引水等综合整治后杭州西湖氮、磷营养盐时空变化(1985-2013年)*

尤爱菊，吴芝瑛，韩曾萃，杨 俊，滑 磊

(1：浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

(2：杭州市西湖水域管理处，杭州 310002)

引水等综合整治后杭州西湖氮、磷营养盐时空变化(1985-2013年)*

尤爱菊1，吴芝瑛2，韩曾萃1，杨 俊2，滑 磊1

(1：浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

(2：杭州市西湖水域管理处，杭州 310002)

经引水等综合整治后，西湖外湖、西里湖总磷(TP)浓度累计下降58%和78%，总氮(TN)浓度累计下降16.7%和7.7%，透明度提高100%～200%，富营养状态得到极大缓解.比较1986年治理前，西湖各湖区因来水、引水和排水格局差异较大，TP浓度的年内变化特点及驱动因素也存在较大差异：杨公堤以西的上游湖区因优质水源补充TP浓度总体较低，同时受流域降雨径流面源输入影响，呈现时段性升高；杨公堤和苏堤之间的中游湖区优质水源补充量最大，湖区水体更新最快，TP浓度最低且变化相对最为稳定；苏堤以东的外湖区水体更新相对最慢，在夏、秋高温季节因底泥污染释放，TP浓度出现峰值.因外来引水量大且未经脱氮处理，西湖各湖区TN年内变化基本与钱塘江取水口TN浓度变化一致，同时因流域降雨径流面源输入而出现时段性波动.基于TP质量平衡模型分析，各湖区水质空间差异主要受水体年交换次数影响，其次受单位水体的年污染负荷影响.

西湖；总磷；总氮；时空分布；影响因子

杭州西湖是驰名中外的游览胜地.由于种种原因，水质一度长年不佳，水体呈富营养化，降低了西湖的旅游价值和可持续开发的潜力.为改善西湖水质，数十年来杭州市投入了大量的人力、物力和财力开展西湖的综合整治工作.近代西湖综合整治包括湖底疏浚、入湖溪流整治、西湖西进、引配水、水域生态修复等措施[1-2].其中西湖西进工程恢复了清朝乾隆以前、杨公堤以西曾存在的金沙港、茅家埠、乌龟潭、浴鹄湾4大湖区，新增湖面面积约0.7km2，湖区总面积从5.66km2扩大至6.36km2；工程实施后，西湖在流域形态上形成了杨公堤以西的上游湖区、杨公堤至苏堤间的中游湖区和苏堤以东的下游湖区(即外湖区).引配水工程始于1986年，直引约2000×104t/a的钱塘江水入西湖；2003年对引水工程进行了扩建，同时配套建设沉淀除磷预处理工程，引水规模增至40×104t/d.引排水格局上(图1)，上游湖区从黄蔑楼、乌龟潭、醉白楼3个进水口共进水10×104t/d，出水全部进入中游湖区；中游湖区从小南湖进水口进水27×104t/d，自岳湖泵站抽排10×104t/d水进浙江大学护校河，抽引2×104t/d水进北里湖，其余通过苏堤6个桥孔排入下游湖区；下游湖区从长桥溪进水口进水3×104t/d，并与承泄的上游来水主要从圣塘闸外排.

图1 西湖湖区来水、布水和排水格局Fig.1 Inflow， water diversion and drainage in the West Lake

西湖实施综合整治及大规模引水配水后，入湖污染负荷得到了有效控制，水体更新能力增强，水环境改善趋势明显[3-8].林丰妹等[3]通过调查、监测，发现西湖综合保护工程实施后，流域内污染物削减明显，入湖溪流和西湖水质改善效果显著，流域内生物多样性有所增加.毛成责等[4]于2006年10月-2007年9月对西湖5个主要湖区的理化因子和藻类生物量进行测定和分析，探讨了西湖四季营养盐浓度变化与西湖水体富营养化的关系.张志兵等[5]于2006-2007年对西湖浮游藻类的种类及个体丰度进行初步研究，结果表明西湖水质较整治前有明显改善，一些清水藻类的种类逐步增多.杨俊等[6]以西湖不同湖区2012年的逐月监测资料为基础，分析了西湖不同湖区氮、磷营养盐以及浮游植物的时空变化特征，并对不同湖区富营养化现状进行了评价.近年来，有关西湖水质、富营养化和生态因子的监测评价成果较多[9-14]，而针对西湖时间分段和空间分区的水质变化特征、驱动因素及水质与影响因子的关联性定量研究成果较少.总磷(TP)、总氮(TN)是湖泊富营养化的主要控制因子[15-16]，本文主要采用TP、TN浓度实测资料，分4个时期分析综合整治过程中西湖水质的变化特点和治理成效；通过与环境因子的关联性分析并结合TP质量平衡模型，定量研究分区TP浓度差异及主要原因.研究成果可为西湖今后的科学治理提供依据，并为其它城市景观湖泊的治理提供参考.

1 不同时期TP、TN治理成效

西湖水质的常态化监测工作始于1998年，此前仅有零星监测资料，此后监测站点和指标不断调整，至目前共设有15个覆盖各湖区及主要入湖支流的监测点.杨公堤以西的上游湖区及支流常规监测站主要建设于综合整治后，故本次采用中游湖区和下游湖区的水质监测资料，分析西湖TP、TN 4个时期的变化特点及治理成效.分析的4个时期为：① 1985-1986年，反映西湖综合治理前的本底情况；② 1987-2002年，主要反映西湖环湖污染源综合治理、流域治理、底泥疏浚和从钱塘江直引2000×104t/a水量的综合治理效果；③ 2003 -2010年，主要反映西湖引水规模扩大至40×104t/d，湖区优化进出水口布局后的整治效果；④ 2011-2013年，主要反映西湖部分湖区实施生态修复工程的整治效果.另根据2008-2011年各站点水质监测结果，同一湖区的不同监测点水质年内变化基本同步，且相同指标监测值较为接近，故本次研究分别选用西里湖、外湖监测点为中游湖区、下游湖区的代表站点；后文分析中以茅家埠监测点为上游湖区代表站点.

1.1 TP治理成效

西湖综合整治工程实施后，由于入湖污染物得到有效控制，引大量优质水带来湖区水体年交换次数增加，水体TP浓度峰值、均值都显著下降.西里湖不同时期的TP平均浓度分别下降17%、60%和34%，全时期累计下降78%；最大浓度在治理过程中略有上升，在后两个时期则分别下降54%和59%，全时期累计下降76%.外湖不同时期TP的平均浓度分别下降20%、35%和19%，全时期累计下降58%；最大浓度下降12%、28%和31%，全时期累计下降56%.两个湖区最小浓度变化不大，故TP变幅大大降低，湖泊水质更为稳定(表1).

表1 不同治理时期西里湖、外湖TP浓度变化*

*阶段治理效果为该时期TP浓度变化量占该时期结束时TP浓度的百分比.

另外，不同时期因湖泊水质的主要影响因子不同，呈现不同的空间分布特征.1985-1986年综合治理前及1987-2002年治理阶段，湖区水质主要受流域污染负荷影响，因西里湖直接承接流域负荷，故TP空间上呈现西里湖较高、外湖略低的特征.2003-2010年治理阶段，钱塘江大规模引水(经预处理)实施后，引水布局对湖区水质影响较大，因引水先进入西里湖湖区，大量优质的补充水源极大提高了西里湖湖区的水体更新能力，使得西里湖TP浓度得到大幅下降；而通过苏堤桥孔扩散至外湖后，立即与外湖水体掺混，浓度升高，浓度梯度迅速减小，对水体的稀释、更新能力减弱，故外湖水质的改善程度相对较低.2011-2013年治理阶段，在综合因素作用下，西里湖沉水植物生态系统开始发挥作用，湖区水质进一步得到改善，而外湖TP浓度的下降主要是上游西里湖来水浓度降低所致，故改善幅度相对较小(表1).

1.2 TN治理成效

相对于TP，不同时期TN的变化幅度较小，外湖平均浓度总体下降16.7%，西里湖下降7.7%.西湖引水规模扩大后，并未作源水的脱氮预处理，因此TN浓度的下降主要得益于西湖入湖污染源的综合整治.根据相关测算，一期综保工程实施后，直接或渗排的入湖TN负荷减少16.99t/a[3].流域来源的TN和引水携带的TN均先进入西里湖，经其滞蓄后至下游湖区，均值、最大值浓度均略有下降，故外湖改善程度略高于西里湖(图2).

图2 不同治理阶段西里湖及外湖TN浓度变化Fig.2 Variations of TN concentration in the inner West Lake and outer West Lake in different management periods

1.3 其它指标

西湖综合整治在大大降低TP浓度的同时，湖区透明度得到显著提高，外湖透明度从整治前的30～40cm[1]提升到70～80cm，而西里湖提高到100cm以上.同时各湖区的叶绿素a浓度水平也显著下降，外湖年均浓度从治理前的160μg/L下降至50μg/L以下，西里湖则下降至10μg/L以下.根据综合营养状态指数评价，因TP、叶绿素a浓度的下降及透明度的提高，外湖从中度富营养化演变为轻度富营养化状态，而西里湖演变为中营养状态.因此，西湖治理通过对引水水源TP的控制，使得湖区透明度和富营养化程度得到极大改善，说明TP是西湖富营养化的控制性指标.

2 TP、TN年内变化及空间差异分析

2.1 TP年内变化及空间差异

西湖经流域综合整治后，点源污染基本得到控制，入湖TP负荷主要由流域面源负荷[17]、湖泊底泥释放的内源负荷、引水携带的负荷及湖面干湿沉降等组成.其中引水经预处理后TP浓度全年较为稳定，湖面干湿沉降在总负荷中所占比重较小[18]，因此TP浓度的年内变化主要因降雨驱动的流域面源污染和气温驱动的内源污染变化引起.但由于补充水源水量、水质的差异，各湖区受降雨、气温变化的影响程度也不同.采用2011年实测资料对西湖水质的空间差异及与驱动因子的关联性进行分析，结果见图3、图4.

图3 上游、中游湖区TP浓度、降水年内同步过程Fig.3 Synchronous process of rainfall and TP concentration in upstream and midstream of the lake within the year

图4 下游湖区TP浓度、水温年内同步过程Fig.4 Synchronous process of water temperature and TP concentration in downstream of the lake within the year

从图3可见，西湖上游、中游湖区TP浓度全年较低，在降雨集中的6月份出现峰值，尤其是茅家埠站代表的上游湖区更为明显；8月茅家埠站因降雨TP浓度再次抬升，但由于降雨量相对较小，西里湖站因有稳定的优质引水输入，故TP浓度受降雨影响不明显.10、11月两站TP浓度先后再次出现峰值，对比图4中的水温变化过程结合相关实验研究结果[19-20]，主要是由水温升高致使底泥释放增加引起；其中上游湖区抬升幅度不及降雨引起的6月峰值，而中游湖区抬升幅度超过因降雨引起的6月峰值.

下游湖区TP浓度年内变化过程与上游、中游湖区存在显著差异，下游湖区TP浓度在降雨集中的6月份并无明显的升高现象，而在水温较高的8-10月份，TP浓度持续升高并出现峰值(图4).由此可见，流域径流面源污染经上游湖区、中游湖区调蓄净化后，对下游湖区的影响明显减弱，而高温期底泥内源释放的TP负荷是造成下游湖区出现高浓度的主要原因；此外从图4可见，水体TP浓度的升高和回落与水温过程相比有一个明显的滞后期，过程是合理的.

综合图3、图4，外湖全年TP浓度变化受水温影响最为明显；茅家埠全年TP浓度变化受降雨影响最为明显；而西里湖因有上游对流域面源污染的初步拦截，同时承纳大量水质稳定的外来引水(经除磷预处理)，全年TP浓度最低且最为稳定.根据年内各月实测TP浓度，外湖、西里湖、茅家埠TP浓度年内均方差分别为0.020、0.009和0.006mg/L，以外湖变幅最大，西里湖变幅最小.各湖区TP浓度除时间分布不均匀外，空间分布也不均匀：2011年1-3月低温期外湖TP浓度为西里湖的1.2倍，而8-10月高温期则达到2.8倍；这也说明外湖将是当前及未来一段时期内，西湖治理的重点区域.

2.2 TN年内变化及空间差异

图5 西湖各湖区TN及同期钱塘江取水口TN、降雨过程Fig.5 TN concentration in the West Lake and the inlet of Qiantang River， and rainfall at the same period

因钱塘江引水未作降氮处理，故湖区TN浓度既受外来引水的影响，也受流域面源负荷[17]、湖泊内源负荷和湖区干湿沉降的影响.因从钱塘江引水量较大，西湖各湖区TN年内浓度变化总体上和钱塘江引水口TN浓度变化较为同步，但在降水量较大的6月，各湖区TN浓度均出现峰值.此外，从各湖区的TN浓度大小看，上游湖区因直接接纳流域负荷，因此TN浓度相对最高，且受降雨的影响也更显著；中游湖区、下游湖区经上游湖区对流域负荷及引水负荷的滞蓄和消纳后，TN浓度均有明显下降，且受降雨影响的程度也明显减小.对比水温变化过程，各湖区TN浓度均无随水温升高而升高的现象，反而在水温较高的8-10月份出现降低现象，有学者认为和水体中微生物的活跃性有关[6]，但有待进一步证实(图5).

3 TP分区差异定量分析

西湖TP浓度及其变化的分区差异，从驱动因素来看主要是降雨、引水和水温造成底泥释放TP负荷的影响程度不同所致，但从机理来看主要是承纳的污染负荷和水体交换时间不同所致.采用文献[22-23]建立的西湖TP模型，对不同湖区的水质差异进行定量分析.

TP浓度质量平衡模型(budget models)是全混合模型.对于年(或月)的稳定状态，全混合模型可假定流出磷的浓度与湖区充分混合稳定浓度相同，且流入、流出水体相同.稳定状态下TP浓度计算式为：

(1)

表2 西湖各湖区特征参数

4 结语

1) 西湖综合保护工程实施以来，外湖、西里湖TP浓度累计下降58%和78%，TN浓度累计下降16.7%和7.7%，透明度提高了100%～200%，富营养状态得到极大缓解，治理成效显著.相关研究提出西湖是一个典型的磷限制型富营养化湖泊[4]，本文从控磷带来西湖水质和富营养化改善的情况，也证实了这一点.因此，今后西湖富营养化的治理，需要以进一步控制外源和内源输入的TP负荷为主.

2) 目前西湖进、排水口过于集中，因此水质空间差异极大.大量优质引水仅小南湖一个主进水口和圣塘闸一个主出水口，各湖区TP、TN在时间和空间上变化均存在差异，且主要的影响因子及其对各湖区的影响程度也不同.苏堤上游湖区经流域综合治理和大规模集中引水后，全年TP维持在0.05mg/L以下，但在8-10月高温期，外湖区因内源污染释放累积TP浓度可达0.08～0.10mg/L，仍存在营养盐的“高浓度区”，依旧面临“水华”暴发的风险.因此，外湖区将是未来一段时期西湖治理的重点水域.

3) TP模型定量分析表明，水体年交换次数低、高温期因底泥释放单位水量污染负荷大是外湖区TP浓度较高的主要原因.应进一步开展全湖引排水格局优化、湖区底泥污染治理、流域污染源控制与管理及扩大引水规模等方面的研究工作，以进一步提高全湖TP浓度均匀度、减少外湖TP高浓度值出现的历时和范围.

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Spatial and temporal distributions and variations of nutrients in the West Lake， Hangzhou， after the implementation of integrated water management program (1985-2013)

YOU Aiju1， WU Zhiying2， HAN Zengcui1， YANG Jun2& HUA Lei1

(1：ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary，Hangzhou310020，P.R.China)

(2：HangzhouWestLakeAdministration，Hangzhou310002，P.R.China)

Through the integrated management including water diversion, the total phosphorus (TP) concentrations were decreased by 58% and 78%， the total nitrogen (TN) decreased by 16.7% and 7.7%， and transparency raised by 100% to 200%， respectively， in the outer West Lake and the inner West Lake. Eutrophication status was greatly reduced in the lake. Compared to the situation before the implementation of the program in 1986， due to the huge differences in inflow， diversion and drainage patterns， the characteristics of TP concentration variations within the year and their driving factors have great differences in different regions of the lake. In the upper lake region located in the west of Yanggongdi， TP concentration was low because of the supplement of high quality diverted water， and the concentrations increased in certain periods of time by the influences of rainfall-runoff non-point sources. The lake region between Yanggongdi and Sudi， TP concentration was the lowest and its variation was relatively stable， due to the large quantity of supplemented high-quality diverted water and the fastest water exchange. In outer lake area located in the east of Sudi， water exchange was slow， and TP concentrations reached the peak in summer because of the sediments release. Due to large quantity of water diversion and being lack of denitrification process， the variation of TN concentrations in the West Lake were the same as that in the intake river， Qiantang River， and the concentrations appeared to fluctuate in the same period of time for the rainfall-runoff non-point source. Based on the analysis of TP mass balance model， the spatial variation of water quality was primarily affected by the times of water exchange， and the pollutant load per volume of water secondary.

West Lake; total phosphorus; total nitrogen; spatial and temporal distributions; impact factors

*国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101-007-005)资助.2014-03-19收稿；2014-10-28收修改稿.尤爱菊(1974～)，女，博士，教授级高级工程师；E-mail：youaj@zjwater.gov.cn.

J.LakeSci.(湖泊科学)， 2015， 27(3)： 371-377

http： //www.jlakes.org.E-mail： jlakes@niglas.ac.cn

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