基于多元統(tǒng)計分析的洪澤湖水質(zhì)評價及時空特征分析

夏文文， 姜瑞雪， 王勁齡

（1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心， 江蘇 南京 210019； 2.中科三清科技有限公司， 北京 100029；3.江蘇省南京環(huán)境監(jiān)測中心， 江蘇 南京 210019）

0 引言

洪澤湖是我國第四大淡水湖及江蘇省第二大淡水湖，是南水北調(diào)東線工程重要調(diào)蓄湖泊，也是江蘇省蘇北地區(qū)的重要水源。 在灌溉、養(yǎng)殖、防洪、航運(yùn)、旅游等多方面發(fā)揮著重要作用， 具有重要的生態(tài)區(qū)位價值與資源優(yōu)勢。洪澤湖生態(tài)環(huán)境的改善，對促進(jìn)流域社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。 但由于入湖河流水質(zhì)較差、 周邊工農(nóng)業(yè)污染及生活污水排放等，加之洪澤湖自身水位低、自凈能力弱，湖體水質(zhì)狀況不容樂觀，水體富營養(yǎng)化問題偶有發(fā)生[1]。

有研究表明， 洪澤湖的水質(zhì)狀況受人類活動影響隨時間逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變。 2000年以前，洪澤湖水質(zhì)為Ⅳ類， 同時存在營養(yǎng)型污染和有機(jī)化學(xué)污染[2]。2007年～2012年湖體水質(zhì)趨好， 富營養(yǎng)化風(fēng)險降低，但有機(jī)物污染依然嚴(yán)重[3]。 2012年～2018年湖體水質(zhì)整體為Ⅳ類， 局部為Ⅴ類水， 主要污染物為TN，TP 和COD，N,P 含量略有降低[4-5]。 近年來，國家與地方大力推進(jìn)水環(huán)境綜合治理工作， 洪澤湖綜合保護(hù)和水質(zhì)提升工作有序開展， 持續(xù)關(guān)注洪澤湖水質(zhì)情況及時空特征對進(jìn)一步保護(hù)和提升洪澤湖水質(zhì)具有重要意義。

基于2016年～2020年的洪澤湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)， 通過采用內(nèi)梅羅指數(shù)法評價湖體水質(zhì)狀況以及利用方差分析和系統(tǒng)聚類分析等方法分析水質(zhì)時空特征及主要污染因子， 為洪澤湖的水環(huán)境保護(hù)和管理提供科學(xué)參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

洪澤湖（33°06'～33°40'N，118°10'～118°52'E）位于江蘇西北部、淮河中游，南北長65 km，東西寬24.6 km，水域面積為2 069 km2。湖盆呈淺碟形，岸坡平緩，湖底高程為9.81 ～10.81 m，多年平均水位為12.37 m，故洪澤湖屬于淺水湖泊。

洪澤湖是淮河最大的過水性湖泊， 承泄淮河中上游15.8×104km2的來水[1]。 直接入洪澤湖的河流包括淮河、懷洪新河、新汴河、新濉河、徐洪河等，淮河入湖水量約占70%[6]；主要泄洪道包括三河（入江水道）、蘇北灌溉總渠及淮沭新河等。受河流出入湖水量大小的影響， 洪澤湖湖流總體呈現(xiàn)自西向東、自北向南流動特點(diǎn)，河口區(qū)流速較快[7]。 近年來，受入湖河流污染輸入等影響， 洪澤湖處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。

洪澤湖氣候四季分明，年平均氣溫為14.8 ℃，多年平均降水量為925.5 mm， 降雨主要集中在6月～9月，其降水量占全年的65.5%。 每年6月～8月為豐水期，入湖水量最大；10月為平水期，12月為枯水期。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測方法

2016年～2020年期間，在洪澤湖湖區(qū)設(shè)置6 個湖區(qū)監(jiān)測點(diǎn)， 每月進(jìn)行1 次水質(zhì)監(jiān)測。 監(jiān)測指標(biāo)包括： 水溫、pH 值、 溶解氧 （DO）、 高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、 化學(xué)需氧量 （COD）、 五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總 磷（TP）、總 氮（TN）、銅（Cu）、鋅（Zn）、氟 化 物（F-）、硒（Se）、砷（As）、汞（Hg）、鎘（Cd）、六價鉻（Cr6+）、鉛（Pb）、氰化物（CN）、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物。研究區(qū)域及監(jiān)測點(diǎn)分布示意見圖1。

圖1 研究區(qū)域及監(jiān)測點(diǎn)分布示意

在現(xiàn)場利用YSI 6600 多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定水溫和DO，其余指標(biāo)在實驗室測定。 按照HJ 91—2002《地表水和污水采樣技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行采樣，采用《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》進(jìn)行分析。

1.3 研究方法

1.3.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是美國敘拉古大學(xué)內(nèi)梅羅（N.L.Nemerow）提出的一種水污染指數(shù)。 該方法突出了污染最嚴(yán)重的指標(biāo)， 也兼顧了其他指標(biāo)對總體水質(zhì)情況的貢獻(xiàn)， 是目前國內(nèi)外最常用的水質(zhì)綜合評價法之一。 內(nèi)梅羅指數(shù)（P）計算公式如下：

式中：Fi為監(jiān)測點(diǎn)污染物i 的單因子污染指數(shù)；Ci為監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)i 的監(jiān)測濃度；Si為監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)i 的標(biāo)準(zhǔn)濃度值，取GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值；max Fi為監(jiān)測點(diǎn)各項單因子指數(shù)的最大值；為單因子指數(shù)的平均值；n為參與評級的水質(zhì)指標(biāo)的個數(shù)。

由于DO 濃度與水質(zhì)污染程度成反比， 將其監(jiān)測值和標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換為倒數(shù)形式進(jìn)行計算。 P ≤1 表示水體清潔；1 ＜P ≤2 表示水體輕度污染；2 ＜P ≤3 表示水體中度污染，3 ＜P ≤4 表示水體重度污染；P ＞5 表示水體嚴(yán)重污染。

1.3.2 方差分析法

方差分析（Analysis of variance,ANOVA）是一系列統(tǒng)計模型及其相關(guān)的過程總稱， 用于比較2 個及2 個以上樣本均值之間的變異， 常用于確定不同樣本之間是否存在差異。根據(jù)控制變量的個數(shù)不同，方差分析分為單因素方差分析和多因素方差分析。 本研究通過分別控制監(jiān)測點(diǎn)和時間進(jìn)行檢驗， 屬于單因素方差分析。

1.3.3 系統(tǒng)聚類法

聚類分析（Cluster analysis,CA）是根據(jù)分類對象的相似程度將分類對象分為多個類的一種數(shù)理統(tǒng)計方法。 系統(tǒng)聚類法 （Hierarchical Cluster Analysis,HCA）是聚類分析方法的一種，又稱層次聚類法，是根據(jù)變量或樣品之間的親疏程度， 通過一系列相繼的合并或相繼的分割將性質(zhì)最接近的對象逐步聚合，直至聚為一類。

為分析洪澤湖水質(zhì)的時空特征， 采用Ward 方法進(jìn)行系統(tǒng)聚類，采用SPSS 26 軟件進(jìn)行方差分析和聚類分析，采用Origin 2018 對統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)梅羅指數(shù)評價結(jié)果

根據(jù)2016年～2020年洪澤湖月度水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算各監(jiān)測點(diǎn)的內(nèi)梅羅指數(shù)，計算結(jié)果及污染狀況見表1。

表1 洪澤湖水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)梅羅指數(shù)及污染狀況

由表1 可見，洪澤湖湖體的內(nèi)梅羅指數(shù)為1.6±0.6，12.4%水質(zhì)屬于清潔，64.1%水質(zhì)屬于輕度污染，20.9%水質(zhì)屬于中度污染，2.5%水質(zhì)屬于重度污染。6 個監(jiān)測點(diǎn)的內(nèi)梅羅指數(shù)總體上相差不大， 較為穩(wěn)定。老山鄉(xiāng)內(nèi)梅羅指數(shù)最小值、最大值和平均值均高于其他監(jiān)測點(diǎn)，所有時間的水質(zhì)均為污染狀態(tài)，水質(zhì)最差； 龍集鎮(zhèn)北內(nèi)梅羅指數(shù)最大值和平均值均低于其他監(jiān)測點(diǎn)，水質(zhì)清潔比例為23.7%，水質(zhì)最好。

洪澤湖內(nèi)梅羅指數(shù)月際變化區(qū)間見圖2。由圖2可見，7月和8月洪澤湖湖體的內(nèi)梅羅指數(shù)明顯高于其他月份，說明這2 個月的水質(zhì)最差，其次為10月。

圖2 洪澤湖內(nèi)梅羅指數(shù)月際變化區(qū)間

2.2 時空方差分析

為探究水質(zhì)指標(biāo)的時空差異性， 對不同監(jiān)測點(diǎn)之間、 不同月份之間的部分指標(biāo)監(jiān)測值進(jìn)行單因素方差分析，分析結(jié)果見表2。

表2 洪澤湖湖區(qū)部分指標(biāo)的方差分析結(jié)果

由表2 可見， 在空間上，TN，COD，CODMn，BOD5存在顯著性差異；在不同月份間，TP，TN，CODMn，DO和NH3-N 均存在顯著性差異，說明各項超標(biāo)指標(biāo)在時間和空間尺度上均存在一定的差異性。

2.3 時空聚類分析

為分析洪澤湖水質(zhì)的時空特征， 對6 個監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行時間尺度聚類和空間尺度聚類分析， 具體見圖3。

圖3 洪澤湖湖區(qū)水質(zhì)時間尺度和空間尺度聚類分析

時間尺度的聚類分析將12 個月采樣時間分為3 個時段，T1 時段為1月～6月，T2 時段為7月、8月和10月，T3 時段為9月、11月和12月。根據(jù)聚類結(jié)果將水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值和內(nèi)梅羅指數(shù)分組繪制箱線圖，洪澤湖水質(zhì)指標(biāo)時空變化見圖4。 由圖4 可見，T2 時段的部分指標(biāo)與T1 和T3 時段有較明顯的差異， 其水溫較高，DO 含量低，CODMn，BOD5，NH3-N，TP 濃度偏高， 水質(zhì)污染程度從高到低依次為T2>T3>T1。 空間尺度的聚類分析將6 個監(jiān)測點(diǎn)分為2組，G1 組包括高良澗鎮(zhèn)、 蔣壩鎮(zhèn)和老山鄉(xiāng)，G2 組包括成河鄉(xiāng)中、臨淮鄉(xiāng)和龍集鎮(zhèn)北。 G1 組位于淮河入湖口到三河閘、二河閘的行洪通道，是洪澤湖的過水區(qū)，水面開闊、流速快；直接承接淮河入湖河水，受淮河水質(zhì)影響較為顯著；航運(yùn)繁忙，風(fēng)浪大，水體渾濁，水生植物少，不利于自凈[8-9]。G2 組位于成子湖、溧河洼和湖心區(qū)，吞吐流弱，換水周期較長，水動力條件相對較弱，更易暴發(fā)藍(lán)藻水華；分布有水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，生活污水排放和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程都會造成局部地區(qū)水體的污染[10]。 G1 組的CODMn，COD，BOD5，NH3-N 濃度明顯低于G2 組，TP 濃度則是略低于G2 組，而TN 濃度則高于G2 組，G1 組和G2 組的內(nèi)梅羅指數(shù)差異并不顯著。

圖4 洪澤湖水質(zhì)指標(biāo)時空變化

2.4 主要污染因子分析

根據(jù)GB 3838—2002 中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，2016年～2020年洪澤湖6 個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)中TP，TN，COD，CODMn，BOD5，DO，NH3-N 共7 個指標(biāo)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，洪澤湖水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值及超標(biāo)情況見表3。TP 和TN 平均質(zhì)量濃度分別為0.099 和1.52 mg/L，超標(biāo)情況最為嚴(yán)重，超標(biāo)率分別為79.3%，77.6%，平均超標(biāo)倍數(shù)分別為1.26 和0.74 倍， 說明TP 和TN是洪澤湖最主要的污染物。 此外也存在一定的有機(jī)物污染。

表3 洪澤湖水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值及超標(biāo)情況

近年來， 洪澤湖水環(huán)境治理對控制N,P 成效顯著， 但N,P 含量超標(biāo)始終是洪澤湖水質(zhì)狀況最主要的制約因素[2,5,11]。 污染物質(zhì)來源包括外源和內(nèi)源，外源包括入湖河道徑流輸入、周邊農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活污染等，內(nèi)源包括底泥污染物的釋放、死亡生物體的分解等[11]。

洪澤湖作為過水性水庫型湖泊， 其水質(zhì)受上游來水影響顯著， 入湖河流與洪澤湖水質(zhì)有顯著相關(guān)性[9]。洪澤湖及入湖河流所有水質(zhì)指標(biāo)單因子污染指數(shù)的平均值見圖5。由圖5 可見，入湖河流除Cu，Se，Pb 和石油類以外的所有指標(biāo)值均高于洪澤湖，其中入湖河流與湖體之間TN 和TP 的單因子污染指數(shù)差異最為顯著。從來源上看，洪澤湖南部蔣壩鎮(zhèn)監(jiān)測點(diǎn)的N,P 主要源自淮河，北部龍集鎮(zhèn)北監(jiān)測點(diǎn)的N,P 主要源自徐洪河、肖河、五河和馬化河[12]。 淮河為洪澤湖主要的入流來源， 來水對湖體N,P 含量存在顯著影響，過水區(qū)對淮河水質(zhì)的響應(yīng)尤為強(qiáng)烈[5,13]。

圖5 洪澤湖及出、入湖河流各項水質(zhì)指標(biāo)單因子污染指數(shù)

入湖河流水質(zhì)受城鎮(zhèn)生活污水直排、畜禽養(yǎng)殖、工業(yè)點(diǎn)源污染、農(nóng)業(yè)面源污染等影響。 新汴河、新濉河、懷洪新河等西部河流是上游來水的主要通道，污染物主要為上游工業(yè)廢水。 老濉河為泗洪縣的主要納污河流，污染物主要為工業(yè)和生活污水。徐洪河主要接納的是農(nóng)業(yè)面源污染，汛期湖水中N，P 含量高[6]。故控制入湖河流水質(zhì)對于提升洪澤湖水質(zhì)具有積極作用[13]。

2000年后，逐漸將洪澤湖流域旱地轉(zhuǎn)變?yōu)樗锖徒ㄔO(shè)用地， 湖區(qū)西北和西南部圍網(wǎng)圍圩養(yǎng)殖面積擴(kuò)大， 農(nóng)業(yè)面源污染加重， 使得湖區(qū)中N,P 濃度上升、富營養(yǎng)化程度加劇[14]。

從內(nèi)源上看， 洪澤湖西部沉積物中N,P 含量高于土壤[15]，入湖河流沉積物內(nèi)源磷負(fù)荷加劇主要受農(nóng)業(yè)面源污染影響[16]，內(nèi)源沉積物中N,P 的分布也與外源輸入緊密相關(guān)。由于湖泊流速很低，常年的外源輸入使得大量污染物進(jìn)入湖泊后即沉降至湖底，沉積物受擾動后易發(fā)生再懸浮釋放進(jìn)入水體。 調(diào)水工程一定程度上改變了湖體及出入湖河流的水文及水動力條件，進(jìn)而影響湖體中N,P 的分布，且向湖體輸入N,P 等營養(yǎng)鹽， 可能導(dǎo)致水體在旱季發(fā)生富營養(yǎng)化[12,17]。此外，航運(yùn)、采砂等人類活動也對湖體水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響[18]

2.5 對策建議

（1）外源防控上，應(yīng)從污染源頭進(jìn)行控制。 對于工業(yè)和城鎮(zhèn)生活污水等點(diǎn)源污染， 應(yīng)強(qiáng)化污水集中收集和處理，完善污染治理設(shè)施，提高污水處理率、提升污水處理水平，嚴(yán)格監(jiān)管污水達(dá)標(biāo)排放。對于農(nóng)業(yè)面源污染，應(yīng)優(yōu)化土地利用空間配置，調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式，集中規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，加大種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)新技術(shù)的推廣應(yīng)用。推廣保護(hù)性耕作，開展節(jié)水灌溉工程，測土配方施肥結(jié)合有機(jī)肥料使用，減量施用化肥農(nóng)藥[19]。 控制養(yǎng)殖場規(guī)模，收集、清運(yùn)養(yǎng)殖場垃圾進(jìn)行無害化處理。同時采取生態(tài)溝渠、植物緩沖帶等工程措施攔截污染物。

（2）內(nèi)源治理上，應(yīng)因地制宜削減湖體污染負(fù)荷。 對圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行綜合整治， 發(fā)展水產(chǎn)清潔養(yǎng)殖，修復(fù)養(yǎng)殖池塘環(huán)境和圍網(wǎng)退養(yǎng)區(qū)生態(tài)。在有機(jī)物含量高、易厭氧區(qū)域開展底泥清淤和藍(lán)藻打撈工作，在部分水域深挖溝槽，捕獲顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽。在湖灣區(qū)和濱岸帶構(gòu)建湖濱濕地生態(tài)系統(tǒng)， 分區(qū)域種植水生植物，投放魚苗和底棲動物，構(gòu)建健康水生態(tài)系統(tǒng)[20]。布設(shè)生態(tài)浮島和曝氣增氧裝置， 增強(qiáng)對湖體污染物的分解凈化[21]。 優(yōu)化水利工程調(diào)度，監(jiān)管采砂活動，規(guī)范航運(yùn)活動，避免污染物向湖中隨意傾倒。

此外，還應(yīng)加強(qiáng)流域生態(tài)監(jiān)測和研究，完善監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)，加大污染監(jiān)測與治理力度，提升湖體水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測能力，研發(fā)水質(zhì)和藍(lán)藻水華預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)，指導(dǎo)洪澤湖水環(huán)境監(jiān)管治理工作。

3 結(jié)論

基于2016年～2020年洪澤湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對近年來洪澤湖水質(zhì)及時空特征進(jìn)行了評價分析，結(jié)論如下：

（1）2016年～2020年洪澤湖湖體12.4%水質(zhì)屬于清潔，64.1%水質(zhì)屬于輕度污染，20.9%水質(zhì)屬于中度污染，2.5%水質(zhì)屬于重度污染。 空間上，龍集鎮(zhèn)北水質(zhì)最好，老山鄉(xiāng)水質(zhì)最差；時間上，7月、8月和10月水質(zhì)最差。

（2）7 個超標(biāo)指標(biāo)在時間和空間上均具有一定的變異性；聚類分析將監(jiān)測月份分為3 組，水質(zhì)污染程度為：T2 ＞T3 ＞T1，T2 時 段DO含量低，CODMn，BOD5，NH3-N，TP 濃度偏高； 監(jiān)測點(diǎn)被分為2 組，分別對應(yīng)過水區(qū)和水動力條件較差的區(qū)域， 過水區(qū)的CODMn，COD，BOD5，NH3-N，TP 含量較低，TN 含量較高，二者水質(zhì)污染原因存在差異。

（3）TP 和TN 是洪澤湖湖體最主要的污染因子，超標(biāo)率分別為79.3%，77.6%， 平均分別超出Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1.26 和0.74 倍。 同時，洪澤湖湖體也存在一定程度的有機(jī)物污染，COD 和CODMn超標(biāo)率分別為12.7%和4.2%。

洪澤湖具有重要的生態(tài)功能和資源價值， 但其水質(zhì)長期處于輕度污染狀態(tài)。 為防止洪澤湖環(huán)境惡化，進(jìn)一步提升湖泊生態(tài)環(huán)境，應(yīng)因地、因時制定管理策略，重點(diǎn)防控N,P 污染。根據(jù)湖體不同分區(qū)污染原因采取針對性措施，在常年水質(zhì)污染程度較高的月份，增加水質(zhì)監(jiān)測及巡查頻次，關(guān)注水質(zhì)實時變化。 未來應(yīng)持續(xù)對洪澤湖水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測與分析，并結(jié)合流域水文監(jiān)測及污染排放調(diào)查進(jìn)一步解析污染源，助力洪澤湖水環(huán)境管理，保障洪澤湖水生態(tài)安全。