泗河水質(zhì)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(huán)境學院， 山東 濟南 250022； 2. 水發(fā)規(guī)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(fā)中心， 山東 濟南 250100)

隨著社會、 經(jīng)濟發(fā)展， 人類生產(chǎn)活動頻繁， 工農(nóng)業(yè)活動密集和城鎮(zhèn)生活污水排放激增， 導致流域環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)迅速積累， 流域內(nèi)營養(yǎng)負荷增加[1-2]。 大量氮、 磷營養(yǎng)元素輸入河流， 使浮游植物生產(chǎn)力提高[3]， 水體含氧量下降， 導致水體富營養(yǎng)化和河口水質(zhì)退化[4-5]， 因此， 流域水體的健康狀況與水質(zhì)變化趨勢引起了社會越來越廣泛的關注。

泗河是南水北調(diào)東線工程最大調(diào)蓄湖南四湖的主要入湖河流之一[6]，流域內(nèi)城鎮(zhèn)眾多，工業(yè)發(fā)達，曾有大量工業(yè)廢水和生活污水以點源形式排放到河內(nèi)[7]。同時，河流兩岸的土地利用類型主要為耕地，流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖量較大，面源污染也十分嚴重[8-9]。經(jīng)過多年廢水排放監(jiān)管和流域綜合治污，泗河水體有機質(zhì)及氮、磷營養(yǎng)鹽的含量發(fā)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(zhì)變化情況[12-13]，對連續(xù)多年水質(zhì)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(fā)展，研究其多年水質(zhì)變化影響因素及污染物時空分布規(guī)律是十分必要的。

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

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

泗河發(fā)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(jù)泗河流域地理環(huán)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(tǒng)(GPS)定位。

1—5為采樣點編號。

1.2 數(shù)據(jù)來源

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

表1 河流水質(zhì)評價標準閾值

2 研究方法

2.1 綜合水質(zhì)標識指數(shù)法

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

(1)

式中：X1為河流總體的綜合水質(zhì)類別；X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置；X3為參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)指標中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標的單項指標個數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果。

2.2 水質(zhì)綜合污染指數(shù)法

水質(zhì)綜合污染指數(shù)法是基于水環(huán)境功能區(qū)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(shù)；Ci為污染物實測濃度；Si為相應類別標準限值；Pc為水質(zhì)綜合污染指數(shù)，n為評價指標個數(shù)。

2.3 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是一種計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量評價法，突出污染指數(shù)最大的污染物對環(huán)境質(zhì)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(jié)果與分析

3.1 泗河近40 a水質(zhì)變化分析

1980—2019年泗河年際水質(zhì)變化趨勢如圖2所示，其中TN、TP濃度年均值部分數(shù)據(jù)缺失，選擇較為連續(xù)的數(shù)據(jù)進行年際水質(zhì)趨勢評價。CODMn質(zhì)量濃度年均值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中最小值出現(xiàn)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(shù)值為4.14 mg/L。 NH3-N的質(zhì)量濃度則呈現(xiàn)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(nóng)業(yè)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(nèi)城鎮(zhèn)眾多，隨著社會、經(jīng)濟發(fā)展，大量未經(jīng)處理的生活污水、農(nóng)用廢水及沿岸企業(yè)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(guī)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(xiàn)出下降趨勢：峰值出現(xiàn)在2005—2006年，質(zhì)量濃度年平均最大值出現(xiàn)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(zhì)量濃度年均值為0.26 mg/L， 較2005年的峰值下降了53.57%。TN質(zhì)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(zhì)量濃度年平均最大值出現(xiàn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(nóng)業(yè)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(nóng)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(nóng)藥的過量使用造成土壤板結(jié)，土壤肥力下降，土壤中過剩的氮、磷營養(yǎng)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(xiàn)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(zhì)評價

3.2.1 單因子水質(zhì)標識指數(shù)法

根據(jù)1980—2019年泗河年際水質(zhì)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(zhì)標識指數(shù)變化過程如圖3所示。40 a來，CODMn的單因子水質(zhì)標識指數(shù)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(zhì)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(zhì)標識指數(shù)均呈現(xiàn)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(xù)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(zhì)標識指數(shù)較大，與農(nóng)藥化肥大量使用，排入河中的工業(yè)廢水未達到排放標準有關。泗河兩岸分布多家污染企業(yè)，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(fā)揮除污效能。此外，生活污水無序排放以及向河道內(nèi)傾倒生活垃圾也會導致水體氮、磷營養(yǎng)鹽含量上升[25]。2004—2019年各指標的單因子水質(zhì)標識指數(shù)變化幅度均較小，總體呈現(xiàn)下降趨勢，說明泗河流域水體污染得到控制，水質(zhì)有所改善。

CODMn—高錳酸鹽指數(shù)；NH3-N—氨氮；TN—總氮；TP—總磷。

3.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)評價

內(nèi)梅羅指數(shù)評價結(jié)果見表2。由表中數(shù)據(jù)可知，1980、 1984年泗河水體內(nèi)梅羅指數(shù)均小于0.7，污染等級為Ⅰ級，說明泗河流域水質(zhì)良好，處于無污染狀態(tài)。此后內(nèi)梅羅指數(shù)迅速增大，至2000年達到54.24，污染等級為Ⅴ級，水質(zhì)明顯惡化，呈重度污染程度。2000—2019年內(nèi)梅羅指數(shù)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(zhì)呈輕度污染狀態(tài)，泗河流域水質(zhì)得到明顯改善。

表2 內(nèi)梅羅指數(shù)評價結(jié)果

3.2.3 綜合水質(zhì)類別判定

泗河水質(zhì)變化及綜合水質(zhì)類別判定結(jié)果見表3。由表中數(shù)據(jù)可知，泗河流域水體綜合水質(zhì)標識指數(shù)和水質(zhì)綜合污染指數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的變化

表3 泗河水質(zhì)變化及綜合水質(zhì)類別判定

趨勢，說明近年來水體健康狀態(tài)表現(xiàn)為逐漸優(yōu)化的演變趨勢。2個指數(shù)在1995—2004年數(shù)值較大，并且在2000年出現(xiàn)最大值，表明水體功能已受到嚴重危害，水質(zhì)污染現(xiàn)象嚴重。2009年之后泗河水質(zhì)明顯改善，原因是全流域不斷推進“治用?！辈呗院豌艉泳C合開發(fā)規(guī)劃建設。至2019年，泗河流域綜合水質(zhì)標識指數(shù)達到4.221，屬于Ⅳ類水，水質(zhì)改善效果明顯，泗河流域綜合管理取得一定成效，但水質(zhì)綜合污染指數(shù)評價仍為污染狀態(tài)。在參與評價的指標中，有2個指標劣于水環(huán)境功能區(qū)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(zhèn)眾多，生活污水，化肥、農(nóng)藥殘留，工業(yè)廢水和畜禽養(yǎng)殖業(yè)用水未達標排放，或未經(jīng)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(zhì)指標空間分布特征

圖4所示為2017年泗河流域各采樣點監(jiān)測指標含量的空間分布。各樣點CODMn質(zhì)量濃度為3.37～5.01 mg/L， 平均值為4.304 mg/L；TN質(zhì)量濃度為2.83～4.58 mg/L，平均值為3.60 mg/L； TP質(zhì)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(shù)；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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(yǎng)鹽含量在空間分布上差異較小。2號樣點CODMn和氮、磷營養(yǎng)鹽的含量略大于其他4個樣點的，這是由該區(qū)域工農(nóng)業(yè)發(fā)達，較多的工農(nóng)業(yè)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(yǎng)鹽含量僅次于2號樣點的，但CODMn含量最小，原因是該區(qū)域為農(nóng)耕用地，化肥、農(nóng)藥大量使用，且支流柘溝河、蘆城河接收了周圍區(qū)域的農(nóng)業(yè)廢水匯入，導致水體TN和TP含量增大[27]。

3.4NH3-N、CODCr年內(nèi)變化特征

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

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

與NH3-N含量的季節(jié)變化趨勢不同，泗河CODCr含量隨著季節(jié)變化存在明顯差異。春季CODCr質(zhì)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(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)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(xù)減小，可能與河長制不斷落實推進以及泗河綜合開發(fā)規(guī)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(zhì)評價分析可見，近40 a泗河水質(zhì)指標濃度總體呈先上升后下降的趨勢，自2000年以來水質(zhì)整體呈現(xiàn)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(zhì)良好，一般可達到地表水質(zhì)量Ⅱ類標準[22]。隨著社會、經(jīng)濟發(fā)展，泗河流域上游各類工業(yè)發(fā)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(qū)工業(yè)廢水及生活污水的排入，水質(zhì)逐漸變差。在承接曲阜、兗州的工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢水后，水質(zhì)下降劇烈[22]。2010年以來，為了治理環(huán)境污染、改善泗河水質(zhì)，確保南水北調(diào)東線水質(zhì)和水量優(yōu)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(zhì)的措施。 在泗河綜合開發(fā)中， 嚴格管理污染源，改善泗河入湖口段水質(zhì)[28]。自實施“治用?！辈呗?、 南水北調(diào)東線通水、泗河綜合開發(fā)規(guī)劃建設及河長制以來，泗河流域生態(tài)環(huán)境得到治理，水質(zhì)明顯改善。

圖6所示為南四湖年際水質(zhì)變化趨勢。由圖可知：1980—2019年南四湖CODMn和NH3-N質(zhì)量濃度年均值整體呈先增大、后減小趨勢，2000—2019年TP和TN質(zhì)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(jù)進行工業(yè)治污，推進全流域、全過程、全覆蓋的深度治污體系，泗河水質(zhì)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(zhì)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(jié)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(shù)值較大，TN和TP的濃度年均值在2010年以前數(shù)值較大，變化趨勢相對平緩。

從綜合水質(zhì)評價結(jié)果來看，泗河綜合水質(zhì)標識指數(shù)由1.600增大至15.926、再減小至4.221，水質(zhì)綜合污染指數(shù)由0.10增大至27.40、再減小至1.13，內(nèi)梅羅指數(shù)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(yǎng)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(zhì)得到一定改善。南四湖近40 a來水質(zhì)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！