云龍湖水質(zhì)狀況統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

萬(wàn) 蕾，孫曉虎

（1.徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州221111；2.徐州市城區(qū)水資源管理處，江蘇 徐州221008）

地表水尤其是城市河流和湖泊與人類(lèi)活動(dòng)關(guān)系密切，因此備受關(guān)注。上個(gè)世紀(jì)70年代以來(lái)，科研工作者和環(huán)境管理者進(jìn)行了大量的地表水的監(jiān)測(cè)工作，如何利用大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定水體的污染特征和水質(zhì)變化規(guī)律、評(píng)價(jià)水體狀態(tài)等，一直是研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法被廣泛應(yīng)用于分析水質(zhì)數(shù)據(jù)，這些方法包括主成分分析、聚類(lèi)分析、因子分析等[[1-7]，一定程度上揭示了水體的污染特征和水質(zhì)變化規(guī)律等。

徐州云龍湖是徐州市重要的城市湖泊，也是徐州云龍湖風(fēng)景區(qū)主要景點(diǎn)，不僅為游客提供景觀欣賞和水上娛樂(lè)等旅游休閑功能，同時(shí)也具有調(diào)節(jié)氣候、減少噪聲等功能，因而受到環(huán)?？蒲泄ぷ髡吆偷胤秸母叨戎匾暋ｊP(guān)于云龍湖水質(zhì)方面的研究，張雙圣等（2017）[8]和楊靖等（2016）[9]分別研究了云龍湖2015年的水質(zhì)狀況和2012～2014年的浮游植物群落結(jié)構(gòu)，研究表明：云龍湖中心湖區(qū)水質(zhì)明顯好于入湖補(bǔ)水水質(zhì)，枯水期水質(zhì)優(yōu)于豐水期；各區(qū)域浮游植物群落結(jié)構(gòu)以藍(lán)藻、綠藻和硅藻門(mén)的物種為主，在密度上藍(lán)藻和硅藻占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。為了保護(hù)云龍湖，徐州市政府實(shí)施了控源截污、疏浚貫通以及生態(tài)修復(fù)等一系列措施，選取新河礦井水源和云龍湖南岸兩眼廢棄地下水源井作為云龍湖補(bǔ)水水源；在玉帶河岸邊興建了南望凈水廠，每天處理20萬(wàn)t水，從玉帶河上游取水，處理后排入下游。為了分析這些措施對(duì)水質(zhì)提升是否卓有成效，云龍湖水質(zhì)是否逐年提高，本文運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了2013年至2017年徐州云龍湖的水質(zhì)狀況，闡述了云龍湖水質(zhì)變化規(guī)律，為云龍湖及其它城市湖泊的綜合治理提供參考，為城市湖泊管理者提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

云龍湖位于徐州南部風(fēng)景區(qū)，屬城市淺水湖泊，是徐州市重要旅游風(fēng)景區(qū)和市民娛樂(lè)休閑中心。湖區(qū)水域總面積達(dá)6.76 km2，最大水深5.1 m，平均水深約2.5 m。云龍湖上游連接玉帶河、閘河、廢黃河、丁萬(wàn)河及京杭運(yùn)河不牢河段，下游經(jīng)奎河下泄洪水，向南流經(jīng)濉河入洪澤湖[8]。云龍湖集水面積小，在沒(méi)有大雨和暴雨的情況下，地表徑流幾乎為零[10]，因此云龍湖蓄水需通過(guò)補(bǔ)水解決。

1.2 監(jiān)測(cè)與分析方法

圖1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面示意圖

分別選取了杏花村碼頭1、水文閣2、水上世界3、音樂(lè)廳東4、荷風(fēng)島5、生態(tài)島6、開(kāi)元酒店7、音樂(lè)廳西8、西湖中心9作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意圖如圖1所示。采樣的時(shí)間為2013年1月至2017年12月，在固定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，每月監(jiān)測(cè)一次，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫、DO（溶解氧）、pH值和濁度，采用北原氏采水器采集表層20～50 cm水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定氨氮、TN（總氮）、TP（總磷）、高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)。水樣各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)參考國(guó)家環(huán)境保護(hù)局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)進(jìn)行，根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所釆集的水樣，各水質(zhì)指標(biāo)分別取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值進(jìn)行分析，共計(jì)60組數(shù)據(jù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS19.0軟件，作圖分析采用EXCEL2010軟件輔助進(jìn)行。其中，在箱線圖中，最上方和最下方的線段分別表示數(shù)據(jù)的最大值和最小值，箱圖的上方和下方的線段分別表示數(shù)據(jù)的上四分位和下四分位，箱圖中間的粗線段表示數(shù)據(jù)的中位數(shù)（中值）。箱線圖中在最上方和最下方的圓圈表示樣本數(shù)據(jù)中的異常值，異常值又稱(chēng)離群值，指大于1.5倍四分位數(shù)間距的數(shù)值。頻率表示的是水質(zhì)指標(biāo)在某一個(gè)范圍內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)。相關(guān)性分析，是用來(lái)驗(yàn)證兩個(gè)變量間的線性關(guān)系，從相關(guān)系數(shù)R2我們可以知道兩個(gè)變量是否呈線性關(guān)系、線性關(guān)系的強(qiáng)弱，以及是正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)。

2 結(jié)果與討論

2.1 云龍湖水質(zhì)總體情況

2013年至2017年云龍湖水質(zhì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以看出，2013—2017年來(lái)，云龍湖水質(zhì)總體情況較好，這些年來(lái)的水質(zhì)提升工程起到了成效；DO含量均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）》Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；水體pH值在7.96～8.56變化，平均8.19，呈弱堿性；濁度變化范圍在1.50～51.41 NTU，平均18.35 NTU；氨氮最大值為0.93 mg/L，滿足Ⅲ類(lèi)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；TN含量較高，平均值為1.26 mg/L，極大值超過(guò)Ⅴ類(lèi)水；TP平均值為0.065 mg/L，屬于Ⅳ類(lèi)水；高錳酸鹽指數(shù)含量較低，變化范圍2.65～5.60 mg/L，中值為3.95 mg/L。研究期間，云龍湖水質(zhì)以Ⅲ～Ⅳ類(lèi)為主，所占比例達(dá)61.67%。從方差來(lái)看，濁度季節(jié)變化較大，氨氮、TN、TP等指標(biāo)變化較小。

表1 云龍湖水質(zhì)總體情況

云龍湖水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)的頻次分布變化見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出，云龍湖水溫0～5℃和15～20℃出現(xiàn)的頻次最高，為12次，其次為20～25℃，再次為10～15℃和25～30℃。DO出現(xiàn)頻次最高的是8～10 mg/L，占總監(jiān)測(cè)頻次的43.3%，pH值出現(xiàn)頻次最高的是8.1～8.3之間，占總頻次的70%。濁度呈現(xiàn)右偏態(tài)分布，濁度大小在5～10 NTU出現(xiàn)的頻次最高，占總頻次的30%。氨氮出現(xiàn)頻次最高的是0.2～0.4 mg/L，0.6 mg/L以下占總頻次91.7%。TN出現(xiàn)頻次最高的是1.0～1.5 mg/L，1 mg/L以上占63.3%，2 mg/L以上占8.3%。TP頻次最高的0.4～0.6 mg/L，0.1 mg/L以下占85%。高錳酸鹽指數(shù)出現(xiàn)頻次由大到小分別是3～4、4～5、5～6、2～3 mg/L，其中3～5 mg/L占83.3%。從單一水質(zhì)指標(biāo)分析，氨氮以Ⅱ類(lèi)水為主，占68.3%；TN以Ⅳ類(lèi)水為主，占56.7%；TP以Ⅱ類(lèi)水為主，占85%；DO、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)100%滿足Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 云龍湖水質(zhì)指標(biāo)頻次變化

2.2 云龍湖水質(zhì)年際變化

云龍湖水質(zhì)指標(biāo)年際變化見(jiàn)圖3。從年際變化箱線圖可以看出，近5年來(lái)，云龍湖水溫最高值和中值呈現(xiàn)波動(dòng)，最低溫有逐年降低的趨勢(shì)。DO含量中值變化范圍8.19～9.71 mg/L，其中2014年中值最大，2016年變化范圍最小。pH值中值變化范圍8.15～8.26，變化幅度較小，說(shuō)明云龍湖沒(méi)有工業(yè)污染，pH值比較穩(wěn)定。濁度中值變化為7.63～29.53 NTU，近三年（2015—2017年）濁度明顯低于2013年和2014年，并且近三年的濁度的變化范圍也較小。氨氮的中值0.21～0.39 mg/L，其中2014年變化幅度最大為0.75 mg/L，2017年變化幅度最小為0.2 mg/L。TN中值變化范圍為0.95～1.71 mg/L，其中2017年最大，近年來(lái)TN有升高的趨勢(shì)。TP的中值變化范圍為0.043～0.088 mg/L，2014年最大，2016年最小，近三年（2015—2017年）TP變化幅度較小，最大值及中值明顯低于前兩年。高錳酸鹽指數(shù)中值變化范圍為3.35～4.63 mg/L，呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)。比較各年度平均值，濁度：2013年＞2014年＞2015年＞2017年＞2016年，氨氮：2014年＞2016年＞2013年＞2017年＞2015年，TN：2017年＞2015年＞2013年＞2014年＞2016年，TP：2014年＞2013年＞2017年＞2015年＞2016年，高錳酸鹽指數(shù)：2013年＞2017年＞2016年＞2014年＞2015年?？傮w分析2015～2017年水質(zhì)優(yōu)于2013—2014年，2016年水質(zhì)最好，除TN外，水質(zhì)整體呈上升趨勢(shì)。氨氮和TN指標(biāo)近年來(lái)波動(dòng)較大與南望水廠的建設(shè)運(yùn)行有關(guān)，南望凈水廠采用“高錳酸鉀預(yù)氧化+管道混合+機(jī)械絮凝氣浮生物陶粒石英砂過(guò)濾+紫外消毒”的工藝，由于采用了高錳酸鉀預(yù)氧化技術(shù)，高錳酸鉀將有機(jī)氮氧化成氨氮的值大于高錳酸鉀將氨氮氧化去除的值，導(dǎo)致出水氨氮濃度有所升高。因此，未來(lái)幾年，對(duì)TN的削減任務(wù)比較嚴(yán)峻。

圖3 云龍湖水質(zhì)指標(biāo)年際變化

2.3 云龍湖水質(zhì)月度變化

2013年至2017年云龍湖水質(zhì)主要指標(biāo)的月度極大值和極小值以及平均值變化情況見(jiàn)表2。從表中可以看出，每年夏季氨氮濃度較高，冬季較低，每年的3月份至11月份基本呈升高趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在2015年11月份。TN的變化沒(méi)有明顯的季節(jié)性，1月份和7月份值較大，4月至6月份濃度較低，每月的平均值均低于2 mg/L，除1月份外，其他月份低于1.5 mg/L，劣于Ⅳ類(lèi)水的月份占比為16.67%。從TP的月平均值變化來(lái)看，夏季濃度較高，冬季較低，平均值最大為0.101 mg/L，出現(xiàn)在8月份，1～4月份的平均值低于0.05 mg/L，5月份至11月份劣于Ⅲ類(lèi)水（《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）》Ⅲ類(lèi)水TP為0.05 mg/L）。高錳酸鹽指數(shù)月度變化比較平緩，每年6月至11月濃度較高，其它月份較低?？傮w而言，低溫季節(jié)水質(zhì)優(yōu)于高溫季節(jié)。分析其原因，一方面與云龍湖是旅游風(fēng)景區(qū)的性質(zhì)有關(guān)，高溫季節(jié)游船使用頻繁，對(duì)水體擾動(dòng)較大，湖邊游人、汽車(chē)密度大，產(chǎn)生的面源污染對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生不利影響；并且夏季雨水充沛，會(huì)增加近岸土壤中有氮磷元素進(jìn)入水體的可能性[11]。另一方面，夏季溫度高不利于菹草等沉水植物的生長(zhǎng)[12]，影響沉水植物的水質(zhì)凈化功能，導(dǎo)致高溫季節(jié)水質(zhì)較差。

表2 云龍湖水質(zhì)主要指標(biāo)的月度變化

2.4 云龍湖水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

根據(jù)SPSS統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，各原始數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣見(jiàn)表3。從表中可以看出，DO和溫度的負(fù)相關(guān)系數(shù)較高（R2=-0.797），可能與云龍湖的浮游植物數(shù)量較少有關(guān)[9]，水溫升高沒(méi)有導(dǎo)致浮游植物的大量繁殖，因而沒(méi)有引起白天DO含量急劇增加，需要結(jié)合浮游植物的監(jiān)測(cè)做進(jìn)一步分析?？偟桶钡南嚓P(guān)性較小，說(shuō)明水體中氨氮占總氮的比例較少（實(shí)測(cè)計(jì)算氨氮占總氮比例平均為30%左右）。TP和濁度以及COD的相關(guān)性系數(shù)比較大（R2分別為0.615和0.480），說(shuō)明降雨徑流使大量固體顆粒進(jìn)入水體，顆粒污染物作為降雨徑流的主要污染物，主要來(lái)自輪胎磨損顆粒、筑路材料磨損顆粒、運(yùn)輸物品的泄漏、剎車(chē)連接裝置產(chǎn)生的顆粒、大氣降塵、其他與車(chē)輛運(yùn)行有關(guān)的顆粒物等。顆粒污染物是有機(jī)物和磷的主要載體，進(jìn)入水體后造成濁度升高，總磷和有機(jī)質(zhì)含量升高[13]。

分析近年來(lái)徐州市政府實(shí)施的云龍湖水質(zhì)提升工程，自2013年開(kāi)始，實(shí)施云龍湖水環(huán)境綜合整治工程，對(duì)云龍湖補(bǔ)水線路丁萬(wàn)河、故黃河、閘河、玉帶河沿線進(jìn)行全面截污，通過(guò)實(shí)施“環(huán)湖截污”工程，先后建立三座污水提升泵站，使云龍湖周邊大多數(shù)污水、雨水經(jīng)排污管道進(jìn)入污水處理廠，從源頭上截?cái)辔鬯牒粚?shí)施云龍湖周邊整村搬遷和“顯山露水”、“退漁還湖”、“拆違建綠”等多項(xiàng)重點(diǎn)工程，大大減少了云龍湖污染源；完成云龍湖周邊八一大溝疏浚，檢修原有的截污管網(wǎng)，安裝新的管網(wǎng)，云龍湖周邊排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雨污分流。云龍湖的3條直接入湖河道中，王窯河于2014年啟動(dòng)了截污導(dǎo)流工程，所有污水接入截污管道，調(diào)整王窯河排水走向，將王窯河片區(qū)排水路徑由原來(lái)的排向云龍湖，調(diào)整為排向閘河，減少王窯河排水對(duì)云龍湖水體的影響；而軍民河周邊單位的污水經(jīng)處理全部達(dá)到一級(jí)A的排放標(biāo)準(zhǔn)；王窯河和軍民河的補(bǔ)水量均較少。玉帶河引水故黃河，水量穩(wěn)定，水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類(lèi)地表水標(biāo)準(zhǔn)。三條入湖河流中，玉帶河水量最大，對(duì)云龍湖的水質(zhì)有重要影響。因此，可以認(rèn)為云龍湖沒(méi)有生活污水的點(diǎn)源污染，面源污染是云龍湖的主要污染源，降水是云龍湖水質(zhì)變劣的主要原因之一[8]。

表3 云龍湖水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

3 結(jié)論與建議

（1）從2013年至2017年，云龍湖水質(zhì)總體情況較好，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）》Ⅲ～Ⅳ類(lèi)為主，所占比例達(dá)61.67%；從單一水質(zhì)指標(biāo)分析，氨氮以Ⅱ類(lèi)水為主，占68.3%；TN以Ⅳ類(lèi)水為主，占56.7%；TP以Ⅱ類(lèi)水為主，占85%；高錳酸鹽指數(shù)100%滿足Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

（2）從2013年至2017年，DO、濁度、氨氮、TN、TP、高錳酸鹽指數(shù)的中值變化范圍分別為8.19～9.71 mg/L、7.63～29.53 NTU、0.21～0.39 mg/L、0.95～1.71 mg/L、0.043～0.088 mg/L、3.35～4.63 mg/L；云龍湖水質(zhì)除TN外整體呈上升的趨勢(shì)，2015—2017年水質(zhì)優(yōu)于2013—2014年，2016年水質(zhì)最好。

（3）低溫季節(jié)水質(zhì)優(yōu)于高溫季節(jié)，一方面與云龍湖是旅游風(fēng)景區(qū)的性質(zhì)有關(guān)，高溫季節(jié)受人類(lèi)活動(dòng)影響較大，對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生不利影響；另一方面與菹草等沉水植物的生長(zhǎng)周期有關(guān)。

（4）從各指標(biāo)的相關(guān)性分析，DO和溫度的負(fù)相關(guān)系數(shù)較高，TP和濁度以及COD的相關(guān)性系數(shù)也比較大，總氮和氨氮的相關(guān)性較??；面源污染是云龍湖的主要污染源之一。

（5）云龍湖的水質(zhì)保護(hù)措施收效顯著，采用控源截污、生態(tài)修復(fù)等治理措施可以實(shí)現(xiàn)云龍湖的水質(zhì)改善和生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展，今后應(yīng)建立健全云龍湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)、評(píng)估體系以及云龍湖生態(tài)系統(tǒng)管理保障體系，保證云龍湖水質(zhì)持續(xù)有效改善。