引江濟太過程中氮、磷入湖通量計算及削減分析

姚 俊，陸沈鈞

(1.上海東南工程咨詢有限責任公司，上海 200434；2. 太湖流域管理局水利發展研究中心，上海 200434)

引江濟太作為提升太湖流域水資源有效供給，實現“以動治靜、以清釋污、以豐補枯、改善水質”目標[1- 2]的重要決策，在太湖流域水環境綜合治理過程中發揮了積極作用。而引江濟太工程在改善太湖水質，減輕藍藻水華[3- 5]的同時，不可避免地通過望虞河將長江水及望虞河沿程支流污水匯入太湖[1，6- 9]。目前針對“引江濟太”期間長江、望虞河污染物特征及對太湖水質的影響已有一些研究成果[10- 14]，但對望虞河和太湖水體氮、磷濃度年內分布相對規律以及引江濟太期間氮、磷入湖通量研究尚較為欠缺。本文利用2018年望虞河和太湖貢湖區域每日連續實測水質資料，結合引江濟太期間望虞河入湖水量，分析望虞河和太湖貢湖水體氮、磷濃度分布特征及引江濟太過程中氮、磷元素入湖通量，并從引水調度和污染治理方面提出污染物削減建議，旨在為引江濟太工程實施和太湖水環境綜合治理工作提供參考依據。

1 區域概況與資料來源

1.1 區域概況

太湖位于長江三角洲的南緣，古稱震澤、具區，又名五湖、笠澤，是中國五大淡水湖之一，界北緯30°55′40"～31°32′58"和東經119°52′32"～120°36′10"之間，橫跨江、浙兩省，北臨無錫，南瀕湖州，西依宜興，東近蘇州。太湖與望虞河相接水域為貢湖飲用水水源保護區，面積為163.8 km2，水質保護目標為Ⅲ類。

望虞河位于太湖流域北部，全長60.8km，南起太湖邊的沙墩口，北至長江邊的耿涇口，是太湖流域綜合治理十一項骨干工程之一，河道上游與京杭大運河交匯處建有望亭樞紐，下游河口處建有常熟樞紐。望虞河既是太湖流域的主要排水出路，同時也是流域水資源供需調度的主要通道，每年都會分不同時段通過望虞河實施“引江濟太”引長江水入太湖。望虞河流經錫山、張家港、常熟等市，目前河道東岸口門已全部建閘控制，西岸尚有部分口門無閘門控制。

1.2 資料來源

水質數據來源于望亭和貢湖水質自動監測站，望亭水質自動監測站位于望虞河上游望亭樞紐處、貢湖水質自動監測站位于貢湖飲用水水源保護區(如圖1所示)，均采用總氮氨氮二合一分析儀和總磷分析儀(德國布朗盧比PowerMon分析儀)對水體總氮、總磷、氨氮三項指標濃度進行分析。水質在線自動監測儀器在浙江、江蘇等地已得到充分運用，根據其與室內試驗對高錳酸鹽、氨氮等數據的測試結果相比較[15- 16]，自動監測數據較為可靠，且已廣泛應用到河流的監測當中[17]。望虞河每日入湖水量來源于望亭樞紐2018年每日引排水量數據。

1.3 數據處理

1.3.1日均濃度處理

圖1 望虞河及測站位置圖

總氮、總磷、氨氮指標數據通常為每4h監測一次，部分時段監測頻次為12h一次，數據處理時將每項指標每日監測數據平均值作為該項指標的日均濃度，因儀器故障等原因，有個別日期的濃度數據缺失。

1.3.2入湖通量計算

引江濟太每月入湖通量依據望虞河2018年1—12月當月每日入湖水量及入湖水體總氮、總磷、氨氮3項指標濃度進行測算：

式中，T—各項指標月入湖通量；Qi—當月每日入湖水量；Ci—各指標當月每日入湖平均濃度。

2 結果分析

2.1 望虞河、貢湖氮磷濃度年內變化特征

從全年總氮濃度變化趨勢來看(如圖2所示)，望虞河、貢湖總氮濃度年內分布季節性特征較明顯且較為一致，呈現冬高、夏低的基本特征。望虞河全年月平均濃度12月最高，達2.94mg/L，7月最低，為0.90mg/L，5—10月濃度相對穩定，介于1.00 ～1.50mg/L之間。貢湖全年月平均濃度2月最高，達2.81mg/L，8月最低，為1.03mg/L，5—10月濃度同樣介于1.00 ～1.50mg/L之間。對比望虞河與貢湖總氮濃度，除2—5月和7月貢湖月平均濃度小于望虞河外，其余月份均為望虞河平均濃度較大，其中11月和12月濃度差異明顯，望虞河總氮月平均濃度分別高出貢湖0.58mg/L 和1.25mg/L。

總磷較總氮濃度變化相對復雜(如圖3所示)，兩側站均為波動變化，大致呈現冬高、春低、夏高、秋低的態勢。望虞河全年總磷月平均濃度11月最高，達0.14mg/L，8月最低，為0.06mg/l；貢湖全年總磷月平均濃度7月最高，達0.11mg/L，10月最低，為0.05mg/l。對比兩測站總磷濃度，3—9月貢湖月均濃度總體上要高于望虞河，其他月份均為望虞河月均濃度高，其中11、12月平均濃度均高于貢湖0.04mg/L以上。

圖2 2018年望虞河、貢湖總氮濃度年內分布特征

圖3 2018年望虞河、貢湖總磷濃度年內分布特征

圖4 2018年望虞河、貢湖氨氮濃度年內分布特征

圖5 2018年望虞河入湖水量年內分布

從全年氨氮濃度變化趨勢來看(如圖4所示)，望虞河氨氮濃度全年均在1.00mg/L以下，貢湖氨氮濃度均在0.60mg/L以下，年內變化過程與總磷相似，冬季濃度較高，其余月份濃度相對較低。望虞河全年月平均濃度12月最高，達0.47mg/L，9月最低，僅為0.09mg/L；貢湖全年月平均濃度1月最高，為0.30mg/L，5月最低，僅0.06mg/L，3—10月氨氮濃度均為0.1mg/L以下。對比兩測站氨氮濃度，貢湖測站均低于望虞河測站。

2.2 氮、磷入湖通量

引江濟太通過望虞河常熟水利樞紐引長江水，由望亭水利樞紐入太湖。根據2018年太湖流域引江濟太年報及望亭水利樞紐每日入湖水量數據，望虞河2018全年引長江水入太湖水量情況如圖5所示，引水時間分布于1、2、10、11、12月5個月份，其余月份無入湖水量，引水量最大為1月份，其次為11月和2月，10月和12月份入湖水量較少。根據太湖流域2018年水情年報數據，全年降水較常年偏多10%，其中1—7月總體偏少，8—12月總體偏多。對照不同月份引水量，引水量大小與全年降水分布相對應，1、2月降水偏少，引水量大，10—12月降水量偏多，引水總量也相應減少。

依據望虞河2018年1—12月當月每日總氮、總磷、氨氮3項指標濃度數據，結合引江濟太期間每日入湖水量，計算得到2018年1—12月三種污染物入湖通量見表1，其中1、2、10、11、12月有入湖通量產生，其余月份入湖通量為0。污染物入湖通量與入湖水量大小基本保持一致，全年總氮、總磷和氨氮入湖通量分別為1474.4、60.0、204.3t。從氨氮入湖量占總氮入湖量的比例來看，氨氮占總氮的比例為13.8%，表明望虞河入湖水體中氨氮形態存在的氮化合物占比較低。

表1 污染物入湖通量表

3 討論

3.1 望虞河氮、磷入湖影響

氮、磷元素的濃度大小，是水體富營養化的重要指標，也是影響藻類生長的重要因素。貢湖2010—2017年藍藻數量上升趨勢明顯，一方面與水域水生植物的減少有關[18]，另一方面也與水體氮、磷元素濃度升高有著密切聯系。相關研究表明，當水體發生水華時氮、磷濃度一般相對較高，多發生在富營養化水平以上。如太湖20世紀90年代以來每年夏秋季均有水華發生，年均總氮、總磷濃度介于2.05～3.14mg/L和0.08～0.11mg/L之間[17]；2010—2017年太湖藍藻數量增長較快，其總磷濃度均在0.07mg/L以上[18]；2002—2004年北京城區的一些河湖連續發生水華，其總氮年均濃度為2.92mg/L，總磷為0.2mg/L[19]?？梢姾雍w總氮、總磷濃度高，勢必會對水生態環境造成一定影響。2018年望虞河入湖時間主要集中于1、2、11、12月份，而這幾月望虞河水體總氮濃度均在2.5mg/L以上，總磷濃度則在1.0mg/L以上。高濃度氮、磷水體入湖，除加重貢湖水體富營養程度，造成水源地水質變差之外，對太湖藍藻防治工作可能也會產生不利影響。

3.2 引江濟太適宜時段探討

引江濟太是一項長期持續性工程，在保證太湖水資源有效供給前提下，如何根據望虞河年內水質變化情況合理開展引水調度，減少入湖水體的污染負荷，也是引江濟太開展需要綜合考慮的因素。根據歷年引江濟太時間(見表2)，可知引水入湖主要集中于1、2、3、9、11、12月，主要是冬季適量引水入湖對于滿足流域供水需求和改善水環境[20]都起著重要作用。一方面冬季引水對太湖水資源、水環境等改善作用明顯，另一方面冬季望虞河水質相對較差，那么如何通過優化引江濟太調度時間，盡可能的減少引水過程中污染物入湖通量，需要進一步分析探討。

引江濟太水體以望虞河為通道經由貢湖注入太湖，貢湖所在水功能區水質保護目標為Ⅲ類。從望虞河和貢湖水域氮、磷元素指標年內相對分布來看，除氨氮外，總氮、總磷濃度絕大部分時間都超Ⅲ類水限值。根據地表水環境質量標準(GB3838—2002)中氮、磷的湖泊標準，望虞河總氮濃度在Ⅳ類～劣Ⅴ類之間，冬季(1—3月，11—12月)水質處于劣Ⅴ類水平；總磷除11月和12月為Ⅴ類以外，其余月份均為Ⅳ類。結合貢湖自身水體水質情況，望虞河入湖水體中總磷、總氮對貢湖水質影響較大。從入湖水體水質年內分布情況看，1、2、11、12月水質相對較差，且相比而言，11—12月水質要劣于1—2月，總氮平均濃度偏高8%左右，總磷偏高28%左右。因此，結合歷年引水入湖月份和望虞河、貢湖氮磷濃度年內變化特征來看，3、9月較11、12、1、2月水質偏好，且優于同時期貢湖水質，較為適宜引水，11、12、1、2望虞河水質基本要劣于貢湖水質，但從月均水質情況來考慮，1—2月引水還是要優于11—12月引水。因氮、磷濃度在1—4月份都呈逐月下降趨勢，在保障供水安全前提下，適當推后引水時間有利于入湖污染物的削減；而在9—12月份，氮、磷濃度總體為上升趨勢，11—12月總氮、總磷平均濃度相對于9—10月要偏高109%和28%，因此在無臺風或風暴潮預警情況下，可適當在氮磷濃度相對較低的9、10月份提前引水，減少后續月份的引水需求總量，同樣有利于入湖污染物的削減。

表2 歷年引江濟太月份

3.3 望虞河沿線污染削減建議

從監測結果來看，望虞河存在總氮、總磷污染，尤其是總氮污染程度較為嚴重。望虞河入湖污染物的削減除對引水調度時間進行優化外，更重要的是加強望虞河兩岸入河污染和河道內源污染控制，減少引水過程中沿程污染匯入。

氮、磷污染來源：有關研究表明[21- 26]水體中氮、磷的外源污染主要來自農業面源污染及生活污染和某些工廠污水的直接排放，以及圍網養殖等。近年來，隨著太湖流域工業廢水和城市生活污水點源污染整治力度的加強，工廠污水直排現象已較為少見，城鎮生活污染入河量也已逐漸減少，現階段水體氮的外源污染中農業面源污染、農村生活污染和水產養殖污染占比較大。農業面源污染主要是大量使用化肥導致，通常情況下能夠被植物利用的化肥僅占10%～25%，其余的75%～90%均留在土壤中，而經過雨水或農業灌溉后，土壤殘留化肥中的氮、磷融入水體，通過地表徑流污染水源。農村生活污染中氮、磷元素主要來源于生活污水、人畜排泄物、固體廢棄物等，若未經集中收集處理，則會隨降雨匯入附近河流。水產養殖污染主要是隨著水產養殖產業的蓬勃發展，工廠化養魚、網箱養魚、流水養魚等各種高產養殖方式被養殖戶廣泛采用，而高產養殖多采用高密度放養、大量施肥投餌的模式，養殖換水過程中大量殘餌、排泄物等物質進入周邊河流，造成水體氮、磷污染。據江蘇統計年鑒數據，2010—2017年江蘇淡水人工養殖產量由290.76萬t上升至339.83萬t，漲幅為16.9%，由此造成的水體氮、磷污染不容小視。

污染削減建議：針對上述氮、磷污染主要來源，提出相應的污染物削減建議。一是推行農業水價綜合改革，采用農業高效灌溉模式，通過加快節水減排設施建設、優化農業種養殖結構等措施來對望虞河周邊區域農業面源進行防控；二是加快農村生活污水治理，建設農村分散式污水集中收集、處理系統和生活垃圾收集、運轉、處理管理體系，建設生活垃圾發酵池等處理設施，減少生活污染入河；三是加強水產養殖尾水處理，對望虞河周邊地區開展養殖塘尾水達標排放試點工作，通過養殖圍塘建設生態浮床、生物濾壩、設置增氧機等措施使得養殖圍塘尾水排放達到環保要求，同時應做好望虞河河道范圍內的圍網養殖清退工作，減少河流內源污染。

4 結語

(1)望虞河和貢湖總氮、氨氮濃度年內分布呈現冬季高、夏季低，總磷濃度春、秋兩季低于冬、夏兩季的特征，且春、夏兩季望虞河水質總體要好于貢湖；引江濟太過程中總氮、總磷、氨氮入湖通量分別為1474.4、60.0、204.3t。

(2)針對氮、磷入湖污染削減工作提出了兩方面建議，一是優化引水調度時間，盡量減少引江濟太過程中氮、磷元素的入湖通量；二是加快推進望虞河兩岸農業面源污染治理工作，從源頭上減少氮、磷污染的產生，可為太湖水環境綜合治理工作提供參考。

(3)本文基于望虞河和貢湖年內水質數據開展分析，在年際變化分析方面存在不足，今后還應加強對于年際系列數據的研究。