基于多元統計分析的洪澤湖水質評價及時空特征分析

夏文文， 姜瑞雪， 王勁齡

（1.江蘇省環境監測中心， 江蘇 南京 210019； 2.中科三清科技有限公司， 北京 100029；3.江蘇省南京環境監測中心， 江蘇 南京 210019）

0 引言

洪澤湖是我國第四大淡水湖及江蘇省第二大淡水湖，是南水北調東線工程重要調蓄湖泊，也是江蘇省蘇北地區的重要水源。 在灌溉、養殖、防洪、航運、旅游等多方面發揮著重要作用， 具有重要的生態區位價值與資源優勢。洪澤湖生態環境的改善，對促進流域社會經濟的可持續發展具有重要作用。 但由于入湖河流水質較差、 周邊工農業污染及生活污水排放等，加之洪澤湖自身水位低、自凈能力弱，湖體水質狀況不容樂觀，水體富營養化問題偶有發生[1]。

有研究表明， 洪澤湖的水質狀況受人類活動影響隨時間逐漸發生轉變。 2000年以前，洪澤湖水質為Ⅳ類， 同時存在營養型污染和有機化學污染[2]。2007年～2012年湖體水質趨好， 富營養化風險降低，但有機物污染依然嚴重[3]。 2012年～2018年湖體水質整體為Ⅳ類， 局部為Ⅴ類水， 主要污染物為TN，TP 和COD，N,P 含量略有降低[4-5]。 近年來，國家與地方大力推進水環境綜合治理工作， 洪澤湖綜合保護和水質提升工作有序開展， 持續關注洪澤湖水質情況及時空特征對進一步保護和提升洪澤湖水質具有重要意義。

基于2016年～2020年的洪澤湖水質監測數據， 通過采用內梅羅指數法評價湖體水質狀況以及利用方差分析和系統聚類分析等方法分析水質時空特征及主要污染因子， 為洪澤湖的水環境保護和管理提供科學參考。

1 研究方法

1.1 研究區域概況

洪澤湖（33°06'～33°40'N，118°10'～118°52'E）位于江蘇西北部、淮河中游，南北長65 km，東西寬24.6 km，水域面積為2 069 km2。湖盆呈淺碟形，岸坡平緩，湖底高程為9.81 ～10.81 m，多年平均水位為12.37 m，故洪澤湖屬于淺水湖泊。

洪澤湖是淮河最大的過水性湖泊， 承泄淮河中上游15.8×104km2的來水[1]。 直接入洪澤湖的河流包括淮河、懷洪新河、新汴河、新濉河、徐洪河等，淮河入湖水量約占70%[6]；主要泄洪道包括三河（入江水道）、蘇北灌溉總渠及淮沭新河等。受河流出入湖水量大小的影響， 洪澤湖湖流總體呈現自西向東、自北向南流動特點，河口區流速較快[7]。 近年來，受入湖河流污染輸入等影響， 洪澤湖處于輕度富營養化狀態。

洪澤湖氣候四季分明，年平均氣溫為14.8 ℃，多年平均降水量為925.5 mm， 降雨主要集中在6月～9月，其降水量占全年的65.5%。 每年6月～8月為豐水期，入湖水量最大；10月為平水期，12月為枯水期。

1.2 水質監測方法

2016年～2020年期間，在洪澤湖湖區設置6 個湖區監測點， 每月進行1 次水質監測。 監測指標包括： 水溫、pH 值、 溶解氧 （DO）、 高錳酸鹽指數（CODMn）、 化學需氧量 （COD）、 五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總 磷（TP）、總 氮（TN）、銅（Cu）、鋅（Zn）、氟 化 物（F-）、硒（Se）、砷（As）、汞（Hg）、鎘（Cd）、六價鉻（Cr6+）、鉛（Pb）、氰化物（CN）、揮發酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物。研究區域及監測點分布示意見圖1。

圖1 研究區域及監測點分布示意

在現場利用YSI 6600 多參數水質分析儀測定水溫和DO，其余指標在實驗室測定。 按照HJ 91—2002《地表水和污水采樣技術規范》進行采樣，采用《水和廢水監測分析方法（第四版）》進行分析。

1.3 研究方法

1.3.1 內梅羅指數法

內梅羅指數法是美國敘拉古大學內梅羅（N.L.Nemerow）提出的一種水污染指數。 該方法突出了污染最嚴重的指標， 也兼顧了其他指標對總體水質情況的貢獻， 是目前國內外最常用的水質綜合評價法之一。 內梅羅指數（P）計算公式如下：

式中：Fi為監測點污染物i 的單因子污染指數；Ci為監測點水質指標i 的監測濃度；Si為監測點水質指標i 的標準濃度值，取GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的Ⅲ類標準限值；max Fi為監測點各項單因子指數的最大值；為單因子指數的平均值；n為參與評級的水質指標的個數。

由于DO 濃度與水質污染程度成反比， 將其監測值和標準值轉換為倒數形式進行計算。 P ≤1 表示水體清潔；1 ＜P ≤2 表示水體輕度污染；2 ＜P ≤3 表示水體中度污染，3 ＜P ≤4 表示水體重度污染；P ＞5 表示水體嚴重污染。

1.3.2 方差分析法

方差分析（Analysis of variance,ANOVA）是一系列統計模型及其相關的過程總稱， 用于比較2 個及2 個以上樣本均值之間的變異， 常用于確定不同樣本之間是否存在差異。根據控制變量的個數不同，方差分析分為單因素方差分析和多因素方差分析。 本研究通過分別控制監測點和時間進行檢驗， 屬于單因素方差分析。

1.3.3 系統聚類法

聚類分析（Cluster analysis,CA）是根據分類對象的相似程度將分類對象分為多個類的一種數理統計方法。 系統聚類法 （Hierarchical Cluster Analysis,HCA）是聚類分析方法的一種，又稱層次聚類法，是根據變量或樣品之間的親疏程度， 通過一系列相繼的合并或相繼的分割將性質最接近的對象逐步聚合，直至聚為一類。

為分析洪澤湖水質的時空特征， 采用Ward 方法進行系統聚類，采用SPSS 26 軟件進行方差分析和聚類分析，采用Origin 2018 對統計結果進行作圖。

2 結果與討論

2.1 內梅羅指數評價結果

根據2016年～2020年洪澤湖月度水質監測數據，計算各監測點的內梅羅指數，計算結果及污染狀況見表1。

表1 洪澤湖水質監測點內梅羅指數及污染狀況

由表1 可見，洪澤湖湖體的內梅羅指數為1.6±0.6，12.4%水質屬于清潔，64.1%水質屬于輕度污染，20.9%水質屬于中度污染，2.5%水質屬于重度污染。6 個監測點的內梅羅指數總體上相差不大， 較為穩定。老山鄉內梅羅指數最小值、最大值和平均值均高于其他監測點，所有時間的水質均為污染狀態，水質最差； 龍集鎮北內梅羅指數最大值和平均值均低于其他監測點，水質清潔比例為23.7%，水質最好。

洪澤湖內梅羅指數月際變化區間見圖2。由圖2可見，7月和8月洪澤湖湖體的內梅羅指數明顯高于其他月份，說明這2 個月的水質最差，其次為10月。

圖2 洪澤湖內梅羅指數月際變化區間

2.2 時空方差分析

為探究水質指標的時空差異性， 對不同監測點之間、 不同月份之間的部分指標監測值進行單因素方差分析，分析結果見表2。

表2 洪澤湖湖區部分指標的方差分析結果

由表2 可見， 在空間上，TN，COD，CODMn，BOD5存在顯著性差異；在不同月份間，TP，TN，CODMn，DO和NH3-N 均存在顯著性差異，說明各項超標指標在時間和空間尺度上均存在一定的差異性。

2.3 時空聚類分析

為分析洪澤湖水質的時空特征， 對6 個監測點水質進行時間尺度聚類和空間尺度聚類分析， 具體見圖3。

圖3 洪澤湖湖區水質時間尺度和空間尺度聚類分析

時間尺度的聚類分析將12 個月采樣時間分為3 個時段，T1 時段為1月～6月，T2 時段為7月、8月和10月，T3 時段為9月、11月和12月。根據聚類結果將水質指標監測值和內梅羅指數分組繪制箱線圖，洪澤湖水質指標時空變化見圖4。 由圖4 可見，T2 時段的部分指標與T1 和T3 時段有較明顯的差異， 其水溫較高，DO 含量低，CODMn，BOD5，NH3-N，TP 濃度偏高， 水質污染程度從高到低依次為T2>T3>T1。 空間尺度的聚類分析將6 個監測點分為2組，G1 組包括高良澗鎮、 蔣壩鎮和老山鄉，G2 組包括成河鄉中、臨淮鄉和龍集鎮北。 G1 組位于淮河入湖口到三河閘、二河閘的行洪通道，是洪澤湖的過水區，水面開闊、流速快；直接承接淮河入湖河水，受淮河水質影響較為顯著；航運繁忙，風浪大，水體渾濁，水生植物少，不利于自凈[8-9]。G2 組位于成子湖、溧河洼和湖心區，吞吐流弱，換水周期較長，水動力條件相對較弱，更易暴發藍藻水華；分布有水產養殖業，生活污水排放和農業生產過程都會造成局部地區水體的污染[10]。 G1 組的CODMn，COD，BOD5，NH3-N 濃度明顯低于G2 組，TP 濃度則是略低于G2 組，而TN 濃度則高于G2 組，G1 組和G2 組的內梅羅指數差異并不顯著。

圖4 洪澤湖水質指標時空變化

2.4 主要污染因子分析

根據GB 3838—2002 中Ⅲ類水質標準限值，2016年～2020年洪澤湖6 個水質監測點中TP，TN，COD，CODMn，BOD5，DO，NH3-N 共7 個指標出現超標現象，洪澤湖水質指標監測值及超標情況見表3。TP 和TN 平均質量濃度分別為0.099 和1.52 mg/L，超標情況最為嚴重，超標率分別為79.3%，77.6%，平均超標倍數分別為1.26 和0.74 倍， 說明TP 和TN是洪澤湖最主要的污染物。 此外也存在一定的有機物污染。

表3 洪澤湖水質指標監測值及超標情況

近年來， 洪澤湖水環境治理對控制N,P 成效顯著， 但N,P 含量超標始終是洪澤湖水質狀況最主要的制約因素[2,5,11]。 污染物質來源包括外源和內源，外源包括入湖河道徑流輸入、周邊農業、工業和生活污染等，內源包括底泥污染物的釋放、死亡生物體的分解等[11]。

洪澤湖作為過水性水庫型湖泊， 其水質受上游來水影響顯著， 入湖河流與洪澤湖水質有顯著相關性[9]。洪澤湖及入湖河流所有水質指標單因子污染指數的平均值見圖5。由圖5 可見，入湖河流除Cu，Se，Pb 和石油類以外的所有指標值均高于洪澤湖，其中入湖河流與湖體之間TN 和TP 的單因子污染指數差異最為顯著。從來源上看，洪澤湖南部蔣壩鎮監測點的N,P 主要源自淮河，北部龍集鎮北監測點的N,P 主要源自徐洪河、肖河、五河和馬化河[12]。 淮河為洪澤湖主要的入流來源， 來水對湖體N,P 含量存在顯著影響，過水區對淮河水質的響應尤為強烈[5,13]。

圖5 洪澤湖及出、入湖河流各項水質指標單因子污染指數

入湖河流水質受城鎮生活污水直排、畜禽養殖、工業點源污染、農業面源污染等影響。 新汴河、新濉河、懷洪新河等西部河流是上游來水的主要通道，污染物主要為上游工業廢水。 老濉河為泗洪縣的主要納污河流，污染物主要為工業和生活污水。徐洪河主要接納的是農業面源污染，汛期湖水中N，P 含量高[6]。故控制入湖河流水質對于提升洪澤湖水質具有積極作用[13]。

2000年后，逐漸將洪澤湖流域旱地轉變為水田和建設用地， 湖區西北和西南部圍網圍圩養殖面積擴大， 農業面源污染加重， 使得湖區中N,P 濃度上升、富營養化程度加劇[14]。

從內源上看， 洪澤湖西部沉積物中N,P 含量高于土壤[15]，入湖河流沉積物內源磷負荷加劇主要受農業面源污染影響[16]，內源沉積物中N,P 的分布也與外源輸入緊密相關。由于湖泊流速很低，常年的外源輸入使得大量污染物進入湖泊后即沉降至湖底，沉積物受擾動后易發生再懸浮釋放進入水體。 調水工程一定程度上改變了湖體及出入湖河流的水文及水動力條件，進而影響湖體中N,P 的分布，且向湖體輸入N,P 等營養鹽， 可能導致水體在旱季發生富營養化[12,17]。此外，航運、采砂等人類活動也對湖體水質產生負面影響[18]

2.5 對策建議

（1）外源防控上，應從污染源頭進行控制。 對于工業和城鎮生活污水等點源污染， 應強化污水集中收集和處理，完善污染治理設施，提高污水處理率、提升污水處理水平，嚴格監管污水達標排放。對于農業面源污染，應優化土地利用空間配置，調整農業生產結構和生產方式，集中規模化農業生產，加大種植業和養殖業新技術的推廣應用。推廣保護性耕作，開展節水灌溉工程，測土配方施肥結合有機肥料使用，減量施用化肥農藥[19]。 控制養殖場規模，收集、清運養殖場垃圾進行無害化處理。同時采取生態溝渠、植物緩沖帶等工程措施攔截污染物。

（2）內源治理上，應因地制宜削減湖體污染負荷。 對圍網養殖區進行綜合整治， 發展水產清潔養殖，修復養殖池塘環境和圍網退養區生態。在有機物含量高、易厭氧區域開展底泥清淤和藍藻打撈工作，在部分水域深挖溝槽，捕獲顆粒態營養鹽。在湖灣區和濱岸帶構建湖濱濕地生態系統， 分區域種植水生植物，投放魚苗和底棲動物，構建健康水生態系統[20]。布設生態浮島和曝氣增氧裝置， 增強對湖體污染物的分解凈化[21]。 優化水利工程調度，監管采砂活動，規范航運活動，避免污染物向湖中隨意傾倒。

此外，還應加強流域生態監測和研究，完善監測網建設，加大污染監測與治理力度，提升湖體水質應急監測能力，研發水質和藍藻水華預測預警系統，指導洪澤湖水環境監管治理工作。

3 結論

基于2016年～2020年洪澤湖水質監測數據，對近年來洪澤湖水質及時空特征進行了評價分析，結論如下：

（1）2016年～2020年洪澤湖湖體12.4%水質屬于清潔，64.1%水質屬于輕度污染，20.9%水質屬于中度污染，2.5%水質屬于重度污染。 空間上，龍集鎮北水質最好，老山鄉水質最差；時間上，7月、8月和10月水質最差。

（2）7 個超標指標在時間和空間上均具有一定的變異性；聚類分析將監測月份分為3 組，水質污染程度為：T2 ＞T3 ＞T1，T2 時 段DO含量低，CODMn，BOD5，NH3-N，TP 濃度偏高； 監測點被分為2 組，分別對應過水區和水動力條件較差的區域， 過水區的CODMn，COD，BOD5，NH3-N，TP 含量較低，TN 含量較高，二者水質污染原因存在差異。

（3）TP 和TN 是洪澤湖湖體最主要的污染因子，超標率分別為79.3%，77.6%， 平均分別超出Ⅲ類水質標準1.26 和0.74 倍。 同時，洪澤湖湖體也存在一定程度的有機物污染，COD 和CODMn超標率分別為12.7%和4.2%。

洪澤湖具有重要的生態功能和資源價值， 但其水質長期處于輕度污染狀態。 為防止洪澤湖環境惡化，進一步提升湖泊生態環境，應因地、因時制定管理策略，重點防控N,P 污染。根據湖體不同分區污染原因采取針對性措施，在常年水質污染程度較高的月份，增加水質監測及巡查頻次，關注水質實時變化。 未來應持續對洪澤湖水質進行監測與分析，并結合流域水文監測及污染排放調查進一步解析污染源，助力洪澤湖水環境管理，保障洪澤湖水生態安全。