南四湖入湖河流水質(zhì)綜合評價與改善效果分析

馮娜 武周虎 郭琦 相福亮 岳太星

摘要：指出了南四湖入湖河流水質(zhì)對南水北調(diào)東線山東段的調(diào)水水質(zhì)安全具有重大影響，其水質(zhì)狀況備受各界關(guān)注。通過對2006～2015年南四湖38個主要入湖河口水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計比較與分析，計算了平均綜合污染指數(shù)、改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)、各水質(zhì)指標(biāo)的濃度變化趨勢和污染分擔(dān)率，進行了南四湖入湖河流水質(zhì)綜合評價與改善效果分析。結(jié)果表明：2015年10月與2006年11月相比，南四湖入湖河流水質(zhì)平均綜合污染指數(shù)下降了69.77%，內(nèi)梅羅污染指數(shù)下降了68.70%;水質(zhì)指標(biāo)C0Dcr、NH3-N、T-P和TN的平均值下降率分別為49%、93%、46%和76%;南四湖入湖河流水質(zhì)污染程度排序：上級湖湖東>下級湖湖東>上級湖湖西>下級湖湖西;南四湖流域的主要污染物為CODe，和T-N;重污染河流由11條減少為1條，但老運河仍是南四湖流域治污的重點。

關(guān)鍵詞：南四湖;入湖河流;水質(zhì);綜合評價;改善效果

中圖分類號：X824

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）10-0055-06

1引言

南四湖是南水北調(diào)東線工程重要的輸水通道和調(diào)蓄湖泊，是貫通南北的調(diào)蓄樞紐，其水質(zhì)的好壞將影響南四湖周邊及以北受水區(qū)的正常利用，因此其水質(zhì)狀況一直受到公眾的廣泛關(guān)注。對南四湖入湖河流的水環(huán)境質(zhì)量狀況進行全面分析，有利于推動南四湖流域調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，科學(xué)治污減排，合理利用水資源，保護水環(huán)境，維持經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。通過對南四湖水質(zhì)空間監(jiān)測數(shù)據(jù)的水質(zhì)綜合評價和改善效果分析，根據(jù)南四湖水環(huán)境質(zhì)量和水環(huán)境問題的演變，對制約南四湖水環(huán)境的瓶頸問題進行精準管控，不斷提高南四湖的水環(huán)境管理水平，確保南水北調(diào)東線水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定達標(biāo)。

在國內(nèi)外關(guān)于水環(huán)境質(zhì)量評價方法中，尹海龍等對典型的7種河流綜合水質(zhì)評價方法進行了比較研究;邢軍等將信息熵理論引入到地下水水質(zhì)評價指標(biāo)權(quán)重的確定中;D.P Loucks等將河流水質(zhì)預(yù)測模型運用于水質(zhì)的預(yù)測評價中;潘峰等改進了最大隸屬度原則，從而將模糊綜合評價法運用到水質(zhì)綜合評價中;王玲杰等研究了幾種常用不確定性數(shù)學(xué)分析方法在河流水質(zhì)評價中的應(yīng)用。

本研究利用2006～2015年南四湖入湖河流的12次水質(zhì)空間監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過計算平均綜合污染指數(shù)和改進的內(nèi)梅羅指數(shù)，分析南四湖入湖河流的水質(zhì)變化過程，進行2006～2015年南四湖人湖河流水質(zhì)綜合評價與改善效果分析研究。

2南四湖概況、采樣點及監(jiān)測指標(biāo)

南四湖位于淮河沂沭泗流域西部，湖內(nèi)面積1266km2，南北長126km，東西寬5～25km。二級壩樞紐工程位于南四湖中部，將其分成上級湖（北）和下級湖（南），其中上級湖由南陽湖、獨山湖和昭陽湖（大部分）組成，下級湖由昭陽湖（小部分）和微山湖組成。南四湖東、西、北三面承接蘇、魯、豫、皖4省32個縣（市、區(qū)）53條河流的來水。南四湖水質(zhì)空間分布監(jiān)測的38個主要入湖河流采樣點編號、河流名稱見表l。

根據(jù)對南四湖流域歷史資料的分析，該流域水體污染特征主要是結(jié)構(gòu)性污染，主要超標(biāo)因子為COD、NH3-N等，因此根據(jù)南水北調(diào)東線工程的水質(zhì)考核指標(biāo)和南四湖流域的特征污染物狀況，南四湖及其人湖河流水質(zhì)變化趨勢分析指標(biāo)確定為化學(xué)需氧量（CODcr）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMm）（2010、2011年增加）、氨氮（NH3-N）、總磷（T-P）和總氮（T-N）。

2006～2015年南四湖入湖河流12次水質(zhì)空間監(jiān)測，包括2006年秋、2007年春、2010年秋、2011年春、2011年秋、2012年春、2013年春、2013年秋、2014年春、2014年秋、2015年春、2015年秋各1次。

3水質(zhì)綜合評價

3.1水質(zhì)評價方法選擇

3.1.1平均綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是對各污染指標(biāo)的相對污染指數(shù)進行統(tǒng)計，得出代表水體污染程度的數(shù)值。該方法可以確定研究水體的污染程度。平均綜合污染指數(shù)是以單項污染指數(shù)為基礎(chǔ)計算得到的，其計算公式為：

單項污染指數(shù)（Si）：

Si=Ci/Ci （1）

綜合污染指數(shù)（Si）：

si=∑Sj （2）

平均綜合污染指數(shù)（Sj）：

單項污染分擔(dān)率，即單項污染物占參與評價的所有污染物的比率：

式（1）、（2）、（3）、（4）中：1=1、2、3、4、5，依次表示主要水質(zhì)指標(biāo)CODcr、NH3-N、TP、TN、CODMa;j為河流入湖河口采樣點編號（j=l，2，3，……，m）;Cij為j河流i水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量濃度實測值，mg/L;Ci為i水質(zhì)指標(biāo)的評價標(biāo)準限值，mg/L，按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》（GB3838-2002）CODCr、NH3-N、TP、TN、CODM。的Ⅲ類標(biāo)準依次為20、1、o.2、1、6mg/L;n為參與評價的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)量。

根據(jù)平均綜合污染指數(shù)的大小可將水體分為合格、基本合格、污染和重污染四類，其評價分級對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

3.1.2改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法

傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法數(shù)學(xué)計算過程簡單，根據(jù)所選水質(zhì)指標(biāo)的實測濃度和標(biāo)準值，分別計算內(nèi)梅羅污染指數(shù)和標(biāo)準指數(shù)，再與相應(yīng)的等級標(biāo)準指數(shù)對照，即可得到水質(zhì)評價等級，傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法存在過于突出最大污染因子對水質(zhì)污染的影響，未考慮權(quán)重因素同時忽略了次高污染因子的缺點。但在實際中往往有一些水質(zhì)因子（如總磷）的實測濃度不大，卻對水質(zhì)有著極大影響，改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法將各污染因子在水質(zhì)評價中所占的權(quán)重考慮在內(nèi)，計算公式如下：

式（5）、（6）、（7）中，Ii為第i項水質(zhì)指標(biāo)的污染指數(shù)，max（li）為n項水質(zhì)指標(biāo)污染指數(shù)的最大值;wavg（Ii）為n項水質(zhì)指標(biāo)污染指數(shù)的加權(quán)平均值;ci為第i項評價因子的實測濃度，i=1，2，…，n;sij為第i項評價因子的第j類標(biāo)準濃度，j=l，2，…，m，本研究中j=3，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》（GB3838-2002）Ⅲ類標(biāo)準取值;wi為第i項水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重。

一般情況下，地表水水質(zhì)標(biāo)準中污染指標(biāo)的濃度越小，說明對水環(huán)境質(zhì)量的危害性越大，二者成反比例關(guān)系。第i項水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重為：

以Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準為基礎(chǔ)劃分污染等級，按改進后的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計算各水質(zhì)類別的數(shù)值。在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上，總結(jié)得出：當(dāng)某監(jiān)測點污染指數(shù)值小于0.739時，說明水質(zhì)未受到污染，水質(zhì)狀況較好;當(dāng)污染指數(shù)值處于0.739≤wQI<1時，水質(zhì)狀況在Ⅲ類標(biāo)準范圍內(nèi)，但水質(zhì)可能受到輕微污染;當(dāng)污染指數(shù)值大于1時，說明水質(zhì)已經(jīng)受到污染（見表3）。

3.2水質(zhì)評價結(jié)果分析

將2006～2015年南四湖入湖河流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中的CODcr、CODMn、T-P、T-N和NH3-N代入式（1）、（2）、（3）、（5）、（6）、（7），分別計算各測次的平均綜合污染指數(shù)S和改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)WQI，找到其對應(yīng)的水質(zhì)類別，并計算各測次38個監(jiān)測點位相應(yīng)的污染指數(shù)及各類別所占比例，結(jié)果如表4、表5所示。

比較表4、表5可以得到，2015年10月南四湖入湖河流平均綜合污染指數(shù)（0.78）比2006年11月（2.58）下降了69.77%，2015年10月的內(nèi)梅羅污染指數(shù)（0.949）比2006年11月（3.585）下降了73.53%，說明南四湖人湖河流治污成果顯著，整體水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。到2015年10月水質(zhì)達到內(nèi)梅羅污染等級Ⅲ級標(biāo)準，綜合水質(zhì)合格率達84.21%，但仍有部分河口水體處于污染狀態(tài)。

根據(jù)水質(zhì)綜合污染指數(shù)法計算（表4），2006～2015年間南四湖入湖河流監(jiān)測點位超標(biāo)比例為15.79%～67.57%，與2006年11月比較，10年間綜合污染指數(shù)超標(biāo)點位數(shù)下降率達到61.00%。根據(jù)改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法計算（表5），若將中度污染和重污染作為不達標(biāo)的等級，則2006～2015年間南四湖入湖河流監(jiān)測點位超標(biāo)比例為21.05%～97.30%，與2006年11月比較，10年間內(nèi)梅羅指數(shù)值超標(biāo)點位數(shù)下降率達到74.56%。南四湖入湖河流總體水質(zhì)逐漸得到改善，監(jiān)測點位水質(zhì)達標(biāo)比例不斷增多。

從woi的計算過程可以看出，因為將各污染因子在水質(zhì)評價中所占的權(quán)重考慮在內(nèi)，所以在計算中將濃度含量低但影響大的水質(zhì)指標(biāo)所占比例放大，這也即為改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法水質(zhì)評價存在差異的原因。綜合污染指數(shù)法能在總體上反映水體的污染性質(zhì)和程度，它重點考慮了水環(huán)境中各個污染因子的綜合作用，是對整體水質(zhì)做出的定量描述，而改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法由于引進了權(quán)重的概念，避免了忽視濃度小而危害大的污染因子的弊端，因而更加合理。雖然是兩種不同的評價方法，但反映出的水質(zhì)變化情況是一樣的，都能充分證明南四湖人湖河流在2006～2015年間得到有效治理，水質(zhì)得到明顯改善。

4水質(zhì)改善效果分析

4.1南四湖水質(zhì)改善效果分析

2006年南四湖人湖河流29個監(jiān)測點位的T-P和CODCr平均值各為0.24mg/L和34.94mg/L，分別達到了地表水Ⅳ類和V類標(biāo)準，而NH3-N和T-N的濃度平均值分別為2.82mg/L和4.55mg/L，完全失去了地表水環(huán)境功能要求，可以看出2006年南四湖人湖河流水質(zhì)較差，污染物質(zhì)嚴重超標(biāo)。2015年10月南四湖38個主要入湖河口CODCr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn的平均值分別為17.66、0.20、0.13、1.09和6.48mg/L，分別達到了地表水Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ類標(biāo)準，與2006年11月相比，CODe。、NH3-N、T-P、T-N的平均值下降率分別為49%、93%、46%、76%，與2010年11月相比，CODM。濃度平均值下降率達14%，污染物質(zhì)大大減少，水環(huán)境總體上有了很大程度的改善。

對南四湖入湖河流監(jiān)測點位的CODcr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn，分別計算各測次水質(zhì)指標(biāo)的平均值和各測次與2006年相比污染物濃度的累計下降率（見圖1，圖2）。

由圖1可以看出，2006—2015年南四湖38個主要入湖河口CODcr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn的平均值總體呈下降趨勢，但每年的下降程度有所不同，且出現(xiàn)起伏波動的變化趨勢，在2015年12月各水質(zhì)指標(biāo)濃度都達到監(jiān)測期間的最小值，水環(huán)境達到監(jiān)測期間的最好狀態(tài)，南四湖水質(zhì)呈逐漸變好的趨勢。由圖2可以看出，NH3-N的下降率最大，T-N、CODcr、T-P和CODMn的下降率依次減小。雖出現(xiàn)下降率線的波動現(xiàn)象，或是由于春季與秋季的水質(zhì)差異性所致，但南四湖入湖河流各污染物濃度的累計下降率均保持持續(xù)改善趨勢。

4.2分湖區(qū)入湖河流水質(zhì)改善效果分析

由表1可以看出上級湖湖西有13個監(jiān)測點位，上級湖湖東有10個監(jiān)測點位，下級湖湖西有5個監(jiān)測點位，下級湖湖東有10個監(jiān)測點位，將各監(jiān)測點位的綜合污染指數(shù)按其所在上級湖湖西、上級湖湖東、下級湖湖西、下級湖湖東4個位置分類，并計算平均值，結(jié)果如圖3所示，污染河口比例變化見圖4。

南四湖周邊入湖河流眾多，主要有15條大河，由于不同湖區(qū)周邊入湖河流數(shù)量不同，因此湖區(qū)受河流的影響程度也不一樣，河流的水質(zhì)狀況直接影響到南四湖流域的水環(huán)境質(zhì)量，是湖區(qū)的主要污染來源。由圖3可以看出，在2006～2015年12次監(jiān)測中，總體來看上級湖湖東監(jiān)測點位的綜合污染指數(shù)值較高，其次是下級湖湖東，然后是上級湖湖西和下級湖湖西，就地理位置來看上級湖比下級湖污染嚴重，湖東比湖西污染嚴重。分析發(fā)現(xiàn)南陽湖周邊8條及獨山湖周邊2條入湖河流攜帶了大量的有機污染物，而且南陽湖、獨山湖距離濟寧市區(qū)較近，周邊工業(yè)區(qū)、生活區(qū)密集，接納了大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水和生活污水，因此造成上級湖污染較為嚴重。而昭陽湖、微山湖周邊工業(yè)區(qū)、生活區(qū)稀疏，入湖河流數(shù)量較少，所以下級湖污染較輕，水質(zhì)狀況好于上級湖。而南四湖周邊15條主要入湖河流中，有8條都是在湖東匯入南四湖，且多數(shù)河流因流經(jīng)濟寧市區(qū)，水體污染較為嚴重，使得南四湖湖東比湖西水質(zhì)狀況差。

由圖4可以看出，與2006年相比，上級湖湖西的污染河口所占比例由7.69%下降到0%，上級湖湖東的污染河口所占比例由100%下降到20%，下級湖湖西的污染河口比例由50%上升到60%，下級湖湖東的污染河口比例由57.14%下降到10%。下級湖湖西綜合污染指數(shù)值和污染河口比例在10年間波動起伏較大，甚至大部分時間水質(zhì)狀況均劣于2006年，分析發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點位RC20（沛沿河）、RC21（鹿口河）、RC22（五段河）、RC37（挖工莊河）所在人湖河流在多數(shù)監(jiān)測期間水質(zhì)均不達標(biāo)，導(dǎo)致下級湖湖西水質(zhì)受到影響。

4.3水環(huán)境問題解析

為比較2006～2007年和2015年春秋南四湖流域主要污染河流的變化情況，按平均綜合污染指數(shù)逆排序篩選重污染河流：2006～2007年為洗府河、薛城小沙河、房莊河、城郭河、白馬河、梁濟運河、新薛河、洙水河、老萬福河、潘莊河、幸福河，共11條河流;2015年春秋為老運河，共1條河流。重污染河流由11條減少為1條，南四湖治污成果顯著，污染河流大大減少。

為了能直觀地對比南四湖人湖河流影響水質(zhì)的主要污染物，將南四湖2006年枯水期、2010年枯水期和2015年枯水期的調(diào)查數(shù)據(jù)進行對比分析，計算各污染指標(biāo)的污染分擔(dān)率，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，2006年南四湖入湖河流水質(zhì)監(jiān)測中CODcr和T-N的平均污染分擔(dān)率最高，分別為36.58%和37.69%，為當(dāng)時南四湖入湖河流水質(zhì)的主要污染物;2010年CODcr、NH3-N、TP和T-N的平均污染分擔(dān)率分別為32.66%、12.91%、14.23%和40.20%;2015年CODe，和T-N的平均污染分擔(dān)率最高，分別為34.58%和37.50%，故CODCr和T-N是南四湖入湖河流的主要污染物。此外NH3-N的污染分擔(dān)率有所下降，但T-P的污染分擔(dān)率增加較多，2006年為13.16%，2015年為20.49%。因此，南四湖流域應(yīng)著重治理CODcr和T-N，同時還應(yīng)控制T-P含量，從而使南四湖流域的水質(zhì)能夠持續(xù)達標(biāo)。

對南四湖入湖河流監(jiān)測點位的電導(dǎo)率和透明度分別計算測次平均值，并計算與2006年相比電導(dǎo)率增加百分率和透明度下降百分率，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，與2006年相比電導(dǎo)率增加率均為正值，即電導(dǎo)率呈增加趨勢，透明度下降率除2007年為負值外，均為正值，即透明度呈下降趨勢。與2006年相比，2015年南四湖入湖河流的電導(dǎo)率增加百分比為75.78%，透明度下降百分比為36.73%。水體的電導(dǎo)率上升、透明度下降，說明水體中的中水比例增加，天然徑流被上游水庫截留利用，河道徑流量減少，水資源的循環(huán)利用在南四湖流域內(nèi)發(fā)揮著重要作用。

5結(jié)論

（1）2015年10月與2006年11月相比，南四湖入湖河流平均綜合污染指數(shù)下降了69.77%，內(nèi)梅羅污染指數(shù)下降了73.53%。十幾年來，南四湖流域治污成效顯著，整體水環(huán)境質(zhì)量得到持續(xù)改善。

（2）2015年10月南四湖38個主要人湖河口CODcr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn的平均值依次為17.66、0.20、0.13、1.09和6.48mg/L，分別達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》（GB3838-2002）中Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ類標(biāo)準。與2006年11月相比，CODe。、NH3-N、T-P、T-N的平均值下降率依次為49%、93%、46%、76%，與2010年11月相比，CODMn的平均濃度下降率達14%，水環(huán)境總體上得到大幅度改善。

（3）2015年10月與2006年相比，上級湖湖西的污染河口所占比例由7.69%下降到0，上級湖湖東的污染河口所占比例由100%下降到20%，下級湖湖西的污染河口比例由50%上升到60%，下級湖湖東的污染河口比例由57.14%下降到10%。重污染河流由11條減少為1條老運河，影響南四湖水質(zhì)的主要污染物為CODCr和T-N。

（4）建議針對南四湖人湖重污染河流的水質(zhì)狀況，進一步查明污染源，對重點污染源實施有效管控，加強對非點源的控制與治理工作。