里下河腹部典型區水質時空變化特征及其原因分析

周佳楠，傅國圣，安 浩，蔣陳娟

(1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局，江蘇 泰州 225300；3.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，南京 210029)

隨著經濟的快速發展，工業化、城市化進程加快，工業廢水和生活污水的排放量不斷增大，水環境污染物含量增加、壓力增大，成為經濟社會可持續發展的主要阻礙[1]。里下河腹部區因地勢低洼、河網密布、河道交錯縱橫、水流互串、河道比降小、水流緩慢[2]，水污染問題較為突出，尤其是突發水污染事故常常發生，具有污染影響時間長、沿途影響區域多、涉及城鎮水廠用水、影響范圍難以確定等特點，對城鄉供水安全及區域水環境造成嚴重影響[3]。隨著經濟社會的發展，里下河腹部區水生態環境面臨化肥農藥與漁業養殖造成嚴重的面源污染、生產與生活污染日趨嚴重和濕地功能日益退化三大問題。

里下河地區的洪澇災害、水文事件等研究成果較多[4-7]，但關于本地區的水質時空變化特征及其原因分析研究相對較少。馬小雪[8]等綜合運用單因子污染指數法、綜合水質標識指數法、主成分分析法分析了里下河地區水體污染物的時空分異特征，結果表明: 汛期的綜合水質要差于非汛期的綜合水質；東北部的監測點水質劣于西南部的監測點水質，但是西南部的灌溉總渠沿線由于受洪澤湖的影響水質狀況最好。劉光清[9]等認為造成汛期水質差于非汛期水質主要原因是:里下河地區洼地、溝塘較多，污染嚴重，汛期內的暴雨會將平時存積在溝塘或者洼地中的污水一并沖進河中；一些不法企業乘機將污水在暴雨時直接排入河中。以上研究里下河腹部區的監測站點稀少，時間上籠統地分為汛期和非汛期，未進行水質年內變化規律分析，且沒有考慮外引水量對區域水質的影響，其結論有較大的局限性。因此，本文基于里下河腹部典型地區水質監測數據，應用單因子水質標識指數法、綜合水質標識指數法和GIS空間分析相結合的方法，研究區域水質年內變化特征和空間分布特征，識別區域內主要污染因子，并結合本地降水量、外引水量和引排水路線分析水質時空變化的原因。

1 研究區概況

江蘇省里下河地區介于東經 119°08′～120°56′，北緯 32°12′～34°10′之間，位于里運河以東，蘇北灌溉總渠以南，揚州至南通328國道及如泰運河以北，東至黃海，總面積 2.149 7 萬km2，其中通榆河以西為腹部地區。里下河腹部區屬于淮河流域，季風氣候明顯并且受海洋性氣候影響。區內圩網密布、河湖縱橫，四周高，中間低，呈碟型，平均地面真高2 m(廢黃河基面)，其中溱潼、興化、建湖素有里下河三大洼之稱，俗稱“鍋底洼”，屬典型的水網圩區，也是淮河下游的重點洼地。本文選取其中的溱潼、興化洼地(泰州境內)作為典型區，研究其水質時空變化特征。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文搜集了2017年里下河腹部區泰州境內21條河流的39個監測斷面的水質監測數據，監測斷面分布如圖1所示，數據來源于江蘇省水文水資源勘測局泰州分局。根據區域水環境特點，分析數據包括高錳酸鹽指數、氨氮、溶解氧、化學需氧量、五日生化需氧量、氟化物、硒、砷、揮發性酚、總磷10項指標。

圖1 里下河腹部典型區區域概況及監測斷面分布Fig.1 Regional survey and monitoring section distribution of Lixiahe abdominal area

2.2 研究方法

本文基于水質監測數據，將單因子水質標識指數法、綜合水質標識指數法和GIS空間分析方法相結合，分析水質時空分布特征。

(1)單因子水質標識指數法。單因子水質標識指數可以完整標識水質評價指標的類別、水質數據、功能區目標值等重要信息，既能按國家標準類別[10]定性評價，又能根據標識指數進行水質數據的分析；既可以比較分析同一類水質指標在同一級別中的差異，也可以在不同類別水質指標中比較分析水質的污染程度。單因子水質指數P由一位整數和一位小數組成(Pi=X1X2)，X1代表第i項水質指標的水質類別，X2代表監測數據在X1類水質變化區間中所處的位置，數值越大則水質越差，具體計算方法見參考文獻[11]。

3 研究結果與分析

3.1 水質年內變化特征

對研究區域內水質監測數據的高錳酸鹽指數、氨氮、溶解氧、化學需氧量、五日生化需氧量、氟化物、硒、砷、揮發性酚、總磷10項指標進行單因子水質標識指數進行計算，并選取重要指標進行綜合水質標識指數計算，分析水質年內變化特征。

3.1.1 單因子水質標識指數變化

從單因子水質標識指數(以下簡稱指數)各月均值可以看出，高錳酸鹽指數、總磷和五日生化需氧量和溶解氧的單因子指數較大，指數大于3的頻率超過50%，高于氨氮和化學需氧量指數(表1)。區域內河流水體的硒、砷、揮發性酚含量均較低，明顯低于Ⅲ類標準；但氟化物含量各月均高于Ⅲ類標準，地表水受到氟化物污染。

表1 單因子水質標識指數各月均值Tab.1 The monthly mean value of single factor water quality identification index

高錳酸鹽單因子指數除4-6月低于3以外，全年大部分時間均大于3，且有5個月大于3.5，9-10月達最高值3.8；總磷指數5、6、11、12月低于3，其他各月大于3，且有4個月大于3.5，10月達最高值3.9；五日生化需氧量指數1、5、6、11、12月低于3，2、3月大于3.5，2月達最高值4；氨氮指數1、3、10月大于3，但均小于3.5；化學需氧量指數1、2、7、10月大于3，除10月出現極大值4.2，其他各月均小于3.5。溶解氧指數年內變幅最大，10月達最大值4.6，2月為最低值1，5-11月指數均大于3，其中7-10月指數均大于3.5。

溶解氧指數的年內變幅最大，其次為高錳酸鹽指數、總磷、五日生化需氧量、化學需氧量和氨氮，而氟化物、硒、砷、揮發性酚的指數年內變幅較小。溶解氧指數1-2月下降，2-7月逐漸上升，7-10月先下降后回升，10-12月陡降。高錳酸鹽指數、氨氮、總磷的指數1-6月波動下降，6-10月波動上升，10-12月顯著下降。化學需氧量、五日生化需氧量的指數年內變化規律與前三者類似，但1-2月指數有明顯上升(見圖2)。

圖2 單因子水質標識指數逐月均值變化Fig.2 The monthly mean change of single factor water quality identification index

3.1.2 綜合水質標識指數變化

根據區域內逐月平均綜合水質標識指數(以下簡稱綜合指數)分析結果，2-6月和11-12月綜合指數均低于3，平均水質狀況達到Ⅲ類水標準，其中4月和12月水質最佳；1月和7-10月綜合指數均高于3，平均水質狀況劣于Ⅲ類，其中10月水質最差，7月和9月次之。綜合指數在年內的變化規律為：1-4月，綜合指數逐漸下降，從3.1下降至2.6；4-10月綜合指數呈波動上升趨勢，10月升至年內最大值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月綜合指數陡降至年內最低值2.6(圖3)。

圖3 綜合水質標識指數逐月變化Fig.3 The monthly change of comprehensive water quality identification index

單因子指數和綜合指數分析結果表明：水質最差的7-10月主要污染因子為溶解氧、高錳酸鹽指數、總磷，其中10月五日生化需氧量亦為主要污染因子；水質較差的1-2月主要污染因子為五日生化需氧量、高錳酸鹽指數、總磷、化學需氧量；水質較好的3-6月主要污染因子為五日生化需氧量和總磷。

3.1.3 原因分析

從2017年各月降水量和引水量(圖4)可以看出，1月到5月，月均引水量逐漸增加，5月上升至最大值，從105.1 m3/s上升至446.2 m3/s，5月到9月，月均引水量逐漸下降，9月下降至最低值為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月達到降水量最大值311 mm。結合月均引水流量和降水量，5月引水量最多，降水量較低，9月引水量最少，降水量最多。

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

1-5月，降水量較少，地表徑流作用弱，污染物流失較少；區域外引水量逐漸增加，水體自凈能力較強，對水中各項污染物質起到稀釋作用；水質逐漸好轉，水質類別由Ⅲ類變為Ⅱ類。6-9月，引水量下降至最低值，降水量上升至年內最大值，在降雨徑流特別是強降水的作用下，大量面源污染物遷移進入受納水體，水質惡化，水質類別由Ⅱ類變為Ⅲ類。10月降水量和引水量都處于年內低值，水體流動性差，自凈能力弱，水質為年內最差，綜合水質類別為Ⅳ類。10-12月，降水量處于年內低值，但引水量明顯增加，河道水量增加，水體自凈能力增強，水質好轉，水質類別由Ⅳ類變為Ⅲ類。

因此，區域水質年內變化主要受豐水期降雨和逐月外引水源水量影響。汛期降水多，里下河腹部區地表、溝塘長期蓄積的污染物隨雨水集中匯入骨干河道，引水工程為保證防洪安全而減少或停止引入長江水，導致汛期水質差[13]。非汛期1-2月，引水工程因長江潮位低引入區內水量少，受里下河地區密布的河網擴散影響，河道水體的流速和流量減小，加之持續排放的工業企業、水產養殖、城市和農村居民生活污染物不斷累積，導致部分監測斷面水質惡化。

3.2 水質空間分布特征

水質空間分布特征通過對各監測站點高錳酸鹽指數、氨氮、溶解氧、化學需氧量、五日生化需氧量、總磷6項指標的單因子水質標識指數和綜合水質標識指數進行空間分析，總結空間變化規律，并結合里下河地區東引灌區引水路線分析變化原因。選取5月、9月和年均值3個典型時段的水質狀況進行空間分布分析，5月為引水多降水少的代表月，9月為引水少降水多的代表月。

3.2.1 主要指標單因子水質標識指數空間分布特征

引水多降水少的5月，高錳酸鹽指數、氨氮、溶解氧和五日生化需氧量指標的單因子指數空間差異較大，各指數均呈現由西南向東南和東北漸增的趨勢，化學需氧量和總磷指數的空間差異較小(圖5)。高錳酸鹽指數由西南部Ⅱ類逐漸向東南部和東北部增加至Ⅲ類；氨氮指數由西南部I類逐漸向東南增加至Ⅴ類、向東北增加至Ⅱ類；溶解氧指數由西南部Ⅰ類逐漸向東南和東北增加至Ⅳ類；五日生化需氧量指數由西南部II類逐漸向東南和東北增加至Ⅴ類。化學需氧量和總磷指數在區域內以Ⅱ類為主，在湖泊(大縱湖、蜈蚣湖、得勝湖、喜鵲湖)附近站點和茅山河、海溝河局部河段指數較高，部分達到Ⅳ類。

引水少降水多的9月，各指標的單因子指數均有顯著的空間變化，但空間變化規律各異(圖6)。高錳酸鹽指數由南部Ⅲ類逐漸向北增加至Ⅴ類；氨氮指數在新通揚運河沿線由西部Ⅲ類逐漸向東增加至Ⅴ類，其他區域以Ⅱ類為主；溶解氧指數由南部Ⅲ類逐漸向北增加至Ⅴ類、向東北增加至劣Ⅴ類；化學需氧量指數以Ⅱ類為主，在興化西部下官河、鹵汀河部分河段和湖泊附近站點為Ⅳ或Ⅴ類；五日生化需氧量指數由西南部Ⅱ類逐漸向東南和東北增加至Ⅳ或Ⅴ類。總磷指數在區域內以Ⅲ類為主，在湖泊(大縱湖、蜈蚣湖、得勝湖、喜鵲湖)附近站點和新通揚運河、雌港、海溝河局部河段指數較高，部分達到Ⅴ類。

圖5 5月單因子水質標識指數空間分布Fig.5 The spatial distribution of single factor water quality identification index in May

從年均值來看，各指標的空間差異較瞬時值小，但均呈現出一定規律(圖7)。高錳酸鹽指數、溶解氧指數和五日生化需氧量指數均呈現由南向北逐漸增大且在南部自西向東逐漸增大的趨勢，高錳酸鹽指數由Ⅱ類增加至Ⅲ類，溶解氧和五日生化需氧量指數由Ⅱ類增加至Ⅳ類；氨氮和化學需氧量指數均以Ⅱ類為主，在興化西北部和南部新通揚運河沿線局部出現Ⅲ類、甚至Ⅳ類；總磷指數以Ⅲ類為主，在湖泊附近站點和新通揚運河東段、海溝河東段指數較高，部分達到Ⅴ類，在興化西南部指數較低，為Ⅱ類。

圖6 9月單因子水質標識指數空間分布Fig.6 The spatial distribution of single factor water quality identification index in September

圖7 年均值單因子水質標識指數空間分布Fig.7 The spatial distribution of single factor water quality identification index of the annual mean

3.2.2 綜合水質標識指數空間變化

5月，綜合水質標識指數由西南部的2.01向東北部逐漸增加至3.5、向東沿新通揚運河逐漸增加至3.9(圖8)。興化北部興鹽界河、海溝河、車路河、雌雄港和東南部姜堰區水質為Ⅲ類，其余河道水質均為Ⅱ類。評價區域Ⅱ類水質斷面占71.8%，Ⅲ類水質斷面占28.2%，水質較好。

9月，綜合水質標識指數由南部的2.45向北部逐漸增加至3.9，北部沿海溝河和雌港增加至4.8，南部沿新通揚運河向東逐漸增加至4(圖8)。南部海陵區和姜堰區泰東河、新通揚運河西段和興化北部車路河水質為Ⅱ類，興化東北部雌雄港、海溝河和南部姜堰區新通揚運河東段水質為Ⅳ類，其余河道水質均為Ⅲ類。評價區域主要水體Ⅱ類水質斷面占7.7%，Ⅲ類水質斷面占76.9%，Ⅳ類水斷面占15.4%。

從年均值來看，綜合水質標識指數由西南部的2.5向西北部和東北部逐漸增加至3.5、向東沿新通揚運河逐漸增加至4(圖8)。評價區域主要水體Ⅱ類水質斷面占41.0%，Ⅲ類水質斷面占56.4%，Ⅳ類水斷面占2.6%。南部新通揚運河白米段水質為Ⅳ類，興化北部河道及南部新通揚運河水質為Ⅲ類，其余河道水質為Ⅱ類。

圖8 綜合水質標識指數分布圖Fig.8 The distribution map of comprehensive water quality identification index

3.2.3 原因分析

里下河地區東引灌區供水布局[14,15]的東線和中線經過泰州地區，大幅提升了泰州地區河網水位和水質(圖9)。“東線”由泰東河、通榆河組成，從江都和高港水利樞紐經過新通揚運河和泰州引江河引長江水，后向東流入泰東河。“中線”由鹵汀河、下官河接黃沙港組成，從江都和高港水利樞紐經過新通揚運河和泰州引江河引長江水，后向北流入鹵汀河，到興化分兩路，一路沿上官河向北，一路沿下官河、黃沙港向北。

圖9 里下河泰州地區主要引水路線圖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質指數空間變化受到外引水源的影響顯著，水質變化與引水路線有較強的相關性[16]，且引水多的月份其相關性更強。里下河腹部區從江都和高港水利樞紐引水質較好的長江水，西南部海陵區和姜堰區新通揚運河西段、九里溝、鹵汀河、泰東河位于引水路線的上游，水質較好。“東線”沿泰東河向東，河網河道的污染物不斷積蓄，各項指標的單因子水質標識指數較高，由西往東綜合水質標識指數逐漸增加，水質逐漸變差。“中線”沿鹵汀河、下官河、黃沙港一路向北，沿線污染物不斷累積，各項污染源通過地表徑流匯入河流和湖泊，以致各項指標的單因子水質標識指數較高，由南往北綜合水質標識指數逐漸增加，水質逐漸變差。姜堰新通揚運河東段和興化東北部雌港、海溝河受到引水的影響較小，水質較差。引水少降水多的月份，興化北部地區水質較興化南部地區、姜堰區和海陵區差，水質空間變化主要受到降水、地形和當地污染物積累的影響。

4 結 語

里下河腹部泰州地區水質呈現顯著的年內變化，且水質年內變化主要受豐水期降雨和逐月外引水源水量影響。1-5月，隨著外引水量逐漸增加水質逐漸好轉，水質類別由Ⅲ類變為Ⅱ類；6-9月，引水量逐漸下降，降水量上升至年內最大值，大量面源污染物進入水體導致水體惡化，水質類別由Ⅱ類變為Ⅲ類；10月降水量和引水量都處于年內低值，水質為年內最差，綜合水質類別為Ⅳ類；10-12月，降水量處于年內低值，但引水量明顯增加，水質好轉，水質類別由Ⅳ類變為Ⅲ類。水質最差的7-10月主要污染因子為溶解氧、高錳酸鹽指數、總磷，其中10月五日生化需氧量亦為主要污染因子；水質較差的1-2月主要污染因子為五日生化需氧量、高錳酸鹽指數、總磷、化學需氧量；水質較好的3-6月主要污染因子為五日生化需氧量和總磷。

里下河腹部泰州地區水質亦有顯著的空間差異，外引水源水量大的月份水質指數空間變化與引水路線有較強的相關性，外引水源水量小的月份水質空間變化主要受到降水、地形和當地污染物積累的影響。引水量大的月份，興化北部興鹽界河、海溝河、車路河、雌雄港和東南部姜堰區水質為Ⅲ類，其余河道水質均為Ⅱ類，西南部海陵區和姜堰區新通揚運河西段、九里溝、鹵汀河、泰東河位于引水路線的上游，水質較好，水質由西南部向東北部和東南部逐漸變差。引水量少的月份，南部海陵區和姜堰區泰東河、新通揚運河西段和興化北部車路河水質為Ⅱ類，興化東北部雌雄港、海溝河和南部姜堰區新通揚運河東段水質為Ⅳ類，其余河道水質均為Ⅲ類，水質總體上呈現南優北劣的特征。

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