引江濟太通道望虞河的水質變化特征及磷通量計算

陳年浩 陸昊 汪匯 劉彤 錢新

摘要 ?基于2007—2021年望虞河流域的每月巡測水質數據和2個水利樞紐調水數據，以及2021年沿望虞河布設的13個采樣點數據，分析望虞河—貢湖在引江濟太工程下的水質時空變化特征并計算望虞河出入湖磷通量。結果表明，長江來水除TN外可達到Ⅲ類水標準，西岸支流惡化望虞河水質，使得沿程水質變化特征復雜并抬升入湖污染負荷。2007—2021年引江濟太調水期間，望虞河入湖的CODMn、TP相較長江來水分別上升40.2%和13.3%，長江來水本身也有導致貢湖水質惡化的風險。同期望虞河引江入湖磷通量累計1 306.3 t，凈通量237.5 t，對貢湖造成高磷素負荷沖擊。

關鍵詞 ?水質；變化特征；磷通量；引江濟太；望虞河

中圖分類號 ?X 171.4 ??文獻標識碼 ?A ??文章編號 ?0517-6611（2023）05-0056-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.014

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Water Quality Change Characteristics and Phosphorus Flux Calculation of Wangyu River as Yangtze River-Lake Taihu Water Diversion Channel

CHEN Nian-hao，LU Hao，WANG Hui et al

（School of Environment，Nanjing University/State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Nanjing，Jiangsu 210023）

Abstract ?Based on the monthly water quality survey data of Wangyu River basin from 2007 to 2021， water transfer data of 2 hydro-junctions in Wangyu River， and the data of 13 sampling sites along the Wangyu River in 2021，the spatial-temporal variation characteristics of water quality of Wangyu River-Gonghu Bay under Yangtze River-Lake Taihu water diversion were analyzed， and the phosphorus flux of Wangyu River-Lake Taihu was calculated. The results showed that except TN， the incoming water from the Yangtze River could reach the class III water standard. However， the infuent from the west bank made the water quality change characteristics complicated and increased the pollution load into Lake Taihu. During the period of water diversion from 2007 to 2021， CODMn and TP from Wangyu River into Lake Taihu increased by 402% and 13.3%， respectively， compared with that from Yangtze River. The water from the Yangtze River itself also had the risk of causing the deterioration of the water quality of Gonghu Lake.Meanwhile， the total phosphorus flux from Wangyu River into Lake Taihu was 1 306.3 t， and the net flux was 237.5 t， causing a high phosphorus load impact on Gonghu Bay.

Key words ?Water quality;Change characteristics;Phosphorus flux;Yangtze River-Lake Taihu water diversion;Wangyu River

自20世紀80年代以來，跨流域調水工程已在國內外眾多湖泊中付諸實踐，如荷蘭Veluwe湖［1］、美國Moses湖［2］，國內大型湖泊如太湖［3］、巢湖［4］等，在水質改善和富營養化控制過程中發揮了積極作用。由于調水工程的來水一方面會引起流經區域和受水湖泊水文水動力學特性的改變［5］，另一方面會挾帶引水區及流經區域的營養鹽和污染物等直接進入受水湖泊［6］，因而對流域生態環境產生復雜影響。

太湖地處經濟發達、人口稠密的長江流域下游地區，是我國第三大淡水湖，流域經濟的高速發展導致大量氮、磷營養鹽輸入太湖，使湖體富營養化。經過多年治理，太湖富營養化程度得到一定的控制［7］，但藍藻水華暴發的面積仍然較大［8］。望虞河引江濟太工程是太湖流域綜合治理骨干工程之一，在望虞河入江和入湖處分別通過常熟樞紐和望亭立交樞紐工程進行水利調度，優化水資源配置。當前關于引江濟太調水對受水區貢湖及太湖全湖的水質影響已有較多研究［9-11］，但鮮有關注該工程流經通道望虞河的全程水質變化特征。同時，引水是否造成太湖總磷濃度上升尚有爭議，但調水過程中引入了一定量的磷進入太湖［12］已被證實。由于不同年份引水量存在很大差異，因此摸清多年來的磷通量對評估引江濟太工程對太湖水環境的影響具有重要的意義。

在長三角一體化發展的大背景下，浙江省和上海市對太湖水資源的需求增加，望虞河引江濟太的水量有增加的趨勢，因此，該研究基于現場環境監測數據和歷史數據綜合分析望虞河—貢湖在江河湖連通的復雜環境條件下的水質時空變化特征，并估算2007—2021年出入湖磷通量，以期為制定兼顧太湖水質控制和生態改善的引江濟太調水優化方案提供參考和支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

望虞河總長60.8 km，是連接太湖和長江距離最短的流域性河道，既是長江水源直接引入太湖的通道，也是汛期太湖水外排長江的重要排水通道。望虞河流域屬典型平原河網區，流域水系縱橫交錯，干流上有鵝真蕩、漕湖等湖蕩，東西兩岸有多條支流匯入，東岸各支流均有閘口控制，西岸支流除北部福山塘以北段和中部嘉菱蕩以南部分支流有控制外，其余大部分為開敞狀態［10］。望虞河西岸地區人口密集、經濟發達，氮磷負荷較重［13］，域內河網與望虞河存在頻繁的水量交換，太湖排水時西岸河網污水經望虞河向北排入長江，引水時隨長江水向南匯入太湖。

1.2 樣品采集與數據獲取

收集1986—2021年的常熟和望亭水利樞紐水量數據和2007—2021年的流域每月巡測水質數據。該研究在長江—望虞河—貢湖段布設13個采樣點（圖1），其中望虞河11個、貢湖內2個，WY1和WY9分別位于常熟樞紐閘內和望亭樞紐閘內。分別于2021年引水期（1月14—15日和12月29—30日）采樣2次、排水期（6月21—22日）采樣1次。每個采樣點通過JFEAAQ-177多參數水質儀原位監測pH、水溫、溶解氧（DO）、葉綠素a（Chl-a）、電導率（EC）、 濁度（NTU），通過1.5 L采水器采集水面下0.3～0.5 m 水樣裝于潤洗過的500 mL PET瓶中，水樣4 ℃冷藏保存，運回實驗室。采用高錳酸鉀氧化分光光度法測定高錳酸鹽指數（CODMn），納氏試劑分光光度法測定氨氮（NH3-N），麝香草酚分光光度法測定硝氮（NO3-N），堿性過硫酸鉀紫外分光光度法測定總氮（TN），鉬酸銨分光光度法測定總磷（TP）。

1.3 磷通量計算

根據逐月的水量和TP濃度數據，兩者相乘即可計算入（出）湖斷面（WY9）的年磷通量。

2 結果與分析

2.1 望虞河引排水量變化趨勢

自2002年啟動調水以來，引江工程顯著增加了望虞河入太湖的水量，2002—2021年望虞河年均入湖水量7.54×108 m3，相較1986—2001年增加了13倍。2015年以來，望虞河入湖水量有所減少，年均入湖水量4.4×108 m3，僅為2002—2014年的47.7%。2004—2014年望虞河年入湖水量占太湖年總入湖水量的2.5%～148%，2015—2020年年入湖水量占太湖年總入湖水量的0.9%～48%。2007—2021年望虞河共引長江水255.64×108 m3，其中112.50×108 m3進入太湖，143.14×108 m3進入望虞河兩岸河網，平均入湖效率為44%；以2014年為拐點，近15年來引江濟太入湖效率呈現先上升后下降、再波動上升的趨勢（圖2）。

2.2 長江來水、望虞河入湖與貢湖水質比較

引江濟太調水期間，位于望虞河兩端的WY1和WY9處水質可分別代表長江來水和望虞河入湖水質，TH2處水質代表貢湖水質。2007—2021年引江濟太調水期間，望虞河入湖的CODMn、TP平均濃度分別為3.24和0.117 mg/L，相較長江來水分別上升40.2%和13.3%，TN平均濃度為1.43 mg/L，相較長江來水下降24.1%；長江來水的CODMn、TP和TN低于望虞河入湖的比例分別為83.1%、62.7%和32.1%。由圖3可見，引水期間望虞河入湖的CODMn和TP負荷較長江來水有所提高，TN負荷有所降低，說明望虞河西岸河網污水的匯入對入湖水質產生不利影響。

對比望虞河入湖和直接受水區貢湖的水質，引江濟太調水期間，貢湖的CODMn、TN和TP平均濃度分別為3.37、2.30和0.073 mg/L，望虞河入湖的CODMn、TN和TP平均濃度分別比貢湖低3.9%、低37.8%和高60.3%。由圖3可見，引江濟太期間望虞河入湖的CODMn負荷與貢湖基本持平，TN負荷盡管較長江來水有所提高，但仍低于貢湖，TP負荷顯著高于貢湖。進一步對比長江來水和貢湖的TP情況，引江濟太調水期間長江來水的TP平均濃度高于貢湖41.9%，TP濃度僅有20.3%的比例低于貢湖。磷是導致水體富營養化的重要元素之一［14］，2016年以來，太湖TP濃度出現反彈［15］。由于河湖執行的水質標準不同，盡管長江來水的TP達到 Ⅲ 類水標準，但對于受水區貢湖而言已然偏高，同 時望虞河西岸磷負荷隨引水入湖，因此磷是引江濟太需要關注的重要因子。

2.3 望虞河水質沿程變化特征

上述的巡測及監測數據表明望虞河兩端的污染負荷有所不同，為進一步闡明西岸支流匯入導致的水質變化，沿望虞河開展了詳細的水質監測，結果見圖4。

2.3.1 ???引水期水質沿程變化特征。

從圖4可以看出，2次引水期（1月和12月）WY1的CODMn、TN和TP處于各斷面較低甚至最低水平，望虞河水質沿程總體上呈現先惡化、經湖蕩有所改善再惡化的變化特征。具體來看，從WY1到WY2，該段西岸支流口門得到控制，無污水匯入，望虞河水質變化不大。從WY2到WY4，張家港和錫北運河在該段通過多個口門與望虞河發生水量交換，望虞河水質已明顯惡化，1月引水時WY4處相較長江來水CODMn和TP分別上升77.2%和23.7%；12月引水時CODMn和TP分別上升287.8%和133%。從WY4至WY5，九里河經宛山蕩在嘉菱蕩匯入后，TN和TP出現小幅升高或維持不變，CODMn則有較為明顯的下降。從WY5到WY6，該段西岸支流口門得到控制，12月引水時水質變化不大，1月TP濃度大幅上升可能是由于采樣時恰逢大型船舶連續經過排放污水所致。對比湖蕩與河段及WY6與WY8的水質，湖蕩相較河段或WY8相較WY6的CODMn、TN、TP濃度均有不同程度的下降，說明湖蕩對水體有一定的截留凈化作用［16］。從WY8到WY9，伯瀆港和古市橋河相繼與望虞河發生水量交換，可能由于本來WY8的TP濃度已經較高，1月引水時TP下降18.4%，CODMn和TN變化不大；12月引水時CODMn和TP分別上升95.7%和200%，TN變化不大。

綜上，引水期望虞河沿程水質受西岸支流匯入影響顯著，各支流口門眾多，且不同污染物的污染程度各不相同，導致望虞河水質沿程變化特征復雜。西岸支流總體上惡化望虞河水質，與已有研究的結論一致［17-18］，其中污染最嚴重的是張家港和錫北運河。盡管鵝真蕩、漕湖等湖蕩對水質有一定的改善作用，同時污染物自身存在擴散和沉降作用，但最終入湖水體各項指標仍不如長江來水。因此引水期間控制望虞河西岸河網污染的輸入有利于保障實現“以清釋污”的工程目標。

2.3.2 ???排水期水質沿程變化特征。

根據現場觀測，6月貢湖及鵝真蕩、漕湖暴發藻華，區間河段漂浮大量藍藻，對應的TH2～WY6的Chl-a濃度為3.76～4.67 μg/L，此后Chl-a濃度逐漸下降，藍藻暴發也導致水體有更高的CODMn和更低的DO，其中CODMn在WY7和WY5分別達到10.77和9.95 mg/L，在WY4回落至4.98 mg/L，之后逐漸升高；DO沿程逐漸降低，從出湖的8.44 mg/L降至排江的3.76 mg/L；TN在望虞河口（TH1）高達7.12 mg/L，出湖后迅速降低，沿程變化較小，介于1.32～2.55 mg/L；TP沿程逐漸升高，從出湖的0.044 mg/L升至排江的0.140 mg/L。從支流匯入來看，伯瀆港和古市橋河匯入后，TP上升88.6%，TN下降10.5%，CODMn變化不大；九里河匯入后，TP上升29.5%，CODMn和TN分別下降50.0%和28.1%；錫北運河和張家港匯入后，CODMn、TN和TP分別上升31.3%、47.8%和26.9%。

望虞河作為太湖水外排長江的重要通道，其排水功能也是“引江濟太”工程目標之一。太湖集中在夏季排水，攜帶大量藍藻水華顆粒物的湖水進入連通河道后，將對河道產生高負荷營養鹽沖擊［19］。因此權衡水系連通與水質保障，合理制定西岸河網排水方案具有重要的現實意義。

2.4 典型引水過程的水質變化趨勢

隨著太湖水質改善，以豐補枯成為調水的主要目的。2019年1月—2021年3月共有6次引江濟太調水，其中調水目的為以豐補枯的有3次，引水天數分別為93、48、24 d。選取引水天數中等的2020—2021年度引江濟太作為典型過程，此次引水2020年12月25日開啟，次年2月10日結束，引水天數48 d，引水入湖天數43 d，引水量6.26×108 m3，入湖水量3.29×108 m3，期間望虞河及貢湖的水質變化趨勢如圖5所示。

此次引水過程中，長江來水（WY1）水質較為穩定，除12月25日水質較差外，CODMn、TN和TP分別在1.50～2.40、194～2.36和0.075～0.100 mg/L波動，平均濃度分別為187、2.07和0.083 mg/L，除TN外可達到 Ⅲ 類水標準，屬于清水。在望虞河中游（WY4），西岸支流中污染最為嚴重的張家港、錫北運河已相繼匯入，3項水質指標大部分時間均高于長江來水，尤其是TN和TP，平均濃度分別比WY1上升了416%和38.6%。自12月30日開始引水入湖以來，WY9的CODMn呈波動下降后趨穩、TN和TP濃度呈波動上升后趨穩的趨勢，貢湖與之類似。引水結束時，貢湖的CODMn、TN和TP相較引水入湖前分別下降了55.2%、上升了215.2%和上升了133.3%。西岸支流污水匯入導致望虞河污染負荷升高，但此次引水過程中長江來水的TP高于望虞河入湖和貢湖，說明除西岸支流污水匯入外，長江來水本身有導致受水區水質惡化的風險。

2.5 望虞河出入湖磷通量

從圖6可以看出，2007—2021年望虞河入湖磷通量為18.0～199.4 t，累計1 306.3 t，出湖磷通量為5.8～235.8 t，累計1 068.9 t；2015年以來，望虞河入湖磷通量隨引江入湖水量同步減少，年均入湖磷通量43.9 t，僅為2007—2014年的35%。從凈通量來看，2007—2021年望虞河年入湖的磷凈通量在-214.5～191.7 t，累計入湖凈通量237.5 t。其中，2009年太湖流域年降水量達到1 625.4 mm，比常年偏多12%，發生流域洪水，望亭樞紐全年引水量4.88×108 m3，不及排水量（7.06×108 m3），凈入湖TP通量為-26.36 t；2015和2016年由于發生流域大洪水，望虞河當年以出湖為主，凈入湖TP通量分別為-111.00和-214.47 t；2019—2021年望虞河入湖水量同樣不及出湖水量，相應的凈入湖TP通量小于0。可見，太湖—望虞河TP收支變化主要取決于入湖水量和出湖水量的多寡。

根據水利部太湖流域管理局發布的《太湖健康狀況報告》，2010—2018年太湖全湖累計入湖磷通量為19 260 t，同期望虞河入湖磷通量占比為4.1%。結合貢湖年均蓄水量［12］和巡測的TP數據計算貢湖的蓄磷量，望虞河入湖磷通量是貢湖年蓄磷量的0.8～9.1倍，平均4.1倍?？梢姳M管“引江濟太”帶來的磷通量占全湖比例不大，但對貢湖而言可造成高磷素負荷沖擊。有研究指出應以溶解態總磷和溶解態無機磷來考量太湖表層水體磷的生物有效性［20］，僅有TP不足以評估引江濟太工程帶來的磷負荷沖擊及對貢湖和太湖磷循環的影響，近年來貢湖有向藻型湖區轉化的趨勢，藍藻暴發的風險依然較高，灣內有錫東、沙渚和金墅灣3個水源地，考慮到溶解態磷對藻類生長的促進作用，在規劃望虞河引水量加大的遠景下需要進一步摸清分形態的磷通量變化并深入研究引江濟太調水對貢湖水質及水生態的影響，以保障水源地供水安全。

3 結論

（1）引江濟太工程所引的長江來水除TN指標外可達到 Ⅲ 類水質標準，屬于優質來水，2007—2021年引江濟太調水期間，望虞河入湖的CODMn、TP平均濃度分別為3.24和0117 mg/L，相較長江來水分別上升40.2%和13.3%，TN平均濃度為1.43 mg/L，相較長江來水下降24.1%。

（2）西岸各支流口門眾多，不同污染物的污染程度各不相同，導致望虞河水質沿程變化特征復雜。西岸支流總體上惡化望虞河水質，其中污染最嚴重的是張家港和錫北運河。鵝真蕩、漕湖等湖蕩對水質有一定的改善作用，但最終入湖水體各項指標仍不如長江來水。

（3）引水造成受水區貢湖CODMn下降，TN和TP上升。引水過程中存在長江來水的TP高于望虞河入湖和貢湖的情況，除西岸支流污水匯入外，長江來水本身也有導致貢湖水質惡化的風險。

（4）磷是引江濟太需要關注的重要因子，2007—2021年望虞河引江入湖磷通量累計1 306.3 t，凈通量237.5 t，2015年以來入湖磷通量隨引江入湖水量同步減少。望虞河入湖磷通量是貢湖年蓄磷量的0.8～9.1倍，對貢湖造成高磷素負荷沖擊。應進一步加強研究引江濟太工程對貢湖水質及水生態的影響，以保障水源地供水安全。

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