陽澄西湖入湖河道水質(zhì)時(shí)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(cè)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(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，是蘇州市重要的飲用水源地。由于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，富含氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水的排入加劇了湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化[1]。陽澄湖的氮磷污染及富營(yíng)養(yǎng)化問題已越來越受到學(xué)者們的關(guān)注，如陳麗娜等[2]構(gòu)建了基于二維非穩(wěn)態(tài)水動(dòng)力-水質(zhì)模型的湖泊水環(huán)境容量模型，計(jì)算了陽澄湖水環(huán)境容量；周靜等[3]對(duì)2015—2016年陽澄湖水質(zhì)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(guān)，總磷(TP)濃度升高可能與河道內(nèi)源和降水等因素有關(guān)；金文龍等[4-5]分析了陽澄湖的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空變化特征，結(jié)果表明湖體總氮濃度的變化與周邊入湖河道水質(zhì)密切相關(guān)，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(duì)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(duì)北線河道的影響最為顯著，陽澄湖西湖水質(zhì)有所改善；何捷等[7]基于2016—2017年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)陽澄西湖及其入湖港口水質(zhì)的分析表明，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽是湖區(qū)水質(zhì)主要的污染因子，外源營(yíng)養(yǎng)鹽輸入對(duì)陽澄西湖的水質(zhì)具有決定性作用；楊惠等[8]基于2010—2014年的數(shù)據(jù)對(duì)陽澄湖入湖河道水質(zhì)變化及污染物通量分析表明，河道水質(zhì)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(duì)陽澄湖的研究主要集中在湖體水質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的變化，采用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列相對(duì)較短，針對(duì)陽澄湖入湖河道水質(zhì)的分析研究較少。已有研究表明，入湖河道水質(zhì)對(duì)陽澄湖湖體水質(zhì)有一定程度的影響[3]，且外源營(yíng)養(yǎng)鹽輸入對(duì)陽澄西湖的水質(zhì)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(duì)陽澄西湖入湖河道的水質(zhì)變化進(jìn)行分析具有重要意義。本文基于2007—2019年的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間序列水質(zhì)變化分析，探討陽澄湖西湖入湖河道水質(zhì)時(shí)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(hù)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(gè)東北—西南走向的狹長(zhǎng)半島把陽澄湖分為東湖、中湖和西湖3個(gè)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(jì)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(shí)測(cè)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(nèi)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(shè)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖1)，采樣時(shí)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(diǎn)分布

水樣采集依據(jù)HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，溶解氧(DO)采用美國哈希HQ40D多參數(shù)數(shù)字測(cè)定儀測(cè)定，總氮、總磷、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[11]。水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。

時(shí)間變化特征分析采用了2007—2019年較長(zhǎng)序列的數(shù)據(jù)資料，空間變化特征分析強(qiáng)調(diào)河道之間的現(xiàn)狀水質(zhì)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(jì)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(zhì)指標(biāo)的平均值；x為所有河道某水質(zhì)指標(biāo)的平均值。由于溶解氧是值越大水質(zhì)越好，為便于比較，對(duì)于溶解氧的距平系數(shù)計(jì)算公式改為

(2)

3 結(jié)果與分析

3.1 時(shí)間變化特征

3.1.1年內(nèi)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(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度進(jìn)行逐月均值計(jì)算，結(jié)果見圖2。由圖2可見，氨氮質(zhì)量濃度逐月變化趨勢(shì)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(shì)。其中氨氮、總氮質(zhì)量濃度峰值與谷值的比值分別為2.1和1.9，多年月均質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為25.9%和23.5%，差異較大。總磷多年月均質(zhì)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(zhì)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(duì)太湖入湖河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)的結(jié)果表明，冬春季節(jié)氮含量高于夏秋季；施陳江[13]對(duì)陽澄西湖入湖河道的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，2009年12月至2010年2月平均總氮質(zhì)量濃度較高，可見太湖和陽澄西湖入湖河道監(jiān)測(cè)結(jié)果與本文計(jì)算結(jié)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?cè)牒恿康?8%，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(dòng)繁忙時(shí)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(yíng)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(guān)，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(zhì)指標(biāo)年內(nèi)變化

高錳酸鹽指數(shù)多年月均質(zhì)量濃度范圍為5.2～5.7 mg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.04%，年內(nèi)變化整體較平穩(wěn)，均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。溶解氧多年月均質(zhì)量濃度為5.4 mg/L，符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，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(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度年際變化計(jì)算結(jié)果。氨氮、總氮和高錳酸鹽指數(shù)質(zhì)量濃度整體呈下降趨勢(shì)。氨氮、總氮及高錳酸鹽指數(shù)的多年平均質(zhì)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(dòng)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(zhì)量濃度2015年后有較大幅度下降，2007—2014年與2015—2019年波動(dòng)較平穩(wěn)，兩個(gè)時(shí)段平均質(zhì)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(zhì)量濃度年際變化整體呈上升趨勢(shì)，從2007年的2.65 mg/L波動(dòng)上升至2019年的7.00 mg/L，多年平均質(zhì)量濃度為5.4 mg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)指標(biāo)維持在Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 陽澄西湖入湖河道水質(zhì)指標(biāo)年際變化

近年來蘇州市采取了一系列整治措施，如：①關(guān)閉和淘汰污染嚴(yán)重的企業(yè)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；②實(shí)施工業(yè)企業(yè)清潔生產(chǎn)審核，嚴(yán)控點(diǎn)源污染；③新建擴(kuò)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(duì)主要入湖河道、河網(wǎng)進(jìn)行排查整治，推進(jìn)河網(wǎng)水體有序流動(dòng)；⑥通過退漁還濕和生態(tài)岸線整治，促進(jìn)生態(tài)修復(fù)；⑦統(tǒng)籌規(guī)劃監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，強(qiáng)化預(yù)警監(jiān)測(cè)及區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償制度建設(shè)等，這些措施顯著改善了陽澄西湖入湖河道水質(zhì)。

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(jì)民塘、北河涇、永昌涇、石益塘、中涇港、渭涇塘和界涇總監(jiān)測(cè)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(jìn)行空間變化特征分析。

白蕩、蠡塘河、濟(jì)民塘、永昌涇、中涇港和界涇6條河道的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的距平系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。位于陽澄西湖南部的白蕩和蠡塘河多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)距平系數(shù)為正數(shù)，特別是氨氮距平系數(shù)高達(dá)52.8%和58.7%；中涇港和界涇多項(xiàng)指標(biāo)距平系數(shù)為負(fù)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(zhì)最差，主要污染因子為氨氮、總磷和總氮；中涇港和界涇水質(zhì)最好。楊惠等[8]基于2010—2014年數(shù)據(jù)分析得出蠡塘河水質(zhì)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(zhì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相比其他河道蠡塘河的水質(zhì)最差；何捷等[7]基于2016—2017年的陽澄西湖河口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析得出南部水質(zhì)較差與外源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷較大有關(guān)，與本文分析得到的結(jié)論基本一致。

表2 2017—2019年陽澄西湖主要入湖河道水質(zhì)指標(biāo)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(cè)數(shù)據(jù)，元和塘總磷質(zhì)量濃度為0.206 mg/L(Ⅳ類)，高于白蕩總磷質(zhì)量濃度0.156 mg/L(Ⅲ類)；黃埭塘總磷質(zhì)量濃度為0.220 mg/L(Ⅳ類)，高于蠡塘河總磷質(zhì)量濃度0.175 mg/L(Ⅲ類)，氨氮、總氮?jiǎng)t相差不大，因此上游來水可能是白蕩、蠡塘河部分水質(zhì)指標(biāo)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(diǎn)，因此農(nóng)業(yè)面源污染可能是白蕩、蠡塘河水質(zhì)較差的主要影響因素。

4 結(jié) 論

a.陽澄西湖入湖河道氨氮、總氮及總磷質(zhì)量濃度均在3月出現(xiàn)全年峰值，可能是因?yàn)榇杭敬罅炕实氖褂眉觿×宿r(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(zhì)量濃度整體呈下降趨勢(shì)，2019年比2007年分別下降78.7%、47.9%和34.8%；總磷質(zhì)量濃度在2015年后有較大幅度下降，2015—2019年質(zhì)量濃度均值比2007—2014年下降45.3%；2016—2019年多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均保持在Ⅱ、Ⅲ類。由此可見，陽澄湖近年實(shí)施的各種整治方案對(duì)陽澄西湖入湖河道的水質(zhì)改善有顯著效果。

c.陽澄西湖主要入湖河道中，水質(zhì)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(zhì)較差的主要影響因素。