陳年浩 陸昊 汪匯 劉彤 錢新

摘要 ?基于2007—2021年望虞河流域的每月巡測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)和2個(gè)水利樞紐調(diào)水?dāng)?shù)據(jù)，以及2021年沿望虞河布設(shè)的13個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析望虞河—貢湖在引江濟(jì)太工程下的水質(zhì)時(shí)空變化特征并計(jì)算望虞河出入湖磷通量。結(jié)果表明，長(zhǎng)江來水除TN外可達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，西岸支流惡化望虞河水質(zhì)，使得沿程水質(zhì)變化特征復(fù)雜并抬升入湖污染負(fù)荷。2007—2021年引江濟(jì)太調(diào)水期間，望虞河入湖的CODMn、TP相較長(zhǎng)江來水分別上升40.2%和13.3%，長(zhǎng)江來水本身也有導(dǎo)致貢湖水質(zhì)惡化的風(fēng)險(xiǎn)。同期望虞河引江入湖磷通量累計(jì)1 306.3 t，凈通量237.5 t，對(duì)貢湖造成高磷素負(fù)荷沖擊。

關(guān)鍵詞 ?水質(zhì)；變化特征；磷通量；引江濟(jì)太；望虞河

中圖分類號(hào) ?X 171.4 ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ?A ??文章編號(hào) ?0517-6611（2023）05-0056-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.014

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Water Quality Change Characteristics and Phosphorus Flux Calculation of Wangyu River as Yangtze River-Lake Taihu Water Diversion Channel

CHEN Nian-hao，LU Hao，WANG Hui et al

（School of Environment，Nanjing University/State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Nanjing，Jiangsu 210023）

Abstract ?Based on the monthly water quality survey data of Wangyu River basin from 2007 to 2021， water transfer data of 2 hydro-junctions in Wangyu River， and the data of 13 sampling sites along the Wangyu River in 2021，the spatial-temporal variation characteristics of water quality of Wangyu River-Gonghu Bay under Yangtze River-Lake Taihu water diversion were analyzed， and the phosphorus flux of Wangyu River-Lake Taihu was calculated. The results showed that except TN， the incoming water from the Yangtze River could reach the class III water standard. However， the infuent from the west bank made the water quality change characteristics complicated and increased the pollution load into Lake Taihu. During the period of water diversion from 2007 to 2021， CODMn and TP from Wangyu River into Lake Taihu increased by 402% and 13.3%， respectively， compared with that from Yangtze River. The water from the Yangtze River itself also had the risk of causing the deterioration of the water quality of Gonghu Lake.Meanwhile， the total phosphorus flux from Wangyu River into Lake Taihu was 1 306.3 t， and the net flux was 237.5 t， causing a high phosphorus load impact on Gonghu Bay.

Key words ?Water quality;Change characteristics;Phosphorus flux;Yangtze River-Lake Taihu water diversion;Wangyu River

自20世紀(jì)80年代以來，跨流域調(diào)水工程已在國(guó)內(nèi)外眾多湖泊中付諸實(shí)踐，如荷蘭Veluwe湖［1］、美國(guó)Moses湖［2］，國(guó)內(nèi)大型湖泊如太湖［3］、巢湖［4］等，在水質(zhì)改善和富營(yíng)養(yǎng)化控制過程中發(fā)揮了積極作用。由于調(diào)水工程的來水一方面會(huì)引起流經(jīng)區(qū)域和受水湖泊水文水動(dòng)力學(xué)特性的改變［5］，另一方面會(huì)挾帶引水區(qū)及流經(jīng)區(qū)域的營(yíng)養(yǎng)鹽和污染物等直接進(jìn)入受水湖泊［6］，因而對(duì)流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生復(fù)雜影響。

太湖地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的長(zhǎng)江流域下游地區(qū)，是我國(guó)第三大淡水湖，流域經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展導(dǎo)致大量氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽輸入太湖，使湖體富營(yíng)養(yǎng)化。經(jīng)過多年治理，太湖富營(yíng)養(yǎng)化程度得到一定的控制［7］，但藍(lán)藻水華暴發(fā)的面積仍然較大［8］。望虞河引江濟(jì)太工程是太湖流域綜合治理骨干工程之一，在望虞河入江和入湖處分別通過常熟樞紐和望亭立交樞紐工程進(jìn)行水利調(diào)度，優(yōu)化水資源配置。當(dāng)前關(guān)于引江濟(jì)太調(diào)水對(duì)受水區(qū)貢湖及太湖全湖的水質(zhì)影響已有較多研究［9-11］，但鮮有關(guān)注該工程流經(jīng)通道望虞河的全程水質(zhì)變化特征。同時(shí)，引水是否造成太湖總磷濃度上升尚有爭(zhēng)議，但調(diào)水過程中引入了一定量的磷進(jìn)入太湖［12］已被證實(shí)。由于不同年份引水量存在很大差異，因此摸清多年來的磷通量對(duì)評(píng)估引江濟(jì)太工程對(duì)太湖水環(huán)境的影響具有重要的意義。

在長(zhǎng)三角一體化發(fā)展的大背景下，浙江省和上海市對(duì)太湖水資源的需求增加，望虞河引江濟(jì)太的水量有增加的趨勢(shì)，因此，該研究基于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)綜合分析望虞河—貢湖在江河湖連通的復(fù)雜環(huán)境條件下的水質(zhì)時(shí)空變化特征，并估算2007—2021年出入湖磷通量，以期為制定兼顧太湖水質(zhì)控制和生態(tài)改善的引江濟(jì)太調(diào)水優(yōu)化方案提供參考和支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

望虞河總長(zhǎng)60.8 km，是連接太湖和長(zhǎng)江距離最短的流域性河道，既是長(zhǎng)江水源直接引入太湖的通道，也是汛期太湖水外排長(zhǎng)江的重要排水通道。望虞河流域?qū)俚湫推皆泳W(wǎng)區(qū)，流域水系縱橫交錯(cuò)，干流上有鵝真蕩、漕湖等湖蕩，東西兩岸有多條支流匯入，東岸各支流均有閘口控制，西岸支流除北部福山塘以北段和中部嘉菱蕩以南部分支流有控制外，其余大部分為開敞狀態(tài)［10］。望虞河西岸地區(qū)人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，氮磷負(fù)荷較重［13］，域內(nèi)河網(wǎng)與望虞河存在頻繁的水量交換，太湖排水時(shí)西岸河網(wǎng)污水經(jīng)望虞河向北排入長(zhǎng)江，引水時(shí)隨長(zhǎng)江水向南匯入太湖。

1.2 樣品采集與數(shù)據(jù)獲取

收集1986—2021年的常熟和望亭水利樞紐水量數(shù)據(jù)和2007—2021年的流域每月巡測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)。該研究在長(zhǎng)江—望虞河—貢湖段布設(shè)13個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），其中望虞河11個(gè)、貢湖內(nèi)2個(gè)，WY1和WY9分別位于常熟樞紐閘內(nèi)和望亭樞紐閘內(nèi)。分別于2021年引水期（1月14—15日和12月29—30日）采樣2次、排水期（6月21—22日）采樣1次。每個(gè)采樣點(diǎn)通過JFEAAQ-177多參數(shù)水質(zhì)儀原位監(jiān)測(cè)pH、水溫、溶解氧（DO）、葉綠素a（Chl-a）、電導(dǎo)率（EC）、 濁度（NTU），通過1.5 L采水器采集水面下0.3～0.5 m 水樣裝于潤(rùn)洗過的500 mL PET瓶中，水樣4 ℃冷藏保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。采用高錳酸鉀氧化分光光度法測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)（CODMn），納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮（NH3-N），麝香草酚分光光度法測(cè)定硝氮（NO3-N），堿性過硫酸鉀紫外分光光度法測(cè)定總氮（TN），鉬酸銨分光光度法測(cè)定總磷（TP）。

1.3 磷通量計(jì)算

根據(jù)逐月的水量和TP濃度數(shù)據(jù)，兩者相乘即可計(jì)算入（出）湖斷面（WY9）的年磷通量。

2 結(jié)果與分析

2.1 望虞河引排水量變化趨勢(shì)

自2002年啟動(dòng)調(diào)水以來，引江工程顯著增加了望虞河入太湖的水量，2002—2021年望虞河年均入湖水量7.54×108 m3，相較1986—2001年增加了13倍。2015年以來，望虞河入湖水量有所減少，年均入湖水量4.4×108 m3，僅為2002—2014年的47.7%。2004—2014年望虞河年入湖水量占太湖年總?cè)牒康?.5%～148%，2015—2020年年入湖水量占太湖年總?cè)牒康?.9%～48%。2007—2021年望虞河共引長(zhǎng)江水255.64×108 m3，其中112.50×108 m3進(jìn)入太湖，143.14×108 m3進(jìn)入望虞河兩岸河網(wǎng)，平均入湖效率為44%；以2014年為拐點(diǎn)，近15年來引江濟(jì)太入湖效率呈現(xiàn)先上升后下降、再波動(dòng)上升的趨勢(shì)（圖2）。

2.2 長(zhǎng)江來水、望虞河入湖與貢湖水質(zhì)比較

引江濟(jì)太調(diào)水期間，位于望虞河兩端的WY1和WY9處水質(zhì)可分別代表長(zhǎng)江來水和望虞河入湖水質(zhì)，TH2處水質(zhì)代表貢湖水質(zhì)。2007—2021年引江濟(jì)太調(diào)水期間，望虞河入湖的CODMn、TP平均濃度分別為3.24和0.117 mg/L，相較長(zhǎng)江來水分別上升40.2%和13.3%，TN平均濃度為1.43 mg/L，相較長(zhǎng)江來水下降24.1%；長(zhǎng)江來水的CODMn、TP和TN低于望虞河入湖的比例分別為83.1%、62.7%和32.1%。由圖3可見，引水期間望虞河入湖的CODMn和TP負(fù)荷較長(zhǎng)江來水有所提高，TN負(fù)荷有所降低，說明望虞河西岸河網(wǎng)污水的匯入對(duì)入湖水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

對(duì)比望虞河入湖和直接受水區(qū)貢湖的水質(zhì)，引江濟(jì)太調(diào)水期間，貢湖的CODMn、TN和TP平均濃度分別為3.37、2.30和0.073 mg/L，望虞河入湖的CODMn、TN和TP平均濃度分別比貢湖低3.9%、低37.8%和高60.3%。由圖3可見，引江濟(jì)太期間望虞河入湖的CODMn負(fù)荷與貢湖基本持平，TN負(fù)荷盡管較長(zhǎng)江來水有所提高，但仍低于貢湖，TP負(fù)荷顯著高于貢湖。進(jìn)一步對(duì)比長(zhǎng)江來水和貢湖的TP情況，引江濟(jì)太調(diào)水期間長(zhǎng)江來水的TP平均濃度高于貢湖41.9%，TP濃度僅有20.3%的比例低于貢湖。磷是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要元素之一［14］，2016年以來，太湖TP濃度出現(xiàn)反彈［15］。由于河湖執(zhí)行的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不同，盡管長(zhǎng)江來水的TP達(dá)到 Ⅲ 類水標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于受水區(qū)貢湖而言已然偏高，同 時(shí)望虞河西岸磷負(fù)荷隨引水入湖，因此磷是引江濟(jì)太需要關(guān)注的重要因子。

2.3 望虞河水質(zhì)沿程變化特征

上述的巡測(cè)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明望虞河兩端的污染負(fù)荷有所不同，為進(jìn)一步闡明西岸支流匯入導(dǎo)致的水質(zhì)變化，沿望虞河開展了詳細(xì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，結(jié)果見圖4。

2.3.1 ???引水期水質(zhì)沿程變化特征。

從圖4可以看出，2次引水期（1月和12月）WY1的CODMn、TN和TP處于各斷面較低甚至最低水平，望虞河水質(zhì)沿程總體上呈現(xiàn)先惡化、經(jīng)湖蕩有所改善再惡化的變化特征。具體來看，從WY1到WY2，該段西岸支流口門得到控制，無污水匯入，望虞河水質(zhì)變化不大。從WY2到WY4，張家港和錫北運(yùn)河在該段通過多個(gè)口門與望虞河發(fā)生水量交換，望虞河水質(zhì)已明顯惡化，1月引水時(shí)WY4處相較長(zhǎng)江來水CODMn和TP分別上升77.2%和23.7%；12月引水時(shí)CODMn和TP分別上升287.8%和133%。從WY4至WY5，九里河經(jīng)宛山蕩在嘉菱蕩匯入后，TN和TP出現(xiàn)小幅升高或維持不變，CODMn則有較為明顯的下降。從WY5到WY6，該段西岸支流口門得到控制，12月引水時(shí)水質(zhì)變化不大，1月TP濃度大幅上升可能是由于采樣時(shí)恰逢大型船舶連續(xù)經(jīng)過排放污水所致。對(duì)比湖蕩與河段及WY6與WY8的水質(zhì)，湖蕩相較河段或WY8相較WY6的CODMn、TN、TP濃度均有不同程度的下降，說明湖蕩對(duì)水體有一定的截留凈化作用［16］。從WY8到WY9，伯瀆港和古市橋河相繼與望虞河發(fā)生水量交換，可能由于本來WY8的TP濃度已經(jīng)較高，1月引水時(shí)TP下降18.4%，CODMn和TN變化不大；12月引水時(shí)CODMn和TP分別上升95.7%和200%，TN變化不大。

綜上，引水期望虞河沿程水質(zhì)受西岸支流匯入影響顯著，各支流口門眾多，且不同污染物的污染程度各不相同，導(dǎo)致望虞河水質(zhì)沿程變化特征復(fù)雜。西岸支流總體上惡化望虞河水質(zhì)，與已有研究的結(jié)論一致［17-18］，其中污染最嚴(yán)重的是張家港和錫北運(yùn)河。盡管鵝真蕩、漕湖等湖蕩對(duì)水質(zhì)有一定的改善作用，同時(shí)污染物自身存在擴(kuò)散和沉降作用，但最終入湖水體各項(xiàng)指標(biāo)仍不如長(zhǎng)江來水。因此引水期間控制望虞河西岸河網(wǎng)污染的輸入有利于保障實(shí)現(xiàn)“以清釋污”的工程目標(biāo)。

2.3.2 ???排水期水質(zhì)沿程變化特征。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，6月貢湖及鵝真蕩、漕湖暴發(fā)藻華，區(qū)間河段漂浮大量藍(lán)藻，對(duì)應(yīng)的TH2～WY6的Chl-a濃度為3.76～4.67 μg/L，此后Chl-a濃度逐漸下降，藍(lán)藻暴發(fā)也導(dǎo)致水體有更高的CODMn和更低的DO，其中CODMn在WY7和WY5分別達(dá)到10.77和9.95 mg/L，在WY4回落至4.98 mg/L，之后逐漸升高；DO沿程逐漸降低，從出湖的8.44 mg/L降至排江的3.76 mg/L；TN在望虞河口（TH1）高達(dá)7.12 mg/L，出湖后迅速降低，沿程變化較小，介于1.32～2.55 mg/L；TP沿程逐漸升高，從出湖的0.044 mg/L升至排江的0.140 mg/L。從支流匯入來看，伯瀆港和古市橋河匯入后，TP上升88.6%，TN下降10.5%，CODMn變化不大；九里河匯入后，TP上升29.5%，CODMn和TN分別下降50.0%和28.1%；錫北運(yùn)河和張家港匯入后，CODMn、TN和TP分別上升31.3%、47.8%和26.9%。

望虞河作為太湖水外排長(zhǎng)江的重要通道，其排水功能也是“引江濟(jì)太”工程目標(biāo)之一。太湖集中在夏季排水，攜帶大量藍(lán)藻水華顆粒物的湖水進(jìn)入連通河道后，將對(duì)河道產(chǎn)生高負(fù)荷營(yíng)養(yǎng)鹽沖擊［19］。因此權(quán)衡水系連通與水質(zhì)保障，合理制定西岸河網(wǎng)排水方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.4 典型引水過程的水質(zhì)變化趨勢(shì)

隨著太湖水質(zhì)改善，以豐補(bǔ)枯成為調(diào)水的主要目的。2019年1月—2021年3月共有6次引江濟(jì)太調(diào)水，其中調(diào)水目的為以豐補(bǔ)枯的有3次，引水天數(shù)分別為93、48、24 d。選取引水天數(shù)中等的2020—2021年度引江濟(jì)太作為典型過程，此次引水2020年12月25日開啟，次年2月10日結(jié)束，引水天數(shù)48 d，引水入湖天數(shù)43 d，引水量6.26×108 m3，入湖水量3.29×108 m3，期間望虞河及貢湖的水質(zhì)變化趨勢(shì)如圖5所示。

此次引水過程中，長(zhǎng)江來水（WY1）水質(zhì)較為穩(wěn)定，除12月25日水質(zhì)較差外，CODMn、TN和TP分別在1.50～2.40、194～2.36和0.075～0.100 mg/L波動(dòng)，平均濃度分別為187、2.07和0.083 mg/L，除TN外可達(dá)到 Ⅲ 類水標(biāo)準(zhǔn)，屬于清水。在望虞河中游（WY4），西岸支流中污染最為嚴(yán)重的張家港、錫北運(yùn)河已相繼匯入，3項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)大部分時(shí)間均高于長(zhǎng)江來水，尤其是TN和TP，平均濃度分別比WY1上升了416%和38.6%。自12月30日開始引水入湖以來，WY9的CODMn呈波動(dòng)下降后趨穩(wěn)、TN和TP濃度呈波動(dòng)上升后趨穩(wěn)的趨勢(shì)，貢湖與之類似。引水結(jié)束時(shí)，貢湖的CODMn、TN和TP相較引水入湖前分別下降了55.2%、上升了215.2%和上升了133.3%。西岸支流污水匯入導(dǎo)致望虞河污染負(fù)荷升高，但此次引水過程中長(zhǎng)江來水的TP高于望虞河入湖和貢湖，說明除西岸支流污水匯入外，長(zhǎng)江來水本身有導(dǎo)致受水區(qū)水質(zhì)惡化的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 望虞河出入湖磷通量

從圖6可以看出，2007—2021年望虞河入湖磷通量為18.0～199.4 t，累計(jì)1 306.3 t，出湖磷通量為5.8～235.8 t，累計(jì)1 068.9 t；2015年以來，望虞河入湖磷通量隨引江入湖水量同步減少，年均入湖磷通量43.9 t，僅為2007—2014年的35%。從凈通量來看，2007—2021年望虞河年入湖的磷凈通量在-214.5～191.7 t，累計(jì)入湖凈通量237.5 t。其中，2009年太湖流域年降水量達(dá)到1 625.4 mm，比常年偏多12%，發(fā)生流域洪水，望亭樞紐全年引水量4.88×108 m3，不及排水量（7.06×108 m3），凈入湖TP通量為-26.36 t；2015和2016年由于發(fā)生流域大洪水，望虞河當(dāng)年以出湖為主，凈入湖TP通量分別為-111.00和-214.47 t；2019—2021年望虞河入湖水量同樣不及出湖水量，相應(yīng)的凈入湖TP通量小于0?？梢?，太湖—望虞河TP收支變化主要取決于入湖水量和出湖水量的多寡。

根據(jù)水利部太湖流域管理局發(fā)布的《太湖健康狀況報(bào)告》，2010—2018年太湖全湖累計(jì)入湖磷通量為19 260 t，同期望虞河入湖磷通量占比為4.1%。結(jié)合貢湖年均蓄水量［12］和巡測(cè)的TP數(shù)據(jù)計(jì)算貢湖的蓄磷量，望虞河入湖磷通量是貢湖年蓄磷量的0.8～9.1倍，平均4.1倍?？梢姳M管“引江濟(jì)太”帶來的磷通量占全湖比例不大，但對(duì)貢湖而言可造成高磷素負(fù)荷沖擊。有研究指出應(yīng)以溶解態(tài)總磷和溶解態(tài)無機(jī)磷來考量太湖表層水體磷的生物有效性［20］，僅有TP不足以評(píng)估引江濟(jì)太工程帶來的磷負(fù)荷沖擊及對(duì)貢湖和太湖磷循環(huán)的影響，近年來貢湖有向藻型湖區(qū)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，藍(lán)藻暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)依然較高，灣內(nèi)有錫東、沙渚和金墅灣3個(gè)水源地，考慮到溶解態(tài)磷對(duì)藻類生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，在規(guī)劃望虞河引水量加大的遠(yuǎn)景下需要進(jìn)一步摸清分形態(tài)的磷通量變化并深入研究引江濟(jì)太調(diào)水對(duì)貢湖水質(zhì)及水生態(tài)的影響，以保障水源地供水安全。

3 結(jié)論

（1）引江濟(jì)太工程所引的長(zhǎng)江來水除TN指標(biāo)外可達(dá)到 Ⅲ 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，屬于優(yōu)質(zhì)來水，2007—2021年引江濟(jì)太調(diào)水期間，望虞河入湖的CODMn、TP平均濃度分別為3.24和0117 mg/L，相較長(zhǎng)江來水分別上升40.2%和13.3%，TN平均濃度為1.43 mg/L，相較長(zhǎng)江來水下降24.1%。

（2）西岸各支流口門眾多，不同污染物的污染程度各不相同，導(dǎo)致望虞河水質(zhì)沿程變化特征復(fù)雜。西岸支流總體上惡化望虞河水質(zhì)，其中污染最嚴(yán)重的是張家港和錫北運(yùn)河。鵝真蕩、漕湖等湖蕩對(duì)水質(zhì)有一定的改善作用，但最終入湖水體各項(xiàng)指標(biāo)仍不如長(zhǎng)江來水。

（3）引水造成受水區(qū)貢湖CODMn下降，TN和TP上升。引水過程中存在長(zhǎng)江來水的TP高于望虞河入湖和貢湖的情況，除西岸支流污水匯入外，長(zhǎng)江來水本身也有導(dǎo)致貢湖水質(zhì)惡化的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）磷是引江濟(jì)太需要關(guān)注的重要因子，2007—2021年望虞河引江入湖磷通量累計(jì)1 306.3 t，凈通量237.5 t，2015年以來入湖磷通量隨引江入湖水量同步減少。望虞河入湖磷通量是貢湖年蓄磷量的0.8～9.1倍，對(duì)貢湖造成高磷素負(fù)荷沖擊。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究引江濟(jì)太工程對(duì)貢湖水質(zhì)及水生態(tài)的影響，以保障水源地供水安全。

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