2015-2016年环太湖河道进出湖总磷负荷量计算及太湖总磷波动分析*

翟淑华，周 娅**，程媛华，蔡 杰，胡燕雯

(1：太湖流域水资源保护局，上海 200434) (2：香港理工大学，香港 999077)

2007年太湖蓝藻暴发引发无锡供水危机后，太湖流域水环境综合治理的力度进一步加大，连续十一年实现太湖“确保饮用水安全、确保太湖水体不发生大面积水质黑臭”的目标. 太湖氨氮浓度和总氮(TN)浓度明显下降，但总磷(TP)浓度于2015-2016年重回升势，相应2017年太湖出现历史上最大面积的蓝藻水华，太湖蓝藻暴发势头未得到有效控制，富营养化形势依然严峻[1-5]. 太湖TP浓度波动上升和蓝藻大面积暴发的原因，再次成为政府各级部门和社会关注的焦点，但尚未达成统一认识. Qin等[2]的研究认为近年来TP浓度波动上升的原因是多方面的，是污水排放标准较低、面源控制力度不足、内源措施不够经济有效、气候变化等多因素共同作用的结果. 张民等[3]认为，对蓝藻水华生物量的相关驱动因素中，营养盐(TP或氮磷比)可单独解释蓝藻生物量变化的29%. 朱广伟等[4]重点对太湖北部湖区开展了研究，认为藻类生物体含有的营养盐是水体营养盐的重要组成部分，水华堆积之后的耗氧效应大大加快了底泥磷的释放，造成夏季水体磷浓度升高，同时近年来北部湖区叶绿素a浓度的波动很大程度上受水文气象因子的影响. 王华等[5]基于2010-2017年的监测数据及其相关性分析，认为太湖2014-2017年TP浓度总体呈上升趋势，尤其是2016年为8年间最高值，并从长系列趋势分析的角度分析了入湖河流污染负荷量、水生植被和蓝藻变化与TP浓度的关系，但并未对2015-2016年大洪水条件对TP的影响进行深入分析.

太湖流域2015-2016年发生流域性大洪水，特别是2016年太湖最高水位达4.87 m，仅低于1999年的4.97 m的历史最高水位0.10 m，太湖TP浓度在高水位条件下不降反升. 朱伟等[6]认为，太湖梅梁湖等北部湖湾2015-2017年TP浓度相较于2012-2014年提高了20%～25%左右，为蓝藻水华形成提供了丰富的物质基础，并认为TP浓度波动的主要原因为：大洪水携带大量营养盐进入太湖，由于磷大多数以颗粒态存在，洪水消退后仍沉积在湖泊中，并在适宜条件下释放进入水体. 但该研究仅通过2015-2016年入湖TP负荷总量偏大进行推断，详细论证主要针对北部湖湾. 因此，有必要进一步对2015-2016年进出全太湖的TP来源开展更为全面、深入的定量计算和详细论证. 研究表明，环太湖河流是影响太湖水环境的重要因素，其进出太湖的水量、水质和污染负荷量一直以来得到广泛关注，有对长系列数据的变化趋势分析[7]，也有对个别年份的深入探讨[8-10]，但针对流域性大洪水条件下环太湖河道进出太湖的污染负荷量计算分析及其对太湖TP变化影响，以太湖水量和质量平衡为基础开展太湖TP来源与影响分析的研究还未见报道.

经过太湖流域水环境综合治理，入湖河道TP浓度呈改善趋势，但太湖TP浓度却于2015-2016年出现较为明显的上升. 因此，鉴于2015-2016年水文条件的特殊性，不仅要考虑水质浓度的变化，还需要综合考虑TP入湖负荷量的变化. 本文从2015-2016年环太湖河道的进出太湖水量、TP负荷量计算入手，结合雨情、水情、太湖调蓄以及人为影响等各方面因素，分别开展出入太湖的水量和TP负荷质量的平衡分析. 在此基础上，开展太湖TP的外源、内源变化趋势及来源分析，探讨2015-2016年太湖TP浓度升高的原因，提出有关今后太湖控磷措施的重点方向.

1 方法与计算

自1998年起，太湖流域水资源保护局连续每年组织开展环太湖河道进出太湖的污染负荷量计算. 为保持数据的连续性，本文采用的水量资料为整编后的环太湖水文巡测资料，水质资料为流域机构监测的环湖河流及水功能区水质监测资料. 计算望亭(立交)站入湖污染负荷时，采用“引江济太”每日监测的水质数据；计算其他河流污染负荷时，采用当月环湖河流水质数据；计算出湖污染负荷时，采用太湖沿岸区相应监测点的水质数据. 计算采用的环太湖水文巡测段、水质监测站点分布及对应关系详见图1.

图1 环太湖水文巡测段、水质监测站点分布及对应关系示意图Fig.1 Sketch of the hydrological survey sections and water quality monitoring stations and their corresponding relationship

1.1 太湖水量平衡要素与计算方法

1.1.1 水量平衡计算方法 采用翟淑华等[11]的方法，基于2015-2016年环太湖河道进出湖水量计算，结合降雨量、蒸发量、太湖调蓄水量、取用水等要素，开展进出太湖的水量平衡计算分析，公式为：

WI-WO+P-E-WC+D-ΔV=ΔE1

(1)

式中，WI、WO为环太湖河流进、出湖水量，根据环太湖水文巡测整编资料成果统计；P为湖面降水量，即太湖年降雨量与太湖平均水位下对应的水面面积的乘积；E为湖面蒸发量，即太湖年蒸发量与太湖平均水位下对应的水面面积的乘积；D为陆地产水入湖量，即环太湖水文巡测线范围内的陆地区域的产水入湖量；WC为取水户直接取水量；ΔV为太湖蓄变量，太湖年末与年初蓄水量的差值；ΔE1为水量平衡计算的绝对误差.

水量平衡计算的相对误差ΔE2的计算公式为：

ΔE2=2ΔE1/(WI+WO+P+E+WC+D+|ΔV|)

(2)

1.1.2 水量平衡要素计算 1)环太湖河道进出湖水量计算. 根据实测水量整编数据计算得到，2015、2016年环太湖河道入湖水量分别为119.08亿和159.85亿m3，出湖水量分别为118.47亿和167.27亿m3.

2)降雨量、蒸发量计算. 2015年太湖全年平均水位3.42 m，对应的太湖水面面积为2338.6 km2，太湖湖面降水量1523.3 mm，折算为入湖量35.62亿m3，湖面蒸发量为914.1 mm，折算为出湖量20.74亿m3；2016年太湖全年平均水位3.58 m，对应的太湖水面面积为2351 km2，太湖湖面降水量1861.1 mm，折算为入湖量43.75亿m3，湖面蒸发量为1061.8 mm，折算为出湖量24.96亿m3.

3)太湖调蓄水量计算. 2015年太湖年初水位为3.18 m，年末水位为3.50 m，根据太湖水位-库容关系得到太湖蓄水量年初为49.00亿m3，年末为56.52亿m3，蓄变量为7.52亿m3. 2016年太湖年初水位为3.41 m，年末水位为3.28 m，根据太湖水位-库容关系得到太湖蓄水量年初为54.37亿m3，年末为51.28亿m3，蓄变量为-3.09亿m3.

4)其他水量要素计算. 根据太湖流域管理局发布的水资源公报，2015年直接从太湖取水水量约为10.02亿m3，2016年直接从太湖取水水量约为10.86亿m3. 经估算，环太湖巡测线所围面积为3128.0 km2，扣除农业灌溉耗水量后，2015年陆地产水入湖量大致为1.82亿m3，2016年陆地产水入湖量大致为1.89亿m3.

1.1.3 水量平衡计算结果 计算结果见表1，可见水量平衡误差在规范要求的误差范围内.

表1 2015-2016年太湖水量平衡(单位：亿m3)

1.2 太湖总磷质量平衡计算

1.2.1 质量平衡计算方法 采用翟淑华等[11]的方法，基于2015-2016年环太湖河道进出湖TP负荷量计算，结合大气干湿沉降、取用水、水生生物收获、太湖年初和年末存量等要素，开展进出太湖的TP质量平衡计算分析，公式为：

W河入+W降雨+W降尘+W污染源+W年初=W河出+W取水+W收获+W年末+W滞留量

(3)

式中，W河入为通过河流直接进入太湖的量，W降雨、W降尘为通过降雨、降尘直接进入太湖的量，W污染源为巡测线内各污染源进入太湖的量；W年初为年初太湖水体中存量；W河出为通过河流直接出太湖的量；W取水为通过水厂取水带出太湖的量；W收获为通过水生生物收获带出太湖的量，包括蓝藻打捞、水草收割、鱼类捕获等；W年末为年末太湖水体中存量；W滞留量为太湖扣除水体存量变化以后滞留在湖体中的量.

太湖地区污染源排放的污染负荷量主要通过环太湖河道进入太湖，暂未考虑巡测线内污染源直接排放入湖量. 太湖物料平衡计算公式简化后得到滞留的污染负荷量为：

W滞留量=(W河入+W降雨+W降尘)-(W河出+W取水+W收获)-(W年末-W年初)

(4)

质量平衡计算得到的平衡差主要为滞留量及资料统计带来的误差，当假设统计误差为零时，则平衡差即认为是当年度太湖滞留量.

1.2.2 质量平衡要素计算 1)环太湖河道出入湖TP负荷量计算. 环太湖水文巡测段水量资料有每天一次的连续监测数据，而环太湖水质监测资料多为每月一次. 针对水量水质监测频次不匹配的问题，时段通量的估算主要有两种方法：第1种是将每月一次水质监测的当天负荷量作为当月的平均负荷量，适用于污染物量受流量影响较小的情况；第2种是将每月一次的水质数据作为当月的平均水质浓度，适用于污染物量受流量影响较大的情况[12]. 根据环太湖河道进出太湖的逐日流量统计，河流的日流量变化较大，水量影响明显大于水质的影响，故选用第2种方法进行环太湖出入湖污染负荷量的计算. 采用与水量巡测段相匹配的河流水质资料，计算得到2015和2016年通过环太湖河流带入TP的负荷量分别为2209和2594 t，带出分别为643和906 t，通过河流净入湖的TP负荷量为1565和1688 t.

2)大气干湿沉降入湖量估算. 研究表明，氮、磷大气干湿沉降是太湖营养盐输入的重要来源之一[13-17]. 本文综合考虑监测时间、点位、频次和方法，在各研究结果中选取适宜的沉降率参数，其中，湿沉降率采用太湖流域管理局《太湖大气干湿沉降监测试验分析单元工程成果报告》中的数据，干沉降率采用刘涛等[16]的研究结果. 结合流域降水情况，计算得到2015年太湖TP湿沉降量和干沉降量分别为182 和562 t，2016年太湖TP湿沉降量和干沉降量分别为222 和390 t.

3)其他途径出湖量估算. 水厂直接取水带出的TP量根据当年的取水量和原水水质浓度估算，2015和2016年分别为65和65 t.W收获分为W蓝藻、W水草和W鱼类，分别为蓝藻打捞、水草收割及鱼类捕捞带出量. 蓝藻打捞带出的TP量根据江苏省水资源公报中的蓝藻打捞量和太湖健康状况报告中蓝藻的氮磷含量估算，2015和2016年分别为164和160 t. 水草收割带出的TP量根据江苏省水资源公报中的水草打捞量和王强等[18]所测水草中氮磷含量估算，2015和2016年分别为933和714 t. 渔业统计资料显示，太湖鱼类捕捞产量总体呈不断增长趋势[19]. 鱼类捕捞带出TP量根据江苏省太湖渔业管理委员会统计的鱼类捕捞量和太湖污染物自净能力与适宜换水周期研究项目所测鱼体中氮磷含量估算，2015和2016年分别为183和226 t.

4)太湖水体年初和年末存量计算. 根据太湖年初、年末蓄水量和年初、年末水质进行计算，其中蓄水量按照年初、年末水位条件下的水位-库容曲线插值计算. 计算得到2015年年初存量为353 t，年末存量为607 t；2016年年初存量为288 t，年末存量为462 t.

1.2.3 质量平衡计算结果 依据上述方法的数据，开展2015-2016年太湖TP质量平衡计算，计算结果见表2，2015和2016年太湖TP的滞留量分别为711和961 t.

表2 2015-2016年进出太湖的总磷负荷量

2 分析与讨论

2.1 2015-2016年太湖总磷来源分析

一般情况下，输入湖泊系统的磷大多来自河流，这部分磷主要是人类活动产生的污水带来的，其他输入途径还有来自大气的干湿沉降. 进入水体的TP在经过河流带出、取水带出、水生生物收获带出后，剩余的TP滞留于湖体，一部分造成水体TP存量的变化，另一部分滞留于底泥中或水生生物体内. 2015和2016年太湖各途径进出湖TP负荷量分布见图2.

2015年，太湖水体年初存量为353 t，外源输入量为2953 t，合计总负荷量为3306 t；经各途径带出1988 t后，剩余TP量为1318 t，其中607 t为水体中年末存量，其余711 t即为滞留量. 在各带入途径中，通过河道带入的TP量为2209 t，占总负荷量的66.8%；通过大气干、湿沉降带入的TP量分别为562和182 t，占比分别为17.0%和5.5%. 在各带出途径中，通过河道带出的TP量为643 t，占总负荷量的19.4%；通过打捞蓝藻、水草和鱼类等水生生物带出的TP量为1280 t，占比38.7%；通过取水带出的TP量为65 t，占比2.0%. 相应计算得出，太湖水体中增加的TP为254 t，而滞留于底泥和被水生生物吸收转化的量则达到711 t，占总负荷量的21.5%(图2a).

2016年，太湖水体年初存量为288 t，外源输入量为3206 t，合计总负荷量为3494 t；经各途径带出2071 t后，剩余TP量为1423 t，其中462 t为水体中年末存量，其余961 t即为滞留量. 在各带入途径中，通过河道带入的TP量为2594 t，占总负荷量的74.2%；通过大气干、湿沉降带入的TP量分别为390和222 t，占比分别为11.2%和6.4%. 在各带出途径中，通过河道带出的TP量为906 t，占总负荷量的25.9%；通过打捞蓝藻、水草和鱼类等水生生物带出的TP量为1100 t，占比31.5%；通过取水带出的TP量为65 t，占比1.9%. 相应计算得出，太湖水体中增加的TP为174 t，而滞留于底泥和被水生生物吸收转化的量则达到961 t，占总负荷量的27.5%(图2b).

图2 2015年(a)和2016年(b)各途径进出太湖的总磷负荷量分布Fig.2 Distribution of total phosphorus flux in and out of Lake Taihu in different ways in 2015 (a) and 2016 (b)

综合上述分析认为，影响太湖TP浓度变化的主要因素包括：1)环太湖河道是TP进入太湖最主要的途径，尤其是2016年的特大洪水，大量营养盐通过河道带入太湖，占比74.2%；2)水生生物收获对太湖水生态环境具有重要影响，2015年受太湖水草大面积收割及太湖持续高水位的影响，水生生物带出TP量占比为38.7%，可能导致水生生物对磷的吸收利用减少. 3)逐年累积的内源污染是太湖TP浓度升高的又一重要原因，底泥中的滞留量和生物中吸收转化的TP量占比为21.5%～27.5%，远超水体中TP存量的变化，而这部分磷在适宜条件下很容易再次释放到水体中. 与王华等[5]从定性角度推断上述因素为太湖TP波动的初步原因不同，TP质量平衡分析对大洪水条件下各因素对太湖TP存量的贡献率进行了定量. 下文将重点研究2015-2016年环太湖河道、水生植物及底泥变化情况，尤其是通过与多年平均的比较开展深入细化分析.

图3 2015和2016年环太湖河道净入湖总磷负荷量与多年平均值(2010-2017年)的比较Fig.3 Comparison of the net input of total phosphorus to Lake Taihu from 2015 to 2016 and the annual average from 2010 to 2017

2.2 环太湖河道进出太湖总磷负荷量变化的影响

将2015和2016年TP净入湖量与多年平均值(2010-2017年)相比较，结果见图3. 与多年平均值相比，2015年净入湖量差别不大. 从环太湖河道所在行政区分析，常州略偏少，宜兴和长兴略偏多，苏州出湖偏多；2016年除常州、无锡净入湖量与多年平均值基本持平以外，其余地区均大幅偏多，其中宜兴比多年平均偏多233.2 t，湖州为多年平均值的7倍，长兴为多年平均值的2.7倍. 从空间分布上，2015和2016年TP的入湖负荷量以宜兴地区入湖河道带入为最多，所占比重分别约为65%和60%.

从具体环太湖河道分析，环太湖水文巡测段的入湖、出湖及净入湖TP负荷见表3. 结合图1可以看出，太湖西北部陈东港桥段和浯溪桥段的入湖TP负荷量最大，2015和2016年两者负荷量之和分别占所有河道入湖量的77%和71%；而望虞河由于受到太湖高水位的影响，则由引水入湖为主改为排泄太湖洪水为主，两年均为净出湖.

环太湖河道TP负荷量年内变化则与流域水情密切相关. 2015和2016年太湖流域年降水量分别位列1951年以来第3位和第1位. 时间分布上，2015年在6月出现明显的峰值，远高于其他月份；2016年最高值同样出现在6月，但9-10月降雨也异常偏多，太湖流域发生秋汛. 相应于雨情，环太湖河道出入太湖的水量也呈现大进大出的格局，2015年入湖119.1亿m3，出湖118.5亿m3；2016年入湖159.9亿m3，出湖167.3亿m3. 时间分布上，2015年入湖水量主要集中在6月和7月，两月的水量约占全年入湖总水量的35%；2016年入湖水量最大值同样出现在6月和7月，两月的水量约占全年入湖总水量的33%. 相应地，环太湖河道入湖TP量也呈现类似的规律，与流域降雨量的变化呈现明显的正相关关系(图4). 2015年入湖TP量主要集中分布在6月和7月，两月的入湖量约占全年入湖总量的37%；2016年入湖TP量最大值同样出现在6月和7月，两月的入湖量约占全年入湖总量的32%.

表3 2015和2016年环太湖河道出入湖总磷负荷量分布

图4 2015和2016年环太湖河道入湖总磷量及流域降雨量的年内变化Fig.4 Variation of total phosphorus flux from rivers into Lake Taihu and rainfall of the basin in 2015 and 2016

图5 太湖水生植物分布面积(5月)与太湖总磷浓度的关系 Fig.5 Correlation of the total phosphorus concentration and the area (in May) with macrophytes in Lake Taihu

2.3 太湖沉水植物覆盖度变化的影响

针对太湖沉水植物覆盖度变化，分春、夏、秋3季连续6年，采用遥感方法结合现场调查进行反演计算[20]，开展了太湖沉水植物覆盖度调查研究，鉴于资料的连续性和太湖水体黑臭出现的时间最早为5月，故采用5月数据进行趋势分析. 2012-2016年太湖沉水植物5月平均分布面积与太湖TP浓度的关系见图5.

2014年之前太湖东部湖区水草(沉水植物)分布广泛，生长情况良好，沉水植物的根茎叶能吸收底泥和水体中的氮、磷营养物质，促进水体悬浮物质沉淀，抑制沉积物再悬浮，有利于水质的改善；多数沉水植物叶片长至水面，能够有效抑制并阻拦蓝藻的生长和漂移. 2012-2014年太湖水生植物面积维持在250～350 km2，沉水植物面积维持在200～300 km2左右. 但因大规模打捞水草的过度收割作业以及连续高水位的不利影响，2015年5月太湖沉水植物面积骤减为27.65 km2，较2014年5月的244.31 km2大幅减少，降幅达到88.7%. 2016年5月面积略有上升，为47.33 km2，但仍比2014年同期少80.6%. 相对于分布面积的变化，太湖沉水植物年均单位面积生物量变化幅度相对较小，2012-2016年年际变化幅度为7%～31%.

通常，湖泊水体中的生物有效磷很低，但沉积物间隙水的磷酸盐浓度是上覆水的9～600倍，有根大型水生植物体内85%的磷是从沉积物间隙水中获得的[21]. 张来甲等[22]研究发现，苦草腐解使3月水体 TP 总量较之前增长了144.40%, 而底泥中增长了19.99%, 可见植物腐解对水体的影响远大于底泥. 当沉水植物腐烂后，植物体内的磷主要释放到水体中，而不是底泥中，因此，适时开展对水生生物的收割是十分必要的，但同时保持湖泊中适量的沉水植物对于减少磷含量起着重要作用. 而2015年大量收割太湖湖体中生长的沉水植物，湖体中的沉水植物分布面积和总生物量急剧减少，虽然有效带出了TP，但湖中沉水植物的减少相应减少了水生生物对磷的利用转化，也增加了底泥向上覆水释放磷的几率.

2.4 底泥对太湖水体磷的影响

除水体中TP存量变化以外，滞留的TP一部分被水生生物吸收转化，另一部分则沉降至底泥中. 底泥对水体磷的贡献取决于3方面，即底泥中磷的含量、底泥受扰动的程度以及蓝藻的泵吸作用.

2015年太湖沉水植物大幅下降，使得可被水生生物吸收转化的TP量相应减少，从而间接地增加了底泥中的TP存量. 研究表明，水生植物生长密集区底泥中TN、TP、总有机碳含量均显著低于水生植物零星生长区[23]. 2015-2017年太湖底泥TP质量比约为650 mg/kg，较1980s增加了约2.5倍，西部湖区的底泥TP质量比更是达到1020 mg/kg，是1980s的5倍[24]. 不断累积在底泥中的磷是太湖水体TP的重要内源.

2015和2016年的大洪水和骤减的水生植物共同增强了底泥的受扰动程度，加剧了底泥中的磷向水体的迁移释放. 在对底泥开展的静态释放和动态释放试验中发现，扰动可促使底泥发生大量释放，而风浪扰动是浅水湖泊沉积物悬浮和营养盐释放的主要驱动力之一，半天的强风浪扰动可导致水体营养盐浓度增加近1倍. 理论上，在大洪水条件下，底泥中高浓度的TP受到强风浪扰动，更容易释放到水体中.

依据遥感方法开展的太湖蓝藻覆盖面积数据，2015和2016年太湖蓝藻暴发面积最大分别为1091.4和936.4 km2. 已有研究成果表明[25]，蓝藻的快速生长导致其从底泥中泵取大量的磷，使得水体中颗粒磷的含量增加，水体与沉积物之间的磷平衡被打破，大量磷由沉积物进入水体，太湖中的磷含量与蓝藻生长形成不断放大的正向反馈. 2015和2016年太湖蓝藻暴发与TP浓度的升高也进一步说明其正向反馈作用.

3 结论和建议

1)外源输入TP负荷仍然是太湖水体中TP的主要来源. 2015-2016年流域为丰水年，尤其在2016年发生特大洪水的情况下，虽然环湖河道入湖水质是近年来最好的一年，但由于总水量远超常年，环湖河道进入太湖的TP负荷量仍为近年来的第2高值，达2594 t，占太湖TP负荷总量的74.2%. 而通过环湖河道带入太湖的磷，绝大部分难以再通过河流带出，只能通过人工收获带出、沉降、生物吸收转化等途径得以消减. 因此，对于累积效应明显的磷来说，河道输入TP负荷量是太湖TP浓度升高的主要外源.

2)太湖沉水植物骤减导致湖体对磷的吸收转化能力下降. 2015和2016年水生生物带出TP负荷量为1280和1100 t，占比分别为38.7%和31.5%，虽然带出了大量的磷负荷，但水生植物的减少一方面使水生植物吸收转化磷的能力急剧下降，另一方面也增加了底泥向上覆水释放的几率. 不合理的过度收割水草，以及太湖持续高水位对水草生长的不利影响，成为太湖TP浓度升高的重要影响因素.

3)滞留在底泥中的TP在适宜条件下可进入水体，成为太湖水体中TP潜在的内部来源. 2015和2016年，大量外源负荷进入太湖造成的TP滞留量达711和961 t，分别占总负荷的21.5%和27.5%，大洪水条件下加剧了底泥的受扰动程度，同时蓝藻的快速生长与底泥中滞留的磷形成不断放大的正向反馈，成为太湖TP浓度升高的又一重要影响因素.

4)2015-2016年太湖TP浓度升高，虽然体现了大洪水对湖泊生态系统的巨大冲击，增加了TP外源的入湖以及内源的扰动释放，但气象条件无法人为控制，对太湖TP浓度的控制主要还是要控源截污，从源头减少TP输入. 在今后的太湖水环境综合治理中，应进一步针对太湖TP的来源采取内外兼控的控磷措施，强化对环太湖河流TP来源的排摸及控制、深化对底泥的影响及创新处置措施研究、科学合理开展水生生物收割，修复以沉水植被为主的太湖自然生态系统.