里下河腹部典型区水质时空变化特征及其原因分析

周佳楠，傅国圣，安 浩，蒋陈娟

(1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.江苏省水文水资源勘测局泰州分局，江苏 泰州 225300；3.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，南京 210029)

随着经济的快速发展，工业化、城市化进程加快，工业废水和生活污水的排放量不断增大，水环境污染物含量增加、压力增大，成为经济社会可持续发展的主要阻碍[1]。里下河腹部区因地势低洼、河网密布、河道交错纵横、水流互串、河道比降小、水流缓慢[2]，水污染问题较为突出，尤其是突发水污染事故常常发生，具有污染影响时间长、沿途影响区域多、涉及城镇水厂用水、影响范围难以确定等特点，对城乡供水安全及区域水环境造成严重影响[3]。随着经济社会的发展，里下河腹部区水生态环境面临化肥农药与渔业养殖造成严重的面源污染、生产与生活污染日趋严重和湿地功能日益退化三大问题。

里下河地区的洪涝灾害、水文事件等研究成果较多[4-7]，但关于本地区的水质时空变化特征及其原因分析研究相对较少。马小雪[8]等综合运用单因子污染指数法、综合水质标识指数法、主成分分析法分析了里下河地区水体污染物的时空分异特征，结果表明: 汛期的综合水质要差于非汛期的综合水质；东北部的监测点水质劣于西南部的监测点水质，但是西南部的灌溉总渠沿线由于受洪泽湖的影响水质状况最好。刘光清[9]等认为造成汛期水质差于非汛期水质主要原因是:里下河地区洼地、沟塘较多，污染严重，汛期内的暴雨会将平时存积在沟塘或者洼地中的污水一并冲进河中；一些不法企业乘机将污水在暴雨时直接排入河中。以上研究里下河腹部区的监测站点稀少，时间上笼统地分为汛期和非汛期，未进行水质年内变化规律分析，且没有考虑外引水量对区域水质的影响，其结论有较大的局限性。因此，本文基于里下河腹部典型地区水质监测数据，应用单因子水质标识指数法、综合水质标识指数法和GIS空间分析相结合的方法，研究区域水质年内变化特征和空间分布特征，识别区域内主要污染因子，并结合本地降水量、外引水量和引排水路线分析水质时空变化的原因。

1 研究区概况

江苏省里下河地区介于东经 119°08′～120°56′，北纬 32°12′～34°10′之间，位于里运河以东，苏北灌溉总渠以南，扬州至南通328国道及如泰运河以北，东至黄海，总面积 2.149 7 万km2，其中通榆河以西为腹部地区。里下河腹部区属于淮河流域，季风气候明显并且受海洋性气候影响。区内圩网密布、河湖纵横，四周高，中间低，呈碟型，平均地面真高2 m(废黄河基面)，其中溱潼、兴化、建湖素有里下河三大洼之称，俗称“锅底洼”，属典型的水网圩区，也是淮河下游的重点洼地。本文选取其中的溱潼、兴化洼地(泰州境内)作为典型区，研究其水质时空变化特征。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文搜集了2017年里下河腹部区泰州境内21条河流的39个监测断面的水质监测数据，监测断面分布如图1所示，数据来源于江苏省水文水资源勘测局泰州分局。根据区域水环境特点，分析数据包括高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧、化学需氧量、五日生化需氧量、氟化物、硒、砷、挥发性酚、总磷10项指标。

图1 里下河腹部典型区区域概况及监测断面分布Fig.1 Regional survey and monitoring section distribution of Lixiahe abdominal area

2.2 研究方法

本文基于水质监测数据，将单因子水质标识指数法、综合水质标识指数法和GIS空间分析方法相结合，分析水质时空分布特征。

(1)单因子水质标识指数法。单因子水质标识指数可以完整标识水质评价指标的类别、水质数据、功能区目标值等重要信息，既能按国家标准类别[10]定性评价，又能根据标识指数进行水质数据的分析；既可以比较分析同一类水质指标在同一级别中的差异，也可以在不同类别水质指标中比较分析水质的污染程度。单因子水质指数P由一位整数和一位小数组成(Pi=X1X2)，X1代表第i项水质指标的水质类别，X2代表监测数据在X1类水质变化区间中所处的位置，数值越大则水质越差，具体计算方法见参考文献[11]。

3 研究结果与分析

3.1 水质年内变化特征

对研究区域内水质监测数据的高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧、化学需氧量、五日生化需氧量、氟化物、硒、砷、挥发性酚、总磷10项指标进行单因子水质标识指数进行计算，并选取重要指标进行综合水质标识指数计算，分析水质年内变化特征。

3.1.1 单因子水质标识指数变化

从单因子水质标识指数(以下简称指数)各月均值可以看出，高锰酸盐指数、总磷和五日生化需氧量和溶解氧的单因子指数较大，指数大于3的频率超过50%，高于氨氮和化学需氧量指数(表1)。区域内河流水体的硒、砷、挥发性酚含量均较低，明显低于Ⅲ类标准；但氟化物含量各月均高于Ⅲ类标准，地表水受到氟化物污染。

表1 单因子水质标识指数各月均值Tab.1 The monthly mean value of single factor water quality identification index

高锰酸盐单因子指数除4-6月低于3以外，全年大部分时间均大于3，且有5个月大于3.5，9-10月达最高值3.8；总磷指数5、6、11、12月低于3，其他各月大于3，且有4个月大于3.5，10月达最高值3.9；五日生化需氧量指数1、5、6、11、12月低于3，2、3月大于3.5，2月达最高值4；氨氮指数1、3、10月大于3，但均小于3.5；化学需氧量指数1、2、7、10月大于3，除10月出现极大值4.2，其他各月均小于3.5。溶解氧指数年内变幅最大，10月达最大值4.6，2月为最低值1，5-11月指数均大于3，其中7-10月指数均大于3.5。

溶解氧指数的年内变幅最大，其次为高锰酸盐指数、总磷、五日生化需氧量、化学需氧量和氨氮，而氟化物、硒、砷、挥发性酚的指数年内变幅较小。溶解氧指数1-2月下降，2-7月逐渐上升，7-10月先下降后回升，10-12月陡降。高锰酸盐指数、氨氮、总磷的指数1-6月波动下降，6-10月波动上升，10-12月显著下降。化学需氧量、五日生化需氧量的指数年内变化规律与前三者类似，但1-2月指数有明显上升(见图2)。

图2 单因子水质标识指数逐月均值变化Fig.2 The monthly mean change of single factor water quality identification index

3.1.2 综合水质标识指数变化

根据区域内逐月平均综合水质标识指数(以下简称综合指数)分析结果，2-6月和11-12月综合指数均低于3，平均水质状况达到Ⅲ类水标准，其中4月和12月水质最佳；1月和7-10月综合指数均高于3，平均水质状况劣于Ⅲ类，其中10月水质最差，7月和9月次之。综合指数在年内的变化规律为：1-4月，综合指数逐渐下降，从3.1下降至2.6；4-10月综合指数呈波动上升趋势，10月升至年内最大值3.9，其中4月到6月微幅上升、7月陡增至3.5、8月有所回落、8月到10月大幅上升；10-12月综合指数陡降至年内最低值2.6(图3)。

图3 综合水质标识指数逐月变化Fig.3 The monthly change of comprehensive water quality identification index

单因子指数和综合指数分析结果表明：水质最差的7-10月主要污染因子为溶解氧、高锰酸盐指数、总磷，其中10月五日生化需氧量亦为主要污染因子；水质较差的1-2月主要污染因子为五日生化需氧量、高锰酸盐指数、总磷、化学需氧量；水质较好的3-6月主要污染因子为五日生化需氧量和总磷。

3.1.3 原因分析

从2017年各月降水量和引水量(图4)可以看出，1月到5月，月均引水量逐渐增加，5月上升至最大值，从105.1 m3/s上升至446.2 m3/s，5月到9月，月均引水量逐渐下降，9月下降至最低值为42.1 m3/s，9月到11月月均引水量上升至322.5 m3/s，11月到12月下降至192.8 m3/s。2017年降水主要集中在6-9月，各月降水量均大于100 mm，9月达到降水量最大值311 mm。结合月均引水流量和降水量，5月引水量最多，降水量较低，9月引水量最少，降水量最多。

图4 2017年各月降水量和引水量图Fig.4 The monthly precipitation and diversion water in 2017

1-5月，降水量较少，地表径流作用弱，污染物流失较少；区域外引水量逐渐增加，水体自净能力较强，对水中各项污染物质起到稀释作用；水质逐渐好转，水质类别由Ⅲ类变为Ⅱ类。6-9月，引水量下降至最低值，降水量上升至年内最大值，在降雨径流特别是强降水的作用下，大量面源污染物迁移进入受纳水体，水质恶化，水质类别由Ⅱ类变为Ⅲ类。10月降水量和引水量都处于年内低值，水体流动性差，自净能力弱，水质为年内最差，综合水质类别为Ⅳ类。10-12月，降水量处于年内低值，但引水量明显增加，河道水量增加，水体自净能力增强，水质好转，水质类别由Ⅳ类变为Ⅲ类。

因此，区域水质年内变化主要受丰水期降雨和逐月外引水源水量影响。汛期降水多，里下河腹部区地表、沟塘长期蓄积的污染物随雨水集中汇入骨干河道，引水工程为保证防洪安全而减少或停止引入长江水，导致汛期水质差[13]。非汛期1-2月，引水工程因长江潮位低引入区内水量少，受里下河地区密布的河网扩散影响，河道水体的流速和流量减小，加之持续排放的工业企业、水产养殖、城市和农村居民生活污染物不断累积，导致部分监测断面水质恶化。

3.2 水质空间分布特征

水质空间分布特征通过对各监测站点高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧、化学需氧量、五日生化需氧量、总磷6项指标的单因子水质标识指数和综合水质标识指数进行空间分析，总结空间变化规律，并结合里下河地区东引灌区引水路线分析变化原因。选取5月、9月和年均值3个典型时段的水质状况进行空间分布分析，5月为引水多降水少的代表月，9月为引水少降水多的代表月。

3.2.1 主要指标单因子水质标识指数空间分布特征

引水多降水少的5月，高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧和五日生化需氧量指标的单因子指数空间差异较大，各指数均呈现由西南向东南和东北渐增的趋势，化学需氧量和总磷指数的空间差异较小(图5)。高锰酸盐指数由西南部Ⅱ类逐渐向东南部和东北部增加至Ⅲ类；氨氮指数由西南部I类逐渐向东南增加至Ⅴ类、向东北增加至Ⅱ类；溶解氧指数由西南部Ⅰ类逐渐向东南和东北增加至Ⅳ类；五日生化需氧量指数由西南部II类逐渐向东南和东北增加至Ⅴ类。化学需氧量和总磷指数在区域内以Ⅱ类为主，在湖泊(大纵湖、蜈蚣湖、得胜湖、喜鹊湖)附近站点和茅山河、海沟河局部河段指数较高，部分达到Ⅳ类。

引水少降水多的9月，各指标的单因子指数均有显著的空间变化，但空间变化规律各异(图6)。高锰酸盐指数由南部Ⅲ类逐渐向北增加至Ⅴ类；氨氮指数在新通扬运河沿线由西部Ⅲ类逐渐向东增加至Ⅴ类，其他区域以Ⅱ类为主；溶解氧指数由南部Ⅲ类逐渐向北增加至Ⅴ类、向东北增加至劣Ⅴ类；化学需氧量指数以Ⅱ类为主，在兴化西部下官河、卤汀河部分河段和湖泊附近站点为Ⅳ或Ⅴ类；五日生化需氧量指数由西南部Ⅱ类逐渐向东南和东北增加至Ⅳ或Ⅴ类。总磷指数在区域内以Ⅲ类为主，在湖泊(大纵湖、蜈蚣湖、得胜湖、喜鹊湖)附近站点和新通扬运河、雌港、海沟河局部河段指数较高，部分达到Ⅴ类。

图5 5月单因子水质标识指数空间分布Fig.5 The spatial distribution of single factor water quality identification index in May

从年均值来看，各指标的空间差异较瞬时值小，但均呈现出一定规律(图7)。高锰酸盐指数、溶解氧指数和五日生化需氧量指数均呈现由南向北逐渐增大且在南部自西向东逐渐增大的趋势，高锰酸盐指数由Ⅱ类增加至Ⅲ类，溶解氧和五日生化需氧量指数由Ⅱ类增加至Ⅳ类；氨氮和化学需氧量指数均以Ⅱ类为主，在兴化西北部和南部新通扬运河沿线局部出现Ⅲ类、甚至Ⅳ类；总磷指数以Ⅲ类为主，在湖泊附近站点和新通扬运河东段、海沟河东段指数较高，部分达到Ⅴ类，在兴化西南部指数较低，为Ⅱ类。

图6 9月单因子水质标识指数空间分布Fig.6 The spatial distribution of single factor water quality identification index in September

图7 年均值单因子水质标识指数空间分布Fig.7 The spatial distribution of single factor water quality identification index of the annual mean

3.2.2 综合水质标识指数空间变化

5月，综合水质标识指数由西南部的2.01向东北部逐渐增加至3.5、向东沿新通扬运河逐渐增加至3.9(图8)。兴化北部兴盐界河、海沟河、车路河、雌雄港和东南部姜堰区水质为Ⅲ类，其余河道水质均为Ⅱ类。评价区域Ⅱ类水质断面占71.8%，Ⅲ类水质断面占28.2%，水质较好。

9月，综合水质标识指数由南部的2.45向北部逐渐增加至3.9，北部沿海沟河和雌港增加至4.8，南部沿新通扬运河向东逐渐增加至4(图8)。南部海陵区和姜堰区泰东河、新通扬运河西段和兴化北部车路河水质为Ⅱ类，兴化东北部雌雄港、海沟河和南部姜堰区新通扬运河东段水质为Ⅳ类，其余河道水质均为Ⅲ类。评价区域主要水体Ⅱ类水质断面占7.7%，Ⅲ类水质断面占76.9%，Ⅳ类水断面占15.4%。

从年均值来看，综合水质标识指数由西南部的2.5向西北部和东北部逐渐增加至3.5、向东沿新通扬运河逐渐增加至4(图8)。评价区域主要水体Ⅱ类水质断面占41.0%，Ⅲ类水质断面占56.4%，Ⅳ类水断面占2.6%。南部新通扬运河白米段水质为Ⅳ类，兴化北部河道及南部新通扬运河水质为Ⅲ类，其余河道水质为Ⅱ类。

图8 综合水质标识指数分布图Fig.8 The distribution map of comprehensive water quality identification index

3.2.3 原因分析

里下河地区东引灌区供水布局[14,15]的东线和中线经过泰州地区，大幅提升了泰州地区河网水位和水质(图9)。“东线”由泰东河、通榆河组成，从江都和高港水利枢纽经过新通扬运河和泰州引江河引长江水，后向东流入泰东河。“中线”由卤汀河、下官河接黄沙港组成，从江都和高港水利枢纽经过新通扬运河和泰州引江河引长江水，后向北流入卤汀河，到兴化分两路，一路沿上官河向北，一路沿下官河、黄沙港向北。

图9 里下河泰州地区主要引水路线图Fig.9 The main diversion route map of Taizhou in Lixiahe area

引水多降水少的月份和年均值的水质指数空间变化受到外引水源的影响显著，水质变化与引水路线有较强的相关性[16]，且引水多的月份其相关性更强。里下河腹部区从江都和高港水利枢纽引水质较好的长江水，西南部海陵区和姜堰区新通扬运河西段、九里沟、卤汀河、泰东河位于引水路线的上游，水质较好。“东线”沿泰东河向东，河网河道的污染物不断积蓄，各项指标的单因子水质标识指数较高，由西往东综合水质标识指数逐渐增加，水质逐渐变差。“中线”沿卤汀河、下官河、黄沙港一路向北，沿线污染物不断累积，各项污染源通过地表径流汇入河流和湖泊，以致各项指标的单因子水质标识指数较高，由南往北综合水质标识指数逐渐增加，水质逐渐变差。姜堰新通扬运河东段和兴化东北部雌港、海沟河受到引水的影响较小，水质较差。引水少降水多的月份，兴化北部地区水质较兴化南部地区、姜堰区和海陵区差，水质空间变化主要受到降水、地形和当地污染物积累的影响。

4 结 语

里下河腹部泰州地区水质呈现显著的年内变化，且水质年内变化主要受丰水期降雨和逐月外引水源水量影响。1-5月，随着外引水量逐渐增加水质逐渐好转，水质类别由Ⅲ类变为Ⅱ类；6-9月，引水量逐渐下降，降水量上升至年内最大值，大量面源污染物进入水体导致水体恶化，水质类别由Ⅱ类变为Ⅲ类；10月降水量和引水量都处于年内低值，水质为年内最差，综合水质类别为Ⅳ类；10-12月，降水量处于年内低值，但引水量明显增加，水质好转，水质类别由Ⅳ类变为Ⅲ类。水质最差的7-10月主要污染因子为溶解氧、高锰酸盐指数、总磷，其中10月五日生化需氧量亦为主要污染因子；水质较差的1-2月主要污染因子为五日生化需氧量、高锰酸盐指数、总磷、化学需氧量；水质较好的3-6月主要污染因子为五日生化需氧量和总磷。

里下河腹部泰州地区水质亦有显著的空间差异，外引水源水量大的月份水质指数空间变化与引水路线有较强的相关性，外引水源水量小的月份水质空间变化主要受到降水、地形和当地污染物积累的影响。引水量大的月份，兴化北部兴盐界河、海沟河、车路河、雌雄港和东南部姜堰区水质为Ⅲ类，其余河道水质均为Ⅱ类，西南部海陵区和姜堰区新通扬运河西段、九里沟、卤汀河、泰东河位于引水路线的上游，水质较好，水质由西南部向东北部和东南部逐渐变差。引水量少的月份，南部海陵区和姜堰区泰东河、新通扬运河西段和兴化北部车路河水质为Ⅱ类，兴化东北部雌雄港、海沟河和南部姜堰区新通扬运河东段水质为Ⅳ类，其余河道水质均为Ⅲ类，水质总体上呈现南优北劣的特征。

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