泗河水质变化与影响因素分析

齐家蕙， 杨丽原， 张 游， 江丹丹 ， 赵婷婷

(1. 济南大学 水利与环境学院， 山东 济南 250022； 2. 水发规划设计有限公司， 山东 济南 250100；3. 山东省湖泊流域管理信息化工程技术研发中心， 山东 济南 250100)

随着社会、 经济发展， 人类生产活动频繁， 工农业活动密集和城镇生活污水排放激增， 导致流域环境中的营养物质迅速积累， 流域内营养负荷增加[1-2]。 大量氮、 磷营养元素输入河流， 使浮游植物生产力提高[3]， 水体含氧量下降， 导致水体富营养化和河口水质退化[4-5]， 因此， 流域水体的健康状况与水质变化趋势引起了社会越来越广泛的关注。

泗河是南水北调东线工程最大调蓄湖南四湖的主要入湖河流之一[6]，流域内城镇众多，工业发达，曾有大量工业废水和生活污水以点源形式排放到河内[7]。同时，河流两岸的土地利用类型主要为耕地，流域内畜禽养殖量较大，面源污染也十分严重[8-9]。经过多年废水排放监管和流域综合治污，泗河水体有机质及氮、磷营养盐的含量发生了较大变化。此前大量的研究大多关注泗河流域重金属污染情况[10-11]，或是泗河某几年水质变化情况[12-13]，对连续多年水质变化趋势和污染物时空分布分析较少，因此，针对泗河流域近40 a的社会发展，研究其多年水质变化影响因素及污染物时空分布规律是十分必要的。

本文中选取高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)和总氮(TN)4个水质指标，对1980—2019年泗河流域水质年际变化进行比较，讨论水质变化趋势；采用综合水质标识指数法、水质综合污染指数法及内梅罗指数法，对泗河水质进行综合评价；对泗河流域污染来源、时空分布及年内变化进行分析，同时探讨流域管理措施对泗河水质变化的影响，以期为该流域水资源综合管理及水环境改善提供依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域概况

泗河发源于山东省新泰市东南太平顶山西麓上峪村东黑峪山，于济宁市新闸南泄入南四湖。河流长度为169 km，流域面积为2 383.6 km2，多年平均流量为12.2 m3/s。

根据泗河流域地理环境特征及污染源空间分布特征， 2017年自泗河上游至下游在干流布设5个采样点， 见图1。 所有样点采用全球定位系统(GPS)定位。

1—5为采样点编号。

1.2 数据来源

为了研究泗河水质的时间变化规律，对来自水文局水文监测站数据、泗水县红旗闸地表水监测数据[14]及其他文献资料数据[12-13,15]进行筛选和整理，统计1980—2019年间各指标的平均含量。1980—2019年泗河水质年际变化监测指标包括CODMn、 NH3-N、 TP和TN， 2017年泗河红旗闸监测断面年内水质变化监测指标包括重铬酸盐指数(CODCr)和NH3-N。河流水质评价标准阈值见表1。

表1 河流水质评价标准阈值

2 研究方法

2.1 综合水质标识指数法

综合水质标识指数法以单因子水质标识指数为基础，由整数位和三位或四位小数位组成，可以反映综合水质级别I[16]，计算公式为

(1)

式中：X1为河流总体的综合水质类别；X2为综合水质在X1类水质变化区间内所处位置；X3为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的单项指标个数；X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果。

2.2 水质综合污染指数法

水质综合污染指数法是基于水环境功能区的评价方法[17]，计算公式为

(2)

式中：Pi为第i项指标的单项污染指数；Ci为污染物实测浓度；Si为相应类别标准限值；Pc为水质综合污染指数，n为评价指标个数。

2.3 内梅罗指数法

内梅罗指数法是一种计权型多因子环境质量评价法，突出污染指数最大的污染物对环境质量的影响和作用，反映水体被污染程度[18]。计算公式为

(3)

3 结果与分析

3.1 泗河近40 a水质变化分析

1980—2019年泗河年际水质变化趋势如图2所示，其中TN、TP浓度年均值部分数据缺失，选择较为连续的数据进行年际水质趋势评价。CODMn质量浓度年均值呈现先增大后减小的趋势，其中最小值出现在1981年(0.7 mg/L)，之后逐步增大并具有一定的波动性，2001年达到最大(512.6 mg/L)， 之后又波动下降， 2019年的数值为4.14 mg/L。 NH3-N的质量浓度则呈现3个明显的峰值： 1995年的为6.56 mg/L， 1997年的为11.4 mg/L， 2000年的为9.56 mg/L，1997年的略大于1995、 2000年的。

泗河水体CODMn和NH3-N含量主要受工农业废水和生活污水影响。1995—2004年CODMn和NH3-N的浓度年平均值较大，原因主要是泗河流域内城镇众多，随着社会、经济发展，大量未经处理的生活污水、农用废水及沿岸企业污水未达标排放[19]。2004年之后，CODMn和NH3-N浓度平均值年际变化较小，CODMn浓度呈小幅度下降趋势，与国家水利部“十一五”规划提出的水污染防治工作顺利开展有很大关系。

TP浓度总体表现出下降趋势：峰值出现在2005—2006年，质量浓度年平均最大值出现在2005年(0.56 mg/L)，之后快速下降，2008年以后浓度略有回升。至2019年，泗河TP质量浓度年均值为0.26 mg/L， 较2005年的峰值下降了53.57%。TN质量浓度的变化趋势与TP较为相似，总体呈下降趋势，但有2个明显的峰值：2010年的为5.43 mg/L，2014年的为5.09 mg/L。TN质量浓度年平均最大值出现在2010年，自2014年开始快速下降，2019年浓度降至1.93 mg/L，下降率为64.46%。

河流中磷的含量主要受2种因素影响，即农业生产活动中的磷酸盐矿物肥料和污水排放[20-21]。泗河流域土地使用以农业为主，耕地比例占流域面积的64.11%[22]。TP浓度在2000—2007年间较大，与当时农药化肥大量使用有关[22]。TN的浓度年平均值在2009—2011年较大，原因是农药的过量使用造成土壤板结，土壤肥力下降，土壤中过剩的氮、磷营养元素随降水、灌溉进入河流[23]，导致泗河水体受到污染。自2008年以来，TN和TP浓度年平均值总体均呈现下降趋势，与泗河及其主要支流实施截污导流和污水资源化，有效削减入河排污量有关[22]。

3.2 泗河综合水质评价

3.2.1 单因子水质标识指数法

根据1980—2019年泗河年际水质变化趋势，选择9个具有代表性的年份进行评价，单因子水质标识指数变化过程如图3所示。40 a来，CODMn的单因子水质标识指数变化幅度最大，NH3-N的变化幅度较大，而TN和TP的变化幅度相对较小，说明泗河水质主要受流域中CODMn浓度影响，NH3-N次之，TN和TP的影响较小。1984—2000年CODMn、 NH3-N和TP的单因子水质标识指数均呈现增大趋势，这可能与自然因素有关。泗河流域在1982—2003年处于枯水期[24]，持续干旱导致河流流量减小，仅为5～6 m3/s，纳污能力和自然净化能力均较弱。1995—2004年CODMn、 NH3-N和TP的单因子水质标识指数较大，与农药化肥大量使用，排入河中的工业废水未达到排放标准有关。泗河两岸分布多家污染企业，污水排放量大，而当时水污染处理厂配套设施不完善，处理污水能力有限，不能充分发挥除污效能。此外，生活污水无序排放以及向河道内倾倒生活垃圾也会导致水体氮、磷营养盐含量上升[25]。2004—2019年各指标的单因子水质标识指数变化幅度均较小，总体呈现下降趋势，说明泗河流域水体污染得到控制，水质有所改善。

CODMn—高锰酸盐指数；NH3-N—氨氮；TN—总氮；TP—总磷。

3.2.2 内梅罗指数评价

内梅罗指数评价结果见表2。由表中数据可知，1980、 1984年泗河水体内梅罗指数均小于0.7，污染等级为Ⅰ级，说明泗河流域水质良好，处于无污染状态。此后内梅罗指数迅速增大，至2000年达到54.24，污染等级为Ⅴ级，水质明显恶化，呈重度污染程度。2000—2019年内梅罗指数逐渐减小，由54.24减小至1.58， 污染等级由Ⅴ级下降至Ⅲ级，河流水质呈轻度污染状态，泗河流域水质得到明显改善。

表2 内梅罗指数评价结果

3.2.3 综合水质类别判定

泗河水质变化及综合水质类别判定结果见表3。由表中数据可知，泗河流域水体综合水质标识指数和水质综合污染指数均呈现先增大后减小的变化

表3 泗河水质变化及综合水质类别判定

趋势，说明近年来水体健康状态表现为逐渐优化的演变趋势。2个指数在1995—2004年数值较大，并且在2000年出现最大值，表明水体功能已受到严重危害，水质污染现象严重。2009年之后泗河水质明显改善，原因是全流域不断推进“治用保”策略和泗河综合开发规划建设。至2019年，泗河流域综合水质标识指数达到4.221，属于Ⅳ类水，水质改善效果明显，泗河流域综合管理取得一定成效，但水质综合污染指数评价仍为污染状态。在参与评价的指标中，有2个指标劣于水环境功能区标准，分别为TN和TP。其原因可能是泗河流域耕地面积大，城镇众多，生活污水，化肥、农药残留，工业废水和畜禽养殖业用水未达标排放，或未经处理直接随降雨、灌溉进入河流，造成泗河水体污染[13,26]。

3.3 水质指标空间分布特征

图4所示为2017年泗河流域各采样点监测指标含量的空间分布。各样点CODMn质量浓度为3.37～5.01 mg/L， 平均值为4.304 mg/L；TN质量浓度为2.83～4.58 mg/L，平均值为3.60 mg/L； TP质量浓度为0.04～0.11 mg/L，平均值为0.074 mg/L。 从各样点来看， 2号样点CODMn、 TN和TP含量均最大。

CODMn—高锰酸盐指数；TN—总氮；TP—总磷。

由图可以看出，各样点水体CODMn、TN和TP含量存在差异，CODMn质量浓度由大到小的变化趋势为2号样点(5.01 mg/L)、3号样点(5.01 mg/L)、1号样点(4.60 mg/L)、4号样点(3.53 mg/L)、5号样点(3.37 mg/L)；TN质量浓度由大到小的变化趋势为2号样点(4.58 mg/L)、5号样点(3.39 mg/L)、3号样点(2.83 mg/L)；TP质量浓度由大到小的变化趋势为2号样点(0.11 mg/L)、5号样点(0.09 mg/L)、3号样点(0.07 mg/L)、1号样点(0.06 mg/L)、4号样点(0.04 mg/L)。

此外，泗河水体中CODMn和氮、磷营养盐含量在空间分布上差异较小。2号样点CODMn和氮、磷营养盐的含量略大于其他4个样点的，这是由该区域工农业发达，较多的工农业废水、生活污水排入泗河所致。3项指标含量均较大也可能与支流小沂河的汇入增加了污染物有关。5号样点氮、磷营养盐含量仅次于2号样点的，但CODMn含量最小，原因是该区域为农耕用地，化肥、农药大量使用，且支流柘沟河、芦城河接收了周围区域的农业废水汇入，导致水体TN和TP含量增大[27]。

3.4NH3-N、CODCr年内变化特征

图5所示为2017年泗河水体NH3-N和CODCr含量的年内变化。 可以看出， 泗河水体NH3-N质量浓度的年内变化幅度不大， 只在5月较小， 为0.223 mg/L。 NH3-N含量季节变化平稳， 春季水体中NH3-N质量浓度为0.704 mg/L，略小于其他3个季节的。

(a)逐月变化(b)季节变化图5 2017年泗河水体氨氮(NH3-N)、 重铬酸盐指数(CODCr)含量年内变化

与NH3-N含量的季节变化趋势不同，泗河CODCr含量随着季节变化存在明显差异。春季CODCr质量浓度最大(23.333 mg/L)，夏季(20.667 mg/L)和秋季(18.333 mg/L)逐渐减小。 CODCr含量大主要是受到农业面源污染、工业废水及居民生活污水释放的有机污染物影响。夏季和秋季CODCr含量持续减小，可能与河长制不断落实推进以及泗河综合开发规划建设长期开展有关。

3.5 泗河流域综合管理分析

由泗河流域综合水质评价分析可见，近40 a泗河水质指标浓度总体呈先上升后下降的趋势，自2000年以来水质整体呈现变好趋势。泗河源头来水主要为泉林泉群和石缝泉群的地下水涌水补给，水质良好，一般可达到地表水质量Ⅱ类标准[22]。随着社会、经济发展，泗河流域上游各类工业发展迅速，排污量逐年加大。河水流至泗河泗水大闸断面后，由于泗水城区工业废水及生活污水的排入，水质逐渐变差。在承接曲阜、兖州的工业、农业废水后，水质下降剧烈[22]。2010年以来，为了治理环境污染、改善泗河水质，确保南水北调东线水质和水量优化控制，采取布置沿河污水截污纳管体系，逐步改善河道水质的措施。 在泗河综合开发中， 严格管理污染源，改善泗河入湖口段水质[28]。自实施“治用保”策略、 南水北调东线通水、泗河综合开发规划建设及河长制以来，泗河流域生态环境得到治理，水质明显改善。

图6所示为南四湖年际水质变化趋势。由图可知：1980—2019年南四湖CODMn和NH3-N质量浓度年均值整体呈先增大、后减小趋势，2000—2019年TP和TN质量浓度年均值呈减小趋势。2000—2005年南四湖各指标浓度较大，这与泗河各指标的浓度变化趋势相似。2019年国家颁布实施南四湖、东平湖流域水污染综合排放标准，以此为依据进行工业治污，推进全流域、全过程、全覆盖的深度治污体系，泗河水质达到Ⅳ类标准。泗河于济宁市新闸南泄入南四湖，南四湖水质在一定程度上得到改善，泗河流域综合管理措施具有一定成效。

4 结论

1980—2019年，泗河流域水体CODMn、 NH3-N、TN和TP的浓度年平均值总体呈先增大后减小的趋势。CODMn和NH3-N浓度年均值在1995—2004年数值较大，TN和TP的浓度年均值在2010年以前数值较大，变化趋势相对平缓。

从综合水质评价结果来看，泗河综合水质标识指数由1.600增大至15.926、再减小至4.221，水质综合污染指数由0.10增大至27.40、再减小至1.13，内梅罗指数由0.12增大至54.24、再减小至1.58。从污染物空间分布情况来看，泗河水体中CODMn和氮、磷营养盐含量在空间分布上差异较小。

2019年泗河水体达到地表水Ⅳ类标准，水质得到一定改善。南四湖近40 a来水质改善效果明显，泗河流域综合管理措施具有一定成效。

致谢：感谢论文完成过程中济南大学李财、马欣、张敏同学给予的宝贵建议！