太湖水体交换周期变化(19862018年)及对水质空间格局的影响*

2021-07-07薛宗璞冯甘雨王若辰胡思远

湖泊科学 2021年4期

朱伟，程林，薛宗璞，冯甘雨，王若辰，张昱，赵帅，胡思远

(1:河海大学环境学院，南京 210098)(2:河海大学水文水资源学院，南京 210098)

太湖经过十余年大力度的流域治理,入湖水质有明显改善、各种污染源得到削减.但自2016年以来磷出现反弹，2017年出现大面积的水华，尤其是东太湖也开始出现水华.磷反弹、水华持续大面积暴发、东太湖出现水华的原因得到了广泛的关注.

关于磷反弹的原因，出现了各种各样的推测，“全球气候变暖”[1]，“藻的泵吸”[2]，“引江济太”[3]，“2016年洪水”[4]，“东太湖水草的退化”[5]等，都成为了讨论的对象.在这些原因分析中，2016年特大洪水进太湖水量多出60.8亿m3，入湖磷通量比一般年份多出579.2 t，占近十年年均入湖磷通量的28%，是一般年份的1.3倍，对照赋存于太湖水体中的总磷大约为400 t，洪水造成的增量起到了较为关键的作用.而通过望虞河“引江济太”的年平均入湖水量占总入湖量8%左右，磷通量占近十年年均通量的4%左右，与洪水的影响相比是有限的.但从研究数据中发现，太湖总体的入湖水量有一定幅度的增加；同时，东太湖的水质下降、水华出现似乎与水体交换周期的缩短有一定的关系.而新孟河引水工程正在建设之中，建成后太湖总体形成“二引三排”的引排格局[6](望虞河、新孟河引水，新沟河、走马塘、太浦河排水)，在这种格局下，太湖的入湖水量、水体交换周期都会发生更大的变化，是否会改变目前“西浊东清”[7]的水质结构？因此，明确太湖入湖水量和水体交换周期的变化，对于顺应太湖水质规律进行科学调度是非常重要的.

对于太湖入湖水量变化已经有一些研究，季海萍等[8]分析了太湖1986-2017年出入湖水量的变化，认为太湖出入湖水量有显著的增加，推测是与水利工程调度有关.申金玉等[9]对湖西区入湖水量进行统计分析也得出了入湖水量增加的结论.在入湖通量方面，沈国华等[10]对太湖湖西区、武澄锡虞区入湖的污染物通量和太湖对应湖区的水质指标进行了分析，认为入湖污染物通量超过太湖自净能力，太湖污染有加剧的趋势.在太湖水质空间分布方面，王华等[5]通过分析太湖2010-2017年太湖总磷浓度的变化发现，太湖总磷浓度西北高、东南低，有显著的空间差异.在太湖自身净化能力方面，朱锦旗等[11]认为太湖水生植物对氮、磷有一定的截留能力，推测如果太湖外源总氮负荷小于1.83万t，总磷负荷小于1800 t，东太湖的水质也许可达到Ⅲ类水(GB 3838-2002).

各种迹象和研究都表明太湖的入湖水量有所增长，但太湖水体交换周期究竟发生了什么变化，引起这种变化的原因是什么?在下一步太湖治理以及加大“引江济太”力度的背景下，如何应对水体交换周期的变化？这些都需要进行预测和预判.

本文收集整理1986年以来太湖水文巡测、汛期水文巡测数据；太湖流域沿江城市引水量变化及流域降雨量变化数据，通过降雨、水文数据的综合计算分析研究1986-2018年太湖出入湖水量的变化；结合太湖分湖区的水质特征及变化，力求对太湖水体交换周期发生的变化及其原因以及可能引起的影响进行一次清晰而全面的分析.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

太湖流域面积36895 km2，其中太湖湖区面积3192 km2(包括部分湖滨陆地)[6]，太湖湖区库容约为50亿m3.流域内水面总面积约5551 km2，出入太湖河流228条，其中主要入湖河流有22条.太湖流域属亚热带季风气候区，降水丰沛，四季分明，夏季炎热.年平均气温14.9～16.2℃，多年平均降水量1177 mm.太湖流域地跨江苏、浙江、上海两省一市，人口约6104万人.2018年全流域国内生产总值约87663亿元，全流域用水量约342.9亿m3.太湖流域及湖区分区见图1.

图1 太湖流域及湖区分区示意

1.2 数据来源

太湖出入湖水量及沿江主要闸门引水量数据收集自太湖流域管理局水文水资源监测局对环太湖各单站及巡测断面出入湖水量的整理[12]，时间范围为1986-2018年.太湖分湖区水质数据收集自2008-2018年《太湖健康状况报告》[13].以上数据均为年均值数据，数据采集及整编方法见相关研究.

1951-2018年太湖流域年降雨量数据收集自中国气象数据网(http://data.cma.cn).

太湖流域主要城市建筑用地面积基于1980、1990、2000、2010、2015和2018年6期Landsat TM/ETM遥感影像数据，经过几何校正、辐射标定、大气校正、影像镶嵌和灰度直方图匹配等前期处理，采用目视解译法，承接前一期影像分解结果的基础上解译斑块增量，获取各期建筑用地变化情况，并与各城市统计年鉴进行对比.

1.3 数据分析

Mann-Kendall检验采用Visual Basic编程完成，相关性检验在SPSS 20软件中完成，插值拟合在Matlab 2018中完成.

2 结果与分析

2.1 太湖水量的变化

2.1.1 湖区将太湖出入湖水量、蓄水量、年均水位、水体交换周期绘制成图2，数据变化趋势及出现突变年份见表1.

表1 太湖水循环序列Mann-Kendall检验

图2 太湖水循环变化

由图2可以看出，2007年之前平均入湖水量为80.8亿m3，出湖水量为88.9亿m3，2007年以后逐渐增加，平均入湖水量为111.6亿m3，出湖水量为104.8亿m3，入湖水量增加30.8亿m3，出湖水量增加15.9亿m3，由于无锡、苏州等沿湖城市用水量增加，故出湖水量增量小于入湖水量[14].太湖的水位、库容变化不大，水位的波动幅度有所减小.在2007年之前，太湖水体交换周期的年际波动比较大，在120～280 d范围内波动，平均为210 d；2007年后，波动范围减小，在120～250 d范围内波动，平均为184 d，2007年前后平均减少了26 d.

关于入湖水量等的变化属于自然波动还是外因影响，使用了Mann-Kendall突变检验法进行分析，结果见表1.从分析结果可以看出2007年后太湖入湖水量和水体交换周期的增加属于明显突变性现象.湖泊蓄水量、平均水位、出湖水量的增加也是确定的现象.

2.1.2 各水利分区入湖水量变化按照一般的太湖流域分区，将环湖各分区入湖水量及占比绘制成图3.由图3可以看出，太湖入湖水量主要来源的湖西区在2001年前年均入湖水量41.1亿m3，2002年后年均入湖水量67.4亿m3.浙西区年均入湖水量变化不大，约为20.4亿m3.望亭水利枢纽入湖水量增加明显，从2000年前的年均0.31亿m3增加为2000年后的年均7.37亿m3.从入湖水量占比来看，太湖入湖水量主要来源的湖西区在2001年前占比为50.8%，从2002年开始占比逐年上升，到2018年占比达到64.5%.另外一个显著增加的是望亭水利枢纽，占比从0.6%增加到8%，这显然是“引江济太”的效应.而浙西区在2000年开始有明显的下降，占比从22.3%减少到18.7%；杭嘉湖区占比从2000年前的14%，减少到5%.

图3 环太湖分区入湖水量及其占比

对各水利分区入湖水量的Mann-Kendall趋势检定和Mann-Kendall突变检验法分析结果见表2.可以看出，从2002年开始湖西区发生了显著的入湖水量增长.另外一个显著增长的是经过望亭水利枢纽的入湖水量，突变年是2000年.

表2 环太湖分区入湖水量序列Mann-Kendall检验

2.2 太湖水体交换周期的变化

2.2.1 长江-太湖引水量变化收集整理了长江(江苏段)沿江主要口门(图1)的引水量数据，考虑到太湖流域下游水系来水基本不汇入太湖，而以望虞河为界的上游水系才能够汇入太湖[15].因此主要考虑望虞河以西区域的引水状况.太湖流域多为河网地区，西北高、东南低，从长江的引水一般会汇入区域河网然后向东南方向流去，汇入太湖的可能性较大.

上游沿江口门引水量变化见图4.2002年前这些沿江口门引水量很小，2003年开始沿江口门引水量开始增加，2007年及以后，沿江口门年均引水量约为35.93亿m3，累计引水431.2亿m3.其中“引江济太”年均引水量为8.11亿m3，累计引水入湖97.3亿m3，相比2007年之前，“引江济太”之外的沿江口门年均引水量增长了27.8亿m3/a.从沿江口门引水量和排水量变化的关系来看，2007年后湖西区主要沿江口门年净引水量是17.6亿m3，武澄锡虞区(无望亭枢纽)年引水量和排水量相当.

图4 沿江口门引排水量变化

从各水利分区入湖水量与对应的沿江口门引水量相关性分析(表3)来看，湖西区入湖水量的增加与湖西区沿江口门引水量有显著的正相关(P<0.05)，而与武澄锡虞区(无望亭枢纽)则没有相关性.

表3 水利分区入湖水量与引江水量相关性检验

从数据来看，2007年以后湖西区5个主要闸门引水量没有特别显著的增减变化(图5a)，因此使用5个闸门的年均引水量绘制成了图5b.而湖西区主要闸门的年均引江水量在21.56亿m3左右，5个沿江闸门引水量相对比较均匀，各闸门年引水量变化范围为3.86亿～5.10亿m3.

图5 湖西区各沿江闸门引水量年际变化及年均引水量

2.2.2 太湖流域近70年降雨量变化统计了1951-2018年太湖全流域平均及上游水利分区的降雨量变化，上游水利分区是入湖水量占总水量88%的湖西区、浙西区和武澄锡虞区(图1)，年降雨量变化结果见图6.由图可见，这3个区域降雨量平均值接近，波动较大.总体而言，浙西区年降雨量大于湖西区和武澄锡虞区，2016年这3个区域的年降雨量均是1951年来的最大值.

图6 太湖流域年降雨量变化

对太湖全流域平均及上游地区降雨量的Mann-Kendall趋势检定和Mann-Kendall突变检验法分析结果见表4.可以看出，太湖全流域及上游水利分区年降雨量均没有发生突增.

表4 环太湖年降雨量序列Mann-Kendall检验

2.2.3 太湖流域近10年降雨量及径流量分析以太湖入湖水量突变增加的2007年为界，将太湖全流域平均及上游水利分区2007-2018年逐年的降雨量、径流量与2007年前平均值的差值绘制成图7.从降雨量上看，2007年后太湖全流域平均及上游水利分区的年降雨量均值相较之前有所上升，上升范围为92.41～116.18 mm.但由于2015、2016年是太湖流域五十年来年降水量最多的两年，如不包括这两年的极端情况，2007年后太湖全流域平均年降雨量相较之前仅增加了31.41 mm，是多年平均的2.6%.浙西区年均降雨量相较之前仅增加了18.27 mm，是多年平均的1.6%.而主要入湖水利分区湖西区的年均降水量相较之前减少了25.25 mm.因此，在排除2015、2016两个极端年份的情况下，近十年太湖流域降雨量并没有显著增加，而主要入湖的水利分区湖西区降雨量还存在减少的情况.

图7 太湖流域降雨量、径流量变化差值(以2007年前平均值为基数)

从径流量变化来看，全湖及湖西区入湖水量相较之前增加显著，每年都高于之前的均值，而浙西区、武澄锡虞区无此现象.全太湖年入湖水量增加了30.8亿m3，而湖西区入湖水量增加了28.2亿m3.从降雨与径流量的关系来看，除2015、2016两个强降雨年以外，全太湖和湖西区降雨量变化不大，而入湖径流量增加显著，两者之间关联性不强.降雨量相比之前减少的年份，全太湖和湖西区年入湖水量仍比之前有所上升.但流域出现特大降雨的年份(2015、2016年)，流域出现洪水，入湖径流量是受降雨量影响的.

2.2.4 下垫面变化对入湖水量的影响太湖流域主要城市建筑用地的增加会造成流域下垫面硬化，从各城市1980-2018年的建筑用地面积变化来看(图8)，增加较多的是下游的上海市、苏州市和无锡市，增加范围是891～2116 km2，而湖西区、浙西区的主要城市常州、镇江和湖州则增加较少，增加范围是344～730 km2.以太湖入湖水量开始增加的2007年为界，与2010年相比2018年入湖水量最大的湖西区、浙西区的主要城市常州、镇江和湖州的建筑用地面积仅增加了100 km2左右，和其他区域相比变化较小.而上海市和苏州市增加的建筑用地面积较大，均大于250 km2.这主要由于太湖流域上游的湖西区和浙西区以山地为主，而下游地区以平原为主，发展速度存在差异性[16].

图8 太湖流域建筑用地面积变化

从下垫面硬化造成的产流增加量来看，南京水利科学研究院李伶杰等[16]以1991、1999和2009年降雨量为前提进行了分析.相对于1985年，2010年太湖流域建筑面积增加5291 km2，湖西区、浙西区和武澄锡虞区共增加约396 km2，这种下垫面条件变化所造成的湖西区产流量增量最大值约为1.0亿m3，而浙西区约为0.5亿m3.而2010-2018年湖西区和浙西区主要城市建筑用地增加幅度在100 km2左右，小于1985-2010年阶段的396 km2，因此这一阶段湖西区由于下垫面硬化造成的年均入湖水量增量不会超过1985-2010年期间的增量，应该在1.5亿m3以内.如果以2007-2018年下垫面变化造成的增量估算，应该在2.0亿m3左右.

2.2.5 湖西区水量变化对水体交换周期的影响 2007年后湖西区入湖水量占太湖总入湖水量的60%以上，且湖西区年入湖水量比2007年之前年均增加了28.2亿m3，是太湖入湖水量增量(30.8亿m3)的主要来源.若湖西区入湖水量维持在2007年前的平均水平，将湖西区入湖水量不增加时的水体交换周期与实际的水体交换周期绘制于图9.由图可见，湖西区水量的增加显著降低了太湖的水体交换周期，减少范围是13.2～81.3 d.

图9 湖西区入湖水量增加对水体交换周期的影响

2.3 太湖水质的空间变化

2.3.1 分湖区水质差异太湖主要入湖水量来自湖西区，主要出湖水量从太浦闸流出，中间流经竺山湖、湖心区和东太湖，“引江济太”调水主要从贡湖进入太湖.研究入湖-出湖之间的水质变化规律，选取太湖这4个湖区作为研究区域，分析总氮(TN)浓度、总磷(TP)浓度和微囊藻生物量的变化(图10).

图10 太湖分湖区水质及微囊藻丰度差异

从TN浓度变化来看(图10a)，接近湖西入湖区的竺山湖显著大于湖心区和东太湖，贡湖则与湖心区相当.从时间上看2005-2018年太湖各湖区TN浓度呈下降趋势，但是4个湖区2016年均出现TN浓度回升，但此后又回到之前的水平附近.从空间上看，太湖TN浓度存在明显的自西向东的下降趋势，而且下降幅度很大，达到73.4%.

TP浓度变化(图10b)在空间上的变化规律与TN浓度类似，也呈现显著的自西向东的下降趋势，下降幅度也很大，达到73.1%.但在时间上从2005-2014年各湖区都出现下降趋势，从2015年，尤其是2016年磷出现显著回升，此后维持在回升的水平上，而相对于原有水平东太湖TP浓度上升尤其明显，2018年比2005年上升了31.9%.

从微囊藻生物量变化可以看出(图10c).时间上，除东太湖以外其他几个湖区都在2007-2008年期间生物量显著增长，2017年达到峰值.东太湖是在2016年之前变化不明显，而在2017年有明显的上升且并没有回落.空间上的变化规律与水质相似，西部高、东部低，从竺山湖、贡湖、湖心区不断减少，到东太湖锐减到其他湖区的13.8%左右.

2.3.2 太湖水体交换周期变化对水质的影响太湖具有非常突出的特点也就是水质及微囊藻的生物量存在明显的空间差异，表现出西北湖区差、东南湖区好的显著趋势，可以称为“西浊东清”的特点.也就是太湖具有显著的降解、沉降、转化、截流氮、磷污染物的能力(以下统称为净化)，从湖西区进入太湖至太浦闸流出的过程中，这种净化作用充分发挥，氮、磷浓度显著下降，东太湖成为水质良好的清水系统.东部苏州、上海金泽、嘉善太白荡的水源地也因此得到良好的水源.将湖西区入湖污染物浓度与太浦闸出湖污染物浓度通过去除率来定量评价这一净化过程，去除率为：

(1)

式中，i为水质指标(TN浓度、TP浓度).收集整理每年太湖水质的去除率与对应的该年太湖水体交换周期绘制成图11.由图可见，太湖TN、TP的去除率均与水体交换周期有显著的正相关关系(P<0.05)，显然从目前数据来看，太湖水体交换周期越长，太湖对入湖河水的净化效果越好，入湖河流平均携带的74.1%的氮和79.4%的磷被太湖净化.针对太湖去除率与水体交换周期的关系进行拟合得到公式(2)～(3).

图11 太湖水体交换周期与水质去除率的关系

RN=43.66+0.16Er

(2)

RP=67.85+0.07Er

(3)

式中，RN为TN去除率(%)，RP为TP去除率(%)，Er为水体交换周期(d).

3 讨论

3.1 太湖水体交换周期的变化

长期来看，太湖的水循环发生了什么变化？从2.1节的结果可见，入湖水量增加是毋庸置疑的，2007年开始呈现突变增加的趋势，相比1986-2006年的平均值增加了30.8亿m3/年.按照秦伯强等[17]估算的1966-1988年太湖年均入湖水量只有52.5亿m3，2007年后太湖年均入湖水量约是1980s之前的2.13倍.

从太湖蓄水量和年均水位来看，1986年以来也有增加，以2007年为界，2007-2018年太湖蓄水量比之前多了2.67亿m3/a，年均水位上升了0.11 m.这主要因为2010年开始执行的《太湖流域洪水与水量调度方案》相比1999年的《太湖流域洪水调度方案》，将防洪控制水位上调了0.1 m[18].

从太湖出湖水量和水体交换周期来看，由于入湖水量增加，湖泊蓄水量增加不大，出湖水量也显著增加，相应的湖泊水体交换周期下降明显.以2007年为界，2007-2018年太湖水体交换周期平均值为184 d，比1986-2006年的平均值208 d减少了26 d/a.参照秦伯强等[17]估算的1966-1988年太湖蓄水量与出湖水量的平均值，1980s太湖水体交换周期约为308 d，约是现在的1.67倍.

3.2 太湖入湖水量增加的原因

太湖流域除自流域降雨产流以外，从长江向河网引水也会引起入湖水量的增加.以Mann-Kendall趋势检定来看，1951-2018年之间年降雨量并没有显著的规律性变化趋势，但2016年的降雨量是1951年来的最大值，可能对后十年的平均值产生了一定的影响.水利部太湖流域管理局吴浩云等[19]对太湖全流域及各水利分区1951-2011年的年降水量、汛期降水量及年最大30日降水量进行分析，也认为降雨量并无显著变化趋势.另一方面由于太湖流域城镇化速度发展非常快，下垫面的硬化也会造成产流系数的增加，具有在相同降雨量下产流量增加的可能.占入湖水量88%的湖西区、浙西区、武澄锡虞区由于建筑用地增加造成下垫面硬化的面积远小于下游的城市[16]，在1985-2010年建筑面积增加396 km2，径流量增加了1.5亿m3，而2010-2018年期间建筑面积增加1000 km2左右，径流量的增加不会超过1.5亿m3.时间尺度换算为2007-2018年，主要产流区(湖西区、浙西区、武澄锡虞区)由于下垫面硬化造成的年均入湖水量增量不会大于2.0亿m3.

从长江向河网引水量的变化来看，增量是显著的，以2007年为界，2007-2018年望虞河以西的沿江口门年均引水量增长28.9亿m3/a.但实际情况有可能多于这个数据，因为沿江还有一些小的涵闸，其引水数据未能够收集并纳入本次计算.有文献报道[9]2000年左右沿江口门经过工程改造，从排水为主变为引水为主.从引水量、降雨量与入湖水量的相关性分析(表3)来看，沿江口门引水和太湖水量增加之间具有非常显著的关联性，可以认为沿江口门引水进入太湖是太湖入湖水量增加的主要原因之一.考虑到流域下垫面[16]变化可能造成不超过5亿m3水量增加，沿江口门引水的效应相当于23亿m3左右的水量增加，而望虞河“引江济太”工程自2003年开始常态运行，为太湖入湖水量提供了7.99亿m3/a的增量.

此外，从入湖水量发生突变的时间点分析(表2)，变化开始于2002年，而入湖水量与沿江口门引水量的分析(表3)表明湖西区的引江水量的相关性最强，这些证据又与湖西区沿江口门完成工程改造的时间一致，从这些时间点的重合上也可以证明沿江口门引水对入湖水量产生的影响.

3.3 水体交换周期变化对太湖总磷及水华的影响

入湖水量的增加对太湖总磷与水华有怎样的影响？湖西区的引水应该是从2002年以后开始，2007年以后引水量波动但年际差异不大.2015年发生洪水，入湖水量较大，2016年发生大洪水后太湖总磷浓度开始上升.2016年特大洪水导致大量TN、TP输入，磷通量一次性增加579 t[4]，太湖的水质也在此后得到响应，TP的反弹尤为明显.

收集国内外典型湖泊的水体交换周期，并按2.3.2 节的方法计算了这些湖泊对入湖河流总磷的去除率，结果绘制在对数坐标图12上.显然从目前的数据来看，当湖泊水体交换周期较长时，对入湖河流的总磷去除效果较好.匈牙利的巴拉顿湖[20-22]、美国的伊利湖[23-24]水体交换周期在3～4 a，其对入湖河流总磷的去除率年均在90%以上.中国的洪泽湖[25-26]、洞庭湖[27]、鄱阳湖[28]水体交换周期仅有20～40 d，其对入湖河流总磷的去除率年均只有24.8%左右，表现出较低的去除效果.太湖、巢湖[29]等水体交换周期在100～300 d，对总磷的去除率也在二者之间，大约在63.8%左右.从这一规律上来看，如果太湖入湖水量进一步增加，水体交换周期进一步下降，太湖对入湖河流总磷的去除率会继续降低，太湖总磷浓度平均值尤其是东太湖的总磷浓度也可能进一步上升，太湖“西浊东清”的水质结构会因此受到影响.另一方面，水体交换周期较短的湖泊由于湖水流速快，紊动剧烈，一般不容易形成水华，如洪泽湖等水体交换周期极短的湖泊尽管其总磷高于太湖，但是少见水华暴发的报道.对于太湖而言，水体交换周期长对于饮用水水源地的东太湖、胥湖保持低营养的清水状态是有利的，但通过望虞河“引江济太”加快交换可能对于缓解西部湖区水华暴发有益.理想的方法是引江水进入太湖西北部，在不影响太湖水体总体交换周期的前提下加快西北部的水循环.