胡曉燕，朱元榮，孫福紅，陶艷茹，高可偉，馬蕙蕙，蔣 娟，邴小杰,4

1. 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100

2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

3. 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070

4. 內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021

湖泊是陸地表層系統(tǒng)各要素相互作用的節(jié)點(diǎn)，是地表極其珍貴的水資源，尤其淡水湖泊為人類的生產(chǎn)生活提供基本保障[1-3]. 我國(guó)的湖泊眾多，面積1 km2及以上湖泊數(shù)量達(dá)2 621 個(gè)，總面積可達(dá)8.2×104km2[4]，其中淡水湖泊面積為3.6×104km2，尤其是長(zhǎng)江中下游地區(qū)分布著我國(guó)最大的淡水湖泊群[5]. 然而，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源的過度開發(fā)使用，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題十分突出，制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展和“山水林田湖草沙”一體化保護(hù)和系統(tǒng)治理. 因此，關(guān)于營(yíng)養(yǎng)鹽、富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華的研究依然備受關(guān)注[5]. 其中，氮(N)、磷(P)營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷的輸入及其導(dǎo)致的內(nèi)源負(fù)荷的快速匯集是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素[6-7].

入湖河流是外源氮磷負(fù)荷輸入湖泊的主要途徑[8-10]. 近年來，我國(guó)在河流氮磷輸入負(fù)荷及湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理方面取得了積極成效[11-12]. 然而，基于我國(guó)典型湖泊主要入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)對(duì)比研究及其對(duì)湖體富營(yíng)養(yǎng)化的影響分析表明，目前入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)水平仍然是我國(guó)一些湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要影響因素之一[13]. 另外，水量及其導(dǎo)致?lián)Q水周期的變化也是一些湖泊水體ρ(TN)、ρ(TP)和富營(yíng)養(yǎng)化程度的重要影響因素之一[13-14]. 目前，我國(guó)湖泊入湖河流氮磷控制標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002). 然而，現(xiàn)行的地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在一些湖泊流域入湖河流和湖體ρ(TN)、ρ(TP)控制管理上存在不足與爭(zhēng)議[15-16]. 因此，在《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)基礎(chǔ)上，探討河湖氮磷協(xié)同控制問題對(duì)于一些湖泊，尤其是富營(yíng)養(yǎng)化湖泊外源氮磷的輸入負(fù)荷控制，以及湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的控制具有重要意義. 同時(shí)，進(jìn)一步科學(xué)有效、嚴(yán)格控制外源氮磷輸入負(fù)荷，仍然是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理首要和長(zhǎng)期任務(wù)，是生態(tài)修復(fù)、內(nèi)源治理等途徑的前提和基本保障[8,13].

結(jié)合湖泊水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)或目標(biāo)，一些水質(zhì)模型如EFDC、CE-Qual-W2、WASP、Bathtub 模型(湖盆水質(zhì)分析模擬程序)等，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外入湖河流及點(diǎn)源、面源營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷控制模擬研究、方案制定等方面[17]. 其中，Bathtub 模型是基于美國(guó)500 多個(gè)湖庫(kù)氣候條件參數(shù)、氮磷水質(zhì)、Chla、水量等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，專門針對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽輸入負(fù)荷-湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化響應(yīng)關(guān)系開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)水質(zhì)模型，由水量平衡、營(yíng)養(yǎng)鹽平衡、富營(yíng)養(yǎng)化響應(yīng)〔ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)和透明度等描述〕3 個(gè)部分組成的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚18]. 該模型可以模擬湖泊和水庫(kù)等水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽的平流和擴(kuò)散傳輸，預(yù)測(cè)營(yíng)養(yǎng)鹽輸入負(fù)荷對(duì)湖庫(kù)ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chla)等定量化影響[19]. 與Lakeweb 模型、MIKE 模型、CE-QUAL-W2模型[20]等常見的湖泊水生態(tài)模型相比，Bathtub 模型所需數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，模擬效果滿足日常管理精度要求. 因此，該模型被EPA 推薦為制定富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)鹽TMDL 計(jì)劃的模型之一. 目前，我國(guó)已有一些學(xué)者嘗試引入Bathtub 模型研究入湖河流、湖體ρ(TN)、ρ(TP)協(xié)同控制或標(biāo)準(zhǔn)銜接方面的研究，并取得了較好效果[15,21].

太湖是我國(guó)典型大型淺水湖泊，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等具有非常重要作用，2007 年暴發(fā)太湖水危機(jī)以來，其富營(yíng)養(yǎng)化治理更是引起了黨中央、國(guó)務(wù)院和社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[22-23]. 2007 年以來治理也取得了顯著的成效[24]. 然而，2016 年以來，太湖ρ(TP)開始反彈，藍(lán)藻水華暴發(fā)態(tài)勢(shì)嚴(yán)峻[25]. 其中，外源磷負(fù)荷輸入控制仍是關(guān)鍵因素和瓶頸[12]，同時(shí)河湖氮磷控制標(biāo)準(zhǔn)不銜接問題引起了廣泛關(guān)注[16,26]. 因此，該研究擬采用Bathtub 模型構(gòu)建太湖主要入湖河流與湖體ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chla)響應(yīng)關(guān)系. 在此基礎(chǔ)上，探討了太湖主要入湖河流水質(zhì)、水量變化對(duì)湖體富營(yíng)養(yǎng)化的影響，以及太湖主要入湖河流與湖體ρ(TN)、ρ(TP)和水量協(xié)同控制，以期為太湖流域河湖氮磷協(xié)同控制以及外源輸入負(fù)荷的科學(xué)管控提供依據(jù).

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與分析方法

1.1 區(qū)域概況

太湖流域河網(wǎng)密布，其中，太滆南運(yùn)河、社瀆港、直湖港等22 條主要入湖河流污染輸入負(fù)荷可占入湖污染負(fù)荷總量的70%～80%[27]. 盡管2003 年以來，太湖主要入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)顯著下降，然而入湖河流水量呈顯著增加趨勢(shì)，綜合導(dǎo)致了近20 年入湖負(fù)荷或通量并未顯著的下降[13]. 太湖ρ(TN)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是ρ(TP)一直在0.05～0.10 mg/L 范圍內(nèi)波動(dòng).太湖ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chla)水平在空間上差異性較大，西北部湖區(qū)ρ(TN)、ρ(TP)水平較高，同時(shí)也聚集了大量藍(lán)藻水華，而東南部湖區(qū)ρ(TN)、ρ(TP)水平相對(duì)較低，水生植物分布較廣、水生態(tài)狀況相對(duì)較好.因此，該研究擬將太湖分為3 個(gè)主要湖區(qū)：西北部湖區(qū)、中心段湖區(qū)、東南部湖區(qū).

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

2013—2018 年 太 湖ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chla)逐月水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于生態(tài)環(huán)境部太湖常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位以及主要出入湖河流監(jiān)測(cè)(見圖1). 水量、降雨量、水位等相關(guān)水文數(shù)據(jù)主要來源于太湖流域管理局公開的《水情年報(bào)》《水情月報(bào)》《太湖健康狀況報(bào)告》《“引江濟(jì)太”年報(bào)》或水文站等提供的數(shù)據(jù)資料.

圖 1 太湖湖區(qū)劃分及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位示意Fig.1 The division of Lake Taihu and the distribution of monitoring points

其中，2013—2018 年太湖ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chla)逐月水質(zhì)空間分布數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.2 軟件中通過反距離權(quán)重法插值分析獲得，并采用掩膜提取法分析了西北部湖區(qū)、中心段湖區(qū)、東南部湖區(qū)的ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)平均值. 采用Origin 2021 和Excel 2016軟件開展相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及繪圖.

1.3 Bathtub 模型模擬分析

1.3.1 模擬區(qū)域劃分

該研究結(jié)合太湖主要出入湖河流流向特征，將太湖分為水力上串聯(lián)的3 個(gè)區(qū)域(見圖1). 其中，陳東港、漕橋河、大浦港等大部分主要入湖河流集中在西北部湖區(qū)，區(qū)域內(nèi)污染物濃度相對(duì)較高；長(zhǎng)興港、苕溪、旄兒港等入湖河流位于中心段湖區(qū)，區(qū)域內(nèi)污染物濃度次之；出湖水量和河流主要分布在東南部湖區(qū)，包括太湖流域陽(yáng)澄淀柳區(qū)和杭嘉湖區(qū)的出湖河流以及太浦河等.

1.3.2 模型參數(shù)設(shè)定

Bathtub 模型運(yùn)行和設(shè)定的主要參數(shù)如表1 所示.其中，全局變量包括湖泊換水周期、降水量、蒸發(fā)量、水位變化、大氣沉降外部輸入負(fù)荷等. 分段，即綜合考慮水體水力流動(dòng)方向、空間特征等對(duì)整個(gè)湖泊水體進(jìn)行合理空間劃分和模擬分析，該研究具體分段方式如圖1 所示. 支流參數(shù)，即湖泊出入湖河流水質(zhì)、水量等參數(shù)，該研究涉及環(huán)太湖22 條主要入湖河流和5 條主要出湖河流的水量、ρ(TN)和ρ(TP)等參數(shù).

表 1 Bathtub 模型參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistics for parameters of the Bathtub model

1.3.3 模型率定與驗(yàn)證

基于2013—2014 年太湖流域參數(shù)，開展了Bathtub模型中具體模塊選擇及參數(shù)率定(見表2)，同時(shí)采用2015—2018 年實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證(見圖2). 結(jié)果表明，ρ(TN)、ρ(TP)的模型模擬預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值基本吻合，而且均呈顯著相關(guān)，模擬結(jié)果良好. 其中，西北部湖區(qū)的ρ(Chla)模擬效果較好，且模擬值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值呈顯著相關(guān)，中心段湖區(qū)、東南部湖區(qū)水體ρ(Chla)模擬預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值也基本吻合，但是缺少明顯的變化，無統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異.

表 2 Bathtub 模型模塊選擇及系數(shù)校正Table 2 Coefficient correction and the selection of modules in Bathtub model

圖 2 太湖執(zhí)行Bathtub 模型的率定及驗(yàn)證效果Fig.2 Calibration and verification of Bathtub model in Lake Taihu

2 結(jié)果與討論

2.1 主要入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)變化對(duì)湖體富營(yíng)養(yǎng)化的影響

基于Bathtub 模型的參數(shù)率定與驗(yàn)證，構(gòu)建了22條主要入湖河流與太湖連續(xù)劃分區(qū)域ρ(TN)、ρ(TP)的響應(yīng)關(guān)系(見圖3、4). 模擬結(jié)果表明，太湖不同區(qū)域ρ(TN)、ρ(TP)均隨著主要入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)的增加而顯著升高. 這與Xu 等[15]模擬結(jié)果基本一致，表明太湖ρ(TN)和ρ(TP)仍然與主要入湖河流氮磷的輸入存在顯著性相關(guān)關(guān)系. 但是，2013—2018 年期間，不同年份太湖流域河湖氮磷的響應(yīng)關(guān)系存在較大差異(見圖3、4)，尤其是河湖ρ(TP)的響應(yīng)關(guān)系(見圖4). 這可能由于近些年來主要河流外源輸入與內(nèi)源釋放對(duì)湖體ρ(TN)、ρ(TP)，以及藍(lán)藻水華生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)比例發(fā)生了較大變化[27-29].

圖 3 2013—2018 年太湖主要入湖河流ρ(TN)變化對(duì)西北部湖區(qū)、中心段湖區(qū)、東南部湖區(qū)ρ(TN)影響以及入湖河流ρ(TN)實(shí)際監(jiān)測(cè)值的變化趨勢(shì)Fig.3 The influence of ρ(TN) of the main inflows to ρ(TN) of the northwestern area, the central area, and the southeast area, and the monitoring value of ρ(TN) of the main inflows from 2013 to 2018

設(shè)定入湖河流同一ρ(TN)目標(biāo)值情景下，2013—2018 年各湖區(qū)ρ(TN)響應(yīng)值逐漸降低. 這可能由于近年來平均溫度上升有利于藍(lán)藻生長(zhǎng)與水華暴發(fā)導(dǎo)致了有機(jī)質(zhì)累積，以及氣候條件(如風(fēng)速下降)等大環(huán)境變化有利于太湖氮的反硝化過程[28-30]. 同時(shí)，近些年太湖主要入湖河流ρ(TN)也有小幅下降(見圖3)，綜合因素導(dǎo)致近些年入湖河流ρ(TN)對(duì)湖體影響有所減弱，湖體ρ(TN)持續(xù)下降. 與湖體ρ(TN)響應(yīng)不同，入湖河流同一ρ(TP)目標(biāo)值情景下，2013—2016年湖體各區(qū)段TP 響應(yīng)濃度逐漸降低，2017 年和2018 年湖體ρ(TP)快速升高. 這可能由于2013—2018年期間，太湖水量(降雨量)、水生植被面積、內(nèi)源釋放強(qiáng)度等發(fā)生較大的變化. 其中，2015 年、2016 年極端降雨天氣可能導(dǎo)致了大量TP 負(fù)荷輸入[31]，同時(shí)太湖水生態(tài)系統(tǒng)遭到了嚴(yán)重破壞，東部湖區(qū)大面積水生植被的退化[25]，減少了對(duì)磷元素的吸收同時(shí)又增加了風(fēng)浪對(duì)底泥的擾動(dòng)再懸浮，加劇內(nèi)源釋放進(jìn)一步惡化了湖體自然生態(tài)環(huán)境. 另外，與氮反硝化過程不同，長(zhǎng)期以來氣候緩慢變化，如風(fēng)速下降導(dǎo)致的太湖靜穩(wěn)態(tài)條件被認(rèn)為有利于藍(lán)藻水華聚集暴發(fā)，有機(jī)質(zhì)聚集降解、藍(lán)藻泵吸作用等促進(jìn)了內(nèi)源磷釋放[28-29]，導(dǎo)致近幾年來ρ(TP)的反彈.

太湖流域主要入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)對(duì)各區(qū)域的富營(yíng)養(yǎng)化的影響存在明顯差異(見圖3、4)：隨著入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)升高，太湖西北部響應(yīng)濃度最高，即對(duì)西北部湖區(qū)影響程度較大且直接，對(duì)東南部湖區(qū)的影響較小. 這與太湖水質(zhì)長(zhǎng)期的空間分布一致，即西北部ρ(TN)、ρ(TP)高于東南部[32]. 太湖流域主要入湖河流氮磷污染負(fù)荷輸入集中在西北部湖區(qū)，對(duì)于典型大型淺水湖泊而言，這些輸入氮磷負(fù)荷易在沉積物中快速累積，一方面可能導(dǎo)致沉積物對(duì)污染物的吸附以及自凈能力下降；另一方面累積的內(nèi)源氮磷再釋放強(qiáng)度增大，這可能綜合導(dǎo)致西北部湖區(qū)對(duì)入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)輸入更為敏感，對(duì)上覆水的影響更為直接[33-34]. 因此，針對(duì)太湖ρ(TN)、ρ(TP)以及富營(yíng)養(yǎng)化控制，建議設(shè)定區(qū)域差異化目標(biāo). 例如，以Bathtub 模擬結(jié)果分析，西北部湖區(qū)ρ(TN)、ρ(TP)階段性目標(biāo)值仍建議控制在Ⅳ～Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而其他區(qū)域控制在Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以下.

圖 4 2013—2018 年太湖主要入湖河流ρ(TP)變化對(duì)西北部湖區(qū)、中心段湖區(qū)、東南部湖區(qū)ρ(TP)影響以及入湖河流ρ(TP)實(shí)際監(jiān)測(cè)值的變化趨勢(shì)Fig.4 The influence of ρ(TP) of the main inflows to ρ(TP) of the northwestern area, the central area, and the southeast area, and the monitoring value of ρ(TP) of the main inflows from 2013 to 2018

2.2 入湖水量變化對(duì)湖體富營(yíng)養(yǎng)化影響

2.2.1 湖西區(qū)入湖水量對(duì)湖體ρ(TN)、ρ(TP)及ρ(Chla)影響分析

湖西區(qū)地處太湖流域西北部，是環(huán)太湖入湖水量的主要來源[35]，資料表明2013—2018 年湖西區(qū)入湖水量有明顯增多的趨勢(shì)，多年平均入湖水量為79.13×108m3，其中2016 年入湖水量高達(dá)105.5×108m3，遠(yuǎn)大于其他年份，2013 年入湖水量最低為53.4×108m3.基于Bathtub 模型，進(jìn)一步結(jié)合2013—2018 年湖西區(qū)水量變化范圍，模擬分析了湖西區(qū)入湖水量從40×108m3增至120×108m3的過程中，太湖不同區(qū)段ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chla)的響應(yīng)過程(見圖5). 湖西區(qū)入湖河流水量的增加促進(jìn)了太湖尤其是湖西區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化程度，即表現(xiàn)為ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chla)升高.湖西區(qū)入湖河流水量由40×108m3增至120×108m3的過程中，太湖西北部湖區(qū)ρ(TN)最大可增加0.49 mg/L，ρ(TP)最大可增加0.03 mg/L，ρ(Chla)最大可增加0.005 mg/L. 湖西區(qū)入湖水量變化對(duì)太湖中心段湖區(qū)、東南部湖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化程度的影響相對(duì)較小. 以東南部湖區(qū)為例，湖西區(qū)入湖河流水量由40×108m3增至120×108m3的過程中，ρ(TN)最大僅可增加0.17 mg/L，ρ(TP)最大可增加0.005 mg/L，ρ(Chla)最大可增加0.001 mg/L.

圖 5 湖西區(qū)入湖水量變化對(duì)西北部湖區(qū)、中心段湖區(qū)、東南部湖區(qū)湖體ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)的影響Fig.5 The influence of the change in the water volume of inflows to ρ(TN), ρ(TP), ρ(Chla) of the northwestern area,the central area, and the southeast area

入湖水量增加有利于改善湖體水運(yùn)動(dòng)條件，同時(shí)增加出湖水量，縮短了換水周期，有利于水體自凈能力的提升[36]. 但是，由于湖西區(qū)入湖河流水質(zhì)長(zhǎng)期較差，大量增加入湖水量可導(dǎo)致較高的氮磷負(fù)荷輸入，不利于西北部湖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化控制. 因此，在相同的濃度控制標(biāo)準(zhǔn)或目標(biāo)前提下，建議適當(dāng)控制湖西區(qū)直接入湖水量. 胥瑞晨等[37]對(duì)湖西區(qū)入湖水量長(zhǎng)期變化及原因分析表明，城市化率、氣候條件和沿江引水量都是導(dǎo)致其變化的主要原因，其中人為干擾(城市化率和沿江引水量)與自然影響(氣候條件)的貢獻(xiàn)率各占50%. 因此，未來通過合理、科學(xué)的措施，如強(qiáng)化海綿城市的建設(shè)、沿江水資源合理調(diào)度等，控制湖西區(qū)直接入湖水量具有一定可行性. 結(jié)合近些年水量的變化情況，建議將湖西區(qū)入湖水量控制在60×108～70×108m3左右，與極端的120×108m3相比，太湖西北部湖區(qū)ρ(TN)可降低0.10～0.30 mg/L，ρ(TP)可降低0.004～0.010 mg/L，ρ(Chla)也可隨之降低0.000 3～0.001 4 mg/L.

2.2.2 “引江濟(jì)太”對(duì)湖體ρ(TN)、ρ(TP)及ρ(Chla)的影響

為改善太湖水環(huán)境，優(yōu)化水資源配置，太湖流域從2002 年開始實(shí)施“引江濟(jì)太”調(diào)度工程，經(jīng)望虞河將長(zhǎng)江水體直接引入太湖，又經(jīng)過太浦閘對(duì)下游地區(qū)供水，從而達(dá)到加快水體流動(dòng)，縮短換水周期，提高水體自凈能力，改善水體質(zhì)量的目的[38-39]. 結(jié)合2013—2018 年望虞河水量變化范圍和主要入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)監(jiān)測(cè)值，模擬分析了望虞河入湖水量從0 增至25×108m3過程中，太湖不同區(qū)段水體ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chla)的響應(yīng)過程. 與湖西區(qū)入湖河流相比，望虞河水質(zhì)較好，模擬結(jié)果表明其入湖河流水量增加在一定程度上降低了太湖的富營(yíng)養(yǎng)化程度，尤其是促進(jìn)了西北部湖區(qū)ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chla)的降低(見圖6). 望虞河入湖河流水量由0 增至25×108m3的過程中，太湖西北部湖區(qū)ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)可降低的最大值分別為0.36、0.006、0.001 mg/L. 望虞河入湖水量變化對(duì)太湖中心段區(qū)域、東南部湖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化程度的影響相對(duì)較小. 以東南部湖區(qū)為例，望虞河入湖河流水量由0 增至25×108m3的過程中，ρ(TN)最大僅可降低0.07 mg/L，ρ(TP)最大僅可降低0.002 mg/L，ρ(Chla)甚至可增加0.001 mg/L.

圖 6 望虞河“引江濟(jì)太”水量變化對(duì)西北部湖區(qū)、中心段湖區(qū)、東南部湖區(qū)湖體ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)的影響Fig.6 The influence of water diversion from Yangtze River to Lake Taihu by Wangyu River to ρ(TN), ρ(TP), ρ(Chla) of the northwestern area, the central area, and the southeast area

該研究的模擬結(jié)果表明，“引江濟(jì)太”有利于水體自凈的能力提升，這與已有研究結(jié)果[40-41]一致. 這主要由于“引江濟(jì)太”入湖水質(zhì)較大多數(shù)入湖河流的水質(zhì)優(yōu)良，而且“十三五”期間長(zhǎng)江干流水質(zhì)仍在不斷改善[42]. “引江濟(jì)太”入湖水量還能有效抑制局部水體藍(lán)藻水華的生長(zhǎng)和聚集，并最大程度地減輕干旱對(duì)太湖生態(tài)環(huán)境及流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不利影響. 關(guān)于外部引水水量的增加方面，也應(yīng)該遵循“科學(xué)調(diào)度”的原則，科學(xué)控制引水規(guī)模和時(shí)間[43]. 結(jié)合Bathtub 模擬結(jié)果，以及近些年水量的變化情況，建議將望虞河入湖水量控制在15×108～25×108m3之間，與未引水情景相比，太湖西北部湖區(qū)ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(Chla)可分別降低0.137、0.006 和0.000 6 mg/L.

2.3 太湖主要入湖河流與湖體氮磷協(xié)同控制探討

結(jié)合現(xiàn)行《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，進(jìn)一步模擬分析了太湖主要入湖河流與湖體氮磷標(biāo)準(zhǔn)限值銜接情況. 模擬了入湖河流執(zhí)行ρ(TP)各類標(biāo)準(zhǔn)限值情景下，太湖不同區(qū)域ρ(TP)響應(yīng)值(見表3).結(jié)果表明，現(xiàn)行《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)對(duì)太湖流域而言，存在河湖標(biāo)準(zhǔn)不銜接上的不足. 其中，入湖河流設(shè)定同一標(biāo)準(zhǔn)限值，對(duì)西北部湖區(qū)水質(zhì)類別的影響最大，ρ(TP)標(biāo)準(zhǔn)限值不銜接問題最為突出. 例如，入湖河流執(zhí)行Ⅱ類時(shí)，不同湖區(qū)ρ(TP)響應(yīng)水質(zhì)類別僅為Ⅲ～Ⅳ類. 這與我國(guó)一些典型湖泊河湖標(biāo)準(zhǔn)不銜接問題類似，如鄱陽(yáng)湖等[13,21]. 因此，一些學(xué)者建議下一步修訂《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)過程中，完善或補(bǔ)充河湖銜接相關(guān)機(jī)制、配套政策措施[16].

表 3 入湖河流模擬執(zhí)行河流ρ(TP)標(biāo)準(zhǔn)限值時(shí)湖體ρ(TP)的響應(yīng)值Table 3 Simulated results of ρ(TP) in lake area under river standard limits

基于湖泊ρ(TN)、ρ(TP)各類別水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，模擬試算了入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)控制限值(見表4、5). 結(jié)果表明，即使入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)控制在極限條件(接近于0)下，目前太湖ρ(TN)仍無法達(dá)到Ⅱ類及以上水質(zhì)目標(biāo)要求，ρ(TP)基本無法達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值. 這可能與太湖內(nèi)源長(zhǎng)期累積，以及大氣沉降氮磷輸入對(duì)水體ρ(TN)、ρ(TP)貢獻(xiàn)密切相關(guān)[28,44-45]. 結(jié)合近些年主要入湖河流ρ(TN)監(jiān)測(cè)值(平均值)介于2.72～3.45 mg/L 之間，太湖ρ(TN)標(biāo)準(zhǔn)仍建議控制在Ⅳ類水平. 2013—2018 年期間，隨著湖體反硝化過程增強(qiáng)，太湖ρ(TN)達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)的入湖河流ρ(TN)控制限值逐漸放寬，但是僅依靠入湖河流ρ(TN)控制，可能也難以使太湖ρ(TN)達(dá)到Ⅲ類水平.

表 4 根據(jù)《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值試算的入湖河流ρ(TN)模擬限值Table 4 Simulation results of ρ(TN) of inflows based on different TN standard limits of lakes inthe Surface Water Quality Standards (GB 3838—2002)

表 5 根據(jù)《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值試算的入湖河流ρ(TP)模擬限值Table 5 Simulation results of ρ(TP) of inflows based on different TP standard limits of lakes in the Surface Water Quality Standards (GB 3838—2002)

基于太湖ρ(TP)達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)情景，試算的入湖河流ρ(TP)需控制在0.195～0.596 mg/L 之間；太湖ρ(TP)達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，入湖河流ρ(TP)控制在0.058～0.147 mg/L 之間. 結(jié)合近些年主要入湖河流ρ(TP)監(jiān)測(cè)值(平均值)介于0.13～0.22 mg/L 之間，僅依靠入湖河流ρ(TP)控制，湖體難以達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn). 太湖ρ(TP)標(biāo)準(zhǔn)仍建議控制在Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì)之間. 尤其是2016 年以來，入湖河流ρ(TP)控制在極低水平，湖體才可能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn). 如果考慮太湖流域來水背景值、區(qū)域必要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展等，目前入湖河流ρ(TP)遠(yuǎn)無法達(dá)到該水平[32,46].

該研究進(jìn)一步模擬分析了太湖西北部湖區(qū)達(dá)到各類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)的協(xié)同控制限值(見表6、7). 與全湖平均值相比，湖西區(qū)要達(dá)到同一標(biāo)準(zhǔn)限值，入湖河流的協(xié)同控制限值要更為嚴(yán)格. 因此，與全湖相比，在河湖氮磷銜接目標(biāo)制定上，湖西區(qū)建議單獨(dú)設(shè)定協(xié)同控制目標(biāo)濃度值. 結(jié)合近些年主要入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)監(jiān)測(cè)值，太湖西北部湖區(qū)ρ(TN)建議控制在Ⅳ～Ⅴ類水平，接近Ⅳ類水平，ρ(TN)建議控制在Ⅳ類水平.

表 6 基于太湖西北部湖區(qū)達(dá)到湖泊各類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值試算的入湖河流ρ(TN)控制限值Table 6 Simulation results of ρ(TN) of inflows based on different TN standard limits of the northwestern part of Lake Taihu

表 7 基于太湖西北部湖區(qū)達(dá)到湖泊各類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值試算的入湖河流ρ(TP)控制限值Table 7 Simulation results of ρ(TP) of inflows based on different TP standard limits of the northwestern part of Lake Taihu

3 結(jié)論與建議

a) 太湖主要入湖河流氮磷的輸入仍顯著影響太湖ρ(TN)、ρ(TP)，尤其是對(duì)西北部湖區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化水平影響最大. 2013—2018 年期間，入湖河流ρ(TN)輸入對(duì)太湖ρ(TN)影響有所減弱；2016 年以來，除了入湖河流ρ(TP)輸入以外，內(nèi)源磷釋放增強(qiáng)等可能對(duì)湖體ρ(TP)反彈起著更為關(guān)鍵作用.

b) 在入湖水量方面，湖西區(qū)入湖水量增加可導(dǎo)致太湖富營(yíng)養(yǎng)化程度增加，而“引江濟(jì)太”水量輸入在一定程度上改善了太湖水質(zhì). 建議分區(qū)域控制直接入湖河流水量，其中，湖西區(qū)直接入湖水量控制在60×108～70×108m3之間，望虞河“引江濟(jì)太”水量控制在15×108～20×108m3之間.

c) 針對(duì)太湖流域而言，現(xiàn)行《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)在協(xié)同控制河湖氮磷方面存在一定的不足. 僅通過入湖河流ρ(TN)、ρ(TP)控制，太湖ρ(TN)和ρ(TP)難以達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

d) 與全湖平均值相比，湖西區(qū)要達(dá)到同一標(biāo)準(zhǔn)限值，入湖河流的協(xié)同控制限值要更為嚴(yán)格. 在河湖氮磷銜接目標(biāo)制定上，湖西區(qū)建議單獨(dú)設(shè)定協(xié)同控制目標(biāo)濃度值. 另外，建議結(jié)合《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，開展太湖流域水質(zhì)、水量協(xié)同控制，有效約束入湖通量，達(dá)到河湖氮磷協(xié)同控制目的.