崔 璨， 董增川*， 童 建， 石晴宜， 張?zhí)煅埽?陳 霞

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.江蘇省水利廳 水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站， 江蘇 南京 210029)

洪澤湖是我國綜合利用的大型平原水庫和淮河流域最大的湖泊型水庫，承擔(dān)著防洪、供水、航運、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多種功能[1-2]，同時也是南水北調(diào)重要的水利樞紐、江蘇省重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，其水質(zhì)的優(yōu)劣，關(guān)系到湖周邊甚至整個淮河流域經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展[3]。多年以來，由于上游存在許多治污設(shè)施落后的小規(guī)模工業(yè)企業(yè)，湖區(qū)周邊農(nóng)業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)亦很發(fā)達(dá)[4]，營養(yǎng)鹽類和有機(jī)污染物作為面源污染大量排入湖體，加之洪澤湖自身流動性較差，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能持久破壞，導(dǎo)致洪澤湖的水質(zhì)富營養(yǎng)化嚴(yán)重。2019年江蘇省水利廳發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)洪澤湖生態(tài)保護(hù)和科學(xué)利用的實施意見》，并出臺《洪澤湖區(qū)域綜合性保護(hù)規(guī)劃》，統(tǒng)籌安排了洪澤湖流域的綜合治理和保護(hù)。為此，筆者認(rèn)為有必要在合理評價水質(zhì)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)對洪澤湖水質(zhì)時空演變規(guī)律及原因的認(rèn)識，故選取了2003—2020年洪澤湖主要入湖河道的水質(zhì)監(jiān)測資料，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，對其展開研究，為洪澤湖水環(huán)境整治提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況與采樣點位置

洪澤湖位于淮安與宿遷2市(33°06′E～33°40′E，118°10′N～118°52′ N)，是我國第四大淡水湖。洪澤湖正常水位12.5 m，對應(yīng)水面面積為1 597 km2，平均水深1.9 m，最大水深4.5 m，容積30.4億 m3。湖泊長度65 km，平均寬度24.4 km，汛期或大水年份水位可高達(dá)15.5 m。洪澤湖屬過水型湖泊，為淮河中下游結(jié)合部，承接淮河15.8萬 km2流域面積的來水，是蘇北地區(qū)重要水源地，也是南水北調(diào)工程重要的調(diào)蓄湖泊。按水域劃分由成子湖灣、溧河湖灣、淮河湖灣三大湖灣組成[5]，按照行政區(qū)劃分屬淮安市洪澤、盱眙、宿陰和宿遷市宿城、泗洪、泗陽六縣區(qū)。

洪澤湖主要入湖河道集中在湖西部，包括淮河、新汴河、老濉河、新濉河、徐洪河、懷洪新河、池河等，其中淮河入湖流量占總?cè)牒?0%以上。出湖主要河道由淮河入江水道、入海水道，淮沭新河和蘇北灌溉總渠(廢黃河)組成，承擔(dān)控制、調(diào)節(jié)、排泄，利用洪澤湖水資源的過水建筑物為三河閘、二河閘及高良澗閘。根據(jù)洪澤湖湖泊形態(tài)、水文特征和功能區(qū)劃，最終選取的主要入湖河道及其對應(yīng)站點分別為：淮河(盱眙化肥廠站)、新汴河(瑤溝站)、老濉河(泗洪(老)站)、新濉河(泗洪(濉)站)、徐洪河(金鎮(zhèn)站)及懷洪新河(雙溝站)。

1.2 評價指標(biāo)與數(shù)據(jù)搜集

參照以下原則對評價指標(biāo)進(jìn)行選?。孩僭u價指標(biāo)的選取應(yīng)遵照國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；②評價指標(biāo)的選取應(yīng)考慮監(jiān)測資料的完備性；③對水環(huán)境影響較大、對生命體造成危害的污染物應(yīng)優(yōu)先選?。虎車宜廴疚锱欧艠?biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的污染物評價指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先選取。

根據(jù)洪澤湖水環(huán)境要求，兼顧指標(biāo)變化的敏感性和數(shù)據(jù)的完備性，本研究收集了2003—2020年6條主要入湖河道的長系列監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自江蘇省水文水資源勘測局，選取NH3-N、TP、TN、CODMn為主要評價指標(biāo)； NH3-N、 TP、TN為理化和營養(yǎng)鹽指標(biāo)， CODMn為有機(jī)污染指標(biāo)。對水質(zhì)的綜合評價采用雙指標(biāo)法(NH3-N、CODMn)，對主要污染物負(fù)荷、污染物通量、水質(zhì)變化趨勢的分析采用多指標(biāo)法。依據(jù)《江蘇省洪澤湖保護(hù)規(guī)劃》，現(xiàn)狀洪澤湖水質(zhì)為Ⅲ～Ⅳ類，且2020年目標(biāo)水質(zhì)為Ⅲ類。因此在本次水質(zhì)評價中，取Ⅲ類水質(zhì)指標(biāo)作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 研究方法

采用流量加權(quán)法計算各項指標(biāo)的年均質(zhì)量濃度，應(yīng)用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法劃分監(jiān)測斷面的水質(zhì)類別并評定污染等級。針對某一監(jiān)測斷面，流量加權(quán)法、單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法的計算公式分別為

Cij=(q1jcij1+q2jcij2+......+qmjcijm)/Qj

(1)

(2)

(3)

式中：Cij為第i個指標(biāo)在第j個斷面m次水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量濃度的平均值；{cij1，cij2，…，cijm}為第i個指標(biāo)在第j個斷面的單次水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果；{q1j，q2j，…，qmj}為第j個斷面單次水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果所代表時段的河段平均流量；Qj=q1j+q2j+......qmj。Pij為第i個指標(biāo)在第j個斷面的單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Si為第i個指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度值，參照國家環(huán)境保護(hù)總局《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)；Pj為該監(jiān)測斷面的綜合污染指數(shù)；n為參與評價的污染物項數(shù)。其中，綜合污染指數(shù)P可依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》，將水質(zhì)評價分為五類：當(dāng)P<0.2時為清潔；當(dāng)0.2≤P<0.4為尚清潔；當(dāng)0.4≤P<0.7為輕污染；當(dāng)0.7≤P<1.0為中污染；當(dāng)1.0≤P<2.0為重污染；當(dāng)P>2為嚴(yán)重污染。

污染物分擔(dān)率主要表征不同污染物對水體污染的貢獻(xiàn)水平，并確定主要污染物。計算污染分擔(dān)率以對各個監(jiān)測斷面的主要污染負(fù)荷進(jìn)行量化，計算公式為

(4)

式中，Kij為第i個指標(biāo)在第j個斷面的污染物分擔(dān)率，Kij越大，相應(yīng)指標(biāo)對污染的貢獻(xiàn)率越高。

采用污染物通量估算方法對各河道的污染物進(jìn)行時段通量的估算，污染物時段通量指的是單位時間內(nèi)流經(jīng)某斷面的污染物質(zhì)量。實際測量中，由于流量、雨水情、采樣點的代表性及監(jiān)測頻率等會對通量產(chǎn)生影響，使其波動較大，故選擇長系列水質(zhì)監(jiān)測成果的平均值和年平均水量來計算逐年的水質(zhì)質(zhì)量濃度及入湖污染物量，計算公式為

(5)

2 結(jié)果與討論

2.1 入湖河道水質(zhì)綜合評價分析

水質(zhì)評價通常采用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法相結(jié)合，單項指標(biāo)評價是對每種指標(biāo)單獨進(jìn)行評價，最后選擇其中最差的單項指標(biāo)所屬類別來確定所測入湖水體的水質(zhì)類別；同時，為了解決單項指標(biāo)表征水質(zhì)污染不夠綜合全面的問題，采用綜合污染指數(shù)法可綜合反映水體受污染程度。為此，應(yīng)用以上2種方法對洪澤湖 6 條主要入湖河道水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行評價，評價結(jié)果見表1。

表1 洪澤湖主要入湖河道不同年份水質(zhì)評價結(jié)果

(續(xù)表1)

評價結(jié)果表明，各入湖河道總體上屬Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì)，略差于其執(zhí)行的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要超標(biāo)因子為TN和TP?；春?、新汴河、老濉河、新濉河、徐洪河、懷洪新河多年污染指數(shù)變化范圍分別為0.37～0.66、0.52～2.41、0.38～1.55、0.55～1.46、0.47～1.25、0.49～0.93；多年平均綜合污染指數(shù)分別為0.49、1.00、0.84、0.91、0.86、0.69；中污染以上的年份占總年份比分別為0%、50%、61%、72%、78%、39%。其中，新汴河、老濉河、新濉河、徐洪河污染狀況較為明顯，且新汴河在2009—2012年、2014—2016年出現(xiàn)連續(xù)的嚴(yán)重污染，水質(zhì)指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)倍。總體來看，截至2020年，各條入湖河道水環(huán)境狀態(tài)有所好轉(zhuǎn)，且已經(jīng)能夠達(dá)到目標(biāo)Ⅲ類水水質(zhì)。

2.2 入湖河道主要污染負(fù)荷分析

比較 6 條主要入湖河道各監(jiān)測斷面的污染負(fù)荷，見圖1，可以明顯發(fā)現(xiàn)各河道的首要污染均為TN，貢獻(xiàn)率在44%～61%的范圍內(nèi)，TP、TN、CODMn占比不相上下，貢獻(xiàn)率分別為14%～17%、9%～17%、16%～25%。同一污染指標(biāo)在不同監(jiān)測點的重要性存在差異，點源污染主要來自蚌埠、徐州和盱眙的工業(yè)廢水和生活污水[6]。其中，淮河入湖途徑盱眙化肥廠，將上游絕大部分的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水納入湖中，造成氮類污染較嚴(yán)重，因此TN分擔(dān)率較其他河道偏大；新汴河、新濉河與老濉河位于洪澤湖西北部，上游安徽境內(nèi)的宿州等地存在多個工業(yè)園區(qū)和污水處理廠[7]，河道各污染物分擔(dān)率基本一致，均為TN > CODMn> NH3-N > TP；懷洪新河與徐洪河的CODMn分擔(dān)率顯著大于其他河道，可見懷洪新河上游地區(qū)排放的工業(yè)廢水含有大量有機(jī)和無機(jī)可氧化污染物質(zhì)。

圖2 各入湖河道多年平均污染物分擔(dān)率

2.3 入湖污染物通量分析

根據(jù)2003—2020年洪澤湖入湖河道的水量及水質(zhì)數(shù)據(jù)，計算逐年通過各河道進(jìn)入洪澤湖的污染物通量，見圖2～4。CODMn和TN總?cè)牒吭?003年最高，2013年最低，在2003—2013年間呈下降趨勢，2013—2020年間呈上升趨勢，TP及NH3-N年際變化不大，均在2007年達(dá)到峰值。

圖3 各污染指標(biāo)入洪澤湖通量變化過程

計算多年平均污染物總?cè)牒浚Y(jié)果表明，洪澤湖多年平均氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)的入湖通量分別為12 651.66 t/a、3 636.84 t/a、72 149.45 t/a、129 914.76 t/a。計算各河道多年平均污染物通量貢獻(xiàn)率，如圖4所示。其中，淮河入湖污染物所占比重最大，NH3-N、TP、TN、CODMn分別占總?cè)牒康?8.9%、83.8%、87.9%、83.9%；新汴河入湖污染物所占比重最小，NH3-N、TP、TN、CODMn分別占總?cè)牒康?.7%、1.0%、0.9%、1.0%。

圖4 各入湖河道多年平均入湖通量分擔(dān)率

2.4 入湖水質(zhì)變化特征與趨勢分析

選取淮河、新汴河、老濉河、新濉河、徐洪河、懷洪新河 6 條入湖河道2003—2020年的水質(zhì)監(jiān)測資料，分析CODMn、NH3-N、TP、TN4項指標(biāo)的年際變化趨勢，見圖5，其中TN顯著超過控制的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

各入湖河道CODMn變化均較為平穩(wěn)，除新濉河水質(zhì)呈好轉(zhuǎn)趨勢外，其余5條入湖河道污染物質(zhì)量濃度均有所上升?；春?、老濉河、懷洪河、徐洪新河大多數(shù)年份均未超出Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中以淮河CODMn質(zhì)量濃度較低，優(yōu)于Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。多數(shù)河道在2008—2013年污染物質(zhì)量濃度偏大，考慮到排入其中的生活廢水和工業(yè)污水中有機(jī)和無機(jī)可氧化物質(zhì)含量較高。

就NH3-N而言，淮河、新濉河和懷洪新河污染有所緩解，新汴河、老濉河和徐洪河稍有惡化。其中，新濉河NH3-N指標(biāo)得到顯著改善，由Ⅳ～Ⅴ類降低至Ⅱ～Ⅲ類；較為顯著的是在2010年新汴河的NH3-N質(zhì)量濃度高達(dá)3.35 mg/L，老濉河在2003年和2018年污染物也陡然抬升，但近些年來污染在很大程度上都得到了緩解。

從TP的總體變化來看，淮河、新濉河呈下降趨勢，其余 4 條入湖河道呈上升趨勢?；春覶P年均質(zhì)量濃度始終維持在0.1 mg/L左右；新汴河、老濉河和徐洪河TP質(zhì)量濃度上升趨勢十分明顯，質(zhì)量濃度最大值分別為0.51 mg/L(2015年)、0.39 mg/L(2017年)，0.37 mg/L(2015年)。在2020年各河道污染指標(biāo)均低于或趨向Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

歷年來各入湖河道TN超標(biāo)情況較為嚴(yán)重，尤其是在2008—2013年間，但近年相對改善。以新濉河與徐洪河污染最為嚴(yán)重，多年平均質(zhì)量濃度達(dá)2.82 mg/L、2.77 mg/L；老濉河和新汴河的TN質(zhì)量濃度年際波動很大，分別在2007—2011年、2008—2011年急劇上升且最高達(dá)3.7 mg/L和4.92 mg/L。

但可以看出，隨著洪澤湖污染治理的推進(jìn)，近些年來各項污染指標(biāo)都明顯降低，水質(zhì)類別也顯著提升。

洪澤湖水質(zhì)狀況與流域降水量及過境水量有很大關(guān)系。根據(jù)河干流吳家渡水文站 1950—2010年統(tǒng)計，汛期 5—9月來水量192.3億 m3，占全年70%，由于淮河流域降水量時空分布不均，導(dǎo)致各入湖河道來水量年內(nèi)變化也明顯，因此區(qū)分汛期(5—9月)與非汛期(1—4月、10—12月)，通過計算多年平均質(zhì)量濃度分析CODMn、NH3-N、TP、TN 4項指標(biāo)的年內(nèi)變化趨勢，見圖6。從圖6可以看出，6 條入湖河道CODMn、NH3-N、TP、TN的年均值分別為5.34 mg/L、0.89 mg/L、0.14 mg/L和2.65 mg/L，除個別入湖河道，CODMn、NH3-N與TP基本穩(wěn)定在Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，TN在所有河道均遠(yuǎn)超出Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)倍。

圖6 洪澤湖6條入湖河道污染指標(biāo)多年平均質(zhì)量濃度年內(nèi)變化

與其他指標(biāo)相比，CODMn年內(nèi)差異較小，來水量多少對于質(zhì)量濃度的影響很小。其中淮河的CODMn質(zhì)量濃度低至Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)且變化平穩(wěn)；新汴河CODMn指標(biāo)在8月達(dá)到峰值7.1 mg/L；新濉河CODMn年內(nèi)波動稍大，但各月質(zhì)量濃度均在Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)；徐洪河與懷洪新河的CODMn穩(wěn)定在4～6 mg/L之間，滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

受汛期來水量增多影響，各入湖河道汛期NH3-N質(zhì)量濃度有所稀釋。但老濉河污染較嚴(yán)重，NH3-N質(zhì)量濃度最高且年內(nèi)差異較大，最高質(zhì)量濃度達(dá)4.8 mg/L，8—10月穩(wěn)定在0.5 mg/L左右；新汴河與懷洪新河則出現(xiàn)汛期質(zhì)量濃度稍大于非汛期的情況，不符合普遍規(guī)律，考慮是由于河道來水年內(nèi)差異小，汛期污染物質(zhì)量濃度稀釋作用不明顯。

對于TP而言，由于汛期來水量增多，部分農(nóng)田被淹沒導(dǎo)致水流攜帶大量化肥匯入河道，且夏季生活中含磷洗衣粉使用頻率上升，這都使得汛期入湖河道水體TP質(zhì)量濃度較高。其中，在5—8月除有個別河道污染超標(biāo)外，其余月份均穩(wěn)定在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)；較為反常的，老濉河冬季出現(xiàn)明顯惡化現(xiàn)象，由數(shù)據(jù)資料可見在2007—2011年間11—12月份TP質(zhì)量濃度顯著高于其他年份，推測是由于當(dāng)時含磷洗衣粉的使用較為廣泛，且非汛期較枯造成。

與NH3-N相類似，各入湖河道雖然汛期TN質(zhì)量濃度偏小，但全年均處于嚴(yán)重超標(biāo)狀態(tài)，富營養(yǎng)化嚴(yán)重，多數(shù)月份質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，即2 mg/L，水質(zhì)最好的時間大多出現(xiàn)在 9月，各河道質(zhì)量濃度均值為1.65 mg/L。其中以懷洪新河污染最輕，老濉河污染最為嚴(yán)重，最高達(dá)6.5 mg/L。

3 不同分區(qū)污染物變化原因分析

依據(jù)河流主要功能、所在地理位置、流經(jīng)土地類型等，將除淮河外的其他入湖河道分為上游來水(西部)河流、過城區(qū)(中部)河流、過農(nóng)業(yè)區(qū)(東部)河流[8]。位于西部的新汴河、新濉河、懷洪新河主要作為上游來水進(jìn)入洪澤湖的通道，水質(zhì)狀況主要決定于來水水質(zhì)；位于中部的老濉河流經(jīng)泗洪縣城城區(qū)，是泗洪縣主要納污河流；位于東部的徐洪河主要流經(jīng)農(nóng)區(qū)，水質(zhì)主要受上游來水及境內(nèi)農(nóng)田排水影響。

(1)上游來水(西部)河流是連接上游與洪澤湖的輸水通道，其污染物主要來自上游地區(qū)的工業(yè)廢水，汛期水質(zhì)未見明顯改善。在2008—2011年，各項污染物年均質(zhì)量濃度均上升，近年來雖稍有改善但仍未徹底解決，上游各地區(qū)仍應(yīng)嚴(yán)格控制工業(yè)廢水的排放，減輕西部河流污染負(fù)荷。

(2)過城區(qū)(中部)河流流經(jīng)泗洪縣城區(qū)，沿線村落密度較大，接納了泗洪縣城區(qū)大量的工業(yè)及生活污水，造成氮類及磷類污染負(fù)荷均較重且污染情況日趨嚴(yán)重。在非汛期，降雨補水較少，入湖河道流量小，水體流動性差和自凈能力差，而汛期來水量增大有效稀釋了河道中各類污染物。

(3)過農(nóng)業(yè)區(qū)(東部)河流主要流經(jīng)農(nóng)區(qū)，主要污染物為TN和TP，近年來TN控制較有成效，但TP仍呈顯著上升趨勢。由于汛期降雨與徑流的增加，將周邊農(nóng)田大量面源污染帶入水體，使得汛期TP總體質(zhì)量濃度大于非汛期。

4 結(jié) 論

此次選擇2003—2020年洪澤湖6 條主要入湖河道，對其監(jiān)測站點的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了水質(zhì)評價與污染物變化趨勢分析的研究，主要結(jié)論如下：

近年來，洪澤湖入湖河道水質(zhì)總體穩(wěn)定向好，截至2020年已控制在《江蘇省洪澤湖保護(hù)規(guī)劃》目標(biāo)的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，多數(shù)年份處于中度污染。在汛期多數(shù)污染指標(biāo)由于來水量增大得以稀釋，質(zhì)量濃度有所降低，但TN仍未得到有效控制，變化趨勢不明顯，說明污染的控制不能僅靠水體的自凈能力，還需采用人工手段進(jìn)行干預(yù)，進(jìn)一步削弱污染。

污染物分擔(dān)率分析表明，各入湖河道的首要污染物均為TN，貢獻(xiàn)率高達(dá)約50%以上。嚴(yán)重超標(biāo)污染物為TN、TP，均嚴(yán)重超出Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)這2項污染物參與水質(zhì)評價時，多數(shù)河道為劣V類水平，基本不達(dá)標(biāo)。

從河道不同入湖區(qū)域來看，上游來水(西部)、過城區(qū)(中部)和過農(nóng)業(yè)區(qū)(東部)河流的污染狀況和原因存在差異，其中淮河入湖污染物通量所占比重最大，高達(dá)約80%。西部河流污染物主要來自上游地區(qū)的工業(yè)廢水，2008—2011年水質(zhì)惡化，近年來有所緩解；中部河流接納泗洪縣城區(qū)大量工業(yè)廢水及生活污水，氮類及磷類污染負(fù)荷均較重；東部河流主要受到農(nóng)區(qū)面源污染及上游來水的影響，TP呈顯著上升趨勢。