南四湖水质评价及改善效果分析

2021-12-29武周虎

青岛理工大学学报 2021年6期

马景，武周虎

(青岛理工大学环境与市政工程学院，青岛 266525)

南四湖是南水北调东线工程的必经之地和调蓄湖泊，其水质安全至关重要。南四湖隶属于山东省济宁市，湖区周边工业、农业错综复杂，流域内水环境容纳限度小、水体污染与水源短缺等问题较为严重，严重影响我国南水北调东线工程的顺利进行与周边经济发展。为了响应山东省“治用保”小流域治理的号召，山东省生态环境厅每年进行2次水质空间监测工作。

水质评价是湖泊有效管理和污染防治的基础，采用合理的水质评价方法可以了解湖泊水质现状与受污染程度[1]，找出导致流域污染的主要问题，从而为湖泊的治理、规划与管理提供科学依据。每种水质评价方法都有其特点，只有根据实际情况选择恰当的评价方法才能得到有效的研究结果[2]。相对而言，综合指数评价法可以定性、定量评价水质，简单易行，在我国应用更为广泛。马京久等[3]将综合水质标识指数法应用到汉江中下游的水质评价中，同时采用秩相关系数对水质评价结果进一步分析，为水质评价提供了一种新的思路；宁阳明等[4]采用综合污染指数法对长江黄石段的水质进行评价，研究结果为该断面的水污染防护与水资源利用提供了科学依据；张翔[5]依据北洛河历年的水质监测资料，运用综合污染指数法来分析北洛河的水质变化趋势，并总结分析了主要污染指标的变化规律。

本文以南四湖自然地理和水质空间监测概况为基础，选取2011—2019年湖区水质监测数据为主要研究基本数据，采用水质综合污染指数法、综合水质标识指数法对湖区水质污染状况进行分季节归纳与综合水质评价，比较分析水质变化规律、水质改善效果并对存在的水环境问题提出相应的对策与建议。

1 水质监测概况

南四湖位于山东省济宁市，从北向南依次由四湖贯通而成[6]。该湖泊总体呈带状，由湖腰处向两端延伸，湖长约126 km，湖面最宽处逾25 km，湖面面积1266 km2，蓄水量为20.08×108m3。其总流域面积为32 675 km2，承接53条河流的来水，主要集中在上级湖。湖区分为上、下级湖，以湖腰的二级坝枢纽工程为界限，上级湖为二级坝北段湖区，下级湖为南段湖区[7]。其中上级湖承接了南四湖流域近九成的来水，考虑到上级湖较大的防洪、蓄洪压力，在二级坝完工后，先后在南四湖流域建造了4个泄洪口。

为了保障水质监测数据的全面性和准确性，南四湖流域水质监测点位的布设采用网格式布点法[8]，最终整个湖区共设置90个监测点位，上下级湖监测点位布设比例约为5∶4，每个网格南北长3.33 km，东西宽3.12 km。为保障水质监测数据具有代表性，监测时间依据南水北调东线工程调水期选定为每年春末4—5月及秋末10—11月。从2011年到2019年，南四湖水质共监测了17批次(其中由于现实监测条件的限制，2012年秋季的数据未测)。本文结合南四湖流域当地的经济状况与产业结构，根据湖泊污染特点，通过分析CODCr，CODMn，TP，TN，NH3-N等5项水质指标监测数据对水质改善效果进行分析评价。

2 水质评价方法

2.1 综合污染指数法

综合污染指数法[9]建立在单因子指数法的基础上，利用数学手段对单因子指数法的结果进行综合计算来得到评价结果。因其简单实用，被广泛应用于综合水质评价中。其计算公式为

(1)

(2)

式中：i=1，2，…，5分别代表CODCr，CODMn，TP，TN，NH3-N；j为湖区点位编号；Qij为单项污染指数；Q为综合污染指数；Cij为j点i指标的实测值；Csi为i指标的评价标准限值，见表1；k为监测点位总数，在此为90个。

表1 地表水水质分类 mg/L

根据综合污染指数的大小可将水体分为以下4类：

1) 达标：Q≤0.8，各项水质指标均达标，水体不受水质指标的制约。

2) 基本达标：0.8

3) 污染：1.0

4) 严重污染：Q>2.0，各项水质指标均不达标，部分指标检出值超标严重，水体受污染程度大。

2.2 综合水质标识指数法

综合水质标识指数[10]法可以定性、定量研究水质变化状况，不会因为某一项指标的变差而影响对水质总体的评价。较其他水质评价方法而言，能够更为直观地表征水质现状达标情况，反映水环境治理取得的成效。其表达式为

I=X1·X2X3X4

(3)

式中：X1为综合水质类别；X2为综合水质在变化区间内所处位置；X3为水质评价的水质指标中劣于水环境功能区标准的个数；X4为水质类别与水环境功能区类别的比较结果；X1·X2为综合水质标识指数法的特定运算，由计算获得。

综合水质判定标准见表2。

表2 综合水质评价判定标准

3 结果与分析

3.1 南四湖春季与秋季水质指标的分析

分别计算2011—2019年南四湖湖区CODCr，CODMn，NH3-N，TP，TN等5项水质指标平均浓度，春、秋两季水质指标逐年变化趋势如图1所示。

图1(a)为2011—2019年南四湖流域春季水质指标变化趋势，可以看出2019年4月南四湖湖区CODCr，CODMn，NH3-N，TP，TN的浓度平均值较2011年4月分别下降了36.7%，34.3%，37.3%，45.8%，31.9%。总的来说，5项水质指标的浓度均呈下降趋势，下降幅度由大到小依次为TP>NH3-N>CODCr>CODMn>TN。2011—2019年的春季，水质指标NH3-N未出现超标现象；CODCr在2011—2013年均出现超标现象，而后在2014—2019年达到III类水质标准；TP在2011—2015年出现超标现象，而后在2016—2019年达到III类水质标准；TN在2011—2012年出现超标现象，而后在2013—2019年达到III类水质标准。这是由于2011—2015年南四湖生活面源、企业点源、农业面源排放比例的增加而造成的。

图1(b)为2011—2019年南四湖流域秋季水质指标变化趋势，可看出2019年11月南四湖湖区5种水质指标的浓度平均值分别为18.13，4.90，0.27，0.04，0.92 mg/L。较2011年秋季分别下降了26.9%，15.8%，22.8%，42.8%，17.1%。总的来说，5项水质指标整体呈下降趋势，其中TP下降幅度最大。2011—2019年，水质指标NH3-N未出现超标现象；CODCr，TN在2011—2014年均出现超标现象，而后在2015—2019年达到III类水质标准；TP在2011—2019年一直处于超标状态。对比图1(a)和图1(b)可得，南四湖春季水质优于秋季水质，这是由于冬、春季枯水期，流域汇湖入水较少，湖区污染物在吸附、沉降以及自然降解等作用下使得污染物浓度降低，从而使春季水质变好；春汛过后污染物随径流排入湖内使秋季水质差。由此造成河流水环境容量小，在枯水季节(11月—3月)尤为显著。因此相较于枯水期，湖区丰水期经过自然降水稀释作用以及水体自身自净作用，污染物浓度降低水质得到显著提升。

总的来看，2011—2019年，水质指标NH3-N始终符合III类水质标准，TN，CODCr，TP，CODMn4项水质指标虽然在2011—2014年超标，但总体呈现显著的下降趋势，并于2015年达到III类水质标准。CODCr的总体下降率在2013年出现最大值，而TN的总体下降率在2014年出现最大值。这是由于自2003年起，山东省实施了多项污染物排放管控标准，形成了针对山东省地方性的全方位多层次污染物排放标准体系，特别是2015年颁布的《山东省南水北调条例》，更为明确地规定了南水北调工程沿线水域污染物的管控。由此使得南四湖流域水质逐年改善，各项水质指标逐渐达到III类水质标准。

3.2 南四湖综合水质改善效果评价

将2011—2019年5项水质指标的实测数据依次代入式(1)、式(2)中，并将计算所得结果Q值、I值列入表3中。

表3 湖区水质评价结果

由表3可以看出，2011—2019年的综合污染指数范围为0.653～1.101，相差较大，10年间Q值最大值出现在2013年10月；2011—2019年的综合水质标识指数范围为3.100～4.040，I值最大值出现在2011年5月。2019年11月湖区Q值为0.743比2011年同期下降了27.3%，2019年11月入湖湖口I值为3.400比2011年同期降低了13.5%；2019年4月湖区Q值为0.653比2011年同期下降了38.3%，2019年4月湖区I值为3.10比2011年同期下降了23.3%。由此可看出，南四湖湖区水质不同季节呈现显著差异性，湖区水质Q值、I值在春季普遍低于秋季，这表明春季水质比秋季水质有显著提升。2011—2019年的Q值、I值普遍呈下降趋势，湖区水质逐步从污染趋向达标，春季和秋季的水质都得到了显著改善。这表明近年来随着政府投入资金对环境监管系统进行建设，加强对南四湖流域工业产业结构的调整，强化对南四湖点源、面源污染的治理，使流域内水质状况得到进一步改善。

总的来说，两种水质研究方法得到的水质类别有些许差异，但总体均可以表征水质状况与达标程度，均显示南四湖湖区水质逐渐变好，且于2014年春季保持基本稳定状态；根据水质综合污染指数法可以看出2011—2013年水质处于污染状态，于2014年春季保持基本稳定状态，综合水质逐渐变好，达标率不断增加；由综合水质标识指数法可以直观看出自2011年秋季起南四湖湖区综合水质持续稳定在Ⅲ类水质标准。其中南四湖在2011年秋季至2013年秋季期间水质较差，分析可能是由于山东省在该年份内持续干旱少雨，湖区未得到天然地表径流水流量的补给，从而使得湖区内污染物浓度显著增高。