環太湖出入湖水量變化背景下東太湖水環境的水文影響要素

吳小靖，柳子豪，金美華，張亞洲，秦 灝

(江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司，江蘇蘇州 215006)

東太湖歷史上水生植被發育良好，水質優良，是太湖向蘇州市，乃至上海市、嘉興市供水的重要飲用水源地。位于蘇州市的廟港水源地、北亭子港水源地，以及上海市青浦金澤水源地、浙江省嘉善平湖水源地，都與東太湖密切相關。近些年來，東太湖出現水質下降、水體富營養化狀況惡化的現象，特別是在2017年太湖大面積水華事件發生期間，東太湖也出現了一定規模的藍藻水華[1]。據2021年蘇州市水務局發布的水質監測報告，目前與東太湖相關的吳江區太湖廟港水源地、吳江區太湖北亭子港水源地，雖然水質都是飲用水達標狀態，但相比全年保持Ⅱ類水范疇的環太湖其他水源地(如太湖鎮湖水源地、太湖漁洋山水源地)，東太湖周邊水源地水質則相對偏差，屬于Ⅲ類水范疇[2]。

相關研究[3-6]表明，湖泊水環境會受到多種因素影響，包括外源污染物輸入、湖泊水環境容量、水生植物群落、內源營養鹽釋放等。這些影響因素都與湖泊的水文要素密切相關，如外源污染物的輸入就與入湖水量直接相關。作為湖泊水體水質惡化及生態系統受損的最重要原因，在入湖水量增加時，外源輸入的污染物通量，特別是面源污染物通量也會隨之增加，給湖泊帶來更大的污染負荷[7]。此外，湖泊的水環境容量、水生植物的生長與湖泊水位之間也有著密切關系，適宜的湖泊水位可以促進水生植物的良好生長，進而改善湖泊水環境[5]。不同類型水文要素之間存在著緊密聯系，其中入湖水量的增加，會在一定程度上抬高湖泊水位，進而造成出湖水量也隨之增加；對于湖泊水面面積來說，當湖泊水位抬升時，水面面積也會進一步擴張。但這種擴張的幅度有限，湖泊水面面積更多的是受到人類活動的影響，包括圍網養殖、景觀娛樂等。人類活動也同樣影響著出、入湖水量的變化，包括通過水利工程調度、水源地取水等直接影響，以及下墊面條件變化造成降水產流增加背景下的入湖水量增加等間接影響。這要求在探究湖泊水環境的水文影響因素時，需要對不同類型水文要素進行統籌考慮。

東太湖水環境的良好穩定，關系著流域下游地區的供水安全。本次研究在環太湖出、入湖水量變化背景下，結合東太湖近年來供水量增加、圍網養殖清除等活動，從水文角度出發，通過分析討論東太湖水環境的潛在影響因素，提出針對性的建議。論文成果可以為后續開展東太湖水環境治理相關工作提供水文背景支持，對于保障東太湖水環境的穩定提升與區域供水安全具有重要意義。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

東太湖位于太湖湖區東南部[圖1(a)]，是一個狹長型的湖灣。全長約為27.5 km，寬約為9 km，水域面積約為131 km2，平均水深約為1.2 m，具有防洪、供水、水生態環境保護等綜合功能。

東太湖南起東茭嘴，北端一直延伸至瓜涇口。湖泊水流主要來自東茭嘴以上太湖水域，而在東太湖西北側的東山半島上，有入湖河流27條[圖1(b)]。20世紀90年代以前，東太湖以瓜涇口為主要出水通道，而在1991年太浦河開通之后，東太湖來水則主要通過太浦河下泄。目前沿東太湖東南湖岸有出湖河流21條，洪水主要經東南沿湖溇港及下游河網東排黃浦江、北排長江[圖1(b)]。

東太湖是太湖流域下游地區的原水源頭，承擔著向江蘇蘇州、上海西南部、浙江嘉興等地區供水的職責，這主要是通過直接取水，或經太浦河，向流域下游和黃浦江上游地區供給優質水資源。作為東太湖主要的出水通道，在太浦河沿岸建有太浦河青浦金澤水源地和太浦河嘉善平湖水源地，規劃取水量分別為500萬m3/d和95萬m3/d。東太湖位于長三角生態綠色一體化示范區的核心位置，湖區水環境的穩定提升對于保障示范區的供水安全與高質量發展意義重大。

圖1 (a)環太湖水資源分區示意圖(b)東太湖周邊水系圖Fig.1 (a)Sketch Map of Water Resources Regionalization around the Lake Taihu (b)the Drainage Map around the Lake East Taihu

1.2 研究材料與方法

在本次工作中，搜集整理了1986年—2020年環太湖及各水資源分區出、入湖水量以及東太湖水位(洞庭西山站)等實測水文資料，數據來源于江蘇省水文水資源勘測局。其中，作為太湖水環境治理的重要節點，自2007年無錫藍藻事件暴發以來，武澄錫虞區入太湖口門嚴格控制，限制區域產水進入太湖；同時“引江濟太”工程也進一步地完善科學部署，環太湖出、入湖水量發生明顯改變。因此，本次研究選擇“太湖水環境綜合治理”工程啟動的2007年為關鍵時間節點，對環太湖出、入湖水量的時空變化規律開展分析研究。

在本次工作中，同樣搜集了2005年—2020年東太湖水體總磷濃度資料，數據來源于江蘇太湖湖泊生態系統國家野外科學觀測研究站。

本次研究使用Office中Excel表格軟件進行數據的處理和統計分析，使用ArcMap 10.7軟件進行制圖工作。

2 結果與分析

2.1 出、入太湖水量變化

2.1.1 入湖水量變化

在1986年—2020年，環太湖年均入湖水量為94.2億m3。其中，年最大入湖水量發生在2016年(159.9億m3)，年最小入湖水量發生在1986年(50.7億m3)。在太湖水環境綜合治理工程啟動以來，環太湖入湖水量表現出顯著增加的趨勢，其中在2007年—2020年環太湖年均入湖水量為114.0億m3，相較于1986年—2006年年均入湖水量增加了33.1億m3，增幅約達40.9%(表1)。

表1 環太湖出、入湖水量變化Tab.1 Changes of Inflow and Outflow around Lake Taihu

從水資源四級分區來看，環太湖入湖水量主要來源于流域上游的湖西區與浙西區，分別占入湖水量的54.6%和22.7%。湖西區多年平均入湖水量為51.4億m3，其中在2007年—2020年，湖西區年均入湖水量為71.8億m3，較1986年—2006年增加34.0億m3，增幅約達到89.9%，是環太湖入湖水量增加的主要來源(表1)。

而作為環太湖入湖水量的另一重要來源，浙西區入湖水量變化則相對穩定，多年平均入湖水量為21.4億m3(表1)。但在年內太湖水位低于防洪控制水位的水資源調度期，浙西區入湖水量則表現出減少的趨勢，其中2007年—2020年，浙西區水資源調度期年均入湖水量為7.2億m3，較1986年—2006年減少1.6億m3，降幅約為18.2%。

2.1.2 出湖水量變化

在1986年—2020年，環太湖年均出湖水量為96.5億m3，其中最大出湖水量發生在2016年(167.3億m3)，最小出湖水量發生在1994年(62.5億m3)。與入湖水量的大幅增加類似，環太湖出湖水量也相應地表現出一定增加的趨勢。其中，在2007年—2020年，環太湖年均出湖水量為107.7億m3，較1986年—2006年增加18.7億m3，增幅約為21.0%(表1)。

太浦河是太湖向流域下游地區行洪、供水的主要通道，環太湖水文巡測線于2005年移至太浦閘站。從2005年以來太浦河出湖水量的歷年變化來看，除了在2013年，由于“太浦閘除險加固”工程的建設，該時期太浦河出湖水量降至歷史最低的10.9億m3。在此之后的2014年—2020年，太浦河出湖水量增幅明顯，年均出湖水量為41.9億m3，較2005年—2012年年均出湖水量增幅96.1%，占該時期環太湖出湖水量的35.2%。

2.2 東太湖水文要素變化

2.2.1 水位變化

環太湖出、入湖水量的變化，會直接影響到東太湖水位的變化。在1986年—2020年，東太湖多年平均水位為3.20 m，其中年平均最高水位為3.55 m，出現在2016年；年平均最低水位為2.95 m，出現在1997年。

在歷年變化上，東太湖年平均水位和最低水位整體呈一定抬高的趨勢(圖2)，以“太湖水環境綜合治理”工程啟動的2007年為節點，在2007年—2020年的年內平均水位和平均最低水位分別為3.28 m和2.88 m，較1986年—2006年的年內平均水位(3.15 m)和平均最低水位(2.70 m)分別抬升了0.13 m和0.18 m。

注：數據來源于洞庭西山站1986年—2020年水文監測資料。圖2 東太湖年內平均水位、最高水位、最低水位歷年變化Fig.2 Changes of Annual Average Water Level, Maximum Water Level and Minimum Water Level over the Years of the Lake East Taihu

不同于其他時期較大幅度的波動性變化，在2000年—2014年，東太湖年內最高水位表現出相對穩定的變化特征，這是由于在一輪“治太”工程建設完成后，環太湖出、入湖水量更多地受到水利工程的控制影響，這也使得該時期東太湖年最高水位也趨于穩定(圖2)。其中，在“太湖水環境綜合治理”工程啟動的2007年之后，流域引江水量的進一步增加也使得東太湖年最高水位出現整體抬高的趨勢(圖2)。值得注意的是，在2014年之后，年最高水位的兩次峰值均出現在發生流域性洪水事件的2016年和2020年，其他年份年最高水位變化也相對穩定。

流域年平均水位和最低水位是進行水資源調度和估算水環境本底容量的重要依據[4]，而最高水位則是反映太湖流域防汛形勢的重要指標。水位的變化特征表明出、入湖水量的變化，在提高湖區的水資源承載能力和水環境容量的同時，并未帶來額外的防洪壓力。

2.2.2 水面面積變化

歷史上東太湖水質優良，十分有利于水產養殖產業的發展。在20世紀90年代，地區開始發展水產養殖產業，此舉為當地帶來了良好的經濟效益。但過度不節制的水資源開發利用，使得東太湖出現大面積、高密度的圍網養殖[8]，特別是在1990年以后，圍網養殖規模逐漸增大，到2007年，圍網范圍幾乎覆蓋整個東太湖水面(圖3)。

圖3 東太湖水面面積歷年變化Fig.3 Changes of Water Surface Area of the Lake East Taihu

大面積的圍墾和超密度圍網養殖會產生阻滯水流等物理障礙效應，降低湖泊行蓄洪能力，影響流域防洪安全[9]。而農業圍墾、圍網養殖帶來的污染疊加效應，也會加劇湖泊富營養化和水環境惡化，同時還伴隨著污染底泥淤積、湖區沼澤化加劇等問題[10]。隨著東太湖水環境問題的日益突出，2010年，“東太湖綜合整治”工程全面啟動。工程于2013年基本完工，共清退了130 km2以上的圍墾區，并清除了絕大部分的圍網養殖區，東太湖水面面積得到很好恢復(圖3)。

3 討論

3.1 入湖污染負荷增大

作為環太湖最主要的入湖來源，近年來環太湖入湖水量的增加，主要集中在湖西區入湖水量的增加上，湖西區入湖水量占總入湖水量的比例也從1986年—2006年的46.6%增加至2007年—2020年的63.0%。但湖西區入湖水質相對較差，《太湖流域健康狀況報告》(2008年—2020年)顯示，多年來湖西區入湖河流大多屬于劣Ⅴ類水標準[11]，因此，湖西區入湖水量的增加無疑會向太湖湖區帶來更大的污染物負荷。

以總磷為例，作為湖泊富營養化的重要控制因子，控制入湖總磷通量與湖體磷濃度一直是治理太湖富營養化的重點[12]。近年來，東太湖水體中總磷濃度也表現出整體增加的趨勢，水體總磷質量濃度從2005年的0.052 mg/L升高至2020年的0.062 mg/L(圖4)，湖區水質出現劣化趨勢。湖西區入湖河流多年平均總磷質量濃度為0.226 mg/L，明顯高于環太湖其他水資源分區。根據《太湖流域健康狀況報告》統計數據，在2018年—2020年，湖西區年均總磷入湖污染負荷為1 536.8 t，占環太湖入湖污染負荷的78.0%[11]。此外，湖西區入湖水量與東太湖水體中總磷濃度之間也表現出正相關關系，這指示了湖西區入湖水量的增加，對東太湖水環境質量造成了負面影響，東太湖水體總磷濃度也隨著入湖水量的增加出現增加趨勢(圖4)。

圖4 (a)東太湖水體總磷濃度歷年變化(b)東太湖水體總磷濃度與湖西區入湖水量相關關系Fig.4 (a) Annual Changes of TP Concentration of the Lake East Taihu (b)Relationship between TP Concentration of the Lake East Taihu and Inflow from the Huxi Hydraulic Region

作為另一個重要的入湖來源，浙西區水質則相對較好，多年水質監測報告[11]顯示，浙西區入湖河流常年保持Ⅲ～Ⅳ類水標準。而值得注意的是，在浙西區年內入湖水量相對穩定的同時，在年內水資源調度期，浙西區入湖水量卻表現出減少的趨勢。其中，在2007年—2020年，年內水資源調度期浙西區年均入湖水量較1986年—2006年減少1.6億m3。

總的來說，在環太湖入湖水量增加背景下，水質相對較差的湖西區入湖水量的增加，給太湖湖區帶來了更大的污染物負荷；而水質相對優良的浙西區在年內水資源調度期入湖水量的減少，也在一定程度上對湖區水環境產生負面影響。這些因素的疊加，會造成入太湖污染物通量的增加與太湖湖區水環境容量的降低，進而影響太湖整體及所屬的東太湖湖區的水環境狀態。

3.2 水體交換周期縮短

根據1986年—2020年環太湖出湖水量資料與太湖湖泊庫容量變化，計算得到了歷年太湖水體交換周期。從歷年變化來看，太湖換水周期整體呈縮短的趨勢(圖5)。從各年代的換水周期對比來看，2010年的換水周期僅為179.3 d，明顯短于前3個年代，特別是2016年，換水周期僅為127.2 d。太湖換水周期的縮短與環太湖出湖水量的增加直接相關，而出湖水量增加的根本原因則在于入湖水量增加背景下太湖水位的整體抬升。

圖5 太湖換水周期歷年變化Fig.5 Lake Residence Period of Lake Taihu

相關研究[13]表明，對于過水型湖泊，從入湖到出湖的過程中，當湖泊水體交換周期較長時，湖體自身可以在一定程度上去除水體中的氮、磷等營養鹽。就太湖而言，上游主要入湖來源的湖西區來水水質較差，承載著較大的污染物負荷，其中總氮、總磷、藍藻密度等指標均處于較高水平。在湖區西北部至湖區東部的水體交換過程中，污染物會在湖泊內通過物理、化學、生物和沉積等一系列過程進行自然沉降，從而達到改善水質的效果，這也使得東太湖、胥湖等主要出湖區域的水質相對較好[14]。因此，太湖并不同于一般需要盡可能縮短水力停留時間以減少藍藻聚集的高氮、磷湖區(如洞庭湖[15]、鄱陽湖[16])，太湖換水周期的縮短會使得水體遷移過程中氮、磷等營養元素不能得到有效的降解，這也導致近年來東太湖來水水質持續變差，對東太湖水環境狀況造成負面影響。

3.3 下游地區供水需求增加

在“太浦閘除險加固”工程建設完成以來，太浦閘已向下游增加供水34.8億m3(截至2016年4月1日)。作為上海市四大飲用水水源地之一，2016年底黃浦江上游金澤水庫建成使用，這使得流域下游地區從太浦河取水規模進一步增加。在2017年—2020年太浦河年均供水量達19.7億m3，較2013年—2016年(11.3億m3)增加8.4億m3，增幅達到74.3%[17]。

向下游地區供水量的增加也體現在太浦閘日均下泄流量的增加上。在2016年—2020年，年內水資源調度期太浦閘日均下泄流量為109.1 m3/s，較2005年—2015年，年內該時期太浦閘日均下泄流量(55.4 m3/s)增幅約達96.9%(圖6)。

注：數據來源于太浦閘2005年—2020年水文監測資料。圖6 水資源調度期太浦閘日均下泄流量歷年變化Fig.6 Annual Changes of Daily Discharge of Taipu Gate in Water Resources Scheduling Period

作為太湖流域下游地區的原水源頭，東太湖通過太浦河向下游地區供水量的增加，會在一定程度上改變東太湖乃至太湖整體的水動力條件，加速水體的循環流動。一方面，會使得太湖中西部的湖水加快向太湖東南部的東太湖輸入。目前，太湖整體的水質結構呈“西濁東清”的特征[14]，西北部湖區濁水的輸入，無疑會給東太湖帶來更大的污染物負荷。另一方面，通過太浦閘下泄流量的增加，也會直接影響東太湖的水動力場。而湖泊水動力條件的變化對于藍藻水華事件的發生與水環境條件改變的影響是決定性的，這會反映在湖泊底泥污染物在垂直方向的上浮作用和藍藻在水平方向的輸移與聚集兩個方面[18]。因此，近年來東太湖水環境狀況的惡化，以及出現的藍藻“水華”現象，與向流域下游地區供水量的增加同樣密切相關，這需要在規劃東太湖水源地管理與太浦河取水規模時進行科學部署。

3.4 湖區水生植被退化

湖泊水體中水生植被的覆蓋度與湖泊水位之間，往往呈現出顯著的負相關關系[19]。近年來，東太湖年最低水位與平均水位都表現出抬高趨勢，而水位的抬高并不利于水生植被的萌發、生長與繁殖，這會使得湖泊水生植被生境不斷惡化，水生植被呈現退化趨勢[20]。當沉水植物減少后，水生植被對底泥再懸浮的控制能力也會大大下降，導致水體渾濁、水底光照和溶解氧濃度下降，進而促進了沉積物中內源營養鹽的釋放，進一步惡化東太湖水體的富營養化狀態。

自2008年啟動東太湖綜合整治工程以來，東太湖圍網養殖面積逐年遞減，并于2019年全面拆除圍網設施，東太湖自由水面面積得到全面恢復[21]。然而，圍網養殖的全面拆除，對于東太湖水環境的潛在影響，仍存在一定的爭議性。一方面，湖區圍網養殖產業的清除可以減少因圍網養殖產生的外在人為污染負荷輸入；而另一方面，作為淺水型湖泊，在圍網拆除后，東太湖湖區的風浪擾動會進一步加大，這會造成湖泊底部沉積物的上浮并釋放出大量內源營養鹽，同時東太湖湖區的透明度也呈現出下降的趨勢[22]。這些都不利于東太湖沉水型水生植物的生長和水生植物群落的合理化構建，需要在后續通過構建人工消浪設施等方式，營造湖泊良好生境所需的適宜水文條件，以促進東太湖水環境的提質穩定。

4 結論

1)水質較差的湖西區入湖水量的大幅增加，向太湖輸入了更大的污染物負荷，在2018年—2020年，湖西區年均總磷入湖污染負荷為1 536.8 t，占環太湖入湖污染負荷的78.0%[11]，這嚴重影響了太湖整體及所屬的東太湖湖區水環境質量。此外，水質相對較好的浙西區在年內水資源調度期入湖水量的減少，也在一定程度上降低了太湖整體的水環境容量，破壞了太湖及所屬東太湖的水環境穩定。

2)太湖水體交換周期在歷年變化上呈現出縮短趨勢，這會影響湖區水體交換過程中氮、磷等營養鹽的有效沉降，進而影響東太湖來水水質。同時近年來，通過太浦閘向流域下游供水量的增加，也改變了東太湖乃至太湖湖區的水動力條件，加速了湖區西北部的濁水向東輸入，對東太湖水環境造成影響。后續在東太湖水源地管理與太浦河取水規模等相關規劃中，應對湖區水動力條件改變可能造成的水環境影響予以考慮與評估。