1987—2016年太湖總氮濃度變化趨勢分析

范清華，沈紅軍，張濤，張詠，劉雷，呂學(xué)研

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036)

·環(huán)境預(yù)警·

1987—2016年太湖總氮濃度變化趨勢分析

范清華，沈紅軍，張濤，張詠，劉雷，呂學(xué)研

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036)

基于可獲取的太湖國控監(jiān)測點位總氮監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了1987—2016年太湖總氮質(zhì)量濃度變化趨勢。結(jié)果表明，近30年來，太湖湖體總氮年均值在1.74～3.88 mg/L之間，總體呈先上升、后下降的波動變化趨勢，1996年達(dá)歷史峰值；其變化具體可分為上升期、波動期、下降期3個階段，約以10年為一個階段。分湖區(qū)分析，西部湖區(qū)、北部湖區(qū)2000—2016年總氮年均值與全湖總氮呈明顯的正相關(guān)，為影響湖體總氮質(zhì)量濃度的主要湖區(qū)?？偟嗄暝戮底兓@示，2000—2016年湖體總氮多年月均值年內(nèi)呈較明顯的季節(jié)變化規(guī)律，月均最大值、最小值分別出現(xiàn)在3月和9月。空間變化分析表明，西部湖區(qū)的宜武片區(qū)及南部湖區(qū)的湖州長興片區(qū)為湖體總氮的2個污染擴散核心。湖體總氮主要受15條主要入湖河流匯入影響，這些河流總氮年均值整體高于湖體，是太湖總氮治理的重點。

太湖；總氮；趨勢分析

太湖流域地跨蘇、浙、滬兩省一市，是長江三角洲的核心區(qū)域，總面積約36 900 km2，歷來是我國人口密度最大、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最發(fā)達(dá)、國民經(jīng)濟產(chǎn)值和人均收入增長幅度最快的地區(qū)之一[1-2]。流域內(nèi)最重要的水體太湖為我國五大淡水湖之一，湖泊水面面積2 338 km2，平均水深1.9 m，最大水深2.6 m，屬大型淺水湖泊[3]。太湖是其周邊無錫、蘇州等大中城市重要的飲用水源，兼有蓄洪、灌溉、養(yǎng)殖、旅游、納污等多重功能，對流域經(jīng)濟社會發(fā)展起著非常重要的作用[4-6]。

太湖水環(huán)境質(zhì)量狀況及其變化與流域內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展密不可分。多年來，由于流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，總氮一直是影響太湖湖體水質(zhì)的首要污染物，是太湖藍(lán)藻生長的主要營養(yǎng)鹽，更是太湖流域污染治理的重點[7-8]。

2007年以來，江蘇省委省政府采取“鐵腕治污、科學(xué)治太”等措施，太湖湖體水質(zhì)總體有所好轉(zhuǎn)，總氮呈下降態(tài)勢，但近幾年下降的空間明顯收窄，給下一步治理帶來一定難度[9]。現(xiàn)基于江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心1987—2016年監(jiān)測數(shù)據(jù)，重點分析了太湖總氮質(zhì)量濃度時空變化規(guī)律，以及太湖總氮污染變化情況，為今后太湖流域總氮精細(xì)化污染防控提供參考。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測概況

江蘇省環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)從20世紀(jì)80年代開始對太湖湖體開展總氮等水質(zhì)例行監(jiān)測。經(jīng)過30多年的優(yōu)化調(diào)整，監(jiān)測點位、監(jiān)測頻次不斷增加。其中，“九五”末國控例行監(jiān)測點位為16個，監(jiān)測頻次為每年6次；“十五”“十一五”期間例行監(jiān)測點位21個，監(jiān)測頻次為每年12次[4]。2012年以來，按照國家有關(guān)要求，江蘇省太湖湖體國控點位由21個調(diào)整為20個(圖1)，湖區(qū)劃分也由五里湖、梅梁湖、西部沿岸區(qū)、湖心區(qū)和東部沿岸區(qū)調(diào)整為東部湖區(qū)、西部湖區(qū)、南部湖區(qū)、北部湖區(qū)和湖心區(qū)[10]。

圖1 太湖湖體20個水質(zhì)監(jiān)測點位分布

1.2 監(jiān)測方法及評價標(biāo)準(zhǔn)

總氮的監(jiān)測分析采用國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法，其質(zhì)量濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894—89,HJ 636—2012)測定。樣品的采集、保存與測定詳細(xì)步驟參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》[11-12]。水質(zhì)類別依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)進(jìn)行評價。

樣品采集、保存與測定，嚴(yán)格按照國家規(guī)范進(jìn)行全程質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)產(chǎn)生嚴(yán)格執(zhí)行三級審核制度[13]。采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Arcgis 10.0軟件進(jìn)行GIS圖的制作。

2 結(jié)果分析

2.1 湖體總氮年均值變化

2.1.1 全湖總氮質(zhì)量濃度

圖2為1987—2016年太湖湖體總氮質(zhì)量濃度變化。太湖湖體水質(zhì)20世紀(jì)80年代初穩(wěn)定在Ⅲ類，從80年代中后期開始，湖體水質(zhì)受總氮影響惡化為劣Ⅴ類，2007年以來水質(zhì)有所改善[6-9]。從可獲取的1987—2016年湖體總氮監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，總氮一直是決定湖體水質(zhì)類別的首要污染物，其年均值在1.74～3.88 mg/L之間，總體呈先上升、后下降的波動變化趨勢，具體可分為上升期、波動期、下降期3個階段：

第一階段，1987—1996年，總氮質(zhì)量濃度呈波動上升趨勢，至1996年達(dá)3.88 mg/L的極大值，較1987年的1.82 mg/L上升了1.1倍。80年代中后期，改革開放逐步帶來經(jīng)濟發(fā)展，但環(huán)保意識還較為薄弱，大量工業(yè)和生活廢水排入太湖；進(jìn)入90年代，工業(yè)企業(yè)進(jìn)一步迅猛發(fā)展，工業(yè)與生活污染排放持續(xù)增加，太湖主要入湖河流水質(zhì)惡化，太湖水質(zhì)進(jìn)一步下降。

第二階段，1997—2006年，湖體總氮質(zhì)量濃度先下降、后反彈。太湖流域1997年實施重點工業(yè)企業(yè)水污染物達(dá)標(biāo)排放“零點行動”后，湖體總氮質(zhì)量濃度逐年下降，但2002年后經(jīng)濟社會發(fā)展對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)作用有所凸顯，其值明顯增長，至2006年為3.46 mg/L，較1987年仍上升0.9倍；受總氮質(zhì)量濃度上升影響，同期湖體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在中度富營養(yǎng)狀態(tài)下仍呈上升趨勢。

第三階段，2007—2016年，太湖流域治理多措并舉，湖體水質(zhì)穩(wěn)步改善，總氮質(zhì)量濃度明顯下降，2014—2016年已低于2.00 mg/L，2016年其值較2006年下降了49.7%，與1987年基本持平；同期湖體水質(zhì)改善為Ⅴ類，綜合營養(yǎng)狀態(tài)也由中度富營養(yǎng)好轉(zhuǎn)為輕度富營養(yǎng)。

圖2 1987—2016年太湖湖體總氮質(zhì)量濃度變化

2.1.2 各湖區(qū)總氮質(zhì)量濃度

圖3為2000—2016年太湖各湖區(qū)總氮質(zhì)量濃度變化。

5個湖區(qū)中，西部湖區(qū)2000—2016年總氮質(zhì)量濃度處于2.60～6.02 mg/L之間，呈先上升、后下降變化，與全湖質(zhì)量變化趨勢一致；西部湖區(qū)質(zhì)量高于其他湖區(qū)，比全湖高1～3 mg/L左右。北部湖區(qū)2000—2016年總氮質(zhì)量濃度處于1.66～4.66 mg/L之間，亦呈先升后降的變化趨勢，其中2000—2007年質(zhì)量濃度高于全湖，2008年后略低于全湖。南部湖區(qū)、東部湖區(qū)、湖心區(qū)2000—2016年總氮質(zhì)量濃度處于1.01～2.62 mg/L之間，變化幅度較小，各年度值均低于全湖。

圖3 2000—2016年太湖各湖區(qū)總氮質(zhì)量濃度變化

進(jìn)一步分析各湖區(qū)總氮多年均值變化與全湖相關(guān)性，從圖4(a)(b)(c)(d)(e)可以看出，北部湖區(qū)、西部湖區(qū)總氮質(zhì)量濃度與全湖呈明顯的正相關(guān)，兩湖區(qū)總氮質(zhì)量濃度2007年以來均明顯降低，2016年較2006年分別下降63.4%和51.2%。上述2湖區(qū)總氮質(zhì)量濃度的改善，帶動全湖總氮質(zhì)量濃度2007年以來同步下降，2016年較2006年下降49.7%。

湖心區(qū)、東部湖區(qū)和南部湖區(qū)總氮多年均值變化則與全湖總氮質(zhì)量濃度相關(guān)性不明顯?？梢?，湖體總氮質(zhì)量濃度受北部湖區(qū)和西部湖區(qū)影響相對較大，是太湖總氮質(zhì)量濃度削減的重點區(qū)域。

圖4 太湖各湖區(qū)與湖體總氮質(zhì)量濃度變化相關(guān)性分析

2.2 湖體總氮月均值變化

圖5(a)(b)為2000—2016年太湖湖體及各湖區(qū)總氮多年月均值變化。結(jié)果顯示，湖體總氮濃度變化呈較明顯的季節(jié)規(guī)律性，年初枯水期間其值逐月升高，最大值一般出現(xiàn)在3月，波峰值平均為3.85 mg/L，之后持續(xù)降低，年內(nèi)最低值一般出現(xiàn)在豐水期末的9月份，波谷值平均為1.60 mg/L，10—12月份又逐漸升高。

分湖區(qū)看，各湖區(qū)總氮多年月均值變化趨勢與湖體基本一致，只是在最大和最小月均值出現(xiàn)的時間上有所差異。其中，西部湖區(qū)總氮各月均值均明顯高于其他湖區(qū)，亦高出湖體1～2 mg/L；北部湖區(qū)次之，總氮各月均值與湖體基本處于同一水平。南部湖區(qū)、東部湖區(qū)、湖心區(qū)總氮各月均值則明顯低于湖體，年內(nèi)月度波動變化幅度相對較小。

值得關(guān)注的是，西部湖區(qū)、北部湖區(qū)、南部湖區(qū)總氮波峰值出現(xiàn)的月份集中在3月，早于湖心區(qū)、東部湖區(qū)的4月，這從波峰值出現(xiàn)時間變化方面反映了湖體總氮空間上從西部湖區(qū)、北部湖區(qū)、南部湖區(qū)向湖心區(qū)、東部湖區(qū)遷移擴散的歷時過程，其影響約在1個月后明顯體現(xiàn)。

圖5 太湖湖體及各湖區(qū)總氮2000—2016年月均值變化

2.3 湖體總氮質(zhì)量濃度空間變化

2000—2016年湖體總氮的空間變化分析表明，與總氮多年月均波峰值變化反映出的遷移擴散規(guī)律相似，總氮污染擴散呈現(xiàn)出由西部湖區(qū)、南部湖區(qū)，擴散到湖心區(qū)、東部湖區(qū)的特征。西部湖區(qū)的宜武片區(qū)與南部湖區(qū)湖州長興片區(qū)為總氮的2個污染擴散核心，其中宜武片區(qū)輸入的總氮質(zhì)量濃度高、范圍大，對湖體影響相對更重。

以2015年1—4月為例，湖體總氮質(zhì)量濃度呈現(xiàn)由宜武片區(qū)逐漸向東南部擴散、湖州長興片區(qū)向北部擴散的過程，詳見圖6(a)(b)(c)(d)。

由圖6可見，1月份，湖體總氮擴散源核心為西部湖區(qū)的宜武片區(qū)，其高值點為竺山湖心測點，其值在5～6 mg/L之間；湖心區(qū)、東部湖區(qū)、南部湖區(qū)則以1～2 mg/L為主。

一個月后，總氮高值區(qū)由宜武片區(qū)向東南方向的湖心區(qū)擴散，拖山測點接近5～6 mg/L，較1月份上升了約2 mg/L；同時，總氮質(zhì)量濃度2～3 mg/L等值線范圍較1月份明顯向湖心區(qū)擴大，東部湖區(qū)、南部湖區(qū)這一時間則仍以1～2 mg/L為主。

3月份，另一個污染擴散核心南部湖區(qū)湖州長興片區(qū)開始出現(xiàn)，該區(qū)域的小梅口測點總氮質(zhì)量濃度在4～5 mg/L之間，并向北部逐漸擴散；同期宜武片區(qū)總氮繼續(xù)向東南方向的湖心區(qū)擴散，2～3 mg/L等值線范圍已越過湖心區(qū)的平臺山測點，接近大雷山及西山西測點，東部湖區(qū)則仍以1～2 mg/L為主。

進(jìn)入4月份，總氮質(zhì)量濃度分別由宜武片區(qū)繼續(xù)向東南部、湖州長興片區(qū)繼續(xù)向北部擴散，2～3 mg/L等值線范圍繼續(xù)擴大，湖心區(qū)、南部湖區(qū)、東部湖區(qū)明顯高于前幾個月。綜上分析，可見湖體總氮外源性輸入以西部宜武片區(qū)及南部湖州長興片區(qū)的主要入湖河流匯入為主，并隨著湖流的影響逐漸向全湖擴散。

上述2個污染擴散核心中，宜武片區(qū)為江蘇省太湖流域水污染防治控制的重點區(qū)域[14-16]；湖州長興片區(qū)位于浙江太湖流域杭嘉湖地區(qū)，資料顯示該地區(qū)2006年水體存在較嚴(yán)重的磷、氮和有機物污染[17]，2010年水環(huán)境以氮、磷和有機污染為主，51.8%的斷面不能滿足功能區(qū)要求[18-19]，為浙江省太湖流域水污染防治控制的重點[20]。

2.4 湖體總氮與主要入湖河流總氮對比

資料顯示，太湖西部及北部的15條主要入湖河流是湖體污染物外源性輸入的主要來源[7,21]，其輸入的總氮量約占入湖河流的90%[22]。分析15條主要入湖河流總氮質(zhì)量濃度變化，并與湖體總氮進(jìn)行對比，對于了解湖體總氮外源性輸入具有較為重要的意義。

從圖7可獲取的2003—2016年太湖15條主要入湖河流總氮年均值變化來看，主要入湖河流總氮年均值總體呈下降趨勢，2010年后有所回升，其中以漕橋河、太滆南運河、大港河、洪巷港、烏溪港及陳東港等河流上升為主，2016年總氮年均值較2010年上升20%～30%。

湖體總氮與主要入湖河流總氮對比表明，后者總氮質(zhì)量濃度整體明顯高于前者，主要入湖河流總氮多年質(zhì)量濃度均值高出湖體約1.50 mg/L。

圖6 2015年太湖湖體總氮質(zhì)量濃度空間分布變化

圖7 主要入湖河流、太湖湖體總氮年均值變化

圖8為主要入湖河流、太湖湖體總氮多年月均值變化。

由圖8可見，入湖河流總氮月均值變化特征與湖體表現(xiàn)出一定的相似性，最大值和最小值同樣分別出現(xiàn)在枯水期和豐水期。

這也進(jìn)一步說明湖體總氮明顯受到主要入湖河流總氮質(zhì)量濃度影響，而呈現(xiàn)出較為相似的年際變化及月度變化規(guī)律。

圖9為太湖15條主要入湖河流總氮多年均值對比。

圖8 主要入湖河流、太湖湖體總氮多年月均值變化

圖9 太湖15條主要入湖河流總氮多年均值對比

由圖9可見，15條主要入湖河流中，僅望虞河的總氮多年均值低<2.00 mg/L；有13條河流的總氮均值>3.00 mg/L，其中以直湖港均值最高，為6.59 mg/L，其次是漕橋河，均值為5.13 mg/L。可見，針對上述總氮均值較高、總氮匯入通量較大的河流，如漕橋河、陳東港、社瀆港等[14]，有效控制并削減其總氮入湖總量是太湖總氮治理的重點。

3 結(jié)論

(1) 1987—2016年，湖體總氮質(zhì)量濃度總體呈先上升、后下降的波動變化趨勢。從80年代中后期開始波動上升并長期劣于Ⅴ類，2007年以來改善明顯，其變化具體可分為3個階段：1987—1996年為上升期，呈波動上升趨勢，至1996年達(dá)3.88 mg/L的極大值，較1987年的1.82 mg/L上升了1.1倍；1997—2006年為波動期，湖體總氮質(zhì)量濃度先下降、后反彈；2007—2016年為下降期，太湖流域治理多措并舉，湖體水質(zhì)穩(wěn)步改善，總氮值明顯下降。

(2) 太湖5個湖區(qū)中，西部湖區(qū)、北部湖區(qū)2000—2016年總氮質(zhì)量濃度變化趨勢與全湖一致，二者總氮質(zhì)量濃度與全湖呈明顯正相關(guān)，為影響湖體總氮的主要湖區(qū)，是太湖總氮削減的重點區(qū)域。

(3) 湖體總氮多年月均值年內(nèi)呈較明顯的季節(jié)變化規(guī)律，月均最大值、最小值分別出現(xiàn)在3月和9月。

(4) 湖體總氮的空間值變化分析表明，西部湖區(qū)的宜武片區(qū)與南部湖區(qū)湖州長興片區(qū)為總氮的2個污染擴散核心，其中宜武片區(qū)輸入的總氮質(zhì)量濃度高、范圍大，對湖體影響相對更重。

(5) 主要入湖河流總氮年均值整體高于湖體，呈現(xiàn)出較為相似的年際變化及月度變化規(guī)律。太湖15條主要入湖河流中，漕橋河、陳東港、社瀆港等總氮均值較高、總氮匯入通量較大的河流，是太湖總氮治理的重點。

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ChangesofTotalNitrogenConcentrationinTaihuLakeDuring1987—2016

FAN Qing-hua，SHEN Hong-jun，ZHANG Tao，ZHANG Yong，LIU Lei，LV Xue-yan

(JiangsuProvincialEnvironmentalMonitoringCenter,Nanjing,Jiangsu210036,China)

Based on the data of available total nitrogen monitoring in Taihu Lake, the trend of total nitrogen concentration in Taihu Lake from 1987 to 2016 was analyzed. The result showed that the average annual concentration of total nitrogen in Taihu Lake is between 1.74 and 3.88 mg/L in the past 30 years, and the population has risen first and then fluctuates. In 1996, the average annual concentration of total nitrogen reached the historical peak. The change of total nitrogen concentration can be divided into three stages: rising period, fluctuation period and decline period, about 10 years as a stage. The average annual concentration of total nitrogen in the western lake area and the northern lake area from 2000 to 2016 was positively correlated with the total nitrogen concentration in the whole lake, which was the main lake area influencing the total nitrogen concentration of the lake. The monthly mean change of total nitrogen for the years showed that the monthly mean variation of total nitrogen in the lake was from 2000 to 2016, and the monthly maximum and minimum were in March and September respectively. The spatial variation analysis shows that the Yiwu area in the western lake area and the Huzhou Changxing area in the southern lake area are the two pollution diffusion cores of total nitrogen in the lake. The total nitrogen concentration of the lake body is mainly affected by 15 inflowing rivers. These rivers have higher total nitrogen concentration than that of the lake body, which are the focus of the total nitrogen treatment in Taihu Lake.

Taihu Lake；Total Nitrogen；Trend analysis

2017-08-30；

2017-09-08

國家水體污染控制與治理科技重大專項基金資助項目(2012ZX07506-001)

范清華(1984—)，男，高級工程師，碩士，從事環(huán)境質(zhì)量綜合分析工作。

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.06.002

X824

B

1674-6732(2017)06-0008-06