環(huán)太湖各水資源分區(qū)入出湖河流總磷濃度與負(fù)荷變化分析*

李瓊芳，許樹(shù)洪，陳啟慧**，賈小網(wǎng)，嚴(yán)方家，朱玉婷，林 鵬，皋 云

(1：河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

(2：長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，南京 210098)

(3：江蘇省水文水資源勘測(cè)局泰州分局，泰州 225300)

太湖流域位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)三角地區(qū)，以太湖為中心，分為上、下游水系兩個(gè)部分，上游主要為西部山區(qū)獨(dú)立水系，有苕溪、南河、洮滆水系等，下游主要為平原河網(wǎng)水系，主要有東部黃浦江水系、北部沿江水系和南部沿杭州灣水系. 按照流域水系、地質(zhì)單元及行政區(qū)劃界限，并考慮與防洪水利分區(qū)相一致的原則，太湖流域分為8個(gè)4級(jí)水資源分區(qū)，分別為浙西區(qū)、湖西區(qū)、太湖區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)、浦東區(qū)和浦西區(qū). 南河、洮滆水系位于湖西區(qū)，是太湖上游來(lái)水的主要源地；苕溪水系位于浙西區(qū)，分為東西兩支，在湖州匯合入湖；黃浦江水系以黃浦江為主干，是流域最具代表性的平原河網(wǎng)，黃浦江是流域最重要的排水通道；沿江水系位于太湖北部，主要河道包括新孟河、新溝河、望虞河等重要的沿江引排通道；位于杭嘉湖平原南部的入杭州灣河道，是流域南排的重要通道.

隨著太湖流域高度密集化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和高速城市化的發(fā)展，太湖富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題始終沒(méi)有得到根本的解決[1-2]. 磷作為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要控制因子，控制湖體磷濃度一直是治理太湖富營(yíng)養(yǎng)化的重點(diǎn)[3-4]. 太湖水體磷濃度主要受出入湖磷收支平衡[5-6]、湖體水體-沉積物交換平衡[7-8]、水相生物吸收與分解釋放平衡[9-10]等影響，但在現(xiàn)階段，控制削減外源入湖磷仍是治理太湖富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵任務(wù)之一[11]. 因此，很有必要深入分析出入太湖河流總磷濃度與負(fù)荷的時(shí)空變化及分布特征. 已有學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究：謝艾玲等[12]、呂文等[13]和Xu等[14]探明了入湖總磷負(fù)荷的空間變化特征，均認(rèn)為西北部河流入湖水量較大，導(dǎo)致相應(yīng)的入湖磷負(fù)荷也較大，而貢湖、東部沿岸區(qū)則以出湖負(fù)荷為主. 易娟等[15]和馬倩等[16]揭示了入湖河道的總磷濃度變化特征，前者發(fā)現(xiàn)2007-2014年期間江蘇、浙江兩省22條入湖河道總磷濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而且得出了江蘇省河道總磷濃度大于浙江省的結(jié)論；后者研究表明湖西區(qū)入湖河道總磷濃度與望虞河的總磷濃度之比在1.10～3.20之間，望虞河入湖總磷濃度明顯小于湖西區(qū)各河流的. 翟淑華等[17]、朱偉等[18]剖析了入湖負(fù)荷變化的影響因素，指出流域大洪水造成河道輸入太湖的總磷負(fù)荷驟增. 然而，值得一提的是，已有的相關(guān)研究要么以行政區(qū)劃、要么僅以部分地理單元(如太湖西部沿岸)為研究對(duì)象分析入出湖總磷變化，但以具有不同水系特征的環(huán)太湖各水資源分區(qū)為研究單元，結(jié)合其水文條件揭示環(huán)太湖及不同水資源分區(qū)入出湖總磷濃度和負(fù)荷時(shí)空變化規(guī)律的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道. 以水資源分區(qū)為單元分析入出湖河流水量、總磷濃度、負(fù)荷變化規(guī)律，有利于針對(duì)不同分區(qū)的水系特征實(shí)施入出湖水量系統(tǒng)調(diào)控和水環(huán)境系統(tǒng)治理，從而達(dá)到降低入湖河流總磷濃度、削減入湖總磷負(fù)荷的目的. 為此，本文深入分析了2012-2018年環(huán)太湖各水資源分區(qū)及望虞河、太浦河兩大入出河道入出總磷濃度、總磷負(fù)荷量時(shí)空變化特征. 鑒于雙累積曲線法廣泛運(yùn)用于資料系列一致性檢驗(yàn)和人類活動(dòng)影響分析方面，如降雨、徑流、泥沙量等水文要素的趨勢(shì)演變分析等[19-21]，嘗試性地運(yùn)用雙累積曲線法分析入湖水量累積量-入湖總磷負(fù)荷累積量的關(guān)系以揭示水污關(guān)系變化特征. 在結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，討論了入湖總磷負(fù)荷的影響因素以及控制途徑，可為太湖外源磷控制和太湖富營(yíng)養(yǎng)化治理提供科學(xué)依據(jù).

1 資料與方法

1.1 資料收集與處理

2012-2018年入出太湖水量資料依據(jù)江蘇省水文水資源勘測(cè)局提供的環(huán)太湖水文巡測(cè)(圖1)獲得. 環(huán)太湖共130個(gè)測(cè)流斷面，共10個(gè)巡測(cè)段及基準(zhǔn)站，另有五里湖閘、梅梁湖泵站、犢山閘、望亭立交等13個(gè)流量單站. 出入湖河流水量由環(huán)太湖巡測(cè)段流量計(jì)算而來(lái)，巡測(cè)段基點(diǎn)站和單站每日定時(shí)流量測(cè)驗(yàn)，利用各段基點(diǎn)站流量與巡測(cè)段流量關(guān)系公式推算巡測(cè)段流量. 巡測(cè)斷面流向規(guī)定入湖為正、出湖為負(fù)，入出湖流量同時(shí)記錄. 論文中所采用的2012-2018年入出太湖主要河流的水質(zhì)資料分別由江蘇省水文水資源勘測(cè)局無(wú)錫分局、常州分局、蘇州分局提供. 水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面基本與水量巡測(cè)段面一致，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，浙江段出入湖河流設(shè)置水質(zhì)站點(diǎn)共18處，其中長(zhǎng)興縣9處，湖州市吳興區(qū)9處(圖1). 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)需氧量等指標(biāo)，水質(zhì)化驗(yàn)方法采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法，其中總磷濃度測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893-1989). 無(wú)錫分局水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次多為每月2次，其他分局水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次多為每月1次.

1.2 研究方法

1.2.1 出入湖總磷年負(fù)荷和年平均濃度計(jì)算 將環(huán)太湖巡測(cè)線按水資源分區(qū)進(jìn)行劃分(表1). 太浦河、望虞河進(jìn)出水量單獨(dú)計(jì)算. 基于2012-2018年環(huán)太湖水文巡測(cè)流量數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算5個(gè)水資源分區(qū)入出湖以及望虞河、太浦河兩條主要河流的入出太湖總磷負(fù)荷量. 部分受閘門控制的河道以及存在往復(fù)流現(xiàn)象的河道，可能既是入湖河道，也是出湖河道，在計(jì)算入出湖污染負(fù)荷時(shí)以入湖為正、出湖為負(fù). 在計(jì)算不同水資源分區(qū)年入出湖總磷負(fù)荷時(shí)，先由各巡測(cè)段日入、出湖流量換算成月入出湖水量，分別將月入、出湖水量與巡測(cè)段內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面月平均濃度相乘(若該月水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻率為每月2次，則監(jiān)測(cè)斷面月平均濃度為兩次平均，若為每月1次，則監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為斷面月平均濃度)，得到巡測(cè)段內(nèi)河流月入、出湖總磷負(fù)荷，并累加得到其年入出湖負(fù)荷，進(jìn)而在空間上累加得到水資源分區(qū)內(nèi)河流入出湖負(fù)荷. 數(shù)學(xué)公式[22]為：

(1)

(2)

式中，W分區(qū)入、W分區(qū)出為水資源分區(qū)內(nèi)河流入、出湖總磷負(fù)荷；n為水資源分區(qū)內(nèi)巡測(cè)段個(gè)數(shù)；j為月份；Cj為巡測(cè)段水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面總磷月平均濃度；Q入j、Q出j為巡測(cè)段月入、出湖水量.

不同于通常采用的算術(shù)平均法計(jì)算入出湖總磷平均濃度，考慮到環(huán)太湖不同河道、巡測(cè)段入出湖水量、水質(zhì)在時(shí)空上呈現(xiàn)明顯的差異性，采用以水量為權(quán)重的加權(quán)平均法計(jì)算各水資源分區(qū)及環(huán)太湖河道入出湖總磷年平均濃度，計(jì)算公式為：

(3)

(4)

式中，C分區(qū)入、C分區(qū)出為加權(quán)平均法計(jì)算的各水資源分區(qū)河道入、出湖總磷年平均濃度，其余參數(shù)意義同上.

1.2.2 基于雙累積曲線法的入湖水量-總磷負(fù)荷關(guān)系分析 以年水量累積值作為橫軸、總磷年負(fù)荷累積量作為縱軸，點(diǎn)繪環(huán)太湖及各水資源分區(qū)河流年水量累積值-總磷年負(fù)荷累積量的雙累積曲線，分析曲線斜率突變情況，探明以總磷為污染物代表的水污關(guān)系(即總磷污染形成機(jī)制)變化規(guī)律.

1.2.3 基于月尺度的入湖水量-總磷負(fù)荷及入湖總磷濃度-負(fù)荷相關(guān)分析 首先利用SPSS 22軟件計(jì)算各水資源分區(qū)河流月入湖水量-月入湖總磷負(fù)荷及入湖總磷月平均濃度-月入湖總磷負(fù)荷之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，再依據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小分析它們之間的相關(guān)關(guān)系. Pearson相關(guān)系數(shù)|r|≥0.8時(shí)為高度相關(guān)，0.4≤|r|<0.8為中等程度相關(guān)，0.2≤|r|<0.4為低度相關(guān)，|r|<0.2基本不相關(guān).

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)太湖河流年入出湖總磷平均濃度變化特征

環(huán)太湖河流入湖總磷平均濃度在0.189 mg/L上下波動(dòng)，2013-2015年期間逐年降低，但在2015年之后有所升高，直到2017年以后又有所下降；出湖總磷濃度呈上升趨勢(shì)，由0.075 mg/L上升到0.083 mg/L(圖2). 對(duì)照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中地表河道水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，入湖總磷濃度一直處于Ⅲ、Ⅳ類水質(zhì)的臨界水平，而出湖總磷濃度一直維持在Ⅱ類水質(zhì). 入湖河流水質(zhì)明顯比出湖的差，且入湖總磷濃度也顯著高于太湖湖體總磷多年平均濃度(0.078 mg/L)[23]. 出湖總磷多年平均濃度為0.079 mg/L，與太湖湖體的相近. 此外，以所有環(huán)太湖河流為整體，其入湖水量-總磷負(fù)荷雙累積曲線(圖3)沒(méi)有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，表明2012-2018年間環(huán)太湖入湖河流總磷年平均濃度隨時(shí)間沒(méi)有發(fā)生明顯變化. 由此可見(jiàn)，環(huán)太湖入湖河流總磷污染治理效果不明顯.

圖2 太湖湖體及環(huán)太湖河流入出湖平均總磷濃度

圖3 環(huán)太湖河流入湖水量-總磷負(fù)荷雙累積曲線

2.2 環(huán)太湖河流入出湖總磷年負(fù)荷及凈入湖負(fù)荷變化特征

環(huán)太湖河流入出湖總磷年負(fù)荷、年水量變化如圖4所示. 入出湖負(fù)荷、凈入湖負(fù)荷變化過(guò)程基本一致，最低值發(fā)生在2013年， 分別為1790.8、711.2和1079.6 t，之后增加，2016年達(dá)到峰值，分別為2993.9、1341.1和1652.8 t，之后又開(kāi)始減小. 2012-2018年間累積入湖負(fù)荷達(dá)到15445.59 t，累積出湖負(fù)荷為6116.08 t，累積凈入湖負(fù)荷為9329.51 t，累積入湖負(fù)荷始終大于累積出湖負(fù)荷，且累積入湖負(fù)荷增長(zhǎng)率為2288.87 t/a，明顯大于累積出湖負(fù)荷增長(zhǎng)率938.61 t/a，累積凈入湖負(fù)荷增長(zhǎng)率為1315.02 t/a.

圖4 環(huán)太湖河流入出湖年總磷負(fù)荷

入出湖總磷負(fù)荷在很大程度上受水量變化控制[24]. 2013年枯水年(年降水量大于多年平均值)，整個(gè)太湖流域降水較少，入湖水量偏枯，入出湖總磷負(fù)荷也較少. 2016年豐水年(年降水量大于多年平均值)，入湖水量達(dá)到1999年以來(lái)的最大值，入出湖總磷負(fù)荷也達(dá)到峰值. 環(huán)太湖入出湖河流凈入湖總磷負(fù)荷始終為正值，說(shuō)明在研究時(shí)段每年由入湖水流帶入太湖的總磷負(fù)荷始終高于出湖水流帶出的總磷負(fù)荷.

2.3 各水資源分區(qū)河流入出湖總磷年平均濃度變化特征

由加權(quán)平均法計(jì)算得到的各水資源分區(qū)河流入出太湖總磷濃度變化如圖5所示，其變化特征隨水資源分區(qū)變化而變化. 從年際變化趨勢(shì)來(lái)看，湖西區(qū)入湖總磷濃度呈下降-上升-下降的變化規(guī)律，但始終處于Ⅳ類水質(zhì)，2016年入湖總磷濃度(0.230 mg/L)最高；武澄錫虞區(qū)、杭嘉湖區(qū)入湖總磷濃度波動(dòng)較大，但2016年后下降明顯；望虞河、浙西區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)自2015年起入湖總磷濃度均呈上升趨勢(shì). 在空間分布上，不同水資源分區(qū)2012-2018年入湖總磷多年平均濃度由高至低排序依次為湖西區(qū)(0.226 mg/L)>武澄錫虞區(qū)(0.192 mg/L)>望虞河(0.135 mg/L)>浙西區(qū)(0.119 mg/L)>杭嘉湖區(qū)(0.097 mg/L)>陽(yáng)澄淀泖區(qū)(0.090 mg/L). 綜合來(lái)看太湖西北部河流入湖總磷濃度高于太湖東南部的，江蘇片區(qū)的高于浙江片區(qū)的，與呂文等[13]的分析結(jié)果一致. 除陽(yáng)澄淀泖區(qū)外，其他水資源分區(qū)入湖總磷濃度普遍大于太湖湖體的總磷濃度. 此外，從入湖水量-總磷負(fù)荷雙累計(jì)曲線斜率的變化規(guī)律(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，湖西區(qū)、望虞河入湖總磷年平均濃度沒(méi)有明顯變化，浙西區(qū)的在2015、2014年有所減小，但之后均無(wú)明顯變化，而武澄錫虞區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)的卻都在2014年突然增大. 除杭嘉湖區(qū)外，其他水資源分區(qū)雙累積曲線斜率均沒(méi)有逐年變小趨勢(shì)，表明在這些水資源分區(qū)削減入湖河流總磷年平均濃度面臨更大壓力.

圖5 各水資源分區(qū)河流入出湖總磷濃度變化

圖6 各水資源分區(qū)河流入湖水量-總磷負(fù)荷雙累積曲線(圖中年份代表該年末累積值)

出湖總磷濃度變化特征與入湖的有所不同，年際變化上各水資源分區(qū)及望虞河、太浦河均呈明顯波動(dòng)變化，2012-2018年出湖總磷多年平均濃度由高至低排序依次為浙西區(qū)(0.114 mg/L)>武澄錫虞區(qū)(0.109 mg/L)>望虞河(0.105 mg/L)>杭嘉湖區(qū)(0.087 mg/L)>太浦河(0.075 mg/L)>陽(yáng)澄淀泖區(qū)(0.059 mg/L). 從出湖河道總磷濃度空間差異來(lái)看，浙西區(qū)、武澄錫虞區(qū)對(duì)應(yīng)的太湖西南部、西北部湖區(qū)水質(zhì)明顯比東部、東南部湖區(qū)的差.

需要指出的是，2014年武澄錫虞區(qū)入湖總磷平均濃度均明顯高于其他年份(圖5). 這是因?yàn)?014年武澄錫虞區(qū)7-8月入湖水量大，而其他月份入湖水量為零，再加上主要入湖河道武進(jìn)港7月總磷濃度高達(dá)0.359 mg/L，顯著高于其他年份總磷平均濃度，結(jié)果導(dǎo)致水量加權(quán)法計(jì)算得到的總磷平均濃度大. 陽(yáng)澄淀泖區(qū)2014年入湖總磷濃度偏高是由于主要入湖河流滸光運(yùn)河4月總磷濃度出現(xiàn)特高值. 由于該年4月降水較常年同期偏多45%，導(dǎo)致通常在非汛期關(guān)閉的位于水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)上下游的閘門在該月集中開(kāi)閘泄水，致使該月入湖水量占全年的比重最高，同時(shí)非汛期期間積累的大量污染物在閘門開(kāi)啟后隨水流進(jìn)入太湖. 因此，滸光運(yùn)河4月總磷濃度出現(xiàn)特高值有可能是在閘門開(kāi)啟初期采樣分析的結(jié)果. 為了更準(zhǔn)確地反映總磷濃度在時(shí)程上的變化，建議在水文條件變化較大的月份，加大水質(zhì)采樣監(jiān)測(cè)頻次，更全面地掌握水利工程運(yùn)行對(duì)河道水質(zhì)的影響.

2.4 各水資源分區(qū)河流入出湖總磷年負(fù)荷變化特征

從圖7可以看出，不同水資源分區(qū)河流入湖總磷年負(fù)荷變化特征也不盡相同. 入湖總磷負(fù)荷主要來(lái)自湖西區(qū)和浙西區(qū)，其2012-2018年多年平均總磷負(fù)荷分別為1748.71 和278.61 t. 湖西區(qū)入湖總磷負(fù)荷呈減少-增加-減少的變化特性，且其占總?cè)牒戎刈畲螅?013年最小(1215.54 t，占比為67.88%)，2016年最大(2331.20 t，占比為77.87%). 浙西區(qū)入湖總磷負(fù)荷的變化特性與湖西區(qū)的類似，2016年負(fù)荷最大(494.58 t)，但2013年占比最大(18.38%)，且其各年占比僅次于湖西區(qū)，在7%～19%之間變化. 望虞河入湖總磷負(fù)荷多年平均值為87.47 t，最大值為2013年的167.02 t；自2015年開(kāi)始入湖總磷負(fù)荷均少于100 t，大水年2016年入湖總磷負(fù)荷僅為18.78 t；入湖總磷負(fù)荷占比較小，始終在10%以下. 武澄錫虞區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)入湖總磷負(fù)荷占比太小，在此不做詳細(xì)分析.

圖7 各水資源分區(qū)河流入出湖總磷負(fù)荷及凈入湖總磷負(fù)荷

太浦河出湖總磷負(fù)荷多年平均值為272.27 t，高于其他分區(qū)，但不同年份的出湖總磷負(fù)荷取決于流域降雨徑流大小. 2013年枯水年，出湖水量較少(10.90億m3)，相應(yīng)的出湖總磷負(fù)荷也較少(33.96 t)，僅占總出湖負(fù)荷的4.78%. 2016年豐水年，因其作為主要排水通道承接?xùn)|太湖來(lái)水同時(shí)兼排杭嘉湖區(qū)澇水，出湖水量最多(68.02億m3)，出湖總磷負(fù)荷也最多(484.53 t)，占比高達(dá)46.40%. 陽(yáng)澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)、望虞河出湖總磷負(fù)荷多年平均值分別為159.58、154.99和121.05 t，占總出湖負(fù)荷的多年平值比重分別為18.37%、18.84%和12.43%，次于太浦河. 其中望虞河2016年發(fā)揮排水功能導(dǎo)致出湖水量驟增，出湖總磷負(fù)荷最大(347.50 t). 武澄錫虞區(qū)和浙西區(qū)出湖總磷負(fù)荷對(duì)總出湖的貢獻(xiàn)小，具體分析不再贅述.

2.5 總磷濃度、負(fù)荷計(jì)算結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)的對(duì)比分析

從圖8可以看出，本論文所計(jì)算的總磷入湖負(fù)荷與相關(guān)文獻(xiàn)的相差不大，且變化趨勢(shì)基本一致. 但從總磷平均濃度來(lái)看，則有所差異. 鑒于不同數(shù)據(jù)源的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置、采樣時(shí)間和頻次以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與巡測(cè)段水量數(shù)據(jù)的匹配方式可能都存在差異，因此朱偉等[25]與王華等[26]使用與本文不同的數(shù)據(jù)源計(jì)算得到的總磷濃度與本文有所不同. 而呂文等[13]采用與本文相同的、由水利系統(tǒng)提供的水量水質(zhì)資料，在計(jì)算巡測(cè)段平均濃度如城東港橋段入湖總磷濃度時(shí)，如果僅考慮城東港等主要基點(diǎn)站的斷面總磷濃度，兩者的計(jì)算結(jié)果基本一致. 但本論文認(rèn)為在計(jì)算該巡測(cè)段入湖總磷濃度時(shí)，應(yīng)該綜合考慮社瀆、官瀆、交瀆、洪巷港、城東港等多個(gè)斷面的總磷濃度，因此兩者計(jì)算結(jié)果有所差別. 下面主要分析論證在使用相同資料情況下算術(shù)平均法和水量加權(quán)法計(jì)算入湖總磷平均濃度的合理性.

圖8 本研究與其他研究中入湖總磷平均濃度和負(fù)荷的對(duì)比(1、2分別為朱偉等[25]與本文計(jì)算得到的湖西區(qū)河流入湖總磷平均濃度；3、4分別為呂文等[13]與本文計(jì)算得到的江蘇段河流入湖總磷濃度；5、6分別為王華等[26]與本文計(jì)算得到的環(huán)太湖河流入湖總磷濃度；7、8分別為呂文等[13]與本文計(jì)算得到的江蘇段入湖總磷負(fù)荷；9、10分別為王華等[26]與本文計(jì)算得到的環(huán)太湖入湖總磷負(fù)荷)

圖9 2016年城東港、武進(jìn)港、雅浦港總磷濃度和入湖水量的年內(nèi)分配(柱狀圖為入湖水量，折線圖為總磷濃度)

入出湖河流水量、水質(zhì)的空間分布差異也會(huì)使總磷的水量加權(quán)濃度和算術(shù)平均濃度不同. 由表2可以看出，城東港-殷村港-太滆運(yùn)河段入湖總磷年平均濃度的算術(shù)平均值大于水量加權(quán)平均值，這是由于3條河流中城東港入湖水量占比明顯偏高，但濃度最低，水量加權(quán)濃度主要受城東港濃度影響，而算術(shù)平均值會(huì)因殷村港、太滆運(yùn)河總磷濃度較高而使計(jì)算結(jié)果偏大. 水量加權(quán)法能反映入湖河流水量、水質(zhì)在空間上的分布不均.

表2 入湖河流總磷年平均濃度不同計(jì)算方法結(jié)果對(duì)比

就本文數(shù)據(jù)分析結(jié)果來(lái)看，水量加權(quán)法比算術(shù)平均法更適用于太湖流域年度入湖河流控制斷面的濃度考核及水環(huán)境治理效果的評(píng)價(jià). 由水量加權(quán)法計(jì)算得到總磷濃度明顯高于《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案(2013年修編)》確定的2020年河道水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)，江蘇省尤其是太湖西北部的河道總磷負(fù)荷是太湖總磷的主要貢獻(xiàn)源，其水環(huán)境治理和總磷負(fù)荷控制任重而道遠(yuǎn)[27-28].

2.6 入湖總磷負(fù)荷-水量-入湖河流磷濃度關(guān)系

從表3可以看出，各水資源分區(qū)月入湖總磷負(fù)荷與月入湖水量相關(guān)程度較高，相關(guān)系數(shù)均在0.6以上. 而月入湖總磷負(fù)荷與月入湖總磷濃度相關(guān)程度相對(duì)較低[29]；除陽(yáng)澄淀泖區(qū)外，其他水資源分區(qū)月入湖水量與月入湖總磷負(fù)荷的相關(guān)系數(shù)均大于月入湖總磷濃度與負(fù)荷的相關(guān)系數(shù)，表明這些區(qū)月入湖水量變化對(duì)月入湖總磷負(fù)荷變化的影響要大于月入湖總磷濃度. 從線性回歸分析結(jié)果(圖10)也可以看出，湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、望虞河、浙西區(qū)月入湖總磷負(fù)荷與月入湖水量的線性回歸擬合度均較高. 總磷負(fù)荷占比最大的湖西區(qū)月尺入湖總磷負(fù)荷與月入湖水量線性回歸的決定系數(shù)R2高達(dá)0.93.

圖10 各分區(qū)河流月尺度入湖總磷負(fù)荷-水量回歸分析

表3 各分區(qū)河流月尺度入湖總磷負(fù)荷與水量、總磷濃度的Pearson相關(guān)系數(shù)

湖西區(qū)和望虞河的月入湖總磷負(fù)荷-月入湖水量點(diǎn)據(jù)分布非常集中，表明湖西區(qū)、望虞河入湖總磷月平均濃度隨月份變化不明顯；武澄錫虞區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)、浙西區(qū)的月入湖總磷負(fù)荷-月入湖水量關(guān)系點(diǎn)據(jù)中絕大部分分布較集中，但仍有些月份明顯偏離回歸線，表明4個(gè)水資源分區(qū)入湖總磷月平均濃度均有突然升高或降低的情況.

3 討論

3.1 入湖總磷負(fù)荷影響因素

由前文分析可知，與其他水資源分區(qū)相比，湖西區(qū)入湖河流不僅水質(zhì)相對(duì)較差，同時(shí)受上游水系來(lái)水影響，水量也明顯偏大且呈增加趨勢(shì)[30]，由此可見(jiàn)，其入湖水量大與入湖河流水質(zhì)差的疊加作用造成其入湖總磷負(fù)荷顯著高于其他分區(qū)，其各年占比均在65%以上. 因此，改善入湖河流水質(zhì)、減少入湖水量對(duì)控制湖西區(qū)總磷入湖負(fù)荷極其重要，從而很有必要以湖西區(qū)為例探明入太湖水量、總磷濃度的影響因素，為削減入湖總磷負(fù)荷提供科學(xué)依據(jù).

季海萍等[31]分析發(fā)現(xiàn)全流域入湖水量-降水量1998-2017年的系列與1986-1997年的系列存在分層，相同降水條件下入湖水量有明顯增加，所以認(rèn)為除降水外的其他因素可能正主導(dǎo)入湖水量變化，而江蘇段沿江引水量與江蘇入湖水量的變化趨勢(shì)、節(jié)點(diǎn)、幅度基本一致，沿江引水量是入湖水量的重要影響因素. 從圖11、表4來(lái)看，環(huán)太湖、湖西區(qū)入湖水量的增加趨勢(shì)比全流域、湖西區(qū)、浙西區(qū)降水量的更加顯著，環(huán)太湖、湖西區(qū)和浙西區(qū)入湖水量2005-2018年的多年平均值相比1990-2004年分別增加了23%、53.11%和10.10%，而全流域、湖西區(qū)和浙西區(qū)降水的增幅分別僅有5.88%、8.19%和4.51%，在降水相近條件下，入湖水量有了明顯增加. 秦伯強(qiáng)[4]指出當(dāng)前太湖年來(lái)水量增量的很大一部分是由于流域整體用水量增加而進(jìn)入城鎮(zhèn)給排水循環(huán)系統(tǒng)的長(zhǎng)江引水，陳潔等[32]指出調(diào)水、補(bǔ)水、和沖水等水環(huán)境治理措施也會(huì)使得一部分引江水量進(jìn)入太湖. 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，環(huán)太湖和湖西區(qū)沿江引水量2005-2018年的多年平均值相比1990-2004年分別增加了51.18%和26.57%，均呈顯著增加趨勢(shì). 因此科學(xué)調(diào)度與管理引水工程，根據(jù)流域來(lái)水豐枯情況，合理地制定引水方案，使得引水工程的調(diào)度運(yùn)行既有利于保障供水安全也有利于控制入湖水量尤為重要. 此外，吳娟等[33]、蘇偉忠等[34]認(rèn)為湖西區(qū)城鎮(zhèn)面積擴(kuò)展導(dǎo)致的地表不透水面積增加會(huì)使地表徑流增加進(jìn)而增加入湖水量.

表4 全流域及湖西區(qū)和浙西區(qū)降水量、入湖水量和沿江引水量統(tǒng)計(jì)

圖11 全流域及湖西區(qū)、浙西區(qū)降水量、入湖水量和引江水量變化過(guò)程

強(qiáng)降雨形成的地表徑流可攜帶大量污染物質(zhì)進(jìn)入湖體，導(dǎo)致入湖總磷負(fù)荷增加. 以2016大水年為例，2016年湖西區(qū)年降水量達(dá)到2025.5 mm，超過(guò)常年降水量的73.3%，2016年入湖負(fù)荷也明顯高于其他年份. 2016年降水量6、7月最大，相應(yīng)的6、7月入湖水量、入湖總磷負(fù)荷也最大[17]，表明豐沛的降雨所產(chǎn)生的地表徑流攜帶了大量面源污染物排入河道. 再者，河道內(nèi)風(fēng)浪擾動(dòng)、水動(dòng)力擾動(dòng)作用使得河道沉積物中的磷再懸浮，隨徑流入湖，也會(huì)增加入湖磷負(fù)荷[35].

3.2 太湖外源磷污染控制

入湖總磷負(fù)荷量大是實(shí)現(xiàn)太湖水體總磷治理目標(biāo)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，需要從流域?qū)用嫔峡刂瓶偭孜廴疚镞M(jìn)入水體. 以下針對(duì)不同水資源分區(qū)的總磷負(fù)荷變化特點(diǎn)，對(duì)控制措施進(jìn)行討論.

3.2.1 湖西區(qū) 為了控制豐水年面源污染負(fù)荷，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注降雨事件過(guò)程中入湖河流總磷濃度、負(fù)荷的響應(yīng)特征. 陳潔等[32]、連心橋等[35]發(fā)現(xiàn)河道氮、磷濃度在強(qiáng)降雨之后會(huì)出現(xiàn)短暫的升高現(xiàn)象，再疊加入湖水量增加的作用，造成入湖負(fù)荷增加. 在今后的外源污染負(fù)荷控制管理中，應(yīng)建立與降水事件相匹配的高頻次、高精度的水量水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)方案. 針對(duì)降雨徑流導(dǎo)致的復(fù)雜多變的污染影響，需要通過(guò)一些措施減少降雨徑流入湖. 郝璐等[36]指出城市化導(dǎo)致的地表不透水面積增加會(huì)通過(guò)阻擋水分下滲以及減少植物蒸騰和冠層截留而導(dǎo)致地表徑流增加，進(jìn)而可能導(dǎo)致徑流攜帶的污染物增加. 胥瑞晨等[37]發(fā)現(xiàn)近30年江蘇片區(qū)建筑用地面積的突變點(diǎn)與入湖水量突變點(diǎn)一致，建筑面積對(duì)入湖水量的影響大于蒸發(fā)量、降水量、引水量等. 因此可通過(guò)海綿城市建設(shè)改變城市產(chǎn)匯流條件、雨洪資源利用、環(huán)湖城市/城鎮(zhèn)的水環(huán)境質(zhì)量提升[38-41]等措施，減少入地表徑流及其攜帶的污染. 以位于湖西區(qū)北部的鎮(zhèn)江市海綿城市建設(shè)為例，鎮(zhèn)江市虹橋港LID設(shè)施建設(shè)顯著改善了河道水質(zhì)[42]：暴雨重現(xiàn)期為1年時(shí)，LID設(shè)施對(duì)地表徑流量的削減達(dá)到58.69%，COD、氨氮、總磷削減量分別為54.02%、55.86%、58.18%，LID設(shè)施在有效控制徑流量的同時(shí)，對(duì)雨水徑流中污染物的截留也有顯著正效應(yīng).

從污染源頭治理角度，應(yīng)探明主要入湖河道污染物的來(lái)源特點(diǎn). 湖西區(qū)主要入湖河道污染嚴(yán)重，區(qū)內(nèi)工業(yè)、居民住宅沿河分布，污染來(lái)源復(fù)雜，應(yīng)從流域?qū)用嫣矫魑廴竞拥姥爻涛廴疚飦?lái)源與分布特征，便于污染分類分區(qū)治理. 連慧姝等[43]分析了湖西區(qū)蠡河流域上下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)在汛期、非汛期的沿程變化特征，認(rèn)為農(nóng)業(yè)源不是主要污染源，生活源、畜禽養(yǎng)殖源源才是流域污染的主要來(lái)源. 申萌萌等[44]通過(guò)分析農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的空間分布特征，認(rèn)為畜禽養(yǎng)殖污染對(duì)太滆運(yùn)河水質(zhì)影響最大. 因此，應(yīng)因地制宜地采取措施控制生活源、畜禽養(yǎng)殖源造成的面源污染.

3.2.2 其他水資源分區(qū) 浙西區(qū)受苕溪水系來(lái)水影響，是入湖水量及總磷負(fù)荷貢獻(xiàn)的第二大水資源區(qū)，同湖西區(qū)一樣也存在嚴(yán)重的面源污染問(wèn)題. 需要降低面源污染風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)防畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水排放，提高污水處理能力. 武澄錫虞區(qū)雖然入湖總磷負(fù)荷占比極低，但控制其總磷負(fù)荷也面臨挑戰(zhàn). 雙累積曲線表明其入湖總磷濃度在2014年存在突然升高現(xiàn)象，且最近幾年沒(méi)有明顯降低. 武澄錫虞區(qū)直湖港、梁溪河等河道現(xiàn)均已施行閘控管理，在大洪水期間因開(kāi)閘泄洪，常常會(huì)將閘上蓄積的大量污水排入湖體[32]. 因此需要加強(qiáng)這些河道的污染治理和點(diǎn)源污染監(jiān)測(cè)預(yù)警，減少閘前污染物的聚集.

3.2.3 望虞河 2.4節(jié)分析表明，“引江濟(jì)太”入湖總磷負(fù)荷占總?cè)牒谋戎鼐陀?0%，盡管其入湖總磷濃度高于湖體平均濃度，但明顯低于環(huán)太湖入湖河道的平均濃度，總體而言屬優(yōu)質(zhì)來(lái)水. 朱偉等[25]、毛新偉等[45]的研究也表明，現(xiàn)階段“引江濟(jì)太”帶入的磷負(fù)荷與近年太湖總磷濃度反彈的相關(guān)性不高. 因此，通過(guò)調(diào)引長(zhǎng)江水可以改善太湖水動(dòng)力條件，增加太湖水環(huán)境容量[16]. 另外，望虞河作為太湖引排水重要通道，在豐水年，可以通過(guò)發(fā)揮其排澇功能，將湖體總磷負(fù)荷排出. 如2015-2017年間，通過(guò)其排出湖體的總磷負(fù)荷大于其輸入湖體的. 但值得一提的是，望虞河排水可能會(huì)使得貢湖西岸水體自西南向東北的流動(dòng)加快，從而導(dǎo)致梅梁湖總磷濃度較高的湖水在貢湖西岸迅速蔓延[46]，同時(shí)將梅梁湖湖面的藍(lán)藻攜帶至貢湖灣內(nèi)進(jìn)一步惡化水質(zhì)，不過(guò)此類不利影響根源還是在于太湖西北部的入湖污染負(fù)荷高.

望虞河引水雖然對(duì)太湖流域水環(huán)境改善起到積極作用，但也應(yīng)關(guān)注引江水量增加對(duì)入湖磷負(fù)荷、湖體水動(dòng)力條件以及水循環(huán)路徑的影響，科學(xué)調(diào)控引水，充分發(fā)揮“引江濟(jì)太”工程的積極作用.

4 結(jié)論

1)2012-2018年間環(huán)太湖河流年入湖總磷平均濃度(0.189 mg/L)明顯高于與湖體總磷濃度相近的出湖總磷平均濃度(0.079 mg/L)，入湖河流水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀. 入湖總磷負(fù)荷多年平均值為2206.51 t，也大于出湖的873.73 t，且表現(xiàn)出豐多枯少的變化規(guī)律，環(huán)太湖河流年入湖總磷負(fù)荷始終大于出湖的.

2)以水量加權(quán)法計(jì)算分區(qū)河流入出湖總磷平均濃度更為合理，結(jié)果表明西北、北部的湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)以及望虞河入湖總磷平均濃度明顯高于南、東南部的浙西區(qū)、杭嘉湖區(qū)、陽(yáng)澄淀泖區(qū)的；出湖總磷濃度與對(duì)應(yīng)湖區(qū)水質(zhì)密切相關(guān)，西南部、西北部出湖水質(zhì)明顯比東部、東南部的差. 湖西區(qū)入湖負(fù)荷占比最大，年均達(dá)67.88%以上，浙西區(qū)僅次于湖西區(qū)，占比在7%～19%之間. 太浦河出湖的總磷負(fù)荷占比最大，但在2016年豐水年望虞河也是磷負(fù)荷出湖的重要通道.

3)總磷負(fù)荷占比最大的湖西區(qū)入湖河流總磷濃度沒(méi)有得到有效削減，入湖水量對(duì)入湖總磷負(fù)荷的影響大，在難以精準(zhǔn)溯源和控源的背景下，應(yīng)加強(qiáng)降水過(guò)程中水量水質(zhì)高頻次同步監(jiān)測(cè)，并通過(guò)海綿城市建設(shè)和科學(xué)合理引調(diào)江水，控制入湖總磷負(fù)荷.