泗河水質變化與影響因素分析

齊家蕙， 楊麗原， 張 游， 江丹丹 ， 趙婷婷

(1. 濟南大學 水利與環境學院， 山東 濟南 250022； 2. 水發規劃設計有限公司， 山東 濟南 250100；3. 山東省湖泊流域管理信息化工程技術研發中心， 山東 濟南 250100)

隨著社會、 經濟發展， 人類生產活動頻繁， 工農業活動密集和城鎮生活污水排放激增， 導致流域環境中的營養物質迅速積累， 流域內營養負荷增加[1-2]。 大量氮、 磷營養元素輸入河流， 使浮游植物生產力提高[3]， 水體含氧量下降， 導致水體富營養化和河口水質退化[4-5]， 因此， 流域水體的健康狀況與水質變化趨勢引起了社會越來越廣泛的關注。

泗河是南水北調東線工程最大調蓄湖南四湖的主要入湖河流之一[6]，流域內城鎮眾多，工業發達，曾有大量工業廢水和生活污水以點源形式排放到河內[7]。同時，河流兩岸的土地利用類型主要為耕地，流域內畜禽養殖量較大，面源污染也十分嚴重[8-9]。經過多年廢水排放監管和流域綜合治污，泗河水體有機質及氮、磷營養鹽的含量發生了較大變化。此前大量的研究大多關注泗河流域重金屬污染情況[10-11]，或是泗河某幾年水質變化情況[12-13]，對連續多年水質變化趨勢和污染物時空分布分析較少，因此，針對泗河流域近40 a的社會發展，研究其多年水質變化影響因素及污染物時空分布規律是十分必要的。

本文中選取高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)和總氮(TN)4個水質指標，對1980—2019年泗河流域水質年際變化進行比較，討論水質變化趨勢；采用綜合水質標識指數法、水質綜合污染指數法及內梅羅指數法，對泗河水質進行綜合評價；對泗河流域污染來源、時空分布及年內變化進行分析，同時探討流域管理措施對泗河水質變化的影響，以期為該流域水資源綜合管理及水環境改善提供依據。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域概況

泗河發源于山東省新泰市東南太平頂山西麓上峪村東黑峪山，于濟寧市新閘南泄入南四湖。河流長度為169 km，流域面積為2 383.6 km2，多年平均流量為12.2 m3/s。

根據泗河流域地理環境特征及污染源空間分布特征， 2017年自泗河上游至下游在干流布設5個采樣點， 見圖1。 所有樣點采用全球定位系統(GPS)定位。

1—5為采樣點編號。

1.2 數據來源

為了研究泗河水質的時間變化規律，對來自水文局水文監測站數據、泗水縣紅旗閘地表水監測數據[14]及其他文獻資料數據[12-13,15]進行篩選和整理，統計1980—2019年間各指標的平均含量。1980—2019年泗河水質年際變化監測指標包括CODMn、 NH3-N、 TP和TN， 2017年泗河紅旗閘監測斷面年內水質變化監測指標包括重鉻酸鹽指數(CODCr)和NH3-N。河流水質評價標準閾值見表1。

表1 河流水質評價標準閾值

2 研究方法

2.1 綜合水質標識指數法

綜合水質標識指數法以單因子水質標識指數為基礎，由整數位和三位或四位小數位組成，可以反映綜合水質級別I[16]，計算公式為

(1)

式中：X1為河流總體的綜合水質類別；X2為綜合水質在X1類水質變化區間內所處位置；X3為參與綜合水質評價的水質指標中，劣于水環境功能區目標的單項指標個數；X4為綜合水質類別與水體功能區類別的比較結果。

2.2 水質綜合污染指數法

水質綜合污染指數法是基于水環境功能區的評價方法[17]，計算公式為

(2)

式中：Pi為第i項指標的單項污染指數；Ci為污染物實測濃度；Si為相應類別標準限值；Pc為水質綜合污染指數，n為評價指標個數。

2.3 內梅羅指數法

內梅羅指數法是一種計權型多因子環境質量評價法，突出污染指數最大的污染物對環境質量的影響和作用，反映水體被污染程度[18]。計算公式為

(3)

3 結果與分析

3.1 泗河近40 a水質變化分析

1980—2019年泗河年際水質變化趨勢如圖2所示，其中TN、TP濃度年均值部分數據缺失，選擇較為連續的數據進行年際水質趨勢評價。CODMn質量濃度年均值呈現先增大后減小的趨勢，其中最小值出現在1981年(0.7 mg/L)，之后逐步增大并具有一定的波動性，2001年達到最大(512.6 mg/L)， 之后又波動下降， 2019年的數值為4.14 mg/L。 NH3-N的質量濃度則呈現3個明顯的峰值： 1995年的為6.56 mg/L， 1997年的為11.4 mg/L， 2000年的為9.56 mg/L，1997年的略大于1995、 2000年的。

泗河水體CODMn和NH3-N含量主要受工農業廢水和生活污水影響。1995—2004年CODMn和NH3-N的濃度年平均值較大，原因主要是泗河流域內城鎮眾多，隨著社會、經濟發展，大量未經處理的生活污水、農用廢水及沿岸企業污水未達標排放[19]。2004年之后，CODMn和NH3-N濃度平均值年際變化較小，CODMn濃度呈小幅度下降趨勢，與國家水利部“十一五”規劃提出的水污染防治工作順利開展有很大關系。

TP濃度總體表現出下降趨勢：峰值出現在2005—2006年，質量濃度年平均最大值出現在2005年(0.56 mg/L)，之后快速下降，2008年以后濃度略有回升。至2019年，泗河TP質量濃度年均值為0.26 mg/L， 較2005年的峰值下降了53.57%。TN質量濃度的變化趨勢與TP較為相似，總體呈下降趨勢，但有2個明顯的峰值：2010年的為5.43 mg/L，2014年的為5.09 mg/L。TN質量濃度年平均最大值出現在2010年，自2014年開始快速下降，2019年濃度降至1.93 mg/L，下降率為64.46%。

河流中磷的含量主要受2種因素影響，即農業生產活動中的磷酸鹽礦物肥料和污水排放[20-21]。泗河流域土地使用以農業為主，耕地比例占流域面積的64.11%[22]。TP濃度在2000—2007年間較大，與當時農藥化肥大量使用有關[22]。TN的濃度年平均值在2009—2011年較大，原因是農藥的過量使用造成土壤板結，土壤肥力下降，土壤中過剩的氮、磷營養元素隨降水、灌溉進入河流[23]，導致泗河水體受到污染。自2008年以來，TN和TP濃度年平均值總體均呈現下降趨勢，與泗河及其主要支流實施截污導流和污水資源化，有效削減入河排污量有關[22]。

3.2 泗河綜合水質評價

3.2.1 單因子水質標識指數法

根據1980—2019年泗河年際水質變化趨勢，選擇9個具有代表性的年份進行評價，單因子水質標識指數變化過程如圖3所示。40 a來，CODMn的單因子水質標識指數變化幅度最大，NH3-N的變化幅度較大，而TN和TP的變化幅度相對較小，說明泗河水質主要受流域中CODMn濃度影響，NH3-N次之，TN和TP的影響較小。1984—2000年CODMn、 NH3-N和TP的單因子水質標識指數均呈現增大趨勢，這可能與自然因素有關。泗河流域在1982—2003年處于枯水期[24]，持續干旱導致河流流量減小，僅為5～6 m3/s，納污能力和自然凈化能力均較弱。1995—2004年CODMn、 NH3-N和TP的單因子水質標識指數較大，與農藥化肥大量使用，排入河中的工業廢水未達到排放標準有關。泗河兩岸分布多家污染企業，污水排放量大，而當時水污染處理廠配套設施不完善，處理污水能力有限，不能充分發揮除污效能。此外，生活污水無序排放以及向河道內傾倒生活垃圾也會導致水體氮、磷營養鹽含量上升[25]。2004—2019年各指標的單因子水質標識指數變化幅度均較小，總體呈現下降趨勢，說明泗河流域水體污染得到控制，水質有所改善。

CODMn—高錳酸鹽指數；NH3-N—氨氮；TN—總氮；TP—總磷。

3.2.2 內梅羅指數評價

內梅羅指數評價結果見表2。由表中數據可知，1980、 1984年泗河水體內梅羅指數均小于0.7，污染等級為Ⅰ級，說明泗河流域水質良好，處于無污染狀態。此后內梅羅指數迅速增大，至2000年達到54.24，污染等級為Ⅴ級，水質明顯惡化，呈重度污染程度。2000—2019年內梅羅指數逐漸減小，由54.24減小至1.58， 污染等級由Ⅴ級下降至Ⅲ級，河流水質呈輕度污染狀態，泗河流域水質得到明顯改善。

表2 內梅羅指數評價結果

3.2.3 綜合水質類別判定

泗河水質變化及綜合水質類別判定結果見表3。由表中數據可知，泗河流域水體綜合水質標識指數和水質綜合污染指數均呈現先增大后減小的變化

表3 泗河水質變化及綜合水質類別判定

趨勢，說明近年來水體健康狀態表現為逐漸優化的演變趨勢。2個指數在1995—2004年數值較大，并且在2000年出現最大值，表明水體功能已受到嚴重危害，水質污染現象嚴重。2009年之后泗河水質明顯改善，原因是全流域不斷推進“治用保”策略和泗河綜合開發規劃建設。至2019年，泗河流域綜合水質標識指數達到4.221，屬于Ⅳ類水，水質改善效果明顯，泗河流域綜合管理取得一定成效，但水質綜合污染指數評價仍為污染狀態。在參與評價的指標中，有2個指標劣于水環境功能區標準，分別為TN和TP。其原因可能是泗河流域耕地面積大，城鎮眾多，生活污水，化肥、農藥殘留，工業廢水和畜禽養殖業用水未達標排放，或未經處理直接隨降雨、灌溉進入河流，造成泗河水體污染[13,26]。

3.3 水質指標空間分布特征

圖4所示為2017年泗河流域各采樣點監測指標含量的空間分布。各樣點CODMn質量濃度為3.37～5.01 mg/L， 平均值為4.304 mg/L；TN質量濃度為2.83～4.58 mg/L，平均值為3.60 mg/L； TP質量濃度為0.04～0.11 mg/L，平均值為0.074 mg/L。 從各樣點來看， 2號樣點CODMn、 TN和TP含量均最大。

CODMn—高錳酸鹽指數；TN—總氮；TP—總磷。

由圖可以看出，各樣點水體CODMn、TN和TP含量存在差異，CODMn質量濃度由大到小的變化趨勢為2號樣點(5.01 mg/L)、3號樣點(5.01 mg/L)、1號樣點(4.60 mg/L)、4號樣點(3.53 mg/L)、5號樣點(3.37 mg/L)；TN質量濃度由大到小的變化趨勢為2號樣點(4.58 mg/L)、5號樣點(3.39 mg/L)、3號樣點(2.83 mg/L)；TP質量濃度由大到小的變化趨勢為2號樣點(0.11 mg/L)、5號樣點(0.09 mg/L)、3號樣點(0.07 mg/L)、1號樣點(0.06 mg/L)、4號樣點(0.04 mg/L)。

此外，泗河水體中CODMn和氮、磷營養鹽含量在空間分布上差異較小。2號樣點CODMn和氮、磷營養鹽的含量略大于其他4個樣點的，這是由該區域工農業發達，較多的工農業廢水、生活污水排入泗河所致。3項指標含量均較大也可能與支流小沂河的匯入增加了污染物有關。5號樣點氮、磷營養鹽含量僅次于2號樣點的，但CODMn含量最小，原因是該區域為農耕用地，化肥、農藥大量使用，且支流柘溝河、蘆城河接收了周圍區域的農業廢水匯入，導致水體TN和TP含量增大[27]。

3.4NH3-N、CODCr年內變化特征

圖5所示為2017年泗河水體NH3-N和CODCr含量的年內變化。 可以看出， 泗河水體NH3-N質量濃度的年內變化幅度不大， 只在5月較小， 為0.223 mg/L。 NH3-N含量季節變化平穩， 春季水體中NH3-N質量濃度為0.704 mg/L，略小于其他3個季節的。

(a)逐月變化(b)季節變化圖5 2017年泗河水體氨氮(NH3-N)、 重鉻酸鹽指數(CODCr)含量年內變化

與NH3-N含量的季節變化趨勢不同，泗河CODCr含量隨著季節變化存在明顯差異。春季CODCr質量濃度最大(23.333 mg/L)，夏季(20.667 mg/L)和秋季(18.333 mg/L)逐漸減小。 CODCr含量大主要是受到農業面源污染、工業廢水及居民生活污水釋放的有機污染物影響。夏季和秋季CODCr含量持續減小，可能與河長制不斷落實推進以及泗河綜合開發規劃建設長期開展有關。

3.5 泗河流域綜合管理分析

由泗河流域綜合水質評價分析可見，近40 a泗河水質指標濃度總體呈先上升后下降的趨勢，自2000年以來水質整體呈現變好趨勢。泗河源頭來水主要為泉林泉群和石縫泉群的地下水涌水補給，水質良好，一般可達到地表水質量Ⅱ類標準[22]。隨著社會、經濟發展，泗河流域上游各類工業發展迅速，排污量逐年加大。河水流至泗河泗水大閘斷面后，由于泗水城區工業廢水及生活污水的排入，水質逐漸變差。在承接曲阜、兗州的工業、農業廢水后，水質下降劇烈[22]。2010年以來，為了治理環境污染、改善泗河水質，確保南水北調東線水質和水量優化控制，采取布置沿河污水截污納管體系，逐步改善河道水質的措施。 在泗河綜合開發中， 嚴格管理污染源，改善泗河入湖口段水質[28]。自實施“治用保”策略、 南水北調東線通水、泗河綜合開發規劃建設及河長制以來，泗河流域生態環境得到治理，水質明顯改善。

圖6所示為南四湖年際水質變化趨勢。由圖可知：1980—2019年南四湖CODMn和NH3-N質量濃度年均值整體呈先增大、后減小趨勢，2000—2019年TP和TN質量濃度年均值呈減小趨勢。2000—2005年南四湖各指標濃度較大，這與泗河各指標的濃度變化趨勢相似。2019年國家頒布實施南四湖、東平湖流域水污染綜合排放標準，以此為依據進行工業治污，推進全流域、全過程、全覆蓋的深度治污體系，泗河水質達到Ⅳ類標準。泗河于濟寧市新閘南泄入南四湖，南四湖水質在一定程度上得到改善，泗河流域綜合管理措施具有一定成效。

4 結論

1980—2019年，泗河流域水體CODMn、 NH3-N、TN和TP的濃度年平均值總體呈先增大后減小的趨勢。CODMn和NH3-N濃度年均值在1995—2004年數值較大，TN和TP的濃度年均值在2010年以前數值較大，變化趨勢相對平緩。

從綜合水質評價結果來看，泗河綜合水質標識指數由1.600增大至15.926、再減小至4.221，水質綜合污染指數由0.10增大至27.40、再減小至1.13，內梅羅指數由0.12增大至54.24、再減小至1.58。從污染物空間分布情況來看，泗河水體中CODMn和氮、磷營養鹽含量在空間分布上差異較小。

2019年泗河水體達到地表水Ⅳ類標準，水質得到一定改善。南四湖近40 a來水質改善效果明顯，泗河流域綜合管理措施具有一定成效。

致謝：感謝論文完成過程中濟南大學李財、馬欣、張敏同學給予的寶貴建議！