引江济太通道望虞河的水质变化特征及磷通量计算

摘要  基于2007—2021年望虞河流域的每月巡测水质数据和2个水利枢纽调水数据，以及2021年沿望虞河布设的13个采样点数据，分析望虞河—贡湖在引江济太工程下的水质时空变化特征并计算望虞河出入湖磷通量。结果表明，长江来水除TN外可达到Ⅲ类水标准，西岸支流恶化望虞河水质，使得沿程水质变化特征复杂并抬升入湖污染负荷。2007—2021年引江济太调水期间，望虞河入湖的CODMn、TP相较长江来水分别上升40.2%和13.3%，长江来水本身也有导致贡湖水质恶化的风险。同期望虞河引江入湖磷通量累计1 306.3 t，净通量237.5 t，对贡湖造成高磷素负荷冲击。

关键词  水质；变化特征；磷通量；引江济太；望虞河

中图分类号  X 171.4   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2023）05-0056-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.014

开放科学（资源服务）标识码（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世纪80年代以来，跨流域调水工程已在国内外众多湖泊中付诸实践，如荷兰Veluwe湖［1］、美国Moses湖［2］，国内大型湖泊如太湖［3］、巢湖［4］等，在水质改善和富营养化控制过程中发挥了积极作用。由于调水工程的来水一方面会引起流经区域和受水湖泊水文水动力学特性的改变［5］，另一方面会挟带引水区及流经区域的营养盐和污染物等直接进入受水湖泊［6］，因而对流域生态环境产生复杂影响。

太湖地处经济发达、人口稠密的长江流域下游地区，是我国第三大淡水湖，流域经济的高速发展导致大量氮、磷营养盐输入太湖，使湖体富营养化。经过多年治理，太湖富营养化程度得到一定的控制［7］，但蓝藻水华暴发的面积仍然较大［8］。望虞河引江济太工程是太湖流域综合治理骨干工程之一，在望虞河入江和入湖处分别通过常熟枢纽和望亭立交枢纽工程进行水利调度，优化水资源配置。当前关于引江济太调水对受水区贡湖及太湖全湖的水质影响已有较多研究［9-11］，但鲜有关注该工程流经通道望虞河的全程水质变化特征。同时，引水是否造成太湖总磷浓度上升尚有争议，但调水过程中引入了一定量的磷进入太湖［12］已被证实。由于不同年份引水量存在很大差异，因此摸清多年来的磷通量对评估引江济太工程对太湖水环境的影响具有重要的意义。

在长三角一体化发展的大背景下，浙江省和上海市对太湖水资源的需求增加，望虞河引江济太的水量有增加的趋势，因此，该研究基于现场环境监测数据和历史数据综合分析望虞河—贡湖在江河湖连通的复杂环境条件下的水质时空变化特征，并估算2007—2021年出入湖磷通量，以期为制定兼顾太湖水质控制和生态改善的引江济太调水优化方案提供参考和支撑。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

望虞河总长60.8 km，是连接太湖和长江距离最短的流域性河道，既是长江水源直接引入太湖的通道，也是汛期太湖水外排长江的重要排水通道。望虞河流域属典型平原河网区，流域水系纵横交错，干流上有鹅真荡、漕湖等湖荡，东西两岸有多条支流汇入，东岸各支流均有闸口控制，西岸支流除北部福山塘以北段和中部嘉菱荡以南部分支流有控制外，其余大部分为开敞状态［10］。望虞河西岸地区人口密集、经济发达，氮磷负荷较重［13］，域内河网与望虞河存在频繁的水量交换，太湖排水时西岸河网污水经望虞河向北排入长江，引水时随长江水向南汇入太湖。

1.2 样品采集与数据获取

收集1986—2021年的常熟和望亭水利枢纽水量数据和2007—2021年的流域每月巡测水质数据。该研究在长江—望虞河—贡湖段布设13个采样点（图1），其中望虞河11个、贡湖内2个，WY1和WY9分别位于常熟枢纽闸内和望亭枢纽闸内。分别于2021年引水期（1月14—15日和12月29—30日）采样2次、排水期（6月21—22日）采样1次。每个采样点通过JFEAAQ-177多参数水质仪原位监测pH、水温、溶解氧（DO）、叶绿素a（Chl-a）、电导率（EC）、 浊度（NTU），通过1.5 L采水器采集水面下0.3～0.5 m 水样装于润洗过的500 mL PET瓶中，水样4 ℃冷藏保存，运回实验室。采用高锰酸钾氧化分光光度法测定高锰酸盐指数（CODMn），纳氏试剂分光光度法测定氨氮（NH3-N），麝香草酚分光光度法测定硝氮（NO3-N），碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定总氮（TN），钼酸铵分光光度法测定总磷（TP）。

1.3 磷通量计算

根据逐月的水量和TP浓度数据，两者相乘即可计算入（出）湖断面（WY9）的年磷通量。

2 结果与分析

2.1 望虞河引排水量变化趋势

自2002年启动调水以来，引江工程显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，相较1986—2001年增加了13倍。2015年以来，望虞河入湖水量有所减少，年均入湖水量4.4×108 m3，仅为2002—2014年的47.7%。2004—2014年望虞河年入湖水量占太湖年总入湖水量的2.5%～148%，2015—2020年年入湖水量占太湖年总入湖水量的0.9%～48%。2007—2021年望虞河共引长江水255.64×108 m3，其中112.50×108 m3进入太湖，143.14×108 m3进入望虞河两岸河网，平均入湖效率为44%；以2014年为拐点，近15年来引江济太入湖效率呈现先上升后下降、再波动上升的趋势（图2）。

2.2 长江来水、望虞河入湖与贡湖水质比较

引江济太调水期间，位于望虞河两端的WY1和WY9处水质可分别代表长江来水和望虞河入湖水质，TH2处水质代表贡湖水质。2007—2021年引江济太调水期间，望虞河入湖的CODMn、TP平均浓度分别为3.24和0.117 mg/L，相较长江来水分别上升40.2%和13.3%，TN平均浓度为1.43 mg/L，相较长江来水下降24.1%；长江来水的CODMn、TP和TN低于望虞河入湖的比例分别为83.1%、62.7%和32.1%。由图3可见，引水期间望虞河入湖的CODMn和TP负荷较长江来水有所提高，TN负荷有所降低，说明望虞河西岸河网污水的汇入对入湖水质产生不利影响。

对比望虞河入湖和直接受水区贡湖的水质，引江济太调水期间，贡湖的CODMn、TN和TP平均浓度分别为3.37、2.30和0.073 mg/L，望虞河入湖的CODMn、TN和TP平均浓度分别比贡湖低3.9%、低37.8%和高60.3%。由图3可见，引江济太期间望虞河入湖的CODMn负荷与贡湖基本持平，TN负荷尽管较长江来水有所提高，但仍低于贡湖，TP负荷显著高于贡湖。进一步对比长江来水和贡湖的TP情况，引江济太调水期间长江来水的TP平均浓度高于贡湖41.9%，TP浓度仅有20.3%的比例低于贡湖。磷是导致水体富营养化的重要元素之一［14］，2016年以来，太湖TP浓度出现反弹［15］。由于河湖执行的水质标准不同，尽管长江来水的TP达到 Ⅲ 类水标准，但对于受水区贡湖而言已然偏高，同 时望虞河西岸磷负荷随引水入湖，因此磷是引江济太需要关注的重要因子。

2.3 望虞河水质沿程变化特征

上述的巡测及监测数据表明望虞河两端的污染负荷有所不同，为进一步阐明西岸支流汇入导致的水质变化，沿望虞河开展了详细的水质监测，结果见图4。

2.3.1    引水期水质沿程变化特征。

从图4可以看出，2次引水期（1月和12月）WY1的CODMn、TN和TP处于各断面较低甚至最低水平，望虞河水质沿程总体上呈现先恶化、经湖荡有所改善再恶化的变化特征。具体来看，从WY1到WY2，该段西岸支流口门得到控制，无污水汇入，望虞河水质变化不大。从WY2到WY4，张家港和锡北运河在该段通过多个口门与望虞河发生水量交换，望虞河水质已明显恶化，1月引水时WY4处相较长江来水CODMn和TP分别上升77.2%和23.7%；12月引水时CODMn和TP分别上升287.8%和133%。从WY4至WY5，九里河经宛山荡在嘉菱荡汇入后，TN和TP出现小幅升高或维持不变，CODMn则有较为明显的下降。从WY5到WY6，该段西岸支流口门得到控制，12月引水时水质变化不大，1月TP浓度大幅上升可能是由于采样时恰逢大型船舶连续经过排放污水所致。对比湖荡与河段及WY6与WY8的水质，湖荡相较河段或WY8相较WY6的CODMn、TN、TP浓度均有不同程度的下降，说明湖荡对水体有一定的截留净化作用［16］。从WY8到WY9，伯渎港和古市桥河相继与望虞河发生水量交换，可能由于本来WY8的TP浓度已经较高，1月引水时TP下降18.4%，CODMn和TN变化不大；12月引水时CODMn和TP分别上升95.7%和200%，TN变化不大。