高邮湖主要入湖河流对湖心区断面的总磷贡献分析

谢 飞，徐聪辉，时志强

(1.江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036；2.江苏省苏力环境科技有限责任公司，江苏 南京 210008)

0 引言

长江中下游地区淡水湖泊密布，拥有大量的湖泊，并且湖泊深度普遍为浅水湖泊,同时这一地区也是我国湖泊富营养化问题最普遍的地区[1]。高邮湖属淮河流域，淮河入江水道穿湖，终达长江。跨江苏省扬州市、安徽省天长市，水域总面积为760.67 km2（平水面积），仅次于太湖，洪泽湖，为江苏省的第三大湖[2-3]。高邮湖水面宽广、环境优美，物产丰富，随着对高邮湖的开发利用，高邮湖的污染问题也日益引起地方政府的重视[4]。高邮湖湖心区断面为国控断面，是考核高邮湖水质的关键考核断面，近年来其水质不能稳定达到Ⅲ类水质的标准[5-6]。

《市政府关于印发高邮市水污染防治工作实施方案的通知》（邮政法[2016]186 号）中提出了高邮湖湖心区断面2018年稳定达到Ⅲ类水质考核标准的水体达标任务，高邮市环境保护局委托江苏省环境科学研究院编制了《高邮湖湖心区断面水体达标方案（2016—2018）》。按照该方案给出的水环境综合整治的措施，经过3 a 左右的治理，高邮湖湖心区断面其余因子均能达到Ⅲ类水质标准，总磷指标则时常超标，为找出湖心区断面总磷污染的原因，以顺利的进行湖区总磷污染防治工作，本文通过湖心和入湖河道的相关历史数据对高邮湖总磷污染现状进行了分析，并基于EFDC 水环境动力学模型，对高邮湖各入湖河道的污染贡献进行了解析。

1 高邮湖出入湖河道概况

高邮湖入湖水系主要为淮河入江水道改道段下泄的淮河洪水、宝应湖退水闸相继分泄白马、宝应湖涝水，及沿湖排水入湖河道利农河、铜龙河（安徽）、杨村河（安徽）、白塔河（安徽）、秦栏河（苏皖界河）等[7]；出湖水系主要为新民滩高邮湖控制线上的杨庄河、庄台河、毛港河、新港河、王港河等。通过这些河道，高邮湖水进入邵伯湖[2-3]。

2 高邮湖总磷超标现状分析

2018～2019年高邮湖国控断面总磷月季变化情况见图1。由图1 可看出，2018年全年除5月份外，其他月份均出现了总磷超标的情况，其中2，3月总磷浓度最高，超标倍数均为1.6 倍，年平均质量浓度为0.098 mg/L，2019年1～10月中，除3月与5月外，其他月份均出现超标，其中7月与10月总磷浓度最高，超标倍数为3.2 与3.4 倍，水质类别达到劣V 类，1～10月总磷平均质量浓度为0.112 mg/L，超过湖泊Ⅲ类水质标准。

图1 2018～2019年高邮湖国控断面总磷月季变化情况

总体而言，2019年湖心区总磷平均浓度高于2018年平均浓度。其原因主要有：①2019年高邮地区及全省降雨量较小，上游地区未发生泄洪，全年未出现丰水期，因此湖水流速较慢，湖区换水周期较长，湖区内污染物得不到较快的释放；②2019年高邮湖区水位较低（水深基本分布在1 m 左右），入湖河流排入湖中的污染物、水产养殖及水生植物腐烂分解过程产生的磷等污染物通过沉淀或颗粒物吸附而蓄存在底泥中，风浪搅拌等其它作用下，底泥吸附的污染物会较快扩散到上覆水体中，易出现泛浮现象[8-10]。

利用Spearman 秩相关系数法对2018年全年以及2019年1～10月湖心区总磷浓度的变化趋势进行显著性进行检验。

式中：di=Xi-Yi，Xi表示自小到大排列的浓度序列；Yi表示时间序列；rj表示秩相关系数。经上述公式计算得到2018年全年以及2019年1～10月的秩相关系数绝对值分别为0.475 与0.715，结果表明，2018年全年湖心区总磷浓度变化较平稳，2019年总磷浓度变化具有一定的上升趋势。

2019年高邮湖入湖河道总磷月季变化情况见图2。由图2 可以看出，根据地表水河流Ⅲ类标准，6条入湖河道中白塔河与铜龙河分别有1 个和2 个月份的总磷超标。其余河道总磷浓度1～10月全部达标，其中流量最大的淮河入湖通道在1～10月总磷平均质量浓度为0.089 mg/L。

图2 2019年高邮湖入湖河道总磷月季变化情况

3 高邮湖水环境数值模拟与分析

3.1 数据与模型

（1）模型数据获取

2015～2019年高邮湖湖心区国考断面、省控断面、高邮湖出入湖河流控制断面水质监测数据来自高邮市生态环境局。主要气象数据包括：气温、风速、风向、太阳辐射、实际蒸发、相对湿度等。数据下载自中国气象数据网，由于缺少地方站点，采用江夏气象站数据进行代替，此外，我们对环湖采样的38 个监测点位总磷浓度、流速及出入湖河流的流量进行了采集与测量，具体水质监测点位见图3。

图3 监测点位布设

（2）EFDC 水环境动力学模型概况

以EFDC 为平台，建立高邮湖流域各条入湖河流污染源与考核断面水质的因果定量响应关联，构建数值溯源敏感性分析。基于高邮湖流域水文、气象、污染负荷等基本要素，开发高邮湖水动力水质模型。结合历史实测数据，通过校准水位和水质污染物因子来率定水动力水质相关动力学过程参数，利用校准后的水质模型，求解流域内所有入湖河流污染源对考核断面的总磷水质浓度贡献量和贡献比例。

高邮湖水动力水质模型的组成主要涉及水动力模块、水质模块，在水质模型构建的基本设定和概化思想中，应充分考虑的因素：①高邮湖地形较为平坦，湖流自北向南缓慢流动，不存在十分复杂的水动力特征；②风力和人工水闸是高邮湖水动力过程的主要驱动因素；③高邮湖水动力、水质指标在垂向近似均匀，以垂向平均值表达。

3.2 高邮湖总磷时空分布特征

高邮湖总磷浓度时空分布见图4。

图4 高邮湖总磷时空分布特征

由图4 可以看出，1～3月高邮湖大部分地区总磷质量浓度较低，集中在0.025～0.05 mg/L 之间，只有中西部小部分湖区的总磷质量浓度达到0.05～0.1 mg/L。同时，出口处的总磷质量浓度相对较低，仅为0.01～0.025 mg/L。4～12月份高邮湖湖区总磷浓度显著增高，大部分湖区总磷质量浓度在0.05～0.1 mg/L 之间，只有南部出口处的质量浓度较低，为0.01～0.05 mg/L。

3.3 污染物浓度场分析

模型设计了为阐明各支流污染源对高邮湖水环境浓度的影响程度，本次共设计6 个模拟情景。S0：各支流污染源综合影响；S1：淮河污染源影响；S2：白塔河污染源影响；S3：杨村河污染源影响；S4：秦栏河污染源影响；S5：铜龙河污染源影响。通过将S1 至S5 的模拟结果与S0 对比，即可阐明单独污染源对考核断面的影响。

根据高邮湖流域多支流的特征，选用“分担率法”有针对性的对高邮湖污染物浓度进行分析，过分担率来表明某个支流污染物对高邮湖水质情况的影响程度，即根据线性叠加原理，n个污染源共同作用下所形成的浓度场C(x,y)可视为各个污染源单独造成的影响所形成的浓度场线性叠加结果，即：

式中：Ci（x,y）为第i个污染源的单独影响浓度场，（x,y）为空间点坐标。

分担率是指某个污染源对水域总体污染物浓度影响所占的百分率，即：

入湖河道总磷污染贡献见表1。

表1 入湖河道总磷污染贡献

由表1 可以看出，淮河流域对高邮湖湖心污染贡献最高，总磷污染均大于80%，其他各河流总磷污染贡献从大到小依次为铜龙河、秦栏河、白塔河杨村河污染贡献，其他2 种参数污染贡献排序也基本一致。各河流总磷年均贡献情况见图5。由图5 可以看出，空间上，淮河、铜龙河、白塔河污染贡献呈现北高南低的分布特征，杨村河、秦栏河呈现南高北低的分布特征。

图5 各入湖河流总磷贡献情况

高邮湖属于典型的过水型湖泊，受上游水质影响较大。淮河中上游两岸城市众多，企业密布，耕地集中，沿线接纳了大量的工业、农业和生活污废水，且淮河有80%的水量流经高邮湖进入长江，上游大量污水下泄会造成一段时期的大面积水质恶化。特别是上游地区发生较大降水后，上游河道内积蓄的大量污水与上游洪水一起下泄，集中进入洪泽湖，污染物浓度高、污染范围大，使得位于下游的高邮湖也较大影响[5]。

3 结语

高邮湖湖心区断面总磷超标因素分析是一个复杂的过程，本技术方案通过数据调查、现场采样、模型搭建分析了高邮湖各入湖河道对高邮湖污染贡献，但若要对高邮湖总磷污染因素进行充分解析，还应详细分析内源因素对湖泊的污染影响，如围网养殖产生的污染负荷、麦黄草、野菱等水生植物腐烂分解过程的污染物释放、湖泊底泥产生的污染负荷，对环湖各地区的不同点源、面源，农业、工业、生活污染物的排放量进行核算，对可能的污染源进行全面、充分调查。因此本文仅作为总磷溯源分析过程的初步成果，为后续总磷溯源工作及水环境污染防治工作的开展奠定了一定的基础。