2021, Vol. 33 
(2: 浙江水文新技术开发经营公司, 杭州 310009)
(2: Zhejiang Hydrographic Technology Development and Operation Company, Hangzhou 310009, P. R. China)
太湖流域位于长江三角洲南翼，地跨浙、苏、沪、皖三省一市，总面积约3.69万km2，2019年流域内GDP占全国9.8 %，人均GDP达15.7万元，是我国经济最发达的地区之一，由于流域内人口、产业、经济要素高度集中，导致水资源开发利用强度大，水污染治理持续面临较大压力[1-3]. 太湖作为流域内重要的淡水资源，同时也是区域内多个大中型城市的重要水源地，其水环境安全问题一直是各方关注的焦点. 自2007年无锡水危机事件后，流域内各项水污染防治工作进入快车道，近年来太湖湖体及环湖河道的氮、磷污染物浓度下降趋势明显，水环境质量趋于好转，但与控氮、控磷的总目标相比，污染负荷压力仍超过其承载能力[4-6]. 对于湖泊水质管理而言，陆源污染物随河道输入是造成湖体水质恶化及生态系统受损的重要原因，因此研究主要入湖河道污染物变化的时空规律，对于湖体污染治理工作具有十分重要的意义[7-8]. 目前针对太湖入湖河道污染物变化特征已有大量研究，主要集中在出入湖污染物通量[9-11]、污染物输移速率[12]、入湖河道水质与湖体水质的响应关系[13]等方面，研究范围主要位于太湖流域江苏片区，而针对太湖流域浙江片区的研究相对较少[14-16]，尤其是缺少10年以上长时间序列的浙江片区出入太湖河道水量、水质及污染物通量方面的分析.
太湖流域浙江片区位于浙江省北部、太湖流域的南部，总面积约1.22万km2，是太湖流域重要的组成部分之一，也是浙江省落实长三角一体化发展国家战略的重要桥头堡. 近年来浙江省全面实施“五水共治”，先后推进“清三河”、剿灭劣V类水、污水“零直排区”三大战役，区域整体水环境质量得到了显著改善[17-18]. 太湖流域浙江片区主要水系包括长兴水系、苕溪水系(东、西苕溪)、湖州河网、京杭运河和嘉兴河网等6块，其中与太湖水量交换密切的水系包括长兴水系、苕溪水系及湖州东部平原河网. 本文根据浙江省环太湖历年水文巡测资料及主要环湖河道水质监测成果，深入分析了2007-2019年浙江省出入太湖水量、水质及污染物通量的时空变化规律及其影响因素，以期为“十四五”期间太湖水体水质改善和环湖地区持续、精准治污提供技术支撑.
1 数据与方法 1.1 水量及水质站点浙江省环太湖水文巡测自1966年开始，1994年停止巡测，2001年6月又恢复巡测，巡测线西起夹浦大乌桥，东至南浔鼓楼桥，全长约70 km. 为了更全面地控制出入湖水量，巡测站点历年来有所调整，当前出入太湖巡测线的水量主要通过长兴(二)、杨家埠、杭长桥、城北闸、幻溇5个基点站和长兴(二)、幻溇基点站与其12个巡测站的准同步监测两部分组成，主要控制长兴水系(长兴巡测段控制)、西苕溪水系(主要由基点站杨家埠控制)、东苕溪水系(主要由杭长桥和城北闸控制)以及东部河网(幻溇新桥巡测段控制)4个区块的水量，环太湖河道水质监测断面设置基本与水文巡测线保持一致(图 1).
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图 1 浙江省环太湖水量水质监测断面分布 Fig.1 Distribution of the monitoring sites of the water quality and quantity of the rivers surrounding Lake Taihu in Zhejiang Province |
水量监测项目包括水位、流量和流向，监测频次根据水文部门利用巡测资料推算出入湖水量的需要进行确定，其中基点站的流量测验为逐日测量；巡测站点的流量测验每月至少1次且每年不少于20次，测次考虑河道不同水位的均匀分布，以便于建立巡测段与基点站的推流关系. 水质监测项目为高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮，均采用国家标准分析方法测定：高锰酸盐指数采用酸性高锰酸钾法(GB/T 11892-1989)测定，氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)测定，总氮浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636-2012) 测定，总磷浓度采用钼酸铵分光光度法(GB/T 11893-1989) 测定，监测频次基点站按照每月上、中、下旬各一次监测，其他河道断面监测频次基本为每月一次.
1.3 污染物通量估算方法污染物通量的估算方法较多[19]，考虑到浙江省环太湖河道流向顺、逆不定和水质资料监测频次基本为每月一次的实际情况，本次污染物通量的估算方法与参考文献中报道的方法一致[15-16]，根据环太湖河道年内逐月出入太湖水量和河道水质污染物月平均浓度，分别估算逐月出入太湖主要污染物通量，得到环湖河道历年出入太湖主要污染通量.
1.4 降雨量和水位计算方法湖州地区年平均降水量基于区域内43个雨量站点，采用面积加权法计算而得，太湖年平均水位为望亭、洞庭西山、夹浦、小梅口、大浦口5站的算术平均水位，本研究采用的数据来自浙江省水文年鉴，所有数据均经过省市水文部门共同校核，质量可靠.
2 结果与分析 2.1 出入湖水量2007-2019年浙江省年平均入湖水量为27.39亿m3，年最大入湖水量是年最小入湖水量的2.99倍；年平均出湖水量为26.42亿m3，年最大出湖水量是年最小出湖水量的1.89倍. 2007年以来，浙江省入湖水量年际变化总体上大于出湖水量，按时段分析，其中2007-2014年出入湖水量变化相对平稳，水量以出湖为主，年平均出湖水量29.22亿m3，年平均入湖水量23.15亿m3；2015-2019年出入湖水量波动较大，水量以入湖为主，年平均入湖水量35.60亿m3，年平均出湖水量21.95亿m3. 2007-2019年浙江省出入湖水量变化趋势见图 2.2007-2019年浙江省多年逐月平均入湖水量年内分配非常不均，入湖水量主要集中在3月和6-8月；而出湖水量年内分配相对均衡，一般在7-10月有所增加. 多年逐月平均出入湖水量占比见图 2.
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图 2 浙江省出入太湖水量变化趋势及多年平均年内分配比例 Fig.2 Variation trend of water quantity in and out of Lake Taihu in Zhejiang Province and annual average distribution ratio |
2007-2019年浙江省环湖河道所在不同区块出入湖水量存在明显差异，其中环太湖西南部的长兴水系和西苕溪水系水量以净入太湖为主；东部平原河网水量以净出太湖为主；东南部的东苕溪水系水量除2016、2018、2019年以净入太湖为主外，其余年份以净出太湖为主. 从各区块入湖水量占比来看，西苕溪水系入湖水量占比最高，约为40 %，近年来呈下降趋势；东部河网入湖水量占比最低，约为10 %，近年来呈上升趋势；长兴水系和东苕溪水系入湖水量变化相对平稳，占比均在20 % ~30 % 之间. 从各区块出湖水量占比来看，东部河网出湖水量占比最高，在40 % ~60 % 之间，近年来还有上升趋势；东苕溪水系出湖水量占比次之，在30 % ~50 % 之间，近年来呈下降趋势；西苕溪和长兴水系出湖水量占比较小，均在5 % 以下. 浙江省历年不同区块出入太湖水量及比例变化见图 3.
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图 3 2007-2019年浙江省不同区块出入太湖水量及比例变化趋势 Fig.3 Variation trend of water quantity and proportion in and out of Lake Taihu in different areas of Zhejiang Province from 2007 to 2019 |
2007-2019年浙江省环湖河道所在不同区块CODMn、NH3-N、TP和TN的年平均浓度如图 4所示. 除TN外, 环湖河道其余3类污染物浓度在2007-2019年间呈明显下降趋势. 按照我国《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中河流水质标准进行评价，近几年，环湖河道除TN浓度仍处于Ⅴ~劣Ⅴ类外，其余3类污染物的浓度基本处在Ⅱ类水标准附近. 从CODMn的浓度变化来看，2007-2019年在4个区块河道均低于Ⅲ类水标准，尤其是自2016年以来西苕溪、东苕溪水系和东部河网的CODMn浓度已稳定在Ⅱ类水标准以下. 从NH3-N浓度变化来看，长兴水系在2016年之前在Ⅳ~劣Ⅴ类之间波动，2016年之后稳定在Ⅱ~Ⅲ类之间；西苕溪水系自2008年后在Ⅱ~Ⅲ类之间，且保持稳中有降趋势，2016年之后已低于Ⅱ类水标准；东苕溪和东部河网2007-2019年基本保持在低于Ⅱ类水标准. 从TP浓度变化来看，长兴水系在2014年之前在Ⅲ~Ⅳ类之间波动，之后在Ⅱ~Ⅲ类之间，且呈逐年下降趋势；西苕溪、东苕溪水系和东部河网在2011年之前均处于Ⅱ~Ⅲ类水标准之间，2011年之后浓度下降至Ⅱ类水标准附近. 从TN浓度变化来看，长兴水系虽然一直为劣Ⅴ类，但浓度下降趋势明显，其2019年比2007年下降了42 %；东苕溪、西苕溪水系和东部河网浓度变化较为平稳，其中东苕溪和西苕溪水系的TN浓度在2.5~3.5 mg/L之间，东部河网的TN浓度基本在2.0 mg/L附近.
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图 4 2007-2019年浙江省环太湖河道不同区块主要污染物逐年平均浓度的变化 Fig.4 Annual average concentration changes of main pollutants in different areas around Lake Taihu in Zhejiang Province from 2007 to 2019 |
2007-2019年的水质监测数据表明，浙江省环湖河道水环境质量得到了显著改善，尤其是水量以入太湖为主的湖州西部长兴水系. 根据文献报道，湖州西部长兴水系的水质多年来一直要劣于中部东西苕溪水系和东部平原河网[5, 14]. 近年来随着各项水环境治理工作的持续深入推进，从2016年以来的主要污染物数据表明长兴水系的主要污染物水质类别已接近东西苕溪水系及东部平原河网.
2.3 出入湖污染物通量根据浙江省环湖河道的水量及水质数据，计算污染物在各月份通过各河流出入湖的通量，得到历年主要污染物通量变化趋势(图 5). 2007-2019年浙江省环湖河道CODMn、NH3-N、TP、TN年平均入湖通量分别为1.12万、0.18万、0.03万、0.90万t，年平均出湖通量分别为1.13万、0.10万、0.03万、0.62万t. 从净入湖通量历年变化来看，除CODMn以净出湖通量为主外，其余3种污染物均以净入湖通量为主，存在较为明显的入湖滞留. 从入湖通量变化来看，2007-2014年间CODMn和TN入湖通量波动较小，NH3-N和TP入湖通量呈一定的下降趋势；2014-2019年间4种主要污染物的入湖通量均有不同程度的上升. 从出湖通量变化来看，2007-2019年间CODMn和TN出湖通量波动较小，NH3-N和TP出湖通量呈明显的下降趋势.
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图 5 2007-2019年浙江省环太湖河道污染物通量的变化趋势 Fig.5 Variation trend of pollutant fluxes of rivers around the Lake Taihu in Zhejiang Province from 2007 to 2019 |
2007-2019年浙江省环湖河道入太湖污染物通量比例见图 6. 从区块上来看，西苕溪和长兴水系是入湖污染物通量的主要贡献者，两者入湖通量的占比保持在2/3以上，其中CODMn和TN通量的年均入湖比例在西苕溪水系最高，分别为36.4 % 和38 %；NH3-N通量的年均入湖比例在长兴水系最高，年均比例为39.4 %；TP通量的年均入湖比例在西苕溪和长兴水系接近，均在33 % 左右. 从总体趋势上看，不同区块污染物入湖通量各自占比的差距在不断缩小，例如长兴水系CODMn的入湖通量占比由2007年的33.0 % 下降至2019年的23.0 %，东部河网由2007年的5.8 % 上升至2019年的17.4 %；西苕溪水系NH3-N的入湖通量占比由2007年的45.6 % 下降至2019年的32.7 %，东苕溪水系由2007年的7.1 % 上升至2019年的21.8 %.
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图 6 2007-2019年浙江省不同区块入太湖污染物通量比例 Fig.6 The proportion of pollutant flux into Lake Taihu in different areas of Zhejiang Province from 2007 to 2019 |
2007-2019年浙江省环湖河道出太湖污染物通量比例见图 7. 从区块上来看，东部河网和东苕溪水系是出湖污染物通量的主要贡献者，两者出湖通量的占比保持在4/5以上，其中CODMn和TP通量的年均出湖比例为东部河网最高，分别为56.2 % 和51.6 %；NH3-N和TN通量的年均出湖比例也是东部河网最高，分别为46.3 % 和48.5 %. 从总体变化趋势上看，不同区块污染物出湖通量各自占比的差距在不断扩大，例如东部河网CODMn的出湖通量占比由2007年的40.3 % 上升至2019年的61.6 %，西苕溪水系由2007年的6.8 % 下降至2019年的1.6 %；东苕溪水系NH3-N的入湖通量占比由2007年的31.0 % 上升至2019年的40.8 %，长兴水系由2007年的17.0 % 下降至2019年的4.1 %.
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图 7 2007-2019年浙江省不同区块出太湖污染物通量比例 Fig.7 The proportion of pollutant flux out of Lake Taihu in different areas of Zhejiang Province from 2007 to 2019 |
2007-2019年浙江省环太湖河道出入湖水量和湖州地区降水量及太湖平均水位变化趋势见图 8. 总体上2007-2014年出入湖水量、降水量及太湖平均水位变化相对平稳，2015-2019年出入湖水量、降水量及太湖平均水位变化较大. 根据相关性分析，浙江省入湖水量与降水量及太湖水位均呈正相关关系(r=0.811，r=0.682)，表现为降水量越大，入湖水量越大，太湖平均水位越高；而出湖水量与太湖水位呈负相关关系(r=-0.710)，表现为出湖水量越大，太湖平均水位越低. 根据文献报道，浙江环湖河道的出入湖水量主要取决于上游地区来水和下游太湖水位，2002年太湖流域“引江济太”工程实施前浙江省环湖河道水量以入湖为主，太湖年平均水位基本控制在3.08 m左右，2002年工程常态化运行后太湖年平均水位控制在3.25 m左右，水位提高17 cm，杭嘉湖平原年平均水位在2.96 m左右，由于受太湖水位顶托，浙江省环湖河道水量自2002年后总体以出湖为主[20-22]. 根据浙江水文年鉴的数据统计，湖州地区多年平均降水量为1389.4 mm(1956-2016年)，2007-2014年平均降水量为1406.9 mm，较多年平均偏多1.3 %；而2015-2019年平均降水量为1659.2 mm，较多年平均偏多19.4 %，尤其是2016年降水量较多年平均偏多47 %，地区降水量的明显增加是导致2015-2019年时段入湖水量增加、出湖水量减少的重要原因. 2007-2014年太湖平均水位为3.26 m，与“引江济太”工程运行控制水位3.25 m基本一致，这一时段浙江省环湖河道水量总体上以出湖为主，与前述文献结论一致；2015-2019年太湖平均水位为3.37 m，超过控制线11 cm，这一时段流域内出现了多次较大的洪水过程，环湖河道水量以入湖为主，太湖充分发挥了调蓄洪水的作用.
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图 8 2007-2019年浙江省出入湖水量与地区降水量及太湖平均水位的变化趋势 Fig.8 Variation trend of inflow and outflow quantity, regional precipitation and average water level of Lake Taihu in Zhejiang Province from 2007 to 2019 |
2007-2019年的水质监测数据表明，浙江省环湖河道主要污染物CODMn、NH3-N、TP、TN浓度呈明显下降趋势. 这主要是由于近年来浙江省持续开展水环境治理，通过严格企业准入制度，强制推行重污染企业零排放以消灭河流点源污染，通过对养殖业和种植业等农业面源污染进行控制，削减面源污染物进入河流的量，达到“点”、“面”共治，有效地改善了河道的水质[18].
国家发展改革委员会2013年底批复的《太湖流域水环境综合治理总体方案(2013年修编)》提出2020年太湖水体主要污染物CODMn、NH3-N、TP和TN浓度的目标值分别为4.0、0.5、0.05和2.0 mg/L. 2019年浙江省环湖河道CODMn、NH3-N、TP和TN的平均浓度与湖体水质目标浓度的比值分别为0.8、0.6、1.8和1.3，其中CODMn和NH3-N已达到湖体水质目标浓度，但TP和TN与目标值还存在较大的差距；从区域分布来看，长兴水系4个主要污染物浓度均高于湖体水质目标值，其余水系仅TP和TN浓度高于目标值. 因此，进一步控制环湖河道氮、磷污染物排放和继续改善长兴水系水质是下阶段水环境治理的重中之重.
3.3 污染物通量与水量水质的关系污染物通量估算误差主要来自水质、水量、采样点的代表性、水质分析方法和监测频次等因素，而水质和水量是其中两个最重要的影响因素，通过相关性分析可以了解影响污染物通量的关键因子. 由2007-2019年浙江省净入湖污染物通量与历年河道水质、水量的相关关系(图 9)可见，污染物净入湖通量与NH3-N、TP和TN浓度的相关性一般，相关系数的绝对值在0.0374~0.4391之间，与CODMn的相关性较好，相关系数的绝对值为0.7908. 污染物净入湖通量与净入湖水量之间的相关性较好，相关系数的绝对值在0.7675~0.9806之间. 通过分析可以发现，净入湖水量是影响净入湖通量的关键因子，这与朱昕阳等的研究结果一致[15]，主要是由于近年来浙江省环太湖河道水质逐年好转并趋于稳定，入湖通量主要受入湖水量的影响. 另外，根据文献报道，1986-2017年太湖流域浙江片区入湖水量平均占比仅为27 % [20]，2007-2014年浙江省主要入湖河道污染物浓度普遍要低于环太湖其他地区[5]，结合本文分析成果，浙江片区入湖河道污染物通量对太湖整体的影响程度呈下降趋势.
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图 9 浙江省净入湖污染物通量与水质、水量的相关关系 Fig.9 Correlation between net pollutant flux and water quality and quantity in Zhejiang Province |
1) 浙江省出入湖水量主要受地区降水量和太湖水位的影响. 2007-2014年浙江省出入湖水量变化相对平稳，水量以出湖为主；2015-2019年出入湖水量波动较大，水量以入湖为主，水量增加主要是该时段地区降水量相对较丰导致的. 从区块来看，西苕溪水系入湖水量占比最高，近年来呈下降趋势；东部河网入湖水量占比最低，近年来呈上升趋势；长兴水系和东苕溪水系入湖水量变化相对平稳. 从出湖水量区块来看，东部河网出湖水量占比最高，近年来还有上升趋势；东苕溪水系出湖水量占比次之，近年来呈下降趋势；西苕溪和长兴水系和出湖水量占比较小.
2) 2007-2019年浙江省环太湖河道主要污染物浓度呈明显下降趋势，湖州西部长兴水系水质改善尤为显著，但与《太湖流域水环境综合治理总体方案(2013年修编)》提出的2020年湖体主要污染物目标值相比，浙江省环湖河道的水质仍存在进一步改善的空间，尤其需要重点控制氮、磷污染物的排放.
3) 2007-2019年浙江省环湖河道除CODMn以净出湖通量为主外，NH3-N、TP和TN均以净入湖通量为主，存在一定入湖滞留. 从区块来看，西苕溪和长兴水系是入湖污染物通量的主要贡献者；东部河网和东苕溪水系是出湖污染物通量的主要贡献者. 浙江省入太湖水量是影响污染物入太湖通量的关键因子，这主要是由于近年来环湖河道水质逐年好转并趋于稳定，入湖通量主要受入湖水量的影响.
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