南四湖水质空间分布特征分析与改善效果评估

武周虎，张 可，金玲仁，杨连宽，张 建

(1.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛 266033;2.山东省环境保护厅流域环境管理处，山东济南 250012;3.山东省环境监测中心站，山东济南 250013;4.济宁市环境保护监测站，山东济宁 272045;5.山东大学环境科学与工程学院，山东 济南 250100)

南水北调东线工程于2002年开工建设，计划2013年正式通水。南四湖是南水北调东线工程重要的输水通道和调蓄湖泊，要求到2012年底水质稳定达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类标准。近年来南四湖的水质改善状况备受关注[1-5]。为考量南四湖实施“治、用、保”流域治污体系的效果，以及进行南四湖水质改善状况评估和重大水环境问题诊断研究，山东省环境保护厅分别于2006年11月、2007年4月、2010年11月和2011年5月组织开展了4次南四湖水质空间分布监测工作[6]。从时间上看，2006年和2010年为汛后监测，2007年和2011年为汛前监测，因此，前2次监测的平均值可代表2006—2007年枯水期(对应东线工程实施后的调水期，下同)的水质状况，后2次监测的平均值可代表2010—2011年枯水期的水质状况。

国内外对湖泊水环境质量现状调查与评价的研究成果较多:周丰等[7]基于多元统计方法进行了河流水质空间分析，识别采样点的空间相似性与差异性，为水质监测网络优化提供支持;刘硕等[8]对几种环境质量综合指数评价方法进行探讨，提出宜采用最大值法和算术平均法相结合的方法来对全国环境质量进行评价;范瑜[9]给出了平均综合污染指数在地面水污染分级中的应用研究，对地面水污染程度进行分级;邓建才等[10]分析了南四湖水体氮、磷、Chl-a含量及空间分布特征，给出南四湖水体中叶绿素浓度的分布呈现出较大的差异;Kemka等[11]给出了城区湖泊富营养化研究成果，得出人类活动是城区湖泊富营养化的主因;武周虎等[12]根据前2次南四湖水质空间分布监测数据，采用平均综合污染指数法筛选出29个重污染测点，分析了南四湖污染物的主要来源。随着南四湖流域扎实推进污染综合整治和通水时间的临近，南四湖水质空间分布状况和水环境问题发生了较大变化，针对南四湖地形情况复杂的特点和受关注的水环境瓶颈问题，选用Surfer 8.0软件和平均综合污染指数法进行南四湖水质空间分布特征分析与污染控制效果评估，对南水北调东线南四湖输水水质安全保障综合控制方案的修订和治污工程实施具有重要的现实意义。

笔者根据2006—2007年(2次平均，下同)和2010—2011年两个枯水期的水质状况，采用Surfer 8.0软件绘制南四湖水质空间分布等值线图，进行南四湖及分湖区水质指标的综合比较分析和平均综合污染指数的计算，开展南四湖水质空间分布特征分析、污染控制效果评估与水环境问题的变化研究。

1 南四湖概况、采样点布设及监测指标

南四湖是南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖4个由西北向东南相连而成的湖泊的总称，流域面积31700 km2，东、西、北三面承接苏、鲁、豫、皖4省32个县(市、区)53条河流的来水。南四湖湖内总面积1266 km2，南北狭长126 km，东西宽5～25 km，岸线总长311 km。为提高蓄洪、抗旱、供水、航运和养殖等综合效益，1960年在南四湖湖腰修建了7.36 km长的二级闸坝水利枢纽工程，将其分成上级湖和下级湖。二级闸坝以北为上级湖，湖内面积606 km2，二级闸坝以南为下级湖，湖内面积660 km2。南四湖正常蓄水位相应的总库容为20.36亿m3，其中上级湖的库容为9.24亿m3(水位34.2 m)，下级湖的库容为11.12亿m3(水位33.0 m)。南四湖上级湖承纳27500 km2的来水，占总来水面积的86.8% ，而库容仅占南四湖总库容的45.4%。根据南四湖湖区万分之一地形图(2001年CAD版)分析，南四湖湖盆浅平，北高南低，平均水深约2.0 m，天然情况是上级湖泄水入下级湖再入中运河，而南水北调输水是由下级湖南端进入、经二级坝泵站、由上级湖北端入梁济运河。南四湖湖内开阔水域面积为781.45 km2，仅占湖内总面积的61.7%，其余包括池塘、网围和网箱等水产养殖区，总面积达到27 525 km2(约90%为网围和池塘)、农田15400 km2、陆生植被5530 km2。湖内台田中化肥和农药施用、水产养殖、航运和分散居民生活污水排放等造成的面源污染，对湖泊水质造成直接影响。

南四湖水质空间分布监测采用网格布点法在上级湖和下级湖均匀布设监测点位，每个网格南北长约为3.32 km，东西宽约为 3.03 km，面积约为 10 km2，同时在主航道和湖区边界增设采样点。南四湖水质空间分布监测采样点位及分区参见文献[12]。

根据南四湖的历史监测资料分析，该水体的污染特征主要是结构性污染，主要超标因子为COD、TP、TN等[5]，且南四湖已处于不同程度的富营养状态。因此，在南四湖水质空间分布监测中，确定主要监测项目为水温、水深、pH、COD、NH3-N、TP、TN、CODMn(2010年和2011年增加)、透明度、电导率和Chl-a。以2011年为例，共完成90个湖区点位和35个入湖河口及3个出湖河口点位的监测，共报出有效数据2017个，其中现场监测数据705个，实验室监测数据1312个。利用河口数据另文分析污染物外源输入的主要通道。

2 水质空间分布特征分析

2.1 水质指标分布特征

根据2006—2007年和2010—2011年两个枯水期南四湖90个点的水质监测数据，采用Surfer 8.0软件分别绘制COD、NH3-N、TP、TN和CODMn的空间分布等值线于图1～5。图1～5中经纬度坐标采用十进制，各水质监测指标按GB3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类(含Ⅰ类和Ⅱ类)、Ⅳ类、Ⅴ类和超Ⅴ类水对应的数值区间依次填充为不同灰度，各水质指标的单位均为mg/L。

图1 枯水期COD空间分布

由图1可见，2006—2007年枯水期南四湖COD分布不存在Ⅲ类(达标)水，超Ⅴ类水主要分布在小北湖、南阳湖、独山湖西侧以及微山湖岛北2个测点，Ⅳ类水测点零星分布，其余湖区几乎全为Ⅴ类水;2010—2011年枯水期南四湖COD分布在微山湖岛南、昭阳湖二级坝上下游局部出现了Ⅲ类水，超Ⅴ类水仅在南阳湖北端的老运河和洸府河入湖河口外混合区出现了1个测点，在该点周围出现了小范围的Ⅴ类水，其余湖区全为Ⅳ类水。由此可见，4年来南四湖COD得到大幅度的改善，COD整体提高了1～2个水质类别。

图2 枯水期NH3-N空间分布

由图2可见，2006—2007年枯水期南四湖NH3-N分布只有在南阳湖北端的老运河和洸府河入湖河口外混合区以及微山湖岛北新薛河和薛城小沙河入湖河口外混合区为超Ⅴ类水，在其周围出现了小范围的Ⅴ类和Ⅳ类水，其余湖区全达到Ⅲ类水的标准;到2010—2011年枯水期南四湖NH3-N分布全部达到Ⅲ类水的标准。

图3 枯水期TP空间分布

由图3可见，2006—2007年枯水期南四湖TP在微山湖岛南大部分湖区、微山湖岛北西侧和昭阳湖零星分布有Ⅲ类水，南阳湖北段为超Ⅴ类水，南阳湖南段和独山湖西侧为Ⅴ类水，其余中段湖区全为Ⅳ类水，南四湖TP分布北高南低的非均一性相当明显;2010—2011年枯水期南四湖TP分布Ⅲ类水湖区大大缩减，只有在微山湖岛南端有少许分布，超Ⅴ类水湖区也大为缩减，只分布在南阳湖北端和微山湖岛北新薛河入湖河口外混合区，在其周围和泗河口外湖段出现了小范围的Ⅴ类水，其余湖区全达到Ⅳ类水。南四湖TP分布变化的特点是达标湖区和重污染湖区都缩减了，南四湖TP分布北高南低趋于均一化，最大浓度降低明显，平均浓度也有所降低。这一现象与2010—2011年枯水期在南四湖南端出湖河流的下泄水量增加有关。

由图4可见，2006—2007年枯水期南四湖TN在南阳湖和微山湖岛北、岛南的东侧主航道均出现超Ⅴ类水的重污染范围，在其周围和独山湖西侧出现了小范围的Ⅴ类水，只有在微山湖西南角出现了小范围的Ⅲ类水;2010—2011年枯水期南四湖TN水质大为改善，除南阳湖北端的老运河和洸府河入湖河口外混合区出现超Ⅴ类和Ⅴ类水外，南阳湖大部、昭阳湖中段二级坝上下游和薛城小沙河入湖河口外混合区为Ⅳ类水，其余超过南四湖60%的湖区达到Ⅲ类水。由此可见，4年来南四湖TN得到大幅度的改善，TN整体提高了1～2个水质类别。

图4 枯水期TN空间分布

图5 2010—2011年枯水期CODMn空间分布

2006—2007年枯水期CODMn未监测，由图5可见，2010—2011年枯水期南四湖CODMn在南阳湖、独山湖和昭阳湖西北局部为Ⅳ类水，昭阳湖和微山湖大部达到Ⅲ类水的标准，微山湖岛北零星存在Ⅳ类水，不存在Ⅴ类和超Ⅴ类水的湖区。南四湖CODMn整体质量较好，但北部水质明显差于南部水体水质。

2.2 水质达标与重污染范围分析

表1给出了2006—2007年和2010—2011年两个枯水期南四湖水质及水深监测结果的统计与比较。由表1可见，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖 COD、NH3-N、TP、TN的下降率在22.9% ～51.1%之间，下降率最大的是TN，最小的是TP，南四湖各水质指标的平均浓度下降率为38.3%，说明4年来南四湖的水质得到大幅度的改善。南四湖水体的透明度下降、电导率上升，2010—2011年枯水期山东发生了较为罕见的跨越秋季、冬季和春季3个季节的持续干旱，天然径流水量相对较小，湖内中水比例增加，南四湖流域的24个污水资源化与截蓄导用工程发挥了重要作用，才未造成南四湖干涸，且水质仍处于好转状况。

南四湖水质空间分布 COD、NH3-N、TP、TN和CODMn达到Ⅲ类范围和超Ⅴ类(重污染，下同)范围所占比例变化比较及位置说明分别列于表2和表3。

由表2可见，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖COD、NH3-N和TN达到Ⅲ类的比例得到明显增加，但TP的达标区缩减了一半，原因可能与2010—2011年枯水期干旱少雨、天然径流水量相对较小、湖内中水比例增加以及4年来南四湖底泥中TP含量普遍上升有关。各水质指标达到Ⅲ类范围的比例平均增大了35.9%，各水质指标达到Ⅲ类范围的比例平均达到55.1%，即超过一半的湖区达到Ⅲ类水标准。监测结果表明，南四湖底泥中TP平均质量比由0.68g/kg增加到1.25 g/kg，平均升高了83.5%，而洸府河口底泥采样点上升幅度最大，其底泥中TP质量比从1.29 g/kg增加到3.71 g/kg，最大升高了187.6%。因此，南四湖入湖河流排入TP和底泥磷富集与释放是南四湖TP的主要来源。

由表3可见，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖COD、NH3-N、TP和TN超Ⅴ类的比例得到明显下降，各水质指标超Ⅴ类范围的比例平均缩减了92.0%，各水质指标超Ⅴ类范围的比例平均下降到仅占1.3%，说明南四湖重污染湖区和主要污染物得到比较有效的控制。

3 污染控制效果评估

3.1 总体污染控制效果评估

为更全面的评估4年来南四湖水质的改善效果，选用平均综合污染指数法[12]进行分析。

表1 南四湖水质及水深监测结果统计与比较

表2 南四湖各水质指标达到Ⅲ类比例比较及位置说明

表3 南四湖各水质指标超Ⅴ类比例比较及位置说明

i指标j个测点的单项污染指数

第j个测点的平均综合污染指数

全湖i指标的单项污染分担率

式中:i=1，2，…，5，依次表示主要水质指标 COD、NH3-N、TP、TN、CODMn;j为南四湖采样点编号(j=1，2，3，…，m);ρij为第 j个测点 i水质指标的实测值;ρsi为i水质指标的评价标准限值(按Ⅲ类标准依次为20mg/L、1.0mg/L、0.05mg/L、1mg/L、6mg/L，下同)，n为参与评价的水质指标数。

根据平均综合污染指数的大小可将水体分为达标、基本达标、污染和重污染4类，其对应关系参见表4，表4还给出了2006—2007年和2010—2011年枯水期南四湖按平均综合污染指数的评价结果。图6给出了两个枯水期4项主要污染物分担率的比较结果。

表4 南四湖按平均综合污染指数的评价结果

由表4可见，南四湖2010—2011年比2006—2007年枯水期污染和重污染湖区的比例大幅度减小，特别是重污染湖区下降到2.2%，达标和基本达标湖区的比例大幅度提高，达标和基本达标湖区的比例达到63.3%。按平均综合污染指数逆排序筛选的重污染湖区(2个测点)均位于南阳湖北端的老运河和洸府河入湖河口外混合区。2010—2011年枯水期南四湖水质平均综合污染指数1.03，比2006—2007年枯水期该指数1.66下降了38.1%。

由图6可见，南四湖2010—2011年比2006—2007年枯水期TN的分担率明显下降，COD和NH3-N的分担率略有下降，而TP的分担率明显上升，TP占到4项主要污染物的41.2%，说明南四湖主要污染物控制不平衡，TN的控制效果相对较好，而TP的控制效果最差。2010—2011年枯水期南四湖主要污染物按分担率排序由大到小依次为TP、COD、TN、CODMn、NH3-N，南四湖的 ρ(TN)/ρ(TP)由2006—2007年枯水期的18.5下降到2010—2011年枯水期的 11.7。

图6 两个枯水期4项主要污染物分担率比较

3.2 分湖区污染控制效果评估

图7为2006—2007年和2010—2011年两个枯水期南四湖分区计算的平均综合污染指数比较。

图7 南四湖分区平均综合污染指数比较

由图7可见，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖7个分湖区的水质平均综合污染指数全部处于下降状态，下降率在3.1% ～57.1%之间，其中南四湖的主要纳污湖区—南阳湖和薛城小沙河控制单元的影响湖区—微山湖岛北的下降率均达到50%以上，反映南四湖主要入湖河流的污染物负荷得到有效控制。在南四湖7个分湖区中，2010—2011年枯水期小北湖和南阳湖的水质最差，微山湖岛南的水质相对较好，总体呈现沿流向由北向南水质逐渐变好的走势，但在微山湖岛北仍出现小的峰值湖区。这与南四湖入湖河流污染物输入、地形与水文特征、水力输移与污染物扩散特征、水体富营养化特征以及受污染程度一致。

2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖7个分湖区水质COD的下降率在34.1% ～55.5%之间，体现了全湖COD整体大幅度降低的趋势;在南阳湖和微山湖岛北NH3-N的下降率分别为61.9%和80.4%，其他5个湖区的 NH3-N略有上升，主要是2010—2011年枯水期在采样期间湖水温较低、硝化作用较弱所致，但南四湖所有湖区的NH3-N均可达到Ⅲ类水标准;TN的下降率在14.3% ～72.0%之间，其中南阳湖和微山湖岛北的下降率均达到65%以上，说明南四湖流域工业和城市生活排水的氮素得到有效控制，特别是微山湖岛北经新薛河入湖的鲁南化肥厂排水得到有效的治理;在南阳湖和独山湖TP的下降率分别为55.0%和13.2%，其他5个湖区的TP均有所上升，上升率在16.4% ～49.3%之间，其中微山湖岛北和微山湖岛南的上升率在43.0%以上。一方面是排入南阳湖的主要磷污染河流洸府河等的污染物得到一定控制，另一方面是南四湖入湖河流总体的磷污染物控制相对较低，在南四湖7个分湖区中TP总体呈现与平均综合污染指数相同的变化趋势。

2010—2011年枯水期南四湖流域干旱少雨，天然径流水量相对较小，湖内中水比例增加，对水质的影响可以通过南四湖水质平均综合污染指数与电导率的关系分析。电导率指标常用于推测水中离子的总浓度或含盐量，其值越大则反映南四湖水体中来自流域的工业和城市生活排放的中水量所占比例越高。图8中分别给出2006—2007年和2010—2011年两个枯水期南四湖水质平均综合污染指数与电导率的关系。

图8 南四湖水质平均综合污染指数与电导率的关系

由图8可见，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖水质平均综合污染指数与电导率的相关性更好，南四湖各湖区电导率总体平均上升了279 μS/cm，说明南四湖内中水比例提高，南四湖水质平均综合污染指数与电导率存在很好的相关性，因此南四湖水污染物仍然以外源排放为主。值得注意的是2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖的中水比例提高了，而平均综合污染指数下降了0.63，水质仍然得到大幅度的改善，说明南四湖流域的河流入湖污染负荷大大降低，在南四湖流域GDP每年以两位数增长和天然径流水量相对下降的前提下，仍然实现了水质的持续改善。

4 结论

a.南四湖水质空间分布特征与对比分析结果表明，南四湖 COD、NH3-N、TP、TN 和 CODMn的空间分布具有北高南低的非均一性特点。2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖各水质指标的平均浓度下降率为38.3%，整体提高了1～2个水质类别。

b.按平均综合污染指数的评价结果，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖污染和重污染湖区的比例大幅度减小，特别是重污染湖区下降到2.2%，达标和基本达标湖区的比例达到63.3%。2010—2011年枯水期南四湖主要污染物按分担率由大到小排序依次为 TP、COD、TN、CODMn、NH3-N。

c.按平均综合污染指数的评价结果，在南四湖7个分湖区中，2010—2011年枯水期小北湖和南阳湖的水质最差，微山湖岛南的水质相对较好，总体呈现沿流向由北向南水质逐渐变好的走势，但在微山湖岛北仍出现小的峰值湖区。

d.在南四湖同一次监测中，水质平均综合污染指数与电导率存在很好的相关性和北高南低的污染特点，说明南四湖水污染物仍然以外源排放为主。

致谢:南四湖水质空间分布监测工作由山东省环境保护厅组织，得到美商生化科技公司的技术支持，监测计划由青岛理工大学和山东大学共同编制，山东省环境监测中心站、济宁市环境保护监测站负责实施，在此一并表示感谢!

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