苏州湖泊水源地水质时空变异特征

蒋笑影，夏 霆，潘新星，杨金艳，徐 勇

(1.南京工业大学城市建设学院，南京 211816；2.江苏省水文水资源勘测局苏州分局，苏州 215009)

饮用水源地水质及污染问题影响供水保障和社会稳定，其中湖泊水源地由于水体流动性差、入湖污染难以防控等特点，较易发生富营养化甚至爆发水华，因此近年来湖泊水源地供水安全问题持续受到关注。聚类分析、判别分析等多元统计分析方法因为具有能够简化多维数据，提取主要信息等优点，在水质特征分析研究中得到广泛应用。国内外研究者运用多元统计方法分别对密云库区[1]、苏州古城区[2]、澳门半岛近岸海域[3]、松花江哈尔滨区域[4]以及三峡库区[5]的水质时空变异特征进行了分析，并对不同区域及年际段的主要污染物进行了解析。这些研究结果表明多元统计分析方法能够有效地从复杂的多元水质因子中提取重要信息，识别造成水质变异的主要指标，将其用于水质特征信息挖掘及污染源解析具有显著优势。

苏州现有集中式饮用水水源地15个，其中9个为湖泊水源地，包括太湖(苏州辖区)、阳澄湖、尚湖和傀儡湖等湖泊，湖泊水源地占比大[6]。本文基于苏州市9个湖泊水源地2006-2017年12年间逐月实测水质数据，评价水源地水质状况及富营养化程度，分析其水质时空差异特征，并对其主要污染因子进行解析，以期为湖泊水源地水环境保护及水污染防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

苏州位于太湖流域，境内河港密布，拥有大小河道2万多条，50亩以上湖泊384个，境内总水域面积高达2 171.9 km2。近年来，苏州城市化进程逐年加快，区域污染物排放量居高不下，河网水质状况较差，水体富营养程度偏重[7]，供水安全问题受到广泛关注。

本文研究对象为金墅港、镇湖、渔洋山、浦庄、庙港、亭子港、尚湖、阳澄东湖及傀儡湖9个湖泊饮用水源地，分别位于太湖(6个)、尚湖、阳澄湖和傀儡湖(见图1)。

图1 苏州9个湖泊水源地位置分布图Fig.1 Distribution of 9 lake water sources in Suzhou

其中，太湖是中国第三大淡水湖泊，是上海、无锡、苏州等城市的主要饮用水源地，同时承担地区防洪、灌溉和水产养殖等功能。阳澄湖位于苏州市东北部，湖区面积119.04 km2，包括东湖(水源地)、中湖和西湖。尚湖位于常熟西郊，虞山西北角，周边森林植被覆盖率达96%，湖区面积6.619 km2。傀儡湖位于昆山市境内，湖泊封闭管理，湖区面积6.604 km2。

1.2 数据来源与研究方法

数据来源于苏州9个湖泊水源地2006-2017年12年间水质监测数据，采样点为各水源地取水口，水质监测因子包括总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、叶绿素(Chl.a)、高锰酸盐指数(CODMn)等17个水质理化指标，逐月监测，共17442个监测样本。水质采集及监测分析严格按照地表水环境质量标准(GB3838-2002)中的方法进行，均由苏州市水环境监测中心实验室完成。

综合水质状况评估选取DO、TN、TP、NH3-N、BOD5、CODMn6项指标作为评价因子，采用内梅罗指数法[8]。富营养评估参照中国环境监测总站推荐的加权综合营养状态指数(TLI)法[9]，考虑TN、TP、Chl.a、SD、CODMn5项水质因子。

2 结果与分析

2.1 水质评价

2.1.1 综合水质状况

基于12年间水质监测数据，采用内梅罗指数法计算9个水源地历年综合水质状况，其年际变化如图2。除金墅港、北亭子港和傀儡湖水源地水质波动略大外，其余各水源地12年间水质状况较为稳定。总体上，9个水源地历年污染指数均介于1.0～2.0之间，属于轻度污染。

图2 各水源地综合水质状况年际变化Fig.2 Interannual variabilities in the comprehensive water quality of each water source

2.1.2 富营养状况

基于加权综合营养状态指数(TLI)法评估的9个水源地富营养状况年际变化见图3。尚湖和傀儡湖水源地富营养状况较好，2007-2012年间两个水源地均处于贫营养状态(TLI≤ 30)，尚湖2013年之后处于中营养状态(30 50)。其余7个水源地除2016年达到轻度富营养状态外，2007-2015年以及2017年基本处于中营养状态。总体上，12年间9个水源地富营养状况良好，除2016年大部分水源地达到轻度富营养外，其余年份均处于或优于中营养状态，但各水源地富营养程度总体呈增大趋势，2016年部分水源地已接近中度富营养。

图3 各水源地富营养状况年际变化Fig.3 Interannual variabilities in the eutrophic condition of each water source

基于综合营养状态指数(TLI)法评估的9个水源地富营养状况月际变化见图4。浦庄、庙港、北亭子港和尚湖4个水源地富营养状况良好，年内均处于中营养状态(30

图4 各水源地富营养状况月际变化Fig.4 Monthly changes in the eutrophic condition of each water source

2.2 水质时空变异特征

2.2.1 水质的时间分布特征

9个湖泊水源地水质的月际聚类分析结果如图5，在(Dlink/Dmax)×100 < 5处，全年可分为2个时段，时段Ⅰ为7-10月，时段Ⅱ为1-6月和11-12月。苏州地区雨季多集中在6-9月份[14]，由梅雨形成的太湖最高洪水位大多出现在7月份，由台风雨形成的太湖最高洪水位多出现在9月份[15]。聚类结果基本对应于苏州地区汛期和非汛期，表现出较明显的季节特征[16]。

图5 时间聚类分析结果树状图Fig.5 Dendrogram of temporal cluster analysis results

针对年内时间聚类分析确定的2组时段，将原始数据进行全模型判别和逐步判别分析，判别结果见表1。全模型判别需要对17个水质指标进行考察，其正确率达到91.7%，表明水源地水质具有显著的季节差异性[17]。

表1 时间判别分析结果Tab.1 Results of temporal discriminant analysis

逐步判别筛选出WT、pH、EC、NO3-N和AC5个指标进行考察(见表2)，其正确率达到90.7%，表明筛选出的这些指标能够充分表征出水源地水质的季节差异，同时也说明逐步判别分析模式具有极强的降维能力，运用这一分析方法有助于提高水质监测工作效率。

表2 时间判别分析典型变量及其系数Tab.2 Typical variables and their coefficients of temporal discriminant analysis

表征苏州湖泊水源地水质年内季节差异的5个显著指标的箱线图见图6。结果表明，汛期5个显著性水质指标均劣于非汛期。汛期夏秋季节湖泊水体温度(WT)较高，水中浮游植物生产代谢能力旺盛，藻类爆发生长，因此水中藻密度(AC)通常在这段时间出现高峰[18]。同时较高的水温也使得湖泊底泥沉积物的释放增加，因此汛期硝态氮(NO3-N)的浓度高于非汛期[19]。此外，太湖流域降雨多集中在夏季(5-9月降雨量占全年总降雨量59.9%)，受雨水径流影响，水源地附近工农业生产和生活污染物经雨水淋溶后流入河湖，致使水体外源离子污染加剧[5]，水体电导率(EC)随之提高。

图6 显著指标的年内季节变动Fig.6 Seasonal changes of significant indicators

2.2.2 水质的空间分布特征

空间聚类分析结果如图7，在(Dlink/Dmax)×100<15处，可将9个水源地分为3个组类：GⅠ为阳澄东湖及傀儡湖饮用水源地；GⅡ为常熟尚湖水源地；GⅢ为分布于太湖的6个水源地，包括浦庄、庙港、北亭子港、渔洋山、镇湖和金墅港水源地。

图7 空间聚类分析结果树状图Fig.7 Dendrogram of spatial cluster analysis results

表3 空间判别分析结果Tab.3 Results of spatial discriminant analysis

表4 空间判别分析典型变量及其系数Tab.4 Typical variables and their coefficients of spatial discriminant analysis

图8 显著指标的空间变动箱线图Fig.8 Spatial changes of significant indicators

2.3 污染源分析

根据空间聚类确定的三组苏州湖泊水源地类型，对其进行主成分分析，每组各提取出3个主成分(PC)，结果如表5，当某指标与主成分相关系数绝对值大于0.65时，即认为该指标与此主成分显著相关，相关系数为正数时即为正相关，相关系数为负数时即为负相关[22]。

表5 9个水源地空间分组的主成分分析Tab.5 Principal component analysis results at spatial scale of 9 water sources

对于GⅡ的常熟尚湖水源地，3个主成分累计方差贡献率为58.24%。其中PC1(方差贡献率为30.72%)与WT、BOD5正相关，与DO负相关。尚湖风景区位于常熟西部，虞山西北角，远离人口密集的居民区和工业区，周围生态环境良好，森林植被覆盖率高[27]。PC1与水温的相关性表明该主成分污染也具有季节性的特点，水温与BOD5的正相关、与DO的负相关可以解释为汛期水温升高，水中藻类等浮游植物迎来生长旺期[28]，大量消耗溶解氧，释放有机物，同时水温较高时沉积物释放的速度和浓度也会明显增加。因此PC1可以解析为季节性的有机污染。PC2(方差贡献率为15.57%)与TP显著正相关，与pH显著负相关，可能因为尚湖北侧及虞山镇周边分布着相当数量的农田，农作物种植过程中人为排放的磷酸型化肥进入尚湖水体，导致水体TP浓度超标[29]，并且其中的酸性物质日积月累对水体pH值造成影响[30]。因此PC2代表了一定程度的农业磷污染。PC3(方差贡献率为11.95%)与TN、NH3-N显著相关，可以解析为非点源的氮污染。尚湖周边分布较多数量的农田，化肥农药等污染物经雨水淋溶后，其中的N、P等营养物质极易随径流进入湖泊水体，因此PC2、PC3可能来自于尚湖区域的农业面源污染。

总体来说，GⅠ的阳澄东湖和傀儡湖水源地水质状况由轻度污染向污染转化，主要受到围网养殖带来的Chl.a和N、P等富营养污染。GⅡ的常熟尚湖水源地远离城区，周围景区生态环境良好，因而水质受污染程度较轻，主要受到季节性的有机污染及水源地周边农业种植带来的面源污染。GⅢ的太湖6个水源地水质状况良好，周围居民区和工业区较少，受外源氨态氮和内源硝态氮复合的氮素污染影响较大。

3 结 论

基于苏州9个湖泊水源地2006-2017年12年间17个水质指标的逐月监测数据，其水质评估、差异性特征分析表明：

(1)9个水源地内梅罗污染指数均介于1.0～2.0之间，属于轻度污染；9个水源地富营养状况良好，年际变化呈上升趋势，2016年大部分水源地达到轻度富营养，月际变化具有季节特征，汛期达到轻度富营养，显著高于非汛期。

(2)时间尺度上可将9个水源地水质特征全年聚类为两个时段：时段Ⅰ为7-9月，时段Ⅱ为1-6月和11-12月；时间聚类结果对应于苏州地区汛期和非汛期。判别分析结果显示，汛期温度较高时水质较差，内源有机污染和外源离子污染加剧。

(3)空间尺度上可分为昆山(包括阳澄东湖和傀儡湖)、常熟(尚湖)及太湖(包括位于太湖的浦庄、庙港、北亭子港、渔阳山、镇湖和金墅港)区域三组，与各水源地实际分布区域相符。判别分析结果表明，GⅠ水质状况最差，由轻度污染向污染转化，有机污染和内源离子污染程度较重，总体满足地表水Ⅲ类；GⅡ、GⅢ水质状况相对良好，污染程度轻，总体满足地表水Ⅱ类。

(4)运用主成分分析方法进行的污染源分析结果表明：阳澄东湖和傀儡湖水源地主要Chl.a和N、P等富营养污染；常熟尚湖水源地主要受到季节性的有机污染及农业面源污染；太湖水源地主要受到外源氨态氮和内源硝态氮复合的氮素污染。