環(huán)太湖江蘇段入湖河道污染物通量與湖區(qū)水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系

呂 文，楊 惠，楊金艷，馬 倩，高曉平，蔣如東，王曉杰，徐 勇， 聶 青

(1：江蘇省水文水資源勘測(cè)局蘇州分局，蘇州 215011)(2：江蘇省水文水資源勘測(cè)局，南京 210029)(3：江蘇省水文水資源勘測(cè)局無(wú)錫分局，無(wú)錫 214031)(4：江蘇省水文水資源勘測(cè)局常州分局，常州 213022)

太湖是太湖流域的重要淡水資源，也是蘇州、無(wú)錫等地重要飲用水源地，其水環(huán)境狀況直接關(guān)系居民的飲用水安全. 作為大型淺水湖泊，環(huán)湖河道數(shù)量眾多[1]，河道為湖區(qū)污染物輸入來(lái)源[2-4]. 環(huán)太湖228條出入湖河道中，江蘇省入湖河流占比74.6%；多年平均入湖水量為108.8億m3，江蘇省入湖水量占比76.0%[5]. 因此環(huán)太湖江蘇段入湖河道污染物輸入情況對(duì)太湖水環(huán)境尤為重要.

入湖河道污染物通量是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)入湖河道某一過(guò)水?dāng)嗝娴奈廴疚镔|(zhì)量[5]. 不管是針對(duì)內(nèi)陸水庫(kù)、湖泊、海灣等水體，還是流域、省市邊界等區(qū)域，估算河道污染物通量，都可以為區(qū)域污染物總量控制、水環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐[6]. 目前太湖地區(qū)，已有學(xué)者闡明污染物出入湖輸移速率[7]，計(jì)算環(huán)太湖總氮、總磷等污染物的入出湖污染物通量[3-4,8-14]，分析太湖入湖河道水質(zhì)與湖體水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系[15-16]，但缺少近10年時(shí)間序列的污染物通量變化以及污染物通量與湖體水質(zhì)的關(guān)系方面的分析. 本文主要基于太湖水質(zhì)及入湖污染物通量的時(shí)空變化特征，從不同時(shí)空尺度來(lái)探討入湖河道污染物通量與湖區(qū)水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系，并分析入湖污染物進(jìn)入湖體后影響水質(zhì)的主要因子，一方面可以檢驗(yàn)太湖污染減排成效，另一方面可以找出影響太湖水質(zhì)的主控因子，為其水環(huán)境改善提供技術(shù)依據(jù)和決策支撐.

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)

1.1.1 水量站點(diǎn) 根據(jù)環(huán)太湖水系特點(diǎn)建立巡測(cè)工作方案，將沿湖巡測(cè)分成若干段. 江蘇境內(nèi)共布設(shè)8段11站111個(gè)口門(mén)，其中無(wú)錫3 段7站共46個(gè)進(jìn)出水口門(mén)，蘇州5 段2 站共63 個(gè)進(jìn)出水口門(mén)，常州2 個(gè)單站，江蘇段共設(shè)單站、基點(diǎn)站19個(gè)(圖1，表1).

1.1.2 水質(zhì)站點(diǎn) 環(huán)太湖河道水質(zhì)斷面的設(shè)置考慮水質(zhì)水量須同步實(shí)施監(jiān)測(cè)的因素，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)盡量與水量巡測(cè)斷面一致，同時(shí)考慮目前部分沿湖小閘段一直處于關(guān)閉狀態(tài)，基本不存在與太湖進(jìn)行水量交換的情況，本文分析中水質(zhì)站意義不大. 因此，環(huán)太湖江蘇段出入湖河流設(shè)置水質(zhì)站點(diǎn)84處，其中蘇州53處，無(wú)錫27處，常州4處. 太湖湖體水質(zhì)斷面共設(shè)置25個(gè)，根據(jù)太湖分區(qū)[1]，湖西區(qū)1個(gè)、竺山湖1個(gè)、梅梁湖4個(gè)、貢湖5個(gè)、東部沿岸區(qū)7個(gè)、東太湖3個(gè)和湖心區(qū)4個(gè)(圖1).

1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

1.2.1 水量監(jiān)測(cè) 水量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為水位、流量、流向. 基點(diǎn)站和單站每日定時(shí)流量測(cè)驗(yàn). 各巡測(cè)段流量測(cè)定頻次為2008、2009年汛期2次/月，非汛期1次/月. 自2010年開(kāi)始每月上、下旬各1次. 計(jì)算污染物通量的水量數(shù)據(jù)采用整編后的資料.

1.2.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè) 參與河道污染物通量計(jì)算的水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量濃度，湖區(qū)加測(cè)葉綠素a濃度. 水質(zhì)化驗(yàn)方法均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法：氨氮濃度測(cè)定采用納氏試劑分光光度法(HJ 535-2009)，總氮濃度測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ636-2012)，總磷濃度測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893-1989)，高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定采用酸性高錳酸鉀法(GB/T 11892-1989)，化學(xué)需氧量測(cè)定采用小型密封管法(ISO 15705-2002)，葉綠素a濃度測(cè)定采用分光光度法(SL 88-2012). 水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次為2008、2009年1次/月，自2010年開(kāi)始每月上、下旬各1次.

1.3 污染物通量計(jì)算方法

污染物通量采用時(shí)段平均濃度Ci與時(shí)段水量K·Qi之積進(jìn)行估算 ：

(1)

式中，W為估算時(shí)間段的污染物通量，n為估算時(shí)間段內(nèi)的采樣次數(shù)，K為時(shí)段轉(zhuǎn)化系數(shù)，Qi為瞬時(shí)流量，Ci為樣品i的濃度.

圖1 環(huán)太湖江蘇段水量巡測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)及太湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Distribution of the monitoring sites of water quality in Lake Taihu, water quality and quantity of rivers surrounding Lake Taihu in Jiangsu Province

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

1)運(yùn)用ArcGIS 10.1軟件進(jìn)行反距離空間插值，獲得湖區(qū)水質(zhì)的空間變化特征，用不同顏色分級(jí)表示入湖河道污染物通量大小.

2)基于SPSS 16.0軟件標(biāo)準(zhǔn)化處理河道入湖污染物通量和湖區(qū)水質(zhì)，并進(jìn)行相關(guān)性分析；共線(xiàn)性診斷排除因子共線(xiàn)性，進(jìn)行多元逐步回歸分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 入湖污染物通量與湖區(qū)水質(zhì)的時(shí)空變化響應(yīng)

環(huán)太湖江蘇段河道入湖水量、水質(zhì)及污染通量與太湖水質(zhì)的年際變化如圖2、3所示. 本文進(jìn)行空間變異分析時(shí)，選取起始年2008年和終止年2018年，并且依據(jù)江蘇省太湖流域1956-2016年年降水量頻率分析結(jié)果，特枯年P(guān)=95%保證率降水量為867.5 mm；特豐年P(guān)=5%保證率降水量為1516.5 mm，2013年和2016年分別與特枯年和特豐年降水量最為接近，再選取2013年和2016年，污染物通量及太湖水質(zhì)空間變化如圖4所示.

太湖湖體氨氮和總氮濃度自2008年來(lái)呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢(shì)，年均減少率分別為2.1%和2.3%；氨氮和總氮入湖通量也呈下降趨勢(shì)，年均減少率分別為8.0%和2.0%(圖2，圖3). 空間格局上，竺山湖區(qū)為高值區(qū)域，氨氮和總氮濃度分別高于0.5和3.68 mg/L；竺山湖區(qū)對(duì)應(yīng)河道氨氮和總氮入湖通量最大，年均值分別為0.60×104和1.26×104t，而貢湖、東部沿岸區(qū)和東太湖對(duì)應(yīng)河道以出湖為主，入湖污染物通量最低(圖4). 湖區(qū)氨氮、總氮濃度和氨氮、總氮入湖污染物通量整體均呈下降趨勢(shì)，空間響應(yīng)特征基本一致.

表1 環(huán)太湖江蘇段巡測(cè)段、站情況*

太湖湖體總磷濃度自2008年來(lái)整體呈上升趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)率為1.0%；總磷入湖污染物通量在2016年出現(xiàn)峰值，為0.24×104t，高于其他年份均值(27.2%)，2011-2013年總磷污染物通量由0.20×104t 下降至0.15×104t，此時(shí)湖體總磷濃度卻上升至峰值，年際變化趨勢(shì)上存在部分年份呈現(xiàn)反向變化特點(diǎn)(圖2，圖3). 空間格局上，竺山湖區(qū)和湖西區(qū)為高值區(qū)；竺山湖區(qū)和湖西區(qū)對(duì)應(yīng)河道總磷入湖污染物通量年均值分別為0.10×104和0.07×104t，相比其他湖區(qū)高，而貢湖、東部沿岸區(qū)和東太湖對(duì)應(yīng)河道以出湖為主，總磷入湖污染物通量最低(圖4). 湖體總磷濃度與入湖總磷污染物通量空間格局基本一致.

湖區(qū)高錳酸鹽指數(shù)年均值范圍為4.2～4.9 mg/L，年際變化幅度較小，化學(xué)需氧量起伏變化；高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量入湖污染物通量整體呈下降趨勢(shì)，年均減少率分別為1.6%和2.2%(圖2，圖3). 空間格局上，高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量高值區(qū)主要為竺山湖區(qū)和湖西區(qū)，高值區(qū)高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量多年均值分別為5.5和23.6 mg/L；竺山湖和湖西區(qū)對(duì)應(yīng)河道高錳酸鹽指數(shù)入湖污染物通量多年平均值分別為1.70×104和2.61×104t，化學(xué)需氧量分別為7.8×104和11.8×104t，相比其他湖區(qū)高，貢湖、東部沿岸區(qū)和東太湖高錳酸鹽指數(shù)對(duì)應(yīng)河道以出湖為主，高錳酸鹽指數(shù)入湖污染物通量最低(圖4). 高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量入湖污染物通量空間格局與湖區(qū)水質(zhì)變化趨勢(shì)基本一致. 另外，湖體高錳酸鹽指數(shù)高值區(qū)域范圍會(huì)有所變化，梅梁湖區(qū)由2013年高值區(qū)域(濃度為5.6 mg/L)逐漸轉(zhuǎn)為低值區(qū)域(濃度為4.1 mg/L)；竺山湖區(qū)高錳酸鹽指數(shù)近年也逐漸減小，由Ⅳ類(lèi)(6.4 mg/L)轉(zhuǎn)為Ⅲ類(lèi)(5.1 mg/L)；湖西區(qū)高錳酸鹽指數(shù)高值區(qū)域范圍增加(圖4). 湖區(qū)高錳酸鹽指數(shù)時(shí)空變化格局與葉綠素a濃度變化基本一致(圖4)，可能與太湖藍(lán)藻狀況有關(guān)，浮游植物在光合作用下產(chǎn)生大量有機(jī)物，導(dǎo)致葉綠素a濃度與高錳酸鹽指數(shù)值之間有良好的線(xiàn)性關(guān)系[17].

圖2 太湖入湖河道水量、水質(zhì)和污染物通量的年際變化Fig.2 Annual variations of water quality and quantity and pollutant fluxes in rivers flowing into Lake Taihu

圖3 太湖水質(zhì)的年際變化Fig.3 Annual variations of water quality in Lake Taihu

2.2 入湖污染物通量與湖區(qū)水質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

將河道入湖污染物通量和湖區(qū)水質(zhì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再基于SPSS 16.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖5. 年尺度上，太湖湖區(qū)總氮濃度與總氮入湖河道污染物通量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，氨氮濃度與氨氮入湖河道污染物通量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，總磷濃度、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量等因子無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系.

該結(jié)果表明，河道氨氮、總氮的外源輸入為湖體氮營(yíng)養(yǎng)鹽的主要來(lái)源，朱廣偉[16]、吳雅麗等[18]的研究表明氮是太湖主要的入湖污染物，而且河道的氨氮和總氮濃度與湖區(qū)的比值分別為4.5和2.5，河道與湖區(qū)濃度差異較大，因此，削減入湖河道氮污染物通量對(duì)控制太湖氮素具有重要意義. 從全湖年尺度來(lái)看，總磷濃度與總磷入湖污染物通量的相關(guān)關(guān)系不顯著，可能與湖區(qū)底泥釋放的磷對(duì)湖區(qū)水質(zhì)存在影響有關(guān)[19]，且藍(lán)藻水華的暴發(fā)會(huì)誘導(dǎo)底泥磷的大量釋放，而總氮卻能保持相對(duì)穩(wěn)定[20]. 另外河道總磷濃度與湖區(qū)總磷濃度比值為1.6，差異較氮素在河道、湖泊的比值小，可能影響湖區(qū)總磷濃度對(duì)河道總磷輸入的響應(yīng). 但朱廣偉[16]的研究認(rèn)為河道磷為太湖的主要入湖污染物，逄勇等[21]估算太湖內(nèi)源TP 釋放量?jī)H相當(dāng)于外源輸入量的15.6%，總磷入湖污染物通量與湖區(qū)總磷濃度空間格局也基本一致，總磷入湖污染物通量也需加以控制.

圖4 太湖水質(zhì)和入湖污染物通量的時(shí)空變化Fig.4 Spatio-temporal distribution pattern of water quality in Lake Taihu and pollutant fluxes in rivers surrounding Lake Taihu in Jiangsu Province

圖5太湖水質(zhì)與入湖污染物通量的相關(guān)關(guān)系Fig.5 The correlation between water quality in Lake Taihu and pollutant fluxes in rivers surrounding Lake Taihu in Jiangsu Province

高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量可以有效地反映水體有機(jī)污染的程度. 高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量入湖通量與湖體濃度相關(guān)性不顯著，可能是因?yàn)槌拥劳庠摧斎胪猓w高錳酸鹽指數(shù)還受湖體藍(lán)藻暴發(fā)產(chǎn)生的內(nèi)源污染、水位、水溫等多種環(huán)境因子影響[12]，另外入湖河道高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量與湖區(qū)的比值分別為1.31和1.20，入湖河道水質(zhì)與湖區(qū)水質(zhì)的差異較小，即使高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量入湖污染物通量大，但由于多為水量大導(dǎo)致，并且入湖水量大帶來(lái)了稀釋效應(yīng)，可能導(dǎo)致兩者響應(yīng)關(guān)系較差.

2.3 入湖水量、水質(zhì)與湖區(qū)水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系

入湖河道污染物進(jìn)入湖體后，水量會(huì)存在濃度稀釋效應(yīng)，但河道輸入的污染物質(zhì)會(huì)增加湖體總污染負(fù)荷，污染物通量中水量、水質(zhì)、通量與湖區(qū)水質(zhì)的關(guān)系有待研究. 選取年尺度全湖區(qū)入湖河道水質(zhì)濃度(TNR)、入湖水量(Q)、湖區(qū)水位(WL)、入湖水質(zhì)濃度與原湖泊水質(zhì)濃度差值(D)，基于SPSS 16.0軟件進(jìn)行因子共線(xiàn)性診斷，排除因子共線(xiàn)性，建立多元逐步回歸方程，篩選因子，探討入湖污染物通量進(jìn)入后影響湖區(qū)水質(zhì)的主要因子.

結(jié)果表明，影響湖區(qū)總氮的主要因子為T(mén)NR，其次為入湖河道與原湖區(qū)水質(zhì)差值(DTN)；影響湖區(qū)氨氮的主要因子為入湖河道的氨氮濃度(NH3-NR)，其次為入湖河道與原湖區(qū)水質(zhì)差值(DNH3-N)；湖區(qū)總磷、高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量無(wú)顯著影響因子(表2). 總氮和氨氮相比湖區(qū)偏高的河道水體進(jìn)入湖區(qū)，與總磷、高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量相比湖區(qū)濃度差異偏小的河道水體進(jìn)入湖區(qū)，湖區(qū)水體各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)響應(yīng)存在差異.

表2 太湖湖區(qū)水質(zhì)因子多元逐步回歸結(jié)果*

3 結(jié)論

1)時(shí)間格局上，太湖氨氮和總氮濃度自2008年呈下降趨勢(shì)，年均下降率分別為2.1%和2.3%. 氨氮、總氮、高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量入湖污染物通量整體呈下降趨勢(shì)，年均下降率分別為8.0%、2.0%、1.6%和2.2%. 太湖污染減排已見(jiàn)成效，湖體氨氮、總氮響應(yīng)較好. 另外，受水量影響入湖污染物通量呈現(xiàn)2013年特枯年、2016年特豐年分別位于低值、高值的特征.

2)空間格局上，太湖氨氮濃度、總磷濃度、總氮濃度、高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量整體呈自西部、西北部湖區(qū)向東部、東南湖區(qū)逐漸降低的變化趨勢(shì)；西部、西北部湖區(qū)對(duì)應(yīng)入湖河道污染物通量也明顯高于東部、東南部河道. 湖體水質(zhì)與入湖污染物通量空間格局基本一致. 西部、西北部的入湖污染物通量大，增加了湖區(qū)污染物負(fù)荷，通過(guò)太湖水體的自?xún)?，湖心、東部、東南部湖區(qū)污染物濃度降低.

3)相關(guān)性分析結(jié)果表明，年尺度上，湖區(qū)總氮、氨氮濃度與入湖總氮、氨氮污染物通量分別呈顯著正相關(guān)、極顯著正相關(guān)關(guān)系；多元逐步回歸結(jié)果表明，影響湖區(qū)總氮、氨氮的主要因子為入湖河道的總氮、氨氮濃度，其次為入湖河道與原湖區(qū)水質(zhì)差值. 環(huán)太湖入湖河道水質(zhì)濃度為影響太湖水質(zhì)的主控因子，亟需加強(qiáng)入湖河道水質(zhì)濃度的控制.

致謝：感謝江蘇省水文水資源勘測(cè)局周毅教高、常州分局王雪松局長(zhǎng)和無(wú)錫分局沈順中局長(zhǎng)的指導(dǎo)，江蘇省水文水資源勘測(cè)局劉俊杰教高、姚敏高工以及南京工業(yè)大學(xué)李躍同學(xué)在數(shù)據(jù)收集和制圖方面的幫助.