1990—2016年东平湖水位变化及其对水质的影响

李景璇，陈影影,2，韩 非，陈诗越

（1江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院，江苏徐州 221116；2中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061）

0 引言

水位是表征湖泊水库演化状态的重要指标之一[1]，对湖泊水量、水环境以及生物演替等有直接或间接的影响，与湖泊水质参数间具有较好的相关性，被认为是影响湖泊生态系统稳定的关键因素[2]。水位的变化不仅直观反映了水体水情，而且会在改变湖泊蓄水量、比热容的同时影响湖泊水动力过程[3]，是目前湖沼学及相关领域的重要研究内容[4-5]。湖泊水位的波动因受气候、地形、水利工程等的影响，是一个既存在必然性规律，也表现出强烈的随机性的动态过程[6-7]。因此，研究湖泊水位变化特征及其与相关水质参数的关系对深入理解湖泊的生态环境演变和建设湖区生态的可持续发展均具有重要意义。

东平湖是黄河下游最大的蓄洪湖泊，同时也是南水北调工程中重要的调蓄湖泊。随着国家大型水利工程建设的深入推进和东平湖湖泊生态系统的发展，东平湖的水质状况不仅会直接影响受水地区的用水安全，而且对湖区周围以及流域内水环境的可持续发展尤为重要。但由于全球气候异常变化以及大型水利工程修建等人为活动的强烈干扰[8]，东平湖发生较为显著的水文变化，尤其湖泊水位变化频繁、库容减少、水污染事件频发，严重影响了湖泊水资源的合理利用、流域居民的用水安全及水体生态系统的功能发挥。目前，针对东平湖水环境问题一些学者从沉积环境演变[9]、水环境变迁[10-11]、表层重金属分布[12]以及微生物群落生态结构差异[13]等方面进行了研究，但从湖泊水位与水质关系角度的研究还较少开展。为此，本研究主要基于1990—2016年东平湖主要水文站水位实测数据，探讨了1990—2016年东平湖水位变化特征及其与常规水质参数之间的关系，阐释了水位变化对水文因子的影响，旨为探究黄河与东平湖的河湖关系、东平湖湖泊生态系统保护以及南水北调东线工程通水状态下东平湖水位的科学管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东平湖地处山东省泰安市，是黄河下游仅存的天然湖泊（图1）。湖区季风气候特征显著，夏、秋两季降水集中，冬、春两季低温少雨。作为辐射状水系的中心，东平湖由淮河流域的滞洪湖（二级湖）和黄河流域的蓄水湖（一级湖）组成，与黄河、大汶河和南水北调东线工程相连，在调蓄、防洪、排涝、治理黄河以及保护环境等方面起到重要作用[14-15]。

图1 研究区概况图

1.2 资料来源与方法

本研究采用的1990—2005年东平湖水位数据来源于1993年东平湖志编纂委员会编的《东平湖志》[14]和2005年东平湖管理局所编的《东平湖志》[15]中安山站、土山站等水文站的水位数据，2006—2016年的水位数据是黄河网水情日报统计的东平湖逐日实测水位数据。年均水质数据源于学者们对东平湖进行采样研究的实测数据[16-20]，并选取TN、TP、COD和高锰酸盐指数4个指标以分析东平湖水质与水位变化的关系。

利用Microsoft Excel 2016和SPSS Statistics 2019分别对东平湖基础数据进行数据处理、相关性分析与制图。

2 结果与讨论

2.1 东平湖水位变化特征

大汶河入湖径流量、流域降水量与蒸发量、南水北调东线工程等均影响东平湖的水位高度[21]。1990—2016年东平湖的年平均水位为41.31 m，水位最低年份是1993年，为39.32 m；最高年份是2011年，水位为42.29 m（图2）。自1990年起，东平湖水位以0.43 m/10 a的速率波动上升，具体表现为：1990—1993年东平湖湖泊水位波动变化较大，年平均水位差值高达0.75 m；1993年水位处于历史最低值，经过该突变年份后东平湖水位开始长期波动上升。1993—2001年水位变化总体趋于上升，上升幅度为0.28 m/a，是东平湖自1990年以来水位上升趋势最为显著的时段。之后至2003年水位逐年下降，平均每年下降0.36 m。2003—2011年东平湖的水位再次波动上升，上升幅度为0.17 m/a，是湖区水位显著上升的第二个时段（1993—2001年为第一时段）。东平湖的水位在2011年达到了历史最高值后连年下降至2015年，水位平均每年降低0.33 m；2016年水位开始再次波动上升，至2020年东平湖年平均水位达到41.71 m。

图2 1990—2016年东平湖水位变化趋势

1990—2016年东平湖水位年际距平变化（图3）显示：东平湖水位正、负距平交错出现[22]，其中，负距平年份大多集中于1990s，而从2004—2014年，东平湖水位高度始终为正距平。整体而言：自1990年以来，东平湖水位高度从1990年的40.07 m开始大幅度波动变化，至1993年降至历史最低水位值39.32 m；而后东平湖水位长期波动式上升，至2011年达到42.29 m的历年最高水位值，年上升幅度为0.16 m；东平湖水位上升年份占整个时段的56%，而44%的年份水位在下降。由此可知研究时段内多数年份东平湖水位都呈上升趋势。

图3 1990—2016年东平湖水位年际距平变化

2.2 东平湖水质变化特征

东平湖水质变化与湖泊上游黄河以及大汶河入湖污染量关系密切。近年来随着国家对黄河流域污染整治力度的加大，东平湖水质由劣V类逐渐好转为III类，氮、磷等污染物质的浓度也逐渐降低[23,24]，湖泊水质得到明显改善。利用东平湖1990—2016年水位水质的监测资料对湖泊水质年际变化进行分析对比，可知近年来东平湖水体污染物质含量整体呈下降趋势，1990—2016年东平湖TN、TP、COD和高锰酸盐指数随水位变化的具体情况见图4。由图4可知，随着湖水位的上升，东平湖各常规水质指标浓度逐年波动较大，整体呈波动降低趋势。

图4 东平湖常规水质指标时间序列变化图

1990—2016年东平湖TN浓度在0.37～5.77 mg/L区间内波动变化，根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，1991—2012年东平湖TN浓度值大部分年份均超过V类水质标准；2014、2016年TN浓度分别为0.72 mg/L和0.7 mg/L，显著低于1991—2012年间东平湖TN浓度，处于III类水状态；2015年东平湖TN浓度符合II类水质标准。

同期东平湖TP浓度为0.027～0.267 mg/L，其中仅1996年TP浓度到达研究时段内的最高值且高于V类水质标准；1990、1991、1998年，东平湖TP浓度分别为0.101、0.138、0.128 mg/L，符合V类水质标准[25]；1994年以及2000—2016年（除2003、2008年）东平湖TP浓度始终小于0.05 mg/L，满足III类水质要求；其余年份TP浓度符合IV类水质标准。

1990—2016年间东平湖水体COD浓度波动较大(15～50 mg/L)，1998年达到浓度最高值后持续降低，2012年低至最低COD浓度值。1990—2009年，除个别年份外，东平湖COD浓度年均值均高于IV类水质标准，处于IV类至劣V类水状态。2010—2016年，东平湖COD浓度小幅波动降低且浓度始终低于20 mg/L，符合III类水质标准（其中2012年浓度最低值为15mg/L，较1998年的峰值下降70%[26]）。

高锰酸盐指浓度的变化趋势与COD浓度相似，年际浓度波动较大(1.6～12.2 mg/L)，其中1992年东平湖高锰酸盐指数浓度达最高值12.2 mg/L，处于V类水状态；2012年降至最低值1.6 mg/L，符合I类水质标准。1990—2016年东平湖高锰酸盐指数浓度波动下降：1990—1992年高锰酸盐指数浓度大幅上升达到最高值后快速下降，1994—1996年持续上升达到次高值(10.5 mg/L)后波动下降，2012年达到研究时段内最低值，2012—2016年在较低水平波动(1.6～4.7 mg/L)。除1992年和1996年之外，各年份高锰酸盐指数浓度均低于IV类水质标准。

总体而言，1990—2016年间东平湖水质有明显改善。1990—1999年，东平湖的大多数水质指标均处在较高值区波动，且大部分时段超标，湖泊污染十分严重。2000年以来，东平湖水位显著上升，TP、COD等指标均呈下降趋势，其中仅部分年份的TN浓度超过V类标准，TP和高锰酸盐指数浓度则基本满足III类标准，湖泊水质相较于1990s有所改善。

2.3 东平湖水质与水位变化的关联性

水位动态变化是影响东平湖湖泊生态系统的关键因素，为进一步研究东平湖水位与水质之间的关系，本研究运用Spearman秩相关系数法将1990—2016年东平湖监测站点的TN、TP、COD和高锰酸盐指数浓度与水位变化进行分析，结果见表1。

表1 东平湖主要水质指标与水位变化的相关系数

由表1可知：东平湖年平均水位与TN浓度的相关性系数为0.043，其绝对值小于0.5且超出0.01的置信水平，表明东平湖水位变化对TN浓度的影响很小，甚至无影响。TP、高锰酸盐指数均与水位的相关性系数分别为-0.550、-0.685，这说明东平湖TP、高锰酸盐指数随着水位的上升而降低，随着水位的下降而增加。东平湖COD浓度在一定程度上也受水位变化的影响，相关性分析结果显示，相关系数为-0.389。综合分析东平湖的水质情况，TP、COD、高锰酸盐指数总体浓度随水位的升高而降低，两两间均存在不同程度的负相关性，TN浓度与水位之间无明显相关性。

影响东平湖水质的主要自然因素有大汶河入湖径流量、降雨以及水位变化等。相关性分析结果表明，东平湖COD、高锰酸盐指数浓度与水位变化之间均为负相关性，这与前人研究结果较一致[11]。东平湖流域内工业废水和城市污水的大量排放会引发水体COD含量激增，例如，泰安市2000年生活污水中COD排放量近7×104t[27]；另外，流域内经济产值较低的造纸产业COD排放量也占据80.26%[28]。为减少因COD的大量排放而引发的居民用水安全和东平湖水污染问题，山东省政府近年来加强了对东平湖流域的综合治理，调整和优化产业结构，扩建污水处理厂，完善湖区污水处理设施及配套管网建设[29]，从根本上减少了COD的排放量。结合表1，表征水体中还原性有机质含量的另一指标高锰酸盐指数浓度与TP、COD的相关性系数分别为0.825和0.752，与水位变化的相关系数为-0.685，说明东平湖高锰酸盐指数与TP、COD浓度变化具有显著一致性，与水位变化呈负相关关系。近年来，随着上游大汶河入湖水量、湖区降水量的增加以及政府相关管理政策的实施，东平湖水位高度不断抬升，湖泊流速变缓，水体中悬浮的营养盐、杂质离子等物质下沉沉积于湖泊底泥中，这进一步促使东平湖还原性有机质浓度大幅降低，COD和高锰酸盐指数浓度均减少，湖泊水质变佳[3]。综上可知东平湖COD、高锰酸盐指数浓度与水位变化表现出负相关性，湖泊水位的上升在一定程度上可以减少水体有机污染，净化东平湖水环境。

将东平湖1990—2016年TN、TP浓度与水位变化进行Spearman相关性分析，结果显示东平湖水位与TP浓度具有显著的负相关性，与TN无显著相关关系。王丹等[25]对东平湖研究发现，1990—2012年湖泊水位与TN、TP浓度无显著相关性，而年降水量与TN、TP间相关性显著，说明东平湖水位的变化对氮、磷浓度没有直接的影响，补给水源可能是更重要的影响因子。据统计，上游大汶河向东平湖提供了全年85%的水量[30]，且大汶河流域的排污量占据整个东平湖污水排放量的82.2%[18]，因此大汶河水质变化对东平湖水环境产生的生态效应不容小觑。淡水湖泊中入湖污染量和流域面源污染是影响湖泊TN的主要因素[18]。东平湖TN浓度的变化趋势体现出较强的外源性，受水位变化影响较小，整个湖区TN的含量因大汶河入湖污染量、水生植被演替以及水产养殖业发展等因素都显得十分丰富。相关水质监测资料表明：东平湖上游大汶河流域水生态系统健康状况整体较差，水体污染物质含量严重超标[31]。同时，近年来大汶河排入东平湖的生活污水急剧增长，工业废水量飙升，导致大汶口至东平湖入湖口河段纳污能力直线下降，TN等湖泊污染物因得不到有效的稀释和净化而直接流入湖泊，东平湖水质变差。大汶河沿岸的农田耕地同样导致东平湖氮含量剧增[32]，具体表现为：TN浓度的大汶河河流值明显高于东平湖湖泊值，其浓度高值点也主要集中在东平湖入湖口区域[33]。东平湖湖心区域同样存在TN浓度的高值点，推测水生植被演替是促使该现象发生的主要原因。菹草作为东平湖水生植被中的绝对优势种，春季其旺盛的生长态势显著抑制了沉积物的悬浮，改善了湖泊水质。但其多数植株会在夏季衰败死亡、腐烂降解，与此同时湖水温度升高，湖泊底层溶解氧含量降低，东平湖底栖动物和湖泊风浪的扰动会促进底泥中氮元素的释放，导致湖泊TN浓度显著上升，加剧东平湖的水污染[34]。此外，东平湖地区日益严重的人地矛盾是造成湖泊TN浓度增加的另一原因。1958年，湖区居民开始在东平湖建鱼种场，1979年大范围网箱养鱼发展水产养殖业，直至2018年东平湖湖区全面取缔网箱网围养殖，大力推广“人放天养”的生态养殖模式以保护东平湖生态环境和湖泊功能，减少水质污染[35]。尽管政府做出了相应的整改措施，但长期水产养殖投放的大量药物饵料以及鱼虾蟹的排泄物在湖泊中累积，仍造成东平湖有机物和TN等营养盐浓度升高，湖泊局部生态系统平衡紊乱。同时，东平湖是以磷元素为水体富营养化主要限制因子的淡水湖泊[25]，水位变化对TN含量影响小，且大汶河入湖污染量、湖区水产养殖业发展皆造成水体TN浓度发生大幅波动，因此东平湖水体TN浓度与水位变化无显著相关关系。

大汶河与东平湖未形成明显的TP浓度差[33]，且东平湖TP浓度与水位变化呈显著负相关性，因此可认为东平湖TP含量受大汶河入湖污染量影响较小，水位是导致其浓度变化的主要原因。由于东平湖为磷限制型湖泊[25]，水体中的磷元素大多以磷酸盐的形式沉积于湖泊底泥中。随着东平湖的水位上升与库容增加，湖泊自身的净化能力和水体溶解氧含量得到大量提高，下边界沉积磷等沉积物的状态因不易受到上边界风浪的干扰而愈发稳定[3]，外源磷含量足够满足湖泊中的微生物和水生植被的生长演替的需要。因此，TP浓度随着东平湖水位的上升而下降，二者呈负相关关系。前人的研究结果认为东平湖TP浓度受水位变化影响较小[11,25]，可能是因为湖区降水量的增减虽未造成东平湖水位的明显变化，但携带了大量含磷物质进入水体，增加了湖泊自身调节的负担。然而自2013年南水北调东线一期工程通水后，东平湖水位显著抬升，湖泊自净与稀释能力增强，湖泊TP浓度随水位上升而降低。

东平湖作为调水东线的最后一级调蓄湖，其湖泊水质直接影响下游受水地区的用水安全。自2013年11月15日东线一期工程投入使用至今，已总计向山东省调入水量46.1×108m3，抽取水量超过330×108m3[36]。东平湖在调水期间不断接受来自长江下游江苏境内多级泵站的送水，湖泊水位也随之上升。目前东平湖湖泊平均水位较通水前已有所抬高，且相关工程规划规定东线一期工程正常蓄水位为43.01 m，因此东平湖自工程通水后将长期处于高水位蓄水，这不仅导致湖泊水面扩大而且对东平湖水环境乃至周围生态环境造成不同程度的影响。已有研究表明：东平湖调水期间主要受TN、TP浓度的影响，水质处于轻度富营养状态，且输水过程中外源氮、磷等污染物的流入会直接导致东平湖水质受到污染，水动力条件的变化会引发东平湖水体营养盐空间分布改变和底泥中部分重金属元素的上涌释放[37]。东平湖长期高位蓄水在促使水产养殖业发展的同时会破坏湖泊堤坝，淹没沿岸土地，导致农业化肥等有害物质流入水体，湖泊TN、TP等营养盐的浓度会进一步增加。总体看来，东平湖的湖泊水质并未因南水北调东线一期工程的通水而发生本质性改变。相反，通水后部分水质指标浓度超标，湖泊受到轻微污染。但因东线工程引水水质较好，大量的长江水进入东平湖后对湖水起到稀释作用，东平湖湖泊水质、水体富营养化程度以及健康风险均得到改善。与此同时，东平湖每年输入稳定量的优质水源，一方面提高了东平湖湖泊生态系统的生产力和恢复稳定性，增加了湖泊的生物量和物种多样性，另一方面有效降低藻类爆发性生长的可能性，改善了东平湖水生态环境。

通过以上分析可知，南水北调东线一期工程的通水虽有助于东平湖水环境的改善，但是东平湖湖泊水质并未发生本质性的变化。大汶河入湖污染量、水产养殖以及周边居民生产生活用水的排放等因素虽对东平湖水质产生一定程度的影响，但湖泊水位变化仍是引发水质发生改变的重要原因。因此，应该合理调控东平湖的水位高度，密切关注湖泊水质变化情况，这样在一定程度上可以增强东平湖水体的自净能力，扩大水环境容量，降低水体富营养化的风险，创造更加优良的湖域生态环境，维持东平湖湖泊生态系统的健康，实现东平湖水环境和湖泊资源的可持续协调利用发展。

3 结论与建议

通过对1990—2016年东平湖的水位水质监测数据进行分析，得到如下结论。

1990—2016年东平湖水位整体波动上升，水体TN、TP、COD以及高锰酸盐指数浓度均存在不同程度的降低，湖泊水质得到明显改善。其中TN浓度虽波动变化范围较大但整体下降呈下降趋势；TP、COD分别在1996年和1998年达到研究时段内的最高浓度值后开始下降，并长期在较低水平范围内波动；高锰酸盐指数浓度大多年份也均低于IV类水质标准。相关性分析结果表明，东平湖TP和高锰酸盐指数浓度均与水位变化呈显著负相关关系，COD浓度与水位变化呈负相关，TN浓度变化受水位影响较小。南水北调东线一期工程通水后，东平湖水位长期处于高位蓄水状态，湖泊水质因引水量大且水质较好而得到一定程度的改善，但未从根本上治理东平湖。

为确保南水北调东线工程受水区域水质安全以及东平湖湖泊生态系统的可持续利用发展，建议相关部门今后制定科学完善的东平湖管理制度，对东平湖的水位涨幅进行合理调控，使得通过控制水位实现东平湖水质管理具有理论支持和可操作意义。另外，政府部门应做好宣传教育工作，提倡上游及当地居民减排，全方位开展流域环境综合整治，恢复并保持湖区健康的水生态环境，构建更加优良的东平湖湖泊生态系统。