云龙湖水质状况统计学分析

万 蕾，孙晓虎

（1.徐州工程学院 环境工程学院，江苏 徐州221111；2.徐州市城区水资源管理处，江苏 徐州221008）

地表水尤其是城市河流和湖泊与人类活动关系密切，因此备受关注。上个世纪70年代以来，科研工作者和环境管理者进行了大量的地表水的监测工作，如何利用大量的监测数据，确定水体的污染特征和水质变化规律、评价水体状态等，一直是研究的热点。近年来，统计学方法被广泛应用于分析水质数据，这些方法包括主成分分析、聚类分析、因子分析等[[1-7]，一定程度上揭示了水体的污染特征和水质变化规律等。

徐州云龙湖是徐州市重要的城市湖泊，也是徐州云龙湖风景区主要景点，不仅为游客提供景观欣赏和水上娱乐等旅游休闲功能，同时也具有调节气候、减少噪声等功能，因而受到环保科研工作者和地方政府的高度重视。关于云龙湖水质方面的研究，张双圣等（2017）[8]和杨靖等（2016）[9]分别研究了云龙湖2015年的水质状况和2012～2014年的浮游植物群落结构，研究表明：云龙湖中心湖区水质明显好于入湖补水水质，枯水期水质优于丰水期；各区域浮游植物群落结构以蓝藻、绿藻和硅藻门的物种为主，在密度上蓝藻和硅藻占据绝对优势。为了保护云龙湖，徐州市政府实施了控源截污、疏浚贯通以及生态修复等一系列措施，选取新河矿井水源和云龙湖南岸两眼废弃地下水源井作为云龙湖补水水源；在玉带河岸边兴建了南望净水厂，每天处理20万t水，从玉带河上游取水，处理后排入下游。为了分析这些措施对水质提升是否卓有成效，云龙湖水质是否逐年提高，本文运用统计学方法分析了2013年至2017年徐州云龙湖的水质状况，阐述了云龙湖水质变化规律，为云龙湖及其它城市湖泊的综合治理提供参考，为城市湖泊管理者提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

云龙湖位于徐州南部风景区，属城市浅水湖泊，是徐州市重要旅游风景区和市民娱乐休闲中心。湖区水域总面积达6.76 km2，最大水深5.1 m，平均水深约2.5 m。云龙湖上游连接玉带河、闸河、废黄河、丁万河及京杭运河不牢河段，下游经奎河下泄洪水，向南流经濉河入洪泽湖[8]。云龙湖集水面积小，在没有大雨和暴雨的情况下，地表径流几乎为零[10]，因此云龙湖蓄水需通过补水解决。

1.2 监测与分析方法

图1 水质监测断面示意图

分别选取了杏花村码头1、水文阁2、水上世界3、音乐厅东4、荷风岛5、生态岛6、开元酒店7、音乐厅西8、西湖中心9作为水质监测点，监测点分布示意图如图1所示。采样的时间为2013年1月至2017年12月，在固定的监测点进行采样，每月监测一次，现场测定水温、DO（溶解氧）、pH值和浊度，采用北原氏采水器采集表层20～50 cm水样，带回实验室测定氨氮、TN（总氮）、TP（总磷）、高锰酸盐指数等指标。水样各项指标的监测参考国家环境保护局《水和废水监测分析方法》(第四版)进行，根据各监测点所釆集的水样，各水质指标分别取各监测点的平均值进行分析，共计60组数据。

1.3 统计学分析方法

统计分析采用SPSS19.0软件，作图分析采用EXCEL2010软件辅助进行。其中，在箱线图中，最上方和最下方的线段分别表示数据的最大值和最小值，箱图的上方和下方的线段分别表示数据的上四分位和下四分位，箱图中间的粗线段表示数据的中位数（中值）。箱线图中在最上方和最下方的圆圈表示样本数据中的异常值，异常值又称离群值，指大于1.5倍四分位数间距的数值。频率表示的是水质指标在某一个范围内出现的次数。相关性分析，是用来验证两个变量间的线性关系，从相关系数R2我们可以知道两个变量是否呈线性关系、线性关系的强弱，以及是正相关还是负相关。

2 结果与讨论

2.1 云龙湖水质总体情况

2013年至2017年云龙湖水质的统计学结果见表1。从表1中可以看出，2013—2017年来，云龙湖水质总体情况较好，这些年来的水质提升工程起到了成效；DO含量均满足《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》Ⅱ类水标准；水体pH值在7.96～8.56变化，平均8.19，呈弱碱性；浊度变化范围在1.50～51.41 NTU，平均18.35 NTU；氨氮最大值为0.93 mg/L，满足Ⅲ类水水质标准；TN含量较高，平均值为1.26 mg/L，极大值超过Ⅴ类水；TP平均值为0.065 mg/L，属于Ⅳ类水；高锰酸盐指数含量较低，变化范围2.65～5.60 mg/L，中值为3.95 mg/L。研究期间，云龙湖水质以Ⅲ～Ⅳ类为主，所占比例达61.67%。从方差来看，浊度季节变化较大，氨氮、TN、TP等指标变化较小。

表1 云龙湖水质总体情况

云龙湖水质各项指标的频次分布变化见图2。从图2中可以看出，云龙湖水温0～5℃和15～20℃出现的频次最高，为12次，其次为20～25℃，再次为10～15℃和25～30℃。DO出现频次最高的是8～10 mg/L，占总监测频次的43.3%，pH值出现频次最高的是8.1～8.3之间，占总频次的70%。浊度呈现右偏态分布，浊度大小在5～10 NTU出现的频次最高，占总频次的30%。氨氮出现频次最高的是0.2～0.4 mg/L，0.6 mg/L以下占总频次91.7%。TN出现频次最高的是1.0～1.5 mg/L，1 mg/L以上占63.3%，2 mg/L以上占8.3%。TP频次最高的0.4～0.6 mg/L，0.1 mg/L以下占85%。高锰酸盐指数出现频次由大到小分别是3～4、4～5、5～6、2～3 mg/L，其中3～5 mg/L占83.3%。从单一水质指标分析，氨氮以Ⅱ类水为主，占68.3%；TN以Ⅳ类水为主，占56.7%；TP以Ⅱ类水为主，占85%；DO、氨氮和高锰酸盐指数100%满足Ⅲ类水标准。

图2 云龙湖水质指标频次变化

2.2 云龙湖水质年际变化

云龙湖水质指标年际变化见图3。从年际变化箱线图可以看出，近5年来，云龙湖水温最高值和中值呈现波动，最低温有逐年降低的趋势。DO含量中值变化范围8.19～9.71 mg/L，其中2014年中值最大，2016年变化范围最小。pH值中值变化范围8.15～8.26，变化幅度较小，说明云龙湖没有工业污染，pH值比较稳定。浊度中值变化为7.63～29.53 NTU，近三年（2015—2017年）浊度明显低于2013年和2014年，并且近三年的浊度的变化范围也较小。氨氮的中值0.21～0.39 mg/L，其中2014年变化幅度最大为0.75 mg/L，2017年变化幅度最小为0.2 mg/L。TN中值变化范围为0.95～1.71 mg/L，其中2017年最大，近年来TN有升高的趋势。TP的中值变化范围为0.043～0.088 mg/L，2014年最大，2016年最小，近三年（2015—2017年）TP变化幅度较小，最大值及中值明显低于前两年。高锰酸盐指数中值变化范围为3.35～4.63 mg/L，呈现先减少后增加的趋势。比较各年度平均值，浊度：2013年＞2014年＞2015年＞2017年＞2016年，氨氮：2014年＞2016年＞2013年＞2017年＞2015年，TN：2017年＞2015年＞2013年＞2014年＞2016年，TP：2014年＞2013年＞2017年＞2015年＞2016年，高锰酸盐指数：2013年＞2017年＞2016年＞2014年＞2015年。总体分析2015～2017年水质优于2013—2014年，2016年水质最好，除TN外，水质整体呈上升趋势。氨氮和TN指标近年来波动较大与南望水厂的建设运行有关，南望净水厂采用“高锰酸钾预氧化+管道混合+机械絮凝气浮生物陶粒石英砂过滤+紫外消毒”的工艺，由于采用了高锰酸钾预氧化技术，高锰酸钾将有机氮氧化成氨氮的值大于高锰酸钾将氨氮氧化去除的值，导致出水氨氮浓度有所升高。因此，未来几年，对TN的削减任务比较严峻。

图3 云龙湖水质指标年际变化

2.3 云龙湖水质月度变化

2013年至2017年云龙湖水质主要指标的月度极大值和极小值以及平均值变化情况见表2。从表中可以看出，每年夏季氨氮浓度较高，冬季较低，每年的3月份至11月份基本呈升高趋势，最大值出现在2015年11月份。TN的变化没有明显的季节性，1月份和7月份值较大，4月至6月份浓度较低，每月的平均值均低于2 mg/L，除1月份外，其他月份低于1.5 mg/L，劣于Ⅳ类水的月份占比为16.67%。从TP的月平均值变化来看，夏季浓度较高，冬季较低，平均值最大为0.101 mg/L，出现在8月份，1～4月份的平均值低于0.05 mg/L，5月份至11月份劣于Ⅲ类水（《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》Ⅲ类水TP为0.05 mg/L）。高锰酸盐指数月度变化比较平缓，每年6月至11月浓度较高，其它月份较低。总体而言，低温季节水质优于高温季节。分析其原因，一方面与云龙湖是旅游风景区的性质有关，高温季节游船使用频繁，对水体扰动较大，湖边游人、汽车密度大，产生的面源污染对水质产生不利影响；并且夏季雨水充沛，会增加近岸土壤中有氮磷元素进入水体的可能性[11]。另一方面，夏季温度高不利于菹草等沉水植物的生长[12]，影响沉水植物的水质净化功能，导致高温季节水质较差。

表2 云龙湖水质主要指标的月度变化

2.4 云龙湖水质指标相关性分析

根据SPSS统计分析的结果，各原始数据的相关系数矩阵见表3。从表中可以看出，DO和温度的负相关系数较高（R2=-0.797），可能与云龙湖的浮游植物数量较少有关[9]，水温升高没有导致浮游植物的大量繁殖，因而没有引起白天DO含量急剧增加，需要结合浮游植物的监测做进一步分析。总氮和氨氮的相关性较小，说明水体中氨氮占总氮的比例较少（实测计算氨氮占总氮比例平均为30%左右）。TP和浊度以及COD的相关性系数比较大（R2分别为0.615和0.480），说明降雨径流使大量固体颗粒进入水体，颗粒污染物作为降雨径流的主要污染物，主要来自轮胎磨损颗粒、筑路材料磨损颗粒、运输物品的泄漏、刹车连接装置产生的颗粒、大气降尘、其他与车辆运行有关的颗粒物等。颗粒污染物是有机物和磷的主要载体，进入水体后造成浊度升高，总磷和有机质含量升高[13]。

分析近年来徐州市政府实施的云龙湖水质提升工程，自2013年开始，实施云龙湖水环境综合整治工程，对云龙湖补水线路丁万河、故黄河、闸河、玉带河沿线进行全面截污，通过实施“环湖截污”工程，先后建立三座污水提升泵站，使云龙湖周边大多数污水、雨水经排污管道进入污水处理厂，从源头上截断污水入湖；实施云龙湖周边整村搬迁和“显山露水”、“退渔还湖”、“拆违建绿”等多项重点工程，大大减少了云龙湖污染源；完成云龙湖周边八一大沟疏浚，检修原有的截污管网，安装新的管网，云龙湖周边排水系统实现雨污分流。云龙湖的3条直接入湖河道中，王窑河于2014年启动了截污导流工程，所有污水接入截污管道，调整王窑河排水走向，将王窑河片区排水路径由原来的排向云龙湖，调整为排向闸河，减少王窑河排水对云龙湖水体的影响；而军民河周边单位的污水经处理全部达到一级A的排放标准；王窑河和军民河的补水量均较少。玉带河引水故黄河，水量稳定，水质达到Ⅲ类地表水标准。三条入湖河流中，玉带河水量最大，对云龙湖的水质有重要影响。因此，可以认为云龙湖没有生活污水的点源污染，面源污染是云龙湖的主要污染源，降水是云龙湖水质变劣的主要原因之一[8]。

表3 云龙湖水质指标相关系数矩阵

3 结论与建议

（1）从2013年至2017年，云龙湖水质总体情况较好，以《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》Ⅲ～Ⅳ类为主，所占比例达61.67%；从单一水质指标分析，氨氮以Ⅱ类水为主，占68.3%；TN以Ⅳ类水为主，占56.7%；TP以Ⅱ类水为主，占85%；高锰酸盐指数100%满足Ⅲ类水标准。

（2）从2013年至2017年，DO、浊度、氨氮、TN、TP、高锰酸盐指数的中值变化范围分别为8.19～9.71 mg/L、7.63～29.53 NTU、0.21～0.39 mg/L、0.95～1.71 mg/L、0.043～0.088 mg/L、3.35～4.63 mg/L；云龙湖水质除TN外整体呈上升的趋势，2015—2017年水质优于2013—2014年，2016年水质最好。

（3）低温季节水质优于高温季节，一方面与云龙湖是旅游风景区的性质有关，高温季节受人类活动影响较大，对水质产生不利影响；另一方面与菹草等沉水植物的生长周期有关。

（4）从各指标的相关性分析，DO和温度的负相关系数较高，TP和浊度以及COD的相关性系数也比较大，总氮和氨氮的相关性较小；面源污染是云龙湖的主要污染源之一。

（5）云龙湖的水质保护措施收效显著，采用控源截污、生态修复等治理措施可以实现云龙湖的水质改善和生态系统健康发展，今后应建立健全云龙湖水质监测、评估体系以及云龙湖生态系统管理保障体系，保证云龙湖水质持续有效改善。