林 鵬，陳啟慧，李瓊芳,2，皋 云，朱玉婷，許樹洪

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210098)

太湖流域地處長江三角洲南翼，是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、投資增長最具活力的地區(qū)之一。太湖是流域的重要水源地，且與周邊河網(wǎng)水量交換頻繁，是流域內(nèi)水資源調(diào)蓄和調(diào)度的中樞。隨著太湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，流域用水總量逐年增加，水資源問題十分突出[1]。同時(shí)，太湖流域近年來開展的治太工程及水環(huán)境綜合治理等一系列工程、非工程措施使太湖入出湖水量發(fā)生重大變化，影響了太湖水位，改變了換水周期等重要湖泊水環(huán)境參數(shù)。長期以來環(huán)太湖水文情勢、水資源變化特征等問題都備受關(guān)注，很多學(xué)者圍繞太湖入出湖水量、換水周期進(jìn)行了相關(guān)研究。申金玉等[2]收集整理1986—2007年環(huán)太湖河道入出湖水量實(shí)測資料，對太湖入出湖水量進(jìn)行計(jì)算分析，總結(jié)了入出湖水量影響因素；聞?dòng)嗳A等[3]通過整理1986—2010年水文巡測資料，對太湖及各分區(qū)入出湖水量變化情勢進(jìn)行了分析，探明了入出湖水量變化原因；陳方等[4]對湖西區(qū)入湖水量變化趨勢進(jìn)行了分析，并通過主成分回歸建立了湖西區(qū)巡測段入湖水量估算模型；沈國華等[5]分析了2000年前后3個(gè)水資源分區(qū)入出湖水量變化對太湖水環(huán)境的影響；季海萍等[6]從行政區(qū)劃層面研究了環(huán)太湖入出湖水量的變化規(guī)律及成因；王冼民等[7]根據(jù)2010年實(shí)測水文氣象資料，采用EcoTaihu模型模擬了太湖及各湖區(qū)營養(yǎng)鹽狀況，計(jì)算了太湖適宜換水周期。但值得一提的是，以往的相關(guān)研究通?；谛姓^(qū)分析入出湖水量變化趨勢，而基于水資源分區(qū)分析的相關(guān)研究鮮見報(bào)道。然而，從太湖水資源保護(hù)和生態(tài)安全管理角度，更需要基于水資源分區(qū)角度精細(xì)化解析環(huán)太湖各水資源分區(qū)入出湖水量及其貢獻(xiàn)，并揭示引排水工程和降雨徑流對重要河道、水資源分區(qū)入出湖水量變化的影響機(jī)制，從而為削減不同水資源分區(qū)的入湖污染物負(fù)荷、優(yōu)化不同水文年太湖引排水格局提供重要支撐。

本文基于1986—2018年環(huán)太湖入出湖水量資料，以水資源分區(qū)為研究單元，分析環(huán)太湖及水資源分區(qū)年入出湖水量與太湖換水周期的變化趨勢、年際和年代際變化特征，分析水資源分區(qū)入出湖水量增長貢獻(xiàn)率，并結(jié)合降水量、引排水量資料探討典型區(qū)湖西區(qū)年入湖水量以及望虞河和太浦河年出湖水量顯著變化的影響因素。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文使用的環(huán)太湖入出湖水量資料來源于1986—2018年環(huán)太湖水文巡測，資料由江蘇省水文水資源勘測局提供。1990—2018年沿江引排水量和降水量資料來源于《近年來環(huán)太湖進(jìn)出水量規(guī)律分析》報(bào)告[8]及2005—2018年太湖流域水情年報(bào)[9]，沿江引排水量包括沿長江江蘇段諫壁閘、九曲河閘等14個(gè)口門和常熟水利樞紐全年引排水量。

1.2 分析方法

依據(jù)水資源分區(qū)原則，將環(huán)太湖巡測線劃分成湖西區(qū)、浙西區(qū)、杭嘉湖區(qū)、陽澄淀泖區(qū)、武澄錫虞區(qū)5個(gè)水資源分區(qū)和望虞河、太浦河2條主要入出湖河流(圖1)?；?986—2018年環(huán)太湖水文巡測流量數(shù)據(jù)，整理換算得到環(huán)太湖各水資源分區(qū)與主要入出湖河道年入出湖水量，整合各水資源分區(qū)與主要入出湖河道年入出湖水量得到太湖年入出湖總水量，據(jù)此計(jì)算各水資源分區(qū)與兩條河道的年出入湖水量占比。由于TFPW-MK法[10-11]相對于其他趨勢分析法可以降低序列中自相關(guān)性對檢驗(yàn)結(jié)果的影響，本文所有的趨勢分析均采用TFPW-MK法。在分析入出湖水量受降水量、引江水量的影響時(shí)，選用Pearson相關(guān)系數(shù)來判斷入出湖水量與降水量、引江水量的相關(guān)程度。分區(qū)入出湖水量增長貢獻(xiàn)率和換水周期(單位：d)的計(jì)算公式[6-7]為

Ii=W′i/W′

(1)

T=365W/Q

(2)

式中：Ii為分區(qū)入出湖水量的增長貢獻(xiàn)率；W′i為分區(qū)入出湖水量增量；W′為環(huán)太湖入出湖水量增量；T為換水周期；W為湖泊貯水量；Q為湖泊年出湖水量。

圖1 環(huán)太湖水資源分區(qū)

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)太湖年入出湖水量變化特征

圖2為1986—2018年環(huán)太湖年入出湖水量。由圖2可見，1991年、1999年、2016年3次流域特大型洪水發(fā)生時(shí)，年凈入湖水量都處在鄰近時(shí)期的相對最低點(diǎn)。2001年之前，年出湖水量總體而言大于年入湖水量，但之后情況正好相反。太湖年入湖水量TFPW-MK統(tǒng)計(jì)值為4.30，呈增加趨勢，且達(dá)到了99%的顯著性水平；年出湖水量TFPW-MK統(tǒng)計(jì)值為1.61，呈增加趨勢，但沒有達(dá)到90%的顯著性水平；年凈入湖水量TFPW-MK統(tǒng)計(jì)值為3.62，呈增加趨勢，并達(dá)到了99%的顯著性水平。環(huán)太湖年入出湖水量的變化趨勢與已有研究成果基本一致[6]。

圖2 太湖年入出湖水量及年凈入湖水量變化過程

圖3為各年代太湖年入出湖水量及年凈入湖水量變化。由圖3可見，入湖年平均水量隨年代變化而增加，而出湖年平均水量隨年代變化呈現(xiàn)增加或減少的波動(dòng)。20世紀(jì)80至90年代太湖入湖水量小于出湖水量，但在21世紀(jì)初則相反。太湖年凈入湖水量總體上經(jīng)歷了一個(gè)由負(fù)到正的變化過程，20世紀(jì)80至90年代凈入湖水量保持在-15億m3左右，而在21世紀(jì)前10年增加至6億m3左右。2002年開始實(shí)施的引江濟(jì)太工程的引水可能是導(dǎo)致凈入湖水量增加的原因。

圖3 各年代太湖年入出湖水量及年凈入湖水量變化

2.2 各水資源分區(qū)入出湖水量及貢獻(xiàn)變化

2.2.1各水資源分區(qū)入出湖水量變化特征

圖4為環(huán)太湖各水資源分區(qū)年入出湖水量及其占比，表1為各水資源分區(qū)年入出湖水量及其占比的TFPW-MK檢驗(yàn)結(jié)果。由圖4和表1可見，湖西區(qū)、望虞河和陽澄淀泖區(qū)年入湖水量及其占比均呈增加趨勢，而杭嘉湖區(qū)年入湖水量及其占比呈減少趨勢，都達(dá)到了99%的顯著性水平；湖西區(qū)年出湖水量及其占比呈減少趨勢，浙西區(qū)年出湖水量呈增加趨勢，都達(dá)到了99%的顯著性水平。浙西區(qū)、武澄錫虞區(qū)的年入湖水量占比均呈減少趨勢，都達(dá)到了95%的顯著性水平；杭嘉湖區(qū)年出湖水量呈增加趨勢，陽澄淀泖區(qū)的年出湖水量占比呈減少趨勢，都達(dá)到了95%的顯著性水平。其他變量的變化趨勢均未達(dá)到95%的顯著性水平。各水資源分區(qū)入出湖水量及其占比總體呈現(xiàn)相同的增減趨勢，但浙西區(qū)年入湖水量增加趨勢不顯著，而環(huán)太湖年入湖總水量顯著增大，這就使得浙西區(qū)年入湖水量占比呈現(xiàn)減少趨勢，武澄錫虞區(qū)和陽澄淀泖區(qū)年出湖水量及其占比也出現(xiàn)了同樣的情況。

(a) 年入湖水量

表1 各水資源分區(qū)年入出湖水量及其占比的TFPW-MK統(tǒng)計(jì)值

計(jì)算各水資源分區(qū)1986—2018年入出湖水量及占比的變差系數(shù)(CV)、極值比等統(tǒng)計(jì)特征值，結(jié)果見表2～5。由表2、表3可見，武澄錫虞區(qū)出湖水量的極值比最大，其原因是自然條件下該分區(qū)出湖水量最小值僅為0.03億m3，但2007年梅梁湖泵站和2013年大渲河泵站的建設(shè)運(yùn)行，使該區(qū)出湖水量的最大值達(dá)到16.54億m3。望虞河入湖水量極值比最大，其原因是引江濟(jì)太工程運(yùn)行前該河入湖水量最小值僅為1.89億m3，但2002年引江濟(jì)太工程運(yùn)行后使該河入湖水量的最大值達(dá)到34.47億m3。

表2 各水資源分區(qū)年入湖水量統(tǒng)計(jì)特征值

表3 各水資源分區(qū)年出湖水量統(tǒng)計(jì)特征值

由表4、5中各水資源分區(qū)入出湖水量及占比的CV值和極值比可見，望虞河年入出湖水量及占比的年際變化最明顯。

表4 各水資源分區(qū)年入湖水量占比統(tǒng)計(jì)特征值

表5 各水資源分區(qū)年出湖水量占比統(tǒng)計(jì)特征值

圖5為不同年代太湖各水資源分區(qū)年入出湖水量的均值及其占比。由圖5可見，湖西區(qū)的年入湖水量在4個(gè)年代中都為最大，并仍在增加；湖西區(qū)不同年代的年出湖水量一直為各水資源分區(qū)最小，并仍在持續(xù)減小。太浦河自20世紀(jì)90年代起各年代年出湖水量就超過陽澄淀泖區(qū)，各年代年出湖水量都為最大。各水資源分區(qū)入湖水量占比在20世紀(jì)80年代與90年代相比變化不大。湖西區(qū)入湖占比各個(gè)年代中一直高于其他分區(qū)，浙西區(qū)不同年代入湖水量占比僅低于湖西區(qū)，杭嘉湖區(qū)和武澄錫虞區(qū)近3個(gè)年代中入湖水量占比不斷降低。由于引江濟(jì)太工程實(shí)施，望虞河入湖水量在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)前10年間呈增加趨勢，而后穩(wěn)定在7%。太浦河為出湖河流，入湖占比為0。太浦河、陽澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)在4個(gè)年代中出湖水量占比明顯高于其他分區(qū)，占比之和在70%左右。望虞河不同年代出湖占比有一定增加趨勢，但21世紀(jì)后2個(gè)年代基本維持在9%～10%。

2.2.2各水資源分區(qū)入出湖水量貢獻(xiàn)率分析

自2002年引江濟(jì)太調(diào)水工程投入使用后，凈入湖水量格局發(fā)生了變化。由圖2可見，2002年前年出湖水量在大部分年份大于入湖，凈入湖水量年際變化較明顯，而2002年后年出湖水量在大部分年份小于入湖，年凈入湖水量維持穩(wěn)定且接近于0。因此，以2002年為節(jié)點(diǎn)，分析引江濟(jì)太調(diào)水實(shí)施后各水資源分區(qū)入出湖水量的增長對環(huán)太湖入出湖水量增長的貢獻(xiàn)。表6為各水資源分區(qū)入出湖水量增加量及貢獻(xiàn)率?？梢?，湖西區(qū)對入湖水量的增長貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率高達(dá)98.88%；而杭嘉湖區(qū)的貢獻(xiàn)最小，貢獻(xiàn)率為-26.76%；浙西區(qū)對出湖水量的增長貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率為51%；而湖西區(qū)的貢獻(xiàn)最小，貢獻(xiàn)率為-19.08%。杭嘉湖區(qū)和浙西區(qū)對出湖水量增長的貢獻(xiàn)率均印證了伍遠(yuǎn)康等[12]關(guān)于“引江濟(jì)太抬高了太湖水位，使得環(huán)太湖浙江段出湖水量增加”的觀點(diǎn)。就引排水工程而言，望虞河對入出湖水量增長的貢獻(xiàn)率均在30%左右，而太浦河對出湖水量增長的貢獻(xiàn)率卻僅為6.99%。

(a) 入湖水量

表6 各水資源分區(qū)入出湖水量增加量及貢獻(xiàn)率

2.3 典型區(qū)入出湖水量年際變化影響因素

太湖各水資源分區(qū)入出湖水量主要受降水以及水利工程調(diào)度影響，根據(jù)申金玉等[2]的研究，2000年以前降水量是影響湖西區(qū)入湖水量的主導(dǎo)因素，但在2000—2007年，隨著引江水量的增加，引江水量逐漸成為影響湖西區(qū)入湖水量的重要因素。季海萍等[6]的研究認(rèn)為水利工程調(diào)度對太湖入出湖水量的影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)作用。本文對典型區(qū)望虞河、太浦河、湖西區(qū)的入出湖水量年際變化影響因素進(jìn)行分析。

對湖西區(qū)年凈引水量、年降水量與年入湖水量進(jìn)行擬合。經(jīng)計(jì)算湖西區(qū)年降水量與年入湖水量Pearson相關(guān)系數(shù)為0.62，而湖西區(qū)年凈引水量與年入湖水量Pearson相關(guān)系數(shù)僅為0.10。可見，湖西區(qū)年入湖水量隨湖西區(qū)年降水量增加而增加，但與湖西區(qū)凈引水量無明顯關(guān)系，因此湖西區(qū)年入湖水量主要受湖西區(qū)年降水量影響。2016年太湖流域出現(xiàn)自1951年以來的最大降水，湖西區(qū)年降水量達(dá)2 025.5 mm，超過常年降水量的73.3%，導(dǎo)致太湖流域發(fā)生特大洪水，太湖最高水位達(dá)到4.87 m[13]，該年湖西區(qū)入湖水量也為1986—2018年最大。1999年太湖流域梅雨期雨量極大，發(fā)生全流域特大洪水，但湖西區(qū)1999年入湖水量并沒有明顯偏大，其原因在于暴雨主要集中在太湖南部各分區(qū)，且湖西區(qū)增加了沿江排水量[14]。湖西區(qū)、浙西區(qū)作為重要的入湖分區(qū)，入湖水量與降水量關(guān)系較緊密，而武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)的入湖水量則受分區(qū)通江影響，與降水量關(guān)系可能并不密切。

對望虞河、太浦河的年出湖水量與沿江凈引水量和流域降水量進(jìn)行擬合分析。經(jīng)計(jì)算流域年降水量與望虞河、太浦河年出湖水量Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.72和0.65，沿江凈引水量與望虞河、太浦河年出湖水量Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.68和 -0.65?？梢?，望虞河、太浦河年出湖水量隨流域年降水量增加而增加，隨沿江凈引水量增加而減少。在流域年降水量較大的年份，太浦河年出湖水量響應(yīng)明顯，如1999年、2015年及2016年太湖流域暴發(fā)全流域洪水，太浦河出湖水量相應(yīng)有較大增幅。2003年太湖流域水量偏枯，但太浦河出湖水量卻并不低，其原因在于汛前為引江改善流域水環(huán)境，加大太浦閘泄水量，且8月黃浦江水域發(fā)生泄油污染事件，為抑制泄油上溯太浦泵站加大泄水[15]。2010年，在流域降水接近年均水平的情況下，出湖水量明顯偏高，原因是該年為緩解太湖藍(lán)藻暴發(fā)期水質(zhì)惡化及改善下游水質(zhì)多次啟動(dòng)引江濟(jì)太調(diào)水。2013年為太浦河出湖水量最少的年份，原因在于2013年流域水量偏枯，且2012年至2013年太浦河除險(xiǎn)加固工程期間，對太浦閘泄水進(jìn)行控制，使太浦河出湖水量減少[16]。望虞河在汛期和太浦河共同承擔(dān)防洪排澇，因此年出湖水量年際變化與太浦河相似(圖4)。

2.4 太湖換水周期變化特征

換水周期是湖泊水環(huán)境的一個(gè)重要參數(shù)，準(zhǔn)確估算換水周期對于研究湖泊水體化學(xué)、生物變化以及污染物遷移、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化有著重要意義[7]。對太湖換水周期的研究主要是針對湖區(qū)的換水周期，因此可以基于太湖出湖水量計(jì)算得到太湖歷年換水周期(圖6)。對太湖換水周期進(jìn)行TFPW-MK趨勢檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)值為-1.57，表明換水周期呈遞減趨勢，但未達(dá)到95%的顯著性水平。1986—2018年太湖換水周期年均值為179.84 d，CV值為0.22，最大值出現(xiàn)在1994年，其值為258.46 d，最小值出現(xiàn)在2016年，其值為96.63 d，極值比2.67。

圖6 太湖換水周期變化

太湖在1986—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2018年的4個(gè)年代的多年平均換水周期分別為200.31 d、181.98 d、192.72 d、154.36 d。1999年前，太湖流域降水偏豐，而2000—2011年降水總體偏枯[13]，可見21世紀(jì)前10年換水周期較長可能受流域降水偏枯影響。2010—2018年的換水周期明顯短于其他3個(gè)年代。在1986—2018年換水周期最短的10年中，2010—2018年占4年，分別為2010年、2015年、2016年和2017年，表明現(xiàn)今太湖正處于相對豐水的時(shí)期，換水周期明顯加快。

3 討 論

太湖入出湖水量的管控一般是依據(jù)太湖水位進(jìn)行。太湖全年共5個(gè)洪水分期，太湖水位高于或低于分期內(nèi)防洪控制水位時(shí)，采取洪水調(diào)度或引水措施[12]。當(dāng)太湖水位超過3.80 m、4.20 m、4.50 m和4.65 m時(shí)，對應(yīng)太湖流域防汛抗旱總指揮部應(yīng)急響應(yīng)級別為Ⅳ～Ⅰ級，太湖局同時(shí)采取相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)行動(dòng)。當(dāng)太湖水位超過100年一遇防洪設(shè)計(jì)水位(4.80 m)時(shí)，執(zhí)行超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)案，引排水工程則按照《太湖流域防洪規(guī)劃》中規(guī)劃的排水量有序承泄太湖洪水[17]。

年入湖水量的變化表明年入湖水量的大小雖然與引水量有關(guān)，但更取決于入湖的降水徑流量,因此，豐平枯水文年的變化直接影響到年入湖水量的變化。太湖流域受季風(fēng)氣候影響，流域水量充沛，研究期內(nèi)太湖流域雖出現(xiàn)旱災(zāi)的頻率較低，但極端降雨造成的洪澇災(zāi)害卻時(shí)有發(fā)生，如1991年、1999年和2016年均發(fā)生了流域性洪水[18]。豐水年降雨增加引起的徑流增加加大了入湖水量，改善了湖體水動(dòng)力條件，同時(shí)入湖水量增加使得出湖水量也增加，從而縮短了換水周期，提高了湖水自凈能力[19]。太湖南部的換水周期短于北部，南部水質(zhì)好于北部[20]。值得注意的是，入湖水量的增加也導(dǎo)致污染物負(fù)荷增加[21]，增加了太湖生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。水質(zhì)最差的湖西區(qū)入湖水量的顯著增加把大量污染物帶入湖體，隨水流由西北向東南輸送，但因同時(shí)受夏季盛行的東南風(fēng)影響，延長了污染物在湖中停留時(shí)間[22]，有損于太湖生態(tài)健康?？菟耆牒繙p少，不利于湖體水動(dòng)力條件改善，且使得出湖水量也減少，從而加長了換水周期，降低了水體自凈能力。但與豐水年相比，入湖負(fù)荷也相應(yīng)減少?？菟攴葺^低的太湖水位使得底泥易受風(fēng)浪的擾動(dòng)而懸浮，釋放的磷元素導(dǎo)致湖體總磷濃度增加[23]。

為了保障太湖水生態(tài)安全，有必要采取措施降低入湖污染物負(fù)荷，同時(shí)還應(yīng)針對不同水文年優(yōu)化調(diào)度引排水工程，縮短污染物水力停留時(shí)間，提升太湖自凈能力，控制太湖生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，還需要加強(qiáng)太湖入出湖水質(zhì)水量同步監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)，為提高污染物負(fù)荷計(jì)算精度奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

a. 1986—2018年，太湖年入出湖水量以及年凈入湖水量均呈增加趨勢，其中年入湖水量和年凈入湖水量增加趨勢達(dá)到了99%的顯著性水平，年出湖水量增加趨勢沒有達(dá)到95%的顯著性水平。湖西區(qū)、望虞河和陽澄淀泖區(qū)年入湖水量及其占比、浙西區(qū)年出湖水量呈增加趨勢，均達(dá)到了99%的顯著性水平；湖西區(qū)年出湖水量及其占比、杭嘉湖區(qū)年入湖水量及其占比呈減少趨勢，均達(dá)到了99%的顯著性水平。

b. 望虞河年入出湖水量及其占比的年際變化最明顯。湖西區(qū)年入湖水量主要受該區(qū)年降水量影響，望虞河和太浦河年出湖水量受流域年降水量及沿江凈引水量影響均較大。

c. 湖西區(qū)在1986—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2018年的4個(gè)年代入湖水量均為各分區(qū)中最大，太浦河出湖水量除20世紀(jì)80年代外，其余年代均為各分區(qū)最大。湖西區(qū)各個(gè)年代入湖水量占比均為最高，且占比在后3個(gè)年代中不斷上升。4個(gè)年代中太浦河、陽澄淀泖區(qū)、杭嘉湖區(qū)出湖水量占比明顯高于其他分區(qū)，占比之和在70%左右。

d. 湖西區(qū)對入湖水量的增長貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率高達(dá)98.88%，而杭嘉湖區(qū)的貢獻(xiàn)最小，貢獻(xiàn)率為 -26.76%；浙西區(qū)對出湖水量的增長貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率為51%，而湖西區(qū)的貢獻(xiàn)最小，貢獻(xiàn)率為-19.08%。

e. 太湖換水周期呈遞減趨勢，但減少趨勢未達(dá)到95%的顯著性水平；太湖換水周期CV值為0.22，最大值出現(xiàn)在1994年，為258.46 d，最小值出現(xiàn)在2016年，為96.63 d，極值比2.67。2010—2018年換水周期154.36 d，明顯短于1986—2009年。