南水北调东线工程调水期洪泽湖水质变化规律分析_刘瑞艳.pdf

第 卷第 期 年 月河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）：基金项目：国家自然科学基金（，）作者简介：刘瑞艳（），女，硕士研究生，主要从事水环境研究。：通信作者：刘凌（），女，教授，博士，主要从事生态水文与水环境保护研究。：引用本文：刘瑞艳，张建华，刘凌，等南水北调东线工程调水期洪泽湖水质变化规律分析河海大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：南水北调东线工程调水期洪泽湖水质变化规律分析刘瑞艳，张建华，刘 凌，赵梓屹（河海大学水文水资源学院，江苏 南京；江苏省水利厅，江苏 南京）摘要：为了解南水北调东线工程调水期间洪泽湖水质变化，基于 年洪泽湖调水期水质监测数据，采用 趋势检验分析水质年变化趋势，通过空间插值得出各湖区水质分布规律，并进一步用主成分分析法分析水质主要污染类型。结果表明：年洪泽湖调水期水质在合格至轻度污染之间，和 为主要超标因子；时间上水质有变好趋势，空间上过水区水质最差，但有转好趋势，而成子湖区和溧河洼区有所恶化；污染类型以富营养化污染为主，氮磷营养盐影响较大；水质污染以入湖河流输入和建设用地增加人类活动的污染为主要来源，还伴有偶发污染事故；时间上洪泽湖对东线输水的综合水质有改善趋势，建议进一步加强相关污染防治工作，保护洪泽湖水环境，保障南水北调东线工程输水水质安全。关键词：洪泽湖；南水北调东线工程；水质评价；空间插值；主成分分析；趋势分析中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；洪泽湖是南水北调东线工程重要的调蓄湖泊，在防洪抗旱、饮水灌溉、航运养殖等方面发挥重要作用，其水质影响周边居民和北调受水区人民饮水安全。但近年来随洪泽湖周边地区经济快速发展，围网第 期刘瑞艳，等 南水北调东线工程调水期洪泽湖水质变化规律分析养殖规模扩大，生产生活污水大量排放。尤其丰水期淮河下泄带来污水污染了洪泽湖，总氮、总磷浓度长期超 地表水环境质量标准类标准，甚至有些月份低至劣类，年，整体水质为类，东南和西南湖区污染更严重，已经归为劣类水体。南水北调东线工程承担了向沿线城市补充供水的任务，调水直接关系调蓄湖泊生态健康和供水安全。张婷婷等研究了南水北调东线一期工程输水干线水质，发现近年来其优良比例整体升高；韦翠珍等发现调水后，洪泽湖总磷含量有所降低，但不显著。朱天顺等研究表明，调水期间有面源性氮、磷污染物排入湖中，造成调蓄湖泊水质比非调水期水质差，面临富营养化风险。以往针对洪泽湖水环境状况研究，主要集中在水质评价、营养盐状况和人类活动干扰等，对于其在南水北调东线工程调水期间水质时空变化特征和影响因子研究较少。为探索洪泽湖在南水北调东线工程中的影响效应，本文运用水质综合评价法评价调水期洪泽湖水质，采用 趋势检验分析调水期洪泽湖水质时空变化规律，利用主成分分析法研究洪泽湖水质主要影响因子，并提出了改善洪泽湖调水期水质的建议，以期为洪泽湖水环境保护及南水北调东线工程建设提供参考。研究区概况和研究方法 研究区域概况图 研究区监测点分布 表 年南水北调东线工程江苏段调水时间 年份调水天数 年份调水天数（月）（月、月）（月）（月、月）（月）（月）（月、月）（月、月）洪泽湖位于淮河流域中下游，地处江苏省苏北地区淮安市、宿迁市境内，平均水位约 ，水域面积，是我国五大淡水湖泊之一，容积达.亿。承担了来自淮河.万 流域面积的下泄水，是淮安市、宿迁市主要的水源地，也是南水北调东线工程重要的调蓄湖泊之一。研究区主要分为成子湖区、溧河洼区和过水区三部分。溧河洼区地势较高，水深较浅；成子湖区水体流动性差，水生植被丰富。过水区属于湖心，有河流东部流入、西部流出，水动力条件较强、水草少，同时承担淮河水下泄，主要受淮河水质影响。根据湖泊生境条件，在洪泽湖布设 个监测点，并在淮河、南水北调东线工程出入湖位置各设 个点，共 个点（图）。、点分别为入湖、出湖点，为淮河入湖前点，均与过水区直接相通。、位于成子湖区，位于过水区，、：位于溧河洼区。水质监测指标包括 值、溶解氧（）、高锰酸盐指数（）、化学需氧量（）、氨氮（）、五日生化需氧量（）、总磷（）、总氮（）共 项。数据采用江苏省水利厅的监测结果，调水时间见表，调水期间每月监测 次。水质评价方法 单因子评价法根据水质评价标准 地表水环境质量标准采取最差因子判别法，即选取参与水质评价的所有水质因子中水质类别最差的指标的水质类别作为所属水体综合水质类别。综合污染指数法综合污染指数可以定性描述水体水质综合污染情况，本文选取影响水质的主要污染因子，包括、和 计算综合污染指数，评价标准依据 地表水环境质量标准类湖泊标准。计算方法如下：河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷（）其中 式中：为综合污染指数；为参与评价的所有指标种类；为指标 单项污染指数；为指标 实测质量浓度，；为指标 环境质量标准，。根据综合污染指数大小，一般划分水质为合格（）、轻度污染（）、中度污染（）和重污染（）类。统计分析 空间插值为探究指标空间分布特征，利用空间插值法推求离散点数据区域面分布图。变异系数大的水质因子对环境更敏感，水体受污染后显著影响其空间变化。本文对各断面 项水质指标多年平均值变异系数最大的指标（）进行插值，并根据 地统计向导中的交叉验证方法选择插值方法：选择平均误差（）和均方根误差（）都最小的插值方法，并优先考虑 确定最优插值方法，最终选择反距离加权法（）进行插值。主成分分析为探究各湖区主要水质污染类型，对洪泽湖水质指标进行主成分分析。利用 检验和 球性检验分析主成分分析指标适用性，当 检验值大于、检验显著性小于 时，指标适合做主成分分析。选取污染因子作为分析指标计算初始特征值和主成分贡献率并作双标图。趋势检验为得到指标在时空上变化趋势，采用 秩相关系数 定量分析洪泽湖各断面水质年变化动态状况，其计算公式见文献。将 绝对值和临界值 比较，检验周期为，对应的显著水平（单侧检验）置信区间 为。，表明在统计时段内相关统计指标呈上升趋势；，表明在统计时段内相关统计指标呈下降趋势。当 绝对值大于 时，表明变化呈显著性趋势；否则，变化不显著。结果与分析图 年调水期洪泽湖主要污染因子浓度 调水期单项水质指标质量调查结果表明，值、溶解氧均属于地表水环境质量标准类水，不是主要污染因子，不作为水质污染状况研究对象，因此采用箱线图分析其余 项主要污染指标单项水质指标质量（图）。总体上，和 为主要超标项目，其他污染因子基本保持在类水平。平均质量浓度为.，标准偏差为.，平第 期刘瑞艳，等 南水北调东线工程调水期洪泽湖水质变化规律分析均达类，其中 年中位值最大。平均质量浓度为.，平均达类，除 年、年中位值较高外，其他几年变化平稳。平均质量浓度为.，平均达类，中位值 年较高。平均质量浓度为.，平均达类，中位值在 年和 年达到较高水平。平均质量浓度为.，平均达类，中位值在 年显著下降。平均质量浓度为.，平均达类，年中位值较低，年较高。年调水期洪泽湖主要污染因子是 和，其中 平均污染水平最严重。图 调水期洪泽湖水质评价结果 湖泊水质年变化分析 年洪泽湖调水期综合污染指数分别为.、.、.、.、.、.、.和.，水质等级为合格或轻度污染。年洪泽湖调水期年均值单因子评价结果如图 所示：总体上，年调水期优于类水的水质占比逐渐减小，年占比增大；其中 年、年和 年优于类水的水质占比小幅度下降，年最小，年最大。年、年和 年调水期 分别小幅度上升，年最大，年最小。种评价方法得到的水质年变化趋势一致：世纪以来洪泽湖建设用地和围圩养殖增加，年洪泽湖面积不断削减，水体总量减少，农业、生活外源污染物输入增加，水质不断变差；到 年湖面积最小，水质最差；此后不断拆除围网，水质有所好转。其中 年与 年、年和 年相比，在汛期的调水天数远大于其他，大量极端降水和入湖河流来水带来的污染物使水质比其他 稍差；年年初调水期洪泽湖西北部入湖河道因工程建设和工程排污发生突发性水质恶化，导致西北部水质较差，湖泊整体较前两年水质稍差。年调水时水质最好，类水占比最大，为.，与 年全年干旱，洪泽湖湖水主要用于外调，外源输入很少有关。湖区污染时空变化特征采用 趋势检验法，计算洪泽湖单因子指数及综合污染指数的变化趋势特征，结果见表。调水期洪泽湖 种水质污染因子总体呈下降特征，（）、（）、（）、（）、（）、（）的秩相关系数（）分别为、，其中（）显著下降，其他 个指标微弱下降。综合污染指数的秩相关系数 为，轻微下降，说明调水期洪泽湖污染总体呈减轻趋势特征，主要因为过水区水质明显转好。表 年调水期水质污染秩相关系数 采样位置（）（）（）（）（）（）过水区成子湖区溧河洼区湖泊平均入湖点出湖点淮河由表 已知过水区 的 为，显著下降，污染减弱，（）、（）减小，其中（）显著减小（.），其他污染因子有增加趋势，说明过水区污染下降主要受、减少影响。调水以来入湖点（）有显著升高趋势，（）显著减小，过水区（）、（）受其影响有相同趋势，而（）、趋势与之相反，说明过水区（）、污染年变化受调水线输入影响较小。而淮河（）、有显著减小趋势，过水区（）、趋势与之相同，受淮河影响较大。（）主要受东线输水和淮河中（）减小（、）影响，（）下降主要与淮河中（）显著减小（）有关，总体水质好转与淮河水质变河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷好（）有关。溧河洼区和成子湖区 总体呈上升趋势特征，（）、（）和（）呈增加趋势，其他污染因子浓度减少；说明溧河洼区和成子湖区污染加重，且加重原因主要在氮磷营养盐增加上，与湖泊西南和西北部建设用地不断扩大、面源污染加重有关。调水以来输水线入湖前（）、（）、（）、（）要低于出湖后（表），说明洪泽湖增加了东线输水的这几个指标质量浓度；（）则出湖后小于入湖前，洪泽湖可以减小东线输水中（）。而在调水前期洪泽湖对输水的（）和 有增大影响，后期则有减小趋势，出湖点 的 为，年变化下降显著，说明随着调水时间增加，洪泽湖对东线输水水质有改善趋势。表 南水北调东线输水时出入湖水质状况 年份（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）入湖出湖入湖出湖入湖出湖入湖出湖入湖出湖入湖出湖入湖出湖图 调水期洪泽湖综合污染指数空间分布 采用反距离加权法（）进行空间插值，得到 年调水期洪泽湖水质综合污染指数空间分布（图）。成子湖区和溧河洼区在调水前期综合污染状况为合格，调水中期污染增加到轻度污染，后期污染减少为合格，年为轻度污染；过水区在调水前期综合污染状况为合格，在调水中期污染增加为轻度污染及部分区域的中度污染，调水后期大部分区域污染减少到合格。年洪泽湖调水期污染最轻，只有在过水区南部有轻度污染现象。总体而言，年调水期间洪泽湖成子湖区和溧河洼区污染相对较少，中南部污染较严重，尤其是过水区湖心和南部。南水北调东线工程输水通过过水区入湖，由表 可知调水时入湖点与湖泊过水区各水质指标显著相关（），说明洪泽湖过水区水质受南水北调东线工程调水影响。将淮河入湖点与过水区的（）和（）做 相关分析，发现洪泽湖过水区与淮河的（）、（）相关系数分别为 和，相关性较高（、），说明过水区的氮磷污染与淮河水下泄密切相关。过 水 区 的 水 质 污 染 与 淮 河 水 下 泄 和 东 线 调 水 输 入 密 切 相 关，氮 磷 污 染 物 由 过水区南部直接排入湖中，过水区流速较快、底泥的释放产生大量悬浮物；而溧河洼区和成子湖区流速较第 期刘瑞艳，等 南水北调东线工程调水期洪泽湖水质变化规律分析表 洪泽湖与南水北调东线工程调水期入湖点水质指标 相关性 指标相关系数指标相关系数 慢、水草丰富，污染物沉降。水质主成分分析 主成分对 项主要污染因子作主成分分析。监测数据的 统计量为，的球形检验值为，变量间不相互独立，存在相关关系，适用于主成分分析。提取特征值大于 的 个主成分，其方差贡献率分别是、，累计贡献率达到（表）。表 特征值及主成分贡献率 成份初始特征值提取载荷平方和特征值方差 累积 特征值方差 累积 图 调水期洪泽湖主成分分析双标图 表 主成分载荷系数 指标载荷系数主成分 主成分 表 中主成分 对总方差的贡献率为，在、和 上有较高载荷，分别为、.和。其中 表示水中微生物分解有机物的耗氧状况，氮磷可为水生植物和水中微生物提供营养，与湖泊富营养化状况密切相关，因此可将主成分 定义为富营养化污染状况指标，是洪泽湖最主要的污染指标。主成分 贡献率为，主要代表，载荷系数为.。表示水中有机物含量，可将主成分 作为有机污染程度指标。水质主要污染类型图 为 调水期洪泽湖主成分分析双标图，图中横轴为各样点在主成分 排序轴的得分，纵轴为各样点在主成分 排序轴的得分。由图 可见，主成分 对洪泽湖各样点总方差的贡献率为，主成分 对洪泽湖各样点总方差的贡献率为。成子湖区和溧河洼区样点主要分布在一、四象限，水质状况相似，主要影响因素为、，表明成子湖区和溧河洼区主要的污染类型是富营养化和有机污染混合污染，洪泽湖建设用地和养殖活动集中在这两湖区周围，人类活动影响下污染物大量输入；过水区样点分布与其他两湖区差别较大，主要分布在二、三象限，水质影响因子为 和，表明过水区主要是富营养化污染，东线调水和淮河下泄水的直接输入使过水区氮磷污染较突出。综合而言，洪泽湖调水时水质主要污染类型为富营养化污染，主要限制因子为氮磷营养盐，由外源河流输入和周边养殖建设区人类活动排入大量引起富营养化的物质导致。结 论 洪泽湖调水期水质主要污染指标为 和，平均达类或类水质，水质总体在合格至轻度污染河 海 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷之间。过水区水质劣于其他湖区。调水期以来各水质污染指标全湖均值均呈现下降趋势，湖水综合质量微弱上升。其中过水区污染年际上显著减轻，成子湖区和溧河洼区污染呈增加趋势。洪泽湖调水期间水质污染来源以入湖河流输入污染和建设区人类活动污染为主，伴有偶发的污染事故。污染类型以富营养化污染为主，伴随氮磷营养盐限制。成子湖区和溧河洼区污染模式相似，为富营养化和有机污染混合污染，主要来自集中在两湖区周围的养殖用地和建设用地排放的面源污染；过水区污染模式差异较大，主要限制因素是东线输水和淮河排入的、。随调水时间增加，洪泽湖对东线输水水质有改善趋势。基于洪泽湖调水时主要污染来源，应继续加强对淮河污染治理，减少入湖河流氮磷输入；继续加大对围网养殖限制力度，同时着重注意成子湖区和溧河洼区建设用地造成的污染输入。参考文献：，（）：葛绪广，王国祥洪泽湖面临的生态环境问题及其成因人民长江，（）：（，（）：（）国家环境保护总局地表水环境质量标准：北京：中国标准出版社，崔嘉宇，郭蓉，宋兴伟，等洪泽湖出入河流及湖体氮、磷浓度时空变化（年）湖泊科学，（）：（，（）：（）王霞，沈红军，刘雷，等洪泽湖水质特征分析及评价环境与发展，（）：（，（）：（）滕海波，刘志芳，冯凯南水北调东线一期工程供水目标实现存在的问题与对策研究项目管理技术，（）：（，（）：（）赵世新，张晨，高学平，等南水北调东线调度对南四湖水质的影响湖泊科学，（）：（，（）：（）田家怡，陆兆华，闫永利，等南水北调东线工程山东段生态安全评价南水北调与水利科技，（）：（，（）：（）张婷婷，杨刚，张建国，等南水北调东线一期工程输水干线水质变化趋势分析水生态学杂志，（）：（，（）：（）韦翠珍，付小峰，李洪亮南水北调东线调水前后洪泽湖总磷含量时空变化探讨治淮，（）：（，（）：（）朱天顺，刘梅，申恒伦，等南水北调东线湖群水体营养状态评价及其限制因子研究长江流域资源与环境，（）：（，（）：（）李吉平，徐勇峰，陈子鹏，等洪泽湖地区麦稻两熟农田和杨树林地氮磷径流流失特征研究南京林业大学学报（自然科学版），（）：（，（），（）：（）第 期刘瑞艳，等 南水北调东线工程调水期洪泽湖水质变化规律分析 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