引江济太不是太湖磷负荷上升的原因

王智源; 陈求稳; 张建云; 严晗璐

doi:10.1016/j.eng.2023.07.007

工程（英文） ›› 2024, Vol. 35 ›› Issue (4) : 10 -14. DOI: 10.1016/j.eng.2023.07.007

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引江济太不是太湖磷负荷上升的原因

王智源 ^a^,^b^,^c ,
陈求稳 ^a^,^b^,^c ,
张建云 ^a^,^c ,
严晗璐 ^a^,^b

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Water Diversion is Not to Blame for Phosphorus Enrichment in Taihu Lake

Zhiyuan Wang ^a^,^b^,^c ,
Qiuwen Chen ^a^,^b^,^c ,
Jianyun Zhang ^a^,^c ,
Hanlu Yan ^a^,^b ,

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王智源,陈求稳,张建云,严晗璐. 引江济太不是太湖磷负荷上升的原因[J]. 工程（英文）, 2024, 35(4): 10-14 DOI:10.1016/j.eng.2023.07.007

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尽管太湖蓝藻水华的规模和持续时间不断增加，太湖仍然是我国长江三角洲地区最重要的水源地之一。为了满足社会经济发展下不断增长的用水需求和保障蓝藻水华暴发期间的水源安全，通过望虞河从长江引水至太湖的“引江济太”工程于2002年启动，并从2007年开始投入运行。过去的20年间，引江济太工程被广泛认为是增加太湖流域水资源总量、改善太湖水动力和水质状况及有效保障太湖流域供水的重要工程措施[1]。然而，引江济太对太湖磷负荷的影响一直存在争议。反对者认为近年来引江济太造成太湖平均磷浓度上升，从而导致近年来蓝藻水华急剧扩张。由于长江的平均磷浓度高于太湖，以往研究认为引水将长江的外源营养盐转移到太湖，是造成近年来太湖磷负荷急剧增加的原因[2]。另一部分学者认为，太湖的平均磷浓度高应归因于太湖入湖总磷负荷上升而不是引水[3]。磷是大多数湖泊生态系统中蓝藻水华生长和藻毒素合成的首要限制性营养盐因子[4]。因此，针对太湖过量磷负荷输入引发有毒蓝藻水华的研究主要集中于通过减少磷输入将饮用水源地水质恢复到可接受水平并阻止水华形成[5]。因此，开展太湖入湖磷负荷来源准确解析，定量分析引江济太的磷负荷贡献，将有助于引导公众对引江济太的正确认识，并对上述争议性问题作出重要回应。同时，针对引江济太生态环境效应的研究将为太湖流域水资源管理和引江济太二期工程磷负荷控制提供建设性的指导意见。

本研究收集了2002—2019年太湖流域的年度统计数据，探讨引江济太对入湖水量和磷负荷的贡献（数据收集和分析方法见附录A中的表S1）。过去的20年间，环太湖入湖总水量和湖西区入湖水量呈阶梯式增长[图1（a）]。然而，引江济太仅贡献了太湖入湖总水量的0.9%~14.7%，自2002年以来望虞河引入水量逐渐减少了2.3%。1986—2001年至2002—2019年太湖年均入湖总水量增加了2.8×10⁹ m³，而2002—2019年期间引江济太工程的年均引水入湖量仅为7.9×10⁸ m³。研究表明，太湖入湖水量增加不应归因于引江济太。作为秋冬季节水量补偿的紧急调控对策，望虞河主要用于调整太湖水位、预防大规模有害藻类水华的形成，并保障贡湖饮用水源地水质安全。太湖入湖总水量的增加主要归因于湖西区入湖水量增加，这是降雨增加、下垫面变化、河道疏浚、长江引水量增加等因素共同导致的。2009年后湖西区入湖水量增加了65%，湖西区入湖水量占太湖总入湖水量的比例由55.2%上升至64.7%。快速的城市化进程引起了湖西区土地利用的变化，自1985年以来湖西区建设用地面积翻了两番，径流系数上升了60%（附录A中的图S1）。在平均降雨频次低于40%的情况下，2009年后湖西区年均降水量增加了160 mm，降雨径流增加了1.5×10⁹ m³。同时，河道疏浚和拓宽加快了区域水体流动和交换。例如，湖西区丹金溧漕河和武深运河的重建和拓宽（河道位置见附录A中的图S2）在很大程度上提高了城东港的入湖水量，2005年城东港占湖西区入湖水量的比例为55%，到2018年提升至70%。湖西区入湖水量的增加还与2000年前后沿江泵站一系列升级改造工程实施后的取水能力大幅提升有关。为了满足内河航运、农田灌溉和区域河网水环境改善的需求，近年来沿江主要泵站在缺乏流域性整体规划的情况下增加了引水量，导致湖西区入湖水量增加。例如，占湖西区长江引水总量30%的谏壁闸和九曲河泵站（位置见图S2）承担了三个国控断面的水质保障任务、丹阳市生态水位控制任务和湖西区1667 km²农田灌溉任务。然而，这两个泵站的年均取水量从1986—2006年的1.7×10⁸ m³增加到2007—2016年的4.6×10⁸ m³，再递增到2017—2018年的14.6×10⁸ m³。同样，从长江的过度引水和梅梁湾泵站定期北排造成大运河水位抬升和流向改变以及湖西区河网水资源再分配。因此，每年2.5×10⁸~7.0×10⁸ m³的水量从大运河经湖西区进入太湖。

望虞河引江济太不是导致太湖磷负荷增加的原因。与水量变化类似，近二十年来太湖入湖磷负荷总量和湖西区入湖磷负荷均呈明显上升趋势，而从望虞河引入的磷负荷逐步减少了9.5% [图1（b）]。在2002—2009年和2010—2019年期间，引江济太工程的年均入湖磷负荷分别仅占环太湖入湖磷负荷总量的9.8%和4.3%。引江济太磷负荷与太湖磷浓度之间的负相关关系表明，引江水量的稀释作用对改善太湖水质起到了正面作用[图1（c）]。太湖较高的磷负荷和磷浓度与湖西区本地磷负荷输入呈显著正相关，而不是长江引水带入的磷负荷。湖西区入湖磷负荷在过去20年间上升了34%，贡献了57.8%~95.3%（多年平均为78%）的环太湖入湖磷负荷总量[图1（d）]。近年来望虞河引入的磷负荷占比下降应该归因于望虞河引水总磷浓度下降和湖西区本地入湖磷负荷增加。只有在望虞河入湖水质达到或超过我国地表水III类水标准（总磷浓度低于0.2 mg·L^-1）的前提下，负责引江济太工程调度的太湖流域管理局才会开展望虞河调水[6]。尽管望虞河河道沿线有支流的磷负荷汇入，自2002年以来望虞河平均总磷浓度从0.18 mg·L^-1下降至0.09 mg·L^-1（附录A中的图S3），远低于湖西区入湖河流的平均总磷浓度（从0.35 mg·L^-1下降至0.18 mg·L^-1）和引江济太工程调度的水质限值[7]。

尽管引江济太对太湖磷库存的贡献极为有限，但在未来工作中应跟踪研究引江济太工程对太湖内部磷循环的长期影响。从质量平衡的角度看，每年有800~1000 t的磷滞留在湖中，目前太湖沉积物仍是磷汇[8]。以往研究表明，引江济太工程造成太湖（尤其是贡湖）颗粒磷比例的增加，长此以往可能导致当前的磷沉积-释放平衡发生逆转[3]。太湖“两引三排”的整体新格局已经形成（附录A中的图S4）。作为引江济太二期工程的重要组成部分，新孟河直接从长江向竺山湾调水，目的是缓解竺山湾和梅梁湾的蓝藻水华并改善水质。引江济太二期工程实施后，新孟河每年的引水量预计将增加2×10⁹ m³，引江济太磷贡献增加可能对太湖的磷循环和磷库存产生潜在影响。因此，应进一步控制引水带来的磷输入，以确保引江济太工程的正面效益。太湖新引排格局的出水路线优化和多目标联合调度对于应对太湖磷负荷上升风险是必不可少的。

湖西区入湖磷负荷上升应归因于过去20年间本地磷负荷排放增加[图2（a）]。湖西区总磷输入量变化与降水模式相关联。总磷输入的峰值出现在丰水年，表明降雨-径流-溢流在本地磷负荷的产生中起到主要作用。值得注意的是，从长江随意引水用于局部地区引水冲污导致湖西区入湖水量和磷负荷增加。尽管太湖流域的生活用水和工业用水自2007年以来有所下降，但湖西区工业总产值和污水排放量在过去20年里持续增加（附录A中的表S2）。自2002年以来，磷减排使湖西区入湖河流的总磷浓度从0.35 mg·L^-1下降到0.18 mg·L^-1。但是，由于经济和人口的高速发展，涉磷企业废水排放、生活废水和农业非点源污染的磷排放量持续增加。无论从长江取水是否促进了湖西区河网的内部水体交换，并加速了磷负荷的入河入湖过程，这些本地磷负荷最终都会进入太湖。为了减少太湖的磷负荷，应严格控制湖西区的本地磷排放。除了入湖河流的磷输入量增加以外，太湖磷浓度上升也应归因于水生植被的减少以及沉积物再悬浮和蓝藻水华。太湖滞留的大量历史性磷负荷（约占外部磷负荷的63%~75%）延迟了湖泊从富营养化状态恢复[9]。太湖，特别是在以大型水生植被为主的东太湖[10]，水生植被的大量损失阻碍了沉积物对磷的吸附，间接地增强了风生流引起的沉积物再悬浮，从而阻碍了磷的埋存并促进了内源性磷的释放，导致水下光照环境退化，进一步抑制了水生植被的生长。蓝藻增殖是生物可用磷在沉积物和上覆水之间转移的驱动力[11]。为缓解蓝藻水华，官方在太湖营养盐削减和湖泊修复方面付出了巨大努力，但近年来太湖仍饱受蓝藻水华的困扰[9]，而蓝藻水华加速了湖泊内部的磷循环，促进了水体中藻源性磷的释放。

总体而言，引江济太工程在极大程度上缓解了蓝藻水华的形成，改善了太湖饮用水源地的水动力和水质状况。通过比较2007年、2017年和2020年太湖发生大规模蓝藻水华时望虞河应急调水前后的饮用水源地（位置见附录A中的图S5）水质参数可知[图2（b）]，应急调水后总氮、氨氮、总磷和化学需氧量下降，溶解氧浓度上升（表S3）。叶绿素a浓度下降表明应急调水的稀释作用有效缓解了饮用水源地蓝藻水华暴发，满足了应急供水的迫切需求。根据之前的模拟结果，引水后贡湖的平均流速、水体交换率和半交换周期都明显改善（附录A中的表S4）。作为引江济太工程的直接受水区，贡湖的磷浓度低于太湖的湖心区、竺山湾和梅梁湾[12‒14]。尽管在引水期间的大部分时间，引江济太的平均磷浓度高于贡湖，但引入的水普遍含有60%以上的颗粒态磷[15]，因沉淀作用其总磷浓度在入湖后迅速下降到与贡湖相当或低于贡湖的水平[16]。值得注意的是，由于望虞河水环境综合治理和支流污染控制，自2020年以来引江济太的入湖平均总磷浓度下降到低于贡湖的水平[17]。引江济太工程通过加强水体交换和营养盐稀释，大幅提升了贡湖饮用水源地的自净能力。由于为太湖带入了额外的磷负荷，引江济太工程只能作为提高水位、降低水华风险或改善饮用水源地水质的应急调控措施。如果入湖磷浓度未降低到合理水平，调水可能会对太湖富营养化管理构成威胁。

尽管引江济太为太湖带入了额外的磷负荷，但太湖蓝藻水华的加剧应归因于区域极端气候异常加剧导致的湖泊富营养化[18]。流域尺度的洪水带来的高通量入湖营养盐和有利于蓝藻繁殖的暖冬协同推动了太湖蓝藻水华的密集暴发。在2011年以来冬季温度持续升高和2016年太湖流域大洪水导致入湖总磷负荷急剧上升的协同作用下，2016年夏季太湖出现了面积为936 km²的创纪录蓝藻水华，2017年5月突破至1400多平方公里[19]。令人惊讶的是，同年望虞河只贡献了太湖入湖磷负荷总量的0.6%，与2015年相比贡湖（受纳湖区）的磷负荷出人意料地下降了2.6 t（附录A中的图S6）。此外，引江济太工程通过增加水资源有效供给提升了水资源管理水平，为太湖流域生态用水和经济用水需求提供了保障。引江济太工程阻止了干旱季节和气候异常情况下太湖和区域河网的水位下降，避免了太湖水位下降至2.80 m以下（干旱限制水位）。引江济太工程还提升了水环境承载能力，太湖流域受益面积超过2×10⁴ km² [17]。

综上所述，虽然近年来引江济太工程向太湖引入了外源磷负荷，但总量和比例有限，而且不是导致太湖磷浓度上升的原因。太湖较高的磷浓度应首要归因于湖西区本地磷负荷输入量上升。引江济太工程在改善水环境、缓解饮用水源地蓝藻水华、提高太湖流域供水和防洪能力方面发挥了重要作用，为太湖流域社会经济可持续发展提供了支撑。未来太湖入湖磷负荷削减应重点关注湖西区本地磷负荷削减：①前置湖泊（滆湖和长荡湖）、上游河网和排污管道的磷存量削减；②流域层面磷负荷溯源解析，污水处理厂污水排放标准提升，湖西区涉磷工业废水、生活污水和农业尾水更严格的磷排放削减；③长江引水全方位监测和管理，特别是禁止引水冲污。

参考文献

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