張 濤,陳求穩(wěn),易齊濤,王 敏,黃 蔚,馮然然

(1:南京水利科學研究院生態(tài)環(huán)境研究中心,南京 210029)(2:太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434)

太湖流域上游平原河網區(qū)水質空間差異與季節(jié)變化特征*

張 濤1,2,陳求穩(wěn)1**,易齊濤1,王 敏1,黃 蔚1,馮然然1

(1:南京水利科學研究院生態(tài)環(huán)境研究中心,南京 210029)(2:太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434)

在太湖流域上游的宜溧-洮滆水系主要河道設置67個監(jiān)測點,分別于2014年1月(冬季)、4月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)進行水質監(jiān)測,采用多元統計方法分析了水質的空間差異性和季節(jié)性變化,并利用水質標識指數法對水環(huán)境質量進行評價. 結果表明,宜溧-洮滆水系污染程度較嚴重,總氮(TN)、總磷(TP)和高錳酸鹽指數(CODMn)濃度年均值分別為4.93、0.26和7.63 mg/L；單因素多元方差分析和聚類分析顯示污染物濃度具有顯著時空差異性,時間上冬、春季污染程度較高而夏、秋季較低,空間上無錫和常州氮、磷污染較為嚴重,宜興和溧陽市有機污染程度較高；水質標識評價結果顯示流域內水質基本為IV類或V類,其中TN、TP及CODMn是關鍵污染指標.

太湖流域；宜溧-洮滆水系；多元統計分析；水質評價；水質標識指數法

近幾十年來, 隨著我國工農業(yè)和城市化的快速發(fā)展, 強烈的人類活動導致湖泊內營養(yǎng)鹽不斷富集[1],富營養(yǎng)化程度加劇[2],有研究表明我國85%以上的湖泊處于富營養(yǎng)化的水平[3]. 湖泊富營養(yǎng)化及由此引起的藍藻水華已嚴重影響湖泊的生態(tài)功能與飲水安全[4],成為制約經濟和社會持續(xù)發(fā)展的重要因素. 我國過去二十多年中針對富營養(yǎng)化嚴重的大型湖泊開展了一系列的整治措施[2],部分重點湖泊水質有所改善,但水環(huán)境狀況總體惡化的趨勢尚未得到根本遏制[5]. 湖泊富營養(yǎng)化治理主要在于外源控制和內源削減,其中外源控制是根本. 因此解析外源營養(yǎng)物質來源,有效降低外部營養(yǎng)物質的輸入,實現流域水系水質目標管理是當前湖泊富營養(yǎng)化治理的首要任務[6-7]. 入湖河流是營養(yǎng)物質輸運入湖的關鍵路徑,其水質對湖泊水環(huán)境狀況有著重要而直接的影響,因此研究入湖河流水質的變化規(guī)律,控制入湖河流污染物濃度,對改善湖泊水體富營養(yǎng)化狀況具有重要意義[8].

目前,針對脈絡較為清晰且結構相對簡單的樹狀河流的水質時空變化特征研究比較多[9-13]；太湖流域是我國典型的平原河網區(qū),流域城鎮(zhèn)化、工業(yè)化程度高,污染負荷嚴重,河網水文水動力條件及負荷來源復雜,河流水質影響因素眾多[14-15]. 此前入湖河流水質監(jiān)測與分析主要集中于環(huán)湖河口及周邊區(qū)域[16-17],缺乏入湖河網多斷面、大尺度的水質時空分布研究. 本研究選取太湖上游流域中的宜溧-洮滆水系作為對象，優(yōu)化設置高密度的水質監(jiān)測網點，對河流水質指標進行測定，并采用水質標識指數法評價河流水質狀況，旨在揭示典型平原河網水質空間差異和季節(jié)變化特征，以期為太湖流域入湖河流水質目標管理及污染負荷控制提供相關依據.

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣點布設

宜溧-洮滆水系主要由宜溧河水系和洮滆水系兩部分組成. 宜溧河水系也稱南河水系，發(fā)源于茅山山區(qū)和蘇浙皖三省交界處的丘陵山地[18]，途徑無錫宜興市、溧陽市，土地利用類型以耕地為主，干流長50 km，下游北與洮滆水系相連，宜溧河水系入湖水量約占太湖上游來水總量的25%. 洮滆水系是由山區(qū)河道和平原河道組成的河網，集鎮(zhèn)江、丹陽、金壇一帶的丘陵崗坡徑流，經洮湖、滆湖調蓄后由常州太滆運河、漕橋河、殷村港等河流匯入太湖[19]，同時又以丹金溧漕河、扁擔河、武宜運河等多條南北向河道與沿江水系相通形成東西逢源、南北交匯的網絡狀水系. 洮滆水系入湖水量約占太湖上游來水總量的20%左右[20].

在宜溧-洮滆水系共布設67個水質監(jiān)測站點(圖1). 監(jiān)測點布設覆蓋主要4級以上河道，并充分考慮水系交匯結構. 其中宜溧水系共布設25個采樣點，分布在大浦港(Y1、Y2)、東氿(Y3)、西氿(Y4)、北溪河(Y5、Y19、Y20、Y22)、溧宜河(Y6～Y11)、埝徑河(Y13、Y16)、桃溪(Y12、Y14、Y15)、戴溧河(Y17)、趙村河(Y18)、丹金溧漕河(Y21)、淳溧河(Y23)、中河(Y24)和南河(Y25). 洮滆水系共布設42個采樣點，分布在丹金溧漕河(DJ1～DJ4)、夏溪河(XX1～XX3)、扁擔河(BD1、BD2)、孟津河(MJ1～MJ3)、湟里河(HL1、HL2)、北干河(BG1、BG2)、中干河(ZG1、ZG2)、北河(BH1、BH2)、武宜漕河(WY1～WY4)、漕橋河(CQ1、CQ2)、太滆運河(TG1～TG4)、殷村港(YC1、YC2)、燒香河(SX1、SX2)、橫塘河(HT1)、錫溧漕河(XL1～XL4)和直湖港(ZH1～ZH3).

圖1 宜溧-洮滆水系水質監(jiān)測點分布Fig.1 The distribution of water sampling sites in the Yili-Taoge river networks

1.2 樣品采集與分析

1.3 水質時空變異分析與評價

1.3.1 時空變異分析 在水質評價過程中，考慮到水質在時間、空間上的差異性及相似性，采用方差分析(ANOVA)的方法對各評價指標分別進行季節(jié)間和空間上的顯著差異性檢驗，以判斷各檢測指標在不同斷面以及不同季節(jié)間是否存在顯著差異[22]. 方差分析由Fisher等提出，用于兩個及以上樣本均數差別的顯著性檢驗，其基本原理是將全部觀測數據的總變異分解為組間變異和組內變異，如果組間變異遠遠大于組內變異，則認為控制因素對因變量產生了影響[23]. 本研究的控制變量分別為時間和空間，屬于單因素多元ANOVA，顯著性檢驗公式為：

(1)

式中，n為樣本數；B為組間離差平方和矩陣；W為組內離差平方和矩陣；p為向量維數；m為水平數.Λ統計量服從自由度為(p，n-m，m-1)的Λ分布，當λ2/n值大于顯著水平α時，則表明在該控制變量下不同水平各總體均值不存在顯著性差異，反之，則存在顯著性差異.

1.3.2 空間層次聚類分析 聚類分析是根據某些數量特征將觀察對象進行分類的一種統計方法，其實質是根據樣品或變量之間的親疏程度，通過逐次聚合，將性質最接近的對象結合在一起聚成一類[11]. 在水質評價中，考慮到水質在時間、空間上的差異性及相似性，本研究采取應用較為廣泛的層次聚類分析，親疏程度的計算包括兩類：樣本間距離和組間距離，其中計算樣本間距離采用歐氏距離平方和法，即兩點間實際距離的平方和；計算組間距離采用離差平方和法，又稱Ward法，其基本思想是以平方歐氏距離為標準，先將集合中每個樣本自成一類，計算類重心間方差，將離差平方和增加幅度最小的兩類進行合并，每次通過合并減少一類，此時離差平方和出現并逐步增大，選擇使離差平方和增加最小的兩類合，隨后依次將所有類別逐級合并[24]. 聚類分析選取的水質指標包括耗氧污染物類(DO、CODMn及NH3-N)和營養(yǎng)鹽類(TN及TP). 時空變異分析和空間層次聚類分析均使用SPSS 19.0軟件完成.

1.3.3 綜合水質評價 宜溧-洮滆水系多為漁業(yè)、工業(yè)及農業(yè)用水，其水功能區(qū)目標以Ⅲ類或Ⅳ類為主，水質評價采用綜合水質標識指數法(Iwq)[25]，標識指數由整數位和3位或4位小數位組成，其結構為：

Iwq=X1.X2X3X4

(2)

式中，X1.X2由計算獲得，X3和X4根據比較結果得到. 其中，X1為河流總體的綜合水質類別；X2為綜合水質在X1類水質變化區(qū)間內所處位置，從而實現在同類水中進行水質優(yōu)劣比較；X3為參與綜合水質評價的水質指標中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標的單項指標個數；X4為綜合水質類別與水體功能區(qū)類別的比較結果，視綜合水質的污染程度，一位或兩位有效數字.

(3)

式中,m為參加綜合水質評價的水質單項指標的數目；P1、P2、Pm分別為第1、2、m個水質因子的單因子水質指數，為對應單因子水質標識指數中的整數位和小數點后第1位(單因子水質標識指數中的X1.X2).

通過綜合水質標識指數X1.X2，結合《國家地表水環(huán)境質量標準》的分類，可以判斷水體的水質類別和污染程度：當1.0≤X1.X2≤2.0時，水質狀況為Ⅰ類；當2.07.0時，水質狀況為劣Ⅴ類且黑臭.

2 結果與分析

2.1 流域水質時空分布特征

宜溧-洮滆水系水質總體呈弱堿性，DO濃度季節(jié)均值范圍為3.75～6.51 mg/L，部分監(jiān)測點濃度低于Ⅳ類水質標準(3.0 mg/L). CODMn和TP濃度季節(jié)均值范圍分別為5.98～8.78和0.22～0.31 mg/L(表1)，均屬于Ⅳ類水，TN濃度季節(jié)均值范圍為3.23～6.89 mg/L，遠高于Ⅴ類水質標準.

表1 宜溧-洮滆水系監(jiān)測站點水質指標季節(jié)均值統計

2.1.1 CODMn的時空分布特征 各監(jiān)測點CODMn濃度總體呈現出夏、冬季較高，春秋季較低的特征(圖2). 春季變化范圍為5.60～9.30 mg/L，平均為7.01 mg/L. 秋季CODMn濃度為全年最低，其變化區(qū)間在3.30～12.20 mg/L之間，均值為5.98 mg/L. 夏季CODMn變化范圍為4.10～21.60 mg/L之間，平均為8.71 mg/L. 冬季CODMn變化范圍為5.00～15.40 mg/L，平均為8.78 mg/L，與夏季相差甚微. 流域空間上也存在一定的變異性. 整體來看城鎮(zhèn)區(qū)域周圍CODMn濃度明顯高于流域上游和以農業(yè)活動為主的區(qū)域，在城鎮(zhèn)集中、工業(yè)發(fā)達的錫溧漕河—武宜運河、扁擔—孟津河、溧宜河及環(huán)太湖河口一線濃度較高，而農業(yè)為主的區(qū)域洮湖及滆湖周圍濃度相對較低.

圖2 宜溧-洮滆水系污染物濃度的時空分布Fig.2 The spatio-temporal distributions of pollutant concentration in the Yili-Taoge river networks

2.1.2 TN和DIN的時空分布特征 宜溧-洮滆水系TN濃度季節(jié)變化規(guī)律明顯，其大小順序為冬季>春季>夏秋季. 各監(jiān)測站點TN濃度春季變化范圍為1.60～9.40 mg/L，平均為5.20 mg/L(表1). 夏、秋季流域內大部分監(jiān)測點濃度均較低，其中夏季TN濃度變化范圍為1.40～6.20 mg/L，均值為3.23 mg/L；秋季TN濃度略有升高，平均為4.42 mg/L. 冬季TN濃度顯著增加，最大值高達11.30 mg/L，平均為6.89 mg/L. TN濃度的空間變異性較大且呈現明顯的分布規(guī)律(圖2). 從流域上游向下游流動的過程中TN濃度逐漸升高，同時在城鎮(zhèn)、工業(yè)化集中的區(qū)域如京杭運河、錫溧漕河—武宜運河、扁擔—孟津河、夏溪河等濃度較高，濃度最高的河流集中于常州的武進區(qū)周圍的水系.

圖3 宜溧-洮滆水系各形態(tài)氮占無機氮比例的時空分布Fig.3 The spatio-temporal distributions of percentages of different forms nitrogen to inorganic nitrogen in the Yili-Taoge river networks

2.1.3 TP的時空分布特征 宜溧-洮滆水系TP濃度季節(jié)變化主要表現為冬季最大，秋、春季次之，夏季最小(圖2). 其中，夏季TP濃度范圍為0.10～0.61 mg/L，均值0.22 mg/L；冬季濃度范圍為0.07～0.70 mg/L，均值為0.31 mg/L(表1). 空間上主要是運河明顯高于其他區(qū)域，與TN一樣，污染最為嚴重區(qū)域集中于武進區(qū)周邊水系，如錫溧漕河—武宜運河、扁擔—孟津河和夏溪河等河流，流域下游區(qū)域河流要高于上游區(qū)域河流.

2.2 數據時空尺度多元方差分析

監(jiān)測數據時空多元方差分析結果如表2、表3所示. 4種不同統計量中Pillai’s Trace、Hotelling-Lawley及Roy’s Greatest Root統計值越大，表明變量對結果的影響越大，而Wilks’ Lambda統計量則相反. 以時間多元方差分析中Wilks’ Lambda為例，P(Sig.=0.000)<0.05，說明不同季節(jié)內監(jiān)測數據差異顯著，偏Eta方值為0.430，說明可以解釋變異的43.0%. 結果顯示4種不同統計量在時間尺度及空間尺度上P(Sig.=0.000)值均小于 0.05，因此在變量DO、CODMn、NH3-N、TN和TP的聯合分布下，不同監(jiān)測斷面在不同季節(jié)內均存在顯著差異.

表2 采樣點時間多元方差分析*

*P<0.05，下同.

表3 采樣點空間多元方差分析

2.3 聚類分析結果

針對耗氧污染物類指標(DO、CODMn、NH3-N)和營養(yǎng)鹽類指標(TN、TP)，利用Ward法對各監(jiān)測點進行聚類分析，結果如表4和圖4所示. 耗氧污染物類指標分為3組,其中,A1樣本量為12個,主要聚集了CODMn較高樣本點,主要分布在溧陽市的部分宜溧水系、埝徑河及部分入湖河口附近；A2聚集了較高DO、同時NH3-N濃度較低的樣本點,主要分布在流域上游的金壇市及丹陽市內,即流域污染較小的區(qū)域；A3聚集了NH3-N濃度較高的樣本點,其個數占所有樣本點的60%左右,表明流域內NH3-N污染較為嚴重,空間分布主要在城市、工業(yè)化較為集中的區(qū)域.

營養(yǎng)鹽類指標(TN、TP)分為3組,污染程度順序為B1

表4 不同聚類組水質指標均值

圖4 宜溧-洮滆水系不同水質指標聚類分析結果Fig.4 The results of cluster analysis of different water-quality indexs in the Yili-Taoge river networks

2.4 水質評價與特征污染物分析

利用綜合水質標識指數法對宜溧-洮滆水系監(jiān)測期間內水質狀況進行評價,結果顯示春季除極個別站點達到Ⅱ類或Ⅲ類水標準,其余各站點均為Ⅳ類或Ⅴ類,其中Ⅴ類水主要分布在流域下游的太滆運河、漕橋河、殷村港、錫溧漕河及直湖港；夏、秋季水質狀況有所改善,僅少數站點為Ⅴ類水,其余大部分監(jiān)測站點水質類別為Ⅳ類,部分達到Ⅲ類,空間差異性較??；冬季水質狀況較其他3季明顯惡化,僅少量站點為Ⅳ類,其余站點均為Ⅴ類(圖5). 根據不同季節(jié)綜合水質標識指數均值可以看出,流域內水質以Ⅳ類及Ⅴ類為主.

不同季節(jié)DO、CODMn、NH3-N、TN及TP各指標單因子水質標識指數均值分布情況(圖6),DO及NH3-N指數值相對較低,以Ⅱ類、Ⅲ類水質為主；而CODMn、TN及TP的指數值明顯偏高,其中TN指數均值在不同季節(jié)均超過5.0,總體處于Ⅴ類水質標準以上. 耗氧污染類指標中,CODMn平均超過Ⅳ類標準,為主控指標；營養(yǎng)鹽指標則需要對TP和TN進行控制,其中TN控制是改善平原河網區(qū)整體水質的關鍵所在.

3 討論

圖5 宜溧-洮滆水系綜合水質標識指數評價結果時空分布Fig.5 The spatio-temporal distributions of assessment result class using comprehensive water quality identification index in the Yili-Taoge river networks

圖6 宜溧-洮滆水系單因子水質標識指數季節(jié)分布Fig.6 Seasonal distribution of single-factor water identification index in the Yili-Taoge river networks

從季節(jié)變化來看,在2015年宜溧—洮滆水系污染程度整體呈現冬、春季較高,夏、秋季較低的特征. 不同季節(jié)水質變化主要受其溫度、降水、水文條件等影響[35-36],在冬、春兩季宜溧—洮滆水系污染較為嚴重,其中在冬季水質指標CODMn、TN、TP濃度均值分別達到8.78、6.89、0.31 mg/L,基本處于Ⅴ類或劣Ⅴ類水質標準,春季污染物濃度較冬季有所降低,但仍然處于高值范圍,一方面冬、春兩季降雨量小導致河流水位下降,稀釋凈化能力相對降低,另一方面冬季微生物活動的減弱,使得流域內污水處理廠污染物處理效率降低,同時河流自凈能力減弱也是污染物濃度高的重要原因. 與此相反,夏、秋兩季豐水期對河流氮、磷污染物濃度產生了較強的稀釋作用,同時水溫增加，流域及河道內微生物作用的增強，能夠降低水體營養(yǎng)鹽濃度.

宜溧—洮滆水系水質污染程度在空間上大體呈現北高南低、東高西低的分布特征，同時利用層次聚類的方法能夠很好表征水質指標的空間分布規(guī)律. 流域內兩類指標均聚成3類，具有顯著的空間差異性，同時營養(yǎng)鹽類指標與耗氧污染物類指標空間分布具有一定相似性. 位于流域下游的錫溧漕河—武宜運河、太滆運河以及殷村港、漕橋河等入湖河口附近樣本點營養(yǎng)鹽類指標及NH3-N污染均最為嚴重，這些河流主要位于太湖流域城鎮(zhèn)化和工業(yè)化高度集中的區(qū)域(即無錫、常州以及宜興市的交匯區(qū)域)，體現了強烈的人為活動影響. 土地利用是影響污染物排放量的重要因素[17]，其一方面通過不同人類活動方式和強度影響營養(yǎng)鹽的輸入量，另一方面則通過改變地表糙率影響地表徑流過程. 已有研究表明,林地面積的增加對水質改善發(fā)揮積極作用，而農田和城鎮(zhèn)用地面積的增加則使水質趨于惡化[32]. 近些年，太湖流域土地利用情況發(fā)生明顯改變，與2000年相比，2008年農田占地率從60%下降至51%，城鎮(zhèn)用地則由13%上升至22%[15]. 其中無錫、常州市的土地利用類型均以城鎮(zhèn)用地及耕地為主，林地、水域所占比例均較低，區(qū)域內人口居住密度大，因此認為大量的工業(yè)點源污染排放、生活污水排放及不完善的污水處理系統是造成該區(qū)域附近水域氮、磷污染嚴重的主要原因[37]. 同時由于受河流流向影響，污染物在入湖河口附近呈逐漸累積現象，從而導致流域下游區(qū)域污染物濃度偏高. 此外，距離監(jiān)測點最近的土地利用類型對水質的影響較區(qū)域綜合土地利用情況對水質的影響更大[38]，由于污染嚴重區(qū)域主要集中于入湖河口附近，流量大且污染物衰減距離短，也可能是限制太湖水質提高的重要因素.

綜合水質指數標識法能夠較為客觀地反映河流的綜合水質類別、與水功能區(qū)類別的比較結果等信息[39]. 評價結果表明宜溧—洮滆水系主要以Ⅲ～Ⅴ類水質為主，總體能夠滿足區(qū)域水體功能目標. 單因子水質標識指數結果表明,TN、TP、CODMn為目前宜溧—洮滆水系特征污染物，以氮為主要控制指標，與余輝等[28]研究結果一致，因此控氮是提高研究區(qū)域水環(huán)境質量的關鍵所在. 同時，從太湖湖泊生態(tài)系統來看，氮的控制也具有重要意義. 傳統觀點認為磷是湖泊水體生產力的主要限制因子，我國自1998年頒布對太湖禁磷政策以來，磷污染程度有所下降，對太湖富營養(yǎng)化進一步惡化起到延緩的作用，但近些年的研究表明太湖藻類生長受到氮、磷的共同限制[40-43]，夏、秋季以氮限制為主，冬、春季以磷限制為主. 從流域輸入上可以看出，夏、秋季營養(yǎng)鹽濃度較低而冬、春季較高，而湖泊水體中夏、秋季內源磷負荷較大，加上氮的反硝化作用，使得水體受到氮限制，因此氮外源輸入控制對減輕太湖藍藻水華具有重要的意義.

4 結論

2)基于營養(yǎng)鹽和耗氧污染物兩類指標，利用單因素多元方差分析和聚類分析結果表明，宜溧—洮滆水系不同水質指標濃度均具有顯著的時空差異性. 季節(jié)上主要受溫度、降雨量等因素影響，水系污染程度總體呈現冬、春季較高，夏、秋季較低特征；空間上污染程度大體呈現北高南低、東高西低的分布特征，且空間聚集規(guī)律明顯；受土地利用類型和地理位置影響，無錫、常州、宜興交匯區(qū)域為氮、磷污染最為嚴重區(qū)域，也是污染控制的關鍵區(qū).

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SpatialandseasonalvariationsofwaterqualityintheupstreamplainrivernetworksoftheTaihuBasin

ZHANG Tao1,2, CHEN Qiuwen1**, YI Qitao1, WANG Min1, HUANG Wei1& FENG Ranran1

(1:CenterforEco-EnvironmentalResearch,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,P.R.China)(2:WaterConservancyDevelopmentResearchCenter,TaihuBasinAuthority,Shanghai200434,P.R.China)

Sixty-seven water sampling sites in the Yili-Taoge plain river networks of the upstream area of the Taihu Basin were set to characterize its water quality with spatiotemporal distribution. Water sampling trips were conducted in January (winter), April (spring), August (summer), November (autumn) of 2014, and main water quality parameters were concentrated on nutrients and organic matters. Spatial and seasonal variations of water quality were analyzed by using the multivariate statistical methods and water quality were assessed by employing the comprehensive water quality identification index. The results indicated that pollution degree in the research area was severe. The averaged concentrations of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and permanganate index (CODMn) were 4.93 mg/L, 0.26 mg/L and 7.63 mg/L, respectively. One-way multivariate analysis and cluster analysis showed significantly spatiotemporal patterns of pollutants. Pollution levels in winter and spring were higher than that in summer and autumn. Pollution of nitrogen and phosphorus were heavier in the Wuxi and Changzhou areas, whereas organic matter pollution was more serious in the Yixing and Liyang areas. Water quality in the upstream plain river networks can meet the criteria of Grade IV or V of National Standards for Surface Water Quality, characterized by pollution of TN, TP and CODMn.

Taihu Basin; Yili-Taoge water system; multivariate statistical analysis; water quality assessment; water quality identification index

*國家自然科學基金項目(51579149,51609142,51609144)和江蘇省水利廳水利科技重大項目(2015005,2016021,2016030)聯合資助. 2016-11-11收稿；2017-01-24收修改稿. 張濤(1993～)，女，碩士研究生; E-mail： zt7914375@163.com.

**通信作者; E-mail：qwchen@nhri.cn.