南四湖支流东鱼河水质时空分布特征与水质评价

李紫薇，杨丽原* ，刘友春，曹利军

(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 250022)

引 言

近年来，我国湖泊水质问题愈加严重，由水质恶化引起的环境问题已经成为困扰我国经济发展的主要问题之一。在湖泊水质污染的过程中，绝大部分面源污染物主要是通过支流进入湖泊，因此支流水质的污染状况与湖泊水质密切相关。控制支流污染物对于治理湖泊水质至关重要，而分析水质时空分布特征和进行水质评价是提出相应措施和改善水环境质量的前提。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南四湖位于山东省西南部，由南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖组成，二级坝将其分为上下级湖，上级湖注入河流共29条，入湖污染物主要汇集在此[3]。东鱼河是南四湖主要的入湖河流之一，占南四湖汛期入湖水量的15.2%，是南四湖流域上级湖地区洪水的主要来水量。东鱼河河长175 km，流域面积5923 km2，最大流量950～2450 m3/s。作为山东省西南部最大的人工河流，东鱼河西起菏泽东明县刘楼村, 向东流经曹县、定陶、成武、单县等县市及济宁市属金乡县, 于鱼台县城东部的西姚入昭阳湖[2]。东鱼河流域属于温带季风大陆性气候，四季分明，流域内自然条件较为恶劣, 生态环境相对脆弱。

1.2 样品采集

图1 研究区采样点分布示意图

1.3 评价方法

本文采用单因子指数评价法[4]和内梅罗指数法[5]对东鱼河水体进行水质评价。其中，单因子指数评价法的计算公式为:

Pi=Ci/Si

(1)

P=MAX(Pi)

(2)

式中，Ci为水质指标i的实测浓度；Si为水质指标i的评价标准值;Pi为单因子指数评价结果，Pi≤1 表示水体未污染；Pi>1表示水体受到污染，具体数值直接反映污染物超标程度。最终以最差的水质类别作为水质综合评价的结果。

内梅罗指数法的计算公式为:

(3)

(Ci/Lij)加权平均=∑Wi×(Ci/Lij)

(4)

式中，i为水质参数；j为水质用途数；P为j用途下i水质指标的污染指数；Ci为第i个水质指标的监测浓度，mg/L；Lij为j用途下i水质指标的最大容许浓度值，mg/L；Wi为i水质指标的权重值。

当Ci/Lij>1时，Ci/Lij=1+P`lg(Ci/Lij)，P`为常数，采用5.0；当Ci/Lij≤1时，用Ci/Lij的实际值。根据地表水环境水质标准将各水质指标由大到小排序，并取它们的平均值Save并除以Si得到第i种水质指标的相关权重Ri，计算公式如下：

Ri=Save/Si

(5)

令∑Wi=1，则有Wt=∑Wi×Ri/∑Ri

(6)

内梅罗指数等级划分标准如表1所示。

表1 内梅罗指数等级划分标准

东鱼河具有东明农业用水区、成武工业用水区和济宁渔业用水区，这3个功能区分别以路菜园和廉店为界，水质目标分别为Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅲ类。其中，D1和D2属于东明农业用水区，D3和D4属于成武工业用水区，D5和D6属于济宁渔业用水区。故D1、D2、D5和D6为Ⅲ类水质标准，D3和D4为Ⅳ类水质标准。所有数据均采用SPSS 18.0、Excel 2010、Origin 2017和ArcMap 10.3软件进行统计分析。评价标准执行《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)。

2 结果与分析

2.1 研究区水体理化性质参数统计

表2 上覆水基本理化性质参数统计

表3 各指标相关性分析

2.2 主要污染指标的空间分布特征

东鱼河水体中绝大部分重金属浓度均达到I类水质标准，为探究超标污染物沿程变化和空间分布特征，本文仅将CODMn、TN、TP和F-这四类主要污染物在各取样点中的数值用折线图表示，并在图中将各污染物的Ⅲ类水质标准的浓度上限标出。从图2可以看出，CODMn和TP的变化趋势相似，均是从D1开始呈下降趋势，经D3后逐渐上升，D5为极大值点，D6再次下降。TN的变化趋势较为复杂，其中最高点D3的浓度(7.83 mg/L)是最低点D4浓度(1.3 mg/L)的8倍，其余各点的数据均在4～7 mg/L之间。F-的变化趋势呈逐步上升状态，D1(0.47 mg/L)是最低点，D6(1.82 mg/L)是最高点，两个最值之间相差3.87 倍，可能与F-的富集效应有关。

图2 主要污染指标的空间变化特征

为探求人类活动对主要污染指标的影响，本文将各点指标数据与对应县区GDP、城镇化率、农用地占比和工业总产值进行相关性分析，结果如表4所示。在0.01级别下，F-—农用地占比呈显著正相关，F-—城镇化率呈显著负相关，说明F-污染可能与农业生产相关[8]。另外，鲁西南高氟区范围包括菏泽市全区与济宁市的部分地区[9]。菏泽市地下水氟浓度1.2～8.0 mg/L，济宁市地下水氟浓度1.04～16.40 mg/L[10]，F-浓度偏高也可能与流域所在地为高氟区相关。F-—常住人口呈显著负相关，说明水体中F-的迁移去向可能与人体相关。F-会借助于环境介质、相互转化传递于人类生活环境，最终由空气、水体和膳食累积于人体[8]。菏泽市和济宁市地氟病区受害人口均在50万以上，长期饮用高氟水是地方性氟中毒的主要原因[10]。GDP—CODMn呈显著正相关，说明流域内经济发展水平与水环境质量之间的关系正处于相互制约，相互影响阶段，二者尚未形成协调发展[11]。工业总产值未呈现相关性，东鱼河大部分河段以农业为主，距离工矿区较远[12]，成武县等区域虽然被划分为工业用水区，但工业对东鱼河水质的影响较小。农用地占比与TP无显著相关性，说明自南水北调工程启动后，山东省对农业用水的管控和治理在控制磷排放方面取得成效。TN未呈现相关性，说明东鱼河TN的主要污染来源并非农作物。由于东鱼河属于平原河流，挺水植物较为发达，故TN的污染来源可能是水体中水生植物及其残体[13]。

表4 各县区生产状况与主要污染指标的相关性分析

2.3 主要污染指标的时间分布特征

选取CODMn、TN和TP这三类主要污染元素为评价指标，以Ⅲ类水为目标水质，对2008—2017年[14,15]东鱼河入湖河口处上覆水监测数据进行水质评价，数据缺失的年份均采用插值法进行补缺。水质评价结果如图3所示，其中图3(a)为单因子指数评价法评价结果，图3(b)为内梅罗指数法评价结果。

由图3(a)可以看出，CODMn指数变化较为复杂，2009年为最大值1.705；2011年以后呈逐年下降趋势，直到2015年达到最小值0.552；2016年再次上升至1.08，2017年又下降至0.958。TP指数仅2016年增至4.15，其余各年均保持在0.4～1.35之间。TN指数在2008—2013年波动较大，其中2010年达到最小值2.22，2013年达到最大值4.56，之后持续降低，污染状况出现好转。从三项指标的达标率来看，TP(60%)>CODMn(40%)>TN(0%)，TN是东鱼河首要污染因子，故将其作为水质综合评价结果。

由于单因子指数和内梅罗指数的目标水质指数均为1，因此将单因子指数评价法综合评价结果与内梅罗指数直接进行对比，结果如图3(b)所示。东鱼河2008—2017年均未达到目标水质。内梅罗指数以3.00为分界线，分为2008—2012年和2013—2017年两部分。2008—2012年东鱼河内梅罗指数在2.00～3.00之间，水质处于污染等级。其中2010年为2.12，接近轻污染；2011年为2.92，接近重污染。2013—2017年东鱼河内梅罗指数均大于3.00。其中，2017年为3.03，接近污染等级；2016年为4.12，水质状况接近严重污染。对比两条指数曲线可知，2008—2013年两种评价方法的变化趋势大致相同。2014—2016年单因子指数评价法呈下降趋势，水质逐渐出现好转；内梅罗指数则呈上升趋势，水质状况逐渐严重。可推断，2014—2016年首要污染因子TN的污染治理具有显著成效，而CODMn和TP污染加重。

图3 水质评价结果

东鱼河属于平原河流，水流速度慢，坡度低，积累效应明显。水体富营养化不但会污染水质，还会影响水体中的生态环境，导致藻类爆发[16]，成为TN的主要污染来源。2013年东鱼河流域全年平均温度17 ℃，比往年高出1～2 ℃，温度的上升造成藻类爆发，导致2013年TN指数为研究年份最大值[17]。2013年以后，政府对东鱼河展开河道清淤措施，对河底的水生植物进行打捞，TN污染状况明显好转。另外，东鱼河属于典型季节性河流，河流自净能力较弱且边坡比较小，水质受降雨量的影响较大。2016年山东省出现汛情，包括东鱼河流域在内的菏泽、济宁等地均出现降雨量骤增现象，导致地表特别是农田地区受暴雨径流、灌溉、河流冲刷等作用产生土壤流失。由于农药化肥的施用及牲畜饲养、谷堆和作坊污水的作用,农田流失的土壤携带有大量含磷化合物及有机物[18]在水中形成富集，是该年CODMn和TP指数上升的主要原因。水土流失造成水中悬浮物增加，导致水体的透明度明显降低，对水生生物生长环境造成威胁。水生生物残骸在经过微生物的分解后，又会进一步成为有机物污染来源[19]。因此，2016年TP指数达到峰值，CODMn指数上升，内梅罗指数接近严重污染。2017年东鱼河流域降雨量虽与往年持平，但由于政府在汛期到来之前提前做好防洪排涝的准备，为强降雨做足防御措施，减缓了水土流失现象，且控制磷排放等治水措施受到政府的广泛重视，因此该年TP和CODMn的指数显著降低，内梅罗指数直线下降，污染状况明显好转。

3 结论

(2)从空间分布特征来看，CODMn和TP的变化趋势相似，均在D3达到最小值，D5为最大值。TN最高点D3的浓度是最低点D4浓度的8倍，其余各点的数据均在4～7 mg/L之间。F-的变化趋势呈上升状态，D1和D6之间相差3.87倍。CODMn和TP受农业面源污染影响较大；TN的主要污染来源为水生动植物及其残体；F-的主要污染来源为农业生产及高氟区的影响。

(3)从时间分布特征来看，CODMn单因子指数在2009年达到最大值，2015年达到最小值；TP指数基本处于0.4～1.35之间，仅2016年达到为4.15，受降雨量影响较大。TN指数2010年达到最小值，2013年达到最大值，受温度影响较大。内梅罗指数在2016年达到峰值，2017年显著降低，主要原因是政府在汛期前做好防洪除涝的准备，有效减缓了河道水土流失现象。2013年以来，东鱼河水体TN污染状况逐年好转，但CODMn和TP的污染问题依然反复。由于东鱼河积累效应明显且受温度和降雨量的影响较大，因此完善农业生产所需的排污措施，及时对东鱼河水体内的水生动植物进行打捞，并在汛期前做好防洪除涝的措施，是改善东鱼河水质的关键。