南四湖入湖河流水質綜合評價與改善效果分析

馮娜 武周虎 郭琦 相福亮 岳太星

摘要：指出了南四湖入湖河流水質對南水北調東線山東段的調水水質安全具有重大影響，其水質狀況備受各界關注。通過對2006～2015年南四湖38個主要入湖河口水質監測數據的統計比較與分析，計算了平均綜合污染指數、改進的內梅羅污染指數、各水質指標的濃度變化趨勢和污染分擔率，進行了南四湖入湖河流水質綜合評價與改善效果分析。結果表明：2015年10月與2006年11月相比，南四湖入湖河流水質平均綜合污染指數下降了69.77%，內梅羅污染指數下降了68.70%;水質指標C0Dcr、NH3-N、T-P和TN的平均值下降率分別為49%、93%、46%和76%;南四湖入湖河流水質污染程度排序：上級湖湖東>下級湖湖東>上級湖湖西>下級湖湖西;南四湖流域的主要污染物為CODe，和T-N;重污染河流由11條減少為1條，但老運河仍是南四湖流域治污的重點。

關鍵詞：南四湖;入湖河流;水質;綜合評價;改善效果

中圖分類號：X824

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）10-0055-06

1引言

南四湖是南水北調東線工程重要的輸水通道和調蓄湖泊，是貫通南北的調蓄樞紐，其水質的好壞將影響南四湖周邊及以北受水區的正常利用，因此其水質狀況一直受到公眾的廣泛關注。對南四湖入湖河流的水環境質量狀況進行全面分析，有利于推動南四湖流域調整經濟結構，轉變經濟發展方式，科學治污減排，合理利用水資源，保護水環境，維持經濟社會與生態環境的可持續發展。通過對南四湖水質空間監測數據的水質綜合評價和改善效果分析，根據南四湖水環境質量和水環境問題的演變，對制約南四湖水環境的瓶頸問題進行精準管控，不斷提高南四湖的水環境管理水平，確保南水北調東線水質持續穩定達標。

在國內外關于水環境質量評價方法中，尹海龍等對典型的7種河流綜合水質評價方法進行了比較研究;邢軍等將信息熵理論引入到地下水水質評價指標權重的確定中;D.P Loucks等將河流水質預測模型運用于水質的預測評價中;潘峰等改進了最大隸屬度原則，從而將模糊綜合評價法運用到水質綜合評價中;王玲杰等研究了幾種常用不確定性數學分析方法在河流水質評價中的應用。

本研究利用2006～2015年南四湖入湖河流的12次水質空間監測數據，通過計算平均綜合污染指數和改進的內梅羅指數，分析南四湖入湖河流的水質變化過程，進行2006～2015年南四湖人湖河流水質綜合評價與改善效果分析研究。

2南四湖概況、采樣點及監測指標

南四湖位于淮河沂沭泗流域西部，湖內面積1266km2，南北長126km，東西寬5～25km。二級壩樞紐工程位于南四湖中部，將其分成上級湖（北）和下級湖（南），其中上級湖由南陽湖、獨山湖和昭陽湖（大部分）組成，下級湖由昭陽湖（小部分）和微山湖組成。南四湖東、西、北三面承接蘇、魯、豫、皖4省32個縣（市、區）53條河流的來水。南四湖水質空間分布監測的38個主要入湖河流采樣點編號、河流名稱見表l。

根據對南四湖流域歷史資料的分析，該流域水體污染特征主要是結構性污染，主要超標因子為COD、NH3-N等，因此根據南水北調東線工程的水質考核指標和南四湖流域的特征污染物狀況，南四湖及其人湖河流水質變化趨勢分析指標確定為化學需氧量（CODcr）、高錳酸鹽指數（CODMm）（2010、2011年增加）、氨氮（NH3-N）、總磷（T-P）和總氮（T-N）。

2006～2015年南四湖入湖河流12次水質空間監測，包括2006年秋、2007年春、2010年秋、2011年春、2011年秋、2012年春、2013年春、2013年秋、2014年春、2014年秋、2015年春、2015年秋各1次。

3水質綜合評價

3.1水質評價方法選擇

3.1.1平均綜合污染指數法

綜合污染指數法是對各污染指標的相對污染指數進行統計，得出代表水體污染程度的數值。該方法可以確定研究水體的污染程度。平均綜合污染指數是以單項污染指數為基礎計算得到的，其計算公式為：

單項污染指數（Si）：

Si=Ci/Ci （1）

綜合污染指數（Si）：

si=∑Sj （2）

平均綜合污染指數（Sj）：

單項污染分擔率，即單項污染物占參與評價的所有污染物的比率：

式（1）、（2）、（3）、（4）中：1=1、2、3、4、5，依次表示主要水質指標CODcr、NH3-N、TP、TN、CODMa;j為河流入湖河口采樣點編號（j=l，2，3，……，m）;Cij為j河流i水質指標的質量濃度實測值，mg/L;Ci為i水質指標的評價標準限值，mg/L，按《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）CODCr、NH3-N、TP、TN、CODM。的Ⅲ類標準依次為20、1、o.2、1、6mg/L;n為參與評價的水質指標數量。

根據平均綜合污染指數的大小可將水體分為合格、基本合格、污染和重污染四類，其評價分級對應關系如表2所示。

3.1.2改進的內梅羅指數法

傳統的內梅羅污染指數法數學計算過程簡單，根據所選水質指標的實測濃度和標準值，分別計算內梅羅污染指數和標準指數，再與相應的等級標準指數對照，即可得到水質評價等級，傳統的內梅羅污染指數法存在過于突出最大污染因子對水質污染的影響，未考慮權重因素同時忽略了次高污染因子的缺點。但在實際中往往有一些水質因子（如總磷）的實測濃度不大，卻對水質有著極大影響，改進的內梅羅污染指數法將各污染因子在水質評價中所占的權重考慮在內，計算公式如下：

式（5）、（6）、（7）中，Ii為第i項水質指標的污染指數，max（li）為n項水質指標污染指數的最大值;wavg（Ii）為n項水質指標污染指數的加權平均值;ci為第i項評價因子的實測濃度，i=1，2，…，n;sij為第i項評價因子的第j類標準濃度，j=l，2，…，m，本研究中j=3，根據《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類標準取值;wi為第i項水質指標的權重。

一般情況下，地表水水質標準中污染指標的濃度越小，說明對水環境質量的危害性越大，二者成反比例關系。第i項水質指標的權重為：

以Ⅲ類水質標準為基礎劃分污染等級，按改進后的內梅羅綜合污染指數法計算各水質類別的數值。在查閱大量文獻的基礎上，總結得出：當某監測點污染指數值小于0.739時，說明水質未受到污染，水質狀況較好;當污染指數值處于0.739≤wQI<1時，水質狀況在Ⅲ類標準范圍內，但水質可能受到輕微污染;當污染指數值大于1時，說明水質已經受到污染（見表3）。

3.2水質評價結果分析

將2006～2015年南四湖入湖河流水質監測數據中的CODcr、CODMn、T-P、T-N和NH3-N代入式（1）、（2）、（3）、（5）、（6）、（7），分別計算各測次的平均綜合污染指數S和改進的內梅羅污染指數WQI，找到其對應的水質類別，并計算各測次38個監測點位相應的污染指數及各類別所占比例，結果如表4、表5所示。

比較表4、表5可以得到，2015年10月南四湖入湖河流平均綜合污染指數（0.78）比2006年11月（2.58）下降了69.77%，2015年10月的內梅羅污染指數（0.949）比2006年11月（3.585）下降了73.53%，說明南四湖人湖河流治污成果顯著，整體水質明顯好轉。到2015年10月水質達到內梅羅污染等級Ⅲ級標準，綜合水質合格率達84.21%，但仍有部分河口水體處于污染狀態。

根據水質綜合污染指數法計算（表4），2006～2015年間南四湖入湖河流監測點位超標比例為15.79%～67.57%，與2006年11月比較，10年間綜合污染指數超標點位數下降率達到61.00%。根據改進的內梅羅污染指數法計算（表5），若將中度污染和重污染作為不達標的等級，則2006～2015年間南四湖入湖河流監測點位超標比例為21.05%～97.30%，與2006年11月比較，10年間內梅羅指數值超標點位數下降率達到74.56%。南四湖入湖河流總體水質逐漸得到改善，監測點位水質達標比例不斷增多。

從woi的計算過程可以看出，因為將各污染因子在水質評價中所占的權重考慮在內，所以在計算中將濃度含量低但影響大的水質指標所占比例放大，這也即為改進的內梅羅污染指數法和綜合污染指數法水質評價存在差異的原因。綜合污染指數法能在總體上反映水體的污染性質和程度，它重點考慮了水環境中各個污染因子的綜合作用，是對整體水質做出的定量描述，而改進的內梅羅污染指數法由于引進了權重的概念，避免了忽視濃度小而危害大的污染因子的弊端，因而更加合理。雖然是兩種不同的評價方法，但反映出的水質變化情況是一樣的，都能充分證明南四湖人湖河流在2006～2015年間得到有效治理，水質得到明顯改善。

4水質改善效果分析

4.1南四湖水質改善效果分析

2006年南四湖人湖河流29個監測點位的T-P和CODCr平均值各為0.24mg/L和34.94mg/L，分別達到了地表水Ⅳ類和V類標準，而NH3-N和T-N的濃度平均值分別為2.82mg/L和4.55mg/L，完全失去了地表水環境功能要求，可以看出2006年南四湖人湖河流水質較差，污染物質嚴重超標。2015年10月南四湖38個主要入湖河口CODCr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn的平均值分別為17.66、0.20、0.13、1.09和6.48mg/L，分別達到了地表水Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ類標準，與2006年11月相比，CODe。、NH3-N、T-P、T-N的平均值下降率分別為49%、93%、46%、76%，與2010年11月相比，CODM。濃度平均值下降率達14%，污染物質大大減少，水環境總體上有了很大程度的改善。

對南四湖入湖河流監測點位的CODcr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn，分別計算各測次水質指標的平均值和各測次與2006年相比污染物濃度的累計下降率（見圖1，圖2）。

由圖1可以看出，2006—2015年南四湖38個主要入湖河口CODcr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn的平均值總體呈下降趨勢，但每年的下降程度有所不同，且出現起伏波動的變化趨勢，在2015年12月各水質指標濃度都達到監測期間的最小值，水環境達到監測期間的最好狀態，南四湖水質呈逐漸變好的趨勢。由圖2可以看出，NH3-N的下降率最大，T-N、CODcr、T-P和CODMn的下降率依次減小。雖出現下降率線的波動現象，或是由于春季與秋季的水質差異性所致，但南四湖入湖河流各污染物濃度的累計下降率均保持持續改善趨勢。

4.2分湖區入湖河流水質改善效果分析

由表1可以看出上級湖湖西有13個監測點位，上級湖湖東有10個監測點位，下級湖湖西有5個監測點位，下級湖湖東有10個監測點位，將各監測點位的綜合污染指數按其所在上級湖湖西、上級湖湖東、下級湖湖西、下級湖湖東4個位置分類，并計算平均值，結果如圖3所示，污染河口比例變化見圖4。

南四湖周邊入湖河流眾多，主要有15條大河，由于不同湖區周邊入湖河流數量不同，因此湖區受河流的影響程度也不一樣，河流的水質狀況直接影響到南四湖流域的水環境質量，是湖區的主要污染來源。由圖3可以看出，在2006～2015年12次監測中，總體來看上級湖湖東監測點位的綜合污染指數值較高，其次是下級湖湖東，然后是上級湖湖西和下級湖湖西，就地理位置來看上級湖比下級湖污染嚴重，湖東比湖西污染嚴重。分析發現南陽湖周邊8條及獨山湖周邊2條入湖河流攜帶了大量的有機污染物，而且南陽湖、獨山湖距離濟寧市區較近，周邊工業區、生活區密集，接納了大量未經處理的工業廢水和生活污水，因此造成上級湖污染較為嚴重。而昭陽湖、微山湖周邊工業區、生活區稀疏，入湖河流數量較少，所以下級湖污染較輕，水質狀況好于上級湖。而南四湖周邊15條主要入湖河流中，有8條都是在湖東匯入南四湖，且多數河流因流經濟寧市區，水體污染較為嚴重，使得南四湖湖東比湖西水質狀況差。

由圖4可以看出，與2006年相比，上級湖湖西的污染河口所占比例由7.69%下降到0%，上級湖湖東的污染河口所占比例由100%下降到20%，下級湖湖西的污染河口比例由50%上升到60%，下級湖湖東的污染河口比例由57.14%下降到10%。下級湖湖西綜合污染指數值和污染河口比例在10年間波動起伏較大，甚至大部分時間水質狀況均劣于2006年，分析發現監測點位RC20（沛沿河）、RC21（鹿口河）、RC22（五段河）、RC37（挖工莊河）所在人湖河流在多數監測期間水質均不達標，導致下級湖湖西水質受到影響。

4.3水環境問題解析

為比較2006～2007年和2015年春秋南四湖流域主要污染河流的變化情況，按平均綜合污染指數逆排序篩選重污染河流：2006～2007年為洗府河、薛城小沙河、房莊河、城郭河、白馬河、梁濟運河、新薛河、洙水河、老萬福河、潘莊河、幸福河，共11條河流;2015年春秋為老運河，共1條河流。重污染河流由11條減少為1條，南四湖治污成果顯著，污染河流大大減少。

為了能直觀地對比南四湖人湖河流影響水質的主要污染物，將南四湖2006年枯水期、2010年枯水期和2015年枯水期的調查數據進行對比分析，計算各污染指標的污染分擔率，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，2006年南四湖入湖河流水質監測中CODcr和T-N的平均污染分擔率最高，分別為36.58%和37.69%，為當時南四湖入湖河流水質的主要污染物;2010年CODcr、NH3-N、TP和T-N的平均污染分擔率分別為32.66%、12.91%、14.23%和40.20%;2015年CODe，和T-N的平均污染分擔率最高，分別為34.58%和37.50%，故CODCr和T-N是南四湖入湖河流的主要污染物。此外NH3-N的污染分擔率有所下降，但T-P的污染分擔率增加較多，2006年為13.16%，2015年為20.49%。因此，南四湖流域應著重治理CODcr和T-N，同時還應控制T-P含量，從而使南四湖流域的水質能夠持續達標。

對南四湖入湖河流監測點位的電導率和透明度分別計算測次平均值，并計算與2006年相比電導率增加百分率和透明度下降百分率，結果如圖6所示。

由圖6可以看出，與2006年相比電導率增加率均為正值，即電導率呈增加趨勢，透明度下降率除2007年為負值外，均為正值，即透明度呈下降趨勢。與2006年相比，2015年南四湖入湖河流的電導率增加百分比為75.78%，透明度下降百分比為36.73%。水體的電導率上升、透明度下降，說明水體中的中水比例增加，天然徑流被上游水庫截留利用，河道徑流量減少，水資源的循環利用在南四湖流域內發揮著重要作用。

5結論

（1）2015年10月與2006年11月相比，南四湖入湖河流平均綜合污染指數下降了69.77%，內梅羅污染指數下降了73.53%。十幾年來，南四湖流域治污成效顯著，整體水環境質量得到持續改善。

（2）2015年10月南四湖38個主要人湖河口CODcr、NH3-N、T-P、T-N和CODMn的平均值依次為17.66、0.20、0.13、1.09和6.48mg/L，分別達到《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ類標準。與2006年11月相比，CODe。、NH3-N、T-P、T-N的平均值下降率依次為49%、93%、46%、76%，與2010年11月相比，CODMn的平均濃度下降率達14%，水環境總體上得到大幅度改善。

（3）2015年10月與2006年相比，上級湖湖西的污染河口所占比例由7.69%下降到0，上級湖湖東的污染河口所占比例由100%下降到20%，下級湖湖西的污染河口比例由50%上升到60%，下級湖湖東的污染河口比例由57.14%下降到10%。重污染河流由11條減少為1條老運河，影響南四湖水質的主要污染物為CODCr和T-N。

（4）建議針對南四湖人湖重污染河流的水質狀況，進一步查明污染源，對重點污染源實施有效管控，加強對非點源的控制與治理工作。