1990—2016年東平湖水位變化及其對水質的影響

李景璇，陳影影,2，韓 非，陳詩越

（1江蘇師范大學地理測繪與城鄉規劃學院，江蘇徐州 221116；2中國科學院地球環境研究所黃土與第四紀地質國家重點實驗室，西安 710061）

0 引言

水位是表征湖泊水庫演化狀態的重要指標之一[1]，對湖泊水量、水環境以及生物演替等有直接或間接的影響，與湖泊水質參數間具有較好的相關性，被認為是影響湖泊生態系統穩定的關鍵因素[2]。水位的變化不僅直觀反映了水體水情，而且會在改變湖泊蓄水量、比熱容的同時影響湖泊水動力過程[3]，是目前湖沼學及相關領域的重要研究內容[4-5]。湖泊水位的波動因受氣候、地形、水利工程等的影響，是一個既存在必然性規律，也表現出強烈的隨機性的動態過程[6-7]。因此，研究湖泊水位變化特征及其與相關水質參數的關系對深入理解湖泊的生態環境演變和建設湖區生態的可持續發展均具有重要意義。

東平湖是黃河下游最大的蓄洪湖泊，同時也是南水北調工程中重要的調蓄湖泊。隨著國家大型水利工程建設的深入推進和東平湖湖泊生態系統的發展，東平湖的水質狀況不僅會直接影響受水地區的用水安全，而且對湖區周圍以及流域內水環境的可持續發展尤為重要。但由于全球氣候異常變化以及大型水利工程修建等人為活動的強烈干擾[8]，東平湖發生較為顯著的水文變化，尤其湖泊水位變化頻繁、庫容減少、水污染事件頻發，嚴重影響了湖泊水資源的合理利用、流域居民的用水安全及水體生態系統的功能發揮。目前，針對東平湖水環境問題一些學者從沉積環境演變[9]、水環境變遷[10-11]、表層重金屬分布[12]以及微生物群落生態結構差異[13]等方面進行了研究，但從湖泊水位與水質關系角度的研究還較少開展。為此，本研究主要基于1990—2016年東平湖主要水文站水位實測數據，探討了1990—2016年東平湖水位變化特征及其與常規水質參數之間的關系，闡釋了水位變化對水文因子的影響，旨為探究黃河與東平湖的河湖關系、東平湖湖泊生態系統保護以及南水北調東線工程通水狀態下東平湖水位的科學管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

東平湖地處山東省泰安市，是黃河下游僅存的天然湖泊（圖1）。湖區季風氣候特征顯著，夏、秋兩季降水集中，冬、春兩季低溫少雨。作為輻射狀水系的中心，東平湖由淮河流域的滯洪湖（二級湖）和黃河流域的蓄水湖（一級湖）組成，與黃河、大汶河和南水北調東線工程相連，在調蓄、防洪、排澇、治理黃河以及保護環境等方面起到重要作用[14-15]。

圖1 研究區概況圖

1.2 資料來源與方法

本研究采用的1990—2005年東平湖水位數據來源于1993年東平湖志編纂委員會編的《東平湖志》[14]和2005年東平湖管理局所編的《東平湖志》[15]中安山站、土山站等水文站的水位數據，2006—2016年的水位數據是黃河網水情日報統計的東平湖逐日實測水位數據。年均水質數據源于學者們對東平湖進行采樣研究的實測數據[16-20]，并選取TN、TP、COD和高錳酸鹽指數4個指標以分析東平湖水質與水位變化的關系。

利用Microsoft Excel 2016和SPSS Statistics 2019分別對東平湖基礎數據進行數據處理、相關性分析與制圖。

2 結果與討論

2.1 東平湖水位變化特征

大汶河入湖徑流量、流域降水量與蒸發量、南水北調東線工程等均影響東平湖的水位高度[21]。1990—2016年東平湖的年平均水位為41.31 m，水位最低年份是1993年，為39.32 m；最高年份是2011年，水位為42.29 m（圖2）。自1990年起，東平湖水位以0.43 m/10 a的速率波動上升，具體表現為：1990—1993年東平湖湖泊水位波動變化較大，年平均水位差值高達0.75 m；1993年水位處于歷史最低值，經過該突變年份后東平湖水位開始長期波動上升。1993—2001年水位變化總體趨于上升，上升幅度為0.28 m/a，是東平湖自1990年以來水位上升趨勢最為顯著的時段。之后至2003年水位逐年下降，平均每年下降0.36 m。2003—2011年東平湖的水位再次波動上升，上升幅度為0.17 m/a，是湖區水位顯著上升的第二個時段（1993—2001年為第一時段）。東平湖的水位在2011年達到了歷史最高值后連年下降至2015年，水位平均每年降低0.33 m；2016年水位開始再次波動上升，至2020年東平湖年平均水位達到41.71 m。

圖2 1990—2016年東平湖水位變化趨勢

1990—2016年東平湖水位年際距平變化（圖3）顯示：東平湖水位正、負距平交錯出現[22]，其中，負距平年份大多集中于1990s，而從2004—2014年，東平湖水位高度始終為正距平。整體而言：自1990年以來，東平湖水位高度從1990年的40.07 m開始大幅度波動變化，至1993年降至歷史最低水位值39.32 m；而后東平湖水位長期波動式上升，至2011年達到42.29 m的歷年最高水位值，年上升幅度為0.16 m；東平湖水位上升年份占整個時段的56%，而44%的年份水位在下降。由此可知研究時段內多數年份東平湖水位都呈上升趨勢。

圖3 1990—2016年東平湖水位年際距平變化

2.2 東平湖水質變化特征

東平湖水質變化與湖泊上游黃河以及大汶河入湖污染量關系密切。近年來隨著國家對黃河流域污染整治力度的加大，東平湖水質由劣V類逐漸好轉為III類，氮、磷等污染物質的濃度也逐漸降低[23,24]，湖泊水質得到明顯改善。利用東平湖1990—2016年水位水質的監測資料對湖泊水質年際變化進行分析對比，可知近年來東平湖水體污染物質含量整體呈下降趨勢，1990—2016年東平湖TN、TP、COD和高錳酸鹽指數隨水位變化的具體情況見圖4。由圖4可知，隨著湖水位的上升，東平湖各常規水質指標濃度逐年波動較大，整體呈波動降低趨勢。

圖4 東平湖常規水質指標時間序列變化圖

1990—2016年東平湖TN濃度在0.37～5.77 mg/L區間內波動變化，根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，1991—2012年東平湖TN濃度值大部分年份均超過V類水質標準；2014、2016年TN濃度分別為0.72 mg/L和0.7 mg/L，顯著低于1991—2012年間東平湖TN濃度，處于III類水狀態；2015年東平湖TN濃度符合II類水質標準。

同期東平湖TP濃度為0.027～0.267 mg/L，其中僅1996年TP濃度到達研究時段內的最高值且高于V類水質標準；1990、1991、1998年，東平湖TP濃度分別為0.101、0.138、0.128 mg/L，符合V類水質標準[25]；1994年以及2000—2016年（除2003、2008年）東平湖TP濃度始終小于0.05 mg/L，滿足III類水質要求；其余年份TP濃度符合IV類水質標準。

1990—2016年間東平湖水體COD濃度波動較大(15～50 mg/L)，1998年達到濃度最高值后持續降低，2012年低至最低COD濃度值。1990—2009年，除個別年份外，東平湖COD濃度年均值均高于IV類水質標準，處于IV類至劣V類水狀態。2010—2016年，東平湖COD濃度小幅波動降低且濃度始終低于20 mg/L，符合III類水質標準（其中2012年濃度最低值為15mg/L，較1998年的峰值下降70%[26]）。

高錳酸鹽指濃度的變化趨勢與COD濃度相似，年際濃度波動較大(1.6～12.2 mg/L)，其中1992年東平湖高錳酸鹽指數濃度達最高值12.2 mg/L，處于V類水狀態；2012年降至最低值1.6 mg/L，符合I類水質標準。1990—2016年東平湖高錳酸鹽指數濃度波動下降：1990—1992年高錳酸鹽指數濃度大幅上升達到最高值后快速下降，1994—1996年持續上升達到次高值(10.5 mg/L)后波動下降，2012年達到研究時段內最低值，2012—2016年在較低水平波動(1.6～4.7 mg/L)。除1992年和1996年之外，各年份高錳酸鹽指數濃度均低于IV類水質標準。

總體而言，1990—2016年間東平湖水質有明顯改善。1990—1999年，東平湖的大多數水質指標均處在較高值區波動，且大部分時段超標，湖泊污染十分嚴重。2000年以來，東平湖水位顯著上升，TP、COD等指標均呈下降趨勢，其中僅部分年份的TN濃度超過V類標準，TP和高錳酸鹽指數濃度則基本滿足III類標準，湖泊水質相較于1990s有所改善。

2.3 東平湖水質與水位變化的關聯性

水位動態變化是影響東平湖湖泊生態系統的關鍵因素，為進一步研究東平湖水位與水質之間的關系，本研究運用Spearman秩相關系數法將1990—2016年東平湖監測站點的TN、TP、COD和高錳酸鹽指數濃度與水位變化進行分析，結果見表1。

表1 東平湖主要水質指標與水位變化的相關系數

由表1可知：東平湖年平均水位與TN濃度的相關性系數為0.043，其絕對值小于0.5且超出0.01的置信水平，表明東平湖水位變化對TN濃度的影響很小，甚至無影響。TP、高錳酸鹽指數均與水位的相關性系數分別為-0.550、-0.685，這說明東平湖TP、高錳酸鹽指數隨著水位的上升而降低，隨著水位的下降而增加。東平湖COD濃度在一定程度上也受水位變化的影響，相關性分析結果顯示，相關系數為-0.389。綜合分析東平湖的水質情況，TP、COD、高錳酸鹽指數總體濃度隨水位的升高而降低，兩兩間均存在不同程度的負相關性，TN濃度與水位之間無明顯相關性。

影響東平湖水質的主要自然因素有大汶河入湖徑流量、降雨以及水位變化等。相關性分析結果表明，東平湖COD、高錳酸鹽指數濃度與水位變化之間均為負相關性，這與前人研究結果較一致[11]。東平湖流域內工業廢水和城市污水的大量排放會引發水體COD含量激增，例如，泰安市2000年生活污水中COD排放量近7×104t[27]；另外，流域內經濟產值較低的造紙產業COD排放量也占據80.26%[28]。為減少因COD的大量排放而引發的居民用水安全和東平湖水污染問題，山東省政府近年來加強了對東平湖流域的綜合治理，調整和優化產業結構，擴建污水處理廠，完善湖區污水處理設施及配套管網建設[29]，從根本上減少了COD的排放量。結合表1，表征水體中還原性有機質含量的另一指標高錳酸鹽指數濃度與TP、COD的相關性系數分別為0.825和0.752，與水位變化的相關系數為-0.685，說明東平湖高錳酸鹽指數與TP、COD濃度變化具有顯著一致性，與水位變化呈負相關關系。近年來，隨著上游大汶河入湖水量、湖區降水量的增加以及政府相關管理政策的實施，東平湖水位高度不斷抬升，湖泊流速變緩，水體中懸浮的營養鹽、雜質離子等物質下沉沉積于湖泊底泥中，這進一步促使東平湖還原性有機質濃度大幅降低，COD和高錳酸鹽指數濃度均減少，湖泊水質變佳[3]。綜上可知東平湖COD、高錳酸鹽指數濃度與水位變化表現出負相關性，湖泊水位的上升在一定程度上可以減少水體有機污染，凈化東平湖水環境。

將東平湖1990—2016年TN、TP濃度與水位變化進行Spearman相關性分析，結果顯示東平湖水位與TP濃度具有顯著的負相關性，與TN無顯著相關關系。王丹等[25]對東平湖研究發現，1990—2012年湖泊水位與TN、TP濃度無顯著相關性，而年降水量與TN、TP間相關性顯著，說明東平湖水位的變化對氮、磷濃度沒有直接的影響，補給水源可能是更重要的影響因子。據統計，上游大汶河向東平湖提供了全年85%的水量[30]，且大汶河流域的排污量占據整個東平湖污水排放量的82.2%[18]，因此大汶河水質變化對東平湖水環境產生的生態效應不容小覷。淡水湖泊中入湖污染量和流域面源污染是影響湖泊TN的主要因素[18]。東平湖TN濃度的變化趨勢體現出較強的外源性，受水位變化影響較小，整個湖區TN的含量因大汶河入湖污染量、水生植被演替以及水產養殖業發展等因素都顯得十分豐富。相關水質監測資料表明：東平湖上游大汶河流域水生態系統健康狀況整體較差，水體污染物質含量嚴重超標[31]。同時，近年來大汶河排入東平湖的生活污水急劇增長，工業廢水量飆升，導致大汶口至東平湖入湖口河段納污能力直線下降，TN等湖泊污染物因得不到有效的稀釋和凈化而直接流入湖泊，東平湖水質變差。大汶河沿岸的農田耕地同樣導致東平湖氮含量劇增[32]，具體表現為：TN濃度的大汶河河流值明顯高于東平湖湖泊值，其濃度高值點也主要集中在東平湖入湖口區域[33]。東平湖湖心區域同樣存在TN濃度的高值點，推測水生植被演替是促使該現象發生的主要原因。菹草作為東平湖水生植被中的絕對優勢種，春季其旺盛的生長態勢顯著抑制了沉積物的懸浮，改善了湖泊水質。但其多數植株會在夏季衰敗死亡、腐爛降解，與此同時湖水溫度升高，湖泊底層溶解氧含量降低，東平湖底棲動物和湖泊風浪的擾動會促進底泥中氮元素的釋放，導致湖泊TN濃度顯著上升，加劇東平湖的水污染[34]。此外，東平湖地區日益嚴重的人地矛盾是造成湖泊TN濃度增加的另一原因。1958年，湖區居民開始在東平湖建魚種場，1979年大范圍網箱養魚發展水產養殖業，直至2018年東平湖湖區全面取締網箱網圍養殖，大力推廣“人放天養”的生態養殖模式以保護東平湖生態環境和湖泊功能，減少水質污染[35]。盡管政府做出了相應的整改措施，但長期水產養殖投放的大量藥物餌料以及魚蝦蟹的排泄物在湖泊中累積，仍造成東平湖有機物和TN等營養鹽濃度升高，湖泊局部生態系統平衡紊亂。同時，東平湖是以磷元素為水體富營養化主要限制因子的淡水湖泊[25]，水位變化對TN含量影響小，且大汶河入湖污染量、湖區水產養殖業發展皆造成水體TN濃度發生大幅波動，因此東平湖水體TN濃度與水位變化無顯著相關關系。

大汶河與東平湖未形成明顯的TP濃度差[33]，且東平湖TP濃度與水位變化呈顯著負相關性，因此可認為東平湖TP含量受大汶河入湖污染量影響較小，水位是導致其濃度變化的主要原因。由于東平湖為磷限制型湖泊[25]，水體中的磷元素大多以磷酸鹽的形式沉積于湖泊底泥中。隨著東平湖的水位上升與庫容增加，湖泊自身的凈化能力和水體溶解氧含量得到大量提高，下邊界沉積磷等沉積物的狀態因不易受到上邊界風浪的干擾而愈發穩定[3]，外源磷含量足夠滿足湖泊中的微生物和水生植被的生長演替的需要。因此，TP濃度隨著東平湖水位的上升而下降，二者呈負相關關系。前人的研究結果認為東平湖TP濃度受水位變化影響較小[11,25]，可能是因為湖區降水量的增減雖未造成東平湖水位的明顯變化，但攜帶了大量含磷物質進入水體，增加了湖泊自身調節的負擔。然而自2013年南水北調東線一期工程通水后，東平湖水位顯著抬升，湖泊自凈與稀釋能力增強，湖泊TP濃度隨水位上升而降低。

東平湖作為調水東線的最后一級調蓄湖，其湖泊水質直接影響下游受水地區的用水安全。自2013年11月15日東線一期工程投入使用至今，已總計向山東省調入水量46.1×108m3，抽取水量超過330×108m3[36]。東平湖在調水期間不斷接受來自長江下游江蘇境內多級泵站的送水，湖泊水位也隨之上升。目前東平湖湖泊平均水位較通水前已有所抬高，且相關工程規劃規定東線一期工程正常蓄水位為43.01 m，因此東平湖自工程通水后將長期處于高水位蓄水，這不僅導致湖泊水面擴大而且對東平湖水環境乃至周圍生態環境造成不同程度的影響。已有研究表明：東平湖調水期間主要受TN、TP濃度的影響，水質處于輕度富營養狀態，且輸水過程中外源氮、磷等污染物的流入會直接導致東平湖水質受到污染，水動力條件的變化會引發東平湖水體營養鹽空間分布改變和底泥中部分重金屬元素的上涌釋放[37]。東平湖長期高位蓄水在促使水產養殖業發展的同時會破壞湖泊堤壩，淹沒沿岸土地，導致農業化肥等有害物質流入水體，湖泊TN、TP等營養鹽的濃度會進一步增加?？傮w看來，東平湖的湖泊水質并未因南水北調東線一期工程的通水而發生本質性改變。相反，通水后部分水質指標濃度超標，湖泊受到輕微污染。但因東線工程引水水質較好，大量的長江水進入東平湖后對湖水起到稀釋作用，東平湖湖泊水質、水體富營養化程度以及健康風險均得到改善。與此同時，東平湖每年輸入穩定量的優質水源，一方面提高了東平湖湖泊生態系統的生產力和恢復穩定性，增加了湖泊的生物量和物種多樣性，另一方面有效降低藻類爆發性生長的可能性，改善了東平湖水生態環境。

通過以上分析可知，南水北調東線一期工程的通水雖有助于東平湖水環境的改善，但是東平湖湖泊水質并未發生本質性的變化。大汶河入湖污染量、水產養殖以及周邊居民生產生活用水的排放等因素雖對東平湖水質產生一定程度的影響，但湖泊水位變化仍是引發水質發生改變的重要原因。因此，應該合理調控東平湖的水位高度，密切關注湖泊水質變化情況，這樣在一定程度上可以增強東平湖水體的自凈能力，擴大水環境容量，降低水體富營養化的風險，創造更加優良的湖域生態環境，維持東平湖湖泊生態系統的健康，實現東平湖水環境和湖泊資源的可持續協調利用發展。

3 結論與建議

通過對1990—2016年東平湖的水位水質監測數據進行分析，得到如下結論。

1990—2016年東平湖水位整體波動上升，水體TN、TP、COD以及高錳酸鹽指數濃度均存在不同程度的降低，湖泊水質得到明顯改善。其中TN濃度雖波動變化范圍較大但整體下降呈下降趨勢；TP、COD分別在1996年和1998年達到研究時段內的最高濃度值后開始下降，并長期在較低水平范圍內波動；高錳酸鹽指數濃度大多年份也均低于IV類水質標準。相關性分析結果表明，東平湖TP和高錳酸鹽指數濃度均與水位變化呈顯著負相關關系，COD濃度與水位變化呈負相關，TN濃度變化受水位影響較小。南水北調東線一期工程通水后，東平湖水位長期處于高位蓄水狀態，湖泊水質因引水量大且水質較好而得到一定程度的改善，但未從根本上治理東平湖。

為確保南水北調東線工程受水區域水質安全以及東平湖湖泊生態系統的可持續利用發展，建議相關部門今后制定科學完善的東平湖管理制度，對東平湖的水位漲幅進行合理調控，使得通過控制水位實現東平湖水質管理具有理論支持和可操作意義。另外，政府部門應做好宣傳教育工作，提倡上游及當地居民減排，全方位開展流域環境綜合整治，恢復并保持湖區健康的水生態環境，構建更加優良的東平湖湖泊生態系統。