太湖水體交換周期變化(19862018年)及對水質(zhì)空間格局的影響*

朱 偉，程 林，薛宗璞，馮甘雨，王若辰，張 昱，趙 帥，胡思遠

(1:河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)(2:河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

太湖經(jīng)過十余年大力度的流域治理,入湖水質(zhì)有明顯改善、各種污染源得到削減.但自2016年以來磷出現(xiàn)反彈，2017年出現(xiàn)大面積的水華，尤其是東太湖也開始出現(xiàn)水華.磷反彈、水華持續(xù)大面積暴發(fā)、東太湖出現(xiàn)水華的原因得到了廣泛的關(guān)注.

關(guān)于磷反彈的原因，出現(xiàn)了各種各樣的推測，“全球氣候變暖”[1]，“藻的泵吸”[2]，“引江濟太”[3]，“2016年洪水”[4]，“東太湖水草的退化”[5]等，都成為了討論的對象.在這些原因分析中，2016年特大洪水進太湖水量多出60.8億m3，入湖磷通量比一般年份多出579.2 t，占近十年年均入湖磷通量的28%，是一般年份的1.3倍，對照賦存于太湖水體中的總磷大約為400 t，洪水造成的增量起到了較為關(guān)鍵的作用.而通過望虞河“引江濟太”的年平均入湖水量占總?cè)牒?%左右，磷通量占近十年年均通量的4%左右，與洪水的影響相比是有限的.但從研究數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，太湖總體的入湖水量有一定幅度的增加；同時，東太湖的水質(zhì)下降、水華出現(xiàn)似乎與水體交換周期的縮短有一定的關(guān)系.而新孟河引水工程正在建設(shè)之中，建成后太湖總體形成“二引三排”的引排格局[6](望虞河、新孟河引水，新溝河、走馬塘、太浦河排水)，在這種格局下，太湖的入湖水量、水體交換周期都會發(fā)生更大的變化，是否會改變目前“西濁東清”[7]的水質(zhì)結(jié)構(gòu)？因此，明確太湖入湖水量和水體交換周期的變化，對于順應(yīng)太湖水質(zhì)規(guī)律進行科學(xué)調(diào)度是非常重要的.

對于太湖入湖水量變化已經(jīng)有一些研究，季海萍等[8]分析了太湖1986-2017年出入湖水量的變化，認為太湖出入湖水量有顯著的增加，推測是與水利工程調(diào)度有關(guān).申金玉等[9]對湖西區(qū)入湖水量進行統(tǒng)計分析也得出了入湖水量增加的結(jié)論.在入湖通量方面，沈國華等[10]對太湖湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)入湖的污染物通量和太湖對應(yīng)湖區(qū)的水質(zhì)指標進行了分析，認為入湖污染物通量超過太湖自凈能力，太湖污染有加劇的趨勢.在太湖水質(zhì)空間分布方面，王華等[5]通過分析太湖2010-2017年太湖總磷濃度的變化發(fā)現(xiàn)，太湖總磷濃度西北高、東南低，有顯著的空間差異.在太湖自身凈化能力方面，朱錦旗等[11]認為太湖水生植物對氮、磷有一定的截留能力，推測如果太湖外源總氮負荷小于1.83萬t，總磷負荷小于1800 t，東太湖的水質(zhì)也許可達到Ⅲ類水(GB 3838-2002).

各種跡象和研究都表明太湖的入湖水量有所增長，但太湖水體交換周期究竟發(fā)生了什么變化，引起這種變化的原因是什么?在下一步太湖治理以及加大“引江濟太”力度的背景下，如何應(yīng)對水體交換周期的變化？這些都需要進行預(yù)測和預(yù)判.

本文收集整理1986年以來太湖水文巡測、汛期水文巡測數(shù)據(jù)；太湖流域沿江城市引水量變化及流域降雨量變化數(shù)據(jù)，通過降雨、水文數(shù)據(jù)的綜合計算分析研究1986-2018年太湖出入湖水量的變化；結(jié)合太湖分湖區(qū)的水質(zhì)特征及變化，力求對太湖水體交換周期發(fā)生的變化及其原因以及可能引起的影響進行一次清晰而全面的分析.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

太湖流域面積36895 km2，其中太湖湖區(qū)面積3192 km2(包括部分湖濱陸地)[6]，太湖湖區(qū)庫容約為50億m3.流域內(nèi)水面總面積約5551 km2，出入太湖河流228條，其中主要入湖河流有22條.太湖流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，降水豐沛，四季分明，夏季炎熱.年平均氣溫14.9～16.2℃，多年平均降水量1177 mm.太湖流域地跨江蘇、浙江、上海兩省一市，人口約6104萬人.2018年全流域國內(nèi)生產(chǎn)總值約87663億元，全流域用水量約342.9億m3.太湖流域及湖區(qū)分區(qū)見圖1.

圖1 太湖流域及湖區(qū)分區(qū)示意

1.2 數(shù)據(jù)來源

太湖出入湖水量及沿江主要閘門引水量數(shù)據(jù)收集自太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測局對環(huán)太湖各單站及巡測斷面出入湖水量的整理[12]，時間范圍為1986-2018年.太湖分湖區(qū)水質(zhì)數(shù)據(jù)收集自2008-2018年《太湖健康狀況報告》[13].以上數(shù)據(jù)均為年均值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集及整編方法見相關(guān)研究.

1951-2018年太湖流域年降雨量數(shù)據(jù)收集自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn).

太湖流域主要城市建筑用地面積基于1980、1990、2000、2010、2015和2018年6期Landsat TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過幾何校正、輻射標定、大氣校正、影像鑲嵌和灰度直方圖匹配等前期處理，采用目視解譯法，承接前一期影像分解結(jié)果的基礎(chǔ)上解譯斑塊增量，獲取各期建筑用地變化情況，并與各城市統(tǒng)計年鑒進行對比.

1.3 數(shù)據(jù)分析

Mann-Kendall檢驗采用Visual Basic編程完成，相關(guān)性檢驗在SPSS 20軟件中完成，插值擬合在Matlab 2018中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 太湖水量的變化

2.1.1 湖區(qū) 將太湖出入湖水量、蓄水量、年均水位、水體交換周期繪制成圖2，數(shù)據(jù)變化趨勢及出現(xiàn)突變年份見表1.

表1 太湖水循環(huán)序列Mann-Kendall檢驗

圖2 太湖水循環(huán)變化

由圖2可以看出，2007年之前平均入湖水量為80.8億m3，出湖水量為88.9億m3，2007年以后逐漸增加，平均入湖水量為111.6億m3，出湖水量為104.8億m3，入湖水量增加30.8億m3，出湖水量增加15.9億m3，由于無錫、蘇州等沿湖城市用水量增加，故出湖水量增量小于入湖水量[14].太湖的水位、庫容變化不大，水位的波動幅度有所減小.在2007年之前，太湖水體交換周期的年際波動比較大，在120～280 d范圍內(nèi)波動，平均為210 d；2007年后，波動范圍減小，在120～250 d范圍內(nèi)波動，平均為184 d，2007年前后平均減少了26 d.

關(guān)于入湖水量等的變化屬于自然波動還是外因影響，使用了Mann-Kendall突變檢驗法進行分析，結(jié)果見表1.從分析結(jié)果可以看出2007年后太湖入湖水量和水體交換周期的增加屬于明顯突變性現(xiàn)象.湖泊蓄水量、平均水位、出湖水量的增加也是確定的現(xiàn)象.

2.1.2 各水利分區(qū)入湖水量變化 按照一般的太湖流域分區(qū)，將環(huán)湖各分區(qū)入湖水量及占比繪制成圖3.由圖3可以看出，太湖入湖水量主要來源的湖西區(qū)在2001年前年均入湖水量41.1億m3，2002年后年均入湖水量67.4億m3.浙西區(qū)年均入湖水量變化不大，約為20.4億m3.望亭水利樞紐入湖水量增加明顯，從2000年前的年均0.31億m3增加為2000年后的年均7.37億m3.從入湖水量占比來看，太湖入湖水量主要來源的湖西區(qū)在2001年前占比為50.8%，從2002年開始占比逐年上升，到2018年占比達到64.5%.另外一個顯著增加的是望亭水利樞紐，占比從0.6%增加到8%，這顯然是“引江濟太”的效應(yīng).而浙西區(qū)在2000年開始有明顯的下降，占比從22.3%減少到18.7%；杭嘉湖區(qū)占比從2000年前的14%，減少到5%.

圖3 環(huán)太湖分區(qū)入湖水量及其占比

對各水利分區(qū)入湖水量的Mann-Kendall趨勢檢定和Mann-Kendall突變檢驗法分析結(jié)果見表2.可以看出，從2002年開始湖西區(qū)發(fā)生了顯著的入湖水量增長.另外一個顯著增長的是經(jīng)過望亭水利樞紐的入湖水量，突變年是2000年.

表2 環(huán)太湖分區(qū)入湖水量序列Mann-Kendall檢驗

2.2 太湖水體交換周期的變化

2.2.1 長江-太湖引水量變化 收集整理了長江(江蘇段)沿江主要口門(圖1)的引水量數(shù)據(jù)，考慮到太湖流域下游水系來水基本不匯入太湖，而以望虞河為界的上游水系才能夠匯入太湖[15].因此主要考慮望虞河以西區(qū)域的引水狀況.太湖流域多為河網(wǎng)地區(qū)，西北高、東南低，從長江的引水一般會匯入?yún)^(qū)域河網(wǎng)然后向東南方向流去，匯入太湖的可能性較大.

上游沿江口門引水量變化見圖4.2002年前這些沿江口門引水量很小，2003年開始沿江口門引水量開始增加，2007年及以后，沿江口門年均引水量約為35.93億m3，累計引水431.2億m3.其中“引江濟太”年均引水量為8.11億m3，累計引水入湖97.3億m3，相比2007年之前，“引江濟太”之外的沿江口門年均引水量增長了27.8億m3/a.從沿江口門引水量和排水量變化的關(guān)系來看，2007年后湖西區(qū)主要沿江口門年凈引水量是17.6億m3，武澄錫虞區(qū)(無望亭樞紐)年引水量和排水量相當(dāng).

圖4 沿江口門引排水量變化

從各水利分區(qū)入湖水量與對應(yīng)的沿江口門引水量相關(guān)性分析(表3)來看，湖西區(qū)入湖水量的增加與湖西區(qū)沿江口門引水量有顯著的正相關(guān)(P<0.05)，而與武澄錫虞區(qū)(無望亭樞紐)則沒有相關(guān)性.

表3 水利分區(qū)入湖水量與引江水量相關(guān)性檢驗

從數(shù)據(jù)來看，2007年以后湖西區(qū)5個主要閘門引水量沒有特別顯著的增減變化(圖5a)，因此使用5個閘門的年均引水量繪制成了圖5b.而湖西區(qū)主要閘門的年均引江水量在21.56億m3左右，5個沿江閘門引水量相對比較均勻，各閘門年引水量變化范圍為3.86億～5.10億m3.

圖5 湖西區(qū)各沿江閘門引水量年際變化及年均引水量

2.2.2 太湖流域近70年降雨量變化 統(tǒng)計了1951-2018年太湖全流域平均及上游水利分區(qū)的降雨量變化，上游水利分區(qū)是入湖水量占總水量88%的湖西區(qū)、浙西區(qū)和武澄錫虞區(qū)(圖1)，年降雨量變化結(jié)果見圖6.由圖可見，這3個區(qū)域降雨量平均值接近，波動較大.總體而言，浙西區(qū)年降雨量大于湖西區(qū)和武澄錫虞區(qū)，2016年這3個區(qū)域的年降雨量均是1951年來的最大值.

圖6 太湖流域年降雨量變化

對太湖全流域平均及上游地區(qū)降雨量的Mann-Kendall趨勢檢定和Mann-Kendall突變檢驗法分析結(jié)果見表4.可以看出，太湖全流域及上游水利分區(qū)年降雨量均沒有發(fā)生突增.

表4 環(huán)太湖年降雨量序列Mann-Kendall檢驗

2.2.3 太湖流域近10年降雨量及徑流量分析 以太湖入湖水量突變增加的2007年為界，將太湖全流域平均及上游水利分區(qū)2007-2018年逐年的降雨量、徑流量與2007年前平均值的差值繪制成圖7.從降雨量上看，2007年后太湖全流域平均及上游水利分區(qū)的年降雨量均值相較之前有所上升，上升范圍為92.41～116.18 mm.但由于2015、2016年是太湖流域五十年來年降水量最多的兩年，如不包括這兩年的極端情況，2007年后太湖全流域平均年降雨量相較之前僅增加了31.41 mm，是多年平均的2.6%.浙西區(qū)年均降雨量相較之前僅增加了18.27 mm，是多年平均的1.6%.而主要入湖水利分區(qū)湖西區(qū)的年均降水量相較之前減少了25.25 mm.因此，在排除2015、2016兩個極端年份的情況下，近十年太湖流域降雨量并沒有顯著增加，而主要入湖的水利分區(qū)湖西區(qū)降雨量還存在減少的情況.

圖7 太湖流域降雨量、徑流量變化差值(以2007年前平均值為基數(shù))

從徑流量變化來看，全湖及湖西區(qū)入湖水量相較之前增加顯著，每年都高于之前的均值，而浙西區(qū)、武澄錫虞區(qū)無此現(xiàn)象.全太湖年入湖水量增加了30.8億m3，而湖西區(qū)入湖水量增加了28.2億m3.從降雨與徑流量的關(guān)系來看，除2015、2016兩個強降雨年以外，全太湖和湖西區(qū)降雨量變化不大，而入湖徑流量增加顯著，兩者之間關(guān)聯(lián)性不強.降雨量相比之前減少的年份，全太湖和湖西區(qū)年入湖水量仍比之前有所上升.但流域出現(xiàn)特大降雨的年份(2015、2016年)，流域出現(xiàn)洪水，入湖徑流量是受降雨量影響的.

2.2.4 下墊面變化對入湖水量的影響 太湖流域主要城市建筑用地的增加會造成流域下墊面硬化，從各城市1980-2018年的建筑用地面積變化來看(圖8)，增加較多的是下游的上海市、蘇州市和無錫市，增加范圍是891～2116 km2，而湖西區(qū)、浙西區(qū)的主要城市常州、鎮(zhèn)江和湖州則增加較少，增加范圍是344～730 km2.以太湖入湖水量開始增加的2007年為界，與2010年相比2018年入湖水量最大的湖西區(qū)、浙西區(qū)的主要城市常州、鎮(zhèn)江和湖州的建筑用地面積僅增加了100 km2左右，和其他區(qū)域相比變化較小.而上海市和蘇州市增加的建筑用地面積較大，均大于250 km2.這主要由于太湖流域上游的湖西區(qū)和浙西區(qū)以山地為主，而下游地區(qū)以平原為主，發(fā)展速度存在差異性[16].

圖8 太湖流域建筑用地面積變化

從下墊面硬化造成的產(chǎn)流增加量來看，南京水利科學(xué)研究院李伶杰等[16]以1991、1999和2009年降雨量為前提進行了分析.相對于1985年，2010年太湖流域建筑面積增加5291 km2，湖西區(qū)、浙西區(qū)和武澄錫虞區(qū)共增加約396 km2，這種下墊面條件變化所造成的湖西區(qū)產(chǎn)流量增量最大值約為1.0億m3，而浙西區(qū)約為0.5億m3.而2010-2018年湖西區(qū)和浙西區(qū)主要城市建筑用地增加幅度在100 km2左右，小于1985-2010年階段的396 km2，因此這一階段湖西區(qū)由于下墊面硬化造成的年均入湖水量增量不會超過1985-2010年期間的增量，應(yīng)該在1.5億m3以內(nèi).如果以2007-2018年下墊面變化造成的增量估算，應(yīng)該在2.0億m3左右.

2.2.5 湖西區(qū)水量變化對水體交換周期的影響 2007年后湖西區(qū)入湖水量占太湖總?cè)牒康?0%以上，且湖西區(qū)年入湖水量比2007年之前年均增加了28.2億m3，是太湖入湖水量增量(30.8億m3)的主要來源.若湖西區(qū)入湖水量維持在2007年前的平均水平，將湖西區(qū)入湖水量不增加時的水體交換周期與實際的水體交換周期繪制于圖9.由圖可見，湖西區(qū)水量的增加顯著降低了太湖的水體交換周期，減少范圍是13.2～81.3 d.

圖9 湖西區(qū)入湖水量增加對水體交換周期的影響

2.3 太湖水質(zhì)的空間變化

2.3.1 分湖區(qū)水質(zhì)差異 太湖主要入湖水量來自湖西區(qū)，主要出湖水量從太浦閘流出，中間流經(jīng)竺山湖、湖心區(qū)和東太湖，“引江濟太”調(diào)水主要從貢湖進入太湖.研究入湖-出湖之間的水質(zhì)變化規(guī)律，選取太湖這4個湖區(qū)作為研究區(qū)域，分析總氮(TN)濃度、總磷(TP)濃度和微囊藻生物量的變化(圖10).

圖10 太湖分湖區(qū)水質(zhì)及微囊藻豐度差異

從TN濃度變化來看(圖10a)，接近湖西入湖區(qū)的竺山湖顯著大于湖心區(qū)和東太湖，貢湖則與湖心區(qū)相當(dāng).從時間上看2005-2018年太湖各湖區(qū)TN濃度呈下降趨勢，但是4個湖區(qū)2016年均出現(xiàn)TN濃度回升，但此后又回到之前的水平附近.從空間上看，太湖TN濃度存在明顯的自西向東的下降趨勢，而且下降幅度很大，達到73.4%.

TP濃度變化(圖10b)在空間上的變化規(guī)律與TN濃度類似，也呈現(xiàn)顯著的自西向東的下降趨勢，下降幅度也很大，達到73.1%.但在時間上從2005-2014年各湖區(qū)都出現(xiàn)下降趨勢，從2015年，尤其是2016年磷出現(xiàn)顯著回升，此后維持在回升的水平上，而相對于原有水平東太湖TP濃度上升尤其明顯，2018年比2005年上升了31.9%.

從微囊藻生物量變化可以看出(圖10c).時間上，除東太湖以外其他幾個湖區(qū)都在2007-2008年期間生物量顯著增長，2017年達到峰值.東太湖是在2016年之前變化不明顯，而在2017年有明顯的上升且并沒有回落.空間上的變化規(guī)律與水質(zhì)相似，西部高、東部低，從竺山湖、貢湖、湖心區(qū)不斷減少，到東太湖銳減到其他湖區(qū)的13.8%左右.

2.3.2 太湖水體交換周期變化對水質(zhì)的影響 太湖具有非常突出的特點也就是水質(zhì)及微囊藻的生物量存在明顯的空間差異，表現(xiàn)出西北湖區(qū)差、東南湖區(qū)好的顯著趨勢，可以稱為“西濁東清”的特點.也就是太湖具有顯著的降解、沉降、轉(zhuǎn)化、截流氮、磷污染物的能力(以下統(tǒng)稱為凈化)，從湖西區(qū)進入太湖至太浦閘流出的過程中，這種凈化作用充分發(fā)揮，氮、磷濃度顯著下降，東太湖成為水質(zhì)良好的清水系統(tǒng).東部蘇州、上海金澤、嘉善太白蕩的水源地也因此得到良好的水源.將湖西區(qū)入湖污染物濃度與太浦閘出湖污染物濃度通過去除率來定量評價這一凈化過程，去除率為：

(1)

式中，i為水質(zhì)指標(TN濃度、TP濃度).收集整理每年太湖水質(zhì)的去除率與對應(yīng)的該年太湖水體交換周期繪制成圖11.由圖可見，太湖TN、TP的去除率均與水體交換周期有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，顯然從目前數(shù)據(jù)來看，太湖水體交換周期越長，太湖對入湖河水的凈化效果越好，入湖河流平均攜帶的74.1%的氮和79.4%的磷被太湖凈化.針對太湖去除率與水體交換周期的關(guān)系進行擬合得到公式(2)～(3).

圖11 太湖水體交換周期與水質(zhì)去除率的關(guān)系

RN=43.66+0.16Er

(2)

RP=67.85+0.07Er

(3)

式中，RN為TN去除率(%)，RP為TP去除率(%)，Er為水體交換周期(d).

3 討論

3.1 太湖水體交換周期的變化

長期來看，太湖的水循環(huán)發(fā)生了什么變化？從2.1節(jié)的結(jié)果可見，入湖水量增加是毋庸置疑的，2007年開始呈現(xiàn)突變增加的趨勢，相比1986-2006年的平均值增加了30.8億m3/年.按照秦伯強等[17]估算的1966-1988年太湖年均入湖水量只有52.5億m3，2007年后太湖年均入湖水量約是1980s之前的2.13倍.

從太湖蓄水量和年均水位來看，1986年以來也有增加，以2007年為界，2007-2018年太湖蓄水量比之前多了2.67億m3/a，年均水位上升了0.11 m.這主要因為2010年開始執(zhí)行的《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》相比1999年的《太湖流域洪水調(diào)度方案》，將防洪控制水位上調(diào)了0.1 m[18].

從太湖出湖水量和水體交換周期來看，由于入湖水量增加，湖泊蓄水量增加不大，出湖水量也顯著增加，相應(yīng)的湖泊水體交換周期下降明顯.以2007年為界，2007-2018年太湖水體交換周期平均值為184 d，比1986-2006年的平均值208 d減少了26 d/a.參照秦伯強等[17]估算的1966-1988年太湖蓄水量與出湖水量的平均值，1980s太湖水體交換周期約為308 d，約是現(xiàn)在的1.67倍.

3.2 太湖入湖水量增加的原因

太湖流域除自流域降雨產(chǎn)流以外，從長江向河網(wǎng)引水也會引起入湖水量的增加.以Mann-Kendall趨勢檢定來看，1951-2018年之間年降雨量并沒有顯著的規(guī)律性變化趨勢，但2016年的降雨量是1951年來的最大值，可能對后十年的平均值產(chǎn)生了一定的影響.水利部太湖流域管理局吳浩云等[19]對太湖全流域及各水利分區(qū)1951-2011年的年降水量、汛期降水量及年最大30日降水量進行分析，也認為降雨量并無顯著變化趨勢.另一方面由于太湖流域城鎮(zhèn)化速度發(fā)展非常快，下墊面的硬化也會造成產(chǎn)流系數(shù)的增加，具有在相同降雨量下產(chǎn)流量增加的可能.占入湖水量88%的湖西區(qū)、浙西區(qū)、武澄錫虞區(qū)由于建筑用地增加造成下墊面硬化的面積遠小于下游的城市[16]，在1985-2010年建筑面積增加396 km2，徑流量增加了1.5億m3，而2010-2018年期間建筑面積增加1000 km2左右，徑流量的增加不會超過1.5億m3.時間尺度換算為2007-2018年，主要產(chǎn)流區(qū)(湖西區(qū)、浙西區(qū)、武澄錫虞區(qū))由于下墊面硬化造成的年均入湖水量增量不會大于2.0億m3.

從長江向河網(wǎng)引水量的變化來看，增量是顯著的，以2007年為界，2007-2018年望虞河以西的沿江口門年均引水量增長28.9億m3/a.但實際情況有可能多于這個數(shù)據(jù)，因為沿江還有一些小的涵閘，其引水?dāng)?shù)據(jù)未能夠收集并納入本次計算.有文獻報道[9]2000年左右沿江口門經(jīng)過工程改造，從排水為主變?yōu)橐疄橹?從引水量、降雨量與入湖水量的相關(guān)性分析(表3)來看，沿江口門引水和太湖水量增加之間具有非常顯著的關(guān)聯(lián)性，可以認為沿江口門引水進入太湖是太湖入湖水量增加的主要原因之一.考慮到流域下墊面[16]變化可能造成不超過5億m3水量增加，沿江口門引水的效應(yīng)相當(dāng)于23億m3左右的水量增加，而望虞河“引江濟太”工程自2003年開始常態(tài)運行，為太湖入湖水量提供了7.99億m3/a的增量.

此外，從入湖水量發(fā)生突變的時間點分析(表2)，變化開始于2002年，而入湖水量與沿江口門引水量的分析(表3)表明湖西區(qū)的引江水量的相關(guān)性最強，這些證據(jù)又與湖西區(qū)沿江口門完成工程改造的時間一致，從這些時間點的重合上也可以證明沿江口門引水對入湖水量產(chǎn)生的影響.

3.3 水體交換周期變化對太湖總磷及水華的影響

入湖水量的增加對太湖總磷與水華有怎樣的影響？湖西區(qū)的引水應(yīng)該是從2002年以后開始，2007年以后引水量波動但年際差異不大.2015年發(fā)生洪水，入湖水量較大，2016年發(fā)生大洪水后太湖總磷濃度開始上升.2016年特大洪水導(dǎo)致大量TN、TP輸入，磷通量一次性增加579 t[4]，太湖的水質(zhì)也在此后得到響應(yīng)，TP的反彈尤為明顯.

收集國內(nèi)外典型湖泊的水體交換周期，并按2.3.2 節(jié)的方法計算了這些湖泊對入湖河流總磷的去除率，結(jié)果繪制在對數(shù)坐標圖12上.顯然從目前的數(shù)據(jù)來看，當(dāng)湖泊水體交換周期較長時，對入湖河流的總磷去除效果較好.匈牙利的巴拉頓湖[20-22]、美國的伊利湖[23-24]水體交換周期在3～4 a，其對入湖河流總磷的去除率年均在90%以上.中國的洪澤湖[25-26]、洞庭湖[27]、鄱陽湖[28]水體交換周期僅有20～40 d，其對入湖河流總磷的去除率年均只有24.8%左右，表現(xiàn)出較低的去除效果.太湖、巢湖[29]等水體交換周期在100～300 d，對總磷的去除率也在二者之間，大約在63.8%左右.從這一規(guī)律上來看，如果太湖入湖水量進一步增加，水體交換周期進一步下降，太湖對入湖河流總磷的去除率會繼續(xù)降低，太湖總磷濃度平均值尤其是東太湖的總磷濃度也可能進一步上升，太湖“西濁東清”的水質(zhì)結(jié)構(gòu)會因此受到影響.另一方面，水體交換周期較短的湖泊由于湖水流速快，紊動劇烈，一般不容易形成水華，如洪澤湖等水體交換周期極短的湖泊盡管其總磷高于太湖，但是少見水華暴發(fā)的報道.對于太湖而言，水體交換周期長對于飲用水水源地的東太湖、胥湖保持低營養(yǎng)的清水狀態(tài)是有利的，但通過望虞河“引江濟太”加快交換可能對于緩解西部湖區(qū)水華暴發(fā)有益.理想的方法是引江水進入太湖西北部，在不影響太湖水體總體交換周期的前提下加快西北部的水循環(huán).

圖12 典型湖泊水體交換周期與總磷去除率的關(guān)系

4 結(jié)論

1)太湖入湖水量有顯著上升，2007年來相比之前，平均每年入湖水量增長30.8億m3/a.水體交換周期顯著下降，現(xiàn)在約為184 d，相比2007年前下降了26 d.

2)太湖流域及各水利分區(qū)近70年來降雨量無顯著變化.太湖入湖水量增加主要集中在湖西區(qū)，與沿江口門引水量明顯相關(guān).2007年以來沿江口門引水量的變化不大，相比2007年前，年均引水量增長28.9億m3/a，而這期間太湖入湖水量增量與這一引水有關(guān).

3)太湖存在顯著的“西濁東清”的水質(zhì)結(jié)構(gòu)，東部的水質(zhì)良好依賴于太湖自身的凈化作用，目前來看，水體交換周期越長，東部TN、TP濃度的降低幅度越大.

4)入湖水量增加一直對太湖水質(zhì)產(chǎn)生著影響，而2016年突然出現(xiàn)的磷反彈，顯然與這一年發(fā)生的特大洪水一次性多增加579 t磷通量有著顯著的關(guān)系.2016年洪水造成的年度性水體交換周期縮短已經(jīng)對東部太湖水質(zhì)產(chǎn)生了不利的影響.