環(huán)太湖主要入湖河流污染負荷量對太湖水質(zhì)的影響及趨勢分析

謝艾玲,徐 楓,向 龍,徐 彬,林琳琛,王春雷

(1.太湖流域水文水資源監(jiān)測中心,江蘇 無錫 214024; 2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.重慶市水文水資源勘測局,重慶 401147)

環(huán)太湖主要入湖河流污染負荷量對太湖水質(zhì)的影響及趨勢分析

謝艾玲1,2,徐 楓1,向 龍2,徐 彬1,林琳琛2,王春雷3

(1.太湖流域水文水資源監(jiān)測中心,江蘇 無錫 214024; 2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.重慶市水文水資源勘測局,重慶 401147)

基于2007—2014年環(huán)太湖主要入湖河流水量、水質(zhì)監(jiān)測資料以及湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測資料,以CODMn、NH3-N、TP、TN為主要污染指標,闡述入太湖各湖區(qū)污染負荷量的時空分配,評估環(huán)太湖主要河流入湖污染負荷量對湖區(qū)水質(zhì)時空變化的影響。通過環(huán)太湖入湖河流水量分析,考慮污染負荷量的歷史長序列變化規(guī)律,定量了環(huán)太湖入湖河流水量、水質(zhì)等相關(guān)因素對太湖水體污染負荷量貢獻率,分析環(huán)太湖河流入湖污染負荷量對太湖水質(zhì)的影響。結(jié)果表明,近年來對太湖入湖河流的治理成效,說明對入湖河流污染物的控制是緩解和治理太湖污染負荷輸入的重要途徑,為制定和實施環(huán)太湖河流入湖污染負荷限排總量意見提供參考。

太湖;水量;水質(zhì);污染負荷量;入湖河流;治理成效

太湖是我國第三大淡水湖,位于太湖流域中心,是流域水資源調(diào)度樞紐。作為流域內(nèi)最重要的供水水源地,太湖擔負著周邊大中城市的城鄉(xiāng)供水和改善下游地區(qū)水環(huán)境的重要作用[1]。然而隨著社會現(xiàn)代經(jīng)濟的迅速發(fā)展,受工業(yè)和城市廢水以及農(nóng)田地表徑流等人為因素的影響,太湖流域的湖泊、流域污染問題日益嚴重[2-3]。從20世紀80年代初至今,太湖全湖平均水質(zhì)由原來的以Ⅱ類為主變到以Ⅳ類為主,部分湖區(qū)為Ⅴ類,甚至劣Ⅴ類;水體富營養(yǎng)化水平上升了2個等級,以中度富營養(yǎng)為主,個別水域已達重富營養(yǎng)[4],太湖富營養(yǎng)化導(dǎo)致的藍藻暴發(fā)逐漸成為太湖的主要水環(huán)境問題。尤其是2007年5月,作為無錫市主要水源地的梅梁湖藍藻大規(guī)模爆發(fā),致使數(shù)百萬居民飲用水出現(xiàn)危機[5-6]。太湖富營養(yǎng)化和藍藻水華問題目前已成為國際關(guān)注的熱點問題之一[7-8]。研究表明,湖泊水體富營養(yǎng)化是由內(nèi)源、外源污染共同決定[9],入湖河道輸入的外源污染是造成太湖水質(zhì)空間分布差異的主要原因[10],且整個太湖出入湖河流水質(zhì)狀態(tài)以氮污染為主導(dǎo)因素,磷和有機污染次之[11]。

近年來,太湖藍藻爆發(fā)的時間和范圍尚未縮減,外源污染仍是太湖富營養(yǎng)化的主導(dǎo)因子[12],生活污水和工業(yè)點源是最重要的營養(yǎng)物質(zhì)來源[13],流域水污染問題已引起了中央政府的高度重視。2011年國務(wù)院頒布的《太湖流域管理條例》[14]第六十八條中提出了關(guān)于22條主要入太湖河道控制斷面監(jiān)測的要求,《太湖流域管理條例》作為首個由國務(wù)院頒布的流域水資源管理的法律法規(guī),對太湖流域的水資源管理與保護起著重要的作用。環(huán)太湖河流是影響太湖水環(huán)境的重要因素,其進出太湖的水量大小、水質(zhì)好壞直接影響到太湖的水量、水質(zhì)變化,進出太湖污染物的量化,越來越受到關(guān)注[15]。據(jù)相關(guān)研究表明,太湖主要入湖河流輸入太湖的污染負荷約占全流域入湖河流污染負荷的80%以上[16],主要污染物為氮、磷和有機耗氧量[17],且污染負荷時空分布受不同典型年不同季節(jié)降水水量影響[18];因此,對環(huán)太湖主要入湖河流入湖水量、水質(zhì)以及污染負荷的研究對加強太湖流域水資源保護和水污染防治,保障防汛抗旱以及生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水安全,改善太湖流域生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。本文通過對環(huán)太湖13條河流出入湖水量、水質(zhì)的分析,揭示了環(huán)太湖沿岸污染負荷量的時空分布情況,進一步說明了環(huán)太湖河流入湖污染負荷量對太湖沿岸水質(zhì)包括水質(zhì)濃度、富營養(yǎng)化程度以及藍藻密度造成的影響。

1 研究區(qū)域與方法

1.1研究區(qū)域

環(huán)太湖22條主要河流分別流入貢湖、梅梁湖、竺山湖、西部沿岸區(qū)和南部沿岸區(qū)5個湖區(qū)。其中流入貢湖的河流2條,流入梅梁湖的河流3條,流入竺山湖的河流3條,流入西部沿岸區(qū)的河流7條,流入南部沿岸區(qū)河流7條。望虞河為引江濟太通道,受人工調(diào)度影響較大,大溪港閘、景宜橋、湖山橋、大錢閘、洑東大港橋有多年關(guān)閘斷水情況,洪巷港橋、烏溪港橋和楊家浦橋斷面列入22條河流時間較短,且從2012年開始進行監(jiān)測,水質(zhì)資料系列較短,為保證污染負荷量計算和趨勢分析更為合理,本文主要對水量水質(zhì)對應(yīng)關(guān)系好,水量連續(xù)且計算較為準確的河流進行分析,也即著重分析位于常州、宜興、長興、湖州地區(qū)的太湖西北部到南部沿岸的13條主要入湖河流。13條河流的13個監(jiān)測斷面和其對應(yīng)太湖湖區(qū)監(jiān)測點的分布情況見表1。

1.2研究方法

選取2007—2014年13個監(jiān)測斷面的水量及水質(zhì)監(jiān)測資料進行分析,其中水量統(tǒng)計選取整編后的環(huán)太湖水文巡測流量資料計算,水質(zhì)資料選取太湖流域水文水資源監(jiān)測中心的太湖湖區(qū)監(jiān)測點和環(huán)太湖主要河流監(jiān)測斷面水質(zhì)監(jiān)測資料。選取主要污染物中的CODMn、NH3-N、TP、TN進行分析,TN、TP是湖泊富營養(yǎng)化評價指標;NH3-N、CODMn是水功能區(qū)達標評價指標。從污染負荷量入手,以主要污染物為研究對象,對太湖西北-西南部沿岸各湖區(qū)污染負荷量的空間分布特征進行闡述,分析了2007—2014年入湖水量變化情況、入湖污染負荷量變化趨勢以及污染負荷量對太湖水質(zhì)的影響。

13條河流進行污染負荷計算時,以當月河流巡測斷面水量作為月入湖水量,若河流沒有逐月水量巡測資料,則選擇其與相應(yīng)巡測段內(nèi)基點站的年水量分配比重作為權(quán)重進行計算;水質(zhì)資料選取河流相應(yīng)斷面逐月濃度。13條入湖河流歷年來監(jiān)測斷面位置略有調(diào)整,均采用實測水質(zhì)資料進行分析,未進行修正(文中出現(xiàn)的區(qū)域或總體入湖污染負荷均以入湖水量為權(quán)重對入湖河流水質(zhì)濃度進行空間和時間上的累加,如果該巡測段(站)無入湖水量則其污染負荷量為零)。出入湖水量計算與分析按照地區(qū)劃分,污染負荷量的統(tǒng)計按照太湖湖區(qū)來劃分。

表1 環(huán)太湖13條主要入湖河流所屬巡測段(站)及相關(guān)水量水質(zhì)斷面對應(yīng)關(guān)系

2 入湖污染總負荷量變化及趨勢分析

2.1出入湖水量變化分析

歷年來各地區(qū)環(huán)太湖主要入湖河流受不同因素影響,出入湖水量情況各不相同;總體來說,13條河流歷年入湖水量占到環(huán)湖河流入湖總水量的60%以上,而出湖水量只占到15%左右,凈入湖水量是環(huán)太湖河流凈入湖水量的數(shù)倍甚至更多。分析歷年來13條河流凈入湖水量與污染負荷的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)污染負荷與水量變化趨勢接近,水量大帶入的污染負荷相對多(圖1(a)),因此13條河流在一定程度上能夠代表河道外源污染負荷的入湖情況。分地區(qū)來看,湖州市河流出入湖水量均有,受上游用戶取水以及引江濟太調(diào)水工程的影響,歷年變化波動較大,尤其是出湖水量;長興、常州和宜興地區(qū)河流由于地勢較高,出入湖水量均以入湖為主,出湖水量極少,尤其是常州,常年出湖水量為0。具體水量變化見圖1(b),負值表示出湖。

圖1 13條河流污染負荷量趨勢及出入湖水量變化Fig.1 The Pollutant load tendency and changes of water flow quantity of 13 major rivers around Taihu Lake

2.2入湖污染負荷量湖區(qū)間的分配和變化

對2007—2014年4個湖區(qū)的CODMn、NH3-N、TP、TN凈入湖污染負荷進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)入湖污染負荷量主要集中滯留在西部沿岸區(qū)、竺山湖,由于梅梁湖入湖水量相對較少,南部沿岸區(qū)出湖水量大,滯留湖區(qū)的污染負荷相對較少(表2)。

表2 太湖各湖區(qū)凈入湖污染負荷分配情況

對2007—2014年主要河流帶入各湖區(qū)的CODMn、NH3-N、TP、TN凈入湖污染負荷變化情況進行分析,不同湖區(qū)不同指標歷年變化情況各不相同(圖2)。太湖沿岸水質(zhì)有所好轉(zhuǎn),各項指標總凈污染負荷均有不同程度的下降趨勢,其中NH3-N下降趨勢較為顯著,2014年與2007年相比,下降了36%;TP、TN在2010年以后也明顯減少,2014年與2010年相比分別減少了32%和16%;CODMn呈波動下降趨勢,降幅相對較小。分湖區(qū)來看,梅梁湖和竺山湖各項指標凈入湖污染負荷有明顯下降趨勢,且梅梁湖由于入湖水量相對較少,凈入湖污染負荷保持在較低水平;南部沿岸區(qū)比其他湖區(qū)出湖水量大,凈入湖污染負荷量在較低的水平呈波動下降趨勢,降幅相對較小,2013年和2014年凈入湖CODMn污染負荷出現(xiàn)負值,即出湖大于入湖,出湖負荷量分別為580 t和224 t,分析原因是由于近兩年湖州和長興地區(qū)的河流進入南部沿岸區(qū)的水量減少而出湖水量略有增加,帶走了滯留的污染負荷,使得水質(zhì)有所好轉(zhuǎn);西部沿岸區(qū)有不同程度的升高趨勢,尤其是TP和CODMn,2014年比2007年分別增長了42%和37%,水質(zhì)變差。

圖2 各湖區(qū)凈入湖污染負荷量年際變化Fig.2 The annual variations of net pollutant loads in different regions of Taihu Lake

3 入湖污染負荷量對太湖水質(zhì)影響及趨勢分析

表3 各指標單位水量入湖污染負荷與太湖沿岸平均濃度相關(guān)系數(shù)

注:** 表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),* 表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.1單位水量入湖污染負荷與湖區(qū)水質(zhì)相關(guān)性分析

對2007—2014年歷年環(huán)太湖河流單位水量入湖污染負荷和太湖沿岸水質(zhì)用SPSS統(tǒng)計軟件進行相關(guān)性分析,其中凈單位水量入湖污染負荷選取歷年凈入湖污染負荷與凈入湖水量的比值,太湖沿岸歷年平均濃度選取太湖沿岸監(jiān)測點年均值的面積加權(quán)濃度。

統(tǒng)計分析顯示4項指標的單位水量入湖污染負荷與太湖沿岸平均質(zhì)量濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(表3),NH3-N與TP有明顯的正相關(guān)關(guān)系。說明外源污染是湖泊污染來源的重要途徑,環(huán)太湖主要入湖河流帶入的污染負荷是影響太湖沿岸水質(zhì)的主要原因之一。入湖河道TN、TP、CODMn的嚴重超標是造成太湖N、P以及有機污染的主要原因。

3.2入湖污染負荷及濃度對太湖水質(zhì)影響及趨勢分析

對2007—2014年環(huán)太湖主要河流的4項指標的逐月入湖污染負荷量、太湖沿岸湖區(qū)月平均濃度以及太湖月平均濃度進行對比分析(太湖沿岸月平均濃度和太湖月平均濃度均采用面積加權(quán)濃度),結(jié)果見圖3(a)～(d)。

由圖3可知,4項指標入湖污染負荷量變化趨勢均與太湖沿岸湖區(qū)水質(zhì)變化趨勢基本契合,且都為下降趨勢,表明太湖水質(zhì)不僅與入湖污染物濃度有關(guān),還與入湖污染負荷量及水量有關(guān);太湖沿岸平均濃度整體高于全太湖的平均濃度,說明環(huán)湖河道帶入太湖沿岸湖區(qū)的污染負荷量(即CODMn為267 488.7 t、NH3-N為83 061.7 t、TP為11 251.8 t、TN為228 770 t)會對太湖水質(zhì)造成影響。

圖3 河流湖區(qū)各指標月均對比Fig.3 Monthly contrast of different pollutant indicators between the rivers and the lake

圖4 偏枯水年、偏豐水年入湖污染負荷及太湖水質(zhì)時空分布Fig.4 The spatial-temporal distribution of pollutant load and water quality in the rivers around Taihu Lake in low flow years and high flow years

3.3不同水文氣象條件下入湖污染負荷對太湖水質(zhì)影響

按照不同降水頻率對2007—2014年的不同典型年進行分類,將降水頻率較高的2007年、2011年、2013年歸類為偏枯水年,降水頻率較低的其他5年歸類為偏豐水年。分別取偏豐年份和偏枯年份的平均值作為偏豐水年和偏枯水年的代表值。對沿岸湖區(qū)入湖污染負荷以及相應(yīng)湖區(qū)的富營養(yǎng)化程度和藍藻密度進行分析,結(jié)果表明,偏枯水年由于入湖水量較小,帶入各湖區(qū)的4項指標的污染負荷量都相對較小,各湖區(qū)的富營養(yǎng)化程度也相對較輕,藍藻密度受入湖污染負荷影響較小,主要集中在水域面積較小、岸線較短的梅梁湖和竺山湖(圖4(a),圖中湖區(qū)顏色表示富營養(yǎng)化評分值,紅色、黃色、綠色分別表示評分值高、中、低;標記個數(shù)多少表示數(shù)值大小程度);偏豐水年入湖水量大,帶入各湖區(qū)的污染負荷量相對較大,各湖區(qū)富營養(yǎng)化程度相對偏枯水年較高,藍藻密度受入湖污染負荷影響顯著,主要集中在凈入湖污染負荷量大的竺山湖和西部沿岸區(qū)(圖4(b))。偏枯水年和偏豐水年的對比發(fā)現(xiàn),影響西部沿岸區(qū)水質(zhì)的污染負荷主要是總氮和氨氮,豐水年河道凈總氮污染負荷增加導(dǎo)致西部湖區(qū)氮元素的大量積累,直接加劇了西部沿岸區(qū)的富營養(yǎng)化程度和藍藻密度。

4 結(jié)論及建議

研究表明,入湖水量主要來自湖州、常州和宜興,且湖州水量出入均有,常州和宜興水量以入為主;CODMn、NH3-N、TP、TN污染負荷量整體均呈下降趨勢,各湖區(qū)中除西部沿岸區(qū)呈小幅度波動上升走勢,其他湖區(qū)均呈不同幅度下降趨勢;13條主要入湖河流帶入太湖的污染負荷主要集中在凈入湖水量較大的西部沿岸區(qū)和竺山湖,進入2個湖區(qū)的比重之和占總?cè)牒廴矩摵傻?0%～90%,且其凈入湖水量與凈入湖污染負荷量變化趨勢相近,在一定程度上說明水作為污染負荷的載體,其大小和進出湖情況是影響污染負荷量滯留和累積的重要因素。

主要入湖河流凈入湖CODMn、NH3-N、TP、TN負荷量的下降,表明入太湖污染負荷降低。入湖河流對應(yīng)的各湖區(qū)(西部沿岸區(qū)除外)的入湖污染負荷量在2007—2014年也出現(xiàn)不同程度的好轉(zhuǎn),與近年來太湖沿岸工業(yè)廢水達標排放率和城市生活污水集中處理率的提升密不可分。各指標的凈入湖單位水量污染負荷量與太湖沿岸水質(zhì)呈顯著正相關(guān),研究發(fā)現(xiàn)4項指標入湖污染負荷量變化趨勢均與太湖沿岸湖區(qū)水質(zhì)變化趨勢基本契合,且都為下降趨勢,表明太湖沿岸水質(zhì)不僅與入湖污染物濃度有關(guān),還與入湖污染負荷量有關(guān)。偏豐水年和偏枯水年的對比進一步說明了入湖河道水量的增加導(dǎo)致入湖污染負荷量的增加,直接加劇沿岸湖區(qū)的富營養(yǎng)化程度和藍藻密度,證實了河道外源輸入作為太湖主要的污染物外源,是直接影響太湖水質(zhì)的因素。

太湖沿岸整體污染負荷的下降充分說明了近年來對太湖主要入湖河流的治理成效,值得注意的是,西部沿岸區(qū)的入湖污染負荷仍在上升,一方面由于西部沿岸區(qū)岸線長,入湖河道多,入湖水量大,導(dǎo)致入湖污染負荷居高不下,另一方面也說明其入湖河道污染源的治理力度仍有待提高。

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TrendanalysisforpollutantloadofmajorriversaroundTaihuLakeanditsimpactonwaterqualityinTaihuLake

XIEAiling1,2,XUFeng1,XIANGLong2,XUBin1,LINLinchen2,WANGChunlei3

(1.MonitoringCenterofHydrologyandWaterResources,TaihuBasinAuthority,Wuxi214024,China;2.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.ChongqingHydrologyandWaterResourceSurveyBureau,Chongqing401147,China)

Based on the monitoring data of water quality and quantity in major rivers around Taihu Lake and the monitoring data of the water quality in Taihu Lake timing from 2007 to 2017, four major pollutant indicators, including potassium permanganate, ammonia nitrogen, total nitrogen and total phosphorus are used to explore the pollutant load spatio-temporal distribution of different regions around Taihu lake, and further to evaluate the influences of the pollutant loads of the major rivers around the lake on spatio-temporal changes of the water quality in Taihu Lake. By analyzing the water quantity of the major rivers around Tahihu Lake and incorporating the long-term changes of the pollutant loads of the major rivers, the contribution of water quantity and quality in the major rivers to the pollutant loads of the Taihu Lake is investigated in a quantitive way so as to determine the impacts of the pollutant loads of the major rivers around the lake on the water quality in Taihu Lake. The results show that the major rivers around Taihu Lake have been effectively managed in recent years, indicating that controlling the pollutants of the rivers around Taihu Lake is an important approach to ease and control the input of pollution load into Taihu Lake, thus providing a reference for the formulation and implementation of the total discharge limit of the pollution load of the rivers into Taihu Lake.

Taihu Lake; water quantity; water quality; pollutant load; rivers around the lake; treatment effect

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.05.003

2016-08-17

國家自然科學(xué)基金(51309078)

謝艾玲(1991—),女,湖北黃岡人,碩士研究生,主要從事水文水資源研究。E-mail:1427527223@qq.com

向龍,副教授。E-mail:xianglong@hhu.edu.cn

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1000-1980(2017)05-0391-07