太湖流域上游降水量对入湖总氮和总磷的影响

陆 昊，杨柳燕，杨明月，张建华，吕学研，殷 鹏 ，钱 新

(1.南京水利科学研究院水文水资源研究所，江苏 南京 210029； 2.南京大学环境学院，江苏 南京 210023；3.南京大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，江苏 南京 210023； 4.江苏省水利厅，江苏 南京 210029；5.江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036； 6.江苏省水资源服务中心，江苏 南京 210029)

太湖流域地处长江流域下游，流域面积3.69万km2，地跨江苏、浙江、安徽、上海三省一市，是我国人口密度最大、经济最发达的地区之一。太湖流域属亚热带季风气候区，气候温和湿润，降雨充沛。太湖位于太湖流域的中心，是我国第三大淡水湖泊。太湖水面面积为2 338 km2，平均水深约1.9 m。太湖流域水网交错，河道密度高达3.2 km/km2[1]。随着区域社会经济发展，人口密度增加，太湖流域土地开发强度增大，工农业、城镇和公共用地占比上升，导致入湖氮磷数量超过环境容量，底泥营养物质浓度升高[2]，湖体总磷浓度居高不下[3]，同时在盛行风向的定常风下，太湖湖区出现众多大小不一的环流，污染物容易积聚[4]，为太湖蓝藻水华频繁暴发提供了条件。因此，探索环太湖河道入湖总氮和总磷通量变化及其影响因素具有重要的现实意义。

降雨对进入太湖流域河道的氮磷负荷有着重要影响。陈洁等[5]分析了不同降雨强度下大浦河流量和营养盐负荷的变化，发现入湖河道流量对降雨强度的响应具有滞后性，虽然河道水体总氮和总磷浓度无明显差异，但不同降雨强度下总氮和总磷的日负荷存在显著差异，降雨强度增加，营养盐日负荷增加。张婷等[6]研究发现，流域丰水年的非点源氮磷负荷为枯水年非点源氮磷负荷的2倍以上。Carpenter等[7]通过观测与模拟估算发现，强降雨对Mendota湖的入湖磷通量影响显著，强降雨带入湖的总磷通量约占全年入湖磷通量的75%。近年来，太湖流域强降雨频次不断增加[8]，对河道入湖总氮和总磷通量产生了影响。然而，在太湖流域这样的复杂河网区，从降雨、径流和氮磷迁移转化等一系列生物地球化学循环过程考虑，基于现场观测模拟分析太湖流域氮磷输移转化过程比较困难。本文根据环太湖入湖河道的水质和水量计算河道入湖总氮和总磷通量，探索太湖流域年降水量与河道入湖总氮和总磷通量之间的关系，旨在帮助识别太湖入湖总氮和总磷通量的主要来源，解析与反推太湖入湖总氮和总磷的来源和输入途径，以期为区域综合治理提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据收集

太湖流域根据水系特征分为7个片区(图1)，出入湖河流有228条，主要的入湖河流位于湖西区和浙西区。为了分析太湖流域上游降水量与河道入湖总氮和总磷通量的关系，从中国气象数据网收集了2010—2019年太湖流域降水量数据，从太湖网和《太湖流域水情年报》收集了2010—2019年太湖入湖水量数据，从环境监测部门获取了环太湖河道入湖总氮和总磷浓度数据。

图1 太湖流域分区

1.2 环太湖河道入湖总氮和总磷通量计算

利用环太湖河道水体总氮和总磷浓度与河道月入湖水量计算环太湖河道入湖总氮和总磷通量：

(1)

式中：W为环太湖河道年入湖总氮或总磷通量；Qij为环太湖第i条入湖河道j月入湖水量；cij为环太湖第i条入湖河道j月总氮或总磷浓度；n为主要入湖河道数。逐月估算出每条主要入湖河道总氮和总磷的入湖通量后，累加可以得到环太湖河道的年入湖总氮和总磷通量。

环太湖水文测量站分为基点站和巡测站，控制了环太湖95%以上的进出水流量。根据基点站和巡测站流量相关性分析结果，可由基点站流量推算各个巡测站的流量[9]。在计算环太湖河道入湖氮磷通量时，无监测数据河道的水质数据由相近河道的水质数据替代。

2 结果与分析

2.1 太湖流域降水量年际变化

太湖流域降水量的大小决定了太湖入湖水量和水位涨落[10]，从而影响太湖流域水文过程、水资源量和水生态环境质量。2010—2019年，太湖流域年平均降水量为1 322 mm，较1986—2009年增加15%。其中，2013年太湖流域年降水量最少，只有1 067 mm，而2016年太湖流域年降水量最多，为1 792 mm，2019年太湖流域年降水量为1 271 mm(图2)。2010—2019年，湖西区平均年降水量为1 263 mm，较1986—2009年增加3%。其中，2013年湖西区年降水量最少，只有928 mm，而2016年湖西区年降水量最多，为2 026 mm，2019年湖西区年降水量较少，为952 mm。2010—2019年，浙西区年均降水量为1 552mm，较1986—2009年增加10%。2013年浙西区年降水量最少，为1 297 mm，而2016年浙西区降水量最多，为2 035 mm，2019年浙西区年降水量较多，为1 628 mm。因此，2010—2019年，太湖流域不同年份降水量变化较大，湖西区年降水量均小于同期浙西区年降水量，其中2019年差值最大，湖西区年降水量比浙西区少了676 mm。

图2 2010—2019年太湖流域年降水量

2.2 太湖入湖水量年际变化

太湖环湖岸线全长393.2 km，进出河港纵横，河口众多。根据测算，环太湖河道入湖水量主要包括3部分：①流域天然降雨，为主要部分，占入湖水量的70%～80%；②区域引水，包括自主引水和“引江济太”调水，占入湖水量的20%～30%；③区域工农业生产和生活排水，主要是从长江取水后就地排水，占比较小。2010—2019年，太湖年均入湖水量为11.6 km3，其中，2013年入湖水量最少，为8.9 km3，2016年入湖水量最多，为16 km3，2019年入湖水量为12.6 km3(图3)。

湖西区和浙西区为太湖上游地区。2010—2019年，湖西区和浙西区入湖水量平均占太湖入湖水量的85%(图3)。湖西区是太湖入湖水量最多的片区，1986—2009年湖西区入湖水量平均占太湖入湖水量的48%，而2010—2019年湖西区入湖水量平均占太湖入湖水量的65%，比例有所上升。1986—2009年浙西区入湖水量平均占太湖入湖水量的23%，而2010—2019年，浙西区入湖水量平均占太湖入湖水量的20%，比例略有下降。2019年，浙西区入湖水量的占比显著增加。杭嘉湖区、阳澄淀泖区和武澄锡虞区的河道以出湖为主[11]，2010—2019年，其他片区入湖水量平均只占太湖入湖水量的15%(图3)。因此，太湖入湖水量主要来自湖西区和浙西区，湖西区和浙西区是入湖氮磷的主要来源。

图3 2010—2019年太湖年入湖水量和不同片区入湖水量占比

2.3 环太湖河道入湖总氮和总磷通量

根据环太湖河道流量及水质数据，2010—2019年，环太湖河道年均入湖总氮和总磷通量分别为3.24万t和0.18万t。其中，2013年环太湖河道入湖总氮和总磷通量最小，分别为2.45万t和0.14万t；2016年最大，分别为4.22万t和0.25万t；2019年环太湖河道入湖总氮和总磷通量分别为3.27万t和0.14万t(图4)。

2010—2019年，环太湖河道入湖氮磷主要来源于湖西区和浙西区，两个湖区河道入湖总氮和总磷通量占全湖的90%以上(图4)。湖西区是环太湖河道入湖氮磷最主要的来源区，2010—2019年，湖西区河道年均入湖总氮和总磷通量分别为2.45万t和0.14万t，分别占环太湖河道年均入湖总氮和总磷通量的77%和76%。湖西区2013年河道入湖总氮和总磷通量最小，分别为1.82万t和0.10万t；2016年最大，分别为3.08万t和0.19万t。浙西区2017年河道入湖总氮和总磷通量最小，分别为0.31万t和0.02万t；2019年最大，分别为0.94万t和0.04万t。因此，太湖流域河道入湖总氮和总磷通量变化较大，并不随太湖流域污染治理力度增强而梯度下降。

(a)总氮入湖通量

环太湖主要出入湖河道的总磷和总氮浓度监测频次为每月1次，为瞬时值，忽略了河道总氮和总磷浓度在月内的变化，这会影响环太湖河道入湖氮和磷通量的估算精度[12]。此外，环太湖河道存在往复流[13-14]，由于河道入湖与出湖时水体总氮和总磷浓度之间存在差异，使用每月1次的总氮和总磷浓度数据也会给太湖河道入湖总氮和总磷通量的计算带来系统误差。同时，环境监测部门未监测的部分出入湖河道的总氮和总磷浓度，使用邻近河道的总氮和总磷浓度作为替代，也会给环太湖河道入湖总氮和总磷通量的计算带来一定的误差。本文采用逐月累计得到的入湖总氮和总磷通量与水利部太湖流域管理局公布的《太湖健康状况报告》相比，误差较小，因此能有效反映环太湖河道入湖氮磷通量。

3 讨 论

3.1 入湖总氮和总磷通量与降水量的关系

太湖流域入湖水量变化受降水量影响，降水量大的年份入湖水量也大。2015和2016年是2010—2019年间太湖流域降雨最多的两年，导致入湖水量也非常高，而2015和2016年恰好也是2010—2019年间环太湖河道入湖氮和磷通量最高的两年。2010—2019年，太湖流域、湖西区和浙西区河道入湖总氮和总磷通量均与降水量呈显著正相关关系(显著性水平p<0.05)(图5)。浙西区入湖水量主要来源于区域降雨，其入湖水量变化主要与降雨有关[15]，因此，降水量直接影响浙西区河道入湖总氮和总磷通量的变化。湖西区入湖水量的来源除了区域降雨外，还包括谏壁闸等沿长江口门引水[16]。虽然2010—2019年湖西区沿长江口门平均年引水量达2.29 km3，为湖西区平均年入湖水量的30%，但是湖西区入湖氮和磷通量的变化与沿江口门引长江水量之间无显著相关性(p>0.05，图6)，因此，降雨仍是湖西区入湖总氮和总磷通量变化的主要影响因素。

(a)年降水量与河道入湖总氮通量关系

图6 2010—2019年湖西区年引江水量与入湖总氮和总磷通量关系

湖西区和浙西区河道入湖总氮通量随降水量增加的响应系数分别为9.96 t/mm和5.86 t/mm，总磷通量的响应系数分别为0.895 t/mm和0.213 t/mm(图5)，湖西区河道入湖总氮和总磷通量随降水量增加的响应系数分别为浙西区的1.7倍和4.2倍。已有研究结果显示[17]，浙西区土地利用类型以林地和耕地为主，面积占比分别为62%和22%，氮磷主要来自林地和农业面源污染。湖西区土地利用类型以城市建设用地和耕地为主，面积占比分别为22%和50%[18]。降水量增加虽然会导致区域氮磷湿沉降量升高，但是从环湖湿沉降监测结果来看，2017年降雨中总氮、总磷平均质量浓度分别为3.06 mg/L和0.08 mg/L[19]，降雨中总氮浓度略低于河道总氮浓度多年平均值，总磷浓度显著低于河道总磷浓度多年平均值，因此，湿沉降不是造成河道入湖总氮和总磷通量与降水量之间强相关的原因。根据WorldPop公布的人口数据[20]计算，湖西区和浙西区人口密度分别约为998人/km2和444人/km2，尽管研究表明太湖流域人口密度和城镇与流域污染负荷存在相关性[21]，但是工业和城镇点源排放的总氮和总磷通量与降水量之间不呈正相关关系，工业和城镇点源排放也不是导致入湖总氮和总磷通量与降水量之间呈显著正相关的原因。综上，湖西区城镇和农村面源高强度排放是导致河道入湖总氮和总磷通量与降水量之间强响应的主要原因。

3.2 高强度降雨对河道入湖总氮和总磷通量的影响

由于存在降雨初损[22-23]，降雨强度较低时，面源氮磷负荷增加并不明显。而在高强度降雨时，太湖平原河网地区河道各形态氮和磷浓度有急剧的升高趋势[24-25]，高强度降雨使进入太湖上游河网区的总氮和总磷负荷呈现脉冲式增加，而这种情况下的总氮和总磷进入河道后不易得到净化。与此同时，太湖流域高强度降雨导致入太湖水量大，河道入湖总氮和总磷通量也变大。以日降水量达到25 mm及以上视为高强度降雨进行统计，2010—2019年，湖西区和浙西区年高强度降水量占年降水量比例与年降水量之间呈现正相关(图7)。2010—2019年中，2016年湖西区和浙西区年降水量最大，高强度降水量占年降水量的比例分别为63.4%和54.0%，导致河道入湖总氮和总磷通量大增。此外，2010—2019年，湖西区和浙西区河道入湖总氮和总磷通量与所在片区年高强度降水量之间也呈显著正相关(p<0.05，图8)。2019年，由于气候气象因素导致降雨不均，浙西区山区降水量大增，入湖水量、入湖总氮和总磷通量也显著增加，因此，太湖流域高强度降雨增加了河道入湖总氮和总磷通量。

图7 2010—2019年湖西区和浙西区年高强度降水量占比与年降水量关系

(a)湖西区

3.3 降雨对入湖总氮和总磷通量的影响

太湖流域河道入湖氮磷污染来源多样，城镇生活、农业和工业等的氮磷排放是最主要的来源，同时大气沉降、长江引水也是入湖氮磷的来源。在太湖流域氮磷污染控制力度不断增大与引水调控的背景下，尽管河道水质有所改善[26]，但环太湖河道入湖总氮和总磷通量未见明显减少。根据分析，长江引水与入湖氮磷通量变化无显著相关性。研究表明，2018年与2010年相比，太湖流域降雨总氮浓度平均值相近，降雨总磷浓度平均值呈下降趋势[27]。而2014—2015年太湖流域降雨中总氮和总磷质量浓度分别为2.17 mg/L和0.036 mg/L，雨水总氮平均质量浓度比河道总氮平均质量浓度(3.47 mg/L)稍低，雨水总磷平均质量浓度明显低于河道总磷平均质量浓度(0.18 mg/L)[28]。此外，多年来太湖流域城镇生活污水处理厂、工业园区污水处理厂以及工业行业重点企业污水处理设施进行了提标改造，点源污染防治成果显著，排入河道氮磷负荷明显下降[29]。综合考虑以上因素，并结合降水量与河道入湖总氮和总磷通量的显著相关关系可以发现，太湖流域上游引水、大气干湿沉降与固定源排放不是影响环太湖河道入湖总氮和总磷通量变化的主要原因，农业、农村和城镇面源，包括部分降雨时雨污合流管的污水溢流，成为河道氮磷污染的主要来源[29]。太湖流域降雨导致的水循环过程驱动了入湖氮磷迁移过程，由于太湖流域氮磷迁移过程复杂，除了大气沉降外，雨水携带陆源污染物进入河道，导致环太湖河道入湖总氮和总磷通量与降水量呈显著正相关。降雨主要通过以下几个方面影响环太湖河道入湖总氮和总磷通量的变化：

a.降水量影响种植业氮磷流失量。种植业是太湖流域农业面源氮磷污染的重要来源。由于城市化进程的加剧，耕地面积虽然在不断减少，但是出于经济利益考虑，太湖流域许多稻田改为果园、菜地，茶园面积也不断扩大，2002—2017年太湖地区果园和茶园面积分别增加了2.852万hm2和1.892万hm2[30]。由于果园、菜地和茶园单位面积氮磷施肥用量大，氮磷的地表径流流失量和地下渗漏流失量均明显高于稻田，虽然2002—2017年太湖流域种植业面积明显减少，但是磷流失量仅下降了1.84%[30]。此外，枯水期太湖流域的河流总磷浓度上升幅度较大，也表明目前农村和农业面源污染仍没有得到有效控制。一般情况下，降水量越大，氮磷径流流失量也越大，因此，发生高强度降雨时，太湖流域种植业氮磷流失量越多，农业面源输入河道的氮磷量就越多。

b.降水量影响城镇面源污染入河量。城镇面源也是河流氮磷污染的重要来源之一。高强度降雨下，太湖流域城镇面源氮磷污染随降雨进入河道，同时由于部分雨污合流管道溢流，也会导致部分污水进入河道。孙中浩[31]通过对宜兴市不同下垫面的降雨径流的研究发现，城区不同下垫面的降雨径流中总氮和总磷平均质量浓度分别为1.99～10.93 mg/L和0.22～1.77 mg/L，降雨径流中总氮和总磷初始质量浓度分别超出《地表水环境质量标准》Ⅴ类水水质标准值的1.0～5.5倍和1.1～5.9倍。太湖流域高强度降水量越大，对城镇下垫面“清扫”作用越强，导致城镇雨水径流进入河道的氮磷负荷越高，对河道水质的不利影响越严重。

c.降水量影响水系自净能力。太湖流域水网纵横，湖荡众多，整个流域湿地总面积约为735 km2，大于0.5 km2的湖荡有189个，占太湖流域平原面积的10.7%，但是，太湖流域河道以闸坝调控为主，湖西区与浙西区平原河网的连通性与其他片区相比较差[32]，因此，在降雨强度较小时，部分河水积存于圩区或断头浜中，但在降雨强度较大时，圩区与断头浜水通过闸泵或支流进入主要入湖河道，氮磷污染物也随之入湖。与此同时，高强度降雨导致太湖上游河网区水量增加，流速增大，也会使得沉积在河道中的氮磷污染物再悬浮[33]，河道两岸的侵蚀作用也更加明显，因冲刷、侵蚀进入河道的氮磷污染负荷也将增多，共同增加了河道水体中氮磷污染物的数量。有研究表明，较长水力停留时间的人工模拟河流对氮磷具有更高的去除率[34]，因此，太湖上游河网区高强度降水量的增加会导致河道和湖荡水体流速加快，水体水力停留时间变短，对氮磷自净能力下降，使得环太湖河道入湖总氮和总磷通量增加。

4 结 论

a.2010—2019年太湖流域年平均降水量为1 322 mm，较1986—2009年的年平均降水量增加15%，其中湖西区和浙西区的年平均降水量分别为1 263 mm和1 552 mm。2010—2019年环太湖河道年均入湖总氮和总磷通量分别为3.24 万t和0.18 万t，主要来自湖西区和浙西区。

b.湖西区、浙西区河道入湖总氮和总磷通量与各片区年降水量之间均呈现显著正相关，年降水量越高，河道入湖总氮和总磷通量越大。由于湖西区城镇建设用地和耕地面积占比较浙西区高，湖西区河道入湖总氮和总磷通量对降水量的响应要强于浙西区。

c.太湖流域上游湖西区和浙西区的年降水量越大，强降雨所占比例越高。降雨冲刷和携带是农业和城镇面源氮磷污染进入入湖河道的主要途径，农业和城镇面源污染是环太湖河道入湖总氮和总磷主要的来源。流域降水量的增加会缩短河道、湖荡水体水力停留时间，从而降低河网水系对氮磷的净化能力，导致环太湖河道入湖总氮和总磷通量居高不下。因此，应以农业和城镇等氮磷面源污染控制为重点，同时加强太湖流域生态修复工程建设与汛期水利工程调度，有效降低河道入湖总氮和总磷通量。