南四湖支流東魚河水質(zhì)時(shí)空分布特征與水質(zhì)評(píng)價(jià)

李紫薇，楊麗原* ，劉友春，曹利軍

(1.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250022)

引 言

近年來，我國(guó)湖泊水質(zhì)問題愈加嚴(yán)重，由水質(zhì)惡化引起的環(huán)境問題已經(jīng)成為困擾我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問題之一。在湖泊水質(zhì)污染的過程中，絕大部分面源污染物主要是通過支流進(jìn)入湖泊，因此支流水質(zhì)的污染狀況與湖泊水質(zhì)密切相關(guān)。控制支流污染物對(duì)于治理湖泊水質(zhì)至關(guān)重要，而分析水質(zhì)時(shí)空分布特征和進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)是提出相應(yīng)措施和改善水環(huán)境質(zhì)量的前提。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南四湖位于山東省西南部，由南陽湖、獨(dú)山湖、昭陽湖和微山湖組成，二級(jí)壩將其分為上下級(jí)湖，上級(jí)湖注入河流共29條，入湖污染物主要匯集在此[3]。東魚河是南四湖主要的入湖河流之一，占南四湖汛期入湖水量的15.2%，是南四湖流域上級(jí)湖地區(qū)洪水的主要來水量。東魚河河長(zhǎng)175 km，流域面積5923 km2，最大流量950～2450 m3/s。作為山東省西南部最大的人工河流，東魚河西起菏澤東明縣劉樓村, 向東流經(jīng)曹縣、定陶、成武、單縣等縣市及濟(jì)寧市屬金鄉(xiāng)縣, 于魚臺(tái)縣城東部的西姚入昭陽湖[2]。東魚河流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)大陸性氣候，四季分明，流域內(nèi)自然條件較為惡劣, 生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱。

1.2 樣品采集

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布示意圖

1.3 評(píng)價(jià)方法

本文采用單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法[4]和內(nèi)梅羅指數(shù)法[5]對(duì)東魚河水體進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。其中，單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法的計(jì)算公式為:

Pi=Ci/Si

(1)

P=MAX(Pi)

(2)

式中，Ci為水質(zhì)指標(biāo)i的實(shí)測(cè)濃度；Si為水質(zhì)指標(biāo)i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值;Pi為單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果，Pi≤1 表示水體未污染；Pi>1表示水體受到污染，具體數(shù)值直接反映污染物超標(biāo)程度。最終以最差的水質(zhì)類別作為水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果。

內(nèi)梅羅指數(shù)法的計(jì)算公式為:

(3)

(Ci/Lij)加權(quán)平均=∑Wi×(Ci/Lij)

(4)

式中，i為水質(zhì)參數(shù)；j為水質(zhì)用途數(shù)；P為j用途下i水質(zhì)指標(biāo)的污染指數(shù)；Ci為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)濃度，mg/L；Lij為j用途下i水質(zhì)指標(biāo)的最大容許濃度值，mg/L；Wi為i水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重值。

當(dāng)Ci/Lij>1時(shí)，Ci/Lij=1+P`lg(Ci/Lij)，P`為常數(shù)，采用5.0；當(dāng)Ci/Lij≤1時(shí)，用Ci/Lij的實(shí)際值。根據(jù)地表水環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)將各水質(zhì)指標(biāo)由大到小排序，并取它們的平均值Save并除以Si得到第i種水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)權(quán)重Ri，計(jì)算公式如下：

Ri=Save/Si

(5)

令∑Wi=1，則有Wt=∑Wi×Ri/∑Ri

(6)

內(nèi)梅羅指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 內(nèi)梅羅指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

東魚河具有東明農(nóng)業(yè)用水區(qū)、成武工業(yè)用水區(qū)和濟(jì)寧漁業(yè)用水區(qū)，這3個(gè)功能區(qū)分別以路菜園和廉店為界，水質(zhì)目標(biāo)分別為Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅲ類。其中，D1和D2屬于東明農(nóng)業(yè)用水區(qū)，D3和D4屬于成武工業(yè)用水區(qū)，D5和D6屬于濟(jì)寧漁業(yè)用水區(qū)。故D1、D2、D5和D6為Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，D3和D4為Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 18.0、Excel 2010、Origin 2017和ArcMap 10.3軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)水體理化性質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 上覆水基本理化性質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表3 各指標(biāo)相關(guān)性分析

2.2 主要污染指標(biāo)的空間分布特征

東魚河水體中絕大部分重金屬濃度均達(dá)到I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，為探究超標(biāo)污染物沿程變化和空間分布特征，本文僅將CODMn、TN、TP和F-這四類主要污染物在各取樣點(diǎn)中的數(shù)值用折線圖表示，并在圖中將各污染物的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的濃度上限標(biāo)出。從圖2可以看出，CODMn和TP的變化趨勢(shì)相似，均是從D1開始呈下降趨勢(shì)，經(jīng)D3后逐漸上升，D5為極大值點(diǎn)，D6再次下降。TN的變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，其中最高點(diǎn)D3的濃度(7.83 mg/L)是最低點(diǎn)D4濃度(1.3 mg/L)的8倍，其余各點(diǎn)的數(shù)據(jù)均在4～7 mg/L之間。F-的變化趨勢(shì)呈逐步上升狀態(tài)，D1(0.47 mg/L)是最低點(diǎn)，D6(1.82 mg/L)是最高點(diǎn)，兩個(gè)最值之間相差3.87 倍，可能與F-的富集效應(yīng)有關(guān)。

圖2 主要污染指標(biāo)的空間變化特征

為探求人類活動(dòng)對(duì)主要污染指標(biāo)的影響，本文將各點(diǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)縣區(qū)GDP、城鎮(zhèn)化率、農(nóng)用地占比和工業(yè)總產(chǎn)值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示。在0.01級(jí)別下，F(xiàn)-—農(nóng)用地占比呈顯著正相關(guān)，F(xiàn)-—城鎮(zhèn)化率呈顯著負(fù)相關(guān)，說明F-污染可能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)[8]。另外，魯西南高氟區(qū)范圍包括菏澤市全區(qū)與濟(jì)寧市的部分地區(qū)[9]。菏澤市地下水氟濃度1.2～8.0 mg/L，濟(jì)寧市地下水氟濃度1.04～16.40 mg/L[10]，F(xiàn)-濃度偏高也可能與流域所在地為高氟區(qū)相關(guān)。F-—常住人口呈顯著負(fù)相關(guān)，說明水體中F-的遷移去向可能與人體相關(guān)。F-會(huì)借助于環(huán)境介質(zhì)、相互轉(zhuǎn)化傳遞于人類生活環(huán)境，最終由空氣、水體和膳食累積于人體[8]。菏澤市和濟(jì)寧市地氟病區(qū)受害人口均在50萬以上，長(zhǎng)期飲用高氟水是地方性氟中毒的主要原因[10]。GDP—CODMn呈顯著正相關(guān)，說明流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與水環(huán)境質(zhì)量之間的關(guān)系正處于相互制約，相互影響階段，二者尚未形成協(xié)調(diào)發(fā)展[11]。工業(yè)總產(chǎn)值未呈現(xiàn)相關(guān)性，東魚河大部分河段以農(nóng)業(yè)為主，距離工礦區(qū)較遠(yuǎn)[12]，成武縣等區(qū)域雖然被劃分為工業(yè)用水區(qū)，但工業(yè)對(duì)東魚河水質(zhì)的影響較小。農(nóng)用地占比與TP無顯著相關(guān)性，說明自南水北調(diào)工程啟動(dòng)后，山東省對(duì)農(nóng)業(yè)用水的管控和治理在控制磷排放方面取得成效。TN未呈現(xiàn)相關(guān)性，說明東魚河TN的主要污染來源并非農(nóng)作物。由于東魚河屬于平原河流，挺水植物較為發(fā)達(dá)，故TN的污染來源可能是水體中水生植物及其殘?bào)w[13]。

表4 各縣區(qū)生產(chǎn)狀況與主要污染指標(biāo)的相關(guān)性分析

2.3 主要污染指標(biāo)的時(shí)間分布特征

選取CODMn、TN和TP這三類主要污染元素為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以Ⅲ類水為目標(biāo)水質(zhì)，對(duì)2008—2017年[14,15]東魚河入湖河口處上覆水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)缺失的年份均采用插值法進(jìn)行補(bǔ)缺。水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示，其中圖3(a)為單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果，圖3(b)為內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果。

由圖3(a)可以看出，CODMn指數(shù)變化較為復(fù)雜，2009年為最大值1.705；2011年以后呈逐年下降趨勢(shì)，直到2015年達(dá)到最小值0.552；2016年再次上升至1.08，2017年又下降至0.958。TP指數(shù)僅2016年增至4.15，其余各年均保持在0.4～1.35之間。TN指數(shù)在2008—2013年波動(dòng)較大，其中2010年達(dá)到最小值2.22，2013年達(dá)到最大值4.56，之后持續(xù)降低，污染狀況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。從三項(xiàng)指標(biāo)的達(dá)標(biāo)率來看，TP(60%)>CODMn(40%)>TN(0%)，TN是東魚河首要污染因子，故將其作為水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

由于單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)的目標(biāo)水質(zhì)指數(shù)均為1，因此將單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與內(nèi)梅羅指數(shù)直接進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3(b)所示。東魚河2008—2017年均未達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)。內(nèi)梅羅指數(shù)以3.00為分界線，分為2008—2012年和2013—2017年兩部分。2008—2012年東魚河內(nèi)梅羅指數(shù)在2.00～3.00之間，水質(zhì)處于污染等級(jí)。其中2010年為2.12，接近輕污染；2011年為2.92，接近重污染。2013—2017年東魚河內(nèi)梅羅指數(shù)均大于3.00。其中，2017年為3.03，接近污染等級(jí)；2016年為4.12，水質(zhì)狀況接近嚴(yán)重污染。對(duì)比兩條指數(shù)曲線可知，2008—2013年兩種評(píng)價(jià)方法的變化趨勢(shì)大致相同。2014—2016年單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法呈下降趨勢(shì)，水質(zhì)逐漸出現(xiàn)好轉(zhuǎn)；內(nèi)梅羅指數(shù)則呈上升趨勢(shì)，水質(zhì)狀況逐漸嚴(yán)重。可推斷，2014—2016年首要污染因子TN的污染治理具有顯著成效，而CODMn和TP污染加重。

圖3 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

東魚河屬于平原河流，水流速度慢，坡度低，積累效應(yīng)明顯。水體富營(yíng)養(yǎng)化不但會(huì)污染水質(zhì)，還會(huì)影響水體中的生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致藻類爆發(fā)[16]，成為TN的主要污染來源。2013年東魚河流域全年平均溫度17 ℃，比往年高出1～2 ℃，溫度的上升造成藻類爆發(fā)，導(dǎo)致2013年TN指數(shù)為研究年份最大值[17]。2013年以后，政府對(duì)東魚河展開河道清淤措施，對(duì)河底的水生植物進(jìn)行打撈，TN污染狀況明顯好轉(zhuǎn)。另外，東魚河屬于典型季節(jié)性河流，河流自凈能力較弱且邊坡比較小，水質(zhì)受降雨量的影響較大。2016年山東省出現(xiàn)汛情，包括東魚河流域在內(nèi)的菏澤、濟(jì)寧等地均出現(xiàn)降雨量驟增現(xiàn)象，導(dǎo)致地表特別是農(nóng)田地區(qū)受暴雨徑流、灌溉、河流沖刷等作用產(chǎn)生土壤流失。由于農(nóng)藥化肥的施用及牲畜飼養(yǎng)、谷堆和作坊污水的作用,農(nóng)田流失的土壤攜帶有大量含磷化合物及有機(jī)物[18]在水中形成富集，是該年CODMn和TP指數(shù)上升的主要原因。水土流失造成水中懸浮物增加，導(dǎo)致水體的透明度明顯降低，對(duì)水生生物生長(zhǎng)環(huán)境造成威脅。水生生物殘骸在經(jīng)過微生物的分解后，又會(huì)進(jìn)一步成為有機(jī)物污染來源[19]。因此，2016年TP指數(shù)達(dá)到峰值，CODMn指數(shù)上升，內(nèi)梅羅指數(shù)接近嚴(yán)重污染。2017年東魚河流域降雨量雖與往年持平，但由于政府在汛期到來之前提前做好防洪排澇的準(zhǔn)備，為強(qiáng)降雨做足防御措施，減緩了水土流失現(xiàn)象，且控制磷排放等治水措施受到政府的廣泛重視，因此該年TP和CODMn的指數(shù)顯著降低，內(nèi)梅羅指數(shù)直線下降，污染狀況明顯好轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

(2)從空間分布特征來看，CODMn和TP的變化趨勢(shì)相似，均在D3達(dá)到最小值，D5為最大值。TN最高點(diǎn)D3的濃度是最低點(diǎn)D4濃度的8倍，其余各點(diǎn)的數(shù)據(jù)均在4～7 mg/L之間。F-的變化趨勢(shì)呈上升狀態(tài)，D1和D6之間相差3.87倍。CODMn和TP受農(nóng)業(yè)面源污染影響較大；TN的主要污染來源為水生動(dòng)植物及其殘?bào)w；F-的主要污染來源為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及高氟區(qū)的影響。

(3)從時(shí)間分布特征來看，CODMn單因子指數(shù)在2009年達(dá)到最大值，2015年達(dá)到最小值；TP指數(shù)基本處于0.4～1.35之間，僅2016年達(dá)到為4.15，受降雨量影響較大。TN指數(shù)2010年達(dá)到最小值，2013年達(dá)到最大值，受溫度影響較大。內(nèi)梅羅指數(shù)在2016年達(dá)到峰值，2017年顯著降低，主要原因是政府在汛期前做好防洪除澇的準(zhǔn)備，有效減緩了河道水土流失現(xiàn)象。2013年以來，東魚河水體TN污染狀況逐年好轉(zhuǎn)，但CODMn和TP的污染問題依然反復(fù)。由于東魚河積累效應(yīng)明顯且受溫度和降雨量的影響較大，因此完善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的排污措施，及時(shí)對(duì)東魚河水體內(nèi)的水生動(dòng)植物進(jìn)行打撈，并在汛期前做好防洪除澇的措施，是改善東魚河水質(zhì)的關(guān)鍵。