南四湖入湖河流水质综合评价与改善效果分析

冯娜 武周虎 郭琦 相福亮 岳太星

摘要：指出了南四湖入湖河流水质对南水北调东线山东段的调水水质安全具有重大影响，其水质状况备受各界关注。通过对2006～2015年南四湖38个主要入湖河口水质监测数据的统计比较与分析，计算了平均综合污染指数、改进的内梅罗污染指数、各水质指标的浓度变化趋势和污染分担率，进行了南四湖入湖河流水质综合评价与改善效果分析。结果表明：2015年10月与2006年11月相比，南四湖入湖河流水质平均综合污染指数下降了69.77%，内梅罗污染指数下降了68.70%;水质指标C0Dcr、NH3-N、T-P和TN的平均值下降率分别为49%、93%、46%和76%;南四湖入湖河流水质污染程度排序：上级湖湖东>下级湖湖东>上级湖湖西>下级湖湖西;南四湖流域的主要污染物为CODe，和T-N;重污染河流由11条减少为1条，但老运河仍是南四湖流域治污的重点。

关键词：南四湖;入湖河流;水质;综合评价;改善效果

中图分类号：X824

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）10-0055-06

1引言

南四湖是南水北调东线工程重要的输水通道和调蓄湖泊，是贯通南北的调蓄枢纽，其水质的好坏将影响南四湖周边及以北受水区的正常利用，因此其水质状况一直受到公众的广泛关注。对南四湖入湖河流的水环境质量状况进行全面分析，有利于推动南四湖流域调整经济结构，转变经济发展方式，科学治污减排，合理利用水资源，保护水环境，维持经济社会与生态环境的可持续发展。通过对南四湖水质空间监测数据的水质综合评价和改善效果分析，根据南四湖水环境质量和水环境问题的演变，对制约南四湖水环境的瓶颈问题进行精准管控，不断提高南四湖的水环境管理水平，确保南水北调东线水质持续稳定达标。

在国内外关于水环境质量评价方法中，尹海龙等对典型的7种河流综合水质评价方法进行了比较研究;邢军等将信息熵理论引入到地下水水质评价指标权重的确定中;D.P Loucks等将河流水质预测模型运用于水质的预测评价中;潘峰等改进了最大隶属度原则，从而将模糊综合评价法运用到水质综合评价中;王玲杰等研究了几种常用不确定性数学分析方法在河流水质评价中的应用。

本研究利用2006～2015年南四湖入湖河流的12次水质空间监测数据，通过计算平均综合污染指数和改进的内梅罗指数，分析南四湖入湖河流的水质变化过程，进行2006～2015年南四湖人湖河流水质综合评价与改善效果分析研究。

2南四湖概况、采样点及监测指标

南四湖位于淮河沂沭泗流域西部，湖内面积1266km2，南北长126km，东西宽5～25km。二级坝枢纽工程位于南四湖中部，将其分成上级湖（北）和下级湖（南），其中上级湖由南阳湖、独山湖和昭阳湖（大部分）组成，下级湖由昭阳湖（小部分）和微山湖组成。南四湖东、西、北三面承接苏、鲁、豫、皖4省32个县（市、区）53条河流的来水。南四湖水质空间分布监测的38个主要入湖河流采样点编号、河流名称见表l。

根据对南四湖流域历史资料的分析，该流域水体污染特征主要是结构性污染，主要超标因子为COD、NH3-N等，因此根据南水北调东线工程的水质考核指标和南四湖流域的特征污染物状况，南四湖及其人湖河流水质变化趋势分析指标确定为化学需氧量（CODcr）、高锰酸盐指数（CODMm）（2010、2011年增加）、氨氮（NH3-N）、总磷（T-P）和总氮（T-N）。

2006～2015年南四湖入湖河流12次水质空间监测，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水质综合评价

3.1水质评价方法选择

3.1.1平均综合污染指数法

综合污染指数法是对各污染指标的相对污染指数进行统计，得出代表水体污染程度的数值。该方法可以确定研究水体的污染程度。平均综合污染指数是以单项污染指数为基础计算得到的，其计算公式为：

单项污染指数（Si）：

Si=Ci/Ci （1）

综合污染指数（Si）：

si=∑Sj （2）

平均综合污染指数（Sj）：

单项污染分担率，即单项污染物占参与评价的所有污染物的比率：

式（1）、（2）、（3）、（4）中：1=1、2、3、4、5，依次表示主要水質指标CODcr、NH3-N、TP、TN、CODMa;j为河流入湖河口采样点编号（j=l，2，3，……，m）;Cij为j河流i水质指标的质量浓度实测值，mg/L;Ci为i水质指标的评价标准限值，mg/L，按《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）CODCr、NH3-N、TP、TN、CODM。的Ⅲ类标准依次为20、1、o.2、1、6mg/L;n为参与评价的水质指标数量。

根据平均综合污染指数的大小可将水体分为合格、基本合格、污染和重污染四类，其评价分级对应关系如表2所示。

3.1.2改进的内梅罗指数法

传统的内梅罗污染指数法数学计算过程简单，根据所选水质指标的实测浓度和标准值，分别计算内梅罗污染指数和标准指数，再与相应的等级标准指数对照，即可得到水质评价等级，传统的内梅罗污染指数法存在过于突出最大污染因子对水质污染的影响，未考虑权重因素同时忽略了次高污染因子的缺点。但在实际中往往有一些水质因子（如总磷）的实测浓度不大，却对水质有着极大影响，改进的内梅罗污染指数法将各污染因子在水质评价中所占的权重考虑在内，计算公式如下：

式（5）、（6）、（7）中，Ii为第i项水质指标的污染指数，max（li）为n项水质指标污染指数的最大值;wavg（Ii）为n项水质指标污染指数的加权平均值;ci为第i项评价因子的实测浓度，i=1，2，…，n;sij为第i项评价因子的第j类标准浓度，j=l，2，…，m，本研究中j=3，根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准取值;wi为第i项水质指标的权重。

一般情况下，地表水水质标准中污染指标的浓度越小，说明对水环境质量的危害性越大，二者成反比例关系。第i项水质指标的权重为：

以Ⅲ类水质标准为基础划分污染等级，按改进后的内梅罗综合污染指数法计算各水质类别的数值。在查阅大量文献的基础上，总结得出：当某监测点污染指数值小于0.739时，说明水质未受到污染，水质状况较好;当污染指数值处于0.739≤wQI<1时，水质状况在Ⅲ类标准范围内，但水质可能受到轻微污染;当污染指数值大于1时，说明水质已经受到污染（见表3）。

3.2水质评价结果分析

将2006～2015年南四湖入湖河流水质监测数据中的CODcr、CODMn、T-P、T-N和NH3-N代入式（1）、（2）、（3）、（5）、（6）、（7），分别计算各测次的平均综合污染指数S和改进的内梅罗污染指数WQI，找到其对应的水质类别，并计算各测次38个监测点位相应的污染指数及各类别所占比例，结果如表4、表5所示。

比较表4、表5可以得到，2015年10月南四湖入湖河流平均综合污染指数（0.78）比2006年11月（2.58）下降了69.77%，2015年10月的内梅罗污染指数（0.949）比2006年11月（3.585）下降了73.53%，说明南四湖人湖河流治污成果显著，整体水质明显好转。到2015年10月水质达到内梅罗污染等级Ⅲ级标准，综合水质合格率达84.21%，但仍有部分河口水体处于污染状态。

根据水质综合污染指数法计算（表4），2006～2015年间南四湖入湖河流监测点位超标比例为15.79%～67.57%，与2006年11月比较，10年间综合污染指数超标点位数下降率达到61.00%。根据改进的内梅罗污染指数法计算（表5），若将中度污染和重污染作为不达标的等级，则2006～2015年间南四湖入湖河流监测点位超标比例为21.05%～97.30%，与2006年11月比较，10年间内梅罗指数值超标点位数下降率达到74.56%。南四湖入湖河流总体水质逐渐得到改善，监测点位水质达标比例不断增多。

从woi的计算过程可以看出，因为将各污染因子在水质评价中所占的权重考虑在内，所以在计算中将浓度含量低但影响大的水质指标所占比例放大，這也即为改进的内梅罗污染指数法和综合污染指数法水质评价存在差异的原因。综合污染指数法能在总体上反映水体的污染性质和程度，它重点考虑了水环境中各个污染因子的综合作用，是对整体水质做出的定量描述，而改进的内梅罗污染指数法由于引进了权重的概念，避免了忽视浓度小而危害大的污染因子的弊端，因而更加合理。虽然是两种不同的评价方法，但反映出的水质变化情况是一样的，都能充分证明南四湖人湖河流在2006～2015年间得到有效治理，水质得到明显改善。

4水质改善效果分析

4.1南四湖水质改善效果分析

2006年南四湖人湖河流29个监测点位的T-P和CODCr平均值各为0.24mg/L和34.94mg/L，分别达到了地表水Ⅳ类和V类标准，而NH3-N和T-N的浓度平均值分别为2.82mg/L和4.55mg/L，完全失去了地表水环境功能要求，可以看出2006年南四湖人湖河流水质较差，污染物质严重超标。2015年10月南四湖38个主要入湖河口CODCr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn的平均值分别为17.66、0.20、0.13、1.09和6.48mg/L，分别达到了地表水Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ类标准，与2006年11月相比，CODe。、NH3-N、T-P、T-N的平均值下降率分别为49%、93%、46%、76%，与2010年11月相比，CODM。浓度平均值下降率达14%，污染物质大大减少，水环境总体上有了很大程度的改善。

对南四湖入湖河流监测点位的CODcr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn，分别计算各测次水质指标的平均值和各测次与2006年相比污染物浓度的累计下降率（见图1，图2）。

由图1可以看出，2006—2015年南四湖38个主要入湖河口CODcr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn的平均值总体呈下降趋势，但每年的下降程度有所不同，且出现起伏波动的变化趋势，在2015年12月各水质指标浓度都达到监测期间的最小值，水环境达到监测期间的最好状态，南四湖水质呈逐渐变好的趋势。由图2可以看出，NH3-N的下降率最大，T-N、CODcr、T-P和CODMn的下降率依次减小。虽出现下降率线的波动现象，或是由于春季与秋季的水质差异性所致，但南四湖入湖河流各污染物浓度的累计下降率均保持持续改善趋势。

4.2分湖区入湖河流水质改善效果分析

由表1可以看出上级湖湖西有13个监测点位，上级湖湖东有10个监测点位，下级湖湖西有5个监测点位，下级湖湖东有10个监测点位，将各监测点位的综合污染指数按其所在上级湖湖西、上级湖湖东、下级湖湖西、下级湖湖东4个位置分类，并计算平均值，结果如图3所示，污染河口比例变化见图4。

南四湖周边入湖河流众多，主要有15条大河，由于不同湖区周边入湖河流数量不同，因此湖区受河流的影响程度也不一样，河流的水质状况直接影响到南四湖流域的水环境质量，是湖区的主要污染来源。由图3可以看出，在2006～2015年12次监测中，总体来看上级湖湖东监测点位的综合污染指数值较高，其次是下级湖湖东，然后是上级湖湖西和下级湖湖西，就地理位置来看上级湖比下级湖污染严重，湖东比湖西污染严重。分析发现南阳湖周边8条及独山湖周边2条入湖河流携带了大量的有机污染物，而且南阳湖、独山湖距离济宁市区较近，周边工业区、生活区密集，接纳了大量未经处理的工业废水和生活污水，因此造成上级湖污染较为严重。而昭阳湖、微山湖周边工业区、生活区稀疏，入湖河流数量较少，所以下级湖污染较轻，水质状况好于上级湖。而南四湖周边15条主要入湖河流中，有8条都是在湖东汇入南四湖，且多数河流因流经济宁市区，水体污染较为严重，使得南四湖湖东比湖西水质状况差。

由图4可以看出，与2006年相比，上级湖湖西的污染河口所占比例由7.69%下降到0%，上级湖湖东的污染河口所占比例由100%下降到20%，下级湖湖西的污染河口比例由50%上升到60%，下级湖湖东的污染河口比例由57.14%下降到10%。下级湖湖西综合污染指数值和污染河口比例在10年间波动起伏较大，甚至大部分时间水质状况均劣于2006年，分析发现监测点位RC20（沛沿河）、RC21（鹿口河）、RC22（五段河）、RC37（挖工庄河）所在人湖河流在多数监测期间水质均不达标，导致下级湖湖西水质受到影响。

4.3水环境问题解析

为比较2006～2007年和2015年春秋南四湖流域主要污染河流的变化情况，按平均综合污染指数逆排序筛选重污染河流：2006～2007年为洗府河、薛城小沙河、房庄河、城郭河、白马河、梁济运河、新薛河、洙水河、老万福河、潘庄河、幸福河，共11条河流;2015年春秋为老运河，共1条河流。重污染河流由11条减少为1条，南四湖治污成果显著，污染河流大大减少。

为了能直观地对比南四湖人湖河流影响水质的主要污染物，将南四湖2006年枯水期、2010年枯水期和2015年枯水期的调查数据进行对比分析，计算各污染指标的污染分担率，结果如图5所示。

由图5可以看出，2006年南四湖入湖河流水质监测中CODcr和T-N的平均污染分担率最高，分别为36.58%和37.69%，为当时南四湖入湖河流水质的主要污染物;2010年CODcr、NH3-N、TP和T-N的平均污染分擔率分别为32.66%、12.91%、14.23%和40.20%;2015年CODe，和T-N的平均污染分担率最高，分别为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的污染分担率有所下降，但T-P的污染分担率增加较多，2006年为13.16%，2015年为20.49%。因此，南四湖流域应着重治理CODcr和T-N，同时还应控制T-P含量，从而使南四湖流域的水质能够持续达标。

对南四湖入湖河流监测点位的电导率和透明度分别计算测次平均值，并计算与2006年相比电导率增加百分率和透明度下降百分率，结果如图6所示。

由图6可以看出，与2006年相比电导率增加率均为正值，即电导率呈增加趋势，透明度下降率除2007年为负值外，均为正值，即透明度呈下降趋势。与2006年相比，2015年南四湖入湖河流的电导率增加百分比为75.78%，透明度下降百分比为36.73%。水体的电导率上升、透明度下降，说明水体中的中水比例增加，天然径流被上游水库截留利用，河道径流量减少，水资源的循环利用在南四湖流域内发挥着重要作用。

5结论

（1）2015年10月与2006年11月相比，南四湖入湖河流平均综合污染指数下降了69.77%，内梅罗污染指数下降了73.53%。十几年来，南四湖流域治污成效显著，整体水环境质量得到持续改善。

（2）2015年10月南四湖38个主要人湖河口CODcr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn的平均值依次为17.66、0.20、0.13、1.09和6.48mg/L，分别达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ类标准。与2006年11月相比，CODe。、NH3-N、T-P、T-N的平均值下降率依次为49%、93%、46%、76%，与2010年11月相比，CODMn的平均浓度下降率达14%，水环境总体上得到大幅度改善。

（3）2015年10月与2006年相比，上级湖湖西的污染河口所占比例由7.69%下降到0，上级湖湖东的污染河口所占比例由100%下降到20%，下级湖湖西的污染河口比例由50%上升到60%，下级湖湖东的污染河口比例由57.14%下降到10%。重污染河流由11条减少为1条老运河，影响南四湖水质的主要污染物为CODCr和T-N。

（4）建议针对南四湖人湖重污染河流的水质状况，进一步查明污染源，对重点污染源实施有效管控，加强对非点源的控制与治理工作。