太湖流域上游降水量對入湖總氮和總磷的影響

陸 昊，楊柳燕，楊明月，張建華，呂學研，殷 鵬 ，錢 新

(1.南京水利科學研究院水文水資源研究所，江蘇 南京 210029； 2.南京大學環境學院，江蘇 南京 210023；3.南京大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，江蘇 南京 210023； 4.江蘇省水利廳，江蘇 南京 210029；5.江蘇省環境監測中心，江蘇 南京 210036； 6.江蘇省水資源服務中心，江蘇 南京 210029)

太湖流域地處長江流域下游，流域面積3.69萬km2，地跨江蘇、浙江、安徽、上海三省一市，是我國人口密度最大、經濟最發達的地區之一。太湖流域屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫和濕潤，降雨充沛。太湖位于太湖流域的中心，是我國第三大淡水湖泊。太湖水面面積為2 338 km2，平均水深約1.9 m。太湖流域水網交錯，河道密度高達3.2 km/km2[1]。隨著區域社會經濟發展，人口密度增加，太湖流域土地開發強度增大，工農業、城鎮和公共用地占比上升，導致入湖氮磷數量超過環境容量，底泥營養物質濃度升高[2]，湖體總磷濃度居高不下[3]，同時在盛行風向的定常風下，太湖湖區出現眾多大小不一的環流，污染物容易積聚[4]，為太湖藍藻水華頻繁暴發提供了條件。因此，探索環太湖河道入湖總氮和總磷通量變化及其影響因素具有重要的現實意義。

降雨對進入太湖流域河道的氮磷負荷有著重要影響。陳潔等[5]分析了不同降雨強度下大浦河流量和營養鹽負荷的變化，發現入湖河道流量對降雨強度的響應具有滯后性，雖然河道水體總氮和總磷濃度無明顯差異，但不同降雨強度下總氮和總磷的日負荷存在顯著差異，降雨強度增加，營養鹽日負荷增加。張婷等[6]研究發現，流域豐水年的非點源氮磷負荷為枯水年非點源氮磷負荷的2倍以上。Carpenter等[7]通過觀測與模擬估算發現，強降雨對Mendota湖的入湖磷通量影響顯著，強降雨帶入湖的總磷通量約占全年入湖磷通量的75%。近年來，太湖流域強降雨頻次不斷增加[8]，對河道入湖總氮和總磷通量產生了影響。然而，在太湖流域這樣的復雜河網區，從降雨、徑流和氮磷遷移轉化等一系列生物地球化學循環過程考慮，基于現場觀測模擬分析太湖流域氮磷輸移轉化過程比較困難。本文根據環太湖入湖河道的水質和水量計算河道入湖總氮和總磷通量，探索太湖流域年降水量與河道入湖總氮和總磷通量之間的關系，旨在幫助識別太湖入湖總氮和總磷通量的主要來源，解析與反推太湖入湖總氮和總磷的來源和輸入途徑，以期為區域綜合治理提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 數據收集

太湖流域根據水系特征分為7個片區(圖1)，出入湖河流有228條，主要的入湖河流位于湖西區和浙西區。為了分析太湖流域上游降水量與河道入湖總氮和總磷通量的關系，從中國氣象數據網收集了2010—2019年太湖流域降水量數據，從太湖網和《太湖流域水情年報》收集了2010—2019年太湖入湖水量數據，從環境監測部門獲取了環太湖河道入湖總氮和總磷濃度數據。

圖1 太湖流域分區

1.2 環太湖河道入湖總氮和總磷通量計算

利用環太湖河道水體總氮和總磷濃度與河道月入湖水量計算環太湖河道入湖總氮和總磷通量：

(1)

式中：W為環太湖河道年入湖總氮或總磷通量；Qij為環太湖第i條入湖河道j月入湖水量；cij為環太湖第i條入湖河道j月總氮或總磷濃度；n為主要入湖河道數。逐月估算出每條主要入湖河道總氮和總磷的入湖通量后，累加可以得到環太湖河道的年入湖總氮和總磷通量。

環太湖水文測量站分為基點站和巡測站，控制了環太湖95%以上的進出水流量。根據基點站和巡測站流量相關性分析結果，可由基點站流量推算各個巡測站的流量[9]。在計算環太湖河道入湖氮磷通量時，無監測數據河道的水質數據由相近河道的水質數據替代。

2 結果與分析

2.1 太湖流域降水量年際變化

太湖流域降水量的大小決定了太湖入湖水量和水位漲落[10]，從而影響太湖流域水文過程、水資源量和水生態環境質量。2010—2019年，太湖流域年平均降水量為1 322 mm，較1986—2009年增加15%。其中，2013年太湖流域年降水量最少，只有1 067 mm，而2016年太湖流域年降水量最多，為1 792 mm，2019年太湖流域年降水量為1 271 mm(圖2)。2010—2019年，湖西區平均年降水量為1 263 mm，較1986—2009年增加3%。其中，2013年湖西區年降水量最少，只有928 mm，而2016年湖西區年降水量最多，為2 026 mm，2019年湖西區年降水量較少，為952 mm。2010—2019年，浙西區年均降水量為1 552mm，較1986—2009年增加10%。2013年浙西區年降水量最少，為1 297 mm，而2016年浙西區降水量最多，為2 035 mm，2019年浙西區年降水量較多，為1 628 mm。因此，2010—2019年，太湖流域不同年份降水量變化較大，湖西區年降水量均小于同期浙西區年降水量，其中2019年差值最大，湖西區年降水量比浙西區少了676 mm。

圖2 2010—2019年太湖流域年降水量

2.2 太湖入湖水量年際變化

太湖環湖岸線全長393.2 km，進出河港縱橫，河口眾多。根據測算，環太湖河道入湖水量主要包括3部分：①流域天然降雨，為主要部分，占入湖水量的70%～80%；②區域引水，包括自主引水和“引江濟太”調水，占入湖水量的20%～30%；③區域工農業生產和生活排水，主要是從長江取水后就地排水，占比較小。2010—2019年，太湖年均入湖水量為11.6 km3，其中，2013年入湖水量最少，為8.9 km3，2016年入湖水量最多，為16 km3，2019年入湖水量為12.6 km3(圖3)。

湖西區和浙西區為太湖上游地區。2010—2019年，湖西區和浙西區入湖水量平均占太湖入湖水量的85%(圖3)。湖西區是太湖入湖水量最多的片區，1986—2009年湖西區入湖水量平均占太湖入湖水量的48%，而2010—2019年湖西區入湖水量平均占太湖入湖水量的65%，比例有所上升。1986—2009年浙西區入湖水量平均占太湖入湖水量的23%，而2010—2019年，浙西區入湖水量平均占太湖入湖水量的20%，比例略有下降。2019年，浙西區入湖水量的占比顯著增加。杭嘉湖區、陽澄淀泖區和武澄錫虞區的河道以出湖為主[11]，2010—2019年，其他片區入湖水量平均只占太湖入湖水量的15%(圖3)。因此，太湖入湖水量主要來自湖西區和浙西區，湖西區和浙西區是入湖氮磷的主要來源。

圖3 2010—2019年太湖年入湖水量和不同片區入湖水量占比

2.3 環太湖河道入湖總氮和總磷通量

根據環太湖河道流量及水質數據，2010—2019年，環太湖河道年均入湖總氮和總磷通量分別為3.24萬t和0.18萬t。其中，2013年環太湖河道入湖總氮和總磷通量最小，分別為2.45萬t和0.14萬t；2016年最大，分別為4.22萬t和0.25萬t；2019年環太湖河道入湖總氮和總磷通量分別為3.27萬t和0.14萬t(圖4)。

2010—2019年，環太湖河道入湖氮磷主要來源于湖西區和浙西區，兩個湖區河道入湖總氮和總磷通量占全湖的90%以上(圖4)。湖西區是環太湖河道入湖氮磷最主要的來源區，2010—2019年，湖西區河道年均入湖總氮和總磷通量分別為2.45萬t和0.14萬t，分別占環太湖河道年均入湖總氮和總磷通量的77%和76%。湖西區2013年河道入湖總氮和總磷通量最小，分別為1.82萬t和0.10萬t；2016年最大，分別為3.08萬t和0.19萬t。浙西區2017年河道入湖總氮和總磷通量最小，分別為0.31萬t和0.02萬t；2019年最大，分別為0.94萬t和0.04萬t。因此，太湖流域河道入湖總氮和總磷通量變化較大，并不隨太湖流域污染治理力度增強而梯度下降。

(a)總氮入湖通量

環太湖主要出入湖河道的總磷和總氮濃度監測頻次為每月1次，為瞬時值，忽略了河道總氮和總磷濃度在月內的變化，這會影響環太湖河道入湖氮和磷通量的估算精度[12]。此外，環太湖河道存在往復流[13-14]，由于河道入湖與出湖時水體總氮和總磷濃度之間存在差異，使用每月1次的總氮和總磷濃度數據也會給太湖河道入湖總氮和總磷通量的計算帶來系統誤差。同時，環境監測部門未監測的部分出入湖河道的總氮和總磷濃度，使用鄰近河道的總氮和總磷濃度作為替代，也會給環太湖河道入湖總氮和總磷通量的計算帶來一定的誤差。本文采用逐月累計得到的入湖總氮和總磷通量與水利部太湖流域管理局公布的《太湖健康狀況報告》相比，誤差較小，因此能有效反映環太湖河道入湖氮磷通量。

3 討 論

3.1 入湖總氮和總磷通量與降水量的關系

太湖流域入湖水量變化受降水量影響，降水量大的年份入湖水量也大。2015和2016年是2010—2019年間太湖流域降雨最多的兩年，導致入湖水量也非常高，而2015和2016年恰好也是2010—2019年間環太湖河道入湖氮和磷通量最高的兩年。2010—2019年，太湖流域、湖西區和浙西區河道入湖總氮和總磷通量均與降水量呈顯著正相關關系(顯著性水平p<0.05)(圖5)。浙西區入湖水量主要來源于區域降雨，其入湖水量變化主要與降雨有關[15]，因此，降水量直接影響浙西區河道入湖總氮和總磷通量的變化。湖西區入湖水量的來源除了區域降雨外，還包括諫壁閘等沿長江口門引水[16]。雖然2010—2019年湖西區沿長江口門平均年引水量達2.29 km3，為湖西區平均年入湖水量的30%，但是湖西區入湖氮和磷通量的變化與沿江口門引長江水量之間無顯著相關性(p>0.05，圖6)，因此，降雨仍是湖西區入湖總氮和總磷通量變化的主要影響因素。

(a)年降水量與河道入湖總氮通量關系

圖6 2010—2019年湖西區年引江水量與入湖總氮和總磷通量關系

湖西區和浙西區河道入湖總氮通量隨降水量增加的響應系數分別為9.96 t/mm和5.86 t/mm，總磷通量的響應系數分別為0.895 t/mm和0.213 t/mm(圖5)，湖西區河道入湖總氮和總磷通量隨降水量增加的響應系數分別為浙西區的1.7倍和4.2倍。已有研究結果顯示[17]，浙西區土地利用類型以林地和耕地為主，面積占比分別為62%和22%，氮磷主要來自林地和農業面源污染。湖西區土地利用類型以城市建設用地和耕地為主，面積占比分別為22%和50%[18]。降水量增加雖然會導致區域氮磷濕沉降量升高，但是從環湖濕沉降監測結果來看，2017年降雨中總氮、總磷平均質量濃度分別為3.06 mg/L和0.08 mg/L[19]，降雨中總氮濃度略低于河道總氮濃度多年平均值，總磷濃度顯著低于河道總磷濃度多年平均值，因此，濕沉降不是造成河道入湖總氮和總磷通量與降水量之間強相關的原因。根據WorldPop公布的人口數據[20]計算，湖西區和浙西區人口密度分別約為998人/km2和444人/km2，盡管研究表明太湖流域人口密度和城鎮與流域污染負荷存在相關性[21]，但是工業和城鎮點源排放的總氮和總磷通量與降水量之間不呈正相關關系，工業和城鎮點源排放也不是導致入湖總氮和總磷通量與降水量之間呈顯著正相關的原因。綜上，湖西區城鎮和農村面源高強度排放是導致河道入湖總氮和總磷通量與降水量之間強響應的主要原因。

3.2 高強度降雨對河道入湖總氮和總磷通量的影響

由于存在降雨初損[22-23]，降雨強度較低時，面源氮磷負荷增加并不明顯。而在高強度降雨時，太湖平原河網地區河道各形態氮和磷濃度有急劇的升高趨勢[24-25]，高強度降雨使進入太湖上游河網區的總氮和總磷負荷呈現脈沖式增加，而這種情況下的總氮和總磷進入河道后不易得到凈化。與此同時，太湖流域高強度降雨導致入太湖水量大，河道入湖總氮和總磷通量也變大。以日降水量達到25 mm及以上視為高強度降雨進行統計，2010—2019年，湖西區和浙西區年高強度降水量占年降水量比例與年降水量之間呈現正相關(圖7)。2010—2019年中，2016年湖西區和浙西區年降水量最大，高強度降水量占年降水量的比例分別為63.4%和54.0%，導致河道入湖總氮和總磷通量大增。此外，2010—2019年，湖西區和浙西區河道入湖總氮和總磷通量與所在片區年高強度降水量之間也呈顯著正相關(p<0.05，圖8)。2019年，由于氣候氣象因素導致降雨不均，浙西區山區降水量大增，入湖水量、入湖總氮和總磷通量也顯著增加，因此，太湖流域高強度降雨增加了河道入湖總氮和總磷通量。

圖7 2010—2019年湖西區和浙西區年高強度降水量占比與年降水量關系

(a)湖西區

3.3 降雨對入湖總氮和總磷通量的影響

太湖流域河道入湖氮磷污染來源多樣，城鎮生活、農業和工業等的氮磷排放是最主要的來源，同時大氣沉降、長江引水也是入湖氮磷的來源。在太湖流域氮磷污染控制力度不斷增大與引水調控的背景下，盡管河道水質有所改善[26]，但環太湖河道入湖總氮和總磷通量未見明顯減少。根據分析，長江引水與入湖氮磷通量變化無顯著相關性。研究表明，2018年與2010年相比，太湖流域降雨總氮濃度平均值相近，降雨總磷濃度平均值呈下降趨勢[27]。而2014—2015年太湖流域降雨中總氮和總磷質量濃度分別為2.17 mg/L和0.036 mg/L，雨水總氮平均質量濃度比河道總氮平均質量濃度(3.47 mg/L)稍低，雨水總磷平均質量濃度明顯低于河道總磷平均質量濃度(0.18 mg/L)[28]。此外，多年來太湖流域城鎮生活污水處理廠、工業園區污水處理廠以及工業行業重點企業污水處理設施進行了提標改造，點源污染防治成果顯著，排入河道氮磷負荷明顯下降[29]。綜合考慮以上因素，并結合降水量與河道入湖總氮和總磷通量的顯著相關關系可以發現，太湖流域上游引水、大氣干濕沉降與固定源排放不是影響環太湖河道入湖總氮和總磷通量變化的主要原因，農業、農村和城鎮面源，包括部分降雨時雨污合流管的污水溢流，成為河道氮磷污染的主要來源[29]。太湖流域降雨導致的水循環過程驅動了入湖氮磷遷移過程，由于太湖流域氮磷遷移過程復雜，除了大氣沉降外，雨水攜帶陸源污染物進入河道，導致環太湖河道入湖總氮和總磷通量與降水量呈顯著正相關。降雨主要通過以下幾個方面影響環太湖河道入湖總氮和總磷通量的變化：

a.降水量影響種植業氮磷流失量。種植業是太湖流域農業面源氮磷污染的重要來源。由于城市化進程的加劇，耕地面積雖然在不斷減少，但是出于經濟利益考慮，太湖流域許多稻田改為果園、菜地，茶園面積也不斷擴大，2002—2017年太湖地區果園和茶園面積分別增加了2.852萬hm2和1.892萬hm2[30]。由于果園、菜地和茶園單位面積氮磷施肥用量大，氮磷的地表徑流流失量和地下滲漏流失量均明顯高于稻田，雖然2002—2017年太湖流域種植業面積明顯減少，但是磷流失量僅下降了1.84%[30]。此外，枯水期太湖流域的河流總磷濃度上升幅度較大，也表明目前農村和農業面源污染仍沒有得到有效控制。一般情況下，降水量越大，氮磷徑流流失量也越大，因此，發生高強度降雨時，太湖流域種植業氮磷流失量越多，農業面源輸入河道的氮磷量就越多。

b.降水量影響城鎮面源污染入河量。城鎮面源也是河流氮磷污染的重要來源之一。高強度降雨下，太湖流域城鎮面源氮磷污染隨降雨進入河道，同時由于部分雨污合流管道溢流，也會導致部分污水進入河道。孫中浩[31]通過對宜興市不同下墊面的降雨徑流的研究發現，城區不同下墊面的降雨徑流中總氮和總磷平均質量濃度分別為1.99～10.93 mg/L和0.22～1.77 mg/L，降雨徑流中總氮和總磷初始質量濃度分別超出《地表水環境質量標準》Ⅴ類水水質標準值的1.0～5.5倍和1.1～5.9倍。太湖流域高強度降水量越大，對城鎮下墊面“清掃”作用越強，導致城鎮雨水徑流進入河道的氮磷負荷越高，對河道水質的不利影響越嚴重。

c.降水量影響水系自凈能力。太湖流域水網縱橫，湖蕩眾多，整個流域濕地總面積約為735 km2，大于0.5 km2的湖蕩有189個，占太湖流域平原面積的10.7%，但是，太湖流域河道以閘壩調控為主，湖西區與浙西區平原河網的連通性與其他片區相比較差[32]，因此，在降雨強度較小時，部分河水積存于圩區或斷頭浜中，但在降雨強度較大時，圩區與斷頭浜水通過閘泵或支流進入主要入湖河道，氮磷污染物也隨之入湖。與此同時，高強度降雨導致太湖上游河網區水量增加，流速增大，也會使得沉積在河道中的氮磷污染物再懸浮[33]，河道兩岸的侵蝕作用也更加明顯，因沖刷、侵蝕進入河道的氮磷污染負荷也將增多，共同增加了河道水體中氮磷污染物的數量。有研究表明，較長水力停留時間的人工模擬河流對氮磷具有更高的去除率[34]，因此，太湖上游河網區高強度降水量的增加會導致河道和湖蕩水體流速加快，水體水力停留時間變短，對氮磷自凈能力下降，使得環太湖河道入湖總氮和總磷通量增加。

4 結 論

a.2010—2019年太湖流域年平均降水量為1 322 mm，較1986—2009年的年平均降水量增加15%，其中湖西區和浙西區的年平均降水量分別為1 263 mm和1 552 mm。2010—2019年環太湖河道年均入湖總氮和總磷通量分別為3.24 萬t和0.18 萬t，主要來自湖西區和浙西區。

b.湖西區、浙西區河道入湖總氮和總磷通量與各片區年降水量之間均呈現顯著正相關，年降水量越高，河道入湖總氮和總磷通量越大。由于湖西區城鎮建設用地和耕地面積占比較浙西區高，湖西區河道入湖總氮和總磷通量對降水量的響應要強于浙西區。

c.太湖流域上游湖西區和浙西區的年降水量越大，強降雨所占比例越高。降雨沖刷和攜帶是農業和城鎮面源氮磷污染進入入湖河道的主要途徑，農業和城鎮面源污染是環太湖河道入湖總氮和總磷主要的來源。流域降水量的增加會縮短河道、湖蕩水體水力停留時間，從而降低河網水系對氮磷的凈化能力，導致環太湖河道入湖總氮和總磷通量居高不下。因此，應以農業和城鎮等氮磷面源污染控制為重點，同時加強太湖流域生態修復工程建設與汛期水利工程調度，有效降低河道入湖總氮和總磷通量。