特大洪水对浅水湖泊磷的影响：以2016年太湖为例*

朱 伟,胡思远,冯甘雨**,章元明,翟淑华,薛宗璞,赵 帅,陈怀民,王若辰

(1:河海大学环境学院,南京 210098)(2:太湖流域水资源保护局,上海 200434)

2016年太湖发生流域性特大洪水[1-4],据2016太湖健康状况报告[5],7月8日太湖水位达到4.87 m,为1954年以来第二高水位,仅次于1999年. 水利部网站[6]也公布,2016年太湖流域降雨持续偏多达历史极值,较常年同期偏多4成,与1961年以来同期雨量最多年份1991年基本持平,受此影响太湖水位不断攀升,最大日涨幅达16 cm,年内最高水位仅低于1999年历史最高水位0.10 m,且水位超警历时长达60天,为1999年以来超警历时最长的一年,同时,周边河网多站水位创历史新高,最多时超过40个站点水位超警戒,江南运河常州至苏州沿线一度全线超保证水位,13个站点水位创历史新高.

与此同时,大量研究表明,2016年太湖TP浓度异常升高,打破了2010年以来平缓下降的趋势. 朱广伟等[7]分析了2005-2017年北部太湖梅梁湾、贡湖湾、竺山湾及西北沿岸、湖心区北部的氮磷营养盐变化,发现2015-2017年水体TP浓度有升高趋势. 在我们前期的研究中[8],依据梅梁湾和贡湖湾2010-2017年间水质数据,得到TP浓度在2016年有所回升,回升比例约为15%～20%的结果. 王华等[9]对全太湖33个监测点2010-2017年TP浓度进行分析,同样得到2010-2014年上下波动,2015年呈上升,2016年达到8年期间最高值的结果. 谷孝鸿等[10]基于2007-2016年对太湖的十年水质监测数据,发现TP浓度在2008年达到峰值后开始下降,而后趋于平缓,2016年又趋上升,出现反弹趋势.

关于2016年以来太湖磷波动的原因,存在各种角度的分析,但2016年入湖磷负荷量大于往年很可能是太湖TP异常的一个重要原因[9,11]. 一般来说入湖河流TP平均浓度高于太湖水体平均浓度,持续入湖的磷通量使得太湖TP浓度一直维持在较高水平. 朱广伟等[7]还提出藻类的“泵吸作用”促进太湖磷浓度上升,认为藻类大量繁殖能够改变水体pH以及促进耗氧,从而大大加快底泥磷的释放,使得底泥中磷转移到藻细胞内,造成水体TP浓度升高[7,9,11]. 近十年以来,季节性底泥磷释放现象应该长期存在. 逄勇等[12]计算比较了外源负荷和内源释放对太湖TP的贡献,认为底泥释放量年均约为275.5 t,仅相当于外源输入量的15.6%. 但这样的释放量每年存在,难以成为2016年磷开始反弹的主要原因. 另一方面,风浪作用也被认为与底泥释放有关,风浪引起底泥再悬浮及间隙水释放. 但风浪强度变化所引起的波动一般是短暂的[13],太湖风力变化和磷反弹并不对应. 此外,也有观点认为2015年以来东太湖水生植被的大量减少也可能是造成TP浓度升高的原因之一[9,11].

在我们前期的研究中[8],提出了2016年大洪水是磷反弹主要原因的观点. 2016年的洪水过程携带大量磷进入太湖湖区,洪水消退过程中,大多数以颗粒态存在的磷逐渐累积在湖水和底泥之中,而底泥中的磷随着微囊藻生长消耗水体溶解态磷以及水体pH和溶解氧的变化又逐渐释放到水体中,因此造成太湖磷水平的上升. 秦伯强等[14]也认为洪水是导致湖泊富营养化的原因之一,洪水泛滥所带来的大量的悬浮物携带营养盐,特别是多数以颗粒态存在的磷,沉入湖底,在之后的风浪等作用下大量悬浮,并带入大量的营养物质到上覆水中,导致湖泊逐步趋于富营养化. 陈修康等[15]认为洪水对湖库的影响具有两面性,一方面,随水流进入水体的大量固体颗粒物中,一些类似于絮凝剂,能够吸附营养盐并最终沉积在底泥中,降低可利用性营养盐浓度,尤其是磷; 另一方面,洪水携带大量的营养盐等物质进入水体,沉积在水体底部,增加了水体营养盐的负荷.

但是此前的研究主要依据我们自己实测的梅梁湖、贡湖的数据进行分析,因为没有入湖河道水质、水量数据,未能全面地计算全太湖洪水前后、洪水过程中磷输入通量、迁移过程以及累积规律. 为了更加准确、定量地说明洪水和全太湖磷反弹之间的关系,本次研究与太湖流域水资源保护局(简称太湖水保局)合作,使用全太湖33个测点及环太湖22条出入湖河道的水质数据对2016年太湖磷的输入、输出通量、水质、存量等进行全面分析,期望能够更加全面、定量地说明2016年洪水前后太湖磷的变化.

1 数据与方法

1.1 湖区划分与采样点分布

太湖水保局的监测以及以往的研究[16-17]都将太湖划分为五里湖、梅梁湖、竺山湖、贡湖、东太湖、胥湖、湖心区、西部沿岸区和南部沿岸区的9大湖区,布设有33个水质监测站点,并在22条主要出入湖河道上设有监测断面(图1). 本研究以上述33个站点的水质数据,22条主要出入湖河道每月的太湖磷浓度、水位、水量数据为依据对2016年洪水前后太湖磷变化进行分析,湖区水质、出入湖水量、磷浓度数据均来源于太湖水保局.

图1 太湖湖区划分、采样点布置、主要出入湖河道及出入湖水量Fig.1 Area division,sampling point arrangement,main access to the lake channel and water volume of Lake Taihu

1.2 磷浓度计算方法

采用了监测点代表水体体积与湖区水体体积加权综合运用的方法进行计算,包括监测点代表水体的磷浓度(ci,j)、湖区磷浓度(ci)和全湖磷浓度(C). 其中,i为第i个湖区,j为湖区内第j个监测点. 计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中,n为湖区内的监测点数,Vi,j为监测点代表的水体体积,Vi为湖区的体积,V为太湖水体体积,Si,j为监测点代表的水体水面面积,Hi,j为监测点代表的水体平均水深.

1.3 磷通量计算方法

本研究分析了太湖与出入湖河道间的磷通量交换情况. 选取了每月太湖沿岸23个巡测段的出入湖水质、水量数据进行计算. 计算公式如下：

(4)

式中,ΔM为太湖每月的出、入湖通量,Qk和ck分别为第k个巡测段的月出入湖水量和月均磷浓度. 计算时,负值表示出湖,正值表示入湖.

1.4 磷存量计算方法

对于太湖磷存量的分析涉及监测点代表水体的磷存量(mi,j)、湖区磷存量(mi)和全湖磷存量(M),并采用了监测点代表水体体积与湖区水体体积加权综合运用的方法进行计算分析. 计算公式如下：

(5)

(6)

鉴于不同湖区间体积和面积相差较大,比较湖区间磷存量的相对情况时选取单位面积磷存量(m′i). 计算公式如下：

(7)

2 结果与分析

2.1 太湖水量和磷浓度变化

图2为2016年太湖逐月水位和出入湖水量的变化情况. 作为自1954年以来第二大洪水年,2016年的最高月均水位达到了4.5 m以上,6月和7月连续2个月水位接近4.0 m,主洪峰从6月3日开始超过警戒水位,7月3日涨至保证水位4.65 m,7月8日达到最高水位4.87 m,一直到8月4日退至警戒水位以下,洪峰持续60天,是一次流域性特大洪水[6]. 而除主洪峰以外,10月、11月水位再次超过警戒水位,直到年末(12月)和年初(1月) 水位才基本持平(均约3.4 m),回归正常水平.

从入湖水量上看,年入湖水量达到162.7亿m3,是2006-2015年近十年平均年入湖水量(101.9亿m3)的156.8%[18-27],多入湖60.8亿m3,6月和7月连续2个月入湖水量接近60亿m3. 在空间分布上(图1),陈东港和殷村港的入湖水量占比较多,陈东港6、7月入湖水量约占太湖6、7月总入湖水量的1/3. 而出湖水量在7月份达到峰值,洪峰滞后1个月左右. 总体表现出6月份蓄水10亿m3左右,7月份排泄10亿m3左右,8月份继续排泄8亿m3左右. 空间上,太浦河和望虞河为主要的出湖河道,太浦河6、7月出湖水量占太湖6、7月总出湖水量的一半以上,望虞河约占1/3.

图2 太湖水位和出入湖水量的变化Fig.2 Changes in the water level and inflow/outflow of Lake Taihu

为了了解入湖、出湖水质,选取了陈东港、殷村港、太浦河和望虞河四条主要出入湖河道一年间的水质进行整理,结果如图3. 由于河道在不同日期流向可能相反,因此,在分析每条河道时以流向为依据,将河道的水质分为入湖水质和出湖水质. 整体来看,陈东港、殷村港的入湖TP浓度一直保持在比较高的水平,在0.2 mg/L左右；而主要出湖的太浦河、望虞河其TP浓度相对较低,基本在0.1 mg/L以下. 主要入湖河道陈东港、殷村港的TP浓度都在3、4月出现上升,在6-7月的洪峰过程中稍有下降,而8月份又稍有回升. 从入湖水量来看,3月入湖水量超过15亿m3,相当于洪水初期的部分,这个时候TP浓度最高,而入湖水量最大的6-7月TP浓度稍有下降. 有趣的是在8-9月份陈东港随着水位降低稍有出水时,TP浓度出现显著的峰值,可能是在河口地带磷有一定的聚集而出现的现象.

图3 2016年太湖主要出入湖河道总磷浓度的月变化Fig.3 Monthly change of total phosphorus concentration in the main river channel of Lake Taihu in 2016

从水质、地理位置的代表性出发,选取了竺山湖、湖心区、南部沿岸区和东太湖4个湖区对洪水蓄泄过程中磷的变化进行分析,结果见图4. 区域性地看,太湖磷明显存在西北高、东南低的空间差异,全湖平均与湖心区比较接近,TP在0.06～0.14 mg/L范围,DTP在0.02～0.05 mg/L范围. 东太湖和南部沿岸区TP、DTP浓度略低于太湖平均水平,而竺山湖则显著偏高. 在洪水过程中,除东太湖和南部沿岸区没有表现出显著的磷浓度变化以外,太湖总体平均值和其他湖区都有一定的响应,而竺山湖磷浓度出现非常显著的峰值,其最大TP、DTP浓度分别高达其2016年年均值的3.12倍和3.57倍,太湖2016年年均值的7.77倍和11.8倍,基本上与入湖河道的磷浓度接近. 陈东港在8-9月份回水时,竺山湖的磷浓度出现异常的高峰值,而全湖平均和湖心区都在8月份出现了磷浓度的峰值.

图4 2016年太湖全湖及典型湖区颗粒态磷、溶解态磷浓度的月变化Fig.4 Monthly variation of particulate phosphorus and dissolved phosphorus concentrations in the whole lake and typical area of Lake Taihu in 2016

表1 2016年太湖磷通量及滞留率逐月变化数据

Tab.1 Monthly data of phosphorus flux and retention rate in Lake Taihu in 2016

时间入湖磷通量/t出湖磷通量/t净入湖磷通量/t滞留率/%1月74.739.435.347.32月82.451.131.338.03月101.134.167.066.34月279.236.3242.987.05月215.290.5124.757.96月405.695.7309.976.47月414.2143.6270.665.38月155.5108.247.330.49月224.657.7166.974.310月368.4100.2268.272.811月129.694.135.527.412月118.835.483.470.2合计2569.3886.31683.065.5

2.2 磷通量

根据沿湖22条出入湖河道水量和水质的数据,可以计算出2016年逐月磷通量的变化,见表1. 2016年入湖通量为2569.3 t,出湖通量为886.3 t,净入湖通量为1683.0 t. 总体而言每个月的入湖通量都大于出湖通量,一般要大于37.7%～669.1%. 在洪峰出现的6-7月份,磷的入湖通量出现显著的峰值,单月达到400 t左右. 而出湖通量的峰值则出现在7-8月单月出湖通量在100～150 t左右. 伴随10月,11月的水位再次上升,9月和10月的入湖通量也再次上升,达到224.6～368.4 t/月的水平,相对应的10-11月出湖通量也有一些上升. 洪水期间的磷滞留率(单月出入湖磷通量差值与入湖磷通量之比)一般在27.4%～87.0%范围.

通过将22条出入湖河道磷通量进行比较,得出磷的主要入湖河道为陈东港(通量为1115 t，占43.4%)和殷村港(通量为700 t，占27.2%),其余来自长兴港等(占7.9%)、旄儿港(占6.5%)、苕溪等(占5.0%),其余河道占10.0%. 而主要出湖河道为太浦港(通量为279 t,占32.5%)和望虞河(通量为192 t,占21.7%),其余来自瓜泾港(11.2%)、幻溇等(8.0%)、苕溪等(占6.8%)、大渲河(5.4%)、太浦口等(4.1%),其余河道占10.3%. 这4条主要河道磷通量及水量变化见图5. 在分析每条河道时以流向为依据,将磷通量分为入湖和出湖通量. 陈东港在洪峰期间的7月份磷通量达到最大值,8-9月份有所下降后的10月份再次体现出很高的通量,而在太湖水位达到警戒水位之前的4-5月份已经上升到较高的通量水平. 而殷村港则从4月份开始一直到10月份都表现出磷通量较大的趋势,在水位最高的7月份达到最大值. 太浦港的出湖通量在水位上升的6月份变化不大,到7月份通量达到最大,8-9月份通量很小. 而望虞河则在6月份洪峰初期达到了最大出湖通量,后续的变化不太明显.

图5 2016年太湖主要出入湖河道磷通量(a)和水量(b)的逐月变化Fig.5 Monthly change of phosphorus flux(a) and water volume(b) in the main river channel of Lake Taihu in 2016

2.3 水中的磷存量

2.3.1 水中磷存量的逐月变化 图6所示为太湖及其不同湖区水中磷存量的变化情况. 太湖水中总存量在400～900 t之间波动,面积最大的湖心区存量为200～300 t,竺山湖虽然面积不大但也存有较多磷且波动较大. 洪水期间湖心区与太湖总体的规律比较一致,都在8月份出现峰值；而竺山湖从6月份开始出现磷存量的明显上升,峰值一直持续到9月份,东太湖的波动比较小. DTP的存量与TP的变化规律基本相同,竺山湖在洪水期的峰值非常明显,太湖总体及太湖湖心区也在8月份出现峰值. 只有南部沿岸区稍有不同,在6、7月份TP、DTP上升以后,9月份有一个明显的下降,10月份又有回升.

图6 太湖磷存量的逐月变化Fig.6 Monthly change of phosphorus storage in Lake Taihu

考虑到不同湖区的面积和体积存在明显差异,因此,通过单位面积磷存量来比较不同水体间的差异(图7). 从单位面积水中TP存量来看,太湖总体与湖心区接近,在0.22 t/km2左右. 竺山湖最多,东太湖最少. 洪水期间竺山湖单位面积TP的峰值非常明显,大约从0.3 t/km2上升至1.8 t/km2,DTP的数据也表明了相同的特点. 太湖总体和湖心区也是在8月份出现峰值,在TP和DTP的数据中都能观察到这一趋势.

图7 单位面积磷存量的逐月变化Fig.7 Monthly change of phosphorus stock per unit area

2.3.2 水中磷存量的迁移过程 将单位面积水中磷存量的数据按月制作等值线就可得到图8. 总体而言太湖水中单位面积磷存量在空间上主要呈现出西北部高、东南部低的差异,而季节上出现冬季低、夏季高的规律. 在2016年的特大洪水期间,随着4、5月份入湖水量增加,磷存量出现由西向东的增加现象；6月份西太湖殷村港位置出现明显磷的增加,除东南部局部区域外太湖的近3/4面积单位面积水中磷存量达到0.2 t/km2；其中，单位面积水中磷存量> 0.2 t/km2的区域面积在5-6月之间向太湖东南方向扩大了约1000 km2. 7-8月份西太湖竺山湖、梅梁湖周边出现持续的磷增加,尤其是陈东港位置的增加尤为显著,单位面积水中磷存量超过0.4 t/km2的高浓度区向东南部分扩散,但0.2 t/km2的等值线并没有进一步向东南迁移,反而稍微出现一些回缩；也就是说太湖磷的高浓度区并没有出现向望虞河、太浦河两个主要出湖河道迁移的现象. 8月以后全太湖都是磷存量回落的过程,9月份大于0.4 t/km2的高浓度区向西北回缩,0.2 t/km2的等值线基本回到了西北和东南的中间线附近. 10月份,由于出现了二次洪峰,0.2 t/km2的等值线又向东南方向移动,但0.4 t/km2以上的高浓度区基本均化消失. 此后太湖的大部分区域保持在单位面积水中磷存量超过0.2 t/km2的水平. 洪水期间的整个迁移过程表现出高浓度区就地回落,太湖整体磷存量水平增加的趋势.

图8 2016年每月单位面积TP存量分布的变化情况Fig.8 Changes in the distribution of TP stock per unit area of each month in 2016

2.3.3 水中磷存量的积累过程 为了更加清晰地分析水中磷的变化过程,对洪水过程中月间水中磷存量的变化量进行计算得到图9. 月间累积情况指相邻两月间单位面积总磷存量的差值,正值表示存量增加,负值表示存量减少. 从这一结果看出,主洪峰发生的7-8月期间,除了胥湖、东太湖和南部沿岸区少数区域,太湖整体的磷处于上升状态,西北部、竺山湖及湾外区域磷上升非常显著,月间增幅达1.0 t/km2以上. 8-9月期间,也就是第一次洪峰回落期间,太湖水中的磷存量全面下降,尤其是原来的高增长区,下降更加显著. 9-10月份出现了北部下降、南部上升的趋势.

图9 7-10月间单位面积磷存量的逐月积累(相邻两月差值)情况Fig.9 Monthly accumulation of phosphorus stocks per unit area from July to October,i.e.,the stocks variation between two months

3 讨论

3.1 洪水期间磷的通量

2016年太湖发生的洪水属于“特大洪水”[5],共出现两次洪峰；主洪峰出现在6-7月,持续60天,入湖水量达到55.3亿m3左右；第二次洪峰出现在10月份,入湖水量22.8亿m3左右. 全年总入湖量达到162.7亿m3,比近十年年均水平增加60.8亿m3. 在洪峰期间的7月份,河道TP浓度有所降低,7月以后有所上升,特别是殷村港9月出湖TP浓度出现非常显著的峰值,约是7月的4倍. 洪水过程中太湖全湖平均以及湖心区磷浓度上升,竺山湖TP浓度上升尤为显著. 在6-7月第一次洪峰中太湖TP入湖通量为819.8 t,出湖通量为239.3 t,净入湖通量达到580.5 t. 10月份的第二次洪峰再次带入368.4 t的磷,净入湖通量达到268.2 t. 2016年全年TP入湖通量为2569.3 t,出湖通量为886.3 t,净入湖通量达到1683.0 t. 太湖全年TP入湖通量一般在1350～1918 t范围,出湖通量在340～1033 t范围,净入湖通量在815～1530 t范围[28-29]. 将上述两篇文献中涉及的2000-2002年及2009年的数据平均可以得到太湖平均入湖通量为1647.0 t、净入湖通量1103.8 t. 与这个平均值比较2016年入湖磷通量多出922.3 t,净入湖量多出579.2 t,可以认为净入湖量的增加是洪水期间入湖河道磷浓度升高和洪水大量输入的结果.

3.2 洪水带入磷的归趋

一般认为,磷入湖后,主要有两种迁移转化途径：一部分在水体悬浮物表层吸附或沉积,另一部分存在于水体中,进入生物体[30]. 太湖水中TP存量在洪峰到来之前的5月份为442.2 t,第一次洪峰输入后的8月份达到886.6 t,增加了444.4 t,与净入湖量的580.5 t有一定的吻合性,说明洪水期间输入的磷76.6%还是赋存在水中,而136.1 t已经不在水中,可能是沉降后在底泥中赋存. 从2016年全年来看,12月与1月份水中磷的差值为205.3 t,而净入湖量通量为1683.0 t,中间的缺失量为1477.7 t,这一部分最合理的解释是沉积累积于底泥之中. 研究表明,磷以颗粒态或溶解性磷酸盐的形式进入湖体,颗粒态磷可以直接储存在底泥中,溶解性磷酸盐可以通过初级生产者被包含在有机物中,最终以有机形式沉降到底部[31],甚至表层沉积物(0～2 cm)中富集的磷约占总磷浓度的33%[32],说明磷的沉降累积是外源输入的磷在湖泊中迁移转化的一个重要组成部分. 可以认为,沉积或滞留在底泥中是磷的主要归趋. 而对2016年而言,全太湖湖体净增总磷1683.0 t,其中205.3 t在水中造成磷浓度上升,另一部分1477.7 t积累于底泥之中.

3.3 洪水期间磷的迁移与累积

洪水期间磷的主要输入位置在西北部,竺山湖周边尤为明显,这与洪水期间的水量输入和主要河道的磷通量输入是基本吻合的. 高含磷浓度的水体从西北部向东南部湖区迁移,过程中除去东南部局部区域以外,整个太湖水中磷的浓度有所升高. 从单位面积磷存量来看,大于0.4 t/km2的高浓度区域在整个洪水过程中大多数局限于竺山湖、梅梁湖和西部沿岸区,并没有大面积迁移到湖心区以及太浦河、望虞河的出湖河口. 也就是说,高磷浓度的水块在向东南迁移的过程中磷的浓度出现了下降. 这可能与入湖水与原湖水混合有一定关系,另一方面,也是磷沉积进入底泥现象的间接反映. 从颗粒态磷的浓度变化来看,也明显出现洪峰后的减少现象. 有研究表明,磷因重力沉降而沿着水流方向逐渐减少[33],因此,磷向底泥的沉降、累积使得太湖高磷浓度的水块在向东、南部迁移的过程中磷的浓度出现了下降. 前文提到,太湖全年TP平均净入湖通量为1103.8 t,2016年净入湖通量约达到1683 t,与之相比多出579.2 t,磷滞留量明显高于往年水平,且有相当一部分滞留在在底泥中,打破了往年底泥-上覆水间的磷平衡关系,很可能是引起2017年太湖TP浓度居高不下的主要原因.

4 结论

1)2016年太湖发生特大洪水,水位达到历史第二,入湖水量比平均年多60.8亿m3. 洪水期间入湖河道及太湖湖体水质中的磷浓度明显升高,竺山湖及其周边上升尤为明显. 2016年全年TP入湖通量为2569.3 t左右,出湖通量为886.3 t左右,净入湖通量约达到1683 t. 其中净入湖量比平均年多出579.2 t.

2)2016年全太湖湖体净增总磷1683.0 t,其中205.3 t在水中造成磷浓度上升,另一部分1477.7 t积累于底泥之中.

3)洪水带来的磷首先造成竺山湖、梅梁湖和西部沿岸区磷浓度的升高,然后逐步向湖心、东部、南部迁移,迁移过程中磷浓度明显下降. 高浓度的含磷水块并没有发展到太浦河、望虞河这些主要的出湖排泄区,出现了明显的磷滞留现象.

4)洪水直接造成了太湖大部分区域水中磷浓度上升,并且在底泥中积累了较多的磷,底泥中磷的累积也会对后续水质的变化产生间接的影响.