 10.3969/j.issn.1002-6002.2012.03.016 [7] 杜耘, 陈萍, SATO Kieko, 等. 洪湖水环境现状及主导因子分析[J]. 长江流域资源与环境, 2005, 14(4): 481 − 485. doi: 10.3969/j.issn.1004-8227.2005.04.017 [8] 蔡广强, 张金松, 刘彤宙, 等. 基于主成分分析的中国南方某市水库水质评价[J]. 环境科学与技术, 2018, 41(S2): 88 − 94. [9] 郭苗, 张飞, 张海威, 等. 艾比湖流域地表水水化学特征及空间变异特征分析[J]. 环境工程, 2017, 35(7): 146 − 151+140. [10] 李丹, 杨光, 倪春迪, 等. 松嫩平原北部耕地空间分布及其变化特征[J]. 环境工程, 2019, 37(4): 186 − 191. [11] 李慧晴, 叶爱中. 基于地形加权的降水空间插值方法研究[J]. 武汉大学学报(工学版), 2021, 54(1): 28 − 37. [12] 殷小琴. 2019年如泰运河水环境质量分析与评价[J]. 水利技术监督, 2020(4): 29 − 32. doi: 10.3969/j.issn.1008-1305.2020.04.010 [13] 李晓宇. 宁夏沙湖水体透明度时空变化特征与影响因素研究[D]. 银川: 宁夏大学, 2018. [14] 聂小芬, 杨正健, 王从锋, 等. 澜沧江梯级水库建设下水体电导率和浊度时空分布特征[J]. 三峡大学学报(自然科学版), 2021, 43(1): 18 − 24. [15] 秦保平, 孙韧, 王德龙, 等. 引滦河道中水质偏碱的起因研究[J]. 环境科学研究, 1999(5): 43 − 47. doi: 10.3321/j.issn:1001-6929.1999.05.012 [16] 唐金艳, 曹培培, 徐驰, 等. 水生植物腐烂分解对水质的影响[J]. 应用生态学报, 2013, 24(1): 83 − 89. [17] 国家环境保护总局, 国家质量监督检验检疫总局. G地表水环境质量标准: GB 3838—2002[S]. 北京: 中国标准出版社. 2002. [18] 蒋火华, 朱建平, 梁德华, 等. 综合污染指数评价与水质类别判定的关系[J]. 中国环境监测, 1999(6): 3 − 5. [19] 周淼, 李维刚, 易灵. 四种水质评价方法的特点分析与比较研究[J]. 环境科学与管理, 2016, 41(12): 173 − 177. doi: 10.3969/j.issn.1673-1212.2016.12.039 [20] 陈丹艳, 周威, 段婧婧, 等. 水生植物对不同形态氮素污水的生理响应及相应脱氮效率[J]. 江苏农业学报, 2020, 36(6): 1468 − 1474. doi: 10.3969/j.issn.1000-4440.2020.06.016 [21] 张佳敏, 高健, 杨诚, 等. 以鲢、鳙养殖为主的长江中下游武山湖浮游植物群落结构特征[J]. 湖泊科学, 2020, 32(6): 1771 − 1783. doi: 10.18307/2020.0617 -
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