白潭湖水質(zhì)及其水環(huán)境容量分析

江明　曾維　佘健　嚴(yán)雪萍　李曄　李柏林

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院　武漢 430070；　2.黃岡市環(huán)境保護(hù)局　湖北黃岡 438000；

3.中南安全環(huán)境技術(shù)研究院有限公司　武漢 430070)

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白潭湖水質(zhì)及其水環(huán)境容量分析

江明1,2曾維1佘健3嚴(yán)雪萍1李曄1李柏林1

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院武漢 430070；2.黃岡市環(huán)境保護(hù)局湖北黃岡 438000；

3.中南安全環(huán)境技術(shù)研究院有限公司武漢 430070)

摘要根據(jù)白潭湖湖區(qū)相關(guān)水文參數(shù)，監(jiān)測資料和水功能區(qū)劃，分析白潭湖的水質(zhì)現(xiàn)狀和污染源情況，并采用輸入、輸出模型、盒式零維模型、淺水湖和水庫規(guī)劃組模型等一系列水環(huán)境容量計(jì)算模型測算白潭湖COD，NH3-N，TP和TN的環(huán)境容量，結(jié)果表明，白潭湖富營養(yǎng)化現(xiàn)狀較嚴(yán)峻，各指標(biāo)如COD，NH3-N，TP和TN的環(huán)境容量分別為587.0，7.46，86.95，4.34 t。

關(guān)鍵詞白潭湖水質(zhì)評(píng)價(jià)環(huán)境容量

0引言

白潭湖位于黃岡市黃州區(qū)東南部，屬長河流域，西北起自羅家溝堤，東抵巴河，北與白羊山分界，南臨長江，主要承接長河、赤港來水。白潭湖的主要功能是養(yǎng)殖、灌溉、調(diào)蓄水量，執(zhí)行Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，被列為國家淡水魚出口基地之一。白潭湖常年水深2 m，水面面積3.62 km2，自土司港建成以來，湖水經(jīng)由土司港閘流經(jīng)巴河進(jìn)入長江，東西長3.1 km，南北寬4.0 km。

隨著白潭湖周邊城市化進(jìn)程的加快，各行業(yè)的發(fā)展，生活污水和工農(nóng)業(yè)廢水急劇增加，快速的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水環(huán)境保護(hù)的不平衡導(dǎo)致城市發(fā)展與自然環(huán)境的矛盾加劇。致使白潭湖水環(huán)境質(zhì)量下降，湖泊富營養(yǎng)化漸趨嚴(yán)重。目前白潭湖的水質(zhì)已經(jīng)下降為Ⅴ類。因此，對(duì)排入白潭湖的重要污染源進(jìn)行調(diào)查分析并對(duì)其水質(zhì)級(jí)別及水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)管理部門進(jìn)行白潭湖污染治理具有重要意義[1]。對(duì)白潭湖的水環(huán)境功能區(qū)劃、水文條件和水文參數(shù)等進(jìn)行分析后，選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)方法和擬合模型，對(duì)白潭湖的主要水質(zhì)指標(biāo)COD，NH3-N，TP和TN進(jìn)行容量計(jì)算評(píng)價(jià)。

1水質(zhì)現(xiàn)狀

白潭湖自1953年建土司港，水位得到控制，沒有明顯的汛期和枯水期，旱能灌，澇能排，管理方便。依據(jù)白潭湖區(qū)水環(huán)境功能區(qū)劃，湖區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)按Ⅲ類水質(zhì)，各指標(biāo)的控制目標(biāo)如表1。參照國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，確定白潭湖的水污染控制指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括單因子指數(shù)(Pi)和綜合指數(shù)(Pj)評(píng)價(jià)，并計(jì)算各類污染物的污染貢獻(xiàn)率(Ki)。

表1　地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)　mg/L

以地表水水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)為參照，確定白潭湖的水質(zhì)級(jí)別。

(1)單因子污染指數(shù)

(除pH值和溶解氧外)

式中, Pi為單因子污染指數(shù)；Cij為j斷面i項(xiàng)污染物的年平均值；Ci0為j斷面i項(xiàng)污染物指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值。

對(duì)于pH和溶解氧(DO)：

式中，Ci為污染物i的年平均監(jiān)測值；Ci0為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；Cmax為溶解氧的最高質(zhì)量濃度(飽和溶解氧濃度20 ℃，9.17mg/L)。

pH值的允許范圍依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)確定。

(2)綜合污染指數(shù)

式中，Pj為j監(jiān)測斷面(湖泊)水污染綜合指數(shù)；Pij為j監(jiān)測斷面i項(xiàng)污染物的污染指數(shù)；n為參與評(píng)價(jià)污染物項(xiàng)數(shù)。

湖泊水污染是多種污染因子的綜合作用，明確主要污染項(xiàng)有助于污染控制和治理，不同的污染因子因其作用機(jī)制和理化性質(zhì)不同，其對(duì)水質(zhì)的影響和影響程度有差異，因此需要對(duì)其各污染物的污染分擔(dān)率進(jìn)行評(píng)估。

式中，Ki為i污染物在該監(jiān)測斷面(湖泊)各污染物中的污染分擔(dān)率。

表2　地表水水環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上評(píng)價(jià)方法可知，2012年綜合污染指數(shù)為1.36(見表3)，屬于中污染，水質(zhì)狀況差。白潭湖水域參評(píng)的各項(xiàng)指標(biāo)中，pH、溶解氧的達(dá)標(biāo)情況較好，COD，BOD5，NH3-N，TP和TN均不達(dá)標(biāo)。具體情況為溶解氧達(dá)到地表水質(zhì)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，COD，TP，TN和NH3-N達(dá)到地表水質(zhì)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，而BOD5則達(dá)到了地表水劣Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。綜合知白潭湖的2012年的水質(zhì)為劣Ⅴ類。

表3　2012年水質(zhì)污染綜合指數(shù)

2污染源調(diào)查

白潭湖區(qū)的工業(yè)污染源根據(jù)各行業(yè)各行政區(qū)域的工業(yè)污染點(diǎn)源實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；白潭湖周邊面源生活污染物產(chǎn)生量采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，對(duì)城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活源，應(yīng)根據(jù)其產(chǎn)生和收集處理實(shí)際情況分別對(duì)待；計(jì)算面源徑流污染時(shí)，根據(jù)農(nóng)田用地情況，調(diào)查并統(tǒng)計(jì)水田和旱地的土地面積和白潭湖湖區(qū)多年年均降雨量，根據(jù)各土地類型對(duì)應(yīng)徑流系數(shù)和源強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行修正[2]，最后對(duì)面源徑流污染進(jìn)行計(jì)算。排入白潭湖的污染源見表4。

白潭湖污染來源眾多，為了明確白潭湖的主要污染源，采用等標(biāo)污染負(fù)荷評(píng)價(jià)法[3]對(duì)白潭湖的污染源狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過分析比較，最終確定其主要排放污染物為氨氮、COD和BOD5，其主要污染源有以下3部分：水產(chǎn)養(yǎng)殖污染、城鎮(zhèn)生活污染和農(nóng)村生活污染，見表4。

表4　入湖污染源及污染物排放量分析

注：“*”表示面源污染所占比例。

3水環(huán)境容量計(jì)算

針對(duì)白潭湖水污染現(xiàn)狀，對(duì)污染源種類和污染物類別的調(diào)查分析，結(jié)合湖區(qū)周邊的環(huán)境問題，對(duì)白潭湖的COD，NH3-N，TN，TP四項(xiàng)污染指標(biāo)進(jìn)行容量分析[4]。針對(duì)白潭湖的地理水文特點(diǎn)，分別選取適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯?duì)各指標(biāo)的環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算。

3.1COD環(huán)境容量計(jì)算模型

白潭湖由長河、赤港等處來水，水由土司港閘經(jīng)巴河流入長江，且出水口距各入湖口較遠(yuǎn)，因此，白潭湖的封閉性較好，對(duì)污染物的動(dòng)態(tài)分析則應(yīng)將其整個(gè)過程中的降解、沉降、底泥釋放及本底值等因素考慮，采用輸入、輸出模式計(jì)算COD容量較為合理[5]，即

當(dāng)湖水處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，湖水中的COD濃度不隨時(shí)間而變化，取dc/dt=0，得出計(jì)算式為：

Lc=K1Cs+Csqs

式中，V為湖泊中水的體積，m3；C為湖泊中水質(zhì)組分濃度，g/m3；Se為湖泊有機(jī)物的入湖量，g/d；Lc為有機(jī)物的允許負(fù)荷量，g/(m2·d)；K1為有機(jī)物的自凈系數(shù)，1/d，取0.01；Z為湖泊平均水深，取1.5m；qs為每日單位面積出湖水量，m3/(m2·d)，為6.58×10-3m3/(m2·d)；Cs為水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)，mg/L，取20mg/L。

3.2NH3-N環(huán)境容量計(jì)算模型

以年為尺度對(duì)白潭湖的水質(zhì)NH3-N隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析，研究其富營養(yǎng)化過程時(shí)，可以把白潭湖看作一個(gè)完全混合反應(yīng)器，即湖體水質(zhì)較均勻，可以采用盒式零維模型對(duì)白潭湖的氨氮容量進(jìn)行計(jì)算[6]。其基本方程為：

式中，V為湖泊中水的體積，m3，取8.978×106m3；QR為平衡時(shí)流入水庫的流量，m3/a，為4.67×107m3/a；QE為污水的流量，m3/a，為5.01×106m3/a；CR為流入湖泊的水量中水質(zhì)組分濃度，g/m3，2012年控制斷面常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，1.50g/m3；C為湖泊中水質(zhì)組分濃度，g/m3；SE為污染源排放速率，g/a；R(C)為水質(zhì)組分在湖泊中的反應(yīng)速率。

當(dāng)所分析的水質(zhì)組分的變化為衰減反應(yīng)，并且符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)時(shí)，則：

R(C)=-KC

則公式演變?yōu)橐韵滦问剑?/p>

其中，K為一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)(1/t)，NH3-N的取0.08。當(dāng)水質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，dC/dt=0，則平衡狀態(tài)下水庫水質(zhì)濃度為

如果水庫的水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為Cs(地表水環(huán)境質(zhì)量NH3-N的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)為1.0mg/L)，則其水環(huán)境容量為：

W=(QR+QE)-QRCR+KVCS

3.3TN和TP環(huán)境容量計(jì)算模型

將整個(gè)白潭湖整體作為一個(gè)控制單元，統(tǒng)一按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中的Ⅲ類水質(zhì)指標(biāo)濃度限值進(jìn)行計(jì)算。水質(zhì)模型采用淺水湖和水庫規(guī)劃組模型[4]：

W=c1Q×10-6

式中，c為控制濃度，mg/L；c1為年入湖污染物量與年入湖水量的比值，mg/L；tw為停留時(shí)間，a，計(jì)算為0.192a；Q為進(jìn)水量，m3，取4.67×107m3；W為允許入湖污染物量，t/a；V為水體容積，m3，為8.978×106m3。

3.4計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上模型和參數(shù)的計(jì)算, 以COD，NH3-N，TN和TP為控制因子，計(jì)算得到白潭湖每年水環(huán)境容量分別為587.0，7.46，86.95，4.34t。

將以上計(jì)算結(jié)果與污染物現(xiàn)狀排放量進(jìn)行比較，見表5。

表5　白潭湖水容量計(jì)算結(jié)果表　t/a

4結(jié)語

根據(jù)湖區(qū)排污現(xiàn)狀、水體水質(zhì)等因素依據(jù)全國水環(huán)境功能區(qū)劃確定白潭湖水質(zhì)目標(biāo)，通過水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)及現(xiàn)狀污染物排放量計(jì)算得出白潭湖COD，TN，TP和NH3-N皆無剩余環(huán)境容量，同時(shí)計(jì)算得出總量削減目標(biāo)，COD，TN，TP和NH3-N的削減量分別為985.16，1 593.22，86.39，198.72 t。

對(duì)湖區(qū)現(xiàn)狀污染物排放量與白潭湖的現(xiàn)狀水環(huán)境容量進(jìn)行比較分析，相較于白潭湖的控制標(biāo)準(zhǔn)(Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))，TN，TP和NH3-N指標(biāo)較差，現(xiàn)狀污染物入庫量超過了目前的水環(huán)境容量，其中TN超標(biāo)了水環(huán)境容量的18.32倍，TP超標(biāo)了水環(huán)境容量的19.91倍, NH3-N超標(biāo)26.64倍，COD的超標(biāo)倍數(shù)相對(duì)較小。

對(duì)白潭湖水污染指標(biāo)分析評(píng)價(jià)、水環(huán)境容量計(jì)算分析結(jié)果顯示降低白潭湖的氮磷污染物輸入量和有機(jī)污染物的排放，同時(shí)加大湖區(qū)周邊污廢水收集設(shè)施的建設(shè)，湖區(qū)周邊環(huán)境綠化覆蓋的完善，從源頭對(duì)白潭湖水環(huán)境進(jìn)行改善，這是提高湖泊納污容量和防止富營養(yǎng)化的關(guān)鍵。

通過結(jié)合白潭湖水環(huán)境容量的計(jì)算結(jié)果和湖區(qū)環(huán)境情況分析，提出以下建議。

(1)加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管力度，深化重點(diǎn)工業(yè)污染和舊污染源的治理力度，嚴(yán)格控制新建項(xiàng)目的環(huán)評(píng)審批，提高環(huán)保準(zhǔn)入門檻，尤其是對(duì)湖區(qū)周邊的造紙、紡織印染等重污染行業(yè)，采取關(guān)停并改措施，對(duì)于不能達(dá)標(biāo)的企業(yè)應(yīng)嚴(yán)令停產(chǎn)，嚴(yán)格落實(shí)“三同時(shí)”制度。

(2)對(duì)于白潭湖周邊生活污染源的控制應(yīng)主要分為生活污水集中處理和生活垃圾的收集與處置。

(3)對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖規(guī)模實(shí)行嚴(yán)格控制。從污染源調(diào)查情況看，現(xiàn)在白潭湖水域的網(wǎng)箱養(yǎng)殖密度較大，且水體主要污染源為水產(chǎn)養(yǎng)殖，建議重新規(guī)劃網(wǎng)箱養(yǎng)殖，同時(shí)可投放食藻魚類；或者取締關(guān)閉網(wǎng)箱養(yǎng)殖，發(fā)展環(huán)保水產(chǎn)養(yǎng)殖，減輕水體氮、磷及有機(jī)污染物負(fù)荷，減緩或防止水體富營養(yǎng)化。

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Analysis on Water Environment Capacity of BaiTan Lake

JIANG Ming1,2ZENG Wei1SHE Jian3YAN Xueping1LI Ye1LI Bolin1

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnologyWuhan430070)

AbstractBased on the related hydrological parameters, monitoring data of Baitan Lake and water function zoning, the water quality and pollution source of Baitan Lake is analyzed. Meanwhile input and output model, cassette zero dimensional model and shallow lake and reservoir model are selected to quantitatively analyze the capacities including COD, NH3-N, TP and TN of water environment of Baitan Lake. The results show that the eutrophication of Baitan Lake is severe，the environment capacities of COD, NH3-N, TP and TN are 587.0 t, 7.46 t, 86.95 t and 4.34 t respectively.

Key WordsBaitan Lakewater quality assessmentenvironment capacity

(收稿日期：2015-03-09)

作者簡介江明，男，1971年生，碩士，主要從事環(huán)境保護(hù)管理工作。