我国典型湖泊及其入湖河流氮磷水质协同控制探讨

　　摘要：入湖河流是外源氮磷输入湖泊的主要途径，是湖泊外源输入控制的关键中间环节.本文主要开展我国一些典型湖泊及其主要入湖河流TN、TP浓度对比研究，结合入湖河流氮磷输入对湖体营养水平和富营养化程度的影响分析，初步探讨我国入湖河流与湖体氮磷水质协同控制的必要性和途径.结果表明，目前入湖河流氮磷水平仍然是我国一些典型湖泊水体氮磷水平和富营养化程度的重要影响因素之一;单纯依靠入湖河流氮磷协同控制已经无法较好地实现我国一些湖泊氮磷水平达到Ⅲ类及以下水平和中营养化水平及以下，建议结合内源控制、生态修复等综合治理;除了入湖河流氮磷水质，水量也是湖泊水体氮磷水平和富营养化程度重要因素之一.进一步结合国际上入湖河流和湖泊氮磷协同控制，以及《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)和相关配套政策、措施等，最终提出我国入湖河流与湖体氮磷协同控制政策建议，以期为富营养化湖泊外源氮磷输入控制，湖泊内源治理和生态修复有效开展等提供支撑和依据.

　　关键词：入湖河流;湖泊;氮;磷;富营养化效应;基准标准;协同控制

　　湖泊是地表生态系统各要素相互作用的节点，是地球上重要的淡水资源库、物种基因库和洪水调蓄库等，与人类的生产、生活息息相关[1].我国湖泊众多，分布广泛，目前共有1.0km以上的自然湖泊约为2693个，分布在28个省(自治区、直辖市)，总面积8.1万km，约占国土面积的0.9%[1].这些湖泊具有非常重要的价值，例如为人类提供生活饮用水、农业灌溉水等可利用价值;维持一些重要生态价值及为生物提供栖息地;甚至一些湖泊拥有非常重要的文化和宗教价值[2].

　　与河流相比，湖泊一般具有个基本特征包括集成性、换水周期长和复杂的反应动力学，这些特征也相对容易导致氮磷等营养盐汇聚、累积，从而导致多数湖泊较易富营养化和暴发蓝藻水华[3].湖泊流域经济快速发展和人类活动加剧，进一步导致氮磷等营养盐大量输入湖体并长期累积于沉积物和生物体等，从而极大加速了湖泊富营养化进程和生态系统结构等变化.目前，富营养化也已经成为我国湖泊面临的主要生态环境问题之一[4].

　　外源氮、磷营养盐负荷的输入，例如含氮磷生活、工农业生产废水的输入等，是引起湖泊氮磷负荷急剧增加并引发蓝藻水华暴发的主要因素之一[57].近年来我国对外源氮磷的输入负荷，尤其是点源输入负荷控制取得了积极成效[8]，湖泊富营养化及蓝藻水华治理需要进一步协同开展外源削减、内源控制以及生态修复[912].

　　其中，外源氮磷输入进一步严格控制，可能仍是我国一些湖泊，尤其是一些国控重点湖泊富营养化治理的长期和首要任务，是其他途径有效治理的前提和基本保障.河流是点源、面源输入湖泊的中间过程和重要纽带，点源、面源基本通过入湖河流汇聚并最终输入至湖泊[13].例如，我国大型浅水湖泊、流域内河网密布的太湖，其主要入湖河流污染输入负荷可占入湖污染负荷总量的70%80%[14].

　　一般而言，河流、湖泊在地形地貌和基本属性等方面存在较明显差异[15,16]，尤其是水动力、水力停留时间、分层等，最终体现在生物对氮、磷等营养盐的响应存在显著差异[15].因此，河流、湖泊制定氮、磷基准或标准的方法不同或最终限值上差别较大，河流、湖泊的氮、磷基准或标准限值一般分别制定[1718].目前，国际上如美国[19]、英国[2021]、加拿大[2223]、日本[24]和韩国[25]等国家制定的河流、湖泊氮磷的基准或标准限值中并未直接体现入湖河流与湖泊水体氮磷水质协同控制，而是分别制定适合河流和湖泊保护的氮磷水质基准或标准限值.

　　我国现行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中地表水质量标准基本项目标准限值一栏中规定了河流、湖库各类别水质标准限值，是我国湖泊流域河流、湖泊氮、磷控制的基本依据.依据不同水体、功能和生物响应等，基于科学研究基础和社会经济条件等，分别制定河流和湖泊水体氮、磷基准或标准限值是必要的. 关于入湖河流、湖库和不直接流入湖库河流总磷(TP)控制阈值，Mackenthun[26]指出为防止水体富营养化，不直接流入湖库河流TP理想的目标是0.1mg/L以下;入湖(库)河流在其流入处TP浓度不得超过0.05mg/L;湖库水体TP浓度不得超过0.025mg/L.显然，入湖河流具有特殊性，而且其输入的外源氮磷与湖体氮磷浓度、富营养化程度和蓝藻水华暴发等往往紧密联系[26].

　　因此，入湖河流氮磷控制应该充分考虑下游湖泊富营养化控制和生态保护需求，并执行比一般河流更为严格的限值.例如美国环境保护局(EPA)颁布的河流与湖泊营养物基准制定指南中均提出了该要求，并通过日最大负荷(TMDL)计划等配套措施实现湖泊及其入湖河流营养盐协同控制[2728].

　　目前，我国现行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中对河流、湖泊水体的总氮(TN)、总磷(TP)标准限值的规定差异较大.以地表水Ⅲ类水质控制目标为例：河流TP≤0.2mg/L，TN未作要求;湖体TP≤0.05mg/，TN≤1.0mg/L.为了防治湖库富营养化，与之相互配套发布了《湖库富营养化防治技术政策》环发[2004]59号，但是《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中河流、湖泊TN、TP标准限值仍然是考核基本依据.已有研究表明，如果同样以Ⅲ类水质为入湖河流和湖泊水体控制标准，基于湖泊水体Ⅲ类水质控制目标，太湖西北部入湖河流TN协同控制限值应该设定在1.5~1.6mg/L之间，TP协同控制限值设定在0.0710.090mg/L之间[29];鄱阳湖主要入湖河流TN的控制限值应该设定在1.2mg/L，TP的控制限值设定为0.075mg/L[30];阳澄湖入湖河流TN的控制限值应该设定在1.641.96mg/L，TP的控制限值设定为0.0600.076mg/L[31].

　　显然，如果仅以现行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中Ⅲ类标准为湖泊及其入湖河流水质控制目标，河流的氮、磷控制标准可能难以满足湖体氮、磷控制需求，对富营养化湖泊外源氮、磷输入有效控制十分不利[2931].本研究基于“十三五”期间我国一些典型湖泊及其入湖河流TN、TP浓度差异，以及《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)执行以来，我国大型浅水湖泊太湖入湖河流、湖体TN、TP浓度历史差异、水量变化以及氮磷输入负荷历史变化，分析我国入湖河流氮、磷输入对湖泊水体中氮、磷浓度和富营养化程度的影响，以此分析我国湖泊及其入湖河流氮、磷输入协同控制的必要性;结合国内外关于入湖河流氮、磷控制相关法律法规、指南和研究现状等，初步探讨我国入湖河流和湖体氮、磷协同控制途径并提出可能的政策建议，以期为富营养化湖泊外源氮、磷输入负荷进一步科学控制和《地表水环境质量标准》修订提供支撑和依据.

　　1材料与方法

　　1.1研究区域

　　基于“十三五”期间，我国开展水质监测的110个重要湖泊中选取了不同区域、数据较完整的湖泊及其对应的主要入湖河流.针对现行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)执行以来，入湖河流与湖泊水体TN、TP水质指标的历史变化趋势及其对比分析，选取数据较丰富、我国重点治理的大型浅水湖泊太湖及其主要入湖河流为代表性研究对象.

　　1.2数据收集与来源

　　“十三五”期间，研究涉及的典型湖泊及其对应的主要入湖河流TN、TP数据来源于生态环境部国家地表水环境监测数据.湖泊综合富营养化指数(TLI(∑))等数据和信息来源于生态环境部历年发布的《中国环境状况公报》和《中国生态环境状况公报》，或者湖泊所在省、市官方公开的《生态环境状况公报》等.“十三五”期间，主要是2016—2019年月监测数据，其中2019年一些月份监测数据缺失，统计分析中仅以部分月份数据为统计分析依据，由于月份差异不是十分明显，对总体规律分析影响不大.

　　另外，2003年以来，太湖及其入湖河流TN、TP水质、输入负荷和水量等历史数据来源于太湖流域管理局公开的数据及基于太湖流域管理局水质和水量监测数据发表的相关文献资料[3233].近年来太湖及其主要入湖河流TN、TP水质数据采用生态环境部国家地表水环境监测数据.太湖流域管理局与生态环境监测部门来源的TN、TP水质数据差异对总体变化趋势、相互关系等研究影响较小.

　　1.3数据处理与统计分析

　　同一湖泊水体涉及多个点位监测数据，采用算术平均值方式统计分析该湖泊水体监测数值的平均值;同一湖泊对应多条入湖河流，均统计分析其算术平均值.平均值计算样本中的变化范围采用标准偏差(SD)表示.利用Origin2018开展相关性分析，并采用Pearson系数(双尾检验)进行相关性分析.柱状图、散点图及其对应趋势线等采用Excel2019作图及分析.

　　2结果与分析

　　2.1“十三五”期间我国典型湖泊及其主要入湖河流氮磷水质对比分析

　　2.1.1入湖河流与湖泊水体氮磷水平总体对比分析

　　近些年来，研究涉及的我国典型湖泊主要入湖河流TN、TP平均浓度基本较对应湖泊高，尤其是滇池、巢湖和太湖入湖河流TN、TP浓度较高.其中，湖泊TN浓度变化范围大，介于0.552.20mg/L之间，处于湖泊水质ⅡⅤ类;对应主要入湖河流TN浓度均值介于0.846.37mg/L之间.这些典型湖泊水体TP浓度介于0.010.10mg/L之间，处于湖泊水质的ⅡⅣ类，对应主要入湖河流TP浓度介于0.010.19mg/L之间，属于河流水质ⅠⅢ类.显然，单纯从水质类别上分析，入湖河流氮磷水质控制要优于湖泊水体.然而，从二者TN、TP实际浓度差异对比分析，表明入湖河流TN浓度是对应湖泊水体的0.963.09倍，TP浓度是对应湖泊水体的0.462.18倍.

　　另外，与湖泊水体TN、TP浓度相比，其对应入湖河流TN、TP浓度时空变化范围较大，即图中误差变化范围相对较大.进一步分析结果表明，研究所涉及的这些典型湖泊TN、TP浓度与其对应的主要入湖河流TN、TP浓度呈显著正相关.“十三五”期间，我国一些典型湖泊主要入湖河流氮磷输入仍然对湖泊水体氮磷水平具有直接的影响，进而对湖泊富营养化水平产生了显著影响，即随着入湖河流TN、TP浓度的上升，湖体TLI(∑)显著升高.

　　2.1.2不同区域典型湖泊水体与入湖河流氮磷浓度关系的对比分析

　　以本研究涉及的东部平原湖区与云贵高原湖区的典型湖泊为例，发现不同地域典型湖泊与入湖河流氮磷浓度的相互关系存在一定差异.基于线性统计分析而言，涉及的东部平原湖区典型湖泊TN浓度与入湖河流TN浓度的响应关系为：=0.1022+1.2749(<0.05);TP浓度的响应关系为：=0.2397+0.0515(<0.05).云贵高原湖区典型湖泊TN浓度与入湖河流TN浓度响应关系为：=0.239+0.5822(0.01);TP响应关系为：=0.375+0.0108(<0.01).以此为依据，东部平原湖区典型湖泊和云贵高原典型湖泊达到《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)不同TN、TP水质类别。

　　涉及的东部平原湖区和云贵高原湖区典型湖泊，不同湖泊水体TN、TP水质类别，入湖河流协同控制目标值可能存在较大差异.仅仅通过河湖氮、磷协同控制，东部平原湖区这些典型湖泊可能难以达到湖泊水体TN、TP的Ⅲ类水质标准，云贵高原湖区这些典型湖泊可能可以达到较好的效果.进一步分析，表明在同一湖区内的典型湖泊之间也存在河湖响应关系的明显差异.例如，东部平原湖区，南四湖与其它长江中下游湖泊TN、TP浓度对入湖河流TN、TP浓度的响应规律差异较大.云贵高原湖区，滇池入湖河流TN、TP浓度变化对湖泊水体TN、TP浓度具有决定性作用.然而，红枫湖和洱海入湖河流TN、TP浓度变化对湖泊水体TN、TP浓度的影响程度相对较小.

　　3讨论

　　3.1入湖河流氮磷输入对我国典型湖泊水质和富营养化的影响

　　基于现行《地表水环境质量标准》，单纯从水质类别评价，目前我国典型湖泊流域内入湖河流TN、TP水质类别优于湖泊水体，其中TN无限值规定.但是，总体、区域和历史数据的统计分析均表明我国典型湖泊流域主要入湖河流氮磷浓度水平和输入负荷对湖泊水体TN、TP水平及其富营养化具有显著的影响.这表明结合《地表水环境质量标准》，进一步开展我国入湖河流与湖泊氮磷协同控制十分必要和紧迫.基于我国一些典型湖泊TLI(∑)与入湖河流TN、TP拟合线性响应方程,表明湖泊不同营养水平控制目标，对应入湖河流TN、TP浓度需要控制到一个合理水平.

　　总体而言，如果我国一些典型湖泊营养状态控制在轻度富营养化水平以下，入湖河流TN浓度可能需要控制在2.66mg/L以下，TP浓度控制在0.109mg/L以下.另外，随着我国湖泊氮磷输入长期累积、湖泊生态结构改变等，单纯依靠入湖河流氮磷控制可能难以使一些典型湖泊达到中营养水平以下.与入湖河流TN相比，入湖河流TP输入对湖泊水体TP浓度的影响较大，对湖泊水体富营养化程度的影响更显著.

　　这可能与河湖连续系统氮、磷不同生物地球化学过程密切相关[3435].入湖河流输入的部分氮在湖体内通过反硝化作用，最终以氮气的形式返回于大气.相比之下，入湖河流输入磷，仅能通过出湖水体等输出，被湖体截留的磷均可能成为水体潜在内源磷.以太湖为例，太湖水体中通过反硝化等途径去除的TN约为太湖入湖河流输入TN的50%左右[36].

　　因此，从长期及湖体富营养化控制角度，为了有效防止磷在湖泊内长期累积，开展入湖河流及其对应湖泊中磷的协同控制可能尤为重要.我国幅员辽阔，不同区域入湖河流对典型湖泊水体氮、磷水平和富营养化的影响程度可能存在较大差异.即使在同一区域不同类型湖泊，入湖河流对湖体氮、磷水平及富营养的影响也可能存在较大差异.以云贵高原湖区典型湖泊为例，洱海、红枫湖均属于深水湖泊，而滇池属于高原浅水湖泊.入湖河流氮、磷输入对深水湖泊和浅水湖泊氮磷水平的影响存在明显差异：入湖河流氮、磷输入对浅水湖泊的影响显著，而对深水湖泊的影响程度较弱.这可能是由于水深导致湖体内氮磷生物地球化学循环、自净能力和生物响应等存在差异，浅水湖泊更易富营养化和暴发蓝藻水华[37].入湖河流氮磷输入对湖泊水体水质和富营养化影响的决定性因素不仅仅是TN、TP浓度，水量可能也是重要因素之一.

　　以太湖为例，2003年以来，环太湖主要入湖河流氮磷水质和入湖水量均发生了显著的变化.基于太湖氮磷历史数据分析和文献研究报道[3839]，实际上，入湖河流TN、TP浓度的降低和“引江济太”等入湖水量的增加，均可以同时改善湖泊水体TN、TP浓度及富营养程度然而，环太湖主要入湖河流水质提升和水量增加，最终氮磷入湖负荷却未发生显著变化，这可能是影响太湖富营养化和蓝藻水华仍频繁暴发的重要因素之一.基于湖泊水体TN、TP和富营养化改善目标，太湖入湖水量增加和氮磷浓度降低的同时，也进一步协同调控并有效降低氮磷入湖总量，在保证合理换水周期条件下，使湖体TN、TP浓度水平降低[3940].因此，针对一些入湖水量变化较大的湖泊，入湖河流与湖泊水体氮磷协同控制应该同时考虑入湖河流的氮磷水质和水量，确保水质改善和水量调控对湖体富营养化改善起到更优效果[41].

　　3.2国际上关于入湖河流与湖泊水体氮磷协同控制政策与案例

　　水质基准是指环境中特定污染物对特定对象(人或其他生物)产生不良或有害影响的最大剂量或浓度，不具有法律效力[4245].同时，水体营养物基准的制定又与毒理学基准不同，需要综合考虑地理区域、水体类型、基准指标、制定方法以及管理与评价等关键因素.从河流与湖泊营养物基准制定的角度考虑，二者在分类方法、营养物主要指标和其他指标、数据分析和基准建立等方面均存在差异[17]，因此二者获得的营养物基准值可能存在较大差异.水体营养物标准是以营养物基准为依据，在考虑自然条件以及国家或地区的社会、技术、经济等条件的基础上，经过综合分析后制定的，由国家有关管理部门或机关颁布，一般具有法律强制性[46].

　　最终，河流、湖泊营养物基准与标准限值均存在一定差异，例如美国EPA推荐的不同生态分区河、湖氮磷基准均存在一定差异，一些河流基准值甚至要严格于湖库水体基准值. 国际上，针对河流与湖泊营养物基准或标准限值存在差异，制定了一些补充技术、政策措施或法律法规等，充分考虑了入湖河流、湖泊水体氮磷协同控制.例如，EPA现行的河流营养物制定的基准指南中针对入湖河流指出流入静态水体(包括湖泊)的河流可能需要制定更为严格的营养物基准，并在标准限值中体现[27].

　　EPA现行湖泊、水库营养物制定基准指南中明确指出基于美国清洁水法303(d)，针对受损水体需要开展每日最大负荷计划(TMDLs)[28]，并对上游水体执行更为严格、有实际效力的控制限值.如果受损湖泊为氮磷引起的富营养化和蓝藻水华问题，按照美国清洁水法303(d)要求，为了修复受损湖泊需要制定TMDLs计划并按照削减计划对点源面源负荷进行直接控制和削减.在TMDL计算过程中需要考虑入湖河流氮、磷负荷，但最终是基于湖泊水体营养物和叶绿素控制标准，制定点源和面源的污染控制削减方案，结合内源治理等最终达到富营养化湖泊修复目的.

　　以美国明尼苏达州密西西比河源头区域LittleTurtle湖和Irving湖营养物削减TMDL计划为例：LittleTurtle湖和Irving湖出现富营养化问题，被纳入EPA受损水体清单，按照美国清洁水法303要求进一步制定具有实际效力的营养物削减TMDL计划[47].该TMDL计划方案制定过程中，表明入湖河流和湖泊执行不同的TP标准是影响湖体富营养化和蓝藻水华的重要原因，即湖泊TP标准限值为30μg/L以下，但是对应区域河流TP标准限值为50μg/L以下.

　　因此，为了满足湖体富营养化控制，湖泊TP标准控制优先于河流标准控制.基于区域富营养化标准，以湖泊富营养化控制为最终目标，明尼苏达州污染控制局通过HSPF模型和Bathtub模型等制定了详细源头磷污染源控制TMDL计划，基于最终TMDL计划，河流作为过渡区域，理论上TP控制标准限值为29μg/L，这个控制目标值甚至要严格于区域湖泊水体TP的标准限值(TP≤30μg/L)[47].

　　河流湖泊论文投稿期刊：《地球科学与环境学报》本刊重点反映国内外地学前缘及交叉学科的高水平科技成果，突出西部重大地质科技问题的研究特色，将我国尤其是西部地区最新与高水平地学成果推向国内外地学界。

　　4结论

　　基于”十三五”期间我国一些典型湖泊及对应入湖河流TN、TP监测数据对比分析，并结合2003—2018年期间太湖及其主要入湖河流TN、TP、入湖水量和入湖负荷对比分析，结合国际上入湖河流和湖泊氮、磷协同控制，以及《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)和相关配套政策、措施等，针对这些典型湖泊及其对应入湖河流获得主要结论和政策建议如下：

　　1)入湖河流氮磷水平仍然是我国一些典型湖泊水体氮、磷水平和富营养化程度的重要影响因素之一，其中TP输入对湖泊水体TP的影响较大，对湖体富营养化程度影响更显著，开展入湖河流及其对应湖泊中磷的协同控制可能尤为迫切.2)我国一些典型湖泊氮磷水平和富营养化程度，单纯依靠入湖河流氮、磷控制已经无法较好地达到Ⅲ类水及以下水平，中营养化水平及以下，建议结合内源控制、生态修复等综合治理.3)统一的入湖河流氮磷协同控制目标值，对于不同湖区典型湖泊入湖河流氮、磷协同控制存在过于宽松或过于严格的情况，更无法适用于单个不同湖泊.因此，建议在考虑这些典型湖泊区域背景的基础上，开展“一湖一策”的入湖河流氮磷协同控制.4)入湖河流水量也是湖泊水体氮磷水平和富营养化程度重要因素之一.一些水量变化大的典型湖泊流域入湖河流氮磷协同控制，在传统的氮、磷浓度的基础上，也应该关注不同水量下TN、TP差异化协同控制，或者建立水质、水量、通量等的多控制目标.

　　5参考文献

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　　作者：高可伟，朱元荣2**，孙福红，陈艳卿，廖海清，马蕙蕙，胡晓燕

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