吳浩云,賈更華,徐 彬,邵嫣婷,趙曉晴

(1：水利部太湖流域管理局，上海 200434)(2：太湖流域水環(huán)境監(jiān)測中心，無錫 214131)

太湖治理歷史悠久，古代和近代的治理大多以避水害、興水利，改善航運(yùn)、灌溉等為主[1].新中國成立后至1987年，太湖治理以圍湖造地、農(nóng)田灌溉、圩區(qū)建設(shè)等為主，主要是對分散的、區(qū)域條塊分割的小范圍水域進(jìn)行治理[2-3].1987年國家計委批復(fù)《太湖流域綜合治理總體規(guī)劃方案》開始了以流域?yàn)閱卧木C合治理[4]，隨后30多年太湖流域人口、土地利用狀況、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局發(fā)生了巨大的變化[5-7].

湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的變化綜合反映經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展程度、治理與保護(hù)之間的相互關(guān)系，不同的發(fā)展階段其驅(qū)動因子各不相同[8-13].2007年太湖藍(lán)藻暴發(fā)等原因?qū)е聼o錫市供水水源污染[14]，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)亟偃f群眾的正常生活.黨中央、國務(wù)院對太湖治理工作高度重視，2008年啟動實(shí)施太湖流域水環(huán)境綜合治理[15]，經(jīng)過13年的太湖綜合治理和系統(tǒng)治理，太湖流域水環(huán)境狀況顯著改善，太湖以及入湖河道水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)[16-17].然而當(dāng)前太湖富營養(yǎng)化問題仍然突出，作為太湖富營養(yǎng)化的重要控制性指標(biāo)——總磷(TP)濃度仍長期在高位波動，成為制約太湖水環(huán)境進(jìn)一步改善的主要因素[18-20].為尋求科學(xué)精準(zhǔn)的治理方法路徑，需要對可能影響太湖TP濃度變化的主要驅(qū)動因子進(jìn)行系統(tǒng)分析，以找出能夠通過人工干預(yù)進(jìn)行治理的有效措施.為此，本文采用40多年(1980-2020年)太湖TP濃度監(jiān)測資料，分析其時空變化過程，并對驅(qū)動因子進(jìn)行分析討論，揭示經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、用水結(jié)構(gòu)變化和自然因素耦合作用下太湖TP濃度變化特征和響應(yīng)關(guān)系，為太湖流域水環(huán)境治理精準(zhǔn)施策提供技術(shù)支撐.

1 數(shù)據(jù)來源和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的數(shù)據(jù)主要為水利部太湖流域管理局(以下簡稱“太湖局”)組織開展的太湖水資源、水環(huán)境、水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù).

1.1.1 水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù) 太湖局于1997年起對太湖流域水環(huán)境開展系統(tǒng)的監(jiān)測，主要包括22條主要入太湖河道水質(zhì)、水量同步監(jiān)測，太湖水質(zhì)和藍(lán)藻監(jiān)測，太湖藍(lán)藻水華衛(wèi)星遙感監(jiān)測，太湖高等水生植物人工和衛(wèi)星遙感調(diào)查，太湖生物多樣性調(diào)查，太湖水源地水質(zhì)監(jiān)測等，20多年來共累積和形成了太湖及環(huán)太湖河流水量水質(zhì)、水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)276萬余組，為研究入湖河流水質(zhì)演變、入湖污染物總量的演變奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).1997年太湖布設(shè)7個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，后經(jīng)過多次站點(diǎn)補(bǔ)充完善，到2006年監(jiān)測站點(diǎn)擴(kuò)充至33個并沿用至今(圖1).監(jiān)測頻次1997年為兩月一次，1998年開始為每月一次.2000年開始同步開展太湖藻類監(jiān)測.水質(zhì)監(jiān)測采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法，藻類監(jiān)測采用行業(yè)規(guī)范人工鏡檢方法，均先后通過實(shí)驗(yàn)室國家級計量認(rèn)證，采樣及檢測過程符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)和《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219-2013).高等水生植物的監(jiān)測2012年前為人工監(jiān)測，2012年后采用人工監(jiān)測與衛(wèi)星遙感解譯結(jié)合.

圖1 不同時期太湖監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)

本文所采用的1985-1996年的數(shù)據(jù)主要來自太湖局組織開展的專題研究成果，部分摘自公開文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)已在文中逐一標(biāo)明出處.

1.1.2 水資源監(jiān)測數(shù)據(jù) 本文所采用的環(huán)太湖出入湖水量數(shù)據(jù)來自太湖局組織江蘇、浙江水文部門共同開展的環(huán)太湖水文巡測資料整編成果，其它水資源監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自太湖局組織編制的年度《太湖流域水資源公報》[21]和《太湖流域水資源調(diào)查評價報告》[22].

1.2 數(shù)據(jù)處理

1997年以前太湖TP濃度總體均值空間上采用各站點(diǎn)的算術(shù)平均值，時間上采用1-12月算術(shù)平均值作為年度均值；1997年之后太湖TP濃度總體均值空間上為站點(diǎn)構(gòu)建泰森多邊形后的面積加權(quán)平均值.入湖河流TP平均濃度均為水量加權(quán)平均值.環(huán)太湖進(jìn)出湖污染負(fù)荷量計算基于環(huán)太湖進(jìn)出湖水量資料、水質(zhì)資料，考慮統(tǒng)一巡測段內(nèi)入湖河流進(jìn)出水量、水質(zhì)的不同加權(quán)計算，以便于構(gòu)建長系列資料進(jìn)行歷史變化規(guī)律的分析.

1.3 分析方法

在GIS軟件中以克里金法進(jìn)行內(nèi)插求得太湖TP濃度分布，以分析太湖TP濃度時空變化趨勢.采用對比分析、聚類分析、數(shù)理統(tǒng)計分析等方法對太湖TP濃度與各驅(qū)動因子之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 太湖TP濃度時序變化特征

1980s中期太湖TP濃度持續(xù)快速升高，1995年達(dá)到峰值0.133 mg/L，比1987年升高了358.6%[23-25]，這段時期簡稱為“TP急劇上升期”.之后太湖TP濃度呈快速下降趨勢，到2009年TP濃度下降到1995年至今最低值，為0.062 mg/L，與1995年相比下降了53.4%[26-28]，這段時期簡稱為“TP快速下降期”.2009年之后太湖TP濃度出現(xiàn)了起伏波動，到2019年為0.087 mg/L，比2009年升高40.3%[29-30]，隨后2020年出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，TP濃度為0.073 mg/L，較2019年下降19.2%，這段時期簡稱為“TP窄幅波動期”(圖2).

圖2 1980-2020年太湖TP濃度年際變化趨勢

2.2 太湖TP濃度時空變化特征

根據(jù)太湖各監(jiān)測點(diǎn)年均TP濃度值采用克里金插值繪制不同年份太湖TP濃度空間分布的等值線圖(圖3).1987年太湖TP濃度普遍較低，整體趨勢為“北高南低”，濃度較高的區(qū)域?yàn)槲謇锖?、梅梁湖以及部分東部湖區(qū)，濃度最低的區(qū)域?yàn)楹膮^(qū)，東部湖區(qū)TP濃度高是因?yàn)樵摬糠趾^(qū)有大量的圍湖農(nóng)場[31-32].到1995年太湖除東部湖區(qū)以外，其他湖區(qū)TP濃度均為劣Ⅴ類水平.2000-2005年太湖整體TP濃度有所下降，基本形成了“西北高、東部低”空間分布格局，梅梁湖、竺山湖、西北沿岸、西南沿岸等太湖主要入流湖區(qū)TP濃度明顯高于其他湖區(qū)[26].這段時期梅梁湖內(nèi)因有武進(jìn)港、直湖港、梁溪河等入湖河流，特別是梁溪河將無錫市城市面源污水排入太湖，梅梁湖成了太湖水質(zhì)最差的湖區(qū)[33].2007年無錫市供水危機(jī)之后，在不危及防洪安全的情況下梅梁湖沿岸口門常年大部分關(guān)閉，設(shè)計裝機(jī)50 m3/s的梅梁湖泵站常年從太湖抽水，經(jīng)梁溪河或五里湖排入江南運(yùn)河.切斷主要外源直接輸入后，梅梁湖水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)[34].2015-2020年太湖TP濃度呈現(xiàn)的是“西北高東南低”的格局[30,35].前人研究表明75%的入湖TP負(fù)荷來自湖西地區(qū)，從竺山湖、西北沿岸進(jìn)入太湖；15%的入湖TP負(fù)荷來自浙西地區(qū)，從西南沿岸河流進(jìn)入太湖[29-30].1987-2007年湖西區(qū)入湖水量占比56%，浙西區(qū)入湖水量占比23%，1995、2000、2005年的太湖TP空間格局與來水情況相吻合.2008-2020年由于水文情勢變化，湖西區(qū)入湖水量占比升高至66%，浙西區(qū)入湖水量占比減小至21%，浙江苕溪在枯水期表現(xiàn)為出湖狀態(tài)[36]，因此2010、2015、2020年太湖TP濃度時空變化格局為從TP濃度高的竺山湖和西北沿岸區(qū)域逐漸向東南擴(kuò)散.

圖3 太湖TP濃度時空變化

2.3 太湖TP濃度年內(nèi)變化特征

根據(jù)太湖近20年逐月TP濃度統(tǒng)計出2001-2010年和2011-2020年每個月的多年平均濃度，以及20年的最大、最小值，繪制太湖逐月多年TP平均濃度變化趨勢圖(圖4a).由此可知，9月份TP濃度變幅最大，達(dá)0.096 mg/L，其次為1月、2月、6月、8月.分別統(tǒng)計2001-2010年與2011-2020年2個時段每月太湖TP濃度可知，7月份在2個時段中TP濃度均最低且?guī)缀跸嗟?，分別為0.060和0.061 mg/L.以TP濃度最低的7月為界，2001-2010年1-6月平均TP濃度為0.077 mg/L，8-12月平均TP濃度為0.076 mg/L，上半年略高于下半年.與2001-2010年相比，2011-2020年太湖逐月TP濃度發(fā)生較大變化，1-6月平均為0.072 mg/L，8-12月平均為0.087 mg/L，下半年明顯高于上半年.結(jié)果表明，近十年來太湖TP濃度上半年下降了6.9%，而下半年上升了14.5%.

選取太湖6、12、19號3個監(jiān)測點(diǎn)作為西部湖區(qū)典型代表，選取14、17、18、23號4個監(jiān)測點(diǎn)作為東部湖區(qū)典型代表，取其算術(shù)平均值作為區(qū)域代表值，分析對比2個區(qū)域的TP濃度變化差異.由圖4b和4c可知，西部湖區(qū)與全湖的TP濃度年內(nèi)變化規(guī)律相似，東部湖區(qū)則相對獨(dú)立，與全湖TP濃度年內(nèi)變化沒有相似性.

圖4 2001-2020年太湖全湖(a)、西部湖區(qū)(b)和東部湖區(qū)(c)TP濃度逐月變化

3 太湖總磷變化的驅(qū)動因子以及湖泊的響應(yīng)

太湖TP濃度變化反映的是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展?fàn)顩r、污染物的總排放量、治理與保護(hù)之間的平衡關(guān)系，具體到特定的年份，則會受到水文氣象、水生態(tài)狀況等因素影響[26-28,30,35-37].

3.1 經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、用水量、廢污水排放量對太湖TP濃度的影響

本研究分析了1980-2019年太湖流域年人均GDP與工業(yè)用水量和2000-2019年太湖流域年人均GDP與廢污水排放量的關(guān)系(圖5, 圖6)，二者趨勢線均呈倒U型，較好地契合了環(huán)境庫茲涅茨曲線(EKC)的特點(diǎn)，即在經(jīng)濟(jì)發(fā)展初期階段經(jīng)濟(jì)增長、人均收入的提高會導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量的下降, 然而一旦經(jīng)濟(jì)發(fā)展超越了某一臨界值點(diǎn), 隨著技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，人均收入的進(jìn)一步提高反而會降低環(huán)境污染、改善環(huán)境質(zhì)量[38].1980-2007年太湖流域人均GDP從0.15萬元增長到5.8萬元，工業(yè)用水量從82.7億m3增加到233.0億m3，2000-2007年太湖流域人均GDP從2.7萬元增長到5.8萬元，廢污水排放量從50.1億m3增加到63.0億m3，2007年之后工業(yè)用水量和廢污水排放量都不再隨人均GDP的增加而增加，這與2007年發(fā)生的無錫供水危機(jī)后，太湖流域開始開展較大規(guī)模的水環(huán)境綜合治理有關(guān)[15].

圖5 1980-2019年太湖流域年人均GDP與工業(yè)用水量的關(guān)系

圖6 2000-2019年太湖流域年人均GDP與廢污水排放量的關(guān)系

從太湖流域用水結(jié)構(gòu)來看(圖7)，1980-2007年工業(yè)用水占比不斷增加，從35.3%增至62.5%，2007年后基本維持在60%左右；與之相對的，1980-2007年農(nóng)業(yè)用水大幅下降，從59.5%減至25.3%，2007年后小幅減少[22]；1980-2019年隨著流域人口密度的增加，生活用水占比基本保持小幅平穩(wěn)上漲，平均每年增長0.3%.據(jù)監(jiān)測分析，水體中的磷主要來源為生活污水、工業(yè)廢水、化肥、有機(jī)磷農(nóng)藥及洗滌劑等[8,23-24].生活污水中的含磷量與人口規(guī)模和生活質(zhì)量、公眾環(huán)保意識等相關(guān)[39]，工業(yè)廢水的含磷量與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和規(guī)模相關(guān)[40-41]，來自農(nóng)藥化肥的磷與耕作方式和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量相關(guān)[42-43].1985-1995年，隨著經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展，流域用水總量和排放量也快速增加[42]，與此同時太湖水質(zhì)急劇惡化，TP濃度快速升高[44].2001-2006年太湖TP濃度變化趨勢基本與工業(yè)用水占比變化保持一致，2007年后隨著治理力度加大，工業(yè)廢水處理率提升、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡管工業(yè)用水占比基本不變，太湖TP濃度仍較2006年大幅下降，2007-2019年太湖TP濃度窄幅波動，略有上升，年均漲幅約1.46%，這可能與持續(xù)增加的生活用水占比有關(guān).

圖7 1980-2019年太湖流域用水結(jié)構(gòu)與太湖TP濃度的關(guān)系

最嚴(yán)格的水資源管理制度實(shí)施以來，太湖流域總用水量和用水效率得到了很好的控制[21].2000年太湖流域廢污水排放量是50.1億t，到2019年增長到63.8億t，增幅27.3%.與此同時，萬元GDP用水量則從2000年的297.1 m3下降到了2019年35.0 m3，降幅88.2%.由此表明，加強(qiáng)水資源管理、提高水資源安全集約利用對流域減排發(fā)揮了重要作用.太湖流域多年平均本地水資源量約為175億m3，這部分水資源量主要來自降水[22].經(jīng)典型年監(jiān)測，太湖流域雨水中的TP濃度約為0.023 mg/L[7,18].這部分相對清潔的水資源，經(jīng)過地面的產(chǎn)流、匯流，最后到河流、湖泊.假設(shè)太湖流域廢污水的接管率已經(jīng)達(dá)到100%(根據(jù)太湖局組織開展流域水環(huán)境綜合治理效果評估, 測算太湖流域城鎮(zhèn)生活污水實(shí)際接管率約為78%)，且全部處理到一級A排放，即污水處理廠排出的63.8億t尾水TP濃度為0.50 mg/L，在此條件下計算可得，雨水和污水處理廠尾水混合后的TP濃度已經(jīng)達(dá)到0.150 mg/L.再加上農(nóng)業(yè)、城市面源隨雨水的輸入，導(dǎo)致近10年主要入太湖河道的TP平均濃度是0.187 mg/L，明顯高于2008年國務(wù)院批復(fù)《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》中的0.12～0.13 mg/L.因此要降低河網(wǎng)TP濃度，除了治理面源以外，需繼續(xù)加大節(jié)水減排減少廢污水的排放量，并適當(dāng)提高污水處理排放標(biāo)準(zhǔn).

綜上所述，太湖TP濃度的變化與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的水平和質(zhì)量、生產(chǎn)生活方式和公眾意識息息相關(guān)，推動技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提高節(jié)水意識和水平、適當(dāng)提高污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)是降低TP濃度的關(guān)鍵[45].

3.2 入湖水量、入湖河流TP濃度、入湖負(fù)荷對太湖TP濃度的影響

國務(wù)院于1997年批準(zhǔn)了“太湖水污染防治‘九五’計劃和2010年規(guī)劃”，并于1998年底開展“太湖流域污染源達(dá)標(biāo)排放行動”(簡稱“零點(diǎn)行動”，主要內(nèi)容為太湖流域日排工業(yè)廢水100 t以上的重點(diǎn)排污企業(yè)需在1999年1月1日零點(diǎn)以前達(dá)標(biāo)排放[44]).“零點(diǎn)行動”在一定程度上削減了外源營養(yǎng)鹽負(fù)荷，對遏制水環(huán)境惡化起到了一定作用，是太湖流域水環(huán)境綜合治理的新起點(diǎn).如圖8所示1998-2001年太湖TP負(fù)荷呈現(xiàn)下降趨勢.其中1999年發(fā)生流域性特大洪水，降雨中心在流域南部，全年入湖水量108.2億m3(表1)，洪水年份入湖河流的TP濃度相對較低[40]，1999年環(huán)太湖入湖河流的平均濃度是此后20多年的最低值，為0.142 mg/L.2002-2004年流域偏旱，沿江引水加大，入湖水量分別為103.3億、106.3億、81.4億m3.隨后2005-2006年流域連續(xù)兩年的枯水年，平均入湖水量僅為76.5億m3，2006年太湖TP濃度顯著升高，達(dá)0.097 mg/L，當(dāng)年入太湖河流平均TP濃度也達(dá)到了近20多年的次高值0.232 mg/L.2006年太湖除了TP以外的其他水質(zhì)指標(biāo)也是這段時期中最差的，這為2007年藍(lán)藻大面積暴發(fā)帶來隱患.前人研究[46-47]同樣證明在此期間太湖的水環(huán)境問題遠(yuǎn)沒有解決，導(dǎo)致入湖TP負(fù)荷有所增加，太湖TP濃度呈波動狀態(tài).

圖8 太湖、入湖河流TP濃度和入湖TP負(fù)荷的關(guān)系

2008年國務(wù)院批復(fù)《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》之后，太湖治理的力度加大，根據(jù)中國國際咨詢公司2012年初完成的太湖流域水環(huán)境綜合治理中期評估報告，4年間累計完成污染源治理、生態(tài)修復(fù)、河網(wǎng)整治、節(jié)水減排等11類項(xiàng)目1117.3億元投資，到2011年底太湖流域已經(jīng)完成工業(yè)點(diǎn)源治理項(xiàng)目98個，占總數(shù)的85.5%，完成城鎮(zhèn)污水處理項(xiàng)目472個，占總數(shù)的81.4%，關(guān)停并轉(zhuǎn)移落后產(chǎn)能企業(yè)5500余家.在這期間全流域基本實(shí)現(xiàn)了城鎮(zhèn)污水處理廠從一級B到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)的提標(biāo)，污水處理廠尾水排放中的含磷量基本減半.因此太湖TP濃度連續(xù)6年在較低的水平波動，2007-2012年太湖TP濃度平均值為0.069 mg/L，且之后入湖TP濃度快速下降，表明太湖流域水環(huán)境綜合治理是卓有成效的.但值得注意的是，2007-2012年入湖河道的平均TP濃度是有系統(tǒng)性監(jiān)測數(shù)據(jù)以來(1998-2020年)的最高值，年均值為0.213 mg/L，且入湖TP負(fù)荷年均值也是最高的，為2301.7 t/a，由此可見即便某段時間入湖負(fù)荷強(qiáng)度大，但生態(tài)系統(tǒng)仍然具有一定的穩(wěn)定性和彈性，也說明太湖營養(yǎng)鹽來源及濃度波動規(guī)律復(fù)雜，有待深入研究[45].

從入湖水量看(表1)，2008年開始太湖流域入湖水量大幅度增加，2008-2020年太湖年均入湖水量114.6億m3較1985-2007年太湖年均入湖水量79.8億m3增加43.6%.入湖水量的增加一方面是由于流域降水量增加導(dǎo)致[35]，一般情況洪水年份入湖河流的TP濃度會低一些，但不絕對，還得看降雨中心.例如1999年降雨中心在杭嘉湖地區(qū)，浙西區(qū)來水水質(zhì)好，入湖TP濃度較低，入湖TP負(fù)荷也較小.2016年降雨中心在湖西區(qū)，入湖TP濃度較高，入湖TP負(fù)荷則比較大[48].另一方面前人研究表明，2000年前后沿江各閘經(jīng)過改擴(kuò)建，引排能力逐漸增強(qiáng)[35].這段時間由于入湖水量增加，入湖河道TP濃度呈下降趨勢，但入湖TP負(fù)荷沒有呈現(xiàn)下降趨勢，1998-2007年太湖年入湖TP負(fù)荷均值為1658.3 t，凈入湖TP負(fù)荷均值為1144.7 t，而2008-2019年太湖年入湖TP負(fù)荷均值為2159.8 t, 凈入湖TP負(fù)荷均值為1533.0 t，兩個時段相比，后者入湖TP負(fù)荷均值增加了30.2%、凈入湖TP負(fù)荷均值增加了33.9%.

表1 1999-2020年入太湖水量

綜上，入湖水量、入湖河流TP濃度、入湖負(fù)荷對太湖TP濃度的影響是直接的，這三者的空間分布與太湖TP空間分布格局基本一致[30]，入湖水量、入湖河流TP濃度的變化最終通過入湖TP負(fù)荷的變化反映到太湖TP濃度的波動上，但這種變化存在滯后性，響應(yīng)程度也不是絕對的.

3.3 藍(lán)藻水華、水溫對太湖TP濃度的影響

太湖藍(lán)藻水華從1980s在太湖五里湖、梅梁湖等水域出現(xiàn)，直到2010年之前藍(lán)藻水華仍然主要出現(xiàn)在竺山湖、梅梁湖、西北沿岸和小部分湖心區(qū)，暴發(fā)時段一般情況出現(xiàn)在夏季[9-11].2010年后，特別是2015年后，藍(lán)藻水華在時間、空間、生物量上均出現(xiàn)了“擴(kuò)張”，從時間上看，太湖出現(xiàn)藍(lán)藻水華的時段從原先的5-9月，逐漸延長到幾乎全年都有，有些年份12月、2月等冬季時段也出現(xiàn)過超過500 km2的藍(lán)藻水華的現(xiàn)象.從空間上看，藍(lán)藻幾乎蔓延到全太湖所有湖區(qū).從強(qiáng)度上看，2010年太湖年均藍(lán)藻密度比2007年增加26.8%，2015年比2010年增加181.0%，2020年又比2015年增加120.6%.藍(lán)藻生長可增加底泥磷的釋放和有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化，加快湖體磷循環(huán)，增加水體TP濃度[37,49].從圖9可以看出，2010-2020年太湖TP濃度與藍(lán)藻密度具有較好的相關(guān)性，兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.72.用入湖TP負(fù)荷從2200 t到1800 t之間的2015、2017、2019年3年的太湖逐月TP濃度與藍(lán)藻密度做相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.43(圖10).藍(lán)藻密度與TP濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)較好地佐證了藍(lán)藻水華強(qiáng)度加大可能會導(dǎo)致TP濃度升高.

圖9 2010-2020年太湖TP濃度與藍(lán)藻密度的關(guān)系

圖10 2015、2017和2019年太湖逐月TP濃度與藍(lán)藻密度的關(guān)系

2015年以來國內(nèi)外大量湖泊均出現(xiàn)藍(lán)藻大面積高強(qiáng)度增長的現(xiàn)象[49]，引起了學(xué)者廣泛關(guān)注，研究表明氣象條件如風(fēng)速、光照、氣溫的變化是導(dǎo)致藍(lán)藻水華面積和強(qiáng)度增加的重要原因[9,50]，氣象條件變化又會進(jìn)一步引起水溫變化，進(jìn)而影響藍(lán)藻水華的發(fā)生.朱廣偉等[51]研究發(fā)現(xiàn)太湖藍(lán)藻水華強(qiáng)度指標(biāo)與冬季及初春日均水溫和冬、春季有效積溫呈顯著正相關(guān)，2007年和2017年太湖藍(lán)藻水華大暴發(fā)，都經(jīng)歷了冬季及早春的水溫異常偏高過程.太湖貢湖自動監(jiān)測站的數(shù)據(jù)表明，2006-2010年冬季1月份的平均溫度是7.63℃，而2016-2020年冬季1月份的平均溫度是9.52℃，后者升高了1.89℃.雖然水溫與TP的響應(yīng)關(guān)系目前還不明晰，徐升寶等[52]研究發(fā)現(xiàn)沉積物中磷釋放速率隨水溫升高而升高，葉羽婷等[53]研究發(fā)現(xiàn)水溫與太湖梅梁灣、湖心區(qū)、河口區(qū)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均存在極顯著相關(guān)且具有區(qū)位差異，但與TP濃度的相關(guān)性則不顯著，但本研究證明了太湖藍(lán)藻密度與太湖TP濃度的相關(guān)性，暖冬有利藍(lán)藻生長，而藍(lán)藻水華的增加則間接導(dǎo)致水體TP濃度的升高.選取2001-2010和2011-2020年兩個時段太湖逐月水溫進(jìn)行分析，結(jié)果表明1-6月兩個時段水溫相差不大，近十年平均升高0.075℃，7月較為特殊，水溫降低1.34℃，8-12月的水溫則明顯升高，近十年平均升高1.13℃(圖11).與水溫差異相似的是，2011-2020年太湖8-12月的月均TP濃度也明顯升高，較2001-2010年升高14.5%.

圖11 2001-2020年太湖水溫變化情況

綜上，太湖TP濃度和水溫的升高均有利于藍(lán)藻水華的發(fā)生，而藍(lán)藻水華的形成又可增加底泥磷釋放和有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化，加快湖體磷循環(huán)，增加水體TP濃度.

3.4 高等水生植物對太湖TP濃度的影響

根據(jù)《太湖生態(tài)環(huán)境地圖集》[54]，1987年太湖周邊沿岸和東山、西山等主要島嶼沿岸全線均有蘆葦或苦草群落覆蓋，東太湖全湖覆蓋茭草、蘆葦、苦草、輪葉黑藻等，到1997年太湖高等水生植物覆蓋面積進(jìn)一步擴(kuò)大，竺山湖、西部沿岸的蘆葦群面積減小，而貢湖、東部沿岸、胥湖、東茭嘴以南沿岸等區(qū)域增加了較大面積的馬來眼子菜(圖12).2012年以來太湖內(nèi)蘆葦?shù)韧λ参锓植挤秶兔娣e并未發(fā)生明顯的起伏變化，每年5月份的均值為30.4 km2.沉水植物的覆蓋面積從2015年開始發(fā)生斷崖式下降，從2012-2014年5月份覆蓋面積均值258.9 km2到2015年的27.7 km2(圖13).通過幾年時間的涵養(yǎng)，太湖高等水生植物覆蓋面積有所上升[55]，到2020年5月監(jiān)測表明，太湖有沉水植物覆蓋面積94.9 km2，挺水植物分布面積33.0 km2.

圖12 不同年份太湖高等水生植物覆蓋面積示意

圖13 2012-2020年5月份遙感太湖高等水生植物覆蓋面積

鄭鶯[56]研究表明，沉水植物和挺水植物對水體中磷的吸收富集能力較強(qiáng).吳功果等[57]分析了1977-2009年洱海水生植物與浮游植物的歷史變化，發(fā)現(xiàn)洱海從貧-中營養(yǎng)到富營養(yǎng)化初期，沉水植物種類減少，水生植物分布面積縮小，浮游植物數(shù)量大量增加，表明高等水生植物與藻類存在競爭關(guān)系，具有抑制藍(lán)藻生長、減少底泥營養(yǎng)鹽釋放，避免風(fēng)浪導(dǎo)致底泥再懸浮等作用[58-59].2015年與2014年相比，東茭嘴以西的南部沿岸沉水植物大面積減少.隨著阻隔西太湖和東太湖的天然屏障消亡，2016年開始東太湖藍(lán)藻密度從原先的年均小于1500萬cells/L，逐步上升到最大年均超過3500萬cells/L(圖14).與此同時，東太湖TP濃度也在2015年后有所上升，而東太湖藍(lán)藻密度升高和TP濃度升高存在一定相關(guān)性和同步性.分析東太湖TP濃度和藍(lán)藻密度的變化，對分析太湖草型湖區(qū)的水生態(tài)環(huán)境變化具有重要意義.圖14所示2007-2020年東太湖TP濃度的變化過程，2007-2014年東太湖TP濃度呈現(xiàn)波動狀態(tài)，多年均值為0.041 mg/L，2015-2020年多年均值為0.050 mg/L，兩個時段相比，后者升高了22%.2015年后東太湖藍(lán)藻密度上升的幅度則更大，相同兩時段藍(lán)藻密度升高了3.36倍.圖15用2014-2018年東太湖逐月的TP濃度與藍(lán)藻密度進(jìn)行相關(guān)分析，兩者相關(guān)系數(shù)為0.572，說明兩者存在較好的相關(guān)性.以上分析說明，東太湖藍(lán)藻密度與TP濃度的變化很大程度上受東部湖區(qū)沉水植物的分布和面積影響.

圖14 2007-2020年東太湖TP濃度和藍(lán)藻密度關(guān)系

圖15 2014-2018年東太湖逐月TP濃度和藍(lán)藻密度關(guān)系

沉水植物主要分布在東部湖區(qū)，太湖TP的主要來源在西北湖區(qū)，圖16分析了太湖TP主要來源湖區(qū)竺山湖與東太湖TP濃度的關(guān)系，表明東太湖TP濃度與竺山湖TP濃度沒有直接關(guān)聯(lián)，就TP而言東太湖是一個相對獨(dú)立的系統(tǒng), 東太湖的TP濃度基本上不受入湖負(fù)荷變化的影響.前文所述太湖TP濃度年內(nèi)變化規(guī)律是冬春季低、夏秋季高，而水草則是冬春季少、夏秋季多，水草多的時段，太湖TP濃度反而高，這說明水草在太湖TP的變化中不是決定性的控制因子，但水草對其所覆蓋的東部草型湖區(qū)的水質(zhì)改善作用明顯.

圖16 2007-2020年竺山湖與東太湖TP濃度的關(guān)系

3.5 底泥釋放對太湖TP濃度的影響

湖泊是流域物質(zhì)的匯集地，流域內(nèi)生產(chǎn)生活排放的磷伴隨著泥沙以水為載體在湖泊中聚集，2001-2020年平均入湖TP負(fù)荷是1984.6 t，隨水流出湖的TP通量是583.8 t，剩余1400.8 t TP則沉積于太湖.在太湖中沉積的TP有小部分被水生動植物利用，大部分則沉積在底泥中.胡開明等[35]研究了太湖底泥沉積物釋放規(guī)律，提出底泥沉積物再懸浮通量與風(fēng)速之間的定量關(guān)系.2002-2006年太湖局組織開展的太湖底泥靜態(tài)和動態(tài)釋放試驗(yàn)，在底泥表層污染較嚴(yán)重的湖區(qū)和主要出入湖口，選定7個底泥釋放試驗(yàn)采樣點(diǎn)(圖17)，靜態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行了5、15和25℃水溫下溶解性總磷(DTP)、TP濃度的釋放情況觀測，動態(tài)試驗(yàn)則在靜態(tài)的基礎(chǔ)上增加了風(fēng)的模擬.結(jié)果表明，水溫、風(fēng)浪對太湖底泥磷的釋放總體是正向影響，即風(fēng)浪增加和溫度的升高都可使得太湖底泥磷釋放強(qiáng)度加大[60].

圖17 太湖底泥釋放試驗(yàn)采樣點(diǎn)

太湖局于2018-2019年組織完成太湖污染底泥勘察研究，查明了太湖底泥分布、淤積和污染情況，太湖底泥以淤泥為主，全湖平均淤積厚度為0.54 m，系近現(xiàn)代之前所形成，物理化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，對太湖水質(zhì)影響不大.太湖浮泥和流泥主要分布在0～30 cm淺層底泥中，具有較強(qiáng)的流動性，且孔隙較大，其所含的污染物質(zhì)與水體接觸交換較為頻繁，是太湖底泥內(nèi)源釋放的主要來源.經(jīng)勘測，太湖浮泥和流泥在全湖均有分布，總淤積量38743萬m3，平均淤積厚度17 cm[61].受外源輸入、湖流以及藍(lán)藻聚集等因素影響，太湖浮泥和流泥更易于在竺山湖、梅梁湖、西部沿岸區(qū)及南部沿岸區(qū)淤積[61-62].底泥釋放形成的內(nèi)源對太湖TP濃度的影響究竟有多大，朱廣偉等[18]提出了太湖底泥靜態(tài)條件下磷釋放量.綜合各方研究的成果可以判斷太湖底泥既是太湖TP的“匯”，同時也是“源”.現(xiàn)階段是以“匯”為主還是“源”為主，關(guān)鍵看太湖TP的通量和水體TP濃度的變化.太湖在常水位下的蓄水量約45億m3, 近20年太湖TP的平均濃度為0.077 mg/L，也就是說太湖水體中的TP負(fù)荷僅為350 t.近20年太湖年均入湖TP通量遠(yuǎn)大于出湖的通量，沉積于太湖底泥的TP負(fù)荷是太湖水體TP負(fù)荷的4倍左右，由此可見，目前狀態(tài)下太湖底泥對TP的吸附和沉積作用要遠(yuǎn)大于釋放作用.綜上，太湖部分湖區(qū)底泥在特定氣象條件下釋放TP成為內(nèi)源，但大部分湖區(qū)、多數(shù)時段太湖底泥仍然表現(xiàn)為TP的“匯”而非“源”.

3.6 太湖換水周期變化對太湖TP濃度的影響

一般情況下，太湖水環(huán)境容量是指水體能達(dá)到目標(biāo)功能且能保持良好健康的生態(tài)系統(tǒng)的情況下，所能接納的污染物總量[63].就湖泊富營養(yǎng)化防治而言換水周期短比長好，對污染物的降解而言水體滯留時間對TP、CODMn的影響比較小，而對氨氮(NH3-N)的降解則滯留時間長更為有利，因此要討論太湖換水周期長好還是短好，需要關(guān)注的是什么樣的換水周期更有利于太湖水環(huán)境容量的提升[64].

前人研究表明，水體的水環(huán)境容量由稀釋容量、遷移容量、自凈容量三部分組成[65], 太湖水環(huán)境容量與水文、水動力、污染源等因素有關(guān).其中，與水環(huán)境容量正相關(guān)的因子有水量、水體流動的距離、平均流速，與水環(huán)境容量負(fù)相關(guān)的因子有水體中污染物背景值.就同一水體而言流動距離不變，流速越大水環(huán)境容量越大，而流速越大，遷移時間越短，也就是換水周期越短水環(huán)境容量越大.若是換水周期縮短到一定程度，湖泊直接變成了河流，這種狀態(tài)下，水體的遷移容量增加、自凈容量下降.但就太湖而言，這種極端情況不會出現(xiàn).從長系列看，1985-2020年太湖平均換水周期179 d，2016年最短，為119 d，1994年最長，為252 d.

從圖18可見，太湖換水周期和太湖水質(zhì)無直接對應(yīng)關(guān)系，換水周期長水質(zhì)較差的年份很多，反之亦然.綜合前文分析，太湖TP濃度的年際變化與入湖污染負(fù)荷、太湖高等水生植物分布面積、水溫、藍(lán)藻水華強(qiáng)度等有關(guān)，雖然針對特定的年份太湖TP濃度變化存在一定偶然性，但總體上入湖污染負(fù)荷、水溫、藍(lán)藻水華強(qiáng)度對太湖TP濃度的影響是正向的，高等水生植物分布面積對太湖TP濃度的影響是反向的，即入湖污染負(fù)荷大、水溫升高、藍(lán)藻水華強(qiáng)度增強(qiáng)，太湖TP濃度升高，高等水生植物分布面積擴(kuò)大，太湖TP濃度則會降低.表2可見，2010-2019年的平均換水周期164.3 d，要比2000-2009年的平均換水周期199.6 d縮短了35.3 d，減少17.7%；與此同期，太湖TP濃度的正向因子入湖TP負(fù)荷增加了21.6%、藍(lán)藻密度增加了900%、12-2月冬季平均水溫升高了8.9%，反向因子春季高等水生植物面積在2015年之前基本穩(wěn)定在270 km2左右，2015-2020年均值為101 km2，近十年大幅減少；而2010-2019年太湖TP平均濃度是0.077 mg/L，2000-2009年太湖TP平均濃度是0.079 mg/L，近十年反而下降了2.5%.在入湖TP負(fù)荷增加、藍(lán)藻密度大幅增加、平均水溫升高、高等水生植物面積減少等諸多不利因素的影響下，太湖TP濃度不升反降，表明適當(dāng)縮短換水周期對太湖TP濃度的下降是有利的[66].

圖18 太湖換水周期和太湖TP濃度關(guān)系

表2 2000-2009和2010-2019年太湖TP濃度相關(guān)因子的變化

4 結(jié)論

1)伴隨太湖流域40年來經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，太湖水環(huán)境實(shí)現(xiàn)了從失控到遏制，從退化到修復(fù)的轉(zhuǎn)變.從時間上看，1985-1995年太湖TP急劇升高，到1995年達(dá)到峰值后快速下降，2009年后進(jìn)入了窄幅波動期.從空間上看，1987年太湖TP濃度全湖普遍較低，五里湖、梅梁湖、東部沿岸區(qū)和東太湖部分區(qū)域濃度較高，1995-2005年基本形成“西北高東部低”的TP濃度分布格局，其中梅梁湖TP最高.2010年后，太湖治理已見成效，梅梁湖水質(zhì)好轉(zhuǎn)，太湖TP濃度形成“西北高東南低”的格局.太湖TP濃度的空間格局變化較好的反映了入湖污染物輸入分布變化.

2)驅(qū)動太湖TP變化的因子很多，機(jī)理復(fù)雜.入湖水量、入湖河流TP濃度的變化最終通過入湖TP負(fù)荷的變化反映到太湖TP濃度的年際波動.太湖TP濃度的波動與太湖藍(lán)藻水華存在較好的響應(yīng)關(guān)系，TP濃度高有利于藍(lán)藻水華的形成，藍(lán)藻水華的發(fā)生又會增加TP濃度.高等水生植被可以吸收水體中的磷，并抑制底泥再懸浮降低內(nèi)源磷的釋放，高等水生植物覆蓋面積對東太湖TP的影響至關(guān)重要.底泥污染狀況、風(fēng)浪、水溫、藍(lán)藻水華等可能影響底泥磷釋放，太湖部分湖區(qū)底泥在特定氣象條件下釋放TP成為內(nèi)源，但現(xiàn)階段太湖底泥對TP的吸附和沉積作用要遠(yuǎn)大于釋放.用近20年的數(shù)據(jù)對比分析表明，太湖換水周期縮短了35.3 d，在入湖TP負(fù)荷增加、藍(lán)藻密度大幅增加、冬季平均水溫升高、高等水生植物面積減少等諸多不利因素的影響下，太湖TP濃度不升反降.綜合太湖TP空間分布和諸多影響因子的分析討論，太湖流域水環(huán)境綜合治理13年太湖TP未見明顯改善的主要原因是該13年入湖TP負(fù)荷沒有減少，反而增加了30.2%.

3)在新一輪太湖治理應(yīng)針對太湖TP人工能干預(yù)的影響因子采取有效的治理措施，積極開展控源截污、節(jié)水減排、水資源調(diào)控、高等水生植被恢復(fù)、重點(diǎn)污染湖區(qū)清淤疏浚等針對性措施.