入湖污染負荷消減對長蕩湖水質(zhì)改善效應評估

靳斌斌,朱　亮,3,李一平,3,滕榮國, 秦文浩

(1. 河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室 ，南京　210098；2.河海大學環(huán)境學院，南京　210098；3. 河海大學水利工程科學與水文水資源國家重點實驗室，南京　210098；4. 金壇市自來水公司，江蘇 金壇　213200)

· 水環(huán)境 ·

入湖污染負荷消減對長蕩湖水質(zhì)改善效應評估

靳斌斌1,2,朱亮1,2,3,李一平1,2,3,滕榮國4, 秦文浩1,2

(1. 河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室 ，南京210098；2.河海大學環(huán)境學院，南京210098；3. 河海大學水利工程科學與水文水資源國家重點實驗室，南京210098；4. 金壇市自來水公司，江蘇 金壇213200)

為科學客觀地分析論證水源地現(xiàn)狀污染負荷消減改善效果和存在問題，以金壇市長蕩湖湖區(qū)為研究對象，建立二維水流-水質(zhì)耦合模型。以豐水年、平水年、枯水年為例，通過對入湖河流污染負荷分別消減10%、20%和30%方案和對保護區(qū)內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖的消減三工況方案，利用EFDC模型，分析了入湖河流污染負荷消減及圍網(wǎng)拆除對長蕩湖全湖TN改善程度。結(jié)果表明：對比入湖河流污染負荷消減30%和拆除一、二級保護區(qū)內(nèi)全部圍網(wǎng)養(yǎng)殖的改善效果，發(fā)現(xiàn)拆除圍網(wǎng)養(yǎng)殖比消減入湖河流污染負荷對長蕩湖TN改善效果更明顯,為優(yōu)化長蕩湖污染負荷消減提供了理論依據(jù)。

污染負荷消減;EFDC模型;水質(zhì)改善;長蕩湖

1　前　言

安全飲用水是世界正面臨著的四大水資源問題之一[1]，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和人民對環(huán)境質(zhì)量要求的提高，我國也不斷加大對飲用水水源地的保護與治理工作。2010年環(huán)境保護部、國家發(fā)展和改革委員會、住房城鄉(xiāng)建設部、水利部和衛(wèi)生部等五部委聯(lián)合印發(fā)了《全國城市飲用水水源地環(huán)境保護規(guī)劃(2008—2020年)》。該規(guī)劃以解決水質(zhì)不達標及重污染水源地的環(huán)境問題為重點，明確了八項建設任務以保障居民的飲用水安全。目前，我國對飲用水水源地污染的研究較多，如王書航等[2]對巢湖入湖河流分類及污染特征分析；曾慶飛等[3]關(guān)于東太湖水質(zhì)污染特征研究；謝興勇等[4]對太湖磷循環(huán)的生態(tài)動力學模擬研究；賴錫軍等[5]對鄱陽湖二維水動力和水質(zhì)耦合數(shù)值模擬的研究。但是上述研究主要集中于水源地污染狀況的調(diào)查分析和污染的數(shù)值模擬研究，較少的涉及水源地污染與周邊環(huán)境因子內(nèi)在關(guān)聯(lián)性的量化研究，對污染的防治措施的量化分析更是薄弱。

針對長蕩湖所面臨的典型湖泊富營養(yǎng)化水環(huán)境問題，自2009年起，金壇市開展對長蕩湖生態(tài)修復工作，加大了對長蕩湖周邊工業(yè)污染源的整治，取得了初步成效。但總的來說效果還是不太明顯，要真正實現(xiàn)生態(tài)湖泊的要求，必須從源頭上控制和治理水質(zhì)污染，對入湖污染物實行總量控制，調(diào)整湖內(nèi)生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)[6]。因此，為科學客觀的分析論證水源地現(xiàn)狀污染負荷消減改善效果和存在問題，本文以金壇市長蕩湖湖區(qū)為研究對象，建立了二維水流-水質(zhì)耦合模型。以豐水年、平水年、枯水年為例，通過對入湖河流污染負荷分別削減10%、20%和30%方案和對保護區(qū)內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖的消減兩工況方案，利用EFDC模型，分析了入湖河流污染負荷消減及圍網(wǎng)拆除對長蕩湖全湖TN改善程度，為優(yōu)化長蕩湖污染負荷消減提供了理論依據(jù)。

2　研究區(qū)域

長蕩湖，又名洮湖，地處金壇、溧陽兩市交界處，北距金壇市金城鎮(zhèn)9.0km，在東經(jīng)119°30′～119°40′、北緯31°30′～31°40′之間，湖面形狀如梨形，長約為13.6km，寬約為9.3km，水面面積約81.86km2，湖泊保護范圍總面積為120.74km2。長蕩湖是江蘇省10大淡水湖之一，為太湖流域湖西區(qū)調(diào)蓄性湖泊，其水源主要來自環(huán)湖河港入流和湖面降水補給，湖區(qū)周圍有大小進出河港44條，主要入湖河港有新建河、方洛港、新河港、大浦港、白石港以及北河等；主要出湖河港有湟里河、北干河以及中干河等，另外，與長蕩湖有密切關(guān)系的河湖有丹金溧漕河和錢資蕩。長蕩湖地理位置詳見圖1。

圖1　長蕩湖地理位置Fig.1　The location map of Changdang Lake

長蕩湖水體現(xiàn)狀功能為生活飲用水，執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類水標準。據(jù)長蕩湖2013年各個監(jiān)測點水質(zhì)評價結(jié)果，2013年內(nèi)長蕩湖高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度除各別月份略有超標外，基本達到生活飲用水水源地Ⅲ類標準；總磷和總氮年平均濃度超標情況較為嚴重；其中，總氮濃度為Ⅴ類或劣Ⅴ類。

3　湖區(qū)數(shù)學模型建立

為充分利用長蕩湖水質(zhì)水量檢測數(shù)據(jù)和污染源調(diào)查資料，確定主要長蕩湖水量模型參數(shù)和水質(zhì)降解參水，根據(jù)長蕩湖環(huán)湖河道概況，對方洛港、新河港、大浦港、白石港、北河、湟里河、北干河和中干河8條出入湖道進行概化，基于EFDC模型建立長蕩湖湖區(qū)數(shù)學模型，從而為研究長蕩湖入湖污染負荷消減提供理論基礎。

3.1水量水質(zhì)耦合模型

EFDC模型的水質(zhì)模塊在考慮風速、風向(以來風方向為基準，規(guī)定正東方向為0度。EFDC模型能夠?qū)崿F(xiàn)碳氮磷等營養(yǎng)鹽有機態(tài)和無機態(tài)多種形式的模擬，功能完善且能夠更加真實可靠的反映污染物的擴散降解轉(zhuǎn)化規(guī)律[7～9]。EFDC水質(zhì)模塊的主要質(zhì)量守恒方程如下：

水質(zhì)變量的質(zhì)量守恒控制方程由物質(zhì)輸移、平流擴敝和動力學過程組成：

(1)

求解時，動力學項與物理輸運項脫耦，若對物理輸運求解，質(zhì)量守恒方程與鹽度方程采樣相同的形式：

(2)

若方程只對動力學過程求解，則方程被視為動力學過程：

(3)

也可表示如下：

(4)

式中：C為水質(zhì)指標變量濃度；u、v和w分別為x、y、z方向的速度；Kx，Ky，Kz分別為x、y、z方向的擴散系數(shù)；Sc為單位體積源匯項；K為動力學速率；R為源匯項。

3.2湖網(wǎng)概化

模型用于長蕩湖整個湖區(qū)，計算區(qū)域面積約82km2，對計算水域采用矩形網(wǎng)格布置，網(wǎng)格大小為100m×150m矩形，在計算區(qū)域內(nèi)生成8494個網(wǎng)格。根據(jù)長蕩湖環(huán)湖河道概況，在計算域內(nèi)概化成8個出入湖口。(見圖2)

圖2　長蕩湖湖網(wǎng)概化Fig.2　The lake generalized network diagram of Changdang lake

3.3模型參數(shù)選擇及邊界條件選取

(1)模型參數(shù)選擇

多數(shù)情況下，EFDC 模型中的許多參數(shù)不需要修改。譬如Mellor-Yamada 湍封閉參數(shù)在各個模型中基本是相同的[10，11]。下面討論常調(diào)整的參數(shù)，長蕩湖湖底糙率 Z0取為默認值0.02m ，選擇0.1m作為干濕網(wǎng)格的臨界水深，水平粘性系數(shù)等見表1。

表1　長蕩湖水動力模型參數(shù)取值

此外，TN、TP和NH3-N降解系數(shù)根據(jù)實測資料確定為0.015～0.018 d-1，CODMn降解系數(shù)根據(jù)實測資料分別確定為0. 15～0.2 d-1。考慮到計算的穩(wěn)定性和精度，水質(zhì)計算的時間步長為10s 。

(2)模型邊界條件的選取

初始條件設置：主要考慮初始水位、初始水質(zhì)和流場等因素。

邊界條件：采用全年出入湖河道水質(zhì)、水量資料、長蕩湖降雨資料、年蒸發(fā)量資料以及風場資料等。

3.4模型率定

(1)長蕩湖水動力模型驗證

為檢驗二維水流模型處理是否合理，模型設定參數(shù)能否反映河道水流的實際情況，在保持模型率定參數(shù)和區(qū)域概化處理方法不變的前提下，使用2013年王母觀全年實測水文資料對二維水流模型進行驗證，模型驗證結(jié)果顯示沿程水面線與實測水面線一致，年平均水位誤差不超過1cm，驗證結(jié)果見圖3。二維水流模型對區(qū)域的概化處理合理，選用的參數(shù)反映了河道的水力特性。

圖3　2013年長蕩湖的實測水位與計算結(jié)果的驗證Fig.3　The verification of measured water level of the Changdang lake in 2013 and the calculated results

(2)長蕩湖水質(zhì)模型驗證

為考查二維水流-水質(zhì)耦合模型模擬污染帶的合理性，模型設定參數(shù)能否反映河道水流的實際情況，在保持模型率定參數(shù)和區(qū)域概化處理方法不變的前提下，根據(jù)2013年長蕩湖水體實測資料對長蕩湖進行模型的檢驗率定,模型驗證結(jié)果顯示水質(zhì)模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相符。所建模型用于開展長蕩湖水質(zhì)計算和預測，驗證結(jié)果見圖4。

圖4　2013年長蕩湖的實測水質(zhì)與計算結(jié)果的驗證Fig.4　The verification about measured water quality of the Changdang lake in 2013 and the calculated results

4　入湖污染負荷消減對湖體水環(huán)境質(zhì)量影響與預測

4.1環(huán)湖河流對長蕩湖TN濃度分布的影響

影響湖體水質(zhì)的環(huán)湖河道主要有大浦港、新河港、方洛港和白石港，其中，大浦港對長蕩湖TN入湖通量貢獻最大。具體各環(huán)湖河流TN入湖量見表2。

表2　環(huán)湖河道TN入湖通量

基于所建立的湖網(wǎng)水動力和水質(zhì)模型，模擬長蕩湖TN濃度分布，具體見圖5。

圖5　不同水平年TN濃度模擬分布Fig.5　Simulated TN concentration distribution of different years

4.2現(xiàn)狀污染負荷消減方案

長蕩湖水源主要來自環(huán)湖河港入流和湖面降水補給，主要污染源為進出湖河流攜帶的污染和圍網(wǎng)養(yǎng)殖污染。此外，主要出入湖河港對長蕩湖水動力和水環(huán)境特征具有較大的影響。綜合考慮《太湖流域水環(huán)境治理總體方案》(2013年修編)[12]，江蘇綜合治理區(qū)主要污染物排放總量控制目標的要求，擬定入湖河流污染負荷分別削減10%、20%和30%。

根據(jù)《江蘇省縣級以上集中式飲用水水源地保護區(qū)》劃分方案對飲用水水源保護區(qū)一級保護區(qū)和二級保護區(qū)的要求，擬定保護區(qū)內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖的消減程度[13]。分兩種工況:(1)一級保護區(qū)圍網(wǎng)全部拆除，拆除面積為20.11 ha，占全湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積的0.87%；(2)一、二級保護區(qū)內(nèi)圍網(wǎng)全部拆除，拆除面積為328.21ha，占全湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積的14.19%。計算方案見表3。

表3　計算方案表

4.3現(xiàn)狀污染負荷消減效果分析

基于所建立的湖網(wǎng)水動力和水質(zhì)模型，根據(jù)現(xiàn)狀污染負荷消減方案，模擬和計算不同計算方案下TN的改善情況，具體計算結(jié)果見圖5。

圖6　長蕩湖污染負荷消減預測Fig.6　The prediction of pollution load reduction of Changdang lake

由圖6的計算結(jié)果分析可知，在豐水年、平水年和枯水年，入湖河流污染負荷消減10%的條件下，總氮濃度年平均值分別為2.08 、1.94 和1.62 mg/L，水質(zhì)年平均改善程度分別為7.1%、6.5%和7.7%；入湖河流污染負荷消減20%的條件下，總氮濃度年平均值分別為1.92 、1.8 和1.5 mg/L，水質(zhì)年平均改善程度分別為14.3%、12.9%和15.0%；入湖河流污染負荷消減30%后，總氮為IV類～V類，全年達標率在2%～10%。

由圖6的計算結(jié)果分析可知，在豐水年、平水年和枯水年水文條件下，拆除一級保護區(qū)圍網(wǎng)對水質(zhì)改善效果較為明顯，總氮濃度年平均值分別為1.86 、1.7 和1.43 mg/L，水質(zhì)年平均改善程度分別為17.1%、17.6%和18.4%，各水文年全年水質(zhì)處于IV類～V類；在豐水年、平水年和枯水年水文條件下，拆除二級保護區(qū)圍網(wǎng)對水質(zhì)改善效果較為明顯，總氮濃度年平均值分別為1.34 、1.22 和0.96 mg/L，水質(zhì)年平均改善程度分別為40.4%、41.3%和45.1%。各水文年全年水質(zhì)處于IV類～V類。綜上，一、二級保護區(qū)圍網(wǎng)全部拆除后，總氮處于Ⅲ類～Ⅳ類，達標率處于6.5%～61.4%。其中，豐年年達標情況最差。

通過對比入湖河流污染負荷消減30%和拆除一、二級保護區(qū)內(nèi)全部圍網(wǎng)養(yǎng)殖的改善效果，發(fā)現(xiàn)拆除圍網(wǎng)養(yǎng)殖比消減入湖河流污染負荷對長蕩湖水質(zhì)改善效果更明顯，故應加大圍網(wǎng)養(yǎng)殖的拆除力度。

5　結(jié)　語

通過水質(zhì)水量模型模擬，預測了不同水平年入湖河流污染負荷消減和圍網(wǎng)養(yǎng)殖污染負荷消減對長蕩湖水質(zhì)的影響，主要獲得以下幾個結(jié)論：

5.1消減入湖河流污染負荷可以明顯改善取水口附近的水質(zhì),當入湖污染負荷消減10%、20%和30%，總氮的改善程度為6.2%、12.4%和18.6%，但是入湖污染負荷消減30%后，總氮只能達IV類～V類標準；拆除飲用水源地保護區(qū)內(nèi)的圍網(wǎng)養(yǎng)殖對取水口水質(zhì)改善效果明顯，一、二級保護區(qū)內(nèi)圍網(wǎng)全部拆除時，不同水平年總氮的改善程度為40.4%～45.1%，此時，總氮達IV類標準。

5.2通過對比入湖河流污染負荷消減30%和拆除一、二級保護區(qū)內(nèi)全部圍網(wǎng)養(yǎng)殖的改善效果，發(fā)現(xiàn)拆除圍網(wǎng)養(yǎng)殖比消減入湖河流污染負荷對長蕩湖水質(zhì)改善效果更明顯，故應加大圍網(wǎng)養(yǎng)殖的拆除力度。

5.3其他整治措施力度需加大，僅通過入湖河道污染負荷消減和拆除圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)手段治理，仍達不到長蕩湖治理Ⅲ類水目標，只有從源頭上減少和控制污染物入湖，才能保證長蕩湖水質(zhì)改善的可能。故在拆除圍墾養(yǎng)殖區(qū)的同時，需要實施其他整治措施，如建設湖濱濕地凈化帶、人工種植水生植被、提高上游來水水質(zhì)等，長蕩湖水環(huán)境的整治效果才會更理想。

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Assessment of Water Quality Improvement Effect of Changdang Lake by Reduction of Pollution Load into the Lake

JIN Bin-bin1,2, ZHU Liang1,2,3, LI Yi-ping1,2,3, TENG Rong-guo4, QIN Wen-hao1,2

(1.KeyLaboratoryofIntegratedManagementShallowLakes&ResourceDevelopment,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.EnvironmentCollege,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.StateKeyLaboratoryofHydrology&WaterResources&HydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;4.JintanWaterCompany,Jintan,Jiangsu213200,China)

In order to analyze and demonstrate scientifically and objectively how the reduction of the pollution load improves the water source and its existing problems, this study took the Changdang Lake，district in Jintan city， as the research object and established a two-dimensional flow - water quality coupling model . Using EFDC model, this paper analyzed the improvement effect of TN due to pollution load reduction (reduced by 10%, 20% and 30%) and fence removal in protection area (two removal conditions). The results showed that removal of enclosure culture had more improvement effects to TN by comparing two conditions ，30% pollution load reduction and total removal of enclosure culture in primary and secondary areas. The research can provide theoretical basis for pollution load reduction of Changdang Lake.

Pollution load reduction; EFDC model; water quality improvement; Changdang Lake

2015-03-31

金壇市長蕩湖水質(zhì)水量動態(tài)模擬預測與研究。

靳斌斌(1988-),男,河南安陽人,河海大學市政工程專業(yè)2012級在讀碩士研究生,主要從事水污染控制及數(shù)值模擬研究。

X824

A

1001-3644(2015)04-0050-07