环太湖各水资源分区入出湖水量及贡献分析

林 鹏，陈启慧，李琼芳,2，皋 云，朱玉婷，许树洪

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心，江苏 南京 210098)

太湖流域地处长江三角洲南翼，是我国经济最发达、投资增长最具活力的地区之一。太湖是流域的重要水源地，且与周边河网水量交换频繁，是流域内水资源调蓄和调度的中枢。随着太湖流域社会经济的快速发展，流域用水总量逐年增加，水资源问题十分突出[1]。同时，太湖流域近年来开展的治太工程及水环境综合治理等一系列工程、非工程措施使太湖入出湖水量发生重大变化，影响了太湖水位，改变了换水周期等重要湖泊水环境参数。长期以来环太湖水文情势、水资源变化特征等问题都备受关注，很多学者围绕太湖入出湖水量、换水周期进行了相关研究。申金玉等[2]收集整理1986—2007年环太湖河道入出湖水量实测资料，对太湖入出湖水量进行计算分析，总结了入出湖水量影响因素；闻余华等[3]通过整理1986—2010年水文巡测资料，对太湖及各分区入出湖水量变化情势进行了分析，探明了入出湖水量变化原因；陈方等[4]对湖西区入湖水量变化趋势进行了分析，并通过主成分回归建立了湖西区巡测段入湖水量估算模型；沈国华等[5]分析了2000年前后3个水资源分区入出湖水量变化对太湖水环境的影响；季海萍等[6]从行政区划层面研究了环太湖入出湖水量的变化规律及成因；王冼民等[7]根据2010年实测水文气象资料，采用EcoTaihu模型模拟了太湖及各湖区营养盐状况，计算了太湖适宜换水周期。但值得一提的是，以往的相关研究通常基于行政区分析入出湖水量变化趋势，而基于水资源分区分析的相关研究鲜见报道。然而，从太湖水资源保护和生态安全管理角度，更需要基于水资源分区角度精细化解析环太湖各水资源分区入出湖水量及其贡献，并揭示引排水工程和降雨径流对重要河道、水资源分区入出湖水量变化的影响机制，从而为削减不同水资源分区的入湖污染物负荷、优化不同水文年太湖引排水格局提供重要支撑。

本文基于1986—2018年环太湖入出湖水量资料，以水资源分区为研究单元，分析环太湖及水资源分区年入出湖水量与太湖换水周期的变化趋势、年际和年代际变化特征，分析水资源分区入出湖水量增长贡献率，并结合降水量、引排水量资料探讨典型区湖西区年入湖水量以及望虞河和太浦河年出湖水量显著变化的影响因素。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文使用的环太湖入出湖水量资料来源于1986—2018年环太湖水文巡测，资料由江苏省水文水资源勘测局提供。1990—2018年沿江引排水量和降水量资料来源于《近年来环太湖进出水量规律分析》报告[8]及2005—2018年太湖流域水情年报[9]，沿江引排水量包括沿长江江苏段谏壁闸、九曲河闸等14个口门和常熟水利枢纽全年引排水量。

1.2 分析方法

依据水资源分区原则，将环太湖巡测线划分成湖西区、浙西区、杭嘉湖区、阳澄淀泖区、武澄锡虞区5个水资源分区和望虞河、太浦河2条主要入出湖河流(图1)。基于1986—2018年环太湖水文巡测流量数据，整理换算得到环太湖各水资源分区与主要入出湖河道年入出湖水量，整合各水资源分区与主要入出湖河道年入出湖水量得到太湖年入出湖总水量，据此计算各水资源分区与两条河道的年出入湖水量占比。由于TFPW-MK法[10-11]相对于其他趋势分析法可以降低序列中自相关性对检验结果的影响，本文所有的趋势分析均采用TFPW-MK法。在分析入出湖水量受降水量、引江水量的影响时，选用Pearson相关系数来判断入出湖水量与降水量、引江水量的相关程度。分区入出湖水量增长贡献率和换水周期(单位：d)的计算公式[6-7]为

Ii=W′i/W′

(1)

T=365W/Q

(2)

式中：Ii为分区入出湖水量的增长贡献率；W′i为分区入出湖水量增量；W′为环太湖入出湖水量增量；T为换水周期；W为湖泊贮水量；Q为湖泊年出湖水量。

图1 环太湖水资源分区

2 结果与分析

2.1 环太湖年入出湖水量变化特征

图2为1986—2018年环太湖年入出湖水量。由图2可见，1991年、1999年、2016年3次流域特大型洪水发生时，年净入湖水量都处在邻近时期的相对最低点。2001年之前，年出湖水量总体而言大于年入湖水量，但之后情况正好相反。太湖年入湖水量TFPW-MK统计值为4.30，呈增加趋势，且达到了99%的显著性水平；年出湖水量TFPW-MK统计值为1.61，呈增加趋势，但没有达到90%的显著性水平；年净入湖水量TFPW-MK统计值为3.62，呈增加趋势，并达到了99%的显著性水平。环太湖年入出湖水量的变化趋势与已有研究成果基本一致[6]。

图2 太湖年入出湖水量及年净入湖水量变化过程

图3为各年代太湖年入出湖水量及年净入湖水量变化。由图3可见，入湖年平均水量随年代变化而增加，而出湖年平均水量随年代变化呈现增加或减少的波动。20世纪80至90年代太湖入湖水量小于出湖水量，但在21世纪初则相反。太湖年净入湖水量总体上经历了一个由负到正的变化过程，20世纪80至90年代净入湖水量保持在-15亿m3左右，而在21世纪前10年增加至6亿m3左右。2002年开始实施的引江济太工程的引水可能是导致净入湖水量增加的原因。

图3 各年代太湖年入出湖水量及年净入湖水量变化

2.2 各水资源分区入出湖水量及贡献变化

2.2.1各水资源分区入出湖水量变化特征

图4为环太湖各水资源分区年入出湖水量及其占比，表1为各水资源分区年入出湖水量及其占比的TFPW-MK检验结果。由图4和表1可见，湖西区、望虞河和阳澄淀泖区年入湖水量及其占比均呈增加趋势，而杭嘉湖区年入湖水量及其占比呈减少趋势，都达到了99%的显著性水平；湖西区年出湖水量及其占比呈减少趋势，浙西区年出湖水量呈增加趋势，都达到了99%的显著性水平。浙西区、武澄锡虞区的年入湖水量占比均呈减少趋势，都达到了95%的显著性水平；杭嘉湖区年出湖水量呈增加趋势，阳澄淀泖区的年出湖水量占比呈减少趋势，都达到了95%的显著性水平。其他变量的变化趋势均未达到95%的显著性水平。各水资源分区入出湖水量及其占比总体呈现相同的增减趋势，但浙西区年入湖水量增加趋势不显著，而环太湖年入湖总水量显著增大，这就使得浙西区年入湖水量占比呈现减少趋势，武澄锡虞区和阳澄淀泖区年出湖水量及其占比也出现了同样的情况。

(a) 年入湖水量

表1 各水资源分区年入出湖水量及其占比的TFPW-MK统计值

计算各水资源分区1986—2018年入出湖水量及占比的变差系数(CV)、极值比等统计特征值，结果见表2～5。由表2、表3可见，武澄锡虞区出湖水量的极值比最大，其原因是自然条件下该分区出湖水量最小值仅为0.03亿m3，但2007年梅梁湖泵站和2013年大渲河泵站的建设运行，使该区出湖水量的最大值达到16.54亿m3。望虞河入湖水量极值比最大，其原因是引江济太工程运行前该河入湖水量最小值仅为1.89亿m3，但2002年引江济太工程运行后使该河入湖水量的最大值达到34.47亿m3。

表2 各水资源分区年入湖水量统计特征值

表3 各水资源分区年出湖水量统计特征值

由表4、5中各水资源分区入出湖水量及占比的CV值和极值比可见，望虞河年入出湖水量及占比的年际变化最明显。

表4 各水资源分区年入湖水量占比统计特征值

表5 各水资源分区年出湖水量占比统计特征值

图5为不同年代太湖各水资源分区年入出湖水量的均值及其占比。由图5可见，湖西区的年入湖水量在4个年代中都为最大，并仍在增加；湖西区不同年代的年出湖水量一直为各水资源分区最小，并仍在持续减小。太浦河自20世纪90年代起各年代年出湖水量就超过阳澄淀泖区，各年代年出湖水量都为最大。各水资源分区入湖水量占比在20世纪80年代与90年代相比变化不大。湖西区入湖占比各个年代中一直高于其他分区，浙西区不同年代入湖水量占比仅低于湖西区，杭嘉湖区和武澄锡虞区近3个年代中入湖水量占比不断降低。由于引江济太工程实施，望虞河入湖水量在20世纪90年代至21世纪前10年间呈增加趋势，而后稳定在7%。太浦河为出湖河流，入湖占比为0。太浦河、阳澄淀泖区、杭嘉湖区在4个年代中出湖水量占比明显高于其他分区，占比之和在70%左右。望虞河不同年代出湖占比有一定增加趋势，但21世纪后2个年代基本维持在9%～10%。

2.2.2各水资源分区入出湖水量贡献率分析

自2002年引江济太调水工程投入使用后，净入湖水量格局发生了变化。由图2可见，2002年前年出湖水量在大部分年份大于入湖，净入湖水量年际变化较明显，而2002年后年出湖水量在大部分年份小于入湖，年净入湖水量维持稳定且接近于0。因此，以2002年为节点，分析引江济太调水实施后各水资源分区入出湖水量的增长对环太湖入出湖水量增长的贡献。表6为各水资源分区入出湖水量增加量及贡献率。可见，湖西区对入湖水量的增长贡献最大，贡献率高达98.88%；而杭嘉湖区的贡献最小，贡献率为-26.76%；浙西区对出湖水量的增长贡献最大，贡献率为51%；而湖西区的贡献最小，贡献率为-19.08%。杭嘉湖区和浙西区对出湖水量增长的贡献率均印证了伍远康等[12]关于“引江济太抬高了太湖水位，使得环太湖浙江段出湖水量增加”的观点。就引排水工程而言，望虞河对入出湖水量增长的贡献率均在30%左右，而太浦河对出湖水量增长的贡献率却仅为6.99%。

(a) 入湖水量

表6 各水资源分区入出湖水量增加量及贡献率

2.3 典型区入出湖水量年际变化影响因素

太湖各水资源分区入出湖水量主要受降水以及水利工程调度影响，根据申金玉等[2]的研究，2000年以前降水量是影响湖西区入湖水量的主导因素，但在2000—2007年，随着引江水量的增加，引江水量逐渐成为影响湖西区入湖水量的重要因素。季海萍等[6]的研究认为水利工程调度对太湖入出湖水量的影响逐渐占据主导作用。本文对典型区望虞河、太浦河、湖西区的入出湖水量年际变化影响因素进行分析。

对湖西区年净引水量、年降水量与年入湖水量进行拟合。经计算湖西区年降水量与年入湖水量Pearson相关系数为0.62，而湖西区年净引水量与年入湖水量Pearson相关系数仅为0.10。可见，湖西区年入湖水量随湖西区年降水量增加而增加，但与湖西区净引水量无明显关系，因此湖西区年入湖水量主要受湖西区年降水量影响。2016年太湖流域出现自1951年以来的最大降水，湖西区年降水量达2 025.5 mm，超过常年降水量的73.3%，导致太湖流域发生特大洪水，太湖最高水位达到4.87 m[13]，该年湖西区入湖水量也为1986—2018年最大。1999年太湖流域梅雨期雨量极大，发生全流域特大洪水，但湖西区1999年入湖水量并没有明显偏大，其原因在于暴雨主要集中在太湖南部各分区，且湖西区增加了沿江排水量[14]。湖西区、浙西区作为重要的入湖分区，入湖水量与降水量关系较紧密，而武澄锡虞区、阳澄淀泖区的入湖水量则受分区通江影响，与降水量关系可能并不密切。

对望虞河、太浦河的年出湖水量与沿江净引水量和流域降水量进行拟合分析。经计算流域年降水量与望虞河、太浦河年出湖水量Pearson相关系数分别为0.72和0.65，沿江净引水量与望虞河、太浦河年出湖水量Pearson相关系数分别为-0.68和 -0.65。可见，望虞河、太浦河年出湖水量随流域年降水量增加而增加，随沿江净引水量增加而减少。在流域年降水量较大的年份，太浦河年出湖水量响应明显，如1999年、2015年及2016年太湖流域暴发全流域洪水，太浦河出湖水量相应有较大增幅。2003年太湖流域水量偏枯，但太浦河出湖水量却并不低，其原因在于汛前为引江改善流域水环境，加大太浦闸泄水量，且8月黄浦江水域发生泄油污染事件，为抑制泄油上溯太浦泵站加大泄水[15]。2010年，在流域降水接近年均水平的情况下，出湖水量明显偏高，原因是该年为缓解太湖蓝藻暴发期水质恶化及改善下游水质多次启动引江济太调水。2013年为太浦河出湖水量最少的年份，原因在于2013年流域水量偏枯，且2012年至2013年太浦河除险加固工程期间，对太浦闸泄水进行控制，使太浦河出湖水量减少[16]。望虞河在汛期和太浦河共同承担防洪排涝，因此年出湖水量年际变化与太浦河相似(图4)。

2.4 太湖换水周期变化特征

换水周期是湖泊水环境的一个重要参数，准确估算换水周期对于研究湖泊水体化学、生物变化以及污染物迁移、扩散、转化有着重要意义[7]。对太湖换水周期的研究主要是针对湖区的换水周期，因此可以基于太湖出湖水量计算得到太湖历年换水周期(图6)。对太湖换水周期进行TFPW-MK趋势检验，统计值为-1.57，表明换水周期呈递减趋势，但未达到95%的显著性水平。1986—2018年太湖换水周期年均值为179.84 d，CV值为0.22，最大值出现在1994年，其值为258.46 d，最小值出现在2016年，其值为96.63 d，极值比2.67。

图6 太湖换水周期变化

太湖在1986—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2018年的4个年代的多年平均换水周期分别为200.31 d、181.98 d、192.72 d、154.36 d。1999年前，太湖流域降水偏丰，而2000—2011年降水总体偏枯[13]，可见21世纪前10年换水周期较长可能受流域降水偏枯影响。2010—2018年的换水周期明显短于其他3个年代。在1986—2018年换水周期最短的10年中，2010—2018年占4年，分别为2010年、2015年、2016年和2017年，表明现今太湖正处于相对丰水的时期，换水周期明显加快。

3 讨 论

太湖入出湖水量的管控一般是依据太湖水位进行。太湖全年共5个洪水分期，太湖水位高于或低于分期内防洪控制水位时，采取洪水调度或引水措施[12]。当太湖水位超过3.80 m、4.20 m、4.50 m和4.65 m时，对应太湖流域防汛抗旱总指挥部应急响应级别为Ⅳ～Ⅰ级，太湖局同时采取相应的应急响应行动。当太湖水位超过100年一遇防洪设计水位(4.80 m)时，执行超标准洪水预案，引排水工程则按照《太湖流域防洪规划》中规划的排水量有序承泄太湖洪水[17]。

年入湖水量的变化表明年入湖水量的大小虽然与引水量有关，但更取决于入湖的降水径流量,因此，丰平枯水文年的变化直接影响到年入湖水量的变化。太湖流域受季风气候影响，流域水量充沛，研究期内太湖流域虽出现旱灾的频率较低，但极端降雨造成的洪涝灾害却时有发生，如1991年、1999年和2016年均发生了流域性洪水[18]。丰水年降雨增加引起的径流增加加大了入湖水量，改善了湖体水动力条件，同时入湖水量增加使得出湖水量也增加，从而缩短了换水周期，提高了湖水自净能力[19]。太湖南部的换水周期短于北部，南部水质好于北部[20]。值得注意的是，入湖水量的增加也导致污染物负荷增加[21]，增加了太湖生态安全风险。水质最差的湖西区入湖水量的显著增加把大量污染物带入湖体，随水流由西北向东南输送，但因同时受夏季盛行的东南风影响，延长了污染物在湖中停留时间[22]，有损于太湖生态健康。枯水年入湖水量减少，不利于湖体水动力条件改善，且使得出湖水量也减少，从而加长了换水周期，降低了水体自净能力。但与丰水年相比，入湖负荷也相应减少。枯水年份较低的太湖水位使得底泥易受风浪的扰动而悬浮，释放的磷元素导致湖体总磷浓度增加[23]。

为了保障太湖水生态安全，有必要采取措施降低入湖污染物负荷，同时还应针对不同水文年优化调度引排水工程，缩短污染物水力停留时间，提升太湖自净能力，控制太湖生态安全风险。此外，还需要加强太湖入出湖水质水量同步监测站网建设，为提高污染物负荷计算精度奠定基础。

4 结 论

a. 1986—2018年，太湖年入出湖水量以及年净入湖水量均呈增加趋势，其中年入湖水量和年净入湖水量增加趋势达到了99%的显著性水平，年出湖水量增加趋势没有达到95%的显著性水平。湖西区、望虞河和阳澄淀泖区年入湖水量及其占比、浙西区年出湖水量呈增加趋势，均达到了99%的显著性水平；湖西区年出湖水量及其占比、杭嘉湖区年入湖水量及其占比呈减少趋势，均达到了99%的显著性水平。

b. 望虞河年入出湖水量及其占比的年际变化最明显。湖西区年入湖水量主要受该区年降水量影响，望虞河和太浦河年出湖水量受流域年降水量及沿江净引水量影响均较大。

c. 湖西区在1986—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2018年的4个年代入湖水量均为各分区中最大，太浦河出湖水量除20世纪80年代外，其余年代均为各分区最大。湖西区各个年代入湖水量占比均为最高，且占比在后3个年代中不断上升。4个年代中太浦河、阳澄淀泖区、杭嘉湖区出湖水量占比明显高于其他分区，占比之和在70%左右。

d. 湖西区对入湖水量的增长贡献最大，贡献率高达98.88%，而杭嘉湖区的贡献最小，贡献率为 -26.76%；浙西区对出湖水量的增长贡献最大，贡献率为51%，而湖西区的贡献最小，贡献率为-19.08%。

e. 太湖换水周期呈递减趋势，但减少趋势未达到95%的显著性水平；太湖换水周期CV值为0.22，最大值出现在1994年，为258.46 d，最小值出现在2016年，为96.63 d，极值比2.67。2010—2018年换水周期154.36 d，明显短于1986—2009年。