南四湖水質空間分布特征分析與改善效果評估

武周虎，張 可，金玲仁，楊連寬，張 建

(1.青島理工大學環境與市政工程學院，山東青島 266033;2.山東省環境保護廳流域環境管理處，山東濟南 250012;3.山東省環境監測中心站，山東濟南 250013;4.濟寧市環境保護監測站，山東濟寧 272045;5.山東大學環境科學與工程學院，山東 濟南 250100)

南水北調東線工程于2002年開工建設，計劃2013年正式通水。南四湖是南水北調東線工程重要的輸水通道和調蓄湖泊，要求到2012年底水質穩定達到GB3838—2002《地表水環境質量標準》中的Ⅲ類標準。近年來南四湖的水質改善狀況備受關注[1-5]。為考量南四湖實施“治、用、保”流域治污體系的效果，以及進行南四湖水質改善狀況評估和重大水環境問題診斷研究，山東省環境保護廳分別于2006年11月、2007年4月、2010年11月和2011年5月組織開展了4次南四湖水質空間分布監測工作[6]。從時間上看，2006年和2010年為汛后監測，2007年和2011年為汛前監測，因此，前2次監測的平均值可代表2006—2007年枯水期(對應東線工程實施后的調水期，下同)的水質狀況，后2次監測的平均值可代表2010—2011年枯水期的水質狀況。

國內外對湖泊水環境質量現狀調查與評價的研究成果較多:周豐等[7]基于多元統計方法進行了河流水質空間分析，識別采樣點的空間相似性與差異性，為水質監測網絡優化提供支持;劉碩等[8]對幾種環境質量綜合指數評價方法進行探討，提出宜采用最大值法和算術平均法相結合的方法來對全國環境質量進行評價;范瑜[9]給出了平均綜合污染指數在地面水污染分級中的應用研究，對地面水污染程度進行分級;鄧建才等[10]分析了南四湖水體氮、磷、Chl-a含量及空間分布特征，給出南四湖水體中葉綠素濃度的分布呈現出較大的差異;Kemka等[11]給出了城區湖泊富營養化研究成果，得出人類活動是城區湖泊富營養化的主因;武周虎等[12]根據前2次南四湖水質空間分布監測數據，采用平均綜合污染指數法篩選出29個重污染測點，分析了南四湖污染物的主要來源。隨著南四湖流域扎實推進污染綜合整治和通水時間的臨近，南四湖水質空間分布狀況和水環境問題發生了較大變化，針對南四湖地形情況復雜的特點和受關注的水環境瓶頸問題，選用Surfer 8.0軟件和平均綜合污染指數法進行南四湖水質空間分布特征分析與污染控制效果評估，對南水北調東線南四湖輸水水質安全保障綜合控制方案的修訂和治污工程實施具有重要的現實意義。

筆者根據2006—2007年(2次平均，下同)和2010—2011年兩個枯水期的水質狀況，采用Surfer 8.0軟件繪制南四湖水質空間分布等值線圖，進行南四湖及分湖區水質指標的綜合比較分析和平均綜合污染指數的計算，開展南四湖水質空間分布特征分析、污染控制效果評估與水環境問題的變化研究。

1 南四湖概況、采樣點布設及監測指標

南四湖是南陽湖、獨山湖、昭陽湖和微山湖4個由西北向東南相連而成的湖泊的總稱，流域面積31700 km2，東、西、北三面承接蘇、魯、豫、皖4省32個縣(市、區)53條河流的來水。南四湖湖內總面積1266 km2，南北狹長126 km，東西寬5～25 km，岸線總長311 km。為提高蓄洪、抗旱、供水、航運和養殖等綜合效益，1960年在南四湖湖腰修建了7.36 km長的二級閘壩水利樞紐工程，將其分成上級湖和下級湖。二級閘壩以北為上級湖，湖內面積606 km2，二級閘壩以南為下級湖，湖內面積660 km2。南四湖正常蓄水位相應的總庫容為20.36億m3，其中上級湖的庫容為9.24億m3(水位34.2 m)，下級湖的庫容為11.12億m3(水位33.0 m)。南四湖上級湖承納27500 km2的來水，占總來水面積的86.8% ，而庫容僅占南四湖總庫容的45.4%。根據南四湖湖區萬分之一地形圖(2001年CAD版)分析，南四湖湖盆淺平，北高南低，平均水深約2.0 m，天然情況是上級湖泄水入下級湖再入中運河，而南水北調輸水是由下級湖南端進入、經二級壩泵站、由上級湖北端入梁濟運河。南四湖湖內開闊水域面積為781.45 km2，僅占湖內總面積的61.7%，其余包括池塘、網圍和網箱等水產養殖區，總面積達到27 525 km2(約90%為網圍和池塘)、農田15400 km2、陸生植被5530 km2。湖內臺田中化肥和農藥施用、水產養殖、航運和分散居民生活污水排放等造成的面源污染，對湖泊水質造成直接影響。

南四湖水質空間分布監測采用網格布點法在上級湖和下級湖均勻布設監測點位，每個網格南北長約為3.32 km，東西寬約為 3.03 km，面積約為 10 km2，同時在主航道和湖區邊界增設采樣點。南四湖水質空間分布監測采樣點位及分區參見文獻[12]。

根據南四湖的歷史監測資料分析，該水體的污染特征主要是結構性污染，主要超標因子為COD、TP、TN等[5]，且南四湖已處于不同程度的富營養狀態。因此，在南四湖水質空間分布監測中，確定主要監測項目為水溫、水深、pH、COD、NH3-N、TP、TN、CODMn(2010年和2011年增加)、透明度、電導率和Chl-a。以2011年為例，共完成90個湖區點位和35個入湖河口及3個出湖河口點位的監測，共報出有效數據2017個，其中現場監測數據705個，實驗室監測數據1312個。利用河口數據另文分析污染物外源輸入的主要通道。

2 水質空間分布特征分析

2.1 水質指標分布特征

根據2006—2007年和2010—2011年兩個枯水期南四湖90個點的水質監測數據，采用Surfer 8.0軟件分別繪制COD、NH3-N、TP、TN和CODMn的空間分布等值線于圖1～5。圖1～5中經緯度坐標采用十進制，各水質監測指標按GB3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅲ類(含Ⅰ類和Ⅱ類)、Ⅳ類、Ⅴ類和超Ⅴ類水對應的數值區間依次填充為不同灰度，各水質指標的單位均為mg/L。

圖1 枯水期COD空間分布

由圖1可見，2006—2007年枯水期南四湖COD分布不存在Ⅲ類(達標)水，超Ⅴ類水主要分布在小北湖、南陽湖、獨山湖西側以及微山湖島北2個測點，Ⅳ類水測點零星分布，其余湖區幾乎全為Ⅴ類水;2010—2011年枯水期南四湖COD分布在微山湖島南、昭陽湖二級壩上下游局部出現了Ⅲ類水，超Ⅴ類水僅在南陽湖北端的老運河和洸府河入湖河口外混合區出現了1個測點，在該點周圍出現了小范圍的Ⅴ類水，其余湖區全為Ⅳ類水。由此可見，4年來南四湖COD得到大幅度的改善，COD整體提高了1～2個水質類別。

圖2 枯水期NH3-N空間分布

由圖2可見，2006—2007年枯水期南四湖NH3-N分布只有在南陽湖北端的老運河和洸府河入湖河口外混合區以及微山湖島北新薛河和薛城小沙河入湖河口外混合區為超Ⅴ類水，在其周圍出現了小范圍的Ⅴ類和Ⅳ類水，其余湖區全達到Ⅲ類水的標準;到2010—2011年枯水期南四湖NH3-N分布全部達到Ⅲ類水的標準。

圖3 枯水期TP空間分布

由圖3可見，2006—2007年枯水期南四湖TP在微山湖島南大部分湖區、微山湖島北西側和昭陽湖零星分布有Ⅲ類水，南陽湖北段為超Ⅴ類水，南陽湖南段和獨山湖西側為Ⅴ類水，其余中段湖區全為Ⅳ類水，南四湖TP分布北高南低的非均一性相當明顯;2010—2011年枯水期南四湖TP分布Ⅲ類水湖區大大縮減，只有在微山湖島南端有少許分布，超Ⅴ類水湖區也大為縮減，只分布在南陽湖北端和微山湖島北新薛河入湖河口外混合區，在其周圍和泗河口外湖段出現了小范圍的Ⅴ類水，其余湖區全達到Ⅳ類水。南四湖TP分布變化的特點是達標湖區和重污染湖區都縮減了，南四湖TP分布北高南低趨于均一化，最大濃度降低明顯，平均濃度也有所降低。這一現象與2010—2011年枯水期在南四湖南端出湖河流的下泄水量增加有關。

由圖4可見，2006—2007年枯水期南四湖TN在南陽湖和微山湖島北、島南的東側主航道均出現超Ⅴ類水的重污染范圍，在其周圍和獨山湖西側出現了小范圍的Ⅴ類水，只有在微山湖西南角出現了小范圍的Ⅲ類水;2010—2011年枯水期南四湖TN水質大為改善，除南陽湖北端的老運河和洸府河入湖河口外混合區出現超Ⅴ類和Ⅴ類水外，南陽湖大部、昭陽湖中段二級壩上下游和薛城小沙河入湖河口外混合區為Ⅳ類水，其余超過南四湖60%的湖區達到Ⅲ類水。由此可見，4年來南四湖TN得到大幅度的改善，TN整體提高了1～2個水質類別。

圖4 枯水期TN空間分布

圖5 2010—2011年枯水期CODMn空間分布

2006—2007年枯水期CODMn未監測，由圖5可見，2010—2011年枯水期南四湖CODMn在南陽湖、獨山湖和昭陽湖西北局部為Ⅳ類水，昭陽湖和微山湖大部達到Ⅲ類水的標準，微山湖島北零星存在Ⅳ類水，不存在Ⅴ類和超Ⅴ類水的湖區。南四湖CODMn整體質量較好，但北部水質明顯差于南部水體水質。

2.2 水質達標與重污染范圍分析

表1給出了2006—2007年和2010—2011年兩個枯水期南四湖水質及水深監測結果的統計與比較。由表1可見，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖 COD、NH3-N、TP、TN的下降率在22.9% ～51.1%之間，下降率最大的是TN，最小的是TP，南四湖各水質指標的平均濃度下降率為38.3%，說明4年來南四湖的水質得到大幅度的改善。南四湖水體的透明度下降、電導率上升，2010—2011年枯水期山東發生了較為罕見的跨越秋季、冬季和春季3個季節的持續干旱，天然徑流水量相對較小，湖內中水比例增加，南四湖流域的24個污水資源化與截蓄導用工程發揮了重要作用，才未造成南四湖干涸，且水質仍處于好轉狀況。

南四湖水質空間分布 COD、NH3-N、TP、TN和CODMn達到Ⅲ類范圍和超Ⅴ類(重污染，下同)范圍所占比例變化比較及位置說明分別列于表2和表3。

由表2可見，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖COD、NH3-N和TN達到Ⅲ類的比例得到明顯增加，但TP的達標區縮減了一半，原因可能與2010—2011年枯水期干旱少雨、天然徑流水量相對較小、湖內中水比例增加以及4年來南四湖底泥中TP含量普遍上升有關。各水質指標達到Ⅲ類范圍的比例平均增大了35.9%，各水質指標達到Ⅲ類范圍的比例平均達到55.1%，即超過一半的湖區達到Ⅲ類水標準。監測結果表明，南四湖底泥中TP平均質量比由0.68g/kg增加到1.25 g/kg，平均升高了83.5%，而洸府河口底泥采樣點上升幅度最大，其底泥中TP質量比從1.29 g/kg增加到3.71 g/kg，最大升高了187.6%。因此，南四湖入湖河流排入TP和底泥磷富集與釋放是南四湖TP的主要來源。

由表3可見，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖COD、NH3-N、TP和TN超Ⅴ類的比例得到明顯下降，各水質指標超Ⅴ類范圍的比例平均縮減了92.0%，各水質指標超Ⅴ類范圍的比例平均下降到僅占1.3%，說明南四湖重污染湖區和主要污染物得到比較有效的控制。

3 污染控制效果評估

3.1 總體污染控制效果評估

為更全面的評估4年來南四湖水質的改善效果，選用平均綜合污染指數法[12]進行分析。

表1 南四湖水質及水深監測結果統計與比較

表2 南四湖各水質指標達到Ⅲ類比例比較及位置說明

表3 南四湖各水質指標超Ⅴ類比例比較及位置說明

i指標j個測點的單項污染指數

第j個測點的平均綜合污染指數

全湖i指標的單項污染分擔率

式中:i=1，2，…，5，依次表示主要水質指標 COD、NH3-N、TP、TN、CODMn;j為南四湖采樣點編號(j=1，2，3，…，m);ρij為第 j個測點 i水質指標的實測值;ρsi為i水質指標的評價標準限值(按Ⅲ類標準依次為20mg/L、1.0mg/L、0.05mg/L、1mg/L、6mg/L，下同)，n為參與評價的水質指標數。

根據平均綜合污染指數的大小可將水體分為達標、基本達標、污染和重污染4類，其對應關系參見表4，表4還給出了2006—2007年和2010—2011年枯水期南四湖按平均綜合污染指數的評價結果。圖6給出了兩個枯水期4項主要污染物分擔率的比較結果。

表4 南四湖按平均綜合污染指數的評價結果

由表4可見，南四湖2010—2011年比2006—2007年枯水期污染和重污染湖區的比例大幅度減小，特別是重污染湖區下降到2.2%，達標和基本達標湖區的比例大幅度提高，達標和基本達標湖區的比例達到63.3%。按平均綜合污染指數逆排序篩選的重污染湖區(2個測點)均位于南陽湖北端的老運河和洸府河入湖河口外混合區。2010—2011年枯水期南四湖水質平均綜合污染指數1.03，比2006—2007年枯水期該指數1.66下降了38.1%。

由圖6可見，南四湖2010—2011年比2006—2007年枯水期TN的分擔率明顯下降，COD和NH3-N的分擔率略有下降，而TP的分擔率明顯上升，TP占到4項主要污染物的41.2%，說明南四湖主要污染物控制不平衡，TN的控制效果相對較好，而TP的控制效果最差。2010—2011年枯水期南四湖主要污染物按分擔率排序由大到小依次為TP、COD、TN、CODMn、NH3-N，南四湖的 ρ(TN)/ρ(TP)由2006—2007年枯水期的18.5下降到2010—2011年枯水期的 11.7。

圖6 兩個枯水期4項主要污染物分擔率比較

3.2 分湖區污染控制效果評估

圖7為2006—2007年和2010—2011年兩個枯水期南四湖分區計算的平均綜合污染指數比較。

圖7 南四湖分區平均綜合污染指數比較

由圖7可見，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖7個分湖區的水質平均綜合污染指數全部處于下降狀態，下降率在3.1% ～57.1%之間，其中南四湖的主要納污湖區—南陽湖和薛城小沙河控制單元的影響湖區—微山湖島北的下降率均達到50%以上，反映南四湖主要入湖河流的污染物負荷得到有效控制。在南四湖7個分湖區中，2010—2011年枯水期小北湖和南陽湖的水質最差，微山湖島南的水質相對較好，總體呈現沿流向由北向南水質逐漸變好的走勢，但在微山湖島北仍出現小的峰值湖區。這與南四湖入湖河流污染物輸入、地形與水文特征、水力輸移與污染物擴散特征、水體富營養化特征以及受污染程度一致。

2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖7個分湖區水質COD的下降率在34.1% ～55.5%之間，體現了全湖COD整體大幅度降低的趨勢;在南陽湖和微山湖島北NH3-N的下降率分別為61.9%和80.4%，其他5個湖區的 NH3-N略有上升，主要是2010—2011年枯水期在采樣期間湖水溫較低、硝化作用較弱所致，但南四湖所有湖區的NH3-N均可達到Ⅲ類水標準;TN的下降率在14.3% ～72.0%之間，其中南陽湖和微山湖島北的下降率均達到65%以上，說明南四湖流域工業和城市生活排水的氮素得到有效控制，特別是微山湖島北經新薛河入湖的魯南化肥廠排水得到有效的治理;在南陽湖和獨山湖TP的下降率分別為55.0%和13.2%，其他5個湖區的TP均有所上升，上升率在16.4% ～49.3%之間，其中微山湖島北和微山湖島南的上升率在43.0%以上。一方面是排入南陽湖的主要磷污染河流洸府河等的污染物得到一定控制，另一方面是南四湖入湖河流總體的磷污染物控制相對較低，在南四湖7個分湖區中TP總體呈現與平均綜合污染指數相同的變化趨勢。

2010—2011年枯水期南四湖流域干旱少雨，天然徑流水量相對較小，湖內中水比例增加，對水質的影響可以通過南四湖水質平均綜合污染指數與電導率的關系分析。電導率指標常用于推測水中離子的總濃度或含鹽量，其值越大則反映南四湖水體中來自流域的工業和城市生活排放的中水量所占比例越高。圖8中分別給出2006—2007年和2010—2011年兩個枯水期南四湖水質平均綜合污染指數與電導率的關系。

圖8 南四湖水質平均綜合污染指數與電導率的關系

由圖8可見，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖水質平均綜合污染指數與電導率的相關性更好，南四湖各湖區電導率總體平均上升了279 μS/cm，說明南四湖內中水比例提高，南四湖水質平均綜合污染指數與電導率存在很好的相關性，因此南四湖水污染物仍然以外源排放為主。值得注意的是2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖的中水比例提高了，而平均綜合污染指數下降了0.63，水質仍然得到大幅度的改善，說明南四湖流域的河流入湖污染負荷大大降低，在南四湖流域GDP每年以兩位數增長和天然徑流水量相對下降的前提下，仍然實現了水質的持續改善。

4 結論

a.南四湖水質空間分布特征與對比分析結果表明，南四湖 COD、NH3-N、TP、TN 和 CODMn的空間分布具有北高南低的非均一性特點。2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖各水質指標的平均濃度下降率為38.3%，整體提高了1～2個水質類別。

b.按平均綜合污染指數的評價結果，2010—2011年比2006—2007年枯水期南四湖污染和重污染湖區的比例大幅度減小，特別是重污染湖區下降到2.2%，達標和基本達標湖區的比例達到63.3%。2010—2011年枯水期南四湖主要污染物按分擔率由大到小排序依次為 TP、COD、TN、CODMn、NH3-N。

c.按平均綜合污染指數的評價結果，在南四湖7個分湖區中，2010—2011年枯水期小北湖和南陽湖的水質最差，微山湖島南的水質相對較好，總體呈現沿流向由北向南水質逐漸變好的走勢，但在微山湖島北仍出現小的峰值湖區。

d.在南四湖同一次監測中，水質平均綜合污染指數與電導率存在很好的相關性和北高南低的污染特點，說明南四湖水污染物仍然以外源排放為主。

致謝:南四湖水質空間分布監測工作由山東省環境保護廳組織，得到美商生化科技公司的技術支持，監測計劃由青島理工大學和山東大學共同編制，山東省環境監測中心站、濟寧市環境保護監測站負責實施，在此一并表示感謝!

[1]劉洪林，邢文潔，王素芬，等.南水北調東線輸水干線南四湖水環境質量研究[J].水文，2003，23(4):49-51.

[2]陳磊，裴海燕，解軍.改善南四湖水質的關鍵問題分析[J].中國給水排水，2007，23(20):6-10.

[3]梁春玲，張祖陸，牛玉生.南四湖水安全評價研究[J].安徽農業科學，2009，37(7):3178-3181，3307.

[4]孫秀敏，王琳，甘泓，等.中水濕地去氮效果研究[J].水資源保護，2010，26(2):10-12.

[5]武周虎，慕金波，謝剛，等.南四湖及入出湖河流水環境質量變化趨勢分析[J].環境科學研究，2010，23(9):1167-1173.

[6]WU Zhou-hu，ZHANG Jian，ZHU Jie，et al.A monitoring project planning technique of the water quality spatial distribution in Nansi Lake[J].Procedia Environmental Sciences，2011，10:2320-2328.

[7]周豐，郭懷成，黃凱，等.基于多元統計方法的河流水質空間分析[J].水科學進展，2007，18(4):544-551.

[8]劉碩，朱建平，蔣火華.對幾種環境質量綜合指數評價方法的探討[J].中國環境監測，1999，15(5):33-37.

[9]范瑜.平均綜合污染指數在地面水污染分級中的應用[D].上海:中國科學院上海冶金研究所(今中國科學院上海微系統與信息技術研究所)，2000.

[10]鄧建才，劉恩峰，胡維平，等.南四湖水體氮磷及葉綠素空間分布特征[J].灌溉排水學報，2010，29(4):119-122.

[11]KEMKA N，NJINé T，ZéBAZé TOGOUET S H，et al.Eutrophication of lakes in urbanized areas:the case of Yaounde Municipal Lake in Cameroon，Central Africa[J].Lakes ＆ Reservoirs:Research and Management，2006(11):47-55.

[12]武周虎，張建，路成剛，等.南四湖水質空間分布監測分析與水環境問題解析[J].長江流域資源與環境，2011，20(增刊1):137-143.