引江济太通道望虞河的水质变化特征及磷通量计算_陈年浩.pdf

引江济太通道望虞河的水质变化特征及磷通量计算陈年浩，陆 昊，汪 汇，刘 彤，钱 新（南京大学环境学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室，江苏南京）摘要 基于 年望虞河流域的每月巡测水质数据和 个水利枢纽调水数据，以及 年沿望虞河布设的 个采样点数据，分析望虞河贡湖在引江济太工程下的水质时空变化特征并计算望虞河出入湖磷通量。结果表明，长江来水除 外可达到类水标准，西岸支流恶化望虞河水质，使得沿程水质变化特征复杂并抬升入湖污染负荷。年引江济太调水期间，望虞河入湖的、相较长江来水分别上升 和，长江来水本身也有导致贡湖水质恶化的风险。同期望虞河引江入湖磷通量累计 ，净通量 ，对贡湖造成高磷素负荷冲击。关键词 水质；变化特征；磷通量；引江济太；望虞河中图分类号 文献标识码 文章编号（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，），.，；基金项目 江苏省自然科学基金项目（）；国家自然科学基金项目（）。作者简介 陈年浩（），男，广东汕头人，硕士研究生，研究方向：流域污染控制与生态修复。通信作者，教授，博士，博士生导师，从事环境系统模拟与评估及环境风险预警研究。收稿日期 自 世纪 年代以来，跨流域调水工程已在国内外众多湖泊中付诸实践，如荷兰 湖、美国 湖，国内大型湖泊如太湖、巢湖等，在水质改善和富营养化控制过程中发挥了积极作用。由于调水工程的来水一方面会引起流经区域和受水湖泊水文水动力学特性的改变，另一方面会挟带引水区及流经区域的营养盐和污染物等直接进入受水湖泊，因而对流域生态环境产生复杂影响。太湖地处经济发达、人口稠密的长江流域下游地区，是我国第三大淡水湖，流域经济的高速发展导致大量氮、磷营养盐输入太湖，使湖体富营养化。经过多年治理，太湖富营养化程度得到一定的控制，但蓝藻水华暴发的面积仍然较大。望虞河引江济太工程是太湖流域综合治理骨干工程之一，在望虞河入江和入湖处分别通过常熟枢纽和望亭立交枢纽工程进行水利调度，优化水资源配置。当前关于引江济太调水对受水区贡湖及太湖全湖的水质影响已有较多研究，但鲜有关注该工程流经通道望虞河的全程水质变化特征。同时，引水是否造成太湖总磷浓度上升尚有争议，但调水过程中引入了一定量的磷进入太湖已被证实。由于不同年份引水量存在很大差异，因此摸清多年来的磷通量对评估引江济太工程对太湖水环境的影响具有重要的意义。在长三角一体化发展的大背景下，浙江省和上海市对太湖水资源的需求增加，望虞河引江济太的水量有增加的趋势，因此，该研究基于现场环境监测数据和历史数据综合分析望虞河贡湖在江河湖连通的复杂环境条件下的水质时空变化特征，并估算 年出入湖磷通量，以期为制定兼顾太湖水质控制和生态改善的引江济太调水优化方案提供参考和支撑。资料与方法 研究区域概况 望虞河总长 ，是连接太湖和长江距离最短的流域性河道，既是长江水源直接引入太湖的通道，也是汛期太湖水外排长江的重要排水通道。望虞河流域属典型平原河网区，流域水系纵横交错，干流上有鹅真荡、漕湖等湖荡，东西两岸有多条支流汇入，东岸各支流均有闸口控制，西岸支流除北部福山塘以北段和中部嘉菱荡以南部分支流有控制外，其余大部分为开敞状态。望虞河西岸地区人口密集、经济发达，氮磷负荷较重，域内河网与望虞河存在频繁的水量交换，太湖排水时西岸河网污水经望虞河向北排入长江，引水时随长江水向南汇入太湖。样品采集与数据获取 收集 年的常熟和望亭水利枢纽水量数据和 年的流域每月巡测水质数据。该研究在长江望虞河贡湖段布设 个采样点（图），其中望虞河 个、贡湖内 个，和 分别位于常熟枢纽闸内和望亭枢纽闸内。分别于 年引水期（月 日和 月 日）采样 次、排水期（月 安徽农业科学，（）：，日）采样 次。每个采样点通过 多参数水质仪原位监测、水温、溶解氧（）、叶绿素（）、电导率（）、浊度（），通过 采水器采集水面下 水样装于润洗过的 瓶中，水样 冷藏保存，运回实验室。采用高锰酸钾氧化分光光度法测定高锰酸盐指数（），纳氏试剂分光光度法测定氨氮（），麝香草酚分光光度法测定硝氮（），碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定总氮（），钼酸铵分光光度法测定总磷（）。图 研究区域及采样点分布 磷通量计算 根据逐月的水量和 浓度数据，两者相乘即可计算入（出）湖断面（）的年磷通量。结果与分析 望虞河引排水量变化趋势 自 年启动调水以来，引江工程显著增加了望虞河入太湖的水量，年望虞河年均入湖水量，相较 年增加了 倍。年以来，望虞河入湖水量有所减少，年均入湖水量，仅为 年的。年望虞河年入湖水量占太湖年总入湖水量的 .，年年入湖水量占太湖年总入湖水量的 .。年望虞河共引长江水，其中 进入太湖，进入望虞河两岸河网，平均入湖效率为；以 年为拐点，近 年来引江济太入湖效率呈现先上升后下降、再波动上升的趋势（图）。图 年望虞河调水量和入湖效率变化 长江来水、望虞河入湖与贡湖水质比较 引江济太调水期间，位于望虞河两端的 和 处水质可分别代表长江来水和望虞河入湖水质，处水质代表贡湖水质。年引江济太调水期间，望虞河入湖的、平均浓度分别为 和 ，相较长江来水分别上升和，平均浓度为 ，相较长江来水下降；长江来水的、和 低于望虞河入湖的比例分别为、和。由图 可见，引水期间望虞河入湖的 和 负荷较长江来水有所提高，负荷有所降低，说明望虞河西岸河网污水的汇入对入湖水质产 卷 期 陈年浩等 引江济太通道望虞河的水质变化特征及磷通量计算生不利影响。对比望虞河入湖和直接受水区贡湖的水质，引江济太调水期间，贡湖的、和 平均浓度分别为、和 ，望虞河入湖的、和 平均浓度分别比贡湖低、低 和高。由图 可见，引江济太期间望虞河入湖的 负荷与贡湖基本持平，负荷尽管较长江来水有所提高，但仍低于贡湖，负荷显著高于贡湖。进一步对比长江来水和贡湖的 情况，引江济太调水期间长江来水的 平均浓度高于贡湖，浓度仅有 的比例低于贡湖。磷是导致水体富营养化的重要元素之一，年以来，太湖 浓度出现反弹。由于河湖执行的水质标准不同，尽管长江来水的 达到类水标准，但对于受水区贡湖而言已然偏高，同时望虞河西岸磷负荷随引水入湖，因此磷是引江济太需要关注的重要因子。图 引江济太期间长江来水（）、望虞河入湖（）与贡湖（）水质比较 （），（）（）望虞河水质沿程变化特征 上述的巡测及监测数据表明望虞河两端的污染负荷有所不同，为进一步阐明西岸支流汇入导致的水质变化，沿望虞河开展了详细的水质监测，结果见图。引水期水质沿程变化特征。从图 可以看出，次引水期（月和 月）的、和 处于各断面较低甚至最低水平，望虞河水质沿程总体上呈现先恶化、经湖荡有所改善再恶化的变化特征。具体来看，从 到，该段西岸支流口门得到控制，无污水汇入，望虞河水质变化不大。从 到，张家港和锡北运河在该段通过多个口门与望虞河发生水量交换，望虞河水质已明显恶化，月引水时 处相较长江来水 和 分别上升 和；月引水时 和 分别上升 和.。从 至，九里河经宛山荡在嘉菱荡汇入后，和 出现小幅升高或维持不变，则有较为明显的下降。从 到，该段西岸支流口门得到控制，月引水时水质变化不大，月 浓度大幅上升可能是由于采样时恰逢大型船舶连续经过排放污水所致。对比湖荡与河段及 与 的水质，湖荡相较河段或 相较 的、浓度均有不同程度的下降，说明湖荡对水体有一定的截留净化作用。从 到，伯渎港和古市桥河相继与望虞河发生水量交换，可能由于本来 的 浓度已经较高，月引水时 下降，和 变化不大；月引水时 和 分别上升 和.，变化不大。综上，引水期望虞河沿程水质受西岸支流汇入影响显著，各支流口门众多，且不同污染物的污染程度各不相同，导致望虞河水质沿程变化特征复杂。西岸支流总体上恶化望虞河水质，与已有研究的结论一致，其中污染最严重的是张家港和锡北运河。尽管鹅真荡、漕湖等湖荡对水质有一定的改善作用，同时污染物自身存在扩散和沉降作用，但最终入湖水体各项指标仍不如长江来水。因此引水期间控制望虞河西岸河网污染的输入有利于保障实现“以清释污”的工程目标。排水期水质沿程变化特征。根据现场观测，月贡湖及鹅真荡、漕湖暴发藻华，区间河段漂浮大量蓝藻，对应的 的 浓度为 ，此后 浓度逐渐下降，蓝藻暴发也导致水体有更高的 和更低的，其 中 在 和 分 别 达 到 和 ，在 回落至 ，之后逐渐升高；沿程逐渐降低，从出湖的 降至排江的 ；在望虞河口（）高达 ，出湖后迅速降低，沿程变化较小，介于 ；沿程逐渐升高，从出湖的 升至排江的 。从支流汇入来看，伯渎港和古市桥河汇入后，上升，下降，变化不大；九里河汇入后，上升，和 分别下降 和；锡北运河和张家港汇入后，、和 分别上升、和。望虞河作为太湖水外排长江的重要通道，其排水功能也是“引江济太”工程目标之一。太湖集中在夏季排水，携带大量蓝藻水华颗粒物的湖水进入连通河道后，将对河道产生高负荷营养盐冲击。因此权衡水系连通与水质保障，合理制定西岸河网排水方案具有重要的现实意义。安徽农业科学 年图 不同时期的望虞河沿程水质变化特征 典型引水过程的水质变化趋势 随着太湖水质改善，以丰补枯成为调水的主要目的。年 月 年 月共有 次引江济太调水，其中调水目的为以丰补枯的有 次，引水天数分别为、。选取引水天数中等的 年度引江济太作为典型过程，此次引水 年 月 日开启，次年 月 日结束，引水天数 ，引水入湖天数，引水量，入湖水量，期间望虞河及贡湖的水质变化趋势如图 所示。此次引水过程中，长江来水（）水质较为稳定，除 月 日水质较差外，、和 分别在 、.和 波动，平均浓度分别为.、和 ，除 外可达到类水标准，属于清水。在望虞河中游（），西岸支流中污染最为严重的张家港、锡北运河已相继汇入，项水质指标大部分时间均高于长江来水，尤其是 和，平均浓度分别比 上升了.和。自 月 日开始引水入湖以来，的呈波动下降后趋稳、和 浓度呈波动上升后趋稳的趋势，贡湖与之类似。引水结束时，贡湖的、和 相较引水入湖前分别下降了、上升了 和上升了。西岸支流污水汇入导致望虞河污染负荷升高，但此次引水过程中长江来水的 高于望虞河入湖和贡湖，说明除西岸支流污水汇入外，长江来水本身有导致受水区水质恶化的风险。图 年度引江济太期间望虞河与贡湖水质变化 望虞河出入湖磷通量 从图 可以看出，年望虞河入湖磷通量为 ，累计 ，出湖磷通 卷 期 陈年浩等 引江济太通道望虞河的水质变化特征及磷通量计算量为 ，累计 ；年以来，望虞河入湖磷通量随引江入湖水量同步减少，年均入湖磷通量，仅为 年的。从净通量来看，年望虞河年入湖的磷净通量在，累计入湖净通量。其中，年太湖流域年降水量达到 ，比常年偏多，发生流域洪水，望亭枢纽全年引水量，不及排水量（），净入湖 通量为；和 年由于发生流域大洪水，望虞河当年以出湖为主，净入湖 通量分别为 和；年望虞河入湖水量同样不及出湖水量，相应的净入湖 通量小于。可见，太湖望虞河 收支变化主要取决于入湖水量和出湖水量的多寡。根据水利部太湖流域管理局发布的太湖健康状况报告，年太湖全湖累计入湖磷通量为 ，同期望虞河入湖磷通量占比为。结合贡湖年均蓄水量和巡测的 数据计算贡湖的蓄磷量，望虞河入湖磷通量是贡湖年蓄磷量的 倍，平均 倍。可见尽管“引江济太”带来的磷通量占全湖比例不大，但对贡湖而言可造成高磷素负荷冲击。有研究指出应以溶解态总磷和溶解态无机磷来考量太湖表层水体磷的生物有效性，仅有 不足以评估引江济太工程带来的磷负荷冲击及对贡湖和太湖磷循环的影响，近年来贡湖有向藻型湖区转化的趋势，蓝藻暴发的风险依然较高，湾内有锡东、沙渚和金墅湾 个水源地，考虑到溶解态磷对藻类生长的促进作用，在规划望虞河引水量加大的远景下需要进一步摸清分形态的磷通量变化并深入研究引江济太调水对贡湖水质及水生态的影响，以保障水源地供水安全。图 年望虞河出入湖磷通量 结论（）引江济太工程所引的长江来水除 指标外可达到类水质标准，属于优质来水，年引江济太调水期间，望虞河入湖的、平均浓度分别为 和.，相较长江来水分别上升 和，平均浓度为 ，相较长江来水下降。（）西岸各支流口门众多，不同污染物的污染程度各不相同，导致望虞河水质沿程变化特征复杂。西岸支流总体上恶化望虞河水质，其中污染最严重的是张家港和锡北运河。鹅真荡、漕湖等湖荡对水质有一定的改善作用，但最终入湖水体各项指标仍不如长江来水。（）引水造成受水区贡湖 下降，和 上升。引水过程中存在长江来水的 高于望虞河入湖和贡湖的情况，除西岸支流污水汇入外，长江来水本身也有导致贡湖水质恶化的风险。（）磷是引江济太需要关注的重要因子，年望虞河引江入湖磷通量累计 ，净通量 ，年以来入湖磷通量随引江入湖水量同步减少。望虞河入湖磷通量是贡湖年蓄磷量的 倍，对贡湖造成高磷素负荷冲击。应进一步加强研究引江济太工程对贡湖水质及水生态的影响，以保障水源地供水安全。参考文献 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