固城湖2014—2020 年水文情势和水质变化特征研究

陆海明，陆晓平，王 凯，刘伟婷，姚亚芹，陈黎明

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2.江苏省秦淮河水利工程管理处，江苏 南京 210022； 3.南京市高淳区水务局，江苏 南京 211300)

我国部分通江湖泊及其上下游支流陆续修建了水闸、大坝、航运枢纽等水利工程设施，在满足防洪减灾、水资源供给及航运、旅游等开发利用功能的同时，不同程度地阻隔了河湖水系的连通，改变了湖泊天然的水文情势，切断了水量、物种等交换通道[1-2]。闸站调控引起的水文情势改变可能导致湖泊生态系统受损，从而对湖泊水资源供给、生物多样性保护、景观旅游等生态系统服务功能产生不利影响[3-6]。闸坝等水利工程建设运行导致的水文情势改变和水系连通性降低引起的河湖生态系统改变是当前河湖生态环境保护研究的热点问题[7-8]。固城湖（又名小南湖）是长江下游水阳江、青弋江流域重要的通江湖泊，在区域水量调蓄、城乡供水、农业灌溉、水产养殖及维系生态平衡方面具有重要作用。随着茅东闸、杨家湾节制闸、蛇山抽水站等闸站的建成和运行，固城湖已从构造型过水湖泊转变成为相对封闭、主要受水闸和泵站调节的水库型湖泊。受入湖河道、水产养殖、航道建设及流域水环境治理等多种影响，固城湖水质在不同历史时期呈现波动特征[9-12]。本文基于2014—2020 年固城湖水文情势和水体水质数据，研究固城湖近年来水质变化规律，揭示闸坝调控下湖泊水文情势改变对水质的影响，以期为固城湖管理及湖泊生态环境保护提供科学依据。

1 资料与方法

固城湖位于水阳江、青弋江流域下游，经水阳江和长江相连。1949 年前固城湖水域面积约81 km2，后经多次围垦致使湖泊水域面积锐减至现状面积31.90 km2，不足原来的40%，湖泊正常蓄水位9.5 m时相应库容为1.28 亿m3。湖泊形态也发生很大变化，由心形湖泊隔离成2 个湖区，分别为大湖区和小湖区，大湖区面积为小湖区的8～10 倍。湖泊水域保护范围面积为36.97 km2，汇水面积464.5 km2，流域多年平均降水量1 300～1 600 mm。固城湖出入湖河道主要有水碧桥河（港口河）、官溪河、石固河、漆桥河、胥河等（图1）。固城湖及通湖河道控制建筑物主要有杨家湾闸、蛇山抽水站、黄泥闸、茅东闸、水碧桥闸等。

图1 固城湖及其主要出入湖河流与水质监测点位空间分布Fig.1 Gucheng Lake and its main tributaries with water quality sampling sites

降雨和水位数据来源于高淳水文站，出入湖流量来源于水文部门。湖区共设5 个水质监测点位，分别为小湖区、红砂嘴、迎湖桃源、开发控制区C1（花联圩）和大湖区（图1），2014—2019 年间每月采样1 次。固城湖水质类别评价参考《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）。

湖泊水文情势和水质变化特征采用R 软件ggplot2 软件包整理作图，应用局部多项式回归方法（LOESS）拟合水质变化趋势，Kendall 软件包Seasonal Mann-Kendall 函数用于检验水质指标季节性变化趋势，stats 软件包wilcox.test 函数用于多重比较[13]。

2 调查结果

2.1 湖泊水文情势

固城湖2014—2020 年月降水量、平均水位和入湖水量见图2。固城湖多年年均降水量为1 212.2 mm，2019 年降水量最低（967.1 mm），2016 全年降水量最高2 297.6 mm，其中7 月降水量达480.5 mm，为多年月降水量第二；2020 年降水量为1 609.2 mm，7 月降水量为研究期间最大（540.0 mm），7 月15 日最大日降水量高达80.0 mm。固城湖月入湖水量介于0.016 亿m3（2014 年12 月）和1.76 亿m3（2016 年7 月），多年月平均入湖水量为0.27 亿m3。2014—2020 年日平均水位9.3 m，日最高水位为13.2 m（2016 年7 月6 日）。2016 年固城湖水位持续超过警戒水位（10.0 m）达33 d（6 月29 日至7 月31 日），超过防洪设计水位天数（12.5 m）累计10 d。受芜申线航道杨家湾枢纽改造工程完工蓄水试验影响，2017 年8 月中旬至2018 年2 月底固城湖水位持续在10 m 左右波动。2020 年固城湖水位在6 月初降低至近年来最低值（7.3 m），接近江苏省水利厅2019 年公布的固城湖生态水位（7.0 m），汛期湖区水位迅速升高，7 月22 日达到全年峰值12.4 m，持续超过警戒水位55 d。

图2 2014—2020 年月降水量、平均水位和入湖水量Fig.2 Monthly precipitation, mean water stage and water volume entering into lake between 2014 and 2020

固城湖2016—2020 年和多年日平均水位年内变化过程如图3 所示。多年日平均水位（1951—2020 年）年内过程表明：每年汛期7 月中下旬水位达到全年最高（平均最高水位10.5 m），汛期后水位逐渐降低，1 月底至2 月初全年水位降至最低（7.1 m），随着春季降水增加水位逐渐抬高。2013 年以来，固城湖水位不仅总体抬升近1 m，年内水位变化特征也有明显差异。汛期结束后至次年3 月固城湖水位并未明显下降，仍然保持较高水位，全年最低水位出现时期由原来的冬春季节（1 月底至2 月初）推迟到初夏（5 月底至6 月初），呈现一定程度的反季相变化特征。

图3 固城湖2016—2020 年多年日平均水位Fig.3 Variation of daily mean stage within the year between 2016-2020

2.2 湖泊水质变化

固城湖2014—2020 年水体TN、NH3-N、TP 和CODMn质量体积分数变化趋势如图4 所示。湖区水体TN 质量体积分数在地表水环境Ⅱ、Ⅳ类水体质量标准之间波动，多年平均值为0.90 mg/L，2018 年5—10 月水体TN 浓度总体处于较低水平，平均质量体积分数约为0.50 mg/L。2017 年7—12 月NH3-N 浓度相对较高，平均质量体积分数达0.38 mg/L，2018—2020 年湖区水体NH3-N 维持较低水平，多年平均质量体积分数仅为0.16 mg/L。固城湖水体TP 浓度在2014—2020 年期间呈现先升后降再升的波动趋势，2015 年上半年TP 浓度最高，总体超过地表水Ⅲ类水体质量标准值，2017—2018 年维持较低水平，可达Ⅱ类水体质量标准，2019 年TP 浓度增加，部分时段TP 浓度超过Ⅲ类水体质量标准。研究期间CODMn总体处于较低水平，CODMn平均质量体积分数为4.00 mg/L，2018 年以来CODMn有下降趋势。

图4 固城湖2014—2020 年湖区水体TN、NH3-N、TP 和CODMn 质量体积分数变化趋势Fig.4 Surface water trends of TN, NH3-N, TP and CODMn from 2014 to 2020

2014—2017 年固城湖大湖区TN、NH3-N 及TP 质量体积分数略低于其他4 个采样点，2017—2020 年迎湖桃源TP 质量体积分数高于其他4 个采样点，2018—2019 年大湖区采样点水体CODMn明显低于其他4 个采样点。2017—2020 年大湖区叶绿素a（Chl a）质量体积分数和营养指数TLI 略低于其他采样点。总体来说，大湖区水体水质总体优于其他采样点。

固城湖2014—2020 年Chl a 质量体积分数和营养状态变化情况如图5 所示。总体上，水体Chl a 质量体积分数约为0.01 mg/L，2014 年的年均值最高，达0.015 mg/L，到2017 年时最低，为0.009 mg/L，而后略有上升趋势，水体TLI 呈上升趋势，有中营养向富营养状态过渡趋势。从季节上看，固城湖Chl a 质量体积分数在秋季最高为0.014 mg/L，冬季最低为0.010 mg/L，各区域Chl a 质量体积分数差异不大。本研究表明2014—2020 年固城湖各湖区全年的TLI 值为43.7～49.4，整体处于中营养水平。从季节上看，秋季的TLI 较高，9 月的小湖区TLI 最高，多年月均值达49.7。

图5 固城湖2014—2020 年不同采样点Chl a 和TLI 变化趋势Fig.5 Variation of Chl a and TLI from 2014 to 2020

2014—2020 年水体氮磷营养盐含量和CODMn总体均呈下降趋势，Chl a 含量和TLI 总体呈上升趋势（表1）。红砂嘴CODMn呈极显著下降趋势，但是TLI 呈极显著上升趋势；该采样点为水源地取水口，表明近年来水源地水体营养盐负荷下降，但藻类浓度却有所上升，水体面临富营养化的风险。迎湖桃源采样点TN 浓度有极显著升高趋势，其他采样点均呈下降趋势，红砂嘴和大湖区下降趋势显著；小湖区和迎湖桃源CODMn有极显著降低。5 个采样点水体TP 浓度下降趋势均不显著，大湖区和小湖区NH3-N 浓度降低趋势显著，其余采样点NH3-N 浓度降低趋势不显著。

表1 固城湖2014—2020 年水质季节性Kendall 变化趋势及其显著性检验结果Tab.1 Seasonal Kendall test of water quality and their significance

2.3 水质和水文情势相关关系

固城湖2014—2020 年月降水量（P）、月入湖水量（Qin）、平均水位（Stage）和湖泊月均水质相关性分析表明，固城湖降水量和各水质指标相关关系不显著；入湖水量和透明度（SD）呈极显著的负相关关系（p＜0.001），和TP 含量、Chl a、TLI 呈显著的正相关关系（p＜0.05）；湖泊平均水位和CODMn、NH3-N 含量、TP 含量呈显著的正相关关系（p＜0.01）（图6）。

图6 固城湖2014—2020 年水文情势和不同水质指标相关关系Fig.6 Correlation between indicators of hydrological regime and water quality

3 讨论与分析

3.1 水文情势受闸站调控影响

固城湖堤防加高和闸站投入运行前，固城湖水位主要受流域降水和农业用水过程影响。堤防防洪标准提高后，增加了抬高湖泊正常蓄水水位的可行性；河流入湖水量受闸站控制后满足了城市生活、交通航运、农业生产等用水需求对于湖泊水位的要求。目前固城湖主要通过水碧桥闸、杨家湾闸、蛇山闸开闸引水，通过茅东闸、杨家湾闸、水碧桥闸排水。固城湖正常蓄水位9.5 m，该水位在非汛期高于与长江连通的水阳江水位，同时也高于与太湖流域相连的胥河下游水位。因此，为了维持正常蓄水位，茅东闸、杨家湾闸、蛇山闸以及水碧桥闸处于关闸状态，只有固城湖周边有生产、生活用水需求或者船只通航时才开闸放水。2016 年芜申运河南京段开通后，茅东船闸、杨家湾船闸因开闸通航年水资源损失量占到了固城湖正常蓄水位水量的1.34～2.24 倍[14]。在5—6 月，由于周边稻田灌溉和螃蟹养殖用水量增加，加上气温升高、降水偏少导致湖面蒸发量增加，入湖水量补给减少，固城湖水位呈现显著降低趋势。

在遇到固城湖水位持续降低，可能会影响水源地取水安全、农业灌溉用水或湖泊生态安全时，当地水务部门择机启用蛇山抽水站从石臼湖调水，或者临时架设抽水泵站从水阳江补水。例如，2019 年汛后水位持续回落，部分地区出现旱情，高淳区水务局10 月1 日开启蛇山抽水站抽引石臼湖水进入固城湖，10 月17 日在水碧桥架设临时水泵从水阳江补水，固城湖水位停止下降；随着11 月下旬降水明显增加，加上蟹塘排水，固城湖水位明显上涨。截至2020 年1 月22 日共补水3.53 亿m3，补水量是正常蓄水库容的2.76 倍。2021 年2 月27 日至4 月10 日，补水1.18 亿m3。2022 年夏季持续晴热高温少雨，8 月16 日固城湖水位下降至7.87 m，每日补水量可达173 万m3。

目前固城湖水文情势主要受出入湖河流闸站调控影响，现有闸站基本能够实现正常蓄水位和防洪目标，但是在干旱年份只能依靠在水碧桥架设临时泵站补充水量。为了提高固城湖水资源调控能力，有效保障枯水期和干旱年份生产、生活和生态用水需求，建议尽早论证在水碧桥建设固定泵站的可行性。

3.2 水质变化受水文情势影响分析

从空间上看，固城湖迎湖桃源水质较差，水产养殖是固城湖TP 负荷的主要污染源；迎湖桃源点位靠近永联圩养殖池塘排污口，是该区域TP 含量高于其他湖区的主要原因[11,15]。小湖区位于官溪河入湖口区域，受高淳城区生活污水、工业污水、污染处理厂尾水等影响较大，加之小湖区相对较为封闭，水动力条件不利于污染物降解，造成小湖区水体水质相对较差[15]。从时间上看，近年来固城湖水体氮、磷含量降低的同时，水体Chl a 浓度和TLI 总体呈升高趋势，Chl a 浓度和水体TN、TP 浓度相关关系并不显著，说明有除营养盐外的因素增加固城湖水体浮游植物生产力，闸坝控制下湖泊水力交换速率降低可能是重要因素。

入湖水量对固城湖水体透明度的影响较大，主要是由于入湖河流携带泥沙和污染物进入湖区，水流混合扰动湖泊水体，促使底泥再悬浮，降低水体透明度[16]。受到高淳城区生活污水、工业污水、污染处理厂尾水等排放的影响，固城湖入湖河道漆桥河、石固河、官溪河等河道水质较差，随着入湖水量的增加，湖区TP 含量升高，加剧了水体富营养化风险[15]。固城湖富营养化TLI 与TP 含量呈现极显著的正相关性（p≤0.001），改善入湖河流水质对降低湖区TP 负荷和减缓固城湖富营养化状态有重要意义[17]。

本研究固城湖水质数据为每月上旬采集样品检测分析结果，难以“捕捉”得到汛期特别是洪水过程中入湖河流水质变化。有研究表明，汛期洪水过程地表水磷素含量明显高于非汛期，汛期洪水过程是流域磷素污染负荷汇入湖泊主要驱动因子[18-19]。2016 年和2020 年，固城湖流域出现大洪水过程，入湖河流携带上游流域洪水过程冲刷的泥沙和污染物进入湖区，逐渐在湖床表面沉积，形成湖泊内源污染，洪水过后沉积物携带的磷素逐渐释放进入上覆水体，促进固城湖水体藻类生长，提高了水体Chl a 含量。因此，湖泊每月1 次水体总磷含量监测频次并不能完全反应湖泊水体磷素负荷实际变化特征，这也是本研究中湖泊水体总磷含量和Chl a 含量变化并不完全一致的重要原因。建议适当增加湖泊入湖河流汛期水质监测频次，计算入湖总磷污染负荷时应充分考虑汛期洪水过程中污染负荷输入。

4 结 语

（1）固城湖2014—2020 年水体TN 和TP 质量体积分数多年平均值分别为0.9 和0.04 mg/L，NH3-N 和CODMn总体低于Ⅲ类标准值，Chl a 质量体积分数约为0.01 mg/L，营养状态有中营养向富营养状态过渡趋势。水体氮磷营养盐和CODMn总体呈下降趋势，Chl a 和TLI 总体呈上升趋势。固城湖入湖水量和透明度呈极显著负相关关系，和TP、Chl a、TLI 呈显著正相关关系；月平均水位和CODMn、NH3-N、TP 呈显著正相关关系。

（2）固城湖水文情势已基本实现人工可控，防洪安全得到保障，水资源保障和水生态环境保护是固城湖当前面临的主要问题。近年来在遇到枯水期及特枯干旱年份时，需要在水碧桥临时架设水泵给固城湖补水，不利于常态化水资源保障，建议尽快开展水碧桥泵站建设论证，增强湖泊水资源保障能力。

（3）固城湖水体氮磷含量和高锰酸盐指数在近年来有所改善，但是Chl a 浓度、营养指数和藻类密度呈上升趋势。建议加强流域面源污染控制，提升入湖河流水体水质；适当加密汛期洪水过程水质监测频次，合理估算汛期洪水过程中污染负荷输入贡献。