朱昕陽,蔣彩萍,馬曉雁,周柯錦 ,賈 佳,全炳遷,江 藍,許娟娟,王 鵬

(1：浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，杭州 310023) (2：浙江省環(huán)境監(jiān)測中心，杭州 310012) (3：浙江省環(huán)境工程技術(shù)評估中心，杭州 310000)

太湖是我國三大淡水湖之一，是流域內(nèi)大中城市的重要水源地. 太湖流域浙江片區(qū)(30°08′～31°11′N，119°14′～121°16′E)西倚天目山脈與安徽省相鄰，南臨錢塘江杭州灣，北濱太湖和江蘇省接壤，東與上海相連，地跨杭州、嘉興和湖州3市，涉及13個縣級行政區(qū)，流域面積12249 km2，約占太湖流域面積的1/3. 包含山區(qū)性河流、平原河網(wǎng)兩種典型水系，水文狀況復(fù)雜，并且受潮汐影響，往復(fù)流特征明顯. 隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的迅速發(fā)展，受工業(yè)和城市廢水以及農(nóng)田地表徑流等人為因素的影響，太湖流域污染問題引起了廣泛的關(guān)注[1-5]，水環(huán)境污染問題已嚴重影響太湖流域社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的和諧和可持續(xù)發(fā)展. 太湖流域浙江片區(qū)作為太湖流域其中重要的一部分，其由污染造成的水質(zhì)性缺水問題依然十分嚴重. 2014年起浙江省大力開展“五水共治”行動，其中“治污水”依舊是五項治水工作中的重點. 本文所研究的水文水質(zhì)數(shù)據(jù)年份為2013年，為“治污水”成果提供了有效的參考. 自2014年治水工作開展以來，浙江省水環(huán)境安全趨于好轉(zhuǎn)，安全指數(shù)呈上升趨勢，2014年和2015年較2013年分別提高了7.38%和16.85%，水環(huán)境安全從預(yù)警狀態(tài)轉(zhuǎn)為較安全狀態(tài)[6]，水環(huán)境質(zhì)量的明顯改善反映了治水工作的成效. 入湖河流是湖泊污染物的主要來源[7-8]，陸源污染物隨河流輸送到湖體會導(dǎo)致湖體富營養(yǎng)化、生態(tài)系統(tǒng)受損等一系列環(huán)境問題的發(fā)生[9-11]，因此研究主要入湖河流的水質(zhì)變化規(guī)律、污染物入湖通量及其主要影響因子對湖體污染治理工作具有重要意義[12-14].

太湖流域浙江片區(qū)出入境河道主要分為研究區(qū)域西部的安徽入境河道、北部的環(huán)太湖河道及與江蘇省交接河道、東部與上海市交接河道以及南部的錢塘江. 本文借鑒湖泊污染物通量分析方法，根據(jù)研究區(qū)域主要河道2013年的水文巡測以及水質(zhì)監(jiān)測資料，分析了太湖流域浙江片區(qū)出入境水量和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)4種污染物的出入境通量及其時空分布，以期為太湖流域浙江片區(qū)水環(huán)境治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 太湖流域浙江片區(qū)出入境斷面水文水質(zhì)監(jiān)測及計算方法

1.1 水文巡測及水質(zhì)監(jiān)測點位選擇

根據(jù)年度地表水出入境河道水文巡測資料和浙江省水資源公報等，按照空間分布在研究區(qū)域北部、東部和南部邊界線分別設(shè)置水文巡測線，分別為入湖線、北排線、東排線和錢塘江線；西部邊界上，主要為流域分水線，僅考慮與安徽省交接的河道——東村港，斷面為東村橋，除此以外沒有其他出入境河流(圖1). 在水文巡測線上選取水文巡測斷面，類型分為基點站斷面以及巡測站斷面，基點站和巡測站斷面流量均為逐日流量(由實時流量計算后得到的日平均流量). 其中河流巡測斷面的水文數(shù)據(jù)是由原始水文資料經(jīng)相關(guān)部門整編后的.

為估算斷面通量，水質(zhì)監(jiān)測斷面理論上應(yīng)該與水文監(jiān)測斷面保持一致[15]. 由于本文的水文和水質(zhì)資料分別來自水文部門和生態(tài)環(huán)境部門，在水文巡測斷面所在河道上選取水質(zhì)監(jiān)測斷面，空間位置盡量接近，選取了32個，具體位置分布如圖1所示. 各巡測線上的水文巡測斷面以及與之對應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測斷面詳情見表1.

圖1 太湖流域浙江片區(qū)地表水出入境水文巡測及水質(zhì)監(jiān)測斷面Fig.1 Hydrological survey and water quality monitoring sections of entry-exit surface water in Zhejiang area of Taihu Basin

1.2 首要污染物計算方法

采用單因子指數(shù)法對出入境斷面水質(zhì)進行評估，單因子污染指數(shù)(Pi)表示污染物實測濃度與水質(zhì)標準的比值，可通過式(1)計算[16-17]：

(1)

式中，i為污染因子；Ci為污染因子i的實測濃度；Si為污染因子i的評價標準值，采用國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中的Ⅲ類水質(zhì)標準.

1.3 污染物通量估算方法

與環(huán)太湖河道類似，太湖流域浙江片區(qū)出入境河道流向順、逆不定，故污染物通量估算方法根據(jù)參考文獻[18-19]中報道的方法，結(jié)合5種通量估算方法[20]優(yōu)化計算公式. 根據(jù)出入境斷面水量和水質(zhì)計算，由于水質(zhì)的監(jiān)測頻次為每月1次，故水量按月統(tǒng)計出入境水量. 月通量計算公式為：

(2)

(3)

Wi凈出境=Wi出境-Wi入境

(4)

式中，Wi入境和Wi出境分別是第i種污染物的月入境通量和月出境通量，Wi凈出境是第i種污染物的月凈出境通量(t/月)；Ci是第i種污染物的月平均濃度(mg/L)；Qj入境和Qj出境分別是流量為入境和出境天數(shù)中第j天的日平均流量(m3/s)；n是某個月內(nèi)日平均流量為入境或出境的天數(shù)；K是單位換算系數(shù)，K=0.0864.

整個研究區(qū)域巡測斷面劃分為4條巡測線和安徽入境斷面，逐月統(tǒng)計每條巡測線的出入境水量以及巡測線上水質(zhì)監(jiān)測斷面的污染物平均濃度，計算每條巡測線的月出入境污染物通量，將4條巡測線的月出入境污染物通量和從安徽入境的污染物通量相加得到太湖流域浙江片區(qū)的月出入境污染物通量，再將12個月的通量相加，得到太湖流域浙江片區(qū)全年的出入境污染物通量.

2 出入境水量變化分析

2013年太湖流域浙江片區(qū)出入境水量見表2，由于安徽入境斷面的日流量數(shù)據(jù)缺失，無法逐月統(tǒng)計入境水量，故引用2013年浙江省水資源公報的年度水文數(shù)據(jù)，年入境水量為0.64×108m3. 因此2013年太湖流域浙江片區(qū)入境水量為79.20×108m3，出境水量為145.23×108m3，凈出境水量為66.03×108m3. 2013年出入境水量的年內(nèi)變化和空間分布情況如圖2所示.

從出入境水量的時間分布來看，2013年各月入境水量相差不大，各月入境水量占全年入境水量比例范圍為6.1%～10.6%. 出境水量除了6月和10月占全年出境水量較大一些，分別為12.1%、19.5%，其他月份均比較接近，占比在4.2%～8.7%之間，且全年各月(除了8月)出境水量均大于入境水量(圖2a).

由圖2b可見，從空間分布來看，太湖流域浙江片區(qū)北部的入湖線和北排線以入境為主，其中入湖線入境水量占全年入境水量的46.1%；北排線入境水量占全年入境水量的37.6%. 其次，錢塘江線入境水量占全年入境水量的14.7%，東排線和安徽入境斷面全年入境水量相比之下顯得很小，占研究區(qū)域全年入境水量的比例均為0.8%. 而入湖線的入境水量較大主要受“引江濟太”工程抬高太湖水位[21]以及年內(nèi)流域降雨量相對偏少的影響. 從太湖流域而言，2013年流域年降水量比常年減少7.4%，年降水頻率約為66%，但暴雨中心位于浙西山丘區(qū)，對杭嘉湖平原地區(qū)年均水位的提升并不明顯，因此環(huán)湖河道太湖倒灌水量的增加是導(dǎo)致入湖線入境水量增大的重要原因. 地表水出境斷面主要是研究區(qū)域東部的東排線，占全年出境水量的45.4%. 其次是北排線，占全年出境水量的30.6%. 入湖線和錢塘江線出境水量分別占全年出境水量的14.4%和9.6%. 總體來說，太湖流域浙江片區(qū)出入境水量以出境為主，凈出境水量占入境水量的比例達83.4%. 由于研究區(qū)域位于杭嘉湖地區(qū)，在降雨過程中河道水位的變化[22]，對出入境河道水流的流向有一定的影響.

表1 太湖流域浙江片區(qū)水文巡測及水質(zhì)監(jiān)測斷面一覽表

1)西部邊界上主要為流域分水線，除東村橋斷面所在河流以外沒有其他出入境河流.

表2 2013年太湖流域浙江片區(qū)按月統(tǒng)計出入境水量結(jié)果(×108 m3)

圖2 2013年太湖流域浙江片區(qū)出入境水量的時空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of inbound and outbound water volume in Zhejiang area of Taihu Basin in 2013

3 出入境斷面水質(zhì)狀況分析

2013年太湖流域浙江片區(qū)4條巡測線和安徽入境斷面各月的CODMn、NH3-N、TN和TP的月平均濃度如圖3所示.

由圖3可見，從CODMn的濃度變化來看，東排線大多數(shù)月份的濃度高于Ⅲ類標準. 入湖線、北排線和錢塘江線的濃度變化不大，且普遍低于Ⅲ類標準. 安徽入境斷面的CODMn濃度變化較大，變化范圍為1.60～4.96 mg/L. 從NH3-N的濃度變化來看，東排線和錢塘江線大多數(shù)月份的濃度明顯高于1.0 mg/L，超過Ⅲ類標準，并且有部分月份的濃度已經(jīng)超過2.0 mg/L，為劣Ⅴ類標準. 北排線的NH3-N濃度在Ⅲ類標準上下波動，入湖線和安徽入境斷面各月的NH3-N濃度均低于Ⅲ類標準. 從TN的濃度變化來看，各出入境斷面的濃度普遍高于Ⅲ類標準. 從TP的濃度變化來看，東排線和錢塘江線各月的濃度均高于Ⅲ類標準，北排線的濃度在Ⅲ類標準上下波動，入湖線和安徽入境斷面各月的濃度均低于Ⅲ類標準.

圖3 2013年太湖流域浙江片區(qū)出入境斷面污染物月平均濃度變化情況Fig.3 Changes of monthly average concentration of pollutants in entry-exit sections in Zhejiang area of Taihu Basin in 2013

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測斷面污染物的月平均濃度，計算出4條巡測線和安徽入境斷面污染物的年平均濃度，并依據(jù)我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)進行水質(zhì)評價，評價結(jié)果見表3. 入湖線、北排線以及安徽入境斷面主要污染物指標平均濃度除TN處于Ⅴ～劣Ⅴ類水平外，CODMn、NH3-N和TP平均濃度均達到Ⅱ～Ⅲ類標準，東排線4種污染物指標平均濃度均處于Ⅳ～劣Ⅴ類水平，錢塘江線的CODMn平均濃度達到Ⅲ類標準，NH3-N、TN和TP的平均濃度為Ⅳ～劣Ⅴ類. 結(jié)果表明，4條巡測線和安徽入境斷面的首要污染物均為TN，其平均濃度在各出入境斷面均處于Ⅴ～劣Ⅴ類水平. 因此，出入境河道TN污染的控制和治理對太湖流域浙江片區(qū)來說尤為重要. 總體來說，研究區(qū)域東部東排線以及南部錢塘江線的水質(zhì)要劣于北部入湖線、北排線和西部的安徽入境斷面，入湖線、北排線以及安徽入境斷面的水質(zhì)整體上差別不大.

表3 2013年太湖流域浙江片區(qū)出入境斷面水質(zhì)評價結(jié)果

4 出入境污染物通量變化分析

4.1 出入境污染物年總通量

根據(jù)2013年浙江省太湖流域浙江片區(qū)出入境斷面的水量及水質(zhì)數(shù)據(jù)，計算污染物逐月通過各河道出入境的通量，得到年總通量(表4).

計算結(jié)果表明，2013年浙江省太湖流域浙江片區(qū)出入境污染物通量表現(xiàn)為凈出境，其中CODMn、NH3-N、TN和TP的凈出境通量分別為44098.36、14996.69、35593.71和2396.00 t/a(表4). 考慮到太湖流域浙江片區(qū)的流域面積為12249 km2，將污染物出入境通量換算為單位面積負荷，CODMn、NH3-N、TN和TP的入境單位面積負荷分別為3081.84、515.25、1760.55和105.50 kg/(km2·a)，凈出境單位面積負荷分別為3600.16、1224.32、2905.85和195.61 kg/(km2·a). 根據(jù)王江飛等[23]的相關(guān)研究成果，將2013年TN、TP的大氣沉降和農(nóng)業(yè)面源入河量之和換算成單位面積負荷分別為1737.85、114.00 kg/(km2·a)，與本文計算的出入境單位面積污染負荷對比來看，分別占入境的98.7%、108.1%和凈出境的59.8%、58.3%. 這說明出入境污染物通量應(yīng)該作為太湖流域浙江片區(qū)污染負荷的一部分，在污染統(tǒng)計分析時將其納入計算，可為污染負荷控制削減和上下游生態(tài)補償?shù)拳h(huán)境管理提供支撐.

表4 2013年太湖流域浙江片區(qū)出入境污染物年總通量

4.2 出入境污染物通量的空間分布

4條巡測線出入境和安徽入境的污染物通量占研究區(qū)域全年出入境污染物通量的比例見表5. 各出入境斷面污染物通量基本保持與出入境水量一致的比例，4種污染物通過入湖線、北排線、東排線、錢塘江線以及安徽入境斷面流入太湖流域浙江片區(qū)的通量比例分別介于16.9%～43.0%、42.3%～47.0%、1.1%～1.5%、12.8%～34.3%和0.2%～0.6%之間，流出太湖流域浙江片區(qū)的通量比例分別介于3.9%～11.7%、21.1%～29.0%、52.3%～65.5%和7.0%～9.5%之間. 由此可以看出，入湖線和北排線是污染物的主要入境斷面，尤其是北排線入境污染物通量的比例明顯高于其入境水量的比例. 因此，太湖流域浙江片區(qū)入境污染物通量的主要控制斷面是入湖線和北排線. 東排線是污染物的主要出境斷面，4種污染物的出境通量比例均超過50%，其中NH3-N的出境通量比例高達65.5%，東排線交接斷面水質(zhì)達標的要求需要引起重視.

表5 2013年太湖流域浙江片區(qū)各出入境斷面的污染物通量貢獻率(%)

4.3 出入境污染物通量年內(nèi)變化

根據(jù)2013年逐月出入境污染物通量和出入境污染物年總通量，計算得到出入境污染物通量年內(nèi)分布情況(圖4).

圖4 2013年太湖流域浙江片區(qū)出入境污染物通量年內(nèi)分布情況Fig.4 Distribution of entry-exit pollutant fluxes in Zhejiang area of Taihu Basin in 2013

由圖4可見，從污染物入境通量變化來看，4種污染物入境通量年內(nèi)變化大體上比較吻合，大多數(shù)污染物的逐月入境通量占全年入境通量的比例在7月和10月較高一些，在8月和9月較低一些，其他月份的比例盡管上下波動，但是整體上相差不大. 從污染物出境通量變化來看，各污染物的逐月出境通量占全年出境通量的比例變化趨勢非常相似，除了NH3-N的比例在1月最高以外，其他3種污染物出境通量都在10月的比例最高，其次是1月、3月和6月的比例較高一些，而8月和9月的比例相對來說要低一些. 這可能是由于比例較高的月份正值梅雨期或臺汛期，期間降雨量增大，出入境水量相比其他月份較大，影響到出入境污染物通量的變化，因此本文深入分析了水質(zhì)、水量和污染物通量三者之間的相關(guān)性，通過相關(guān)性分析去了解水質(zhì)和水量對污染物通量估算的影響程度.

4.4 水質(zhì)水量相關(guān)性分析

2013年太湖流域浙江片區(qū)4條巡測線上各污染物逐月的平均濃度與凈出境水量的相關(guān)關(guān)系如圖5所示.

圖5 2013年太湖流域浙江片區(qū)水質(zhì)與水量的相關(guān)關(guān)系Fig.5 The correlation between water quality and quantity in Zhejiang area of Taihu Basin in 2013

由圖5可見，入湖線TN的濃度與水量呈極顯著正相關(guān)(r=0.5651，P<0.01)，說明TN污染來源可能以非點源為主，其產(chǎn)生量與徑流量的大小呈正比，年內(nèi)徑流量的變化會改變斷面的污染物通量，而污染物濃度則會出現(xiàn)增加、減少、不變的多種可能性，濃度多與流量呈正相關(guān). CODMn的濃度與水量基本不相關(guān)，相關(guān)系數(shù)很小(r=0.1155)，NH3-N和TP的濃度與水量無顯著相關(guān)性(P>0.05)，說明三者的污染可能受點源、非點源共同影響，年內(nèi)徑流量的變化會改變斷面的污染物通量，也會改變污染物濃度，濃度與流量較為復(fù)雜，可能呈正相關(guān)、負相關(guān)、無關(guān)的情況. 北排線TN和TP的濃度與水量呈極顯著正相關(guān)，CODMn的濃度與水量不相關(guān)，NH3-N的濃度與水量無顯著相關(guān)性. 東排線NH3-N的濃度與水量呈極顯著正相關(guān)，TP的濃度與水量不相關(guān)，CODMn和TN的濃度與水量無顯著相關(guān)性. 錢塘江線NH3-N的濃度與水量呈顯著負相關(guān)(r=-0.5486，P<0.05)，其污染來源可能以點源為主，年內(nèi)徑流量的變化不會對斷面的污染物通量有太大的影響，只會改變污染物濃度，濃度多與流量呈負相關(guān). CODMn和TN的濃度與水量不相關(guān)，TP的濃度與水量無顯著相關(guān)性.

由以上分析可知，4條巡測線上各污染物濃度與水量的相關(guān)性在一定程度上能反映其污染來源類型的情況，為不同控制線上各污染物的針對性治理提供一定的參考. 但是也存在局限性，根據(jù)富國[20]對污染物濃度和徑流量變化呈正相關(guān)、負相關(guān)和無關(guān)3種關(guān)系極端情況的闡述，比如通過濃度和水量呈負相關(guān)的關(guān)系去判斷某污染物來源為點源時，需要假定斷面上游流域內(nèi)點源排放的該污染物質(zhì)的數(shù)量年內(nèi)為恒定值，且無非點源來源. 通過濃度和水量呈正相關(guān)的關(guān)系去判斷某污染物為非點源時，需要假定斷面上游流域內(nèi)點源排放的該污染物質(zhì)為零. 大部分污染物很難存在這種極端的情況，所以污染物的來源一般既有點源，又有非點源，只是占比不同而已. 因此，要估算時段通量，在時段通量的估算方法上對點源、非點源的處理有一個主觀或經(jīng)驗的判斷. 這也成為污染物通量估算當中不可忽略的一個影響因素.

圖6 2013年太湖流域浙江片區(qū)各污染物凈出境通量與濃度的相關(guān)關(guān)系Fig.6 The correlation between net outbound flux and concentration of pollutants in Zhejiang area of Taihu Basin in 2013

4.5 污染物通量與水質(zhì)、水量的相關(guān)性分析

污染物通量估算的誤差主要來源于水質(zhì)、水量、采樣點的代表性、水質(zhì)分析方法和監(jiān)測頻率等因素[24]，而水質(zhì)和水量是影響污染物通量的2個主要因素，通過相關(guān)性分析可以了解其對污染物通量的影響，進而找出污染物通量的關(guān)鍵影響因子.

2013年太湖流域浙江片區(qū)4條巡測線上各污染物逐月凈出境通量與出入境斷面水質(zhì)的相關(guān)性分析如圖6所示. 4條巡測線的污染物凈出境通量與NH3-N、TN和TP濃度的相關(guān)性一般，相關(guān)系數(shù)的絕對值在0.2959～0.8655之間，與CODMn的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)的絕對值在0.0812～0.3019之間.

2013年太湖流域浙江片區(qū)4條巡測線上各污染物逐月的凈出境通量與凈出境水量的相關(guān)系數(shù)分析如圖7所示. 各污染物凈出境通量與凈出境水量之間的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)在0.6844～0.9997之間.

圖7 2013年太湖流域浙江片區(qū)各污染物凈出境通量與水量的相關(guān)關(guān)系Fig.7 The correlation between net outbound flux of pollutants and water volume in Zhejiang area of Taihu Basin in 2013

通過水質(zhì)、凈出境水量與污染物凈出境通量的相關(guān)性分析可以看出，凈出境水量是影響污染物凈出境通量的關(guān)鍵因子，而出入境斷面水質(zhì)則是凈出境通量的主要影響因子，這與李衛(wèi)平等[25]的研究結(jié)果一致.

水量的變化是人為無法控制的，水質(zhì)受點源和面源污染共同影響. 點源污染主要是工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水未經(jīng)處理或處理未達標排放到河道導(dǎo)致的水體污染，面源污染主要是降雨沖刷地面形成的地表徑流將各類污染物挾帶入河道引起的水體污染，因此源頭控制農(nóng)業(yè)面源污染、將工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水處理達標后排放是減輕太湖流域浙江片區(qū)水體污染的關(guān)鍵之舉.

5 結(jié)論

1) 2013年太湖流域浙江片區(qū)出入境水量以出境為主. 全年各月出入境水量變化不大，其中入湖線和北排線以入境為主，東排線以出境為主. 杭嘉湖地區(qū)降雨過程對出入境河道水流的流向有一定的影響.

2) 太湖流域浙江片區(qū)出入境斷面的首要污染物是TN，其平均濃度在各出入境斷面均處于Ⅴ～劣Ⅴ類水平，CODMn、NH3-N和TP的平均濃度總體上達到Ⅱ～Ⅲ類標準. 出入境河道TN污染的控制和治理對太湖流域浙江片區(qū)來說尤為重要.

3) CODMn、NH3-N、TN和TP的出入境通量均以出境為主，入湖線和北排線是污染物的主要入境斷面，東排線是污染物的主要出境斷面. 因此東排線交接斷面水質(zhì)達標的要求需要引起重視，在出入境通量較高的月份需要關(guān)注各出入境斷面的水質(zhì)變化情況.

4) 凈出境水量是影響污染物凈出境通量的關(guān)鍵因子，出入境斷面水質(zhì)是凈出境通量的主要影響因子. 太湖流域浙江片區(qū)水質(zhì)受點源和面源污染共同影響，源頭控制農(nóng)業(yè)面源污染、將工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水處理達標后排放是減輕水體污染的關(guān)鍵之舉.