引江濟(jì)太過(guò)程中氮、磷入湖通量計(jì)算及削減分析

姚 俊，陸沈鈞

(1.上海東南工程咨詢(xún)有限責(zé)任公司，上海 200434；2. 太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434)

引江濟(jì)太作為提升太湖流域水資源有效供給，實(shí)現(xiàn)“以動(dòng)治靜、以清釋污、以豐補(bǔ)枯、改善水質(zhì)”目標(biāo)[1- 2]的重要決策，在太湖流域水環(huán)境綜合治理過(guò)程中發(fā)揮了積極作用。而引江濟(jì)太工程在改善太湖水質(zhì)，減輕藍(lán)藻水華[3- 5]的同時(shí)，不可避免地通過(guò)望虞河將長(zhǎng)江水及望虞河沿程支流污水匯入太湖[1，6- 9]。目前針對(duì)“引江濟(jì)太”期間長(zhǎng)江、望虞河污染物特征及對(duì)太湖水質(zhì)的影響已有一些研究成果[10- 14]，但對(duì)望虞河和太湖水體氮、磷濃度年內(nèi)分布相對(duì)規(guī)律以及引江濟(jì)太期間氮、磷入湖通量研究尚較為欠缺。本文利用2018年望虞河和太湖貢湖區(qū)域每日連續(xù)實(shí)測(cè)水質(zhì)資料，結(jié)合引江濟(jì)太期間望虞河入湖水量，分析望虞河和太湖貢湖水體氮、磷濃度分布特征及引江濟(jì)太過(guò)程中氮、磷元素入湖通量，并從引水調(diào)度和污染治理方面提出污染物削減建議，旨在為引江濟(jì)太工程實(shí)施和太湖水環(huán)境綜合治理工作提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域概況與資料來(lái)源

1.1 區(qū)域概況

太湖位于長(zhǎng)江三角洲的南緣，古稱(chēng)震澤、具區(qū)，又名五湖、笠澤，是中國(guó)五大淡水湖之一，界北緯30°55′40"～31°32′58"和東經(jīng)119°52′32"～120°36′10"之間，橫跨江、浙兩省，北臨無(wú)錫，南瀕湖州，西依宜興，東近蘇州。太湖與望虞河相接水域?yàn)樨暫嬘盟幢Ｗo(hù)區(qū)，面積為163.8 km2，水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為Ⅲ類(lèi)。

望虞河位于太湖流域北部，全長(zhǎng)60.8km，南起太湖邊的沙墩口，北至長(zhǎng)江邊的耿涇口，是太湖流域綜合治理十一項(xiàng)骨干工程之一，河道上游與京杭大運(yùn)河交匯處建有望亭樞紐，下游河口處建有常熟樞紐。望虞河既是太湖流域的主要排水出路，同時(shí)也是流域水資源供需調(diào)度的主要通道，每年都會(huì)分不同時(shí)段通過(guò)望虞河實(shí)施“引江濟(jì)太”引長(zhǎng)江水入太湖。望虞河流經(jīng)錫山、張家港、常熟等市，目前河道東岸口門(mén)已全部建閘控制，西岸尚有部分口門(mén)無(wú)閘門(mén)控制。

1.2 資料來(lái)源

水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于望亭和貢湖水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，望亭水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站位于望虞河上游望亭樞紐處、貢湖水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站位于貢湖飲用水水源保護(hù)區(qū)(如圖1所示)，均采用總氮氨氮二合一分析儀和總磷分析儀(德國(guó)布朗盧比PowerMon分析儀)對(duì)水體總氮、總磷、氨氮三項(xiàng)指標(biāo)濃度進(jìn)行分析。水質(zhì)在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器在浙江、江蘇等地已得到充分運(yùn)用，根據(jù)其與室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)高錳酸鹽、氨氮等數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果相比較[15- 16]，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為可靠，且已廣泛應(yīng)用到河流的監(jiān)測(cè)當(dāng)中[17]。望虞河每日入湖水量來(lái)源于望亭樞紐2018年每日引排水量數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1日均濃度處理

圖1 望虞河及測(cè)站位置圖

總氮、總磷、氨氮指標(biāo)數(shù)據(jù)通常為每4h監(jiān)測(cè)一次，部分時(shí)段監(jiān)測(cè)頻次為12h一次，數(shù)據(jù)處理時(shí)將每項(xiàng)指標(biāo)每日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平均值作為該項(xiàng)指標(biāo)的日均濃度，因儀器故障等原因，有個(gè)別日期的濃度數(shù)據(jù)缺失。

1.3.2入湖通量計(jì)算

引江濟(jì)太每月入湖通量依據(jù)望虞河2018年1—12月當(dāng)月每日入湖水量及入湖水體總氮、總磷、氨氮3項(xiàng)指標(biāo)濃度進(jìn)行測(cè)算：

式中，T—各項(xiàng)指標(biāo)月入湖通量；Qi—當(dāng)月每日入湖水量；Ci—各指標(biāo)當(dāng)月每日入湖平均濃度。

2 結(jié)果分析

2.1 望虞河、貢湖氮磷濃度年內(nèi)變化特征

從全年總氮濃度變化趨勢(shì)來(lái)看(如圖2所示)，望虞河、貢湖總氮濃度年內(nèi)分布季節(jié)性特征較明顯且較為一致，呈現(xiàn)冬高、夏低的基本特征。望虞河全年月平均濃度12月最高，達(dá)2.94mg/L，7月最低，為0.90mg/L，5—10月濃度相對(duì)穩(wěn)定，介于1.00 ～1.50mg/L之間。貢湖全年月平均濃度2月最高，達(dá)2.81mg/L，8月最低，為1.03mg/L，5—10月濃度同樣介于1.00 ～1.50mg/L之間。對(duì)比望虞河與貢湖總氮濃度，除2—5月和7月貢湖月平均濃度小于望虞河外，其余月份均為望虞河平均濃度較大，其中11月和12月濃度差異明顯，望虞河總氮月平均濃度分別高出貢湖0.58mg/L 和1.25mg/L。

總磷較總氮濃度變化相對(duì)復(fù)雜(如圖3所示)，兩側(cè)站均為波動(dòng)變化，大致呈現(xiàn)冬高、春低、夏高、秋低的態(tài)勢(shì)。望虞河全年總磷月平均濃度11月最高，達(dá)0.14mg/L，8月最低，為0.06mg/l；貢湖全年總磷月平均濃度7月最高，達(dá)0.11mg/L，10月最低，為0.05mg/l。對(duì)比兩測(cè)站總磷濃度，3—9月貢湖月均濃度總體上要高于望虞河，其他月份均為望虞河月均濃度高，其中11、12月平均濃度均高于貢湖0.04mg/L以上。

圖2 2018年望虞河、貢湖總氮濃度年內(nèi)分布特征

圖3 2018年望虞河、貢湖總磷濃度年內(nèi)分布特征

圖4 2018年望虞河、貢湖氨氮濃度年內(nèi)分布特征

圖5 2018年望虞河入湖水量年內(nèi)分布

從全年氨氮濃度變化趨勢(shì)來(lái)看(如圖4所示)，望虞河氨氮濃度全年均在1.00mg/L以下，貢湖氨氮濃度均在0.60mg/L以下，年內(nèi)變化過(guò)程與總磷相似，冬季濃度較高，其余月份濃度相對(duì)較低。望虞河全年月平均濃度12月最高，達(dá)0.47mg/L，9月最低，僅為0.09mg/L；貢湖全年月平均濃度1月最高，為0.30mg/L，5月最低，僅0.06mg/L，3—10月氨氮濃度均為0.1mg/L以下。對(duì)比兩測(cè)站氨氮濃度，貢湖測(cè)站均低于望虞河測(cè)站。

2.2 氮、磷入湖通量

引江濟(jì)太通過(guò)望虞河常熟水利樞紐引長(zhǎng)江水，由望亭水利樞紐入太湖。根據(jù)2018年太湖流域引江濟(jì)太年報(bào)及望亭水利樞紐每日入湖水量數(shù)據(jù)，望虞河2018全年引長(zhǎng)江水入太湖水量情況如圖5所示，引水時(shí)間分布于1、2、10、11、12月5個(gè)月份，其余月份無(wú)入湖水量，引水量最大為1月份，其次為11月和2月，10月和12月份入湖水量較少。根據(jù)太湖流域2018年水情年報(bào)數(shù)據(jù)，全年降水較常年偏多10%，其中1—7月總體偏少，8—12月總體偏多。對(duì)照不同月份引水量，引水量大小與全年降水分布相對(duì)應(yīng)，1、2月降水偏少，引水量大，10—12月降水量偏多，引水總量也相應(yīng)減少。

依據(jù)望虞河2018年1—12月當(dāng)月每日總氮、總磷、氨氮3項(xiàng)指標(biāo)濃度數(shù)據(jù)，結(jié)合引江濟(jì)太期間每日入湖水量，計(jì)算得到2018年1—12月三種污染物入湖通量見(jiàn)表1，其中1、2、10、11、12月有入湖通量產(chǎn)生，其余月份入湖通量為0。污染物入湖通量與入湖水量大小基本保持一致，全年總氮、總磷和氨氮入湖通量分別為1474.4、60.0、204.3t。從氨氮入湖量占總氮入湖量的比例來(lái)看，氨氮占總氮的比例為13.8%，表明望虞河入湖水體中氨氮形態(tài)存在的氮化合物占比較低。

表1 污染物入湖通量表

3 討論

3.1 望虞河氮、磷入湖影響

氮、磷元素的濃度大小，是水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)，也是影響藻類(lèi)生長(zhǎng)的重要因素。貢湖2010—2017年藍(lán)藻數(shù)量上升趨勢(shì)明顯，一方面與水域水生植物的減少有關(guān)[18]，另一方面也與水體氮、磷元素濃度升高有著密切聯(lián)系。相關(guān)研究表明，當(dāng)水體發(fā)生水華時(shí)氮、磷濃度一般相對(duì)較高，多發(fā)生在富營(yíng)養(yǎng)化水平以上。如太湖20世紀(jì)90年代以來(lái)每年夏秋季均有水華發(fā)生，年均總氮、總磷濃度介于2.05～3.14mg/L和0.08～0.11mg/L之間[17]；2010—2017年太湖藍(lán)藻數(shù)量增長(zhǎng)較快，其總磷濃度均在0.07mg/L以上[18]；2002—2004年北京城區(qū)的一些河湖連續(xù)發(fā)生水華，其總氮年均濃度為2.92mg/L，總磷為0.2mg/L[19]。可見(jiàn)河湖水體總氮、總磷濃度高，勢(shì)必會(huì)對(duì)水生態(tài)環(huán)境造成一定影響。2018年望虞河入湖時(shí)間主要集中于1、2、11、12月份，而這幾月望虞河水體總氮濃度均在2.5mg/L以上，總磷濃度則在1.0mg/L以上。高濃度氮、磷水體入湖，除加重貢湖水體富營(yíng)養(yǎng)程度，造成水源地水質(zhì)變差之外，對(duì)太湖藍(lán)藻防治工作可能也會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3.2 引江濟(jì)太適宜時(shí)段探討

引江濟(jì)太是一項(xiàng)長(zhǎng)期持續(xù)性工程，在保證太湖水資源有效供給前提下，如何根據(jù)望虞河年內(nèi)水質(zhì)變化情況合理開(kāi)展引水調(diào)度，減少入湖水體的污染負(fù)荷，也是引江濟(jì)太開(kāi)展需要綜合考慮的因素。根據(jù)歷年引江濟(jì)太時(shí)間(見(jiàn)表2)，可知引水入湖主要集中于1、2、3、9、11、12月，主要是冬季適量引水入湖對(duì)于滿(mǎn)足流域供水需求和改善水環(huán)境[20]都起著重要作用。一方面冬季引水對(duì)太湖水資源、水環(huán)境等改善作用明顯，另一方面冬季望虞河水質(zhì)相對(duì)較差，那么如何通過(guò)優(yōu)化引江濟(jì)太調(diào)度時(shí)間，盡可能的減少引水過(guò)程中污染物入湖通量，需要進(jìn)一步分析探討。

引江濟(jì)太水體以望虞河為通道經(jīng)由貢湖注入太湖，貢湖所在水功能區(qū)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為Ⅲ類(lèi)。從望虞河和貢湖水域氮、磷元素指標(biāo)年內(nèi)相對(duì)分布來(lái)看，除氨氮外，總氮、總磷濃度絕大部分時(shí)間都超Ⅲ類(lèi)水限值。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)中氮、磷的湖泊標(biāo)準(zhǔn)，望虞河總氮濃度在Ⅳ類(lèi)～劣Ⅴ類(lèi)之間，冬季(1—3月，11—12月)水質(zhì)處于劣Ⅴ類(lèi)水平；總磷除11月和12月為Ⅴ類(lèi)以外，其余月份均為Ⅳ類(lèi)。結(jié)合貢湖自身水體水質(zhì)情況，望虞河入湖水體中總磷、總氮對(duì)貢湖水質(zhì)影響較大。從入湖水體水質(zhì)年內(nèi)分布情況看，1、2、11、12月水質(zhì)相對(duì)較差，且相比而言，11—12月水質(zhì)要劣于1—2月，總氮平均濃度偏高8%左右，總磷偏高28%左右。因此，結(jié)合歷年引水入湖月份和望虞河、貢湖氮磷濃度年內(nèi)變化特征來(lái)看，3、9月較11、12、1、2月水質(zhì)偏好，且優(yōu)于同時(shí)期貢湖水質(zhì)，較為適宜引水，11、12、1、2望虞河水質(zhì)基本要劣于貢湖水質(zhì)，但從月均水質(zhì)情況來(lái)考慮，1—2月引水還是要優(yōu)于11—12月引水。因氮、磷濃度在1—4月份都呈逐月下降趨勢(shì)，在保障供水安全前提下，適當(dāng)推后引水時(shí)間有利于入湖污染物的削減；而在9—12月份，氮、磷濃度總體為上升趨勢(shì)，11—12月總氮、總磷平均濃度相對(duì)于9—10月要偏高109%和28%，因此在無(wú)臺(tái)風(fēng)或風(fēng)暴潮預(yù)警情況下，可適當(dāng)在氮磷濃度相對(duì)較低的9、10月份提前引水，減少后續(xù)月份的引水需求總量，同樣有利于入湖污染物的削減。

表2 歷年引江濟(jì)太月份

3.3 望虞河沿線(xiàn)污染削減建議

從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，望虞河存在總氮、總磷污染，尤其是總氮污染程度較為嚴(yán)重。望虞河入湖污染物的削減除對(duì)引水調(diào)度時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化外，更重要的是加強(qiáng)望虞河兩岸入河污染和河道內(nèi)源污染控制，減少引水過(guò)程中沿程污染匯入。

氮、磷污染來(lái)源：有關(guān)研究表明[21- 26]水體中氮、磷的外源污染主要來(lái)自農(nóng)業(yè)面源污染及生活污染和某些工廠污水的直接排放，以及圍網(wǎng)養(yǎng)殖等。近年來(lái)，隨著太湖流域工業(yè)廢水和城市生活污水點(diǎn)源污染整治力度的加強(qiáng)，工廠污水直排現(xiàn)象已較為少見(jiàn)，城鎮(zhèn)生活污染入河量也已逐漸減少，現(xiàn)階段水體氮的外源污染中農(nóng)業(yè)面源污染、農(nóng)村生活污染和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染占比較大。農(nóng)業(yè)面源污染主要是大量使用化肥導(dǎo)致，通常情況下能夠被植物利用的化肥僅占10%～25%，其余的75%～90%均留在土壤中，而經(jīng)過(guò)雨水或農(nóng)業(yè)灌溉后，土壤殘留化肥中的氮、磷融入水體，通過(guò)地表徑流污染水源。農(nóng)村生活污染中氮、磷元素主要來(lái)源于生活污水、人畜排泄物、固體廢棄物等，若未經(jīng)集中收集處理，則會(huì)隨降雨匯入附近河流。水產(chǎn)養(yǎng)殖污染主要是隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，工廠化養(yǎng)魚(yú)、網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)、流水養(yǎng)魚(yú)等各種高產(chǎn)養(yǎng)殖方式被養(yǎng)殖戶(hù)廣泛采用，而高產(chǎn)養(yǎng)殖多采用高密度放養(yǎng)、大量施肥投餌的模式，養(yǎng)殖換水過(guò)程中大量殘餌、排泄物等物質(zhì)進(jìn)入周邊河流，造成水體氮、磷污染。據(jù)江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，2010—2017年江蘇淡水人工養(yǎng)殖產(chǎn)量由290.76萬(wàn)t上升至339.83萬(wàn)t，漲幅為16.9%，由此造成的水體氮、磷污染不容小視。

污染削減建議：針對(duì)上述氮、磷污染主要來(lái)源，提出相應(yīng)的污染物削減建議。一是推行農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革，采用農(nóng)業(yè)高效灌溉模式，通過(guò)加快節(jié)水減排設(shè)施建設(shè)、優(yōu)化農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)等措施來(lái)對(duì)望虞河周邊區(qū)域農(nóng)業(yè)面源進(jìn)行防控；二是加快農(nóng)村生活污水治理，建設(shè)農(nóng)村分散式污水集中收集、處理系統(tǒng)和生活垃圾收集、運(yùn)轉(zhuǎn)、處理管理體系，建設(shè)生活垃圾發(fā)酵池等處理設(shè)施，減少生活污染入河；三是加強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理，對(duì)望虞河周邊地區(qū)開(kāi)展養(yǎng)殖塘尾水達(dá)標(biāo)排放試點(diǎn)工作，通過(guò)養(yǎng)殖圍塘建設(shè)生態(tài)浮床、生物濾壩、設(shè)置增氧機(jī)等措施使得養(yǎng)殖圍塘尾水排放達(dá)到環(huán)保要求，同時(shí)應(yīng)做好望虞河河道范圍內(nèi)的圍網(wǎng)養(yǎng)殖清退工作，減少河流內(nèi)源污染。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)望虞河和貢湖總氮、氨氮濃度年內(nèi)分布呈現(xiàn)冬季高、夏季低，總磷濃度春、秋兩季低于冬、夏兩季的特征，且春、夏兩季望虞河水質(zhì)總體要好于貢湖；引江濟(jì)太過(guò)程中總氮、總磷、氨氮入湖通量分別為1474.4、60.0、204.3t。

(2)針對(duì)氮、磷入湖污染削減工作提出了兩方面建議，一是優(yōu)化引水調(diào)度時(shí)間，盡量減少引江濟(jì)太過(guò)程中氮、磷元素的入湖通量；二是加快推進(jìn)望虞河兩岸農(nóng)業(yè)面源污染治理工作，從源頭上減少氮、磷污染的產(chǎn)生，可為太湖水環(huán)境綜合治理工作提供參考。

(3)本文基于望虞河和貢湖年內(nèi)水質(zhì)數(shù)據(jù)開(kāi)展分析，在年際變化分析方面存在不足，今后還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于年際系列數(shù)據(jù)的研究。