摘要
以2016—2023年太湖8条主要入湖河流监测断面的6项污染指标数据为基础，深入剖析了这些河流污染的时空分异特征，并采用正定矩阵因子分析模型（PMF）对污染来源进行了定量解析。结果表明，入湖河流各项污染指标浓度整体呈逐年下降趋势。在时间分布上，氨氮、总氮浓度在冬季（1—2月、12月）相对较高，高锰酸盐指数、化学需氧量、总磷浓度在夏季（6—9月）较高，五日生化需氧量浓度一年有两个峰值，分别出现在3—5月和8—9月。从空间分布来看，太湖北部湖区的望虞河、小溪港以及西南山区的大港河，各项污染指标浓度相对较低；而西部湖区的武进港、太滆运河、太滆南运河、大浦港、乌溪港污染物浓度较高，对太湖的氮、磷贡献较大。进一步研究发现，太湖主要入湖河流的污染源主要有生活源、水产养殖源、畜禽养殖和农田种植源、工业源4类，贡献率分别为32.5%、19.8%、40.3%、7.4%。其中，武进港、太滆运河、太滆南运河、大浦港、乌溪港5条高污染河流的污染源贡献占比和时间变化趋势基本一致，汛期主要受农业面源影响，冬季主要受生活源影响。近年来，水产养殖源对太滆运河、太滆南运河汛期污染物贡献突出，畜禽养殖和农田种植源对大浦港、乌溪港水质影响较大，生活源则是影响武进港水质的重要因素。因此，削减畜禽、水产养殖及农田退水的污染物入河量，并持续推进环境基础设施建设，实现污水全收集、全处理，对改善太湖水质至关重要。
Abstract
Based on the data of six pollution indicators from monitoring sections of eight major rivers flowing into Lake Taihu during 2016-2023, this study deeply analyzed the temporal and spatial differentiation characteristics of pollution in these rivers. The positive definite matrix factor analysis model (PMF) was used to quantitatively analyze the pollution sources. The results showed that the concentrations of various pollution indicators in the inflowing rivers generally presented a downward trend year by year. Regarding temporal distribution, the concentrations of ammonia nitrogen and total nitrogen were relatively high in winter (January-February and December), while the concentrations of permanganate index, chemical oxygen demand and total phosphorus were higher in summer (June-September). The biochemical oxygen demand after 5 days concentration had two peaks in a year, occurring in March-May and August-September, respectively. Regarding spatial distribution, the Wangyu River, Xiaoxi Harbor in the northern Lake Taihu area, and the Dagang River in the southwestern mountainous area had relatively low concentrations of various pollution indicators. In contrast, the Wujin Port, Taige Canal, Taige South Canal, Dapu Port, and Wuxi Port in the western lake area had higher pollutant concentrations and made significant contributions to the nitrogen and phosphorus in Lake Taihu. Further research found that the main pollution sources of the rivers entering Lake Taihu mainly included four types: domestic sources, aquaculture sources, livestock and poultry breeding and farmland planting sources, and industrial sources, with contribution rates of 32.5%, 19.8%, 40.3%, and 7.4% respectively. Among them, the contribution ratios of pollution sources and the temporal change trends of five rivers with high pollution levels, such as Wujin Port and Taige Canal, were the same. During the flood season, they were mainly affected by agricultural non-point sources, while in winter, they were mainly influenced by domestic sources. In recent years, aquaculture sources had significantly contributed to pollutant loads in the Taige Canal and Taige South Canal during flood seasons, while livestock breeding and farmland cultivation sources exerted more pronounced impacts on water quality in Dapu Port and Wuxi Port. Domestic wastewater discharges emerged as a critical factor affecting water quality in Wujin Port. Therefore, it is crucial to reduce the amount of pollutants entering the river from livestock, poultry, aquaculture, and farmland drainage and continuously promote the construction of environmental infrastructure to achieve the full collection and treatment of sewage, so as to improve the water quality of Lake Taihu.
太湖流域地处长江三角洲南部，流域面积达3.69×104 km2，分属江苏、浙江、安徽和上海等地，是我国大中城市高度聚集、经济发展极为活跃的区域之一。流域内河道纵横交错，总长度约为12×104 km，在广阔的平原地区构成了复杂的水网。丰富的水资源为区域社会经济的快速发展提供了有力支撑，但与此同时，不断增加的污染负荷给太湖水质改善带来了巨大挑战[1-2]。入湖河流作为太湖污染的重要来源，一直是众多学者研究的焦点。王倩等[3]对西太湖入湖河流水系（南溪水系和洮滆水系）的污染分异特征进行了研究；季海萍等[4]对1986—2017年近30年的环湖出、入湖水量变化进行了定性和定量分析，发现环湖年入湖水量呈明显的增加趋势，在1990s后期出现突变性增长，年出湖水量增加趋势显著，在21世纪初后期突变增加；易娟等[5]分析了2007—2014年太湖湖区及环太湖22条主要入湖河流的水质监测资料，指出河道污染物输入是太湖主要的污染来源，直接影响着太湖水质的变化，因此控制入湖河流污染物是治理太湖污染的关键环节。
然而，目前针对太湖入湖河流污染源的研究存在一定局限性。多数研究聚焦于某一条河流，对污染源贡献程度的定量研究较少，而且研究时间多集中在2007年蓝藻水华事件后的10多年，近期研究相对不足。经过多年的治理，太湖流域的污染状况已有明显改善[6-7]。基于此，本研究选取8条主要入湖河流，利用2016—2023年国控断面地表水监测数据，详细分析6项污染指标的时空差异，运用正定矩阵因子分析模型（PMF）对污染源进行探究和定量分析，同时针对污染较重的西部湖区入湖河流，深入研究其污染源贡献情况及时间变化趋势，旨在为太湖流域的水质管理和保护提供科学依据。
1 数据与方法
1.1 研究区概况
太湖（30°55′~31°32′N，119°52′~120°36′E）是我国第三大淡水湖，为典型的平原浅水湖，平均水深为1.9 m，湖面面积约为2400 km2。太湖流域属于亚热带季风气候区，气候温暖，雨量充沛，年平均气温在16.0~18.0℃之间，年降水量为1100~1150 mm，汛期主要集中在6—9月。地势西高东低，太湖周边地貌特征西部以山地丘陵为主，北部以平原和水网为主[8]。与太湖相通的河道多达200余条，但大多流量较小且河道较短。本研究选取的8条入湖河流均位于江苏省境内，其入湖水量约占太湖上游来水总量的50%，分别是望虞河、小溪港、武进港、太滆运河、太滆南运河、大浦港、乌溪港、大港河，对应的国家地表水环境质量监测断面为312国道桥、小溪港桥、姚巷桥、百渎港桥、殷村港桥、大浦港桥、乌溪港桥和大港桥（图1）。
1.2 正定矩阵因子分析
PMF是一种多元因子分析工具，也是基于多变量因子分析方法的定量源解析模型，在受体模型中占据重要地位。它解决了非最优标度问题，在各类污染物源解析中应用广泛[9]。该模型通过定义一个目标函数Q，当Q值最小时，模型将受体浓度矩阵X分解成两个因子矩阵，即因子贡献矩阵G、源成分谱矩阵F，以及一个残差矩阵E，可以表示为：
(1)
(2)
(3)
(4)
图1太湖8条主要入湖河流和监测断面
Fig.1Eight main rivers entering the Lake Taihu and their monitoring sections
式中，m为样品个数，n为污染物个数，p是因子个数，xij是样本ij物质的浓度，gik是因子k对样本i的贡献率，fkj是因子k中j物质的浓度，uij是不确定度，MDL是方法检出限，σj是j物质浓度的相对标准偏差，通常认为是5%。
1.3 数据来源
本研究的数据来源于2016—2023年8个地表水监测国控断面的6项污染指标月度数据，包含高锰酸盐指数（CODMn）、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、总氮（TN）。为提高源解析结果的准确性，引入pH、溶解氧（DO）指标用于PMF模型[10]。pH、DO在现场进行测定，其余指标则在实验室测定。采样过程参照《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T91—2002）及《地表水环境质量监测技术规范》（HJ 91.2—2022），pH分析采用玻璃电极法，DO分析采用电化学探头法，COD分析采用重铬酸盐法，BOD5分析采用稀释与接种法，NH3-N分析采用纳氏试剂比色法或水杨酸分光光度法，TP分析采用钼酸铵分光光度法，TN分析采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 3838—2002）。所选用的标准分析方法的测定下限均低于该监测项目规定的环境质量标准限值[11-13]。
表12016—2023年太湖主要入湖河流 6项污染指标年均浓度
Tab.1Annual average concentrations of six pollution indicators in main rivers entering the Lake Taihu from 2016 to 2023
2 结果
2.1 入湖河流各项污染指标变化特征
对太湖8个主要入湖河流断面的6项污染指标分别进行年度和月度统计分析（年度数据见表1，月度数据见图2）。从年度变化来看，2016—2023年期间，入湖河流各项污染指标浓度整体呈下降趋势。CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP、TN年均值分别在3.0~4.8、12.1~15.9、1.8~3.2、0.17~0.71、0.093~0.153、1.98~3.03 mg/L之间，降幅分别为31.9%、12.8%、28.4%、75.6%、39.1%、28.6%。“十三五”以来，入湖河流水环境持续改善，2019年和2022年是污染指标浓度下降较为显著的节点，其中各项指标的最低值均出现在2022年。
从月度变化分析来看，CODMn、COD、TP 3个指标的变化趋势高度一致，总体表现为夏季浓度高、冬季浓度低，全年峰值出现在6—9月，最大月均值出现在8月，分别为4.8、17.0、0.143 mg/L。NH3-N、TN的月度变化趋势相似，冬季浓度较高、夏季浓度较低，最大月均值出现在1月，分别为0.72、3.45 mg/L。BOD5一年中有两个峰值，分别在3—5月（汛前）和8—9月（汛期），最大月均值出现在4—6月，为3.1 mg/L（图2）。
图2太湖主要入湖河流6项污染指标月变化情况
Fig.2Monthly variation of six pollution indicators in main rivers entering Lake Taihu
在空间分布上，小溪港桥、312国道桥、姚巷桥位于太湖北部湖区入湖河流，百渎港桥、大港桥、大浦港桥、乌溪港桥、殷村港桥位于太湖西部湖区入湖河流。太湖主要入湖河流水质总体较好，北部湖区入湖河流水质优于西部湖区，除TN外其他指标均满足地表水Ⅲ类标准（GB 3838—2002中无河流TN评价标准）。小溪港桥、312国道桥、大港桥各项污染指标浓度较低，其中TN、TP浓度显著低于其他河流。姚巷桥、百渎港桥、乌溪港桥、大浦港桥和殷村港桥断面的TP分别高于所有断面平均值15.8%、62.1%、8.4%、27.5%和37.2%，TN分别高于所有断面平均值31.7%、32.4%、5.4%、2.0%和17.1%（表2）。
表2太湖主要入湖河流6项污染指标平均浓度
Tab.2The average concentrations of six pollution indicators in main rivers entering Lake Taihu
2.2 PMF源解析
太湖流域污染来源复杂，主要包括工业废水排放、农业污染和生活污水排放[14-16]。本研究选取3~6个因子代入模型运算，当因子数为4时，模型拟合效果最佳，能够较好地解释各类污染源信息。结合实际情况，最终确定选择4个因子进行后续分析。其因子贡献率大小排序为：因子3＞因子1＞因子2＞因子4。其中，因子1的贡献率为32.5%，该因子中pH、DO、CODMn、TN具有较高载荷。因子2的贡献率为19.8%，pH、CODMn、TP在该因子中具有较高载荷。因子3的贡献率最大，达40.3%，CODMn、COD、BOD5等有机污染指标在该因子中具有较高载荷，且对COD贡献率高达85.8%。因子4的贡献率为7.4%，对NH3-N、BOD5、TP和TN的贡献率较高（图3）。
2.3 污染源贡献
基于PMF模型结果，进一步对百渎港桥、殷村港桥、大浦港桥、乌溪港桥、姚巷桥5个污染物浓度较高的入湖河流断面，分析其污染源贡献的差异性（附图Ⅰ）。整体上，各监测断面污染源月度贡献率的变化趋势相似，主要受因子1和因子3的影响，贡献率分别为25.9%~30.6%、35.1%~43.1%。在月度变化上，各因子月度贡献率呈季节性变化特征，具体表现为冬季时，因子1和因子4的贡献率上升，相对夏季约上升15和2个百分点；夏季时，因子2和因子3的贡献率上升，相对冬季约上升18和3个百分点。在年度变化上，2020年是各因子贡献率的变化节点，因子1和因子2的贡献率上升，2020—2023年较2016—2019年分别上升8和2个百分点，而因子3和因子4的贡献率分别下降8和2个百分点。分断面来看，百渎港桥和殷村港桥断面污染源的贡献情况相似，近两年，因子1和因子2的贡献率持续上升，年均贡献率达35%和25%，其中因子2汛期贡献率高达40%，已成为影响汛期水质的关键因子。此外，因子2对百渎港桥断面的贡献率始终高于殷村港桥，但上升幅度小于殷村港桥断面，表现为2023年同比升高2.2个百分点，而殷村港桥断面同比升高7.8个百分点。大浦港桥、乌溪港桥断面各因子贡献率分布相对稳定，因子1和因子3始终为影响二者水质的关键因子，近两年分别约占32%和35%，其中因子3的贡献率在2023年有明显回升趋势，两个断面同比上升5.3、15.5个百分点。对姚巷桥断面而言，2016—2020年因子3一直是影响水质的首要因子，但2021—2023年因子1成为新的首要因子，尤其是近两年因子1贡献率再创新高（达40%），已成为影响断面水质的首要因子。
图3PMF模型计算的各指标因子贡献率
Fig.3The contribution rate of each indicator factor calculated by the PMF model
图42016—2023年太湖流域年累计降雨量（年均降雨量数据来源于水利部太湖流域管理局每年度太湖流域及东南诸河水资源公报）
Fig.4Annual cumulative rainfall in the Lake Taihu Basin from 2016 to 2023 (The mean annual precipitation data was obtained from the Taihu Basin and Southeast Rivers Water Resources Bulletin, Taihu Basin Authority, Ministry of Water Resources)
3 讨论
3.1 水质变化分析
6—9月是太湖流域的主汛期，此期间降雨量偏多，且正值水稻种植生长期，化肥与农药使用量大。大量污染物随雨水进入河流，直接影响河流水质[17]。相关研究表明，降雨量与水质呈显著负相关[18]，汛期面源污染物随雨水入河现象突出，这正是CODMn、COD、TP、BOD5浓度在6—9月达全年峰值的主要原因。2019年和2022年，入湖河流污染物浓度显著下降，与当年降雨量显著低于其他年份密切相关（图4）。由此可见，入湖河流水环境持续改善，一方面得益于太湖流域水环境综合治理工作的不断推进，另一方面也受降雨量等自然条件影响。在冬季（12月至次年1—2月），随着农业种植活动结束，大量氮元素进入水体，但因冬季气温低、降雨量少，水体流动性差及水体中微生物活性弱，这些氮素难以被自然消纳[19]。因此，NH3-N、TN浓度呈现冬季高、夏季低的特征。在春冬季节交替时，浮游植物生长导致内源有机质增加[20]。而5—6月是养殖虾塘集中排水期[21]，综合来看，BOD5在汛前出现峰值，可能是外源输入与内源增加共同作用的结果。
3.2 污染溯源分析
随着太湖流域工业废水等点源污染以及城乡污水治理工作的逐步推进，治理成效显著，农业面源污染逐渐成为流域污染治理的主要矛盾[22]。农业面源主要来自种植业和养殖业，其尾水排放具有规模大、处理率低的特点。在农业生产过程中，使用的农药、化肥以及饲料、饵料等含有大量的N、P元素，但这些元素的利用率较低。过量的N、P元素通过地表径流进入河流，导致面源污染问题愈发突出[23]。以P元素为例，它是生命体生长发育所必需的重要元素，对水产动物的骨骼、外壳等的形成起着重要作用。由于水体中的P浓度较低，养殖水产动物所需的P主要通过饲料获取。然而，饲料的利用率较低，残饵量较高，大量P随养殖尾水排入河流，从而造成水环境污染[24-25]。相关研究表明，水产养殖业对农业TP排放量的贡献率接近60%，畜禽养殖和农田耕作产生的COD污染负荷占流域总污染的67%[26-27]。结合PMF模型结果，因子2对TP具有较高载荷，因子3中CODMn、COD、BOD5等有机污染指标具有较高载荷，且对COD贡献率达85.8%。因此，将因子2定为水产养殖源，因子3定为畜禽养殖和农田种植源。NH3-N是生产生活污水的典型特征指标，研究发现生活污水是河流水体NH3-N的主要来源[28]。太湖周边地区工业发达，纺织印染、冶金、化工、化纤等产业排放的废水对COD、NH3-N也有显著贡献[29]。因子1对TN具有较高载荷，因子4对NH3-N、BOD5、TP和TN有较高的贡献率。进一步分析5个污染物浓度较高的入湖河流断面污染源贡献率的差异性，发现因子1的贡献率远高于因子4。随着太湖流域水环境综合治理工作的持续推进，工业废水等点源污染得到了较好的控制，但因子1的贡献率却出现了升高的情况。因此，本文将因子1定为生活源，因子4定为工业源。
3.3 污染源贡献率差异性分析
对这5个入湖河流断面的污染源贡献率情况进行深入分析，发现它们主要受生活源、畜禽养殖和农田种植源的影响。冬季时，生活源、工业源的贡献率上升；夏季时，水产养殖源以及畜禽养殖和农田种植源的贡献率上升。这与彭月等[14]的研究结果一致，即丰水期水质主要受畜禽养殖、种植业及上游来水影响，平水期主要受生活污染源和内源污染影响。这可能是因为生活源和工业源污染物产生量相对稳定，而农业源具有周期性，且多通过地表径流的方式输入河流，导致农业源污染物在汛期（丰水期）集中入河，贡献率上升，相应地，生活源、工业源在冬季（平水期）的贡献率上升[3，17-18]。这也反映出太湖流域污染情况具有趋同性。因此，在治理思路上，应坚持全流域系统治理和综合治理。“十三五”期间，随着“263”专项行动的实施，太湖流域加大工业污染治理和农业面源污染整治的力度，工业企业污水纳管率全面提升，农业种植过程中化肥和农药的使用量显著降低，太湖地区畜禽禁养区逐步建成，水产养殖污染整治有序推进，农村生活污水处理率提升。同时，一些重大水利工程的建设也对太湖地区水环境的改善产生一定的影响[30]，比如2020年新孟河延伸拓浚工程正式建成投运。随着污染物总量下降，工业、农业面源治理的成效更加明显，进而导致各污染源贡献率出现此消彼长的情况。但每条入湖河流的小流域环境各有特点（附图Ⅱ），分断面来看，百渎港桥、殷村港桥断面均受到滆湖来水的影响，分别为滆湖北部湖区和南部湖区下游，沿线土地利用分布相似，均分布大量的围网养殖区、农田及居民区[3]，这可能是二者污染源相似的主要原因。同时，随着滆湖水域综合治理工作的推进，滆湖水环境质量改善成效显著。但滆湖北部湖区的开发利用和污染程度大于南部湖区，水产退养工作重点位于北部湖区周边，可能导致北部湖区周边水产养殖污染源削减速度更快。对于大浦港桥、乌溪港桥断面，其周边均分布有大量农田及农民居住区，小流域面源污染主要有农村生活污染源、畜禽养殖源和种植业源[31]。由于生猪产能去化过程较慢，加之行业规模化程度加深和生猪行业整体的生产效能继续提升，2023年生猪出栏量创新高。根据宜兴市2023年国民经济和社会发展统计公报数据，地区全年粮食产量同比增长0.7%，猪肉产量同比增长142.7%，这可能是畜禽养殖和农田种植源出现明显回升的主要原因[32]。姚巷桥断面所属直湖港小流域周边区域种植业发达，其中阳山镇水蜜桃种植作为支柱产业，具有集约化、高投入的特点。由于桃园多邻近河道，其化肥、农药的施用已成为该区域重要的农业面源污染来源[33]。这可能是导致畜禽养殖和农田种植源一直是该地区首要污染源的原因之一。“十四五”初期，无锡市持续推进直湖港水环境治理工作，先后实施各类污染整治工程，重点实施工业污染源管控、城乡生活污水治理、农业面源污染防治、入河排污口规范化、水体内源污染治理和生态修复等工程，项目实施后将提高城镇和农业面源污染削减能力，提升城镇和农业生活污水收集处理水平，改善直湖港水环境质量[34]。而流域范围内多为农村地区，大片农田夹杂零星居民点散状分布，生活污水治理难度大，污染物削减速度慢，导致贡献率上升，成为影响直湖港水质的关键因子[35]。基于以上情况，下一步建议针对上游滆湖周边围网养殖区的特点，稳固现有治理工作取得的成效，推进水产绿色健康养殖，提升水产养殖业的高质量发展水平；针对大浦港桥、乌溪港桥断面，重点关注畜禽养殖业，因地制宜地开展农业面源污染综合治理；对姚巷桥断面，需要加大力度持续推进城乡地区生活污水治理工作。
4 结论
本研究对太湖入湖河流的污染指标变化特征、污染源解析及贡献率进行了全面分析，得出以下结论：
1）在时间变化上，2016—2023年入湖河流各项污染指标浓度总体呈逐年下降趋势；NH3-N、TN浓度冬季相对较高，CODMn、COD、TP、BOD5浓度则呈相反趋势。
2）在空间分布上，太湖北部湖区入湖河流如望虞河、小溪港，以及西部湖区入湖的大港河，各项污染指标浓度相对较低；而西部湖区入湖河流武进港、太滆运河、太滆南运河、大浦港、乌溪港的各项污染指标浓度相对较高，对太湖N、P的贡献较大。
3）太湖主要入湖河流的污染源可分为4类，分别为生活源、水产养殖源、畜禽养殖和农田种植源、工业源，其贡献率依次为32.5%、19.8%、40.3%、7.4%。
4）武进港、太滆运河、太滆南运河、大浦港、乌溪港5条污染物浓度较高的入湖河流，其污染源贡献率与时间变化趋势基本一致。汛期主要受农业面源影响，冬季主要受生活源影响。近年来，水产养殖源对太滆运河、太滆南运河汛期污染物贡献突出，畜禽养殖和农田种植源对大浦港、乌溪港水质影响较大，生活源则是影响武进港水质的重要因素。
5 附录
附图Ⅰ和附图Ⅱ见电子版（DOI: 10.18307/2025.0620）。
