基于質(zhì)量平衡的太湖氮、磷自凈能力計算*

翟淑華，韓 濤，陳 方

(1:水利部太湖流域管理局，上海 200434)

(2:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室，南京 210008)

太湖是我國第三大淡水湖泊，具有供水、防洪、抗旱、旅游、養(yǎng)殖、航運(yùn)等多種功能，1990s 以來，伴隨著太湖流域經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，入湖河道水質(zhì)惡化，加之污染物直接入湖量增加，導(dǎo)致太湖水質(zhì)下降，富營養(yǎng)化問題突出.2007年太湖藍(lán)藻暴發(fā)引發(fā)無錫供水危機(jī)后，太湖水環(huán)境綜合治理的力度進(jìn)一步加大，對太湖問題的研究成為國家層面、國際間合作的熱點(diǎn)和焦點(diǎn).對太湖水體自凈能力以及通過水動力條件的改變對太湖自凈能力的作用進(jìn)行研究，對于富營養(yǎng)化湖泊治理具有重要的理論指導(dǎo)意義，引起了國內(nèi)外不同層面的管理人員和專家、學(xué)者的關(guān)心、關(guān)注.國外對湖泊營養(yǎng)鹽自凈能力問題的研究較早且較深入[1]，美國環(huán)境保護(hù)局于1972年基于水體自凈能力最先提出了實際環(huán)境能夠承擔(dān)的最大日負(fù)荷總量TMDL(total maximum daily loads，TMDL)的概念.污染排放量超過該負(fù)荷，水環(huán)境就可能惡化，進(jìn)而對水域使用功能和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生損傷.Vagnetti 等[2]較為全面地從物理、化學(xué)和生物過程等方面，通過現(xiàn)場實測資料分析和歷史資料的對比分析，對不同底質(zhì)下河流對氮、磷、重金屬等多種污染物的自凈能力進(jìn)行了定量分析，得出該河流對于不同污染物的自凈量和自凈能力以及主要作用因子等研究結(jié)論.對于太湖水體自凈能力的研究，在“國家水體污染控制與治理科技重大專項”中曾列有專題[3]，以太湖南部水域為對象開展了探索性研究，研究南太湖水體自凈能力季節(jié)變化的特征，得出影響南太湖地區(qū)小型淺水湖泊自凈能力的3 個主成分分別為浮游植物因子(水溫、pH、高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素a)、農(nóng)田排水因子(pH、溶解氧和總氮)和營養(yǎng)因子(總氮和總磷).

國內(nèi)專家也曾結(jié)合水環(huán)境容量研究進(jìn)行過探索[4-5].影響太湖自凈能力的因素多樣且十分復(fù)雜[6]，從物理角度分析，水流流速、流向的不同將直接對污染物遷移、擴(kuò)散方向和強(qiáng)度帶來影響，從生物化學(xué)角度分析，水體本身的組分決定了生物和化學(xué)進(jìn)程對水域自凈能力作用的大小，如湖泊中挺水生物的多少和水質(zhì)本底濃度的高低直接影響著湖體自凈能力的大小.此外，風(fēng)對水體的強(qiáng)烈擾動又會增加水體中的溶解氧，對增加水域的自凈能力有益，在水域床底長期積累的底質(zhì)污染，即內(nèi)源污染積累對水域的自凈能力也有不可忽視的間接影響.自凈能力包括了稀釋、吸附、揮發(fā)、沉淀等物理自凈以及氧化還原、絮凝等化學(xué)自凈和生物凈化等能力.它不是一個固定值，而是隨年度水情、水流、水質(zhì)以及水生生物條件等自然環(huán)境和人類活動而變化.隨著最嚴(yán)格水資源管理制度的實行，嚴(yán)格控制入河、湖排污總量已成為國家水資源管理的要求，這對水域凈化能力的研究提出了更高的要求，有必要進(jìn)一步深入研究太湖水體自凈能力與凈化能力，為從嚴(yán)核定水域納污容量提供理論支撐.為此，本文選取資料較為全面的2010年，開展進(jìn)出太湖的水量平衡計算和營養(yǎng)鹽的質(zhì)量平衡計算，通過對2010年太湖進(jìn)出湖水量和氮、磷通量計算，以及在進(jìn)出太湖質(zhì)量平衡相關(guān)要素的資料收集和計算分析的基礎(chǔ)上，對太湖氮、磷自凈能力進(jìn)行探索性量化研究.

1 材料與方法

1.1 水量平衡要素及計算

1.1.1 環(huán)太湖河流進(jìn)出湖水量計算 太湖地處平原水網(wǎng)區(qū)，水系復(fù)雜，河道縱橫交錯，出入太湖溇港河道共計228 條，其中河道口門敞開的河道有62 條.為弄清太湖河道出入水量以及水質(zhì)和掌握太湖水情及污染狀況，國內(nèi)學(xué)者展開了大量的進(jìn)出太湖污染負(fù)荷通量的研究[8-19]，太湖流域水文部門在主要出入湖河道設(shè)置了多個控制斷面，實施環(huán)太湖水文巡測以及資料整編，是環(huán)湖河道通量計算的主要數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

2010年環(huán)湖出入湖河道水量數(shù)據(jù)，采用環(huán)太湖國家水文基準(zhǔn)站經(jīng)過整編后的“2010年環(huán)太湖水文巡測資料”.由于巡測線的實際工況不斷變化，2010年湖州、蘇州、無錫三市水文部門對環(huán)太湖水文巡測段進(jìn)行了新的調(diào)整:由原來的“11 段12 站共計131 個進(jìn)出水口門”調(diào)整為“10 段13 站共計130 個進(jìn)出水口門”，其中湖州有2 段3 站共計21 個進(jìn)出水口門;巡測線移至太湖邊，撤銷三里橋段，設(shè)幻溇段;新增城北水閘站.蘇州有5 段2 站共60 個進(jìn)出水口門;巡測線移至環(huán)太湖公路，撤銷五福橋段和新通安橋段，設(shè)胥江大橋段和銅坑閘段.無錫有3 段8 站共49 個進(jìn)出水口門;撤銷漕橋、黃埝橋基點(diǎn)站，設(shè)浯溪橋基點(diǎn)站代替，漕橋+黃埝橋段改名為浯溪橋段;浯溪橋段新增小金橋、葛瀆橋、師瀆橋3 個口門;陳東港橋段新增廟瀆橋、雙橋、定跨橋3 個口門;另外有大港橋、雅浦橋、龔巷橋、湖山橋、大渲河泵站、犢山閘、梅梁湖泵站、五里湖閘等8 個單站.

2010年環(huán)湖出入湖河道水量計算依據(jù)調(diào)整后的環(huán)太湖水文巡測線，即10 段13 基點(diǎn)站共計130 個進(jìn)出水口門(圖1)的逐日進(jìn)出湖流量.2010年各基點(diǎn)站與巡測單站水量測驗頻次為每天1 ～2 次，在水情存在明顯變化時進(jìn)行加密監(jiān)測.根據(jù)單站每日水量測驗實測資料以及單站與所代表巡測段總流量的相關(guān)關(guān)系，推求出巡測段逐日進(jìn)出太湖的水量，據(jù)此計算得到環(huán)湖出入湖河道逐月進(jìn)出湖水量和年進(jìn)出湖水量.2010年環(huán)太湖河流入湖水量為118.81×108m3，其中包括望虞河引江濟(jì)太的水量，出湖水量為110.06×108m3.

1.1.2 降雨量、蒸發(fā)量計算 2010年太湖湖面降水深為1102.1 mm[7]，按全年平均水位3.37 m，對應(yīng)的太湖水面面積為2332.75 km2，折算為降雨量為25.71×108m3;湖面蒸發(fā)量為884.23 mm(湖面蒸發(fā)量采用杭長橋、西山、瓜涇口、楓橋4 站平均值)，按全年平均水位3.37 m，對應(yīng)的太湖水面面積為2332.75 km2，折算為蒸發(fā)量為20.63×108m3.

1.1.3 太湖調(diào)蓄水量計算 根據(jù)“2010年度太湖流域及東南諸河水資源公報”，2010年年初太湖水位為3.26 m，蓄水量為50.83×108m3;年末水位為3.10 m，蓄水量為47.17×108m3;太湖蓄變量(蓄變量為年末蓄水量減年初蓄水量)為-3.66×108m3.

1.1.4 其他水量要素計算 根據(jù)“2010年度太湖流域及東南諸河水資源公報”，直接從太湖取水水量(包括自備水源、自來水廠等取水戶)約為15.0×108m3.根據(jù)國務(wù)院批復(fù)的《太湖流域水資源綜合規(guī)劃》數(shù)據(jù)，太湖巡測線內(nèi)陸地產(chǎn)水模數(shù)為28.18×104m3/km2，環(huán)太湖水文巡測線所圍面積為3454 km2，扣除農(nóng)業(yè)灌溉耗水量3.40×108m3，估算得到巡測線內(nèi)陸地產(chǎn)水入湖量約為0.82×108m3.

圖1 2010年環(huán)太湖進(jìn)出湖河流水量巡測線示意圖Fig.1 Sketch map of hydrometric gauging line of rivers flowing in and out of Lake Taihu in 2010

1.1.5 水量平衡計算 考慮上述各水量平衡要素，開展對各太湖水量平衡項進(jìn)行統(tǒng)計計算，其計算公式為:

式中，WI為環(huán)太湖河流入湖水量，根據(jù)“2010年環(huán)太湖出水文巡測資料”逐日統(tǒng)計得到;W0為環(huán)太湖河流出湖水量，根據(jù)“2010年環(huán)太湖出水文巡測資料”逐日統(tǒng)計得到;P 為湖面降水量，為太湖年降水量與2010年太湖平均水位對應(yīng)的水面面積的乘積;E 為湖面蒸發(fā)量，為太湖年蒸發(fā)量與2010年太湖平均水位對應(yīng)的水面面積的乘積;D 為陸地產(chǎn)水入湖量，為環(huán)太湖水文巡測線范圍內(nèi)的陸地區(qū)域的產(chǎn)水入湖量;WC為取水戶直接取水量，直接采用當(dāng)年統(tǒng)計資料;ΔV 為太湖蓄變量，為太湖年初和年末蓄水量的變化量，當(dāng)年初蓄水量大于年末蓄水量時ΔV 取負(fù)值，當(dāng)年初蓄水量小于年末蓄水量時ΔV 取正值;ΔE1為水量平衡計算的絕對誤差.

水量平衡計算結(jié)果顯示:2010年太湖水量平衡入湖項 WI、P、D 分別為 118.81×108、25.71×108、0.82×108m3，出湖項 W0、E、WC分別為110.06×108、20.63×108、15×108m3，蓄變量 ΔV 為-3.66×108m3，水量平衡計算的絕對誤差為-4.01×108m3，相對誤差為-2.8%，在規(guī)范要求的誤差范圍以內(nèi).

1.2 水質(zhì)資料及通量計算

1.2.1 環(huán)太湖河流水質(zhì)與出入湖通量計算 水質(zhì)監(jiān)測資料采用太湖流域水資源保護(hù)局發(fā)布的太湖和環(huán)太湖主要進(jìn)出湖河流每月1 次的常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測資料，相關(guān)水質(zhì)監(jiān)測的斷面布置、監(jiān)測方法、監(jiān)測頻次以及環(huán)太湖河道出入湖氮、磷負(fù)荷通量計算采用翟淑華等[8]的方法，即采用與水量巡測段相匹配的河流水質(zhì)實測資料，計算得到2010年環(huán)太湖河流入湖和出湖水量分別為118.81×108和110.06×108m3，帶入太湖的總磷和總氮負(fù)荷通量分別為0.28×104和5.64×104t，帶出太湖的總磷和總氮負(fù)荷通量分別為0.068×104和2.54×104t.

1.2.2 降雨帶入與人工帶出量估算 降雨帶入量為太湖湖面年降水量與其濃度之積計算得到，其中總磷和總氮濃度采用黃漪平[9]的值.計算得到太湖2010年降雨帶入太湖的總氮和總磷量分別約為2160 和51 t.人工帶出太湖的總磷和總氮量主要通過取水、藍(lán)藻打撈等生物收獲資料估算，其中水廠直接取水帶出的污染負(fù)荷量按照當(dāng)年的取水量和原水水質(zhì)濃度估算，帶出的總磷和總氮量分別為76 和3075 t;2010年通過藍(lán)藻打撈帶出太湖的總磷和總氮量分別為67 和335 t[7]，通過水生生物帶出的總磷和總氮量參考王鴻勇等[10]的值，約為116 和3028 t;2010年底泥疏浚量為418×104方[7]，依據(jù)江蘇省水利廳底泥疏浚資料，2008-2011年底泥清淤工程年均疏浚562×104t，帶出總磷和總氮分別為725 和2775 t，相應(yīng)推求2010年底泥疏浚帶出的總磷和總氮負(fù)荷量分別約為539 和2064 t;太湖地區(qū)污染源排放的負(fù)荷量大部分主要通過河道帶入太湖，2010年環(huán)太湖巡測線已基本調(diào)整到太湖岸邊，未調(diào)整的部分河道由于“引江濟(jì)太”以出湖為主，因此在太湖污染負(fù)荷量平衡計算中，暫不考慮巡測線內(nèi)污染源直接入湖量.

1.2.3 太湖年初原有量和年末殘留量計算 太湖年初原有量和年末殘留量計算，分別考慮太湖蓄水量、分區(qū)水面積和分區(qū)水質(zhì)，其中蓄水量和分區(qū)水面積按照年初和年末水位條件下水位—庫容曲線和水位面積差分計算.為提高湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的代表性，采用泰森多邊形法對太湖進(jìn)行分區(qū)，按照水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)將太湖劃分為33 個分區(qū)(圖2).

圖2 太湖湖區(qū)劃分及水質(zhì)代表站分布Fig.2 Sub zones and water quality monitoring sites in Lake Taihu

采用面積加權(quán)計算得到太湖污染負(fù)荷年初總磷和總氮原有量分別為477.802 和11487.58 t，年末殘留量分別為297.171 和5566.06 t.

綜上所述，得到2010年進(jìn)出太湖氮、磷負(fù)荷通量計算結(jié)果，詳見表1.

2 結(jié)果與討論

本文利用實測資料，在上述水量平衡、氮磷負(fù)荷通量計算的基礎(chǔ)上，以物質(zhì)平衡原理為基礎(chǔ)，在宏觀層面將太湖水體對污染物的自凈過程看作一個黑箱，不論其通過物理自凈還是通過化學(xué)和生物自凈，認(rèn)為進(jìn)入太湖的河流水質(zhì)經(jīng)過太湖水體的自凈過程后，其自凈量值即為在考慮水量平衡誤差的條件下的入湖項扣除出湖項與水體本身含有的總量后的值.自凈量與入湖量的比值即為自凈能力.以2010年總磷、總氮負(fù)荷通量計算為例，對太湖總磷和總氮的自凈量和自凈能力計算結(jié)果進(jìn)行分析及討論.

表1 2010年進(jìn)出太湖總磷和總氮負(fù)荷通量Tab.1 Total phosphorus and total nitrogen flux flows in and out of Lake Taihu in 2010

2.1 基于進(jìn)出湖負(fù)荷通量的太湖自凈能力

采用考慮出入湖負(fù)荷量的方法進(jìn)行自凈能力的計算，在不考慮太湖水體本身年初和年末調(diào)蓄量變化的條件下，太湖氮、磷自凈量的計算公式為:

式中，W自凈為太湖水體自凈作用去除的污染物質(zhì)量，包括污染物降解、生物轉(zhuǎn)化等;W入為通過河流直接帶入太湖的負(fù)荷量;W降雨為通過降雨直接帶入太湖的負(fù)荷量;W出為通過河流直接帶出太湖的負(fù)荷量;W人工為通過水廠取水、藍(lán)藻打撈和太湖底泥疏浚等途徑帶出太湖的負(fù)荷量;ΔW 為質(zhì)量平衡計算的絕對誤差.

相應(yīng)地，太湖自凈能力計算公式[3]為:

表2 僅考慮出入湖負(fù)荷量計算的太湖總磷和總氮的自凈能力Tab.2 Self-purification capacity of total phosphorus and total nitrogen with the nutrient flows in and out of Lake Taihu

式中，η 為自凈能力;Qi為入湖污染物量，包括入湖河流、降雨等自然輸入量等，即Qi=W入+W降雨;Qo包括出湖河流、直接取水帶出量、藍(lán)藻打撈、底泥疏浚等，即Qo=W出+W人工.

按照上述計算公式，在不考慮誤差的條件下，即認(rèn)為 ΔW=0 的條件下，計算2010年太湖總磷和總氮的自凈率分別約為48%和42%(表2).

2.2 基于質(zhì)量平衡的自凈能力計算

由于湖泊調(diào)蓄水量和水體水質(zhì)處于變化之中，因此，湖體本身的氮、磷負(fù)荷量的變化在質(zhì)量平衡中應(yīng)該予以考慮，即在自凈能力計算中考慮太湖本身水情和水質(zhì)變化而產(chǎn)生的氮、磷年初原有量和年末殘留量[9]的不同.采用質(zhì)量平衡方程，計算太湖自凈能力公式為:

式中，W年初為年初太湖水體中的原有量;W年末為年末太湖水體中的殘留量.該方法同陳小鋒等[11]采用質(zhì)量平衡的方法原理一致，但增加了平衡誤差項，2010年進(jìn)出太湖的水量平衡誤差為-2.8%.

相應(yīng)地，太湖自凈能力計算公式為:

按照上述計算公式，得到2010年太湖總磷和總氮的自凈率分別約為52%和49%(表3).

表3 采用質(zhì)量平衡法計算的太湖總磷和總氮的自凈能力Tab.3 Self-purification capacity of total phosphorus and total nitrogen in Lake Taihu on the basis of mass balance

3 結(jié)論

進(jìn)出太湖的河道水質(zhì)對太湖水質(zhì)的影響密切相關(guān).本文利用已有的實測資料和相關(guān)研究數(shù)據(jù)，以質(zhì)量平衡理論為基礎(chǔ)，開展了太湖氮、磷自凈能力計算，初步得出2010年太湖總磷、總氮的自凈能力分別約為48% ～52%和42% ～49%.質(zhì)量平衡方法建立在水量平衡和質(zhì)量平衡的基礎(chǔ)上，理論上較為嚴(yán)謹(jǐn)，也便于計算，可作為宏觀上把握太湖自凈能力的方法.但由于環(huán)太湖水文巡測線不是同步監(jiān)測的，在計算水量平衡時可能會帶來誤差，特別是巡測期間有降雨或人工引調(diào)水存在時影響會更大.另外將每月1 ～2 次的資料作為月平均流量也會帶來誤差.為使計算結(jié)果更為準(zhǔn)確，需要加強(qiáng)進(jìn)出太湖水量和營養(yǎng)鹽監(jiān)測的頻度和力度，此外要考慮對當(dāng)年資料獲取的完整性.

本文提出的太湖自凈能力研究方法偏于宏觀，尤其是太湖底泥帶出量的計算受制于實際資料的獲取，且難以得到底泥沉降和釋放過程的實際資料，是影響自凈能力估算結(jié)果精度的主要因素，故研究太湖自凈能力作用機(jī)制更為科學(xué)的方法是采用太湖生態(tài)模型計算方法，即利用現(xiàn)有的資料和對太湖水質(zhì)變化的追蹤分析，結(jié)合實際觀測資料，采用太湖生態(tài)模型對水質(zhì)變化參數(shù)進(jìn)行計算，分析銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、底泥可交換態(tài)氮、正磷酸鹽磷、底泥可交換態(tài)磷、底泥間隙水溶解性磷等不同形態(tài)營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化關(guān)系，通過太湖水動力—生態(tài)模型探索物理、化學(xué)、生物過程對營養(yǎng)鹽的凈化作用，定量評估在不同污染負(fù)荷壓力條件下，太湖水體不同的過程對總磷與總氮的凈化能力，這將是太湖自凈能力下一步研究的工作方向.

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