呂 文，楊 惠，楊金艷，馬 倩，高曉平，蔣如東，王曉杰，徐 勇， 聶 青

(1：江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，蘇州 215011)(2：江蘇省水文水資源勘測局，南京 210029)(3：江蘇省水文水資源勘測局無錫分局，無錫 214031)(4：江蘇省水文水資源勘測局常州分局，常州 213022)

太湖是太湖流域的重要淡水資源，也是蘇州、無錫等地重要飲用水源地，其水環(huán)境狀況直接關系居民的飲用水安全. 作為大型淺水湖泊，環(huán)湖河道數量眾多[1]，河道為湖區(qū)污染物輸入來源[2-4]. 環(huán)太湖228條出入湖河道中，江蘇省入湖河流占比74.6%；多年平均入湖水量為108.8億m3，江蘇省入湖水量占比76.0%[5]. 因此環(huán)太湖江蘇段入湖河道污染物輸入情況對太湖水環(huán)境尤為重要.

入湖河道污染物通量是單位時間內通過入湖河道某一過水斷面的污染物質量[5]. 不管是針對內陸水庫、湖泊、海灣等水體，還是流域、省市邊界等區(qū)域，估算河道污染物通量，都可以為區(qū)域污染物總量控制、水環(huán)境保護提供技術支撐[6]. 目前太湖地區(qū)，已有學者闡明污染物出入湖輸移速率[7]，計算環(huán)太湖總氮、總磷等污染物的入出湖污染物通量[3-4,8-14]，分析太湖入湖河道水質與湖體水質的響應關系[15-16]，但缺少近10年時間序列的污染物通量變化以及污染物通量與湖體水質的關系方面的分析. 本文主要基于太湖水質及入湖污染物通量的時空變化特征，從不同時空尺度來探討入湖河道污染物通量與湖區(qū)水質的響應關系，并分析入湖污染物進入湖體后影響水質的主要因子，一方面可以檢驗太湖污染減排成效，另一方面可以找出影響太湖水質的主控因子，為其水環(huán)境改善提供技術依據和決策支撐.

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測站點布設

1.1.1 水量站點 根據環(huán)太湖水系特點建立巡測工作方案，將沿湖巡測分成若干段. 江蘇境內共布設8段11站111個口門，其中無錫3 段7站共46個進出水口門，蘇州5 段2 站共63 個進出水口門，常州2 個單站，江蘇段共設單站、基點站19個(圖1，表1).

1.1.2 水質站點 環(huán)太湖河道水質斷面的設置考慮水質水量須同步實施監(jiān)測的因素，水質監(jiān)測站點布設盡量與水量巡測斷面一致，同時考慮目前部分沿湖小閘段一直處于關閉狀態(tài)，基本不存在與太湖進行水量交換的情況，本文分析中水質站意義不大. 因此，環(huán)太湖江蘇段出入湖河流設置水質站點84處，其中蘇州53處，無錫27處，常州4處. 太湖湖體水質斷面共設置25個，根據太湖分區(qū)[1]，湖西區(qū)1個、竺山湖1個、梅梁湖4個、貢湖5個、東部沿岸區(qū)7個、東太湖3個和湖心區(qū)4個(圖1).

1.2 監(jiān)測項目

1.2.1 水量監(jiān)測 水量監(jiān)測項目為水位、流量、流向. 基點站和單站每日定時流量測驗. 各巡測段流量測定頻次為2008、2009年汛期2次/月，非汛期1次/月. 自2010年開始每月上、下旬各1次. 計算污染物通量的水量數據采用整編后的資料.

1.2.2 水質監(jiān)測 參與河道污染物通量計算的水質監(jiān)測項目為氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數、化學需氧量濃度，湖區(qū)加測葉綠素a濃度. 水質化驗方法均采用國家標準分析方法：氨氮濃度測定采用納氏試劑分光光度法(HJ 535-2009)，總氮濃度測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ636-2012)，總磷濃度測定采用鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893-1989)，高錳酸鹽指數測定采用酸性高錳酸鉀法(GB/T 11892-1989)，化學需氧量測定采用小型密封管法(ISO 15705-2002)，葉綠素a濃度測定采用分光光度法(SL 88-2012). 水質監(jiān)測頻次為2008、2009年1次/月，自2010年開始每月上、下旬各1次.

1.3 污染物通量計算方法

污染物通量采用時段平均濃度Ci與時段水量K·Qi之積進行估算 ：

(1)

式中，W為估算時間段的污染物通量，n為估算時間段內的采樣次數，K為時段轉化系數，Qi為瞬時流量，Ci為樣品i的濃度.

圖1 環(huán)太湖江蘇段水量巡測、水質監(jiān)測及太湖水質監(jiān)測站點布設Fig.1 Distribution of the monitoring sites of water quality in Lake Taihu, water quality and quantity of rivers surrounding Lake Taihu in Jiangsu Province

1.4 數據處理方法

1)運用ArcGIS 10.1軟件進行反距離空間插值，獲得湖區(qū)水質的空間變化特征，用不同顏色分級表示入湖河道污染物通量大小.

2)基于SPSS 16.0軟件標準化處理河道入湖污染物通量和湖區(qū)水質，并進行相關性分析；共線性診斷排除因子共線性，進行多元逐步回歸分析.

2 結果與分析

2.1 入湖污染物通量與湖區(qū)水質的時空變化響應

環(huán)太湖江蘇段河道入湖水量、水質及污染通量與太湖水質的年際變化如圖2、3所示. 本文進行空間變異分析時，選取起始年2008年和終止年2018年，并且依據江蘇省太湖流域1956-2016年年降水量頻率分析結果，特枯年P=95%保證率降水量為867.5 mm；特豐年P=5%保證率降水量為1516.5 mm，2013年和2016年分別與特枯年和特豐年降水量最為接近，再選取2013年和2016年，污染物通量及太湖水質空間變化如圖4所示.

太湖湖體氨氮和總氮濃度自2008年來呈現逐漸降低的變化趨勢，年均減少率分別為2.1%和2.3%；氨氮和總氮入湖通量也呈下降趨勢，年均減少率分別為8.0%和2.0%(圖2，圖3). 空間格局上，竺山湖區(qū)為高值區(qū)域，氨氮和總氮濃度分別高于0.5和3.68 mg/L；竺山湖區(qū)對應河道氨氮和總氮入湖通量最大，年均值分別為0.60×104和1.26×104t，而貢湖、東部沿岸區(qū)和東太湖對應河道以出湖為主，入湖污染物通量最低(圖4). 湖區(qū)氨氮、總氮濃度和氨氮、總氮入湖污染物通量整體均呈下降趨勢，空間響應特征基本一致.

表1 環(huán)太湖江蘇段巡測段、站情況*

太湖湖體總磷濃度自2008年來整體呈上升趨勢，年均增長率為1.0%；總磷入湖污染物通量在2016年出現峰值，為0.24×104t，高于其他年份均值(27.2%)，2011-2013年總磷污染物通量由0.20×104t 下降至0.15×104t，此時湖體總磷濃度卻上升至峰值，年際變化趨勢上存在部分年份呈現反向變化特點(圖2，圖3). 空間格局上，竺山湖區(qū)和湖西區(qū)為高值區(qū)；竺山湖區(qū)和湖西區(qū)對應河道總磷入湖污染物通量年均值分別為0.10×104和0.07×104t，相比其他湖區(qū)高，而貢湖、東部沿岸區(qū)和東太湖對應河道以出湖為主，總磷入湖污染物通量最低(圖4). 湖體總磷濃度與入湖總磷污染物通量空間格局基本一致.

湖區(qū)高錳酸鹽指數年均值范圍為4.2～4.9 mg/L，年際變化幅度較小，化學需氧量起伏變化；高錳酸鹽指數和化學需氧量入湖污染物通量整體呈下降趨勢，年均減少率分別為1.6%和2.2%(圖2，圖3). 空間格局上，高錳酸鹽指數和化學需氧量高值區(qū)主要為竺山湖區(qū)和湖西區(qū)，高值區(qū)高錳酸鹽指數和化學需氧量多年均值分別為5.5和23.6 mg/L；竺山湖和湖西區(qū)對應河道高錳酸鹽指數入湖污染物通量多年平均值分別為1.70×104和2.61×104t，化學需氧量分別為7.8×104和11.8×104t，相比其他湖區(qū)高，貢湖、東部沿岸區(qū)和東太湖高錳酸鹽指數對應河道以出湖為主，高錳酸鹽指數入湖污染物通量最低(圖4). 高錳酸鹽指數和化學需氧量入湖污染物通量空間格局與湖區(qū)水質變化趨勢基本一致. 另外，湖體高錳酸鹽指數高值區(qū)域范圍會有所變化，梅梁湖區(qū)由2013年高值區(qū)域(濃度為5.6 mg/L)逐漸轉為低值區(qū)域(濃度為4.1 mg/L)；竺山湖區(qū)高錳酸鹽指數近年也逐漸減小，由Ⅳ類(6.4 mg/L)轉為Ⅲ類(5.1 mg/L)；湖西區(qū)高錳酸鹽指數高值區(qū)域范圍增加(圖4). 湖區(qū)高錳酸鹽指數時空變化格局與葉綠素a濃度變化基本一致(圖4)，可能與太湖藍藻狀況有關，浮游植物在光合作用下產生大量有機物，導致葉綠素a濃度與高錳酸鹽指數值之間有良好的線性關系[17].

圖2 太湖入湖河道水量、水質和污染物通量的年際變化Fig.2 Annual variations of water quality and quantity and pollutant fluxes in rivers flowing into Lake Taihu

圖3 太湖水質的年際變化Fig.3 Annual variations of water quality in Lake Taihu

2.2 入湖污染物通量與湖區(qū)水質的相關關系

將河道入湖污染物通量和湖區(qū)水質進行標準化處理，再基于SPSS 16.0軟件進行相關性分析，結果見圖5. 年尺度上，太湖湖區(qū)總氮濃度與總氮入湖河道污染物通量呈顯著正相關(P<0.05)，氨氮濃度與氨氮入湖河道污染物通量呈極顯著正相關(P<0.01)，總磷濃度、高錳酸鹽指數、化學需氧量等因子無顯著相關關系.

該結果表明，河道氨氮、總氮的外源輸入為湖體氮營養(yǎng)鹽的主要來源，朱廣偉[16]、吳雅麗等[18]的研究表明氮是太湖主要的入湖污染物，而且河道的氨氮和總氮濃度與湖區(qū)的比值分別為4.5和2.5，河道與湖區(qū)濃度差異較大，因此，削減入湖河道氮污染物通量對控制太湖氮素具有重要意義. 從全湖年尺度來看，總磷濃度與總磷入湖污染物通量的相關關系不顯著，可能與湖區(qū)底泥釋放的磷對湖區(qū)水質存在影響有關[19]，且藍藻水華的暴發(fā)會誘導底泥磷的大量釋放，而總氮卻能保持相對穩(wěn)定[20]. 另外河道總磷濃度與湖區(qū)總磷濃度比值為1.6，差異較氮素在河道、湖泊的比值小，可能影響湖區(qū)總磷濃度對河道總磷輸入的響應. 但朱廣偉[16]的研究認為河道磷為太湖的主要入湖污染物，逄勇等[21]估算太湖內源TP 釋放量僅相當于外源輸入量的15.6%，總磷入湖污染物通量與湖區(qū)總磷濃度空間格局也基本一致，總磷入湖污染物通量也需加以控制.

圖4 太湖水質和入湖污染物通量的時空變化Fig.4 Spatio-temporal distribution pattern of water quality in Lake Taihu and pollutant fluxes in rivers surrounding Lake Taihu in Jiangsu Province

圖5太湖水質與入湖污染物通量的相關關系Fig.5 The correlation between water quality in Lake Taihu and pollutant fluxes in rivers surrounding Lake Taihu in Jiangsu Province

高錳酸鹽指數和化學需氧量可以有效地反映水體有機污染的程度. 高錳酸鹽指數和化學需氧量入湖通量與湖體濃度相關性不顯著，可能是因為除河道外源輸入外，湖體高錳酸鹽指數還受湖體藍藻暴發(fā)產生的內源污染、水位、水溫等多種環(huán)境因子影響[12]，另外入湖河道高錳酸鹽指數和化學需氧量與湖區(qū)的比值分別為1.31和1.20，入湖河道水質與湖區(qū)水質的差異較小，即使高錳酸鹽指數和化學需氧量入湖污染物通量大，但由于多為水量大導致，并且入湖水量大帶來了稀釋效應，可能導致兩者響應關系較差.

2.3 入湖水量、水質與湖區(qū)水質的響應關系

入湖河道污染物進入湖體后，水量會存在濃度稀釋效應，但河道輸入的污染物質會增加湖體總污染負荷，污染物通量中水量、水質、通量與湖區(qū)水質的關系有待研究. 選取年尺度全湖區(qū)入湖河道水質濃度(TNR)、入湖水量(Q)、湖區(qū)水位(WL)、入湖水質濃度與原湖泊水質濃度差值(D)，基于SPSS 16.0軟件進行因子共線性診斷，排除因子共線性，建立多元逐步回歸方程，篩選因子，探討入湖污染物通量進入后影響湖區(qū)水質的主要因子.

結果表明，影響湖區(qū)總氮的主要因子為TNR，其次為入湖河道與原湖區(qū)水質差值(DTN)；影響湖區(qū)氨氮的主要因子為入湖河道的氨氮濃度(NH3-NR)，其次為入湖河道與原湖區(qū)水質差值(DNH3-N)；湖區(qū)總磷、高錳酸鹽指數和化學需氧量無顯著影響因子(表2). 總氮和氨氮相比湖區(qū)偏高的河道水體進入湖區(qū)，與總磷、高錳酸鹽指數和化學需氧量相比湖區(qū)濃度差異偏小的河道水體進入湖區(qū)，湖區(qū)水體各項水質參數響應存在差異.

表2 太湖湖區(qū)水質因子多元逐步回歸結果*

3 結論

1)時間格局上，太湖氨氮和總氮濃度自2008年呈下降趨勢，年均下降率分別為2.1%和2.3%. 氨氮、總氮、高錳酸鹽指數和化學需氧量入湖污染物通量整體呈下降趨勢，年均下降率分別為8.0%、2.0%、1.6%和2.2%. 太湖污染減排已見成效，湖體氨氮、總氮響應較好. 另外，受水量影響入湖污染物通量呈現2013年特枯年、2016年特豐年分別位于低值、高值的特征.

2)空間格局上，太湖氨氮濃度、總磷濃度、總氮濃度、高錳酸鹽指數和化學需氧量整體呈自西部、西北部湖區(qū)向東部、東南湖區(qū)逐漸降低的變化趨勢；西部、西北部湖區(qū)對應入湖河道污染物通量也明顯高于東部、東南部河道. 湖體水質與入湖污染物通量空間格局基本一致. 西部、西北部的入湖污染物通量大，增加了湖區(qū)污染物負荷，通過太湖水體的自凈，湖心、東部、東南部湖區(qū)污染物濃度降低.

3)相關性分析結果表明，年尺度上，湖區(qū)總氮、氨氮濃度與入湖總氮、氨氮污染物通量分別呈顯著正相關、極顯著正相關關系；多元逐步回歸結果表明，影響湖區(qū)總氮、氨氮的主要因子為入湖河道的總氮、氨氮濃度，其次為入湖河道與原湖區(qū)水質差值. 環(huán)太湖入湖河道水質濃度為影響太湖水質的主控因子，亟需加強入湖河道水質濃度的控制.

致謝：感謝江蘇省水文水資源勘測局周毅教高、常州分局王雪松局長和無錫分局沈順中局長的指導，江蘇省水文水資源勘測局劉俊杰教高、姚敏高工以及南京工業(yè)大學李躍同學在數據收集和制圖方面的幫助.