山東南四湖上級(jí)湖水質(zhì)變化評(píng)價(jià)(2008-2014年)及成因分析*

解文靜，王　松，婁山崇，曹升樂，孫秀玲，王月敏，林　潔

(1：山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061)(2：山東省水文局，濟(jì)南 250002)

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山東南四湖上級(jí)湖水質(zhì)變化評(píng)價(jià)(2008-2014年)及成因分析*

解文靜1，王松2，婁山崇2，曹升樂1，孫秀玲1，王月敏1，林潔1

(1：山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061)(2：山東省水文局，濟(jì)南 250002)

基于南四湖上級(jí)湖6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)2008-2014年42個(gè)奇數(shù)月份的水質(zhì)資料，選取溶解氧、化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮、總磷和氟化物作為水質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo). 對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的歸一化方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用主成分分析法對(duì)6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)綜合狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)得出的各月綜合得分序列分析水質(zhì)變化趨勢. 與2000-2007年南四湖上級(jí)湖的水質(zhì)綜合狀況進(jìn)行比較， 2008-2014年水質(zhì)明顯變好. 評(píng)價(jià)結(jié)果表明，同一監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)在不同時(shí)間點(diǎn)上有明顯變化，同一時(shí)間序列不同監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)狀況也有不同變化. 此外，分析得出南四湖上級(jí)湖的主要水質(zhì)影響指標(biāo)為COD、CODMn和BOD5. 結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果，分析水質(zhì)變化原因，入湖河流水質(zhì)狀況和湖區(qū)底泥是其重要影響因素.

主成分分析法；歸一化；南四湖上級(jí)湖；水質(zhì)時(shí)間序列；水質(zhì)評(píng)價(jià)

湖泊水質(zhì)主要受外源污染和內(nèi)源污染的雙重影響，入湖河流和湖區(qū)底泥是兩個(gè)重要的污染來源. 南四湖上級(jí)湖的入湖河流眾多，河流沿途多經(jīng)過城鎮(zhèn)，可能攜帶生活、工業(yè)污水；由于南水北調(diào)東線工程完成之前南四湖污染較為嚴(yán)重，含氮、磷等污染物的底泥蓄積深度達(dá)10～15 cm，而這層沉積物與水體間存在頻繁的物質(zhì)交換，也將成為水體的污染源[1]. 對(duì)南四湖的水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行深入研究，可以指導(dǎo)人們在社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中能夠更加有效合理地開發(fā)、利用湖泊水資源，保護(hù)湖泊水環(huán)境，維持生態(tài)平衡[2]. 為進(jìn)一步有效地改善與提升湖泊水質(zhì)，綜合全面分析南四湖的水質(zhì)，特別是分析南水北調(diào)工程實(shí)施以來水質(zhì)的變化成因及變化規(guī)律是非常必要和迫切的.

主成分分析法(PCA)是一種將多維因子納入統(tǒng)一系統(tǒng)中進(jìn)行定量化研究且理論較完善的多元統(tǒng)計(jì)方法[3]. 在此前的研究中，主成分分析法一般用于對(duì)同時(shí)間、不同空間監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)評(píng)價(jià)進(jìn)行比較，本文嘗試采用該方法對(duì)同一空間監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間上的分析評(píng)價(jià). 通過對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的分析，尋找南四湖上級(jí)湖水質(zhì)變化趨勢.

1　評(píng)價(jià)資料與分析方法

1.1研究區(qū)概況

南四湖(34°27′～35°20′N，116°34′ ～117°21′E)位于山東省西南部，上級(jí)湖主要包括南陽湖、獨(dú)山湖和昭陽湖，南四湖為我國北方最大的淡水湖，二級(jí)湖壩將南四湖分為上級(jí)湖與下級(jí)湖，上級(jí)湖面積約602 km2，下級(jí)湖644 km2，平均水深1.5m，汛期最大水深2.5～3.0 m；湖東入湖河流為山溪性河流，湖西入湖為平原坡水性河流. 上級(jí)湖來水量占南四湖全湖來水量的88.4%. 南四湖是南水北調(diào)東線工程的調(diào)蓄湖泊，其水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到濟(jì)寧、棗莊等地經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和水生態(tài)環(huán)境的改善. 國務(wù)院明確指出，南水北調(diào)東線工程順利實(shí)施的前提是節(jié)水，治污是關(guān)鍵，而南四湖就是治污的重點(diǎn)[4]. 了解南四湖的水質(zhì)變化規(guī)律，對(duì)南四湖的整治管理及其周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

研究采用南四湖上級(jí)湖的6個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，標(biāo)記為S1～S6，分別為王廟、前白口、南陽、獨(dú)山、沙堤和二級(jí)壩閘上(圖1)，其中，王廟和沙堤監(jiān)測點(diǎn)分別鄰近洙水河和城郭河的入湖口；洙水河主要接納嘉祥縣和任城區(qū)唐口鎮(zhèn)的工業(yè)和城市污水，是濟(jì)寧市的主要納污河流之一；城郭河是流經(jīng)滕州市最主要的河流.

圖1 南四湖流域和監(jiān)測點(diǎn)分布Fig.1　The distribution of Lake Nansi and the 6 stations in upper-reach lakes of Lake Nansi

1.2資料選取

因已有數(shù)據(jù)資料中，所有年份均有奇數(shù)月監(jiān)測數(shù)據(jù)，部分年份有偶數(shù)月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)序列時(shí)間間隔的一致性，本研究所采用的數(shù)據(jù)為南陽等6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)2008年1月-2014年11月期間奇數(shù)月份共42個(gè)月的監(jiān)測數(shù)據(jù).

《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)[5]中共有24項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo). 但根據(jù)已有監(jiān)測資料，考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性以及某些指標(biāo)監(jiān)測值小于檢出限，且pH值都在6～9之間，符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，篩選出溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)和氟化物7項(xiàng)指標(biāo)組成本次水質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系.

1.3改進(jìn)的歸一化方法

常用的水質(zhì)指標(biāo)歸一化方法都不同程度地放大或縮小了水質(zhì)指標(biāo)所屬的水質(zhì)類別，特別是當(dāng)越小越優(yōu)型指標(biāo)的水質(zhì)類別屬于劣Ⅴ類，且超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)很多時(shí)，常用的歸一化方法便不再適用. 為了更好地將水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測值和水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)保持一致，本文采取如下的歸一化方法：

根據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)值等間距劃分(表1)，介于兩類標(biāo)準(zhǔn)之間的采用線性插值計(jì)算. 效益型(越大越好)和成本型(越小越好)的指標(biāo)歸一化計(jì)算公式分別見式(1)和式(2). 本節(jié)中的歸一化方法主要側(cè)重于水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值無量綱化的處理，因此，歸一化后的數(shù)值并不僅限于[0，1].

表1　水質(zhì)監(jiān)測值歸一化標(biāo)準(zhǔn)

(1)

(2)

式中，xij為水質(zhì)指標(biāo)的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)；b1j、b2j、b3j、b4j和b5j分別為水質(zhì)指標(biāo)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類相對(duì)應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

經(jīng)過上述歸一化后，可以直觀地通過數(shù)值的大小來反映水質(zhì)狀況，數(shù)值越大代表水質(zhì)越好；數(shù)值越小代表水質(zhì)越差. 以王廟監(jiān)測點(diǎn)為例，2008年1月7項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測值和歸一化值見表2. 由表2可見，各指標(biāo)水質(zhì)好壞程度依次為：DO>氟化物>NH3-N> CODMn>COD>TP>BOD5.

1.4主成分分析法

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，建立水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)某一測站隨時(shí)間的水質(zhì)污染程度變化. 分析步驟如下：

表2　王廟監(jiān)測點(diǎn)2008年1月7項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測值和歸一化值

①將監(jiān)測值矩陣X中的各變量xij進(jìn)行無量綱處理，具體方法見1.3節(jié)；②在標(biāo)準(zhǔn)化矩陣的基礎(chǔ)上計(jì)算原始指標(biāo)相關(guān)矩陣R；③計(jì)算相關(guān)矩陣R的特征值、方差貢獻(xiàn)率、累計(jì)方差貢獻(xiàn)率、因子荷載矩陣，按累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)70%，確定主成分個(gè)數(shù)n；④選取前n個(gè)主成分，計(jì)算相應(yīng)的單位特征向量，即可得主成分計(jì)算公式；⑤將各待評(píng)月份的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)分別代入各主成分的表達(dá)式中，計(jì)算得出各月的各主成分得分Fi，以方差貢獻(xiàn)率(di)為權(quán)重求和計(jì)算各月綜合得分[6]，水質(zhì)綜合得分序列以下簡稱為得分序列.

2　評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

2.1綜合得分時(shí)間序列

對(duì)南四湖上級(jí)湖王廟等6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)綜合狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，各項(xiàng)綜合得分值即是某一監(jiān)測點(diǎn)各月份水質(zhì)污染程度的定量化描述，得分大小可以反映其水質(zhì)好壞，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果以及監(jiān)測點(diǎn)地理位置的分布，6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)綜合得分序列見圖2.

圖2 各監(jiān)測點(diǎn)綜合得分序列 Fig.2　The score sequence of each station

2.2水質(zhì)變化趨勢分析

2.2.16個(gè)監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)變化趨勢王廟和沙堤監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)在2010年末之后得分變大，出現(xiàn)穩(wěn)定變好的趨勢(圖2). 王廟和沙堤監(jiān)測點(diǎn)分別靠近洙水河和城郭河的入湖口，這2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)狀況直接受該兩條河流水質(zhì)的影響(圖1). 自2008年以來，洙水河水質(zhì)呈現(xiàn)逐步變好趨勢，以NH3-N和TP為例，其年均濃度分別由9.44和0.64 mg/L減小為1.80和0.20 mg/L；城郭河水質(zhì)指標(biāo)變化幅度小于洙水河，但也明顯變好，其NH3-N和TP年均濃度分別由2.55和0.49 mg/L減小為1.16和0.23 mg/L；DO濃度明顯增大變好(圖3). 因此，王廟和沙堤監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)受入湖河流水質(zhì)影響，穩(wěn)定變好.

前白口、南陽和獨(dú)山3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)變好趨勢不明顯，且呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異，水質(zhì)冬季好、夏季差(圖2). 分析單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的DO和NH3-N濃度均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性，DO濃度冬季高、夏季低，NH3-N濃度冬季低、夏季高，其余指標(biāo)年際變化無明顯規(guī)律，這與整體水質(zhì)狀況是對(duì)應(yīng)的. 因數(shù)據(jù)僅選取奇數(shù)月份，故分析3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)2011-2014年5、7、9月各項(xiàng)指標(biāo)變化，尤以DO、NH3-N、BOD5、TP濃度的變差趨勢最為明顯. 分析入湖河流水質(zhì)狀況，以距離3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)較近的東魚河、泗河、萬福河為例，3條河流單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)年均濃度大部分有變差趨勢(圖3)，因此，受入湖河流水質(zhì)的影響，前白口、南陽和獨(dú)山3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)并無明顯變好趨勢. 南四湖流域四季分明，流域內(nèi)平均降水量為620～740 mm左右，年內(nèi)降水分配不均勻，有60%～70%集中于6-9月[7]. 在汛期，入湖河流的流量和流速均明顯變大，沖刷河流沿途城鎮(zhèn)的生活垃圾進(jìn)入湖區(qū)內(nèi)，且極易引起湖區(qū)底泥擾動(dòng)，加大水體與湖底沉積物的物質(zhì)交換，從而使水體質(zhì)量變差.

二級(jí)壩閘上監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)變化趨勢不明顯，2010年底水質(zhì)變好之后，在2013年11月水質(zhì)突然變差(圖2). 分析水質(zhì)單項(xiàng)指標(biāo)，2013年9月NH3-N濃度為0.42 mg/L，在2013年11月變?yōu)?.56 mg/L，TP濃度由小于檢出限到0.1mg/L，其余水質(zhì)指標(biāo)濃度變化不大. 當(dāng)湖水流速不大時(shí)，南四湖上覆湖水的有機(jī)質(zhì)、氮磷濃度與湖底表層底泥有機(jī)質(zhì)、氮磷濃度的相關(guān)性并不是很大[8]，南水北調(diào)東線一期工程在2013年10月試通水，二級(jí)壩閘門打開，使得二級(jí)壩附近的水體流量達(dá)到125 m3/s，基于南四湖南北狹長的地理特性，流速變大，水流的沖擊力導(dǎo)致該處底泥擾動(dòng)，底泥中豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷等污染物進(jìn)入水體中，從而導(dǎo)致二級(jí)壩閘上水質(zhì)明顯變差；且二級(jí)壩閘下極易蓄積污染物，調(diào)水使得這些污染物進(jìn)入上級(jí)湖.

圖3 南四湖上級(jí)湖入湖河流水質(zhì)指標(biāo)年均濃度變化Fig.3　The indexes’ annual variation of the rivers into upper-reach lakes of Lake Nansi

表3 南四湖上級(jí)湖2000-2014年水質(zhì)類別

2.2.2南四湖上級(jí)湖整體水質(zhì)變化趨勢采用全參數(shù)評(píng)價(jià)法[9]計(jì)算南四湖上級(jí)湖2008-2014年的水質(zhì)類別. 2000-2007年水質(zhì)類別查閱山東省水資源公報(bào)(2000-2007年)[10]. 由表3可見，南四湖上級(jí)湖2008-2014年的水質(zhì)較2000-2007年有明顯改善，特別是2011-2014年，水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn).

2010年，由于山東省南水北調(diào)截蓄導(dǎo)用工程的實(shí)施，該工程對(duì)南四湖的水質(zhì)狀況產(chǎn)生了明顯的影響. 中水截蓄導(dǎo)用工程的建設(shè)，使中水變成了工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、城市景觀等用水，從而要求污水處理廠、工業(yè)點(diǎn)源做到達(dá)標(biāo)排放. 以滕州市為例，滕州市城郭河中水截蓄在干線輸水期回用水量為1201.2×104t，通過中水回用可直接減少的COD和NH3-N入河量分別為1133.1和98.7t/a[11]，從而使得城郭河入南四湖的COD和NH3-N量減少；在濟(jì)寧市環(huán)南四湖大生態(tài)帶工程建設(shè)規(guī)劃中，2008-2010年為規(guī)劃的第1階段，湖區(qū)修復(fù)和水質(zhì)凈化工程的建設(shè)實(shí)施[12]，保證了南四湖上級(jí)湖水質(zhì)的穩(wěn)定.

2.3水體主要污染指標(biāo)分析

在利用主成分分析法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)的過程中，由主成分荷載矩陣可以得出王廟等6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)共有的主要水質(zhì)污染指標(biāo)為COD、CODMn和BOD5，且在各月份最差指標(biāo)所占比例的統(tǒng)計(jì)中，該3項(xiàng)指標(biāo)在42個(gè)奇數(shù)月中所占比重均在10%以上，特別是BOD5比重均在30%以上. 因此，南四湖上級(jí)湖主要是有機(jī)物污染.

南四湖整體水質(zhì)變差，受近年來沿湖地區(qū)無序開發(fā)，以及強(qiáng)度過大影響較為顯著，文獻(xiàn)[13]中詳細(xì)分析了南四湖入湖河流的水質(zhì)及主要污染指標(biāo)，即南陽湖上級(jí)湖周邊入湖河流的有機(jī)物污染嚴(yán)重，造成了接納入湖河流的湖區(qū)有機(jī)物污染嚴(yán)重，本文分析得出的主要污染指標(biāo)與其一致. 所以河流是南四湖上級(jí)湖的主要污染源，湖區(qū)水環(huán)境的恢復(fù)治理首先要解決入湖河流的水污染問題.

3　結(jié)論及建議

1)為了更好地使水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測值和水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)保持一致，本文對(duì)常用的歸一化方法進(jìn)行了改進(jìn)，該方法客觀地反映各類指標(biāo)所屬的水質(zhì)類別. 采用主成分分析法進(jìn)行同一監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)在時(shí)間上的評(píng)價(jià)，得出的評(píng)價(jià)結(jié)果符合物理機(jī)制，能夠較好地考慮各項(xiàng)指標(biāo)之間的相關(guān)性，可用于水質(zhì)時(shí)間變化分析.

2)6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在湖區(qū)分布位置不同，水質(zhì)變化趨勢也存在較大差異，水質(zhì)主要影響因素也不同. 王廟和沙堤監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)在2010年末呈現(xiàn)穩(wěn)定變好趨勢；前白口、南陽和獨(dú)山監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)并未變好，但呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性；二級(jí)壩閘上水質(zhì)變化趨勢不明顯，但在2013年11月水質(zhì)明顯變差.

3)南四湖上級(jí)湖水質(zhì)較2010年之前有明顯改善，南水北調(diào)山東省截蓄導(dǎo)用工程的實(shí)施對(duì)水質(zhì)改善起到了重要作用；但在南四湖調(diào)水期間，底泥擾動(dòng)等因素會(huì)影響水體質(zhì)量，應(yīng)在此期間嚴(yán)格控制水體流速，改善水力特性，減少底泥及外源對(duì)水體的雙重污染，從而保證輸水通道的水質(zhì)安全.

4)南四湖上級(jí)湖湖區(qū)水質(zhì)的主要影響指標(biāo)為COD、CODMn和BOD5，其有機(jī)污染的特點(diǎn)較明顯，由于缺少入湖河流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，本研究僅根據(jù)沿湖地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀，推斷入湖河流的水質(zhì)狀況對(duì)湖區(qū)及出湖水質(zhì)的影響應(yīng)該是起決定性作用的因素. 南四湖的治理需要針對(duì)不同水域的水質(zhì)差別，查明污染源，實(shí)施入湖河流流域污染的源頭控制與湖泊內(nèi)源污染防治相結(jié)合，以及工程治污、結(jié)構(gòu)減排與監(jiān)管控污相結(jié)合.

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Evaluation of temporal water quality change (2008-2014) and the cause analysis in the upper-reach lakes of Lake Nansi, Shandong Province

XIE Wenjing1, WANG Song2, LOU Shanchong2, CAO Shengle1, SUN Xiuling1, WANG Yuemin1& LIN Jie1

(1:SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,P.R.China)(2:HydrologyandWaterResourcesBureauofShandongProvince,Jinan250002,P.R.China)

Based on water quality information from 6 stations in the upper-reach lakes of Lake Nansi which was sampled from a total of 42 odd months during 2008 and 2014, choosing dissolved oxygen, COD, CODMn, BOD5, ammonia nitrogen, total phosphorus and fluoride as the indexes of water quality evaluation. The water quality index normalization was used to improve the method, and the principal component analysis was used to evaluate water quality comprehensively for the data from the six monitoring stations. According to the obtained comprehensive score of the monthly sequence, the trend of water quality status was analyzed. Compared with the general condition of water quality during 2000 and 2007, it is found that water quality was significantly better during 2008 and 2014. The evaluation results showed that the water quality at any monitoring station had obvious changes at different time, and had different changes at any time sequence on different water quality monitoring stations. Besides, the main influenced indicators of water quality in the upper-reach lakes of Lake Nansi were COD, CODMnand BOD5. According to the evaluation results and the analyzed changes in the water quality, we found that the river quality into the lake and lake sediments were the two important factors influencing on the water quality.

Principal component analysis; normalized; upper-reach lakes of Lake Nansi; time series of water quality; water quality evaluation

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2016， 28(3)： 513-519

10.18307/2016.0306

?2016 byJournalofLakeSciences

*山東省省級(jí)水利科研及技術(shù)推廣項(xiàng)目(SDSLSK201302)資助．2015-06-09收稿；2015-08-19收修改稿．解文靜(1990～)，女，碩士研究生；E-mail: 994306933@qq.com.