田丰彦，陈瑞弘，毛凌晨，陶 红，李飞鹏,*
(1.上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093；
2.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200439)
太浦河是太湖流域综合治理的十大骨干工程之一，是连接太湖和黄浦江的主要通道，主要承接太湖洪水和杭嘉湖涝水，具有防洪、排涝、供水、灌溉、航运、改善水环境等综合效益。随着长三角一体化发展上升为国家战略，以及长三角生态绿色一体化发展示范区的布局落地实施，横跨核心示范区的太浦河被定位为一级清水绿廊，对环境质量的要求也越来越高。太浦河上游与东太湖水源、东太湖应急备用水源相连，下游与上海金泽水库、嘉善长白荡饮用水源保护区相连。因此，在对太浦河两岸生活、生产和农业活动等点源和面源污染的长期控制与削减下，作为水源型河道重点关注的氨氮等指标基本被控制在Ⅱ～Ⅲ类[1]。但是，总氮(TN)和总磷(TP)依旧距稳定达到地表水环境质量Ⅲ类水的目标差距较大[2]。因此，厘清太浦河TN和TP超标的原因并控制氮、磷的输入对太浦河水质保障至关重要。
平原河网地区河湖密布，污染物通过河流汇聚湖泊或湖泊内源污染造成河网氮、磷富集现象频繁发生。陆昊等[3]的研究表明，面广量大的城镇和农业面源污染导致的太湖流域河湖水质TN和TP超标，已成为区域河湖富营养化和水华的特征污染指标。因此，河湖系统中，明晰流域TN和TP的时空分布特征并进行协同治理已成为当前的共识[4-6]。分析河湖水体和沉积物中主要污染物的时空分布特征及污染来源是河湖富营养化防治的前提，多数研究发现连通湖泊水质的时空分布受主干河道和人为污染源影响较大。例如，张晓婕等[7]发现阳澄湖水质的TN浓度与入湖河流的TN浓度以及湖体水生植物周期性生长旺盛和腐烂分解情况保持一致，这是受上游来水和水体自净能力共同影响。Crocker等[8]对英格兰西塞古莫尔沟渠系统沉积物中磷的研究发现，沉积物磷的较高含量在沼泽北部、关键进水口和出口附近的农场，表明不同土地管理会显著影响沟渠表层沉积物磷的含量。但是，目前研究多关注于河湖系统水体、沉积物中氮、磷及痕量金属元素[9-13]以及污染较为突出的水体[14]，一定程度上忽略了相对清洁河流的水质改善，针对沉积物的研究偏重于大型河流的研究。
平原河网地区，相通河湖往往是干流点源、面源输入的中间过程和重要纽带[15]。尽管已有研究对太浦河干流的水质状况及沉积物(Sb、Mo及富营养状况等)污染进行了报道[16]，但对太浦河周边重点相通湖泊的TN和TP污染的关注还较少，相通湖泊污染状况及其与太浦河水质的关联性仅停留在定性程度。因此，本文以太浦河及其5个典型的相通湖泊为研究区域，通过分析水体和沉积物中TN和TP在不同水文时期的空间分布特征，讨论河流及其相通湖泊水质和底质特征的相关性，揭示潜在的TN和TP输入途径，以期为控制太浦河周边湖泊的氮磷输入以及保障太浦河下游水源地水质安全提供理论基础。
1.1 研究区域
太浦河属于太湖流域的平原河网地区，起于东太湖，终至黄浦江，全长为57 km。太浦河地势平坦，多为松散的第四系覆盖层，基岩裸露面积小，平均流量为300 m3/s，流速为0.03～0.33 m/s[16]。太浦河与周边水网紧密相连，流经205个湖泊，主要河流有京杭运河、太浦河、澜溪塘、麻溪、頔塘等。其中，京杭运河由北向南流动，与太浦河交汇；
澜溪塘和頔塘分别由南向北和西向东交汇于莺脰湖，莺脰湖引出的水量分别从东北口流向太浦河和从东南口进入运河盛泽段，在王江泾偏北与麻溪交汇后经王江泾进入浙江嘉兴境内。京杭大运河在平望镇与太浦河相交，加之湖泊相通，形成复杂的水流交汇区；
太浦河南北两岸的大运河分别承接的杭嘉湖地区和苏南地区洪水，均汇入太浦河，下泄黄浦江，大运河起着水量调节和转承作用。此外，平原河网流向不定，取决于水位。例如，当京杭大运河水位高于太浦河时，水会进入到太浦河；
而当太浦河水位高于京杭大运河时，水会进入京杭大运河。因此，太浦河水质与相通河流和湖泊间存在着必然的关联性。
根据代表性的原则，考虑区域功能性，对太浦河及其5个典型相通湖泊进行了密集采样。在太浦河干流布设9个采样点，5个湖泊布设15个采样点，如图1所示。分别于2021年枯水期(1月)、平水期(4月)和丰水期(7月)分别采集了地表水样品以及表层沉积物样品，采样过程中采用便携式多参数水质监测仪(EXO2，YSI美国)对温度、pH、氧化还原电位、溶解氧、叶绿素、浑浊度、荧光性溶解有机物、电导率等理化性质进行了测定。每个点位采集水样500 mL，置于保温箱中低温保存，并在48 h内完成各指标的分析测定。沉积物采集2 kg(湿重)，封装在干净的自封袋中低温保存，经过冷冻干燥、研磨过筛(60、100目)等预处理工作后保存待测。
图1 太浦河干流及其相通湖泊采样点布设示意图
1.2 试验方法
水样和沉积物样品测定参照国家和行业标准方法。其中，水质氨氮浓度采用《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)测定，水质TN浓度采用《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)测定，水质TP浓度采用《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB 11893—1989)测定；
沉积物中TN和TP含量分布参照《土壤检测 第24部分：土壤全氮的测定 自动定氮仪法》(NY/T 1121.24—2012)与《土壤 总磷的测定 碱熔-钼锑抗分光光度法》(HJ 632—2011)的方法测定。
1.3 数据分析
采样点分布绘图采用ArcGIS Desktop软件，试验数据处理和相关性分析采用Origin 2019b软件、SPSS 23.0软件进行处理。
1.4 质量控制
为确保分析过程的准确性和可靠性，样品测定过程中，通过标准物质和平行样测定进行质量控制，平行样品检测的相对标准偏差控制小于10%。
2.1 地表水理化性质
表1为太浦河干流及其相通湖泊现场监测指标的基本理化性质统计。各理化性质在平水期、丰水期差距明显(p<0.01)。太浦河干流和各个湖泊中的溶解氧、pH、叶绿素a、电导率在平水期均高于丰水期，而荧光性溶解有机物在丰水期高于平水期。从空间上看，太浦河的浑浊度、荧光性溶解有机物以及电导率指标均优于相通湖泊。
表1 水质现场测试的基本理化性质统计
2.2 水质氨氮、TN和TP时空分布特征
太浦河干流及相通湖泊水质氨氮的时空分布如图2所示。太浦河干流氨氮质量浓度在0.02～0.93 mg/L，上游水质较好，点位TP7浓度较高，可能与杨家荡沿线的农业面源污染有关。相通湖泊氨氮质量浓度在0.04～0.95 mg/L。太浦河干流及其相通湖泊的氨氮浓度均未超过地表水环境质量Ⅲ类标准限值，整体情况良好，因此，本文不对氨氮作深入讨论。
图2 (a)太浦河干流及(b)相通湖泊水质氨氮浓度的时空分布
太浦河干流及相通湖泊水质TN的时空分布如图3所示。太浦河干流多数点位及其相通湖泊的TN浓度均超过地表水环境质量Ⅲ类标准限值。太浦河干流TN的平均质量浓度为1.70 mg/L，在0.16～4.16 mg/L，上游水质相对较好，澜溪塘汇入后对水质TN影响较大；
相通湖泊中TN质量浓度在0.16～4.3 mg/L，莺脰湖浓度最高，平均质量浓度达到2.60 mg/L，其次为杨家荡、草荡、汾湖和雪落漾。从不同的水文时期来看，太浦河干流TN质量浓度在枯水期为2.40 mg/L，平水期为1.60 mg/L，丰水期为1.30 mg/L；
湖泊TN在枯水期均值为2.90 mg/L，平水期为1.80 mg/L，丰水期为1.90 mg/L，湖泊中TN浓度略高于太浦河干流。总体上，枯水期太浦河和相通湖泊的TN浓度最高，丰水期太浦河、雪落漾、杨家荡、汾湖等河湖TN浓度相对较低，可能与枯水期流量小、生化反应速率慢等因素有关[17-18]。
图3 (a)太浦河干流及(b)相通湖泊水质TN浓度的时空分布
图4为太浦河干流及其相通湖泊水质TP浓度的时空分布。太浦河干流的TP平均质量浓度为0.10 mg/L，在0.01～0.26 mg/L，自上游至下游浓度总体呈升高趋势；
相通湖泊内的TP平均质量浓度为0.14 mg/L，要略高于太浦河，在0.01～0.33 mg/L，杨家荡浓度最高，平均质量浓度达到0.19 mg/L，其次为莺脰湖、草荡、汾湖和雪落漾。从不同的水文时期来看，太浦河干流枯水期TP平均质量浓度为0.05 mg/L，平水期和丰水期平均值为0.13 mg/L，除平水期两个点位未达到地表水质量Ⅲ类标准(河流)外，其余均达到Ⅲ类标准；
相通湖泊TP平均质量浓度在枯水期为0.03 mg/L，平水期为0.17 mg/L，丰水期为0.18 mg/L，河湖TP在枯水期最低，与TN的时期变化相反。平水期、丰水期河湖TP浓度明显升高，这可能与降雨量升高有关，降雨径流冲刷并携带污染物流入河湖，导致了季节性的TP含量升高[19]。
图4 (a)太浦河干流及(b)相通湖泊水质TP浓度的时空分布
从太浦河干流的TN和TP空间分布来看，上游(TP1、TP2、TP3)所在的太浦河氮、磷浓度较低，有京杭运河等较大汇水区的中游(TP4、TP5、TP6)稍有升高，下游(TP7、TP8、TP9)浓度也明显偏高。与上游相通的大型湖泊雪落漾，属于城郊湖泊，主要支流自南向北流动，直接与太浦河相通。流域范围内有雪落漾湿地，湿地植物相对丰富，受人为活动干扰较小[20]，氮、磷浓度相对较低；
草荡、莺脰湖属于城镇湖泊，通过京杭运河支流向北流动，与太浦河中游(TP4、TP5)相连，由于两个湖泊周边城镇较多，开发利用程度高，受人类活动干扰强烈，湖泊及相通的太浦河水质较差；
太浦河与杨家荡直接相通，杨家荡属于农村湖泊，沿线分布着大量农田和养殖塘，受农业面源和大型河流汇水的影响[21]，可能对TP7、TP8、TP9的水质影响较大；
TP9下游的汾湖，属太浦河过水性湖泊，经过汾湖时，断面面积增大，水流流速变缓，氮、磷等物质更易沉降，因此，汾湖水质比TP9点位的水质略好。周边湖泊通过直接相通、贯穿或主要支流汇入的方式与太浦河相通，会对太浦河水质产生较大影响。
2.3 采样点表层沉积物TN、TP时空分布特征
图5为太浦河干流和相通湖泊表层沉积物中TN的时空变化趋势。太浦河干流表层沉积物中TN的平均质量分数为580 mg/kg，在168～1 068 mg/kg，上游含量较高，中下游略低；
相通湖泊沉积物TN的平均质量分数为632 mg/kg，在168～1 421 mg/kg，雪落漾含量最高，平均质量分数达到1 037 mg/kg，其次为草荡、汾湖、杨家荡和莺脰湖。从水文时期变化来看，太浦河干流沉积物中TN在枯水期平均值为537 mg/kg，平水期为522 mg/kg，丰水期为686 mg/kg，丰水期沉积物TN含量略高；
5个相通湖泊沉积物中TN含量枯水期为631 mg/kg，平水期为499 mg/kg，丰水期为766 mg/kg，雪落漾丰水期含量最高,达1 037 mg/kg。总体上，太浦河上游TP1～TP3、雪落漾在丰水期沉积物中TN的含量明显高于其他点位，很可能与区域丰富的围网养殖历史有关。目前，雪落漾湖面已退渔还湖，但历史上曾有多达 60 多亩(1亩≈667 m2)的围网养殖区域，长期投放过度的饵料，并且鱼类排泄物较多[22]，导致湖底沉积物累积了较高含量的氮磷，因此，雪落漾的内源污染负荷及其对太浦河水质的潜在影响应予以重视。
图5 (a)太浦河干流及(b)相通湖泊表层沉积物中TN含量的时空分布
太浦河干流和相通湖泊表层沉积物中TP的时空变化如图6所示。太浦河表层沉积物TP的平均质量分数为759 mg/kg，在284～1 057 mg/kg；
5个相通湖泊沉积物中TP平均质量分数为803 mg/kg，在400～1 259 mg/kg，杨家荡含量最高，平均质量分数达到918 mg/kg，其次为莺脰湖、草荡、汾湖和雪落漾；
雪落漾沉积物TP含量较低，TP1中TP含量也较低；
草荡、莺脰湖、杨家荡较高，与它们相通的太浦河上的TP1、TP4、TP5、TP7都有不同程度的升高，这可能与局部区域京杭大运河与太浦河水流交汇区复杂的水动力因素有关。从水文时期来看，太浦河干流沉积物枯水期平均值为714 mg/kg，平水期为840 mg/kg，丰水期为723 mg/kg；
相通湖泊沉积物中TP含量在枯水期为669 mg/kg，平水期为886 mg/kg，丰水期为854 mg/kg，太浦河与5个相通湖泊的表层沉积物的TP含量变化趋势一致，平水期略高，枯水期较低。
图6 (a)太浦河干流及(b)相通湖泊表层沉积物中TP的时空分布
2.4 水质与表层沉积物中TN和TP含量的相关性分析
采用皮尔逊相关系数显著性检验，对太浦河及相通湖泊上水质氨氮、TN和TP浓度、理化性质以及表层沉积物中TN和TP含量进行相关性分析，如表2所示。结果表明：水质氨氮和TN浓度、氧化还原电位、叶绿素a、荧光性溶解有机物呈显著正相关，和溶解氧、电导率呈显著负相关，说明水中氨氮含量受水体的理化性质影响较大；
水质TN和表层沉积物TN有一定的负相关性(p<0.05)，与荧光性溶解有机物呈显著正相关；
水质TP和表层沉积物TP呈显著正相关(p<0.01)，在特定环境条件下，太浦河及其相通湖泊中水相与沉积物之间的吸附-解吸平衡对水体磷的浓度影响较大[23]。表层沉积物富集的大量营养物质，在动力扰动的湍流扩散作用以及浓度分子扩散作用下，又会重新释放到水体中，影响上覆水的水质[24]。同时，氮、磷在沉积物-水体界面的迁移和交换是一个复杂的生物化学过程，会受到多方面条件的影响，如电导率、氧化还原条件以及水动力变化引起的沉积和再悬浮过程导致的氮、磷累积和释放[25]。
表2 水质理化性质、TN、TP浓度与表层沉积物中TN、TP含量的相关性 (n=78)
(1)太浦河干流及相通湖泊的主要污染物为TN和TP，干流多数点位TN及个别点位的TP浓度、相通湖泊的多数点位TN和TP浓度均超过地表水环境质量Ⅲ类标准限值，水质TN和TP浓度总体上在太浦河上游浓度较低，下游浓度较高；
TN浓度在枯水期最高，TP浓度在枯水期最低。太浦河水质受相通湖泊的影响小于京杭运河等大型河流交汇的影响。
(2)太浦河干流表层沉积物中TN的平均质量分数为580 mg/kg，上游含量较高，中下游略低，可能与雪落漾等周围相通湖荡丰富和围网养殖有关；
相通湖泊沉积物TN含量雪落漾最高；
太浦河表层沉积物TP的平均质量分数为759 mg/kg，湖泊TP含量变化与河流相通的位置一致，中游较高的TP含量可能与局部区域京杭大运河与太浦河水流交汇区复杂的水动力因素有关。丰水期沉积物TN含量较高，平水期TP含量较高。
(3)相关性分析结果表明，太浦河及其相通湖泊水质TP浓度和表层沉积物TP含量呈显著正相关(p<0.01)，水质TN和表层沉积物TN有一定的负相关性(p<0.05)，特定环境条件下水相与沉积物之间的吸附-解吸平衡在对水体磷的浓度有一定的影响。
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