南四湖水質(zhì)評價及改善效果分析

馬 景，武周虎

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266525)

南四湖是南水北調(diào)東線工程的必經(jīng)之地和調(diào)蓄湖泊，其水質(zhì)安全至關(guān)重要。南四湖隸屬于山東省濟寧市，湖區(qū)周邊工業(yè)、農(nóng)業(yè)錯綜復(fù)雜，流域內(nèi)水環(huán)境容納限度小、水體污染與水源短缺等問題較為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響我國南水北調(diào)東線工程的順利進(jìn)行與周邊經(jīng)濟發(fā)展。為了響應(yīng)山東省“治用?！毙×饔蛑卫淼奶栒伲綎|省生態(tài)環(huán)境廳每年進(jìn)行2次水質(zhì)空間監(jiān)測工作。

水質(zhì)評價是湖泊有效管理和污染防治的基礎(chǔ)，采用合理的水質(zhì)評價方法可以了解湖泊水質(zhì)現(xiàn)狀與受污染程度[1]，找出導(dǎo)致流域污染的主要問題，從而為湖泊的治理、規(guī)劃與管理提供科學(xué)依據(jù)。每種水質(zhì)評價方法都有其特點，只有根據(jù)實際情況選擇恰當(dāng)?shù)脑u價方法才能得到有效的研究結(jié)果[2]。相對而言，綜合指數(shù)評價法可以定性、定量評價水質(zhì)，簡單易行，在我國應(yīng)用更為廣泛。馬京久等[3]將綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法應(yīng)用到漢江中下游的水質(zhì)評價中，同時采用秩相關(guān)系數(shù)對水質(zhì)評價結(jié)果進(jìn)一步分析，為水質(zhì)評價提供了一種新的思路；寧陽明等[4]采用綜合污染指數(shù)法對長江黃石段的水質(zhì)進(jìn)行評價，研究結(jié)果為該斷面的水污染防護與水資源利用提供了科學(xué)依據(jù)；張翔[5]依據(jù)北洛河歷年的水質(zhì)監(jiān)測資料，運用綜合污染指數(shù)法來分析北洛河的水質(zhì)變化趨勢，并總結(jié)分析了主要污染指標(biāo)的變化規(guī)律。

本文以南四湖自然地理和水質(zhì)空間監(jiān)測概況為基礎(chǔ)，選取2011—2019年湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為主要研究基本數(shù)據(jù)，采用水質(zhì)綜合污染指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對湖區(qū)水質(zhì)污染狀況進(jìn)行分季節(jié)歸納與綜合水質(zhì)評價，比較分析水質(zhì)變化規(guī)律、水質(zhì)改善效果并對存在的水環(huán)境問題提出相應(yīng)的對策與建議。

1 水質(zhì)監(jiān)測概況

南四湖位于山東省濟寧市，從北向南依次由四湖貫通而成[6]。該湖泊總體呈帶狀，由湖腰處向兩端延伸，湖長約126 km，湖面最寬處逾25 km，湖面面積1266 km2，蓄水量為20.08×108m3。其總流域面積為32 675 km2，承接53條河流的來水，主要集中在上級湖。湖區(qū)分為上、下級湖，以湖腰的二級壩樞紐工程為界限，上級湖為二級壩北段湖區(qū)，下級湖為南段湖區(qū)[7]。其中上級湖承接了南四湖流域近九成的來水，考慮到上級湖較大的防洪、蓄洪壓力，在二級壩完工后，先后在南四湖流域建造了4個泄洪口。

為了保障水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性，南四湖流域水質(zhì)監(jiān)測點位的布設(shè)采用網(wǎng)格式布點法[8]，最終整個湖區(qū)共設(shè)置90個監(jiān)測點位，上下級湖監(jiān)測點位布設(shè)比例約為5∶4，每個網(wǎng)格南北長3.33 km，東西寬3.12 km。為保障水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)具有代表性，監(jiān)測時間依據(jù)南水北調(diào)東線工程調(diào)水期選定為每年春末4—5月及秋末10—11月。從2011年到2019年，南四湖水質(zhì)共監(jiān)測了17批次(其中由于現(xiàn)實監(jiān)測條件的限制，2012年秋季的數(shù)據(jù)未測)。本文結(jié)合南四湖流域當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟狀況與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，根據(jù)湖泊污染特點，通過分析CODCr，CODMn，TP，TN，NH3-N等5項水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)對水質(zhì)改善效果進(jìn)行分析評價。

2 水質(zhì)評價方法

2.1 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法[9]建立在單因子指數(shù)法的基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)手段對單因子指數(shù)法的結(jié)果進(jìn)行綜合計算來得到評價結(jié)果。因其簡單實用，被廣泛應(yīng)用于綜合水質(zhì)評價中。其計算公式為

(1)

(2)

式中：i=1，2，…，5分別代表CODCr，CODMn，TP，TN，NH3-N；j為湖區(qū)點位編號；Qij為單項污染指數(shù)；Q為綜合污染指數(shù)；Cij為j點i指標(biāo)的實測值；Csi為i指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)限值，見表1；k為監(jiān)測點位總數(shù)，在此為90個。

表1 地表水水質(zhì)分類 mg/L

根據(jù)綜合污染指數(shù)的大小可將水體分為以下4類：

1) 達(dá)標(biāo)：Q≤0.8，各項水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，水體不受水質(zhì)指標(biāo)的制約。

2) 基本達(dá)標(biāo)：0.8

3) 污染：1.0

4) 嚴(yán)重污染：Q>2.0，各項水質(zhì)指標(biāo)均不達(dá)標(biāo)，部分指標(biāo)檢出值超標(biāo)嚴(yán)重，水體受污染程度大。

2.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)[10]法可以定性、定量研究水質(zhì)變化狀況，不會因為某一項指標(biāo)的變差而影響對水質(zhì)總體的評價。較其他水質(zhì)評價方法而言，能夠更為直觀地表征水質(zhì)現(xiàn)狀達(dá)標(biāo)情況，反映水環(huán)境治理取得的成效。其表達(dá)式為

I=X1·X2X3X4

(3)

式中：X1為綜合水質(zhì)類別；X2為綜合水質(zhì)在變化區(qū)間內(nèi)所處位置；X3為水質(zhì)評價的水質(zhì)指標(biāo)中劣于水環(huán)境功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的個數(shù)；X4為水質(zhì)類別與水環(huán)境功能區(qū)類別的比較結(jié)果；X1·X2為綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的特定運算，由計算獲得。

綜合水質(zhì)判定標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 綜合水質(zhì)評價判定標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 南四湖春季與秋季水質(zhì)指標(biāo)的分析

分別計算2011—2019年南四湖湖區(qū)CODCr，CODMn，NH3-N，TP，TN等5項水質(zhì)指標(biāo)平均濃度，春、秋兩季水質(zhì)指標(biāo)逐年變化趨勢如圖1所示。

圖1(a)為2011—2019年南四湖流域春季水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢，可以看出2019年4月南四湖湖區(qū)CODCr，CODMn，NH3-N，TP，TN的濃度平均值較2011年4月分別下降了36.7%，34.3%，37.3%，45.8%，31.9%?？偟膩碚f，5項水質(zhì)指標(biāo)的濃度均呈下降趨勢，下降幅度由大到小依次為TP>NH3-N>CODCr>CODMn>TN。2011—2019年的春季，水質(zhì)指標(biāo)NH3-N未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象；CODCr在2011—2013年均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，而后在2014—2019年達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；TP在2011—2015年出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，而后在2016—2019年達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；TN在2011—2012年出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，而后在2013—2019年達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。這是由于2011—2015年南四湖生活面源、企業(yè)點源、農(nóng)業(yè)面源排放比例的增加而造成的。

圖1(b)為2011—2019年南四湖流域秋季水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢，可看出2019年11月南四湖湖區(qū)5種水質(zhì)指標(biāo)的濃度平均值分別為18.13，4.90，0.27，0.04，0.92 mg/L。較2011年秋季分別下降了26.9%，15.8%，22.8%，42.8%，17.1%?？偟膩碚f，5項水質(zhì)指標(biāo)整體呈下降趨勢，其中TP下降幅度最大。2011—2019年，水質(zhì)指標(biāo)NH3-N未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象；CODCr，TN在2011—2014年均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，而后在2015—2019年達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；TP在2011—2019年一直處于超標(biāo)狀態(tài)。對比圖1(a)和圖1(b)可得，南四湖春季水質(zhì)優(yōu)于秋季水質(zhì)，這是由于冬、春季枯水期，流域匯湖入水較少，湖區(qū)污染物在吸附、沉降以及自然降解等作用下使得污染物濃度降低，從而使春季水質(zhì)變好；春汛過后污染物隨徑流排入湖內(nèi)使秋季水質(zhì)差。由此造成河流水環(huán)境容量小，在枯水季節(jié)(11月—3月)尤為顯著。因此相較于枯水期，湖區(qū)豐水期經(jīng)過自然降水稀釋作用以及水體自身自凈作用，污染物濃度降低水質(zhì)得到顯著提升。

總的來看，2011—2019年，水質(zhì)指標(biāo)NH3-N始終符合III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，TN，CODCr，TP，CODMn4項水質(zhì)指標(biāo)雖然在2011—2014年超標(biāo)，但總體呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，并于2015年達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。CODCr的總體下降率在2013年出現(xiàn)最大值，而TN的總體下降率在2014年出現(xiàn)最大值。這是由于自2003年起，山東省實施了多項污染物排放管控標(biāo)準(zhǔn)，形成了針對山東省地方性的全方位多層次污染物排放標(biāo)準(zhǔn)體系，特別是2015年頒布的《山東省南水北調(diào)條例》，更為明確地規(guī)定了南水北調(diào)工程沿線水域污染物的管控。由此使得南四湖流域水質(zhì)逐年改善，各項水質(zhì)指標(biāo)逐漸達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 南四湖綜合水質(zhì)改善效果評價

將2011—2019年5項水質(zhì)指標(biāo)的實測數(shù)據(jù)依次代入式(1)、式(2)中，并將計算所得結(jié)果Q值、I值列入表3中。

表3 湖區(qū)水質(zhì)評價結(jié)果

由表3可以看出，2011—2019年的綜合污染指數(shù)范圍為0.653～1.101，相差較大，10年間Q值最大值出現(xiàn)在2013年10月；2011—2019年的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)范圍為3.100～4.040，I值最大值出現(xiàn)在2011年5月。2019年11月湖區(qū)Q值為0.743比2011年同期下降了27.3%，2019年11月入湖湖口I值為3.400比2011年同期降低了13.5%；2019年4月湖區(qū)Q值為0.653比2011年同期下降了38.3%，2019年4月湖區(qū)I值為3.10比2011年同期下降了23.3%。由此可看出，南四湖湖區(qū)水質(zhì)不同季節(jié)呈現(xiàn)顯著差異性，湖區(qū)水質(zhì)Q值、I值在春季普遍低于秋季，這表明春季水質(zhì)比秋季水質(zhì)有顯著提升。2011—2019年的Q值、I值普遍呈下降趨勢，湖區(qū)水質(zhì)逐步從污染趨向達(dá)標(biāo)，春季和秋季的水質(zhì)都得到了顯著改善。這表明近年來隨著政府投入資金對環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)，加強對南四湖流域工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，強化對南四湖點源、面源污染的治理，使流域內(nèi)水質(zhì)狀況得到進(jìn)一步改善。

總的來說，兩種水質(zhì)研究方法得到的水質(zhì)類別有些許差異，但總體均可以表征水質(zhì)狀況與達(dá)標(biāo)程度，均顯示南四湖湖區(qū)水質(zhì)逐漸變好，且于2014年春季保持基本穩(wěn)定狀態(tài)；根據(jù)水質(zhì)綜合污染指數(shù)法可以看出2011—2013年水質(zhì)處于污染狀態(tài)，于2014年春季保持基本穩(wěn)定狀態(tài)，綜合水質(zhì)逐漸變好，達(dá)標(biāo)率不斷增加；由綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法可以直觀看出自2011年秋季起南四湖湖區(qū)綜合水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定在Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其中南四湖在2011年秋季至2013年秋季期間水質(zhì)較差，分析可能是由于山東省在該年份內(nèi)持續(xù)干旱少雨，湖區(qū)未得到天然地表徑流水流量的補給，從而使得湖區(qū)內(nèi)污染物濃度顯著增高。

4 結(jié)論

1) 水質(zhì)評價結(jié)果顯示南四湖湖區(qū)水質(zhì)得到較大改善，水質(zhì)狀況由污染轉(zhuǎn)為達(dá)標(biāo)，湖區(qū)內(nèi)各水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量濃度均呈下降趨勢，總體水質(zhì)得到極大改善；湖區(qū)水質(zhì)整體呈現(xiàn)春季優(yōu)于秋季的趨勢。

2) 按水質(zhì)綜合污染指數(shù)法可得，南四湖水質(zhì)在2014年春季處于穩(wěn)定基本達(dá)標(biāo)狀態(tài)；由綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法可得，自2011年秋季起南四湖湖區(qū)綜合水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定在Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。