2018, Vol. 38
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2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
悬浮物在河流湖泊水体中广泛存在, 其含量的多少影响到光在水体中的传播(张运林等, 2004), 进而影响着水生生态环境, 最终决定了湖泊初级生产力.太湖是大型浅水湖泊, 其透明度与水体中的悬浮物浓度显著相关(秦伯强等, 2014), 悬浮物对水下光照衰减的贡献可达70%~90%(Zhang et al., 2007).大量的研究成果已经较为清晰地揭示了风浪扰动下太湖悬浮的沉降、再悬浮、输移等物理过程, 加深了人们对太湖悬浮物时空变化的认识(李一平等, 2017；逄勇等, 2008).除了来自沉积物再悬浮的内源释放, 太湖西部的入湖河流也会携带大量悬浮物入湖, 不仅影响湖体悬浮物总量及输移过程, 悬浮物中的氮、磷也会增加入湖污染负荷(金晶等, 2017).当前开展了大量有关太湖入湖河道氮(郭加汛等, 2017；吕学研等, 2016；吴庆乐等, 2015)、磷(高永霞等, 2016)、有毒有害物(易娟等, 2016；查慧铭等, 2018)浓度的时空变化, 以及太湖(何锡军等, 2012；燕姝雯等, 2011；翟淑华等, 2006)、滇池(李乐等, 2016)、巢湖(唐晓先等, 2017)等大型湖泊的氮、磷入湖通量研究, 而关于入湖河道悬浮物浓度变化及入湖速率方面研究较少.太湖西部出入湖河道流量变化复杂(何锡军等, 2012), 本文基于逐月的水文与悬浮物同步观测, 研究了出入湖河道的悬浮物浓度时空分布及输移速率变化特征, 以期加深对太湖外部悬浮物输入的认识, 为太湖水环境治理提供重要参数.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域太湖出入湖河道(溇港)228条, 其中河道口门敞开的有62条, 主要分布于太湖西部.本文选取21条主要河道为研究对象, 其中13条位于江苏境内, 8条位于浙江境内(图 1).望虞河受引江济太调度影响较大, 同时距离西部湖区相对较远, 本研究未将其纳入研究范围.为了探讨湖体悬浮物浓度对入湖河道的响应, 本文收集了近岸湖体的同期悬浮物浓度数据进行对比分析, 河道与湖体采样点空间分布如图 1所示.
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| 图 1 环太湖河道监测断面及湖体采样点(注:Yp雅浦港, Bd百渎港, Yc, 殷村港, St沙塘港, Sd社渎港, Gd官渎港, Hx洪巷港, Cd城东港, Dp大浦港, Zd朱渎港, Hd黄渎港, Wx乌溪港, HX合溪新港, Cx长兴港, Yj杨家浦港, CD长兜港, Dq大钱港, Hl幻溇港, Pl濮溇港, Tl汤溇港, Tp太浦河；加粗黑线代表浙江境内岸线, 其他为江苏境内岸线) Fig. 1 Monitoring sections of the rivers and suspended solids sampling sites of Lake Taihu |
2014年1月14—15日、2月25—26日、3月26—27日、4月26—27日、5月25—26日、6月20—21日、7月23—24日、8月26—27日、9月26—27日、10月25—26日、11月26—27日、12月26—27日分别对21条河道进行了逐月流量观测和悬浮物样品采集.流量采用SonTek River Surveyor M9走航式流速仪进行观测, 获取观测河道的断面形态、流量、平均流速信息.在每个观测断面进行4次观测, 取其流量平均值.
进行流量观测的同时, 利用采水器在河道中间位置进行水样采集, 采样深度为水面以下20 cm, 采集水样1 L.水样当天带回至太湖湖泊生态系统研究站利用烘干至恒重的0.45 μm滤膜进行抽滤, 待其自然干燥后以104 ℃恒温烘干.参照烘干称重法(GB11901-89标准)进行悬浮物(SS)浓度的测量与计算.太湖水体中的6个测点SS浓度数据来源于太湖湖泊生态系统国家野外观测研究站常规监测, 采样时间为2月、5月、8月和11月, 分析方法同上.
2.3 统计分析根据太湖西部河道水流出入湖的空间规律, 将雅浦港往南至乌溪港之间的12条河道归类为入湖河道, 合溪新港往南至太浦河的9条河道归类为出湖河道.相应的, 将太湖L1、L2、L3号点的SS浓度进行平均, 代表西北湖区, L4、L5、L6号求平均代表西南湖区.
引入SS输移速率指标VSS代表每秒种输入太湖的SS质量(g·s-1).河道i的SS输移速率VSSi用式(1)计算.
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(1) |
式中, cSSi为河道i的SS浓度(mg·L-1), Qi为流速仪观测的流量(m3·s-1).将21条河道的同期VSS累加, 即得到当前月份的总输移速率VSST, 对12个月的VSST求平均, 即得到年均输移速率.用相同方法计算入湖河道和出湖河道的输移速率.
利用Pearson相关性统计分析, 探讨各河道SS浓度与流量的相关性、输移速率与浓度和流量的相关性、SS入湖速率与近岸湖体SS浓度的相关性.利用One-way ANOVA进行95%置信度水平下的单因素方差分析, 探讨入湖河道和出湖河道在流量、SS浓度和SS输移速率方面的差异性.p＜0.05代表具有显著性.
3 结果(Results) 3.1 流量环湖河道流量变化如图 2所示, 入湖河道和出湖河道的平均流量表示出显著性差异(p＜0.01).年内最大入湖流量为162.2 m3·s-1(7月, 城东港), 年均最大入湖流量为城东港84.1 m3·s-1, 其次是百渎港32.8 m3·s-1.最大出湖流量为225 m3·s-1(5月, 太浦河), 年均出湖流量最大同样为太浦河73.1 m3·s-1, 其次是长兜港24.7 m3·s-1.枯季(1月、12月)出湖河道数量和总出湖流量相对较大, 春汛和梅雨季节西南部河道向太湖排水, 因此入湖河道数量和流量增加.环湖河道流量的时空多变性增加了SS输移过程的复杂性.
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| 图 2 太湖西部环湖河道流量变化 Fig. 2 Variations of amount of SS in inflow from the rivers around western Lake Taihu |
太湖西部环湖河道入湖SS浓度介于1.2 ~158.1 mg·L-1, 出湖SS浓度介于0.4 ~189.2 mg·L-1, 总体而言出湖浓度略高于入湖浓度.SS浓度较大的幻溇港、大钱港、长兜港和濮溇港最大浓度分别可达189.2、181.7、168.9和165.3 mg·L-1, 均发生在出湖期间.入湖河道SS浓度变幅相对较小.
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| 图 3 太湖西部环湖河道SS浓度变化趋势 Fig. 3 SS concentrations of the rivers around western Lake Taihu |
入湖河道SS浓度受上游来水及沿岸土地利用形态、降雨冲刷强度、污染排放等因素影响, 而出湖浓度主要取决于河口附近太湖水体的SS浓度.对比出、入湖浓度年内变化发现(图 4), 出湖浓度在1月2月和12月较高, 平均浓度为114.8、72.6和44.5 mg·L-1, 高于同期入湖平均浓度.表明枯季太湖水体夹杂大量的SS从长兜港至太浦河区间的河道排出太湖.3—11月期间出湖浓度回落并在较小的范围内波动, 平均出湖浓度不超过25.4 mg·L-1, 低于同期入湖浓度.与出湖浓度的季节性变化相比, 入湖浓度相对稳定, 在11.7 mg·L-1和43.1 mg·L-1之间波动.入湖河道和出湖河道SS年内变化存在一定差异, 但并不具有显著性(p=0.505).
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| 图 4 太湖西部环湖河道出湖和入湖SS浓度变化趋势 Fig. 4 SS concentrations of the rivers around western Lake Taihu |
分析结果表明, 环湖河道出入湖流量和SS浓度存在较大的时空差异, 而SS的出入湖输移速率受二者综合影响.最大SS输入速率为12000.9 g·s-1, 最大输出速率可达到23399.7 g·s-1(图 5).SS主要通过城东港和百渎港进入太湖, 平均输入速率3003.6 g·s-1和940.9 g·s-1, 在总输入速率中分别占比38.7%和12.1%；通过长兜港、太浦河和大钱港输出太湖, 平均输出速率2440.1、1347.9和643.7 g·s-1, 在总输出速率中分别占比44.9%、24.8%和11.9%.入湖河道总输入速率6611.9 g·s-1, 出湖河道总输出速率5322.4 g·s-1, 太湖西部河道净输入速率1289.5 g·s-1.
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| 图 5 太湖西部环湖河道SS输移速率变化趋势 Fig. 5 Transport rate of SS of the rivers around western Lake Taihu |
太湖西部河道SS总输移速率存在较大年内变化, 1月和12月总输移速率分别为-41073.6 g·s-1和-5168.6 g·s-1, 净通量为输出.其他月份总输移速率介于2281.9 ~11493.5 g·s-1, 净通量为输入.入湖河道和出湖河道输移速率的年内变化存在显著性差异(p=0.014).
4 讨论(Discussion) 4.1 SS输移的影响因素统计各河道SS浓度和流量相关性, 发现各入湖河道SS浓度随流量增加均有下降趋势, 虽然相关性并不显著, 但一定程度上表明陆域水文过程对太湖西部各河道SS起到一定的稀释作用.朱渎港、沙塘港、社渎港、百渎港等上游来水流经村镇、农田(王倩等, 2017), 河道SS浓度平均值较高, 但降雨过程并未造成更高SS浓度的径流汇入河道.洪巷港、城东港上游主要为城区来水, SS浓度相对较低, 流量的增加进一步降低了河道的SS浓度.统计分析SS输移速率和流量、SS浓度的相关性(表 1), 发现主要的入湖河道城东港、百渎港、殷村港、沙塘港、官渎港、黄渎港等SS输移速率与SS浓度显著相关(p＜0.05), 表明降低SS浓度可以显著降低入湖负荷.雅浦港、大浦港SS输移速率与流量显著相关(p＜0.05), 受SS浓度影响相对较小.年内出入湖性质多变的河道乌溪港、合溪新港、新塘港、杨家浦和长兜港SS输移速率显著受流量变化影响(p＜0.05).
| 表 1 各河道SS输移速率与流量、SS浓度相关性统计 Table 1 Pearson correlation analysis of SS transport rate, concentrations and flow amount of each river |
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太湖生态类型存在显著的东西差异, 西太湖以蓝藻为主要初级生产者, 水生植被现存量较低, 水体SS浓度高.太湖水动力模拟和物质输移研究成果表明, 少部分SS输移至太湖东部经胥江等东部河道输出, 大部分由西往南经长兜港、太浦河输出(Hu et al., 2006).虽然太湖SS浓度主要受风浪扰动控制(逄勇等, 2008；祁闯等, 2017), 与入湖输移速率不具显著相关性(p＞0.05), 但1289.5 g·s-1的净输入速率依然增加了太湖西部SS入湖负荷.入湖河道以6611.9 g·s-1的速率向太湖输入SS, 输入的SS少部分沉降落淤, 大部分随波流进入物质迁移, 增加了西部近岸区的SS浓度.SS输入速率在夏季和秋季较大, 而西北湖区和西南湖区在夏季、秋季SS本底浓度为年内最低(图 6), 如果入湖SS输移速率得到有效控制, 对于降低西部湖区SS浓度, 改善近岸水生植被潜在恢复区的光照条件具有积极作用.
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| 图 6 太湖西部河道SS输移速率与西部湖区SS浓度同期对比 Fig. 6 Variations of transport rate of SS of the rivers and western Lake Taihu |
1) 太湖出湖SS浓度在1月、2月、12月高于同期入湖平均浓度, 3—11月期间出湖浓度回落并低于同期入湖浓度.与出湖浓度的季节性变化相比, 入湖浓度相对稳定.入湖河道和出湖河道SS浓度年内变化存在一定差异, 但并不具有显著性.
2) 太湖西部SS主要通过城东港和百渎港进入太湖, 年平均输入速率3003.6 g·s-1和940.9 g·s-1, 占太湖西部河道总输入速率的38.7%和12.1%；通过长兜港、太浦河和大钱港输出太湖, 年平均输出速率分别为2440.1、1347.9和643.7 g·s-1, 分别占总输出速率的44.9%、24.8%和11.9%.
3) 入湖河道和出湖河道SS输移速率年内变化存在显著性差异, 年平均总输移速率分别为6611.9 g·s-1(输入)和5322.4 g·s-1(输出), 净输入速率1289.5 g·s-1.
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