环太湖江苏段入湖河道污染物通量与湖区水质的响应关系

吕 文，杨 惠，杨金艳，马 倩，高晓平，蒋如东，王晓杰，徐 勇， 聂 青

(1：江苏省水文水资源勘测局苏州分局，苏州 215011)(2：江苏省水文水资源勘测局，南京 210029)(3：江苏省水文水资源勘测局无锡分局，无锡 214031)(4：江苏省水文水资源勘测局常州分局，常州 213022)

太湖是太湖流域的重要淡水资源，也是苏州、无锡等地重要饮用水源地，其水环境状况直接关系居民的饮用水安全. 作为大型浅水湖泊，环湖河道数量众多[1]，河道为湖区污染物输入来源[2-4]. 环太湖228条出入湖河道中，江苏省入湖河流占比74.6%；多年平均入湖水量为108.8亿m3，江苏省入湖水量占比76.0%[5]. 因此环太湖江苏段入湖河道污染物输入情况对太湖水环境尤为重要.

入湖河道污染物通量是单位时间内通过入湖河道某一过水断面的污染物质量[5]. 不管是针对内陆水库、湖泊、海湾等水体，还是流域、省市边界等区域，估算河道污染物通量，都可以为区域污染物总量控制、水环境保护提供技术支撑[6]. 目前太湖地区，已有学者阐明污染物出入湖输移速率[7]，计算环太湖总氮、总磷等污染物的入出湖污染物通量[3-4,8-14]，分析太湖入湖河道水质与湖体水质的响应关系[15-16]，但缺少近10年时间序列的污染物通量变化以及污染物通量与湖体水质的关系方面的分析. 本文主要基于太湖水质及入湖污染物通量的时空变化特征，从不同时空尺度来探讨入湖河道污染物通量与湖区水质的响应关系，并分析入湖污染物进入湖体后影响水质的主要因子，一方面可以检验太湖污染减排成效，另一方面可以找出影响太湖水质的主控因子，为其水环境改善提供技术依据和决策支撑.

1 材料与方法

1.1 监测站点布设

1.1.1 水量站点 根据环太湖水系特点建立巡测工作方案，将沿湖巡测分成若干段. 江苏境内共布设8段11站111个口门，其中无锡3 段7站共46个进出水口门，苏州5 段2 站共63 个进出水口门，常州2 个单站，江苏段共设单站、基点站19个(图1，表1).

1.1.2 水质站点 环太湖河道水质断面的设置考虑水质水量须同步实施监测的因素，水质监测站点布设尽量与水量巡测断面一致，同时考虑目前部分沿湖小闸段一直处于关闭状态，基本不存在与太湖进行水量交换的情况，本文分析中水质站意义不大. 因此，环太湖江苏段出入湖河流设置水质站点84处，其中苏州53处，无锡27处，常州4处. 太湖湖体水质断面共设置25个，根据太湖分区[1]，湖西区1个、竺山湖1个、梅梁湖4个、贡湖5个、东部沿岸区7个、东太湖3个和湖心区4个(图1).

1.2 监测项目

1.2.1 水量监测 水量监测项目为水位、流量、流向. 基点站和单站每日定时流量测验. 各巡测段流量测定频次为2008、2009年汛期2次/月，非汛期1次/月. 自2010年开始每月上、下旬各1次. 计算污染物通量的水量数据采用整编后的资料.

1.2.2 水质监测 参与河道污染物通量计算的水质监测项目为氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、化学需氧量浓度，湖区加测叶绿素a浓度. 水质化验方法均采用国家标准分析方法：氨氮浓度测定采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)，总氮浓度测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ636-2012)，总磷浓度测定采用钼酸铵分光光度法(GB/T 11893-1989)，高锰酸盐指数测定采用酸性高锰酸钾法(GB/T 11892-1989)，化学需氧量测定采用小型密封管法(ISO 15705-2002)，叶绿素a浓度测定采用分光光度法(SL 88-2012). 水质监测频次为2008、2009年1次/月，自2010年开始每月上、下旬各1次.

1.3 污染物通量计算方法

污染物通量采用时段平均浓度Ci与时段水量K·Qi之积进行估算 ：

(1)

式中，W为估算时间段的污染物通量，n为估算时间段内的采样次数，K为时段转化系数，Qi为瞬时流量，Ci为样品i的浓度.

图1 环太湖江苏段水量巡测、水质监测及太湖水质监测站点布设Fig.1 Distribution of the monitoring sites of water quality in Lake Taihu, water quality and quantity of rivers surrounding Lake Taihu in Jiangsu Province

1.4 数据处理方法

1)运用ArcGIS 10.1软件进行反距离空间插值，获得湖区水质的空间变化特征，用不同颜色分级表示入湖河道污染物通量大小.

2)基于SPSS 16.0软件标准化处理河道入湖污染物通量和湖区水质，并进行相关性分析；共线性诊断排除因子共线性，进行多元逐步回归分析.

2 结果与分析

2.1 入湖污染物通量与湖区水质的时空变化响应

环太湖江苏段河道入湖水量、水质及污染通量与太湖水质的年际变化如图2、3所示. 本文进行空间变异分析时，选取起始年2008年和终止年2018年，并且依据江苏省太湖流域1956-2016年年降水量频率分析结果，特枯年P=95%保证率降水量为867.5 mm；特丰年P=5%保证率降水量为1516.5 mm，2013年和2016年分别与特枯年和特丰年降水量最为接近，再选取2013年和2016年，污染物通量及太湖水质空间变化如图4所示.

太湖湖体氨氮和总氮浓度自2008年来呈现逐渐降低的变化趋势，年均减少率分别为2.1%和2.3%；氨氮和总氮入湖通量也呈下降趋势，年均减少率分别为8.0%和2.0%(图2，图3). 空间格局上，竺山湖区为高值区域，氨氮和总氮浓度分别高于0.5和3.68 mg/L；竺山湖区对应河道氨氮和总氮入湖通量最大，年均值分别为0.60×104和1.26×104t，而贡湖、东部沿岸区和东太湖对应河道以出湖为主，入湖污染物通量最低(图4). 湖区氨氮、总氮浓度和氨氮、总氮入湖污染物通量整体均呈下降趋势，空间响应特征基本一致.

表1 环太湖江苏段巡测段、站情况*

太湖湖体总磷浓度自2008年来整体呈上升趋势，年均增长率为1.0%；总磷入湖污染物通量在2016年出现峰值，为0.24×104t，高于其他年份均值(27.2%)，2011-2013年总磷污染物通量由0.20×104t 下降至0.15×104t，此时湖体总磷浓度却上升至峰值，年际变化趋势上存在部分年份呈现反向变化特点(图2，图3). 空间格局上，竺山湖区和湖西区为高值区；竺山湖区和湖西区对应河道总磷入湖污染物通量年均值分别为0.10×104和0.07×104t，相比其他湖区高，而贡湖、东部沿岸区和东太湖对应河道以出湖为主，总磷入湖污染物通量最低(图4). 湖体总磷浓度与入湖总磷污染物通量空间格局基本一致.

湖区高锰酸盐指数年均值范围为4.2～4.9 mg/L，年际变化幅度较小，化学需氧量起伏变化；高锰酸盐指数和化学需氧量入湖污染物通量整体呈下降趋势，年均减少率分别为1.6%和2.2%(图2，图3). 空间格局上，高锰酸盐指数和化学需氧量高值区主要为竺山湖区和湖西区，高值区高锰酸盐指数和化学需氧量多年均值分别为5.5和23.6 mg/L；竺山湖和湖西区对应河道高锰酸盐指数入湖污染物通量多年平均值分别为1.70×104和2.61×104t，化学需氧量分别为7.8×104和11.8×104t，相比其他湖区高，贡湖、东部沿岸区和东太湖高锰酸盐指数对应河道以出湖为主，高锰酸盐指数入湖污染物通量最低(图4). 高锰酸盐指数和化学需氧量入湖污染物通量空间格局与湖区水质变化趋势基本一致. 另外，湖体高锰酸盐指数高值区域范围会有所变化，梅梁湖区由2013年高值区域(浓度为5.6 mg/L)逐渐转为低值区域(浓度为4.1 mg/L)；竺山湖区高锰酸盐指数近年也逐渐减小，由Ⅳ类(6.4 mg/L)转为Ⅲ类(5.1 mg/L)；湖西区高锰酸盐指数高值区域范围增加(图4). 湖区高锰酸盐指数时空变化格局与叶绿素a浓度变化基本一致(图4)，可能与太湖蓝藻状况有关，浮游植物在光合作用下产生大量有机物，导致叶绿素a浓度与高锰酸盐指数值之间有良好的线性关系[17].

图2 太湖入湖河道水量、水质和污染物通量的年际变化Fig.2 Annual variations of water quality and quantity and pollutant fluxes in rivers flowing into Lake Taihu

图3 太湖水质的年际变化Fig.3 Annual variations of water quality in Lake Taihu

2.2 入湖污染物通量与湖区水质的相关关系

将河道入湖污染物通量和湖区水质进行标准化处理，再基于SPSS 16.0软件进行相关性分析，结果见图5. 年尺度上，太湖湖区总氮浓度与总氮入湖河道污染物通量呈显著正相关(P<0.05)，氨氮浓度与氨氮入湖河道污染物通量呈极显著正相关(P<0.01)，总磷浓度、高锰酸盐指数、化学需氧量等因子无显著相关关系.

该结果表明，河道氨氮、总氮的外源输入为湖体氮营养盐的主要来源，朱广伟[16]、吴雅丽等[18]的研究表明氮是太湖主要的入湖污染物，而且河道的氨氮和总氮浓度与湖区的比值分别为4.5和2.5，河道与湖区浓度差异较大，因此，削减入湖河道氮污染物通量对控制太湖氮素具有重要意义. 从全湖年尺度来看，总磷浓度与总磷入湖污染物通量的相关关系不显著，可能与湖区底泥释放的磷对湖区水质存在影响有关[19]，且蓝藻水华的暴发会诱导底泥磷的大量释放，而总氮却能保持相对稳定[20]. 另外河道总磷浓度与湖区总磷浓度比值为1.6，差异较氮素在河道、湖泊的比值小，可能影响湖区总磷浓度对河道总磷输入的响应. 但朱广伟[16]的研究认为河道磷为太湖的主要入湖污染物，逄勇等[21]估算太湖内源TP 释放量仅相当于外源输入量的15.6%，总磷入湖污染物通量与湖区总磷浓度空间格局也基本一致，总磷入湖污染物通量也需加以控制.

图4 太湖水质和入湖污染物通量的时空变化Fig.4 Spatio-temporal distribution pattern of water quality in Lake Taihu and pollutant fluxes in rivers surrounding Lake Taihu in Jiangsu Province

图5太湖水质与入湖污染物通量的相关关系Fig.5 The correlation between water quality in Lake Taihu and pollutant fluxes in rivers surrounding Lake Taihu in Jiangsu Province

高锰酸盐指数和化学需氧量可以有效地反映水体有机污染的程度. 高锰酸盐指数和化学需氧量入湖通量与湖体浓度相关性不显著，可能是因为除河道外源输入外，湖体高锰酸盐指数还受湖体蓝藻暴发产生的内源污染、水位、水温等多种环境因子影响[12]，另外入湖河道高锰酸盐指数和化学需氧量与湖区的比值分别为1.31和1.20，入湖河道水质与湖区水质的差异较小，即使高锰酸盐指数和化学需氧量入湖污染物通量大，但由于多为水量大导致，并且入湖水量大带来了稀释效应，可能导致两者响应关系较差.

2.3 入湖水量、水质与湖区水质的响应关系

入湖河道污染物进入湖体后，水量会存在浓度稀释效应，但河道输入的污染物质会增加湖体总污染负荷，污染物通量中水量、水质、通量与湖区水质的关系有待研究. 选取年尺度全湖区入湖河道水质浓度(TNR)、入湖水量(Q)、湖区水位(WL)、入湖水质浓度与原湖泊水质浓度差值(D)，基于SPSS 16.0软件进行因子共线性诊断，排除因子共线性，建立多元逐步回归方程，筛选因子，探讨入湖污染物通量进入后影响湖区水质的主要因子.

结果表明，影响湖区总氮的主要因子为TNR，其次为入湖河道与原湖区水质差值(DTN)；影响湖区氨氮的主要因子为入湖河道的氨氮浓度(NH3-NR)，其次为入湖河道与原湖区水质差值(DNH3-N)；湖区总磷、高锰酸盐指数和化学需氧量无显著影响因子(表2). 总氮和氨氮相比湖区偏高的河道水体进入湖区，与总磷、高锰酸盐指数和化学需氧量相比湖区浓度差异偏小的河道水体进入湖区，湖区水体各项水质参数响应存在差异.

表2 太湖湖区水质因子多元逐步回归结果*

3 结论

1)时间格局上，太湖氨氮和总氮浓度自2008年呈下降趋势，年均下降率分别为2.1%和2.3%. 氨氮、总氮、高锰酸盐指数和化学需氧量入湖污染物通量整体呈下降趋势，年均下降率分别为8.0%、2.0%、1.6%和2.2%. 太湖污染减排已见成效，湖体氨氮、总氮响应较好. 另外，受水量影响入湖污染物通量呈现2013年特枯年、2016年特丰年分别位于低值、高值的特征.

2)空间格局上，太湖氨氮浓度、总磷浓度、总氮浓度、高锰酸盐指数和化学需氧量整体呈自西部、西北部湖区向东部、东南湖区逐渐降低的变化趋势；西部、西北部湖区对应入湖河道污染物通量也明显高于东部、东南部河道. 湖体水质与入湖污染物通量空间格局基本一致. 西部、西北部的入湖污染物通量大，增加了湖区污染物负荷，通过太湖水体的自净，湖心、东部、东南部湖区污染物浓度降低.

3)相关性分析结果表明，年尺度上，湖区总氮、氨氮浓度与入湖总氮、氨氮污染物通量分别呈显著正相关、极显著正相关关系；多元逐步回归结果表明，影响湖区总氮、氨氮的主要因子为入湖河道的总氮、氨氮浓度，其次为入湖河道与原湖区水质差值. 环太湖入湖河道水质浓度为影响太湖水质的主控因子，亟需加强入湖河道水质浓度的控制.

致谢：感谢江苏省水文水资源勘测局周毅教高、常州分局王雪松局长和无锡分局沈顺中局长的指导，江苏省水文水资源勘测局刘俊杰教高、姚敏高工以及南京工业大学李跃同学在数据收集和制图方面的帮助.