上海淀山湖水環(huán)境容量評估

王壽兵,馬小雪,張韋倩,馮述青,楊天翔,樊正球(復旦大學環(huán)境科學與工程系,上海 200433)

淀山湖位于上海市青浦區(qū)西部,鄰接江蘇省昆山市和吳江市.湖體呈葫蘆形,面積63.73km2,平均水深約2m,與黃浦江、吳淞江相通,是上海市重要的飲用水源保護區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū).自2000年后,淀山湖水體富營養(yǎng)化程度急劇增加,藻類水華頻發(fā),對上海飲用水源地水質安全構成了巨大威脅.目前有關淀山湖氮、磷[1-5]、浮游植物[6-7]、葉綠素a[8-9]、水污染防治與生態(tài)修復等[10-12]方面的研究已開展了不少,但尚缺乏其最新環(huán)境容量[12]的評估研究.本文旨在評估不同水質目標情景下淀山湖對COD、TN和TP的最大容量,填補該方面研究的空白,為水污染控制和水質改善提供科學依據(jù).

1 COD環(huán)境容量估算

1.1 估算模型

淀山湖是一個淺水湖泊,其湖區(qū)蒸發(fā)量與降水量大致相等、進、出水量相近[13],因此COD水環(huán)境容量采用進、出湖水量相等均勻混合易降解的水質數(shù)學模型進行估算.COD允許排放量計算采用沃倫威得爾(Vollenwelder)模型[14],計算方法如式(1)所示.

式中:W為湖泊水體有機污染物的最高允許排放量,g/d;△t為湖泊維持其設計水量的天數(shù)(或枯水時段天數(shù)),d;Cs為湖泊水體應執(zhí)行的水質標準或該水質指標的目標控制濃度,mg/L;C0為湖泊的實測濃度,mg/L;V為湖泊的設計水量(設計庫容或按死庫容),m3;K為湖泊中有機物的綜合衰減系數(shù),d-1;q為安全庫容期間湖泊平均每天的流出水量,m3/d.不考慮蒸發(fā)時,應等于入湖(庫)廢水量、入湖地表徑流量與上游河道來水量之和.

式(1)中右邊3項實際上分別為稀釋容量、自凈容量和遷移容量.在水質控制目標一定的情況下,W的大小實際上取決于水體現(xiàn)狀濃度高低、湖庫蓄水量、以及在安全庫容期間,湖泊平均每天的流出水量3個參數(shù)的大小.

1.2 計算參數(shù)確定

1.2.1 △t本文按一般情況下的30d計算.

1.2.2 Cs為充分了解淀山湖水體在不同水質目標情景下的環(huán)境容量,共設置以下3種水質目標情景:

情景一:保持現(xiàn)狀水質不再惡化,即水質控制目標等于現(xiàn)狀水質.

情景二:達到上海市水環(huán)境功能區(qū)劃要求,即達到II類水質目標.

情景三:達到飲用水源地最低水質目標要求,即達到III類水質目標.

1.2.3 C0根據(jù)青浦區(qū)環(huán)境保護局提供的數(shù)據(jù),目前COD取年月平均值15.2mg/L,NH3-N取年月平均值1.4mg/L.

1.2.4 V 據(jù)國務院批復的《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》[15],淀山湖水面積多年平均63.73km2,平均水深1.73m,按此計算,相應蓄水量約為1.1×108m3.

1.2.5 K K值的確定方法有試驗法、反推法和類比法.本文采用類比法確定.綜合考慮已有類似研究后[16-20],淀山湖CODcr的K值按保守的0.04 d-1進行估計.

1.2.6 q q按保守估計值為15.0×108m3,即平均4.11×106m3/d.

1.3 計算結果

情景一:在水質保持現(xiàn)狀情況下,淀山湖總的COD環(huán)境容量為47213t/a,此時由于目標濃度與現(xiàn)狀濃度相等,COD稀釋容量為0.自凈容量為24411t/a,表明在現(xiàn)狀濃度條件下,淀山湖水體每年靠自凈能力可以凈化的COD量為24411t.遷移容量為22802t/a,表明在該水質目標下,每年下泄流量可帶走22802t的COD.

表1 不同水質目標下淀山湖COD環(huán)境容量Table 1 The Dianshan Lake’s environmental capacities for COD under different scenarios of WQCTs

情景二:在水質目標為II類時,淀山湖總的COD環(huán)境容量為46325t/a,其中COD稀釋容量為-268t/a,表明由于目前淀山湖水體濃度略高于水質目標,因此要讓水質達標,還需要從水體中削減268t/a的COD.此時自凈容量為24090t/a,遷移容量為22502t/a.

情景三:當COD水質目標為III類時,其理論環(huán)境容量將達到68547t/a.

2 TN、TP環(huán)境容量估算

2.1 估算模型

目前核算湖庫TN、TP環(huán)境容量的模型較多,其中使用較多的有狄龍(Dillion)模型[16,18-22]、世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)模型[20-21]、以及合田健模型等[21-24].其中狄龍模型比較適用于富營養(yǎng)化水體,合田健模型較適用于庫灣型水體.為了全面了解淀山湖TN和TP環(huán)境容量,本文先利用3種模型進行計算,然后取其平均值作為最終評估結果.

(1)狄龍模型計算公式為:

式中:M為水體氮或磷的納污能力,g/a;Ls為單位湖(庫)水面積對氮或磷的納污能力,g/(m2·a);A為計算時期湖(庫)水面積,m2;Cs為湖(庫)中氮或磷的年平均控制濃度(水質目標值),mg/L.為充分了解TN和TP在不同水質目標條件下的環(huán)境容量,本文共設置以下4種目標情景:

情景一:保持現(xiàn)狀水質不再惡化,即水質控制目標等于現(xiàn)狀水質.

情景二:達到上海水環(huán)境功能區(qū)要求,即達到II類水質目標.

情景三:達到飲用水源地最低水質目標要求,即達到III類水質目標.

情景四:達到IV類水質目標,文獻[15]規(guī)定到2020年太湖湖體水質TN控制在IV類.

h為計算時期水域的平均水深,由計算時期的庫容/水深面積得到,m;Q出為穩(wěn)態(tài)時湖庫的年出水量,m3/a,本文按保守估計的15.0×108m3進行計算(與前面COD容量計算保持一致);V為設計水文條件下的湖(庫)容積,m3;R為氮、磷在湖(庫)中的滯留系數(shù),無量綱,一般用式(3)計算:

式中:W出和W入分別為年出、入湖(庫)的氮、磷量(指通過各種途徑帶出湖體的量,包括水草打撈、捕魚、下泄等帶出的量),t/a.

在無法得知年進、出湖的氮、磷量時,可按式(4)進行估計:

由于Cs為定值,因此M的大小主要取決于Q出和R的大小.由式(4)可知,R的大小取決于Q出和A,因此,M的大小最終取決于Q出和A的大小.

(2)世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織模型法計算公式為:

式中:qs為湖泊單位面積的水量負荷,等于Q入/A,m/a,其他參數(shù)同前.

從長期看,淀山湖Q入與Q出基本相等,為此式(6)可變形為:

由于Cs為定值,因此M的大小主要取決于Q出和V的大小.

(3)合田健模型法計算公式為:

2.2 估算結果

2.2.1 TN 在水質保持現(xiàn)狀條件下(情景一),淀山湖TN環(huán)境容量3種模型計算結果為7480.6～9704.8t/a,平均值8337.7t/a.在TN水質目標設定為II類時(情景二),環(huán)境容量在 1068.9～1386.4t/a 之間,平均值為1191.1t/a.水質目標為III類時(情景三),環(huán)境容量在2137.3～2772.8t/a之間,平均值為2382.2t/a.水質目標為IV類時(情景四),其環(huán)境容量為3206.0～4159.1t/a,平均值為3573.3t/a(表2).

表2 不同水質目標情景下淀山湖TN環(huán)境容量計算結果(t/a)Table 2 The Dianshan Lake’s environmental capacities for TN under different scenarios of WQCTs(t/a)

2.2.2 TP 在水質保持現(xiàn)狀條件下(情景一),淀山湖TP環(huán)境容量3種模型計算結果為427.2～554.4t/a,平均值476.3t/a.在TP水質目標設定為II類時(情景二),TP環(huán)境容量在53.4～69.3t/a,平均值為59.5t/a.水質目標為III類時(情景三),其環(huán)境容量平均為106.8～138.6t/a,平均119.1t/a.水質目標為IV類時(情景四),其環(huán)境容量為213.7～277.3t/a,平均為238.2t/a(表3).

表3 不同水質目標情景下淀山湖TP環(huán)境容量計算結果Table 3 The Dianshan Lake’s environmental capacities for TP under different scenarios of WQCTs

3 結論

3.1 在保持現(xiàn)狀濃度條件下,COD、TN和TP的環(huán)境容量分別為47213,8337.7,476.3t/a.

3.2 在水質控制目標為II類,即滿足上海水環(huán)境功能區(qū)劃要求時,COD、TN和TP的環(huán)境容量分別為46325,1191.1,59.5t/a,與情景一相比,除COD外,其余2項環(huán)境容量均有大幅度的下降,說明除COD現(xiàn)狀濃度與II類水質目標較接近外,其余均有較大差距.

3.3 在水質控制目標為III類,即滿足飲用水源地最低標準時,COD、TN和TP的環(huán)境容量分別為68547,2382.2,119.1t/a.各項指標較情景二均有較大幅度增加.

3.4 由于COD目前水質均好于IV類水,所以本文不為其設IV類水質目標情景.在IV類水質目標時,即達到國務院設定2020年太湖湖體水質TN控制目標時,TN、TP的環(huán)境容量分別為3573.3t/a和238.2t/a.

[1] 程 曦,李小平.淀山湖氮磷營養(yǎng)物20年變化及其藻類增長響應 [J].湖泊科學,2008,20(4):409-419.

[2] 蘇麗丹,林衛(wèi)青,楊漪帆,等.淀山湖底泥氮、磷釋放通量的研究 [J].環(huán)境污染與防治,2011,33(5):32-35.

[3] 盧 嘉,李小平,陳小華.淀山湖總氮和總磷的時空模擬分布 [J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術,2010,22(6):32-38.

[4]Zhang Kun,Cheng Peng-da,Zhong Bao-chang.Total phosphorus release from bottom sediments in flowing water[J].Journal of Hydrodynamics,Ser.B,2012,24(4):589-594.

[5]李宏祥,田 華,梁國康.淀山湖富營養(yǎng)化現(xiàn)狀及生態(tài)修復措施分析 [J].水資源保護,2012,28(3):83-87.

[6] 楊 虹,汪益賓,薄芳芳,等.淀山湖浮游植物群落時空分布動態(tài)初步研究 [J].華東師范大學學報(自然科學版),2010,(6):54-63.

[7] 王麗卿,施 榮,季高華,等.淀山湖浮游植物群落特征及其演替規(guī)律 [J].生物多樣性,2011,19(1):48-56.

[8]康麗娟.淀山湖富營養(yǎng)化控制葉綠素 a基準研究初探[J].水生生物學報,2012,36(3):509-514.

[9] 胡雪芹,王 強,馬明睿.淀山湖葉綠素a分布特征其與浮游植物密度的相關性 [J].華東師范大學學報(自然科學版),2012,(4):149-156.

[10]哈 歡,朱宏進,朱雪生,等.淀山湖富營養(yǎng)化防治與生態(tài)修復技術研究 [J].中國水利,2009,(13):46-48.

[11]民進上海市委員會.淀山湖水環(huán)境污染探析及防治對策.人民長江 [J].2009,40(17):3-7.

[12]阮仁良.淀山湖富營養(yǎng)化對上海市水源地的影響及防治對策研究 [J].水系污染與保護,1997,(2):71-74.

[13]方如康.淀山湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護若干問題的探討 [J].生態(tài)學報,1988,8(4):364-367.

[14]GB3839-83 制訂地方水污染物排放標準的技術原則與方法[S].

[15]國家發(fā)展和改革委員會.太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案[M].2008.

[16]樊 華,陳 然,劉志剛.柘林水庫水環(huán)境容量及水污染控制措施研究 [J].人民長江,2009,40(24):39-42.

[17]郭獻軍,宋建國,韓玉梅.煙臺門樓水庫水環(huán)境容量研究[J].環(huán)境科學與技術,2006,29(10):43-47.

[18]歐陽球林,高桂青.瑤湖水環(huán)境容量的研究 [J].南昌工程學院學報,2008,27(1):65-67.

[19]李 雋,許 友.岳陽南湖水環(huán)境容量計算及污染治理措施效果分析[J].岳陽師范學院學報(自然科學版),2001,14(2):21-23.

[20]宋學宏,邴旭文,孫麗萍,等.陽澄湖養(yǎng)殖水體COD降解動力學研究 [J].安徽農(nóng)業(yè)大學學報,2010,37(2):328-332.

[21]金相燦.湖泊富營養(yǎng)化控制和管理技術 [M].北京:化學工業(yè)出版社,2001.

[22]董 飛,彭文啟,劉曉波.富營養(yǎng)化水庫水環(huán)境容量研究[J].人民黃河,2011,33(4):46-48.

[23]李衛(wèi)平,李暢游,王 麗,等.不同數(shù)學模型下的烏梁素海水環(huán)境氮磷容模擬計算 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2007,26(增刊):379-385.

[24]陳 煒,羅華兵,黃 璇.流溪河水庫水環(huán)境容量研究.環(huán)境科學與管理,2011,36(11):34-39.