太湖流域典型滨湖河网水动力与水质时空异质性*

2021-07-07夏玉宝何新辰袁伟皓曾一川闫怀宇张晓兰涂予新

湖泊科学 2021年4期

夏玉宝,王华,何新辰,袁伟皓,曾一川,闫怀宇,张晓兰,涂予新

(1:河海大学环境学院,南京 210098)(2:河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,南京 210098)

近年来，水体富营养化是全球专家学者研究的水环境热点问题之一，除了营养盐的大量输入外，水体自身的水动力条件会通过影响营养盐在水体中的分布和迁移转化，间接影响富营养化进程，因而影响水体富营养化的主要自然因素就是水动力条件.断面平均流速(简称流速)则是表征水动力条件最基本、最直观的因子[1].目前已经有许多专家学者对流速及其水环境因子的相关性做了大量的工作，如Marshall等[2-3]发现流速对于水体中营养盐状况有一定的影响，Depinto等[4-6]的研究结果表明水体中悬浮颗粒物的沉积浓度及质量与流速关系密切，李一平等[7-9]则发现底泥总氮和总磷的释放率与流速存在指数关系，Koopmans等[10-13]研究发现水动力条件对于大气复氧过程也有一定的影响，张丽萍等[14-15]发现底泥氮磷释放速率变大的主要原因之一就是水动力扰动强度的增加.而对于河流而言，产生水动力扰动的主要因素就是流速的变化[16].

无锡滨湖河网由京杭运河、梁溪河等主要河道以及城市内河道连通构成，是无锡市滨湖区不可或缺的组成部分.一方面，研究区域河网纵横交错，地域条件复杂.另一方面，城市的高速发展和人们生活水平的提高，导致大量的工业、生活污水输入至河道中，进而加剧了城市水系水质恶化和生态环境退化[17]，导致河网内河道大面积黑臭.与平原河网不同，滨湖河网的水质条件直接受到湖泊水体条件的影响，尤其是近年来，滨湖河网城市主要通过从湖泊调水来增加水体流动性，改善河网的水动力条件，进而提高水体自净能力，在这个过程中，大量的湖水被引入河网，进一步加大了湖泊对于河网水质条件的影响.因此，通过在滨湖河网开展流速和水质的野外监测，分析流速对于河网水环境的实际效果，验证不同水质指标与流速之间的响应关系，为滨湖河网区水质保护和科学的水污染治理技术提供基础支撑，对改善水生态环境意义重大[18].

1 研究方法

1.1 研究区域特征

滨湖河网位于太湖梅梁湾东部，无锡市滨湖区蠡湖新城片区内.该河网主要河道由京杭运河、梁溪河、曹王泾、骂蠡港组成，河网地区水动力条件较差，洪枯两季平均流速20.4 cm/s[19]，同时，河网内建设有大量水闸，防止蓝藻入侵的同时，也导致了除主要河道外，支流等小河道流速小于10 cm/s，或静止不动.由于蠡湖新城片区人口密集，人类活动频繁，存在生活污水直排现象，相当一部分污染物经城市地表径流进入河流，导致河流水体中N、P营养盐浓度较高.2017年滨湖河网综合营养状态值数为57.3[20]，处于轻度富营养化状态.根据河网各河道断面的监测数据结果，以Ⅳ类水为标准，多项水质指标超标严重，总氮超标率甚至接近100%.滨湖河网的上游水源为太湖，目前太湖(30°55′42″～31°33′50″N，119°53′45″～120°36′15″E)在我国五大主要淡水湖中位列第三，是典型的大型侵蚀性浅水湖泊，位于我国长江三角洲南部，全湖水面面积2338 km2.太湖水体总体处于富营养化状态，氮、磷浓度较高，尤其夏季时期(7-9月)蓝藻水华富集现象比较严重.

在滨湖河网包括梁溪河、骂蠡港、曹王泾等主要河道以及城市内部河道共布设29个监测点(图1),1～6监测点位于梁溪河内，8～11监测点位于骂蠡港内，12～16监测点位于曹王泾内，17～22监测点位于城市河网北区中，23～30监测点位于城市河网南区中.

图1 滨湖河网区域图

1.2 野外监测

水体中TN浓度采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法[22]测定，其原理是过硫酸钾在高温的碱性介质中会充分分解，同时产生具有强氧化性的硫酸根游离基将水中的含氮化合物氧化成硝酸盐[23-24]，最后利用紫外分光光度法测定硝酸盐在波长220和275 nm处的吸光度，进而计算硝酸盐浓度，推算水中TN浓度.

1.3 数学分析方法

本研究首先通过对滨湖河网5个区域，总计29个监测点位，为期4个月跟踪监测的流速进行分析，得到滨湖河网水动力条件的时空异质性分析结果；再选取TN、TP、NH3-N和CODMn4项指标进行分析，得到滨湖河网水质时空异质性结果，但样品检测结果存在一定量的异常值(有异常过大及过小的现象出现)，为保证较好的代表性，异常数据不予呈现；然后用R语言对各区域的流速与14个水质指标之间进行相关性分析，同时对滨湖河网各个区域进行主成分分析(PCA)，主成分分析可以在不损失信息或者少损失信息的情况下，对协方差矩阵进行特征分解，将多个水质变量因子简化成TN、TP等少数几个能直接概括大量水质指标数据的主要影响因子[30].最后通过流速和典型水质指标的时空异质性分析结果，结合相关性分析、主成分分析，得到滨河河网各区域水动力与水质现状及其成因分析.本文采用的主要数据分析工具为R语言.

2 结果与分析

2.1 滨湖河网水动力时空异质性分析

在4个月连续监测中，滨湖河网29个监测点位流速如图2所示，整体平均值为5.22 cm/s，波动范围为0～52.6 cm/s，标准差为0.116.其中梁溪河、骂蠡港、曹王泾、城市河网北区和城市河网南区的平均流速分别为23.0、2.47、4.41、0.956和0.133 cm/s，值得一提的是，梁溪河的流速远大于其余4个区域，属于强水动力区域，这是因为梅梁湖、蠡湖和梁溪河交界处建设有梅梁湖泵站和大渲河泵站，用于对梁溪河及其水系进行不间断调水补偿，导致梁溪河的水动力条件，尤其是流速条件优于其他区域；骂蠡港区域较为特殊，该区域与梁溪河相连通，接受来自城市河网北区和南区的来水，同时骂蠡港的入湖口与曹王泾的入湖口基本处于同一位置，故骂蠡港区域的北端流速为强流区，但中南部又为弱流区，综合来看水动力条件归属于弱流区；曹王泾也是连通蠡湖和京杭运河的河流，但由于河道整体较窄，且区域内存在闸门，故水动力情况不如梁溪河区域，也属于弱流区；城市河网北区和城市河网南区的水动力条件最差，属于静水区.同时在4个月的跟踪监测中，多次检测到城市河网河道流速小于1 cm/s，或静止不动(图2).这是因为河网内建设有大量水闸，为了防止蓝藻入侵，水闸长期处于关闭状态，河道流速较低，部分位置流速近似为0，导致城市河网水动力条件较差.时间尺度上，整个河网丰水期流速平均值为28.9 cm/s，平水期为4.73 cm/s，枯水期为0.879 cm/s.平水期和丰水期的流速分别约是枯水期的5.38和32.88倍，变化显著.总体而言，时间尺度上，整个滨湖河网的流速全年变化明显，丰水期的流速远大于枯水期，空间尺度上，从外围河流到城市河网，流速整体呈下降趋势.

图2 流速在丰水期(2018-08)、枯水期(2018-11)和平水期(2019-03和2019-10)的空间分布

2.2 滨湖河网典型水质指标时空异质性分析

为期4个月的监测中，研究团队监测了其中具有代表性的3个月的滨湖河网的高锰酸盐指数平均值为5.64 mg/L，丰水期、枯水期和平水期平均值分别为6.15、5.65、4.67 mg/L，全年变化幅度较小，总体表现平稳(图3).时间上，梁溪河和曹王泾的高锰酸盐指数从丰水季至枯水季，再到平水季，呈现先上升后下降的趋势，而骂蠡港和城市河网北区的高锰酸盐指数则基本上是从丰水季至平水期一直呈现下降趋势，只有城市河网南区的高锰酸盐指数呈现先下降后上升的趋势.值得一提的是，除城市河网南区外，其余区域高锰酸盐指数全年的平均值属于地表水Ⅲ类水标准.空间上，由于河流生态系统的自净功能，梁溪河从西至东高锰酸盐指数值较为平稳，骂蠡港从北至南高锰酸盐指数呈下降趋势，曹王泾从西至东高锰酸盐指数同样呈下降趋势.而城市内河流大部分为非自然生态系统，自净能力较弱，受区域排污状况的影响，城市河网北区与南区各点位的高锰酸盐指数变化无一定规律，但是梁溪河在丰水期的极值差为1.95 mg/L，骂蠡港、城市河网北区、城市河网南区和曹王泾分别为6.33、6.83、8.64、2.61 mg/L.因此，在丰水期城市河网南区高锰酸盐指数变化幅度最大，城市河网北区和骂蠡港次之，最后是曹王泾和梁溪河.

图3 CODMn、TN、NH3-N、TP在丰水期(2018-08)、枯水期(2018-11)和平水期(2019-03和2019-10)的空间分布

滨湖河网的TN指标在4个代表月份变化幅度较小，总体平均值为3.4 mg/L，远高于地表水Ⅴ类水的标准，水质条件较差.对比各区域丰水期、枯水期和平水期TN浓度可以看出，在时间上，梁溪河、曹王泾、城市河网南区和北区4个区域的TN浓度从丰水期至枯水期，再到平水期均是先上升后下降(图3).这是由于丰水期的水量较大，各河道的水动力条件较好，从而对河道水体中的TN产生稀释作用，因此在梁溪河、曹王泾以及城市河网南区、北区4个区域中丰水期的TN浓度较枯水期小.而骂蠡港中TN浓度从丰水期至枯水期，再到平水期，TN浓度呈现先下降后上升，丰水期的TN浓度比枯水期大，原因可能是滨湖区东部有多条城市内河汇入骂蠡港中，同时滨湖区东部人口密度较大，大部分工业工厂坐落于此，丰水期正值夏季，工厂以及生活排污量比枯水期大得多，因此即使得到一定的水流稀释作用，相对于枯水期，污染物的浓度仍处于高水平状态.而对于曹王泾的15号点位而言，由于在枯水期发生河道局部蓝藻水华现象，水体中藻类密度很高，因此所测水质结果TN、TP浓度比丰水期高出5～10倍.空间上，各区域内TN浓度变化规律与高锰酸盐指数基本一致，略有不同的是，河网北区TN在丰水期及枯水期的极值差分别为5.52、1.78 mg/L，河网南区为4.14、6.85 mg/L，由此可得，城市河网北区在丰水期时TN浓度变化幅度要比南区大，而城市河网南区则与之相反.

与TN指标不同，滨湖河网的TP指标在4个月的跟踪监测中变化明显，整体平均值为0.66 mg/L，平水期(1.28 mg/L)远大于丰水期(0.26 mg/L)和枯水期(0.24 mg/L).在时间上，TP浓度变化规律与TN浓度稍有不同，对比TN浓度的变化规律，可以发现TP浓度从丰水期至枯水期呈下降趋势的区域增加了城市河网北区与南区两个区域，并且2个区域丰水期和枯水期的TP浓度几乎相等.原因是与N元素不同，P循环属于沉积性循环，会在水体与底泥中稳定地转换，并且城市河道的水流流速较低，水动力条件较差，因此TP浓度在这2个区域相对稳定.但同时由图3可知，各区域在3月的TP浓度严重超标，这可能是由于3月气温较低，水体内的水生植物和微生物代谢活动强度也随之下降，导致水体自净能力降低，TP等污染物指标上升.空间上，各区域内TP浓度变化规律与TN浓度基本一致.

滨湖河网的NH3-N指标状况良好，全年平均值为0.98 mg/L.以地表IV类水为标准，丰水期和枯水期NH3-N指标不达标的区域仅占到20%，分别是骂蠡港和城市河网北区，平水期则是城市河网南区和北区不达标，其中南区的NH3-N指标属于劣Ⅴ类标准.时间上，梁溪河和曹王泾的NH3-N浓度在丰水期、枯水期和平水期的变化范围小于0.2 mg/L，变化幅度较小；骂蠡港的NH3-N指标从丰水期到枯水期，再到来年的平水期，一直处于下降趋势，下降幅度达到1.42 mg/L，而城市河网南区和城市河网北区则恰恰相反，NH3-N指标呈现上升趋势，增幅分别为1.52和0.52 mg/L.空间上，梁溪河的NH3-N指标在丰水期、枯水期以及平水期均处于地表水Ⅱ类标准，水质最好，曹王泾略次之，但在3个时期的指标也都达到了地表水Ⅲ类标准，城市河网南区和城市河网北区的NH3-N指标最高，除去南区在平水季属于劣Ⅴ类之外，其他的监测值也都达到地表水Ⅴ类标准，骂蠡港在3个时期的变化较大，丰水期时，NH3-N指标达到了地表水Ⅴ类标准，枯水期则达到了地表水Ⅲ类标准，平水期更是达到了地表水Ⅱ类标准.

2.3 讨论

梁溪河的流速与水质指标间的相关性分析及主成分因子分析如图4所示，结合流速以及典型水质指标的时空异质性分析，可以看出，梁溪河区域的流速与大部分水质指标都表现出了较强的相关性，并且随着流速增大，水质也会有所改善.其原因是，对于滨湖河网而言，梁溪河是仅有的一条与城区水系、京杭大运河、蠡湖及太湖相沟通的天然河流，并且在梁溪河水系中，有2个泵站对该水系进行不间断的调水补偿，这导致了梁溪河区域的水动力条件，尤其是流速远优于其他区域，当流速增大时，水体的流动性提高，断面过水流量也随之增加，流速对于水质因子迁移转化的影响效应就会越明显.结合唐一率[31]的研究，可以明显看出调水在一定程度上可以改善水质.但是，调水在输移过程中也带来大量的悬浮物，采样的数据也证明了这一点，梁溪河的SS浓度为61.97 mg/L，远大于骂蠡港(32.34 mg/L)、曹王泾(20.78 mg/L)、城市河网北区(30.67 mg/L)和城市河网南区(34.62 mg/L)，同时，梁溪河的流速从2018年8月的0.37 m/s到2019年3月的0.039 m/s，一直处于下降趋势，而梁溪河SS浓度也从2018年8月的44.83 mg/L下降至2019年3月份的3.97 mg/L，与流速处于同步下降趋势.

图4 梁溪河及骂蠡港的主成分分析图及区域相关性热力图

图5为城市河网北区的相关性热力图和PCA图，结合流速与水质的时空异质性，研究分析发现，该区域的水动力条件较差，流速较缓，全年平均流速低于1.100 cm/s；水质条件方面，区域内的多数水质指标较差，其中TN、氨氮指标超标严重，一度达到Ⅴ类水标准的3～4倍，但TP和CODMn指标较好，多数监测断面可以达到Ⅳ类水标准.这可能是由于城市河网人类活动密集，生活生产排污及垃圾倾倒现象频繁，导致水质条件较差，同时城市河网北区的河流都接受来自梁溪河的补给，所以TP和CODMn等水质指标受到梁溪河的影响后，在一定程度上有所改善.流速与水质指标相关性方面，城市河网北区的水质指标与流速表现出了复杂不一的关系，其原因是城市内河污染情况严重，水动力条件较差，流速的增大对水质的改善情况不明显，需要进一步跟踪监测.值得一提的是，与梁溪河相同，城市河网北区的TP指标也与流速呈显著负相关关系，即随着流速的增大，水体中的TP浓度随之减小，水质改善，这与前文中提到城市河网北区的水质在一定程度上受到梁溪河的影响相吻合.

图5 曹王泾、城市河网北区及城市河网南区的主成分分析图及区域相关性热力图

城市河网南区在滨湖河网中属于水动力和水质条件均较差的一个区域，在4个月的监测中，多次检测到河网流速小于10 cm/s，或静止不动，这是由于河网内建设有大量的水闸，用于防止蓝藻入侵，但同时也影响的该区域的水动力条件.南区的水质情况与城市河网北区有一定的相似之处，也是TN、NH3-N指标超标严重，TP指标表现良好，这可能是由于南区与北区同属城市河网，河道之间相互连通，河道环境也相似，换而言之，南区的大部分河道接受来自北区的来水，但同时监测数据也表明，南区的各项指标均高于北区，即南区河道的污染物负荷大于北区.分析发现，城市河网南区的流速与NH3-N浓度呈显著正相关，这表明随着流速的增大，NH3-N等水质指标也随之增大了，呈现恶化趋势.原因可能是当流速增强时，水体扰动强度也会随之增加，进而导致底泥中的一些不利因素进入河道，使河道的水质整体表现出恶化的趋势.

综合5个区域，影响滨湖河网水动力和水质时空异质性的主要因素包括污染源的分布情况和调水、闸门等水利工程的实施情况以及宽度等河道自身因素.其中河道内闸门开关状态、调水的实施情况是影响河网的水动力时空分布的主要因素，河道自身的宽窄等因素也会对水动力分布有一定的影响，但不是主要影响因素；水质因子方面，对于污染物排放严重以及污染负荷较大的区域，水质情况更多的受到河道自身污染物排放程度及浓度的影响，流速的改变难以引起水质的变化，这时影响水质的主要因素则是污染排放情况以及水体自身的污染负荷，这与Zhang[33-34]等得出的污染严重的水体，水动力与水质之间的响应关系不明确的结论相同.而对于水动力较好的地区，流速与多数水质指标表现出了明显的相关性，并且总体上随着流速的增大，水质呈现改善的趋势，水动力条件成为了影响水质的主要因素，这与崔广柏等[35-37]实验研究得到的对于城区水系而言，水动力的提高在一定程度上能够有效地改善河道的水质状况的结论相似.值得一提的是，滨湖河网作为太湖与京杭大运河的主要连通渠道，航运也是影响河网水动力和水质情况的主要考虑因素之一，经观测，曹王泾、骂蠡港和梁溪河区域的河道上有船只来往，偶有污染排入现象，但将有船行驶和无船行驶时段的水质进行对比后，总体差别较小，基本可以忽略航运对于滨湖河网水质的影响.

滨湖河网主要分布在中国东部湖泊众多、水系密布的地区，除却本文研究的太湖流域滨湖河网，具有代表性的滨湖河网还有位于山东微山县的南四湖流域滨湖河网、江苏淮安市的洪泽湖流域滨湖河网以及江苏苏州市的阳澄湖流域滨湖河网.本文的研究可在一定程度上对其他平原滨湖河网相关工作给予参考，通过在太湖流域滨湖河网开展流速和水质的野外监测，分析流速对于河网水环境的实际效果，验证不同水质指标与流速之间的响应关系，为滨湖河网区水质保护和科学的水污染治理技术提供基础支撑，同时也对相似滨湖河网地区的水环境治理提供思路，对改善水生态环境有一定实践意义.

3 结论

基于无锡市滨湖河网29个点位进行丰水期、平水期、枯水期3期的流速与水质因子时空异质性分析，结论如下：

1)滨湖河网3期监测流速的整体平均值为5.22 cm/s，其中丰水期、枯水期、平水期的平均值分别为28.9、0.879、4.73 cm/s.空间上，流速总体呈现河网北部梁溪河最高，属于强动力区，东南角的曹王泾和东部的骂蠡港次之，属于弱流区，城市河网南区及城市河网北区最差，多次流速监测数据为0，属于静水区.

2)滨湖河网典型水质指标的丰水期、平水期、枯水期3期监测中，CODMn和NH3-N指标表现良好，除城市河网南区外，其余区域CODMn全年的平均值分别属于地表水Ⅲ类水标准，5个区域的NH3-N指标均达到了地表Ⅴ类水，其中梁溪河更是达到了Ⅱ类水标准；TN浓度全年变化幅度平缓，整个滨湖河网水体中的浓度明显高于地表Ⅴ类水标准，超标严重；TP浓度则与之相反，全年变化明显，平水期(1.28 mg/L)远大于丰水期(0.26 mg/L)和枯水期(0.24 mg/L)，除了3月外，其余监测月份滨河河网的TP浓度基本能达到Ⅴ类水标准.