蘇州湖泊水源地水質時空變異特征

蔣笑影，夏 霆，潘新星，楊金艷，徐 勇

(1.南京工業大學城市建設學院，南京 211816；2.江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，蘇州 215009)

飲用水源地水質及污染問題影響供水保障和社會穩定，其中湖泊水源地由于水體流動性差、入湖污染難以防控等特點，較易發生富營養化甚至爆發水華，因此近年來湖泊水源地供水安全問題持續受到關注。聚類分析、判別分析等多元統計分析方法因為具有能夠簡化多維數據，提取主要信息等優點，在水質特征分析研究中得到廣泛應用。國內外研究者運用多元統計方法分別對密云庫區[1]、蘇州古城區[2]、澳門半島近岸海域[3]、松花江哈爾濱區域[4]以及三峽庫區[5]的水質時空變異特征進行了分析，并對不同區域及年際段的主要污染物進行了解析。這些研究結果表明多元統計分析方法能夠有效地從復雜的多元水質因子中提取重要信息，識別造成水質變異的主要指標，將其用于水質特征信息挖掘及污染源解析具有顯著優勢。

蘇州現有集中式飲用水水源地15個，其中9個為湖泊水源地，包括太湖(蘇州轄區)、陽澄湖、尚湖和傀儡湖等湖泊，湖泊水源地占比大[6]。本文基于蘇州市9個湖泊水源地2006-2017年12年間逐月實測水質數據，評價水源地水質狀況及富營養化程度，分析其水質時空差異特征，并對其主要污染因子進行解析，以期為湖泊水源地水環境保護及水污染防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

蘇州位于太湖流域，境內河港密布，擁有大小河道2萬多條，50畝以上湖泊384個，境內總水域面積高達2 171.9 km2。近年來，蘇州城市化進程逐年加快，區域污染物排放量居高不下，河網水質狀況較差，水體富營養程度偏重[7]，供水安全問題受到廣泛關注。

本文研究對象為金墅港、鎮湖、漁洋山、浦莊、廟港、亭子港、尚湖、陽澄東湖及傀儡湖9個湖泊飲用水源地，分別位于太湖(6個)、尚湖、陽澄湖和傀儡湖(見圖1)。

圖1 蘇州9個湖泊水源地位置分布圖Fig.1 Distribution of 9 lake water sources in Suzhou

其中，太湖是中國第三大淡水湖泊，是上海、無錫、蘇州等城市的主要飲用水源地，同時承擔地區防洪、灌溉和水產養殖等功能。陽澄湖位于蘇州市東北部，湖區面積119.04 km2，包括東湖(水源地)、中湖和西湖。尚湖位于常熟西郊，虞山西北角，周邊森林植被覆蓋率達96%，湖區面積6.619 km2。傀儡湖位于昆山市境內，湖泊封閉管理，湖區面積6.604 km2。

1.2 數據來源與研究方法

數據來源于蘇州9個湖泊水源地2006-2017年12年間水質監測數據，采樣點為各水源地取水口，水質監測因子包括總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、葉綠素(Chl.a)、高錳酸鹽指數(CODMn)等17個水質理化指標，逐月監測，共17442個監測樣本。水質采集及監測分析嚴格按照地表水環境質量標準(GB3838-2002)中的方法進行，均由蘇州市水環境監測中心實驗室完成。

綜合水質狀況評估選取DO、TN、TP、NH3-N、BOD5、CODMn6項指標作為評價因子，采用內梅羅指數法[8]。富營養評估參照中國環境監測總站推薦的加權綜合營養狀態指數(TLI)法[9]，考慮TN、TP、Chl.a、SD、CODMn5項水質因子。

2 結果與分析

2.1 水質評價

2.1.1 綜合水質狀況

基于12年間水質監測數據，采用內梅羅指數法計算9個水源地歷年綜合水質狀況，其年際變化如圖2。除金墅港、北亭子港和傀儡湖水源地水質波動略大外，其余各水源地12年間水質狀況較為穩定。總體上，9個水源地歷年污染指數均介于1.0～2.0之間，屬于輕度污染。

圖2 各水源地綜合水質狀況年際變化Fig.2 Interannual variabilities in the comprehensive water quality of each water source

2.1.2 富營養狀況

基于加權綜合營養狀態指數(TLI)法評估的9個水源地富營養狀況年際變化見圖3。尚湖和傀儡湖水源地富營養狀況較好，2007-2012年間兩個水源地均處于貧營養狀態(TLI≤ 30)，尚湖2013年之后處于中營養狀態(30 50)。其余7個水源地除2016年達到輕度富營養狀態外，2007-2015年以及2017年基本處于中營養狀態。總體上，12年間9個水源地富營養狀況良好，除2016年大部分水源地達到輕度富營養外，其余年份均處于或優于中營養狀態，但各水源地富營養程度總體呈增大趨勢，2016年部分水源地已接近中度富營養。

圖3 各水源地富營養狀況年際變化Fig.3 Interannual variabilities in the eutrophic condition of each water source

基于綜合營養狀態指數(TLI)法評估的9個水源地富營養狀況月際變化見圖4。浦莊、廟港、北亭子港和尚湖4個水源地富營養狀況良好，年內均處于中營養狀態(30

圖4 各水源地富營養狀況月際變化Fig.4 Monthly changes in the eutrophic condition of each water source

2.2 水質時空變異特征

2.2.1 水質的時間分布特征

9個湖泊水源地水質的月際聚類分析結果如圖5，在(Dlink/Dmax)×100 < 5處，全年可分為2個時段，時段Ⅰ為7-10月，時段Ⅱ為1-6月和11-12月。蘇州地區雨季多集中在6-9月份[14]，由梅雨形成的太湖最高洪水位大多出現在7月份，由臺風雨形成的太湖最高洪水位多出現在9月份[15]。聚類結果基本對應于蘇州地區汛期和非汛期，表現出較明顯的季節特征[16]。

圖5 時間聚類分析結果樹狀圖Fig.5 Dendrogram of temporal cluster analysis results

針對年內時間聚類分析確定的2組時段，將原始數據進行全模型判別和逐步判別分析，判別結果見表1。全模型判別需要對17個水質指標進行考察，其正確率達到91.7%，表明水源地水質具有顯著的季節差異性[17]。

表1 時間判別分析結果Tab.1 Results of temporal discriminant analysis

逐步判別篩選出WT、pH、EC、NO3-N和AC5個指標進行考察(見表2)，其正確率達到90.7%，表明篩選出的這些指標能夠充分表征出水源地水質的季節差異，同時也說明逐步判別分析模式具有極強的降維能力，運用這一分析方法有助于提高水質監測工作效率。

表2 時間判別分析典型變量及其系數Tab.2 Typical variables and their coefficients of temporal discriminant analysis

表征蘇州湖泊水源地水質年內季節差異的5個顯著指標的箱線圖見圖6。結果表明，汛期5個顯著性水質指標均劣于非汛期。汛期夏秋季節湖泊水體溫度(WT)較高，水中浮游植物生產代謝能力旺盛，藻類爆發生長，因此水中藻密度(AC)通常在這段時間出現高峰[18]。同時較高的水溫也使得湖泊底泥沉積物的釋放增加，因此汛期硝態氮(NO3-N)的濃度高于非汛期[19]。此外，太湖流域降雨多集中在夏季(5-9月降雨量占全年總降雨量59.9%)，受雨水徑流影響，水源地附近工農業生產和生活污染物經雨水淋溶后流入河湖，致使水體外源離子污染加劇[5]，水體電導率(EC)隨之提高。

圖6 顯著指標的年內季節變動Fig.6 Seasonal changes of significant indicators

2.2.2 水質的空間分布特征

空間聚類分析結果如圖7，在(Dlink/Dmax)×100<15處，可將9個水源地分為3個組類：GⅠ為陽澄東湖及傀儡湖飲用水源地；GⅡ為常熟尚湖水源地；GⅢ為分布于太湖的6個水源地，包括浦莊、廟港、北亭子港、漁洋山、鎮湖和金墅港水源地。

圖7 空間聚類分析結果樹狀圖Fig.7 Dendrogram of spatial cluster analysis results

表3 空間判別分析結果Tab.3 Results of spatial discriminant analysis

表4 空間判別分析典型變量及其系數Tab.4 Typical variables and their coefficients of spatial discriminant analysis

圖8 顯著指標的空間變動箱線圖Fig.8 Spatial changes of significant indicators

2.3 污染源分析

根據空間聚類確定的三組蘇州湖泊水源地類型，對其進行主成分分析，每組各提取出3個主成分(PC)，結果如表5，當某指標與主成分相關系數絕對值大于0.65時，即認為該指標與此主成分顯著相關，相關系數為正數時即為正相關，相關系數為負數時即為負相關[22]。

表5 9個水源地空間分組的主成分分析Tab.5 Principal component analysis results at spatial scale of 9 water sources

對于GⅡ的常熟尚湖水源地，3個主成分累計方差貢獻率為58.24%。其中PC1(方差貢獻率為30.72%)與WT、BOD5正相關，與DO負相關。尚湖風景區位于常熟西部，虞山西北角，遠離人口密集的居民區和工業區，周圍生態環境良好，森林植被覆蓋率高[27]。PC1與水溫的相關性表明該主成分污染也具有季節性的特點，水溫與BOD5的正相關、與DO的負相關可以解釋為汛期水溫升高，水中藻類等浮游植物迎來生長旺期[28]，大量消耗溶解氧，釋放有機物，同時水溫較高時沉積物釋放的速度和濃度也會明顯增加。因此PC1可以解析為季節性的有機污染。PC2(方差貢獻率為15.57%)與TP顯著正相關，與pH顯著負相關，可能因為尚湖北側及虞山鎮周邊分布著相當數量的農田，農作物種植過程中人為排放的磷酸型化肥進入尚湖水體，導致水體TP濃度超標[29]，并且其中的酸性物質日積月累對水體pH值造成影響[30]。因此PC2代表了一定程度的農業磷污染。PC3(方差貢獻率為11.95%)與TN、NH3-N顯著相關，可以解析為非點源的氮污染。尚湖周邊分布較多數量的農田，化肥農藥等污染物經雨水淋溶后，其中的N、P等營養物質極易隨徑流進入湖泊水體，因此PC2、PC3可能來自于尚湖區域的農業面源污染。

總體來說，GⅠ的陽澄東湖和傀儡湖水源地水質狀況由輕度污染向污染轉化，主要受到圍網養殖帶來的Chl.a和N、P等富營養污染。GⅡ的常熟尚湖水源地遠離城區，周圍景區生態環境良好，因而水質受污染程度較輕，主要受到季節性的有機污染及水源地周邊農業種植帶來的面源污染。GⅢ的太湖6個水源地水質狀況良好，周圍居民區和工業區較少，受外源氨態氮和內源硝態氮復合的氮素污染影響較大。

3 結 論

基于蘇州9個湖泊水源地2006-2017年12年間17個水質指標的逐月監測數據，其水質評估、差異性特征分析表明：

(1)9個水源地內梅羅污染指數均介于1.0～2.0之間，屬于輕度污染；9個水源地富營養狀況良好，年際變化呈上升趨勢，2016年大部分水源地達到輕度富營養，月際變化具有季節特征，汛期達到輕度富營養，顯著高于非汛期。

(2)時間尺度上可將9個水源地水質特征全年聚類為兩個時段：時段Ⅰ為7-9月，時段Ⅱ為1-6月和11-12月；時間聚類結果對應于蘇州地區汛期和非汛期。判別分析結果顯示，汛期溫度較高時水質較差，內源有機污染和外源離子污染加劇。

(3)空間尺度上可分為昆山(包括陽澄東湖和傀儡湖)、常熟(尚湖)及太湖(包括位于太湖的浦莊、廟港、北亭子港、漁陽山、鎮湖和金墅港)區域三組，與各水源地實際分布區域相符。判別分析結果表明，GⅠ水質狀況最差，由輕度污染向污染轉化，有機污染和內源離子污染程度較重，總體滿足地表水Ⅲ類；GⅡ、GⅢ水質狀況相對良好，污染程度輕，總體滿足地表水Ⅱ類。

(4)運用主成分分析方法進行的污染源分析結果表明：陽澄東湖和傀儡湖水源地主要Chl.a和N、P等富營養污染；常熟尚湖水源地主要受到季節性的有機污染及農業面源污染；太湖水源地主要受到外源氨態氮和內源硝態氮復合的氮素污染。