南水北调东线南四湖水质变化趋势分析

南水北调东线南四湖水质变化趋势分析

南四湖作为引水和蓄水工程的重要引水渠道和湖泊，经国务院批准的《江南水城工程污染防治意见》（gb铜38-2002），确保北海沿线水体的水质符合《地表水环境质量标准》（gb38-38-2002）的要求。一期工程的重点是南方的湖泊，这引起了人们的广泛关注。随着招生和引水工程的频繁中断，南四湖面临着沉重而紧迫的供水安全要求。国内外对湖泊及流域的水环境质量调查、分析与评价的研究成果很多,根据研究对象和目的不同,采用的研究方法也不尽相同,大体可分为水质综合指数评价方法[8,9,10,11,12,13,14]、面源污染负荷调查分析研究、沉积物吸附与释放规律研究和营养盐形态与富营养化模型研究[6,19,20,23,24,25]等.笔者依据2000—2007年南四湖流域主要入出湖河流的14个监控断面及湖内5个监测站点的水质监测数据,采用分类、分时段归纳与统计分析相结合的方法,重点分析研究自2000年山东省推行“治、用、保”并举的小流域综合治污策略等各项污染控制措施以来,南四湖及入出湖河流水环境质量的变化趋势,分析各项措施的实施与水质改善之间的响应关系以及南四湖和入出湖河流的主要污染特征,针对存在的水环境问题,提出相应的对策建议.1南四湖流域南四湖是南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖4个由北向南相连而成湖泊的总称.位于淮河沂沭泗流域西部,湖内面积1266km2,南北长126km,东西宽5~25km.二级闸坝枢纽工程位于南四湖的中部将其分成上级湖和下级湖.二级闸坝以北为上级湖,以南为下级湖.南四湖由西北向东南延伸,湖盆浅平,北高南低,天然情况是上级湖泄水入下级湖再入中运河,而南水北调输水是由下级湖南端进入,经二级坝泵站由上级湖北端入梁济运河.南四湖总流域面积31700km2(山东省流域面积25700km2),其中上级湖流域面积为27500km2,占全流域的86.8%;下级湖流域面积为4200km2,占全流域的13.2%.南四湖东、西、北三面承接苏、鲁、豫、皖4省32个县(市、区)的53条河流来水.多年平均降水量685mm,多年平均入湖径流量29.60×108m3,多年平均出湖径流量19.20×108m3,南四湖径流量年内分配极不均匀,其中80%以上集中在汛期.南四湖流域内人口约1900×104人,工业和农村生产方式门类齐全,是山东省的能源和粮食生产基地,城市化进程加快.流域内水资源短缺、水环境容量小、生态严重退化和水体污染等环境问题,已成为当地加快经济社会发展与南水北调东线水质安全保障的突出矛盾.2南四湖流域水环境质量监测系统水质变化趋势南四湖流域地形东部为山地、丘陵及山前平原,西部为西高东低的黄泛平原,地貌和土地利用等下垫面条件错综复杂,工业、农业及城市生活等污染源星罗棋布,各类污染物通过入湖河流汇入南四湖.根据南四湖流域水污染状况与环境管理的需要,参考孟伟等提出完善我国流域水环境监控技术体系的设计原则,选择南四湖流域主要入出湖河流的3个一级(国控)和11个二级(省控)监控断面及湖内5个监测站点与控制地区(见表1).根据山东省环境监测中心站2000—2007年《山东省排放污染物总量控制水质监测公报》的监测数据,对南四湖及入出湖河流水环境质量的变化趋势进行综合分析.根据南水北调东线工程的水质考核指标和南四湖流域特征污染物状况,南四湖及入出湖河流水质变化趋势分析指标:河流断面确定为化学需氧量和氨氮,湖内站点确定为化学需氧量(CODCr)、高锰酸钾指数(CODMn)、总磷(TP)和总氮(TN).3河流水质分析3.1河流监控断面和河流监控断面排放浓度分析南四湖流域主要入出湖河流14个监控断面2000年的ρ(CODCr)平均值为238.4mg/L,洸府河上游—候店桥、城郭河—群乐桥和新万福河—方庙桥断面的水质ρ(CODCr)单月平均值超过1000mg/L,最高达到1820mg/L,只有西支河—北外环桥的水质ρ(CODCr)年平均值达到Ⅴ类水标准.全年ρ(NH3-N)平均值为18.9mg/L,完全失去地表水环境功能要求.对14个监控断面的ρ(CODCr)和ρ(NH3-N),分别计算年度平均值以及该年度与前一年和2000年相应水质指标的浓度下降率(见图1,2).由图1可以看出,2000—2007年河流14个监控断面的ρ(CODCr)和ρ(NH3-N)平均值总体呈下降趋势,但每年的下降程度不同.ρ(CODCr)平均值2004年后下降减缓,这主要是受流域内重点工业污染源和部分工业行业标准的排放浓度较高影响;而ρ(NH3-N)的平均值2003年后就出现下降减缓的情况,这主要是受流域内工业污染与非点源污染的影响.据文献报道山东省每亩耕地平均化肥施用量42.3kg,高于全国平均值28.7kg的47.4%,说明农业面源等非点源污染不可忽视.2007年14个监控断面的ρ(CODCr)平均值为37.6mg/L,总体上才能达到Ⅴ类水标准,而ρ(NH3-N)的平均值为3.8mg/L,仍然超过Ⅴ类水标准.与2000年相比,ρ(CODCr)和ρ(NH3-N)的总体下降率分别达到84.2%和79.7%,南四湖流域主要河流监控断面的水质得到较大改善,但距离稳定达到调水水质Ⅲ类标准的要求还有较大差距.由图2可以看出,ρ(CODCr)的总体下降率在2001和2004年出现较大值,而ρ(NH3-N)的总体下降率在2001和2003年出现较大值.污染物浓度总体下降率较大值的出现与山东省2000年底关闭2×104t及以下3家草浆和29家制浆生产线、关停并转“十五土小”企业和2003年起实施分年度逐步加严的《山东省造纸工业水污染物排放标准》(DB37/336—2003)以及2004年各市区县污水处理厂相继投入运行等污染控制措施密切相关,2006年起实施的《山东省南水北调沿线水污染物综合排放标准》(DB37/599—2006)使得2007年的污染物总体浓度下降率进一步提高.说明工业和城市生活等点源污染控制与削减的法规、政策以及逐步加严的水污染物排放标准的执行在南四湖及流域水污染治理中起着至关重要的作用,但应避免前紧后松和执法不严,因此,科学地制定有关法规、政策、标准和加强执法力度并重成为南四湖及流域水污染治理的双重要素.3.2南四湖流域水质污染特征南四湖入出湖河流大多为季节性河流,雨季产生径流和行洪,旱季以污水排泄为主.南四湖流域的丰水期为6—10月,枯水期为1—4月和12月,平水期为5和11月.由于自然、气候、水文情势和人类生产活动的季节性变化,使得南四湖入出湖河流的水质呈现以年为周期的变化特征.考虑到2000—2007年水质监测数据的时间跨度较大,对河流14个监控断面分2000—2003年和2004—2007年2个时间段计算水质ρ(CODCr)和ρ(NH3-N)月平均值变化过程(见图3).由图3可以看出,南四湖流域主要河流监控断面水质月平均ρ(CODCr)和ρ(NH3-N)均具有明显的季节性变化规律,即枯水期污染物浓度高水质差;5月随雨季来临,地表径流汇聚点源、非点源污染物,ρ(CODCr)出现起伏;丰水期初期6—8月随雨季延续和降水的增多,雨水不断冲刷陆域和河床聚集的污染物,同时伴随着对污染物的稀释作用,使得河流的ρ(CODCr)和ρ(NH3-N)逐渐降低,到9—10月污染物浓度达到最低,最大降低幅度可达到50%以上,水质相对最好;11月随冬季来临,地表径流量减少,污染物浓度逐渐增高,水质变差.河流枯水期(低流量状态下)河水水质主要反映点源污染状况,而丰水期(高流量状态下)河水水质主要受非点源污染影响,因此,南四湖流域主要河流监控断面水质月平均变化规律反映了点源是南四湖入出湖河流的主要污染特征.但要注意到河流流量最大的7,8月并不是污染物浓度的最小月份,说明非点源污染强度不可忽视.综上所述,在南四湖流域内工业和城市生活等污染源的高浓度超标排放有效控制的同时,应高度重视非点源的控制与治理工作.3.3监控断面位置南四湖流域主要入出湖河流14个监控断面分时段水质ρ(CODCr)和ρ(NH3-N)的统计比较,见图4.由图4可以得到,2000—2003年ρ(CODCr)和ρ(NH3-N)按平均综合污染指数评价法超过Ⅴ类水标准的严重污染河流监控断面依次为城郭河—群乐桥、洸府河—东石佛、薛城小沙河—蒋集桥等共10个断面,占监控断面总数的71.4%;2004—2007年超过Ⅴ类水标准的严重污染河流监控断面依次为老运河—西石佛、洸府河—东石佛、薛城小沙河—蒋集桥、城郭河—群乐桥等共8个断面,占监控断面总数的57.1%,大多数河流监控断面仍处于严重污染状态.因此,加强南四湖流域的工业结构调整、重点企业截污和城市污水处理厂脱氮除磷等点源控制措施仍是重中之重.4湖泊水质分析4.1南四湖水质变化趋势南四湖5个监测站点由北向南依次为前白口、南阳、二级坝上、大捐、微山岛东,东西向一般位于湖的中部或东部主航道上,前3个站点位于上级湖,后2个站点位于下级湖.2000年南四湖ρ(CODCr),ρ(CODMn),ρ(TP)和ρ(TN)的总体平均值分别为29.3,10.2,0.15和3.7mg/L.对5个监测站点的ρ(CODCr),ρ(CODMn),ρ(TP)和ρ(TN)分别计算年度平均值和该年度与2000年相应水质指标的浓度下降率(见图5,6).由图5,6可以看出,总体上南四湖水质逐渐变好,但也出现起伏波动的变化趋势.2007年南四湖ρ(CODCr),ρ(CODMn),ρ(TP)和ρ(TN)的平均值分别为27.8,5.0,0.11和1.9mg/L.2007与2000年相比,南四湖ρ(CODCr),ρ(CODMn),ρ(TP)和ρ(TN)的总体下降率分别为5.1%,51.2%,25.6%和49.6%.受南四湖流域主要入湖河流2000年前后高排污,2001年前后湖内高开发和2002年出现干涸的严重影响,南四湖水质ρ(CODCr)和ρ(TN)出现较大的起伏波动现象.2001年ρ(CODCr)升高18%,2002年ρ(TN)又回到2000年的水平,南四湖水质出现变差的现象.南四湖2005年出现ρ(TP)升高,2006年又出现ρ(CODCr)和ρ(TN)升高.说明南四湖水质受流域陆源排放、湖内生产污染源排放、湖泊内源释放以及水文情势等多重因素的交叉作用,因此,应加强上述诸方面的调查、分析与试验研究,提出科学合理地输水水质安全保障的综合控制方案.4.2水质特征与底泥释放的关系根据收集的南四湖水质监测资料,对5个监测站点2003—2006年的ρ(CODCr),ρ(CODMn),ρ(TP)和ρ(TN)指标分别计算月平均变化过程(见图7).由图7可以看出,南四湖ρ(CODCr),ρ(CODMn),ρ(TP)和ρ(TN)的峰值几乎都出现在7月前后,水质较差.分析认为,南四湖的污染特征与汛期流域非点源污染负荷增大、湖内耕作和养殖生产污染加重以及水温升高、藻类快速生长、湖水理化性质发生变化引起的内源释放等有关.南四湖11月ρ(CODCr),ρ(CODMn)和ρ(TN)升高,可能与湖内水生植物枯竭腐烂、水温降低等有关,南四湖ρ(TN)的季节性变化波动频繁,恰恰反映了湖内氮素的多重循环特性.特别是在7月之前受水温升高内源释放等的影响ρ(TP)单调递增,之后受湖内悬浮物吸附沉降等的影响ρ(TP)单调递减.在丰水期高流量状态下,南四湖出现ρ(TP)的最大值.说明湖泊底泥的磷素释放负荷对南四湖水质磷污染起主导作用,因此,应重视南四湖底泥吸附与释放规律的试验研究.4.3南四湖水质分析南四湖上级湖相当于水库的上游段,南阳岛以北的南阳湖则相当于水库的库尾段,湖床淤积,水深小,湖面窄,底坡大.南阳湖的库容仅占南四湖总库容的11.8%,其集水面积却占总来水面积的64%,入湖污染物负荷占南四湖入湖相应污染物总负荷的70%以上.因此,南四湖库容分布与入湖污染物负荷分布极不相称.图8为南四湖湖区由北向南5个监测站点2000—2003和2004—2007年2个时间段的ρ(CODCr),ρ(CODMn),ρ(TP)和ρ(TN)平均值.由图8可以看出,除TN外,从南四湖全湖范围来看,自北向南水质逐渐变好,在下级湖的北段大捐略有起伏.一方面是南四湖入湖污染物负荷由北向南递减,而上、下级湖的库容分布都是由北向南递增,污染物在相应库段的停留时间短,得不到有效的稀释扩散和自净降解;另一方面是非调水期南四湖水流方向由北向南,湖水沿程有一定自净能力的缘故.从水质指标来看,南四湖TN分布出现北(前白口)南(微山岛东)2个监测点高,中间(二级坝)监测点低的态势.前者是上级湖北段污染负荷普遍偏重,后者是由下级湖东侧入湖的薛城小沙河控制单元内化肥厂等工业排污产生的氮污染负荷较高所致.南阳和岛东2个监测点的ρ(TP)平均值在2004—2007年比2000—2003年有所上升,特别是岛东上升了47.7%,南四湖后一时段的ρ(TP)分布出现了与ρ(TN)北南两段高中间低的类似态势,南四湖水体富营养化形势严峻.5强化点源管控,健全水质监管机制a.2007年与2000年相比,南四湖入出湖河流14个监控断面的ρ(CODCr)总体下降率达到84.2%,ρ(NH3-N)总体下降率达到79.7%.总体上水质有了大幅度的改善,但距离稳定达到调水水质Ⅲ类标准的要求还有较大差距.南四湖入出湖河流水质受点源污染控制法规、政策和标准实施的影响很大,建议科学地制定有关法规、政策、标准和完善执法机制