尤愛菊，吳芝瑛，韓曾萃，楊 俊，滑 磊

(1：浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

(2：杭州市西湖水域管理處，杭州 310002)

引水等綜合整治后杭州西湖氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)空變化(1985-2013年)*

尤愛菊1，吳芝瑛2，韓曾萃1，楊 俊2，滑 磊1

(1：浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

(2：杭州市西湖水域管理處，杭州 310002)

經(jīng)引水等綜合整治后，西湖外湖、西里湖總磷(TP)濃度累計(jì)下降58%和78%，總氮(TN)濃度累計(jì)下降16.7%和7.7%，透明度提高100%～200%，富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)得到極大緩解.比較1986年治理前，西湖各湖區(qū)因來(lái)水、引水和排水格局差異較大，TP濃度的年內(nèi)變化特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)因素也存在較大差異：楊公堤以西的上游湖區(qū)因優(yōu)質(zhì)水源補(bǔ)充TP濃度總體較低，同時(shí)受流域降雨徑流面源輸入影響，呈現(xiàn)時(shí)段性升高；楊公堤和蘇堤之間的中游湖區(qū)優(yōu)質(zhì)水源補(bǔ)充量最大，湖區(qū)水體更新最快，TP濃度最低且變化相對(duì)最為穩(wěn)定；蘇堤以東的外湖區(qū)水體更新相對(duì)最慢，在夏、秋高溫季節(jié)因底泥污染釋放，TP濃度出現(xiàn)峰值.因外來(lái)引水量大且未經(jīng)脫氮處理，西湖各湖區(qū)TN年內(nèi)變化基本與錢塘江取水口TN濃度變化一致，同時(shí)因流域降雨徑流面源輸入而出現(xiàn)時(shí)段性波動(dòng).基于TP質(zhì)量平衡模型分析，各湖區(qū)水質(zhì)空間差異主要受水體年交換次數(shù)影響，其次受單位水體的年污染負(fù)荷影響.

西湖；總磷；總氮；時(shí)空分布；影響因子

杭州西湖是馳名中外的游覽勝地.由于種種原因，水質(zhì)一度長(zhǎng)年不佳，水體呈富營(yíng)養(yǎng)化，降低了西湖的旅游價(jià)值和可持續(xù)開發(fā)的潛力.為改善西湖水質(zhì)，數(shù)十年來(lái)杭州市投入了大量的人力、物力和財(cái)力開展西湖的綜合整治工作.近代西湖綜合整治包括湖底疏浚、入湖溪流整治、西湖西進(jìn)、引配水、水域生態(tài)修復(fù)等措施[1-2].其中西湖西進(jìn)工程恢復(fù)了清朝乾隆以前、楊公堤以西曾存在的金沙港、茅家埠、烏龜潭、浴鵠灣4大湖區(qū)，新增湖面面積約0.7km2，湖區(qū)總面積從5.66km2擴(kuò)大至6.36km2；工程實(shí)施后，西湖在流域形態(tài)上形成了楊公堤以西的上游湖區(qū)、楊公堤至蘇堤間的中游湖區(qū)和蘇堤以東的下游湖區(qū)(即外湖區(qū)).引配水工程始于1986年，直引約2000×104t/a的錢塘江水入西湖；2003年對(duì)引水工程進(jìn)行了擴(kuò)建，同時(shí)配套建設(shè)沉淀除磷預(yù)處理工程，引水規(guī)模增至40×104t/d.引排水格局上(圖1)，上游湖區(qū)從黃蔑樓、烏龜潭、醉白樓3個(gè)進(jìn)水口共進(jìn)水10×104t/d，出水全部進(jìn)入中游湖區(qū)；中游湖區(qū)從小南湖進(jìn)水口進(jìn)水27×104t/d，自岳湖泵站抽排10×104t/d水進(jìn)浙江大學(xué)護(hù)校河，抽引2×104t/d水進(jìn)北里湖，其余通過(guò)蘇堤6個(gè)橋孔排入下游湖區(qū)；下游湖區(qū)從長(zhǎng)橋溪進(jìn)水口進(jìn)水3×104t/d，并與承泄的上游來(lái)水主要從圣塘閘外排.

圖1 西湖湖區(qū)來(lái)水、布水和排水格局Fig.1 Inflow， water diversion and drainage in the West Lake

西湖實(shí)施綜合整治及大規(guī)模引水配水后，入湖污染負(fù)荷得到了有效控制，水體更新能力增強(qiáng)，水環(huán)境改善趨勢(shì)明顯[3-8].林豐妹等[3]通過(guò)調(diào)查、監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)西湖綜合保護(hù)工程實(shí)施后，流域內(nèi)污染物削減明顯，入湖溪流和西湖水質(zhì)改善效果顯著，流域內(nèi)生物多樣性有所增加.毛成責(zé)等[4]于2006年10月-2007年9月對(duì)西湖5個(gè)主要湖區(qū)的理化因子和藻類生物量進(jìn)行測(cè)定和分析，探討了西湖四季營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化與西湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)系.張志兵等[5]于2006-2007年對(duì)西湖浮游藻類的種類及個(gè)體豐度進(jìn)行初步研究，結(jié)果表明西湖水質(zhì)較整治前有明顯改善，一些清水藻類的種類逐步增多.楊俊等[6]以西湖不同湖區(qū)2012年的逐月監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，分析了西湖不同湖區(qū)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽以及浮游植物的時(shí)空變化特征，并對(duì)不同湖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià).近年來(lái)，有關(guān)西湖水質(zhì)、富營(yíng)養(yǎng)化和生態(tài)因子的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)成果較多[9-14]，而針對(duì)西湖時(shí)間分段和空間分區(qū)的水質(zhì)變化特征、驅(qū)動(dòng)因素及水質(zhì)與影響因子的關(guān)聯(lián)性定量研究成果較少.總磷(TP)、總氮(TN)是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要控制因子[15-16]，本文主要采用TP、TN濃度實(shí)測(cè)資料，分4個(gè)時(shí)期分析綜合整治過(guò)程中西湖水質(zhì)的變化特點(diǎn)和治理成效；通過(guò)與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)性分析并結(jié)合TP質(zhì)量平衡模型，定量研究分區(qū)TP濃度差異及主要原因.研究成果可為西湖今后的科學(xué)治理提供依據(jù)，并為其它城市景觀湖泊的治理提供參考.

1 不同時(shí)期TP、TN治理成效

西湖水質(zhì)的常態(tài)化監(jiān)測(cè)工作始于1998年，此前僅有零星監(jiān)測(cè)資料，此后監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和指標(biāo)不斷調(diào)整，至目前共設(shè)有15個(gè)覆蓋各湖區(qū)及主要入湖支流的監(jiān)測(cè)點(diǎn).楊公堤以西的上游湖區(qū)及支流常規(guī)監(jiān)測(cè)站主要建設(shè)于綜合整治后，故本次采用中游湖區(qū)和下游湖區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，分析西湖TP、TN 4個(gè)時(shí)期的變化特點(diǎn)及治理成效.分析的4個(gè)時(shí)期為：① 1985-1986年，反映西湖綜合治理前的本底情況；② 1987-2002年，主要反映西湖環(huán)湖污染源綜合治理、流域治理、底泥疏浚和從錢塘江直引2000×104t/a水量的綜合治理效果；③ 2003 -2010年，主要反映西湖引水規(guī)模擴(kuò)大至40×104t/d，湖區(qū)優(yōu)化進(jìn)出水口布局后的整治效果；④ 2011-2013年，主要反映西湖部分湖區(qū)實(shí)施生態(tài)修復(fù)工程的整治效果.另根據(jù)2008-2011年各站點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，同一湖區(qū)的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)年內(nèi)變化基本同步，且相同指標(biāo)監(jiān)測(cè)值較為接近，故本次研究分別選用西里湖、外湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)為中游湖區(qū)、下游湖區(qū)的代表站點(diǎn)；后文分析中以茅家埠監(jiān)測(cè)點(diǎn)為上游湖區(qū)代表站點(diǎn).

1.1 TP治理成效

西湖綜合整治工程實(shí)施后，由于入湖污染物得到有效控制，引大量?jī)?yōu)質(zhì)水帶來(lái)湖區(qū)水體年交換次數(shù)增加，水體TP濃度峰值、均值都顯著下降.西里湖不同時(shí)期的TP平均濃度分別下降17%、60%和34%，全時(shí)期累計(jì)下降78%；最大濃度在治理過(guò)程中略有上升，在后兩個(gè)時(shí)期則分別下降54%和59%，全時(shí)期累計(jì)下降76%.外湖不同時(shí)期TP的平均濃度分別下降20%、35%和19%，全時(shí)期累計(jì)下降58%；最大濃度下降12%、28%和31%，全時(shí)期累計(jì)下降56%.兩個(gè)湖區(qū)最小濃度變化不大，故TP變幅大大降低，湖泊水質(zhì)更為穩(wěn)定(表1).

表1 不同治理時(shí)期西里湖、外湖TP濃度變化*

*階段治理效果為該時(shí)期TP濃度變化量占該時(shí)期結(jié)束時(shí)TP濃度的百分比.

另外，不同時(shí)期因湖泊水質(zhì)的主要影響因子不同，呈現(xiàn)不同的空間分布特征.1985-1986年綜合治理前及1987-2002年治理階段，湖區(qū)水質(zhì)主要受流域污染負(fù)荷影響，因西里湖直接承接流域負(fù)荷，故TP空間上呈現(xiàn)西里湖較高、外湖略低的特征.2003-2010年治理階段，錢塘江大規(guī)模引水(經(jīng)預(yù)處理)實(shí)施后，引水布局對(duì)湖區(qū)水質(zhì)影響較大，因引水先進(jìn)入西里湖湖區(qū)，大量?jī)?yōu)質(zhì)的補(bǔ)充水源極大提高了西里湖湖區(qū)的水體更新能力，使得西里湖TP濃度得到大幅下降；而通過(guò)蘇堤橋孔擴(kuò)散至外湖后，立即與外湖水體摻混，濃度升高，濃度梯度迅速減小，對(duì)水體的稀釋、更新能力減弱，故外湖水質(zhì)的改善程度相對(duì)較低.2011-2013年治理階段，在綜合因素作用下，西里湖沉水植物生態(tài)系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，湖區(qū)水質(zhì)進(jìn)一步得到改善，而外湖TP濃度的下降主要是上游西里湖來(lái)水濃度降低所致，故改善幅度相對(duì)較小(表1).

1.2 TN治理成效

相對(duì)于TP，不同時(shí)期TN的變化幅度較小，外湖平均濃度總體下降16.7%，西里湖下降7.7%.西湖引水規(guī)模擴(kuò)大后，并未作源水的脫氮預(yù)處理，因此TN濃度的下降主要得益于西湖入湖污染源的綜合整治.根據(jù)相關(guān)測(cè)算，一期綜保工程實(shí)施后，直接或滲排的入湖TN負(fù)荷減少16.99t/a[3].流域來(lái)源的TN和引水?dāng)y帶的TN均先進(jìn)入西里湖，經(jīng)其滯蓄后至下游湖區(qū)，均值、最大值濃度均略有下降，故外湖改善程度略高于西里湖(圖2).

圖2 不同治理階段西里湖及外湖TN濃度變化Fig.2 Variations of TN concentration in the inner West Lake and outer West Lake in different management periods

1.3 其它指標(biāo)

西湖綜合整治在大大降低TP濃度的同時(shí)，湖區(qū)透明度得到顯著提高，外湖透明度從整治前的30～40cm[1]提升到70～80cm，而西里湖提高到100cm以上.同時(shí)各湖區(qū)的葉綠素a濃度水平也顯著下降，外湖年均濃度從治理前的160μg/L下降至50μg/L以下，西里湖則下降至10μg/L以下.根據(jù)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)，因TP、葉綠素a濃度的下降及透明度的提高，外湖從中度富營(yíng)養(yǎng)化演變?yōu)檩p度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，而西里湖演變?yōu)橹袪I(yíng)養(yǎng)狀態(tài).因此，西湖治理通過(guò)對(duì)引水水源TP的控制，使得湖區(qū)透明度和富營(yíng)養(yǎng)化程度得到極大改善，說(shuō)明TP是西湖富營(yíng)養(yǎng)化的控制性指標(biāo).

2 TP、TN年內(nèi)變化及空間差異分析

2.1 TP年內(nèi)變化及空間差異

西湖經(jīng)流域綜合整治后，點(diǎn)源污染基本得到控制，入湖TP負(fù)荷主要由流域面源負(fù)荷[17]、湖泊底泥釋放的內(nèi)源負(fù)荷、引水?dāng)y帶的負(fù)荷及湖面干濕沉降等組成.其中引水經(jīng)預(yù)處理后TP濃度全年較為穩(wěn)定，湖面干濕沉降在總負(fù)荷中所占比重較小[18]，因此TP濃度的年內(nèi)變化主要因降雨驅(qū)動(dòng)的流域面源污染和氣溫驅(qū)動(dòng)的內(nèi)源污染變化引起.但由于補(bǔ)充水源水量、水質(zhì)的差異，各湖區(qū)受降雨、氣溫變化的影響程度也不同.采用2011年實(shí)測(cè)資料對(duì)西湖水質(zhì)的空間差異及與驅(qū)動(dòng)因子的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3、圖4.

圖3 上游、中游湖區(qū)TP濃度、降水年內(nèi)同步過(guò)程Fig.3 Synchronous process of rainfall and TP concentration in upstream and midstream of the lake within the year

圖4 下游湖區(qū)TP濃度、水溫年內(nèi)同步過(guò)程Fig.4 Synchronous process of water temperature and TP concentration in downstream of the lake within the year

從圖3可見，西湖上游、中游湖區(qū)TP濃度全年較低，在降雨集中的6月份出現(xiàn)峰值，尤其是茅家埠站代表的上游湖區(qū)更為明顯；8月茅家埠站因降雨TP濃度再次抬升，但由于降雨量相對(duì)較小，西里湖站因有穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)引水輸入，故TP濃度受降雨影響不明顯.10、11月兩站TP濃度先后再次出現(xiàn)峰值，對(duì)比圖4中的水溫變化過(guò)程結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果[19-20]，主要是由水溫升高致使底泥釋放增加引起；其中上游湖區(qū)抬升幅度不及降雨引起的6月峰值，而中游湖區(qū)抬升幅度超過(guò)因降雨引起的6月峰值.

下游湖區(qū)TP濃度年內(nèi)變化過(guò)程與上游、中游湖區(qū)存在顯著差異，下游湖區(qū)TP濃度在降雨集中的6月份并無(wú)明顯的升高現(xiàn)象，而在水溫較高的8-10月份，TP濃度持續(xù)升高并出現(xiàn)峰值(圖4).由此可見，流域徑流面源污染經(jīng)上游湖區(qū)、中游湖區(qū)調(diào)蓄凈化后，對(duì)下游湖區(qū)的影響明顯減弱，而高溫期底泥內(nèi)源釋放的TP負(fù)荷是造成下游湖區(qū)出現(xiàn)高濃度的主要原因；此外從圖4可見，水體TP濃度的升高和回落與水溫過(guò)程相比有一個(gè)明顯的滯后期，過(guò)程是合理的.

綜合圖3、圖4，外湖全年TP濃度變化受水溫影響最為明顯；茅家埠全年TP濃度變化受降雨影響最為明顯；而西里湖因有上游對(duì)流域面源污染的初步攔截，同時(shí)承納大量水質(zhì)穩(wěn)定的外來(lái)引水(經(jīng)除磷預(yù)處理)，全年TP濃度最低且最為穩(wěn)定.根據(jù)年內(nèi)各月實(shí)測(cè)TP濃度，外湖、西里湖、茅家埠TP濃度年內(nèi)均方差分別為0.020、0.009和0.006mg/L，以外湖變幅最大，西里湖變幅最小.各湖區(qū)TP濃度除時(shí)間分布不均勻外，空間分布也不均勻：2011年1-3月低溫期外湖TP濃度為西里湖的1.2倍，而8-10月高溫期則達(dá)到2.8倍；這也說(shuō)明外湖將是當(dāng)前及未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，西湖治理的重點(diǎn)區(qū)域.

2.2 TN年內(nèi)變化及空間差異

圖5 西湖各湖區(qū)TN及同期錢塘江取水口TN、降雨過(guò)程Fig.5 TN concentration in the West Lake and the inlet of Qiantang River， and rainfall at the same period

因錢塘江引水未作降氮處理，故湖區(qū)TN濃度既受外來(lái)引水的影響，也受流域面源負(fù)荷[17]、湖泊內(nèi)源負(fù)荷和湖區(qū)干濕沉降的影響.因從錢塘江引水量較大，西湖各湖區(qū)TN年內(nèi)濃度變化總體上和錢塘江引水口TN濃度變化較為同步，但在降水量較大的6月，各湖區(qū)TN濃度均出現(xiàn)峰值.此外，從各湖區(qū)的TN濃度大小看，上游湖區(qū)因直接接納流域負(fù)荷，因此TN濃度相對(duì)最高，且受降雨的影響也更顯著；中游湖區(qū)、下游湖區(qū)經(jīng)上游湖區(qū)對(duì)流域負(fù)荷及引水負(fù)荷的滯蓄和消納后，TN濃度均有明顯下降，且受降雨影響的程度也明顯減小.對(duì)比水溫變化過(guò)程，各湖區(qū)TN濃度均無(wú)隨水溫升高而升高的現(xiàn)象，反而在水溫較高的8-10月份出現(xiàn)降低現(xiàn)象，有學(xué)者認(rèn)為和水體中微生物的活躍性有關(guān)[6]，但有待進(jìn)一步證實(shí)(圖5).

3 TP分區(qū)差異定量分析

西湖TP濃度及其變化的分區(qū)差異，從驅(qū)動(dòng)因素來(lái)看主要是降雨、引水和水溫造成底泥釋放TP負(fù)荷的影響程度不同所致，但從機(jī)理來(lái)看主要是承納的污染負(fù)荷和水體交換時(shí)間不同所致.采用文獻(xiàn)[22-23]建立的西湖TP模型，對(duì)不同湖區(qū)的水質(zhì)差異進(jìn)行定量分析.

TP濃度質(zhì)量平衡模型(budget models)是全混合模型.對(duì)于年(或月)的穩(wěn)定狀態(tài)，全混合模型可假定流出磷的濃度與湖區(qū)充分混合穩(wěn)定濃度相同，且流入、流出水體相同.穩(wěn)定狀態(tài)下TP濃度計(jì)算式為：

(1)

表2 西湖各湖區(qū)特征參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

1) 西湖綜合保護(hù)工程實(shí)施以來(lái)，外湖、西里湖TP濃度累計(jì)下降58%和78%，TN濃度累計(jì)下降16.7%和7.7%，透明度提高了100%～200%，富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)得到極大緩解，治理成效顯著.相關(guān)研究提出西湖是一個(gè)典型的磷限制型富營(yíng)養(yǎng)化湖泊[4]，本文從控磷帶來(lái)西湖水質(zhì)和富營(yíng)養(yǎng)化改善的情況，也證實(shí)了這一點(diǎn).因此，今后西湖富營(yíng)養(yǎng)化的治理，需要以進(jìn)一步控制外源和內(nèi)源輸入的TP負(fù)荷為主.

2) 目前西湖進(jìn)、排水口過(guò)于集中，因此水質(zhì)空間差異極大.大量?jī)?yōu)質(zhì)引水僅小南湖一個(gè)主進(jìn)水口和圣塘閘一個(gè)主出水口，各湖區(qū)TP、TN在時(shí)間和空間上變化均存在差異，且主要的影響因子及其對(duì)各湖區(qū)的影響程度也不同.蘇堤上游湖區(qū)經(jīng)流域綜合治理和大規(guī)模集中引水后，全年TP維持在0.05mg/L以下，但在8-10月高溫期，外湖區(qū)因內(nèi)源污染釋放累積TP濃度可達(dá)0.08～0.10mg/L，仍存在營(yíng)養(yǎng)鹽的“高濃度區(qū)”，依舊面臨“水華”暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn).因此，外湖區(qū)將是未來(lái)一段時(shí)期西湖治理的重點(diǎn)水域.

3) TP模型定量分析表明，水體年交換次數(shù)低、高溫期因底泥釋放單位水量污染負(fù)荷大是外湖區(qū)TP濃度較高的主要原因.應(yīng)進(jìn)一步開展全湖引排水格局優(yōu)化、湖區(qū)底泥污染治理、流域污染源控制與管理及擴(kuò)大引水規(guī)模等方面的研究工作，以進(jìn)一步提高全湖TP濃度均勻度、減少外湖TP高濃度值出現(xiàn)的歷時(shí)和范圍.

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Spatial and temporal distributions and variations of nutrients in the West Lake， Hangzhou， after the implementation of integrated water management program (1985-2013)

YOU Aiju1， WU Zhiying2， HAN Zengcui1， YANG Jun2& HUA Lei1

(1：ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary，Hangzhou310020，P.R.China)

(2：HangzhouWestLakeAdministration，Hangzhou310002，P.R.China)

Through the integrated management including water diversion, the total phosphorus (TP) concentrations were decreased by 58% and 78%， the total nitrogen (TN) decreased by 16.7% and 7.7%， and transparency raised by 100% to 200%， respectively， in the outer West Lake and the inner West Lake. Eutrophication status was greatly reduced in the lake. Compared to the situation before the implementation of the program in 1986， due to the huge differences in inflow， diversion and drainage patterns， the characteristics of TP concentration variations within the year and their driving factors have great differences in different regions of the lake. In the upper lake region located in the west of Yanggongdi， TP concentration was low because of the supplement of high quality diverted water， and the concentrations increased in certain periods of time by the influences of rainfall-runoff non-point sources. The lake region between Yanggongdi and Sudi， TP concentration was the lowest and its variation was relatively stable， due to the large quantity of supplemented high-quality diverted water and the fastest water exchange. In outer lake area located in the east of Sudi， water exchange was slow， and TP concentrations reached the peak in summer because of the sediments release. Due to large quantity of water diversion and being lack of denitrification process， the variation of TN concentrations in the West Lake were the same as that in the intake river， Qiantang River， and the concentrations appeared to fluctuate in the same period of time for the rainfall-runoff non-point source. Based on the analysis of TP mass balance model， the spatial variation of water quality was primarily affected by the times of water exchange， and the pollutant load per volume of water secondary.

West Lake; total phosphorus; total nitrogen; spatial and temporal distributions; impact factors

*國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07101-007-005)資助.2014-03-19收稿；2014-10-28收修改稿.尤愛菊(1974～)，女，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師；E-mail：youaj@zjwater.gov.cn.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(3)： 371-377

http： //www.jlakes.org.E-mail： jlakes@niglas.ac.cn

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