武 瑾 金文龍 陳亢利#

(1.蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州市環(huán)境科學研究所，江蘇 蘇州 215008)

陽澄湖作為典型城市淺水湖泊，在蘇州市的經濟社會發(fā)展及生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用[1]。目前，陽澄湖既是蘇州工業(yè)園區(qū)的第二水源地，也是昆山市飲用水源的補給水源，還是蘇州市重要的戰(zhàn)略備用水源。因此，陽澄湖水質直接影響到居民的飲用水供給安全[2]。為了進一步提升陽澄湖生態(tài)環(huán)境，2013年和2016年，蘇州市政府批準實施了首輪及第二輪《蘇州市陽澄湖生態(tài)優(yōu)化行動實施方案》(以下簡稱《行動方案》)。目前，部分學者已對《行動方案》實施以來陽澄湖的水質現(xiàn)狀及成因進行了調查分析[3-6]，但是對陽澄湖水質變化趨勢的分析多為定性分析，同時也缺少對主要入湖河流水質變化的分析，無法對陽澄湖及其主要入湖河道過去及未來水質的變化趨勢進行定量評估及預測[7]。

為此，本研究基于2013—2018年陽澄湖及主要入湖河道的逐月水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合季節(jié)性Kendall檢驗與重標極差分析(R/S)法，對其水質變化趨勢進行分析與預測，并根據(jù)分析結果和相關調查資料，對近年來陽澄湖總磷(TP)變化原因進行分析探討，以期為陽澄湖水環(huán)境管理工作提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 區(qū)域概況

陽澄湖(120°39′E～120°51′E，31°21′N～31°30′N)位于蘇州市區(qū)東北部，跨蘇州市相城區(qū)、吳中區(qū)及昆山市[8]，水面面積118.93 km2，湖內常水位約2.9 m，蓄水量約1.7億m3[9]。湖中有兩條南北向帶狀圩埂將湖體分為陽澄東湖、陽澄中湖、陽澄西湖，其中陽澄東湖面積最大，陽澄中湖和陽澄西湖次之，三湖之間有河道相匯溝通成一體。環(huán)陽澄湖共有進出湖河道59條，其中西線17條、北線12條、東線15條、南線15條。

根據(jù)江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局提供的環(huán)陽澄湖河道流量實測資料統(tǒng)計，環(huán)陽澄湖進出湖骨干河道共31條。西線河道以入湖為主，其中流量較大的4條主要入湖河道為蠡塘河、北河涇、渭涇塘以及界涇，入湖水量約占總入湖水量的80%，是陽澄湖西線污染的主要來源[10]。北線流量較大的河道為七浦塘和南肖涇，近年來因受拓浚整治后的七浦塘引排水工程影響，流向出入不定，七浦塘連續(xù)引水時水流入湖，連續(xù)排水時水流出湖，不引不排時常表現(xiàn)為緩流或滯流。東線和南線河道雖然以出湖為主，但近年來也存在逆流入湖的情形。

1.2 數(shù)據(jù)來源

水質數(shù)據(jù)：根據(jù)蘇州市生態(tài)環(huán)境局提供的陽澄湖6個監(jiān)測點位及主要入湖河道6個監(jiān)測斷面2013—2018年的逐月水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測頻次為每月1次。

監(jiān)測點位及監(jiān)測斷面：陽澄湖共設6個常規(guī)監(jiān)測點位，陽澄東湖、陽澄中湖和陽澄西湖各設2個，主要入湖河道共設6個監(jiān)測斷面，其中陽澄湖西線主要入湖河道蠡塘河設中星橋斷面，北河涇設沈橋斷面，渭涇塘設漁業(yè)村斷面，界涇設圣塘港橋斷面，北線主要入湖河道七浦塘設界橋斷面，南肖涇設南肖涇橋斷面。具體見圖1。

圖1 陽澄湖監(jiān)測點位及主要入湖河道監(jiān)測斷面位置示意圖Fig.1 The monitoring sites of Yangcheng Lake and the monitoring sections of its main inflow river channels

水質評價指標：《行動方案》中規(guī)定了陽澄湖的水質目標指標為高錳酸鹽指數(shù)(IMn)、氨氮(AN)、TP和總氮(TN)，主要入湖河道的水質目標指標為IMn、AN、TP，水質參考指標為TN。因此，確定IMn、AN、TP、TN為水質評價指標。

1.3 研究方法

應用季節(jié)性Kendall檢驗和R/S法對2013—2018年陽澄湖及主要入湖河道的逐月水質監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理。

1.3.1 季節(jié)性Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗是于1945年提出的非參數(shù)檢驗方法，并于1975年進一步完善[11-12]。然而，由于水質指標受流量的影響頗大，不同季節(jié)的降水量和水庫流量會對水質指標產生周期性影響，直接利用傳統(tǒng)的Mann-Kendall檢驗無法準確反映水質指標的真實變化趨勢。于是HIRSCH等[13]于1982年在Mann-Kendall檢驗的基礎上進一步加以改進，提出了季節(jié)性Kendall檢驗。季節(jié)性Kendall檢驗可對歷年相同月份或季節(jié)的水質資料進行對比，是一種僅考慮數(shù)據(jù)相對排列且不必考慮數(shù)據(jù)大小的非參數(shù)檢驗法，可避免水質監(jiān)測數(shù)據(jù)資料中常出現(xiàn)的季節(jié)異變、漏測、未檢出等因素的影響[14]。因水質時間序列長度對趨勢檢驗結果的影響較大，序列過短無法準確判斷是否存在趨勢，序列過長會導致序列掩蓋或抵消，一般以5～8年為宜[15]。因此，本研究基于6年逐月水質監(jiān)測數(shù)據(jù)進行的趨勢分析結果理論上較為可靠。

對某斷面的某項水質指標的6年逐月水質時間序列進行季節(jié)性Kendall檢驗的計算過程可簡要概括為3個主要步驟。首先，逐月計算差值統(tǒng)計量和其對應的方差，再相加獲得總統(tǒng)計量和總方差，進而獲得Kendall檢驗統(tǒng)計量(τ)和顯著性水平(α)。水質指標數(shù)據(jù)在時間序列上的趨勢是由τ決定的(見式(1))。

(1)

在雙邊趨勢檢驗中，選取α=0.01為高度顯著性水平，α=0.10為顯著性水平。

1.3.2 R/S法

Hurst指數(shù)可利用R/S法構建[16]，該指數(shù)已被廣泛用于水文、氣象、經濟等領域[17]。本研究為了進一步獲取水質時間序列變化趨勢在未來的表現(xiàn)，基于R/S法計算各水質指標的Hurst指數(shù)。

對某斷面的某項水質指標的6年逐月水質時間序列進行R/S法分析的具體計算方法如下：首先將某組水質時間序列數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)總量的約數(shù)依次進行分組，接著計算每組數(shù)據(jù)的離差和標準差，再計算Hurst指數(shù)。

Hurst指數(shù)≥0.5說明水質時間序列未來的變化趨勢與過去一致(長程相關性)，反之，則為長程反相關性[18]，進而判斷水質在未來將會持續(xù)改善還是下降[19]。具體判斷方法如表1所示[20]。

表1 Hurst指數(shù)分級

2 結果與分析

2.1 現(xiàn)狀年水質達標分析

2018年是陽澄湖兩輪《行動方案》的收官之年，因此，將2018年定為評價現(xiàn)狀年。對陽澄湖各監(jiān)測點位及主要入湖河道監(jiān)測斷面的水質指標進行達標分析，結果見圖2。

圖2 2018年陽澄湖監(jiān)測點位及主要入湖河道 監(jiān)測斷面水質指標年均值Fig.2 Annual average distribution of water quality indexes of monitoring sites of Yangcheng Lake and the monitoring sections of its main inflow river channels in 2018

2018年陽澄湖各監(jiān)測點位的IMn、AN均符合《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)的Ⅲ類限值(IMn≤6 mg/L；AN≤1.0 mg/L)；TP僅陽澄東湖符合GB 3838—2002的Ⅲ類限值(TP≤0.05 mg/L)；TN僅陽澄東湖南符合GB 3838—2002的Ⅲ類限值(TN≤1.0 mg/L)，其余監(jiān)測點位的TN均有不同程度超標，其中陽澄西湖南超標最嚴重。

從各監(jiān)測斷面的水質指標中反映出，入湖河道的IMn均符合GB 3838—2002的Ⅲ類限值，AN僅北河涇超過GB 3838—2002的Ⅲ類限值，TP也僅有北河涇超過GB 3838—2002的Ⅲ類限值(TP≤0.2 mg/L)。由于GB 3838—2002僅規(guī)定了湖、庫的TN限值，并未對河道TN限值作出規(guī)定，因此，本研究采用《行動方案》中提出的河道TN參考標準值(TN≤2.5 mg/L)進行達標評價[21-22]。蠡塘河和北河涇的TN超標嚴重，其余入湖河道的TN可達標。

2.2 水質變化趨勢分析

2.2.1 陽澄湖水質變化趨勢分析

2013—2018年陽澄湖及主要入湖河道的水質變化趨勢分析結果見表2。陽澄西湖除TP無顯著升降趨勢外，其余3項指標數(shù)值均有不同程度的下降趨勢，表明陽澄西湖水質總體呈明顯好轉趨勢；但從現(xiàn)狀年來看，陽澄西湖的TP、TN仍未達標，說明陽澄西湖的水環(huán)境整治措施雖切實有效，但還需進一步加大整治力度。陽澄中湖4項指標均無顯著升降趨勢，表明近年來陽澄中湖整體水質未有明顯改善效果，且中湖TN、TP依然超標，說明針對陽澄中湖污染所采取的整治措施還有待改進。陽澄東湖除TP顯著上升外，其余3項指標均無顯著升降趨勢，說明近年來陽澄東湖水質不僅沒有顯著改善，TP濃度還進一步上升了。

表2 2013—2018年陽澄湖及主要入湖河道水質指標季節(jié)性Kendall檢驗結果1)

從全湖整體水質變化趨勢來看，除TP無顯著升降趨勢外，其余指標均有不同程度的下降趨勢，表明《行動方案》實施以來，陽澄湖水質總體呈好轉趨勢，說明陽澄湖生態(tài)優(yōu)化行動的實施是卓有成效的，但TP已成為影響湖體水質達標的最大制約因素，接下來的工作應重點關注TP污染的防治。

2.2.2 主要入湖河道水質變化趨勢分析

對于6條主要入湖河道，IMn和AN除在北河涇無顯著升降趨勢外，其余5條河道的IMn和AN均有不同程度的下降趨勢；TP除在七浦塘和界涇無顯著升降趨勢外，其余4條河道的TP均有不同程度的下降趨勢；6條河道的TN均無顯著升降趨勢。

蠡塘河除TN無顯著升降趨勢且超標外，其余各項指標均呈高度顯著下降趨勢且達標，說明蠡塘河近年來的水環(huán)境整治工作富有成效，但TN污染依然嚴重，河道治氮任務艱巨。北河涇近年來TP雖顯著下降，但仍未能達標，其余各項指標不僅無顯著升降趨勢且AN和TN仍然超標，說明近年來北河涇的水污染治理效果較弱，下一步工作還需提出一些針對性的整治措施且加大整治力度。界涇和七浦塘的TP和TN雖無顯著升降趨勢，但能保持達標，不過考慮到河道TP濃度仍遠高于GB 3838—2002中湖、庫的Ⅲ類限值，大量引水入湖仍會對湖體TP濃度產生沖擊，因此還需進一步削減TP入湖量。渭涇塘和南肖涇除TN無顯著升降趨勢外，其余指標均有顯著下降趨勢，且各指標均能達標，說明渭涇塘和南肖涇近年來的整治工作是卓有成效的。

從總體來看，各主要入湖河道的TN均無顯著升降趨勢，其他指標均有一定程度的下降趨勢，說明實施的整治措施對入湖河道TN濃度無明顯改善效果；入湖河道TP改善效果明顯，但TP濃度基數(shù)較高，控制入湖河道中的磷負荷仍然是治理陽澄湖磷污染的重點。

2.2.3 水質變化趨勢預測

基于R/S法，對逐月水質監(jiān)測數(shù)據(jù)計算Hurst指數(shù)，結果如表3和表4所示。影響水質長程相關性的因素有很多，如流域面積、土地利用、景觀格局、氣候和水文等[23]。

表3 2013—2018年陽澄湖及主要入湖河道IMn和AN的R/S法分析結果

各監(jiān)測點位IMn和TN的Hurst指數(shù)都大于0.5，因此均存在長程相關性，未來的水質變化趨勢與2013—2018年間的變化趨勢相同，只是趨勢持續(xù)性的強弱有所不同。陽澄湖與主要入湖河道的IMn和TN濃度在2013—2018年間基本為顯著下降趨勢或無顯著升降趨勢，因此預測未來IMn和TN將持續(xù)改善或不會下降。AN的Hurst指數(shù)僅在陽澄東湖南小于0.5，且因該監(jiān)測點位AN無顯著升降趨勢，因此未來水質不會下降。TP在界涇和北河涇的Hurst指數(shù)小于0.5，因TP過去有下降趨勢，因此未來水質有可能會下降。值得注意的是，陽澄東湖南TP過去的變化趨勢是高度顯著上升，因長程相關性具有強持續(xù)性，未來水質有可能會下降。結合2018年TP水質達標情況來看，2018年陽澄東湖南TP雖已達標，但濃度已接近GB 3838—2002限值，若TP未來繼續(xù)維持上升趨勢，則陽澄東湖南TP也將超標。

2.3 水質變化原因分析

通過以上對陽澄湖水質變化趨勢的分析可知，IMn、AN和TN均有不同程度的下降趨勢且未來水質將會持續(xù)改善，僅TP常年居高不下，且個別監(jiān)測點位的TP在未來仍有可能會上升。由此可見，TP已成為影響陽澄湖水質達標的最大制約因素。因此，有必要對引起陽澄湖TP濃度變化的因素作進一步分析。據(jù)蘇州市生態(tài)環(huán)境局、江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局提供的相關資料分析，近年來湖體TP濃度變化可能與以下幾個原因有關：

(1) 七浦塘引水工程的影響。七浦塘拓浚整治工程于2016年全部建成，同年“引江入陽”開始試運行，七浦塘江邊樞紐泵(蕩茜水利樞紐)于2017年開始統(tǒng)計引水量情況。在2017年的7—9月，七浦塘向陽澄湖大量引水，引水量合計4.89億m3，導致TP入湖量大量增加。由于引水主要進入中湖，導致7月中湖TP濃度率先升高到0.130 mg/L，10月停止引水后，中湖TP又迅速下降到0.070 mg/L。而2018年的7—9月，七浦塘僅向陽澄湖引水0.26億m3，7月中湖TP為0.085 mg/L，相較2017年同期明顯下降。由此可見，引水與陽澄湖TP濃度之間存在較強的關聯(lián)。合理開展七浦塘調水引流是控制中湖水質的關鍵，因此，水利部門需要在充分考慮引水運行方式和引水量對陽澄湖河網水動力條件和水質影響的前提下，科學開展七浦塘引水工程，建議在北側入湖河道TP濃度監(jiān)測值較高的情況下盡量少引水。

(2) 南側出湖河道倒流的影響。沈文[24]研究發(fā)現(xiàn)，2016年6月陽澄東湖水源地取水口AN濃度的異常升高與南線出湖河道婁江的倒流有關，且南線出湖河道與陽澄東湖水源地指標間的線性相關性較好，可以看出倒流現(xiàn)象對水源地取水口水質存在一定影響。根據(jù)對陽澄湖及其周邊河道監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，2018年7月開始，陽澄東湖水源地南側司馬涇、夷陵河、朱家港、史家港、趙家浜等河道出現(xiàn)倒流入湖情況，陽澄東湖TP濃度也開始逐步攀升，從7月的0.050 mg/L上升到8月的0.090 mg/L，9月之后隨著倒流情況的好轉，陽澄東湖TP濃度也開始明顯下降，逐步恢復到0.050 mg/L水平。因此，可以初步判斷陽澄湖南側河道的倒流是引起2018年7—8月陽澄東湖TP濃度波動的主要原因，建議加強對南側河道水質水量的管控，在加強治污的同時，避免河水倒流入湖，特別是在水質較差時，應對其流向進行嚴格管控。

(3) 湖內圍網養(yǎng)殖與沿湖池塘養(yǎng)殖水的影響。根據(jù)2016年7月至2017年12月陽澄湖圍網養(yǎng)殖水質的專項監(jiān)測資料分析，位于圍網養(yǎng)殖區(qū)內的監(jiān)測點位，TP濃度高于湖內的其他類似監(jiān)測點位，說明圍網養(yǎng)殖對陽澄湖TP濃度有一定影響。在近3年的夏季，湖體TP濃度都會出現(xiàn)一定程度升高，由于夏季屬于大閘蟹生長中后期，且氣溫較高，大閘蟹活動量加大，需要增加餌料的投放量，餌料的殘留可能導致了陽澄湖TP濃度升高[25]。此外，陽澄湖沿湖區(qū)域還建有大面積連片養(yǎng)殖池塘，養(yǎng)殖池塘還未全部完成循環(huán)水改造及進排水系統(tǒng)改造，養(yǎng)殖尾水仍未能達標排放。因此，應合理投放餌料，減少湖體沉積物中的餌料殘留，并強化沿湖區(qū)域水產養(yǎng)殖整治工作。

(4) 農家樂餐飲和生活污水的影響。時至兩輪《行動方案》結束，陽澄湖已徹底消除船餐及住家船污水對湖體的直接污染，但陽澄湖沿岸和連通水域上的農家樂和船餐數(shù)量依然眾多，餐飲污水和生活污水處理不當現(xiàn)象仍然存在，污水排放導致水體中TP增加[26]。建議在鞏固上一輪船餐整治成果的基礎上，加強對農家樂餐飲和生活污水的處理和監(jiān)督檢查工作。

3 結論與展望

(1) 整體上看，陽澄湖除TP無明顯變化趨勢外，IMn、AN和TN均有不同程度的下降趨勢。陽澄湖各主要入湖河道的TN均無顯著升降趨勢，實施的整治措施對入湖河道TN濃度沒有明顯改善效果。

(2) 未來陽澄湖及其主要入湖河道水質總體將會持續(xù)改善，但有個別監(jiān)測點位的TP仍有可能會上升，應引起重視。TP已成為影響湖體水質達標的最大制約因素，接下來的工作應重點關注TP污染的防治。

(3) 陽澄湖TP濃度居高不下，與入湖河道TP濃度基數(shù)較高有關，還受到七浦塘引水工程、南側出湖河道倒流、湖內圍網養(yǎng)殖與沿湖池塘養(yǎng)殖水、農家樂餐飲和生活污水的影響。

(4) 本研究因缺少入湖河道逐月流量資料，不能對流量調節(jié)濃度進行檢驗，因此不能分析污染物濃度變化與流量的關系。下一步應在獲取相應水文資料的基礎上，通過計算污染物濃度與流量的相關性關系來進一步確定污染物具體來自面源還是點源。