陽澄西湖入湖河道水質時空變化特征

孫瑞瑞，呂 文，顧林森，楊金艷，楊 惠，楊文晶

(江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，江蘇 蘇州 215042)

陽澄湖是太湖平原第三大淡水湖，位于蘇南經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，是蘇州市重要的飲用水源地。由于社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展，富含氮磷等營養(yǎng)物質的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水的排入加劇了湖泊的富營養(yǎng)化[1]。陽澄湖的氮磷污染及富營養(yǎng)化問題已越來越受到學者們的關注，如陳麗娜等[2]構建了基于二維非穩(wěn)態(tài)水動力-水質模型的湖泊水環(huán)境容量模型，計算了陽澄湖水環(huán)境容量；周靜等[3]對2015—2016年陽澄湖水質變化原因的分析表明，湖體總氮(TN)濃度升高可能與入湖斷面的總氮濃度升高有關，總磷(TP)濃度升高可能與河道內源和降水等因素有關；金文龍等[4-5]分析了陽澄湖的氮磷營養(yǎng)鹽的時空變化特征，結果表明湖體總氮濃度的變化與周邊入湖河道水質密切相關，其中陽澄西湖主要受湖體西線入湖河道影響；顧爐華等[6]開展了七浦塘引水對陽澄湖河網(wǎng)水環(huán)境影響的模擬研究，表明七浦塘引水對北線河道的影響最為顯著，陽澄湖西湖水質有所改善；何捷等[7]基于2016—2017年監(jiān)測數(shù)據(jù)對陽澄西湖及其入湖港口水質的分析表明，氮磷營養(yǎng)鹽是湖區(qū)水質主要的污染因子，外源營養(yǎng)鹽輸入對陽澄西湖的水質具有決定性作用；楊惠等[8]基于2010—2014年的數(shù)據(jù)對陽澄湖入湖河道水質變化及污染物通量分析表明，河道水質較2010年前有了很大改善，陽澄西湖的主要入湖河道中，污染物通量主要來自蠡塘河。

前人對陽澄湖的研究主要集中在湖體水質和營養(yǎng)狀態(tài)的變化，采用的監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列相對較短，針對陽澄湖入湖河道水質的分析研究較少。已有研究表明，入湖河道水質對陽澄湖湖體水質有一定程度的影響[3]，且外源營養(yǎng)鹽輸入對陽澄西湖的水質具有決定性作用[7]。陽澄湖入湖河流主要分布在西部和西北部[9]，陽澄西湖入湖河道是陽澄湖入湖河道的主體，因此對陽澄西湖入湖河道的水質變化進行分析具有重要意義。本文基于2007—2019年的水質數(shù)據(jù)進行較長時間序列水質變化分析，探討陽澄湖西湖入湖河道水質時空變化特征，以期為陽澄西湖入湖河道的治理和陽澄湖水環(huán)境的保護提供參考。

1 研究區(qū)概況

陽澄湖地處蘇州市相城區(qū)、工業(yè)園區(qū)和昆山市，是蘇州市重要飲用水源地和戰(zhàn)略備用水源地[10]。湖中2個東北—西南走向的狹長半島把陽澄湖分為東湖、中湖和西湖3個部分，水域總面積為 117.4 km2，其中陽澄西湖約占總面積的26.9%，平均水深約2.9 m。陽澄西湖入湖河道主要包括白蕩、蠡塘河、濟民塘、北河涇、永昌涇、石益塘、中涇港、渭涇塘和界涇。入湖河道情況見表1。

表1 陽澄西湖主要入湖河道概況

陽澄西湖年平均氣溫15～17 ℃，自北向南遞增。根據(jù)湘城水位站多年實測水文資料，多年(1953—2019年)平均降水量為1 072.3 mm，其中60%的降水集中在5—9月。降水年內年際變化較大，最大與最小年降水量的比值為2.88。多年平均水位變幅為0.62 m，多年平均水位為2.98 m(1951—2019年)，歷年最高水位為4.31 m(1954年7月24日)，歷年最低水位為2.22 m(1956年2月28日)。

2 采樣與分析

入湖河道從南向北共布設9個監(jiān)測點(圖1)，采樣時間為2007年1月至2019年12月，每月采樣1次。

圖1 陽澄西湖主要入湖河道采樣點分布

水樣采集依據(jù)HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》，溶解氧(DO)采用美國哈希HQ40D多參數(shù)數(shù)字測定儀測定，總氮、總磷、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等水質指標測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[11]。水質評價標準參考GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》。

時間變化特征分析采用了2007—2019年較長序列的數(shù)據(jù)資料，空間變化特征分析強調河道之間的現(xiàn)狀水質差異，采用2017—2019年的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)資料。

空間分布差異采用距平系數(shù)表征，計算公式為

(1)

式中:η為距平系數(shù)；xi為2017—2019年河道i某水質指標的平均值；x為所有河道某水質指標的平均值。由于溶解氧是值越大水質越好，為便于比較，對于溶解氧的距平系數(shù)計算公式改為

(2)

3 結果與分析

3.1 時間變化特征

3.1.1年內變化

根據(jù)多年(2007—2019年，下同)陽澄西湖主要入湖河道逐月水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，對各項水質指標質量濃度進行逐月均值計算，結果見圖2。由圖2可見，氨氮質量濃度逐月變化趨勢與總氮基本一致，呈現(xiàn)3月為峰值、3—10月逐漸下降、10—12月略有回升的變化趨勢。其中氨氮、總氮質量濃度峰值與谷值的比值分別為2.1和1.9，多年月均質量濃度相對標準偏差分別為25.9%和23.5%，差異較大?？偭锥嗄暝戮|量濃度范圍為0.193～0.296 mg/L，3月出現(xiàn)峰值，與氨氮、總氮一致；但總磷質量濃度6月、7月再次呈峰值狀態(tài)，之后逐漸下降。許梅等[12]對太湖入湖河道水質監(jiān)測的結果表明，冬春季節(jié)氮含量高于夏秋季；施陳江[13]對陽澄西湖入湖河道的監(jiān)測結果表明，2009年12月至2010年2月平均總氮質量濃度較高，可見太湖和陽澄西湖入湖河道監(jiān)測結果與本文計算結果基本一致。據(jù)張新華等[14]分析，相城區(qū)主要入陽澄湖河道污染物中，農(nóng)業(yè)面源污染的入河量占總入河量的68%，污染物排放量主要來源于農(nóng)業(yè)污染[15]。春季是農(nóng)業(yè)活動繁忙時節(jié)，大量化肥的使用加劇了農(nóng)業(yè)面源污染[16-17]。因此陽澄西湖河道氮磷營養(yǎng)鹽春季含量較大，但總磷在6月、7月再次呈峰值狀態(tài)，可能與河道底泥釋放有關，溫度升高，有利于磷的釋放[18-19]。

圖2 陽澄西湖入湖河道水質指標年內變化

高錳酸鹽指數(shù)多年月均質量濃度范圍為5.2～5.7 mg/L，相對標準偏差為3.04%，年內變化整體較平穩(wěn)，均符合Ⅲ類水質標準。溶解氧多年月均質量濃度為5.4 mg/L，符合Ⅲ類水質標準，峰值 8.09 mg/L 出現(xiàn)在2月，隨著溫度不斷升高，逐漸下降至9月的谷值3.56 mg/L，9—12月不斷上升。

3.1.2年際變化

圖3為陽澄西湖入湖河道各項水質指標質量濃度年際變化計算結果。氨氮、總氮和高錳酸鹽指數(shù)質量濃度整體呈下降趨勢。氨氮、總氮及高錳酸鹽指數(shù)的多年平均質量濃度分別為1.32 mg/L、3.5 mg/L和5.4 mg/L，年均值從2007年的峰值波動下降至2019年的谷值，分別下降78.7%、47.9%和34.8%，改善明顯；總磷質量濃度2015年后有較大幅度下降，2007—2014年與2015—2019年波動較平穩(wěn)，兩個時段平均質量濃度分別為0.298 mg/L和 0.163 mg/L，2015—2019年均值比2007—2014年均值下降45.3%。溶解氧質量濃度年際變化整體呈上升趨勢，從2007年的2.65 mg/L波動上升至2019年的7.00 mg/L，多年平均質量濃度為5.4 mg/L，相對標準偏差為22.0%，整體改善效果明顯。2007—2019年陽澄西湖入湖河道氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)及溶解氧整體呈現(xiàn)持續(xù)向好的狀態(tài)，特別是2016—2019年水質指標維持在Ⅱ、Ⅲ類水質標準。

圖3 陽澄西湖入湖河道水質指標年際變化

近年來蘇州市采取了一系列整治措施，如：①關閉和淘汰污染嚴重的企業(yè)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構；②實施工業(yè)企業(yè)清潔生產(chǎn)審核，嚴控點源污染；③新建擴建污水處理廠，提升污水處理能力；④畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)、船餐整治，削減面源污染；⑤對主要入湖河道、河網(wǎng)進行排查整治，推進河網(wǎng)水體有序流動；⑥通過退漁還濕和生態(tài)岸線整治，促進生態(tài)修復；⑦統(tǒng)籌規(guī)劃監(jiān)測站點，強化預警監(jiān)測及區(qū)域生態(tài)補償制度建設等，這些措施顯著改善了陽澄西湖入湖河道水質。

3.2 空間變化特征

2017—2019年陽澄西湖主要入湖河道白蕩、蠡塘河、濟民塘、北河涇、永昌涇、石益塘、中涇港、渭涇塘和界涇總監(jiān)測次數(shù)中入湖次數(shù)的占比分別為75.0%、94.4%、41.7%、16.7%、30.6%、13.9%、50.0%、5.6%和80.6%，考慮到2017—2019年北河涇、石益塘、渭涇塘3條河道入湖次數(shù)的占比較低，因此選取入湖次數(shù)占比較高的主要河道進行空間變化特征分析。

白蕩、蠡塘河、濟民塘、永昌涇、中涇港和界涇6條河道的各項水質指標的距平系數(shù)計算結果見表2。位于陽澄西湖南部的白蕩和蠡塘河多項水質指標距平系數(shù)為正數(shù)，特別是氨氮距平系數(shù)高達52.8%和58.7%；中涇港和界涇多項指標距平系數(shù)為負數(shù)，范圍為-55.9%～-1.3%，因此，6條入湖河道中，白蕩、蠡塘河的水質最差，主要污染因子為氨氮、總磷和總氮；中涇港和界涇水質最好。楊惠等[8]基于2010—2014年數(shù)據(jù)分析得出蠡塘河水質較差，入陽澄湖河道中污染物主要來自蠡塘河；周靜等[20]基于2015—2016年陽澄湖主要入湖河流水質數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相比其他河道蠡塘河的水質最差；何捷等[7]基于2016—2017年的陽澄西湖河口監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析得出南部水質較差與外源營養(yǎng)負荷較大有關，與本文分析得到的結論基本一致。

表2 2017—2019年陽澄西湖主要入湖河道水質指標距平系數(shù)

白蕩、蠡塘河的主要上游河道分別為元和塘及黃埭塘。根據(jù)2017—2019年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，元和塘總磷質量濃度為0.206 mg/L(Ⅳ類)，高于白蕩總磷質量濃度0.156 mg/L(Ⅲ類)；黃埭塘總磷質量濃度為0.220 mg/L(Ⅳ類)，高于蠡塘河總磷質量濃度0.175 mg/L(Ⅲ類)，氨氮、總氮則相差不大，因此上游來水可能是白蕩、蠡塘河部分水質指標偏高的原因之一。另外蠡塘河、白蕩周圍農(nóng)田與村莊較多，并存在畜禽養(yǎng)殖點，因此農(nóng)業(yè)面源污染可能是白蕩、蠡塘河水質較差的主要影響因素。

4 結 論

a.陽澄西湖入湖河道氨氮、總氮及總磷質量濃度均在3月出現(xiàn)全年峰值，可能是因為春季大量化肥的使用加劇了農(nóng)業(yè)面源污染。

b.2007—2019年氨氮、總氮和高錳酸鹽指數(shù)年均質量濃度整體呈下降趨勢，2019年比2007年分別下降78.7%、47.9%和34.8%；總磷質量濃度在2015年后有較大幅度下降，2015—2019年質量濃度均值比2007—2014年下降45.3%；2016—2019年多項水質指標均保持在Ⅱ、Ⅲ類。由此可見，陽澄湖近年實施的各種整治方案對陽澄西湖入湖河道的水質改善有顯著效果。

c.陽澄西湖主要入湖河道中，水質較差的是白蕩及蠡塘河，主要污染因子為氨氮、總磷及總氮。上游來水和農(nóng)業(yè)污染面源可能是其水質較差的主要影響因素。