0 前言

太湖作为中国第三大淡水湖，其流域内人口密度和人均国内生产总值(GDP)均较高。以2017年为例，流域内人口数占全国总人口的4.4%，人均GDP是全国人均GDP的2.2倍^[1]。随着人口增长和经济的快速发展，太湖流域污染问题日益严重^[2]，目前能够有效改善湖泊水环境质量的方式主要为内源治理和外源控制，其中以外源污染控制最为关键^[3]。国内学者们针对外源污染控制已开展大量研究，逄勇等^[4]监测环太湖25条主要入湖河流水质，计算并分析不同季节外源污染输入对太湖营养物质的贡献量；许梅等^[5]以太湖西部的1条入湖河流为研究对象，对其主要污染物的年内变化规律进行了分析；胡小贞等^[6]以流经不同类型缓冲带的入湖河流为对象，研究外源污染排入对流经缓冲带的入湖河流水质影响；谢艾玲等^[7]基于环太湖13条主要入湖河流水量和水质监测资料，分析了入湖河流污染负荷对湖区水质时空变化的影响；余丽燕等^[8]以入湖的4类典型河流为例，分析氮磷浓度对湖泊水体富营养化程度的影响。相关研究均集中在湖泊近岸带或某几条河流，而太湖污染是入湖河网内污染物逐渐聚集和输入的结果，单一空间尺度或特定水文时期的研究难以为行政区域全面开展污染源治理和削减入太湖污染负荷提供有力支撑。因此，开展大尺度、多断面的入湖河网水质时空分布研究，显得尤为重要。

太湖污染物主要来源于湖西区和浙西区^[9]，现选取浙西区主要河网水系(长兴县入太湖的泗安塘-合溪-乌溪河网)为研究对象，按照入湖河网片区分布设置高密度水质监测点，测定水体中水温、pH值、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(COD_Mn)、氨氮(NH₃-N)、总磷(TP)、总氮(TN)和叶绿素a等指标，并利用空间聚类法、水质标识指数法分析河网水质在丰水期和枯水期的时空分布规律，以期为改善浙西区入湖河网水质和治理湖泊营养化提供参考。

1 研究方法 1.1 研究区域概况

长兴县(119°33′ —120°06′E，30°43′ —31°11′N)位于太湖流域浙西区，地势起伏，三面环山形似簸箕状，总趋势自西北和西南逐渐向东部太湖倾斜，大部分地面高程为2~50 m，自南而北分布有浙西区的主要入湖水系: 泗安溪-合溪-乌溪水系。县域内农业种植以稻-麦为主，农作物施肥量较大，不同水文时期入河污染量对河网水质和太湖近岸水体水质影响较大。

1.2 采样时间

分别于2018年8月(丰水期)和2019年1月(枯水期)对入太湖河网的水文、水质进行监测。

1.3 采样点位

为保证监测结果能反映和比较河网内不同区域水质的空间差异，将长兴入太湖河网划分为水源区、河网区、西苕溪区和入湖区4个片区，共布置18个水文、水质监测点位，长兴入太湖河网监测点位及评价片区划分示意见图 1。

1.4 样品采集

在丰水期和枯水期，对18个监测点位的流量、水位和水质按照每2 h一次的频率进行监测，每个点位连续采集4组样品数据，共采集144组样品数据。流量、水位监测使用河流型多普勒流速剖面仪(ADCP 600k/1200k，上海华测导航技术股份有限公司)进行走航式测流。水质采样参照《水质采样技术指导》(HJ 494—2009)，在每个监测断面的中间点位采集表层水样，现场利用水质多参数仪(JPB607A，上海仪电科学仪器股份有限公司)测定水温、DO和pH值指标，实验室内COD_Mn使用酸性高锰酸钾法测定，NH₃-N、TP、TN的测定使用连续流动分析仪(SAN++型，荷兰Skalar公司)，叶绿素a使用热乙醇提取法测定。水质样品的采集、保存、运输及测定方法均参照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)执行。

1.5 数据分析 1.5.1 空间聚类分析

在水质评价中，空间聚类分析方法根据水质指标类型间的亲疏程度，以逐次聚合的方法，将性质最接近的水质型指标结合在一起直到聚成一类，以直观地体现水质型指标在空间上的差异性及相似性。本研究采用应用较为广泛的空间聚类分析^[10]，其思路是将欧氏距离平方作为标准，先将n个样品看成n类，然后将性质最为接近的2类合并为1类，得到(n-1)类，然后再从这些类中找出性质最为接近的2个类合并为(n-2)类，重复以上步骤，依次将所有类别逐级合并^[11]。现将水质指标分为耗氧污染物类(DO、COD_Mn及NH₃-N)、营养盐类(TN、TP)和叶绿素a 3类进行聚类分析。空间聚类分析使用SPSS 19.0软件完成。

1.5.2 水质标识指数评价

采用水质标识指数对水质进行评价^[12]，其计算公式为：

$ X_1 \cdot X_2=\frac{1}{m} \sum\left(P_1^{\prime}+P_2^{\prime}+\cdots+P_m^{\prime}\right) $

(1)

式中：X₁.X₂——综合水质标识指数核心数值，无量纲，指代的综合水质级别见表 1；X₁——河流总体的综合水质类别；X₂——综合水质在X₁类水质变化区间内所处位置；m——参加综合水质评价的单因子水质指标数目；P′₁，P′₂，P′_m——第1，2，m个水质指标的单因子水质标识指数，是仅对某个水质指标的标识指数，其判定方法与X₁.X₂的确定相似。

2 结果与分析 2.1 流域水质时空分布特征

不同时期的水文和水质指标统计情况见表 2。由表 2可见，长兴入太湖河网水体总体呈现弱碱性，丰水期和枯水期水质指标差异性显著。水体中ρ(DO)的在丰水期和枯水期的平均值分别为5.36和11.16 mg/L，根据《GB 3838—2002》，其分别属于Ⅲ类和Ⅰ类；ρ(COD_Mn)在丰水期和枯水期的平均值分别为3.55，2.85 mg/L，均属于Ⅰ类；ρ(NH₃-N)、ρ(TP)在丰水期的平均值分别为0.19，0.06 mg/L，在枯水期的平均值分别为0.22，0.04 mg/L，均属于Ⅱ类；ρ(TN)在丰水期和枯水期的均值分别为2.24，3.49 mg/L，均劣于Ⅴ类。

长兴入太湖河网不同片区水质指标统计情况见表 3。由表 3可见，从水文时期来看，长兴入太湖河网不同片区NH₃-N和TN指标的质量浓度均值整体呈现枯水期较丰水期高的特征，而COD_Mn、TP指标则呈现丰水期较枯水期高的特征。从空间上看，入湖区的COD_Mn、NH₃-N、TP、TN、叶绿素a均表现为在丰水期和枯水期的质量浓度显著高于其他片区的特征，按照单因子富营养指数评价^[13]，入湖区水体易达到中度富营养化。

2.2 空间聚类分析

耗氧、营养盐和叶绿素a指标空间聚类结果见表 4。各点位水质指标空间聚类分析示意见图 2(a)(b)(c)，聚类结果中各组浓度以平均值计。由表 4和图 2(a)可见，耗氧污染物指标中O1类聚集了ρ(COD_Mn)呈中等浓度且ρ(DO)值较低的点位；O2类聚集了ρ(DO)较高，ρ(COD_Mn)较低点位；O3类聚集了ρ(DO)值最高，ρ(COD_Mn)和ρ(NH₃-N)均最低的点位；O4类为ρ(DO)最低，ρ(COD_Mn)和ρ(NH₃-N)均最高的点位，整体呈现水源区>西苕溪区>河网区>入湖区的分布特征(“>”为“优于”含义，下同)。由表 4和图 2(b)可见，营养盐指标中N1类聚集了ρ(TP)、ρ(TN)均相对较高的点位；N2类聚集了ρ(TP)、ρ(TN)均相对较低的点位；N3类聚集了ρ(TP)、ρ(TN)均最低的点位；N4类聚集了ρ(TP)、ρ(TN)均最高的点位，整体也呈现水源区>西苕溪区>河网区>入湖区的分布特征。由表 4和图 2(c)可见，叶绿素a指标中a1、a2、a3、a4类分别聚集了浓度值从高到低的点位。

2.3 水质评价与污染物特征分析

利用综合水质标识指数对长兴入太湖河网进行水质评价，评价结果见图 3(a)(b)。由图 3(a)可见，丰水期的水质除个别点位为劣Ⅴ类，其他点位水质均为Ⅱ类和Ⅲ类，Ⅱ类水主要分布在水源区和西苕溪区，Ⅲ类水主要分布在河网区和入湖区，其中入湖区夹浦港点位水质较差，主要是因为该点位水动力条件较差且位于水系下游，丰水期流量仅为1.33 m³/s，在丰水期上游污染物大量输入的影响下该点位水质更加敏感；由图 3(b)可见，枯水期的水质全部达到Ⅱ类和Ⅲ类，Ⅱ类水主要分布在水源区、西苕溪区以及河网区和入湖区的个别点位，Ⅲ类水则主要分布在河网区和入湖区。

利用单因子水质标识指数对长兴入太湖河网水质进行评价，评价结果见图 4。由图 4可见，丰水期、枯水期的各水质标识指数差异明显，耗氧指标DO、COD_Mn、NH₃-N和营养盐指标TP在丰水期和枯水期的单因子水质标识指数均＜4，优于Ⅲ类水，而TN单因子水质标识指数在丰水期和枯水期均＞6，属劣Ⅴ类但不黑臭，对入湖水体水质影响较大，是改善平原河网地区整体水质的关键所在。

3 讨论 3.1 不同水文时期长兴入太湖河网水质影响因素

从水文时期来看，长兴入太湖河网NH₃-N和TN指标的质量浓度平均值整体呈现枯水期较丰水期高的特征，而COD_Mn和TP指标则呈现丰水期较枯水期高的特征。不同水文时期水质变化主要受降雨、水温、生物过程和外源输入等影响^[14-15]。一方面，河网中氮素水平受反硝化作用影响较大，输入河流的总氮约50 %通过反硝化作用永久性去除^[16]，而温度是影响河网反硝化作用季节变化的主要因素^[17]，一般认为脱氮作用的最适宜温度在20~30 ℃，本研究长兴入太湖河网枯水期水温仅为7.96 ℃，较大程度上限制了河网的反硝化作用^[18]，而丰水期的水温为29.45 ℃，是河网年内进行脱氮作用的主要时期，同时考虑硝化作用和反硝化作用往往耦合进行，因此枯水期较弱的反硝化作用也限制了硝化作用进行，导致枯水期河道中NH₃-N和TN存在一定程度累积。另一方面，受丰水期降雨后雨污合流影响，污水厂接纳的污水量增多，处理效率存在一定程度减弱，主要污染物指标COD_Mn负荷增多，同时也受降雨期间土壤冲刷、泥沙再悬浮和孔隙水释放影响^[19-20]，增加了河网中不易被微生物利用磷素的迁移通量^[21]，进而导致丰水期河网中ρ(COD_Mn)和ρ(TP)均值相对较高。

3.2 不同区域长兴入太湖河网水质影响因素

空间聚类分析从水质指标的特征相似性考虑，将水质指标聚类为4类，营养盐指标和耗氧指标分布具有一定的相似性，均呈现水源区>西苕溪区>河网区>入湖区的分布特征，证实了本研究区域划分的合理性。土地利用方式是影响污染物输入和向下游聚集的重要因素之一^[22]，有研究表明林地因具有较强的根系滞留作用，能有效减降低地表径流水体中的污染物浓度，对河网水质改善具有较大的正向作用，而农田和建设用地增加会导致水体水质趋于恶化^[23]。近年来，太湖流域的用地类型发生了明显变化，1980—2010年，太湖流域耕地面积占比由63.89%降到47.02%，而建设用地面积占比则由9.70%增加到25.16%^[23]。长兴县境内用地以农田和城镇建设用地为主，林用地和水域面积所占比例均较低，河网区和入湖区的人口、农田和企业分布较为密集，因此认为该区域农田种植、农村生活和相对密集且不完善的污水处理系统是导致该区域污染物聚集，尤其是氮污染严重和根据叶绿素a单因子富营养指数评价达到富营养化的主要原因。此外，距离监测断面较近的用地类型对断面的水质影响更大^[24]，由于长兴县境内纺织、印染类企业主要聚集在河网下游的入湖区，农业种植在该区域也较为集中，污染物衰减距离较短，同时受太湖水倒灌顶托影响，该区域污染物聚集效应显著，可能是导致其水质相对较差和水体富营养化的主要原因。

3.3 长兴入太湖河网水环境治理关键

综合水质标识指数评价结果表明，长兴入太湖河网水质主要以Ⅱ类和Ⅲ类为主，个别断面为劣Ⅴ类水，总体能满足水环境功能区的要求，单因子水质标识指数结果表明，TN为入湖河网的特征污染物，根据太湖健康报告(2017)，湖泊水体中TN含量亦被认为是决定太湖水质优劣的关键性指标^[25]。自1998年的太湖流域水污染治理“零点行动”以来，太湖流域磷污染浓度下降明显^[26]，对太湖富营养化程度有一定缓解，本研究也证实长兴县境内磷污染输入控制效果较好，但氮污染问题依旧突出。近些年，有研究表明太湖反硝化作用是导致其呈现氮限制特征的主要原因^[27]，对于磷污染控制较好的太湖流域浙西区长兴县境内，未来进一步削减氮污染是缓解其河网富营养化和太湖水华状况的关键。

4 结论

(1) 水质时空分布规律表明，长兴入太湖河网不同片区NH₃-N和TN指标的质量浓度均值整体呈现枯水期较丰水期高的特征，而COD_Mn和TP的质量浓度均值则呈现丰水期较枯水期高的特征。

(2) 空间聚类分析表明，长兴入太湖河网的污染物指标分布具有明显的空间差异性，整体呈现水源区>西苕溪区>河网区>入湖区的分布特征，受土地利用类型、污染源位置和汇流因素的影响，入湖区是污染物聚集的主要区域。

(3) 综合水质标识指数表明，长兴入太湖河网主要以Ⅱ类和Ⅲ类水为主。单因子水质标识指数表明，长兴县境内磷污染控制效果较好，但氮污染问题较为突出，TN是其入湖河网的特征污染物，且枯水期质量浓度较丰水期高，枯水期入湖区和河网区的TN质量浓度均达到3.57 mg/L，对入湖水体水质影响较大，是控制污染的关键区。