基于洱海水生態(tài)特征的流域最大日負(fù)荷總量控制*

王顯麗，姜國(guó)強(qiáng)，周 雯，王君麗3

（1：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052）

（2：環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣州510655）

（3：廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州510635）

?

基于洱海水生態(tài)特征的流域最大日負(fù)荷總量控制*

王顯麗1，姜國(guó)強(qiáng)2**，周 雯2，王君麗3

（1：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052）

（2：環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣州510655）

（3：廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州510635）

基于洱海水生態(tài)歷史數(shù)據(jù)及現(xiàn)狀資料，采用概率密度分布曲線(xiàn)法及水生生物基準(zhǔn)相結(jié)合的方式計(jì)算洱?？偟═N）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和氨氮（NH3-N）的控制目標(biāo)，目標(biāo)值分別為0.36、0.026、4和0.28 mg/L.再根據(jù)該水質(zhì)目標(biāo)，得到洱海的最大日負(fù)荷（TMDL）總量.TMDL總量采用線(xiàn)性規(guī)劃法計(jì)算，其中污染物響應(yīng)系數(shù)矩陣通過(guò)MIKE 21二維水質(zhì)模型計(jì)算所得.安全容余（MOS）則通過(guò)一階誤差分析法確定.經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算，最終確定洱海的TMDL總量控制計(jì)劃.計(jì)算結(jié)果表明，洱海TN、TP、CODMn和NH3-N的TMDL總量分別為2005.989、149.671、19258.844和1348.119 kg/d，其MOS所占比例分別為6.152%、5.570%、4.380%和5.021%，表明洱海農(nóng)業(yè)面源污染為該流域主要的污染形式，其允許最大排放量約占全部允許排放量的90%左右.

水生態(tài)；水質(zhì)目標(biāo)；最大日負(fù)荷總量；農(nóng)業(yè)面源；洱海

?2016 by Journal of Lake Sciences

洱海為云南省第二大高原淡水湖泊［1］，是沿湖人民生活、灌溉、工業(yè)用水的主要水源.1970s時(shí)，洱海生態(tài)環(huán)境良好，生物資源豐富，水草豐美，但近年來(lái)隨著人類(lèi)對(duì)該流域的不斷開(kāi)發(fā)，洱海逐漸出現(xiàn)生態(tài)失衡、水質(zhì)變差、富營(yíng)養(yǎng)化加劇等現(xiàn)象.因此，急需制定擴(kuò)展到流域尺度并基于洱海水生態(tài)特征的最大日負(fù)荷（total maximum daily loads，TMDL）總量控制計(jì)劃，實(shí)行TMDL總量控制計(jì)劃可很好地避免以濃度控制為手段而使得污染源通過(guò)稀釋排放達(dá)標(biāo)的缺點(diǎn)，真正起到控制水環(huán)境污染負(fù)荷的作用，從而形成對(duì)洱海流域系統(tǒng)、科學(xué)的保護(hù)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)該流域可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

近年來(lái)，TMDL管理計(jì)劃越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn).最早是美國(guó)在1972年頒布《清潔水法》時(shí)提出的. TMDL是指在滿(mǎn)足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，水體能夠容納某種污染物的最大日負(fù)荷量［2］.TMDL計(jì)劃的目標(biāo)之一就是將可分配的污染負(fù)荷分配到各個(gè)污染源，包括點(diǎn)源和非點(diǎn)源，同時(shí)考慮安全臨界值和季節(jié)性的變化.污染負(fù)荷分配依據(jù)公式為：TMDL=WLA+LA+MOS+P，式中，WLA為點(diǎn)源污染負(fù)荷允許排放量，LA為非點(diǎn)源污染負(fù)荷允許排放量；MOS為安全容余；P為內(nèi)源污染負(fù)荷量.

國(guó)外學(xué)者已對(duì)TMDL總量控制計(jì)劃形成了較為成熟的技術(shù)方法.Havens等［3］通過(guò)生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，分析淺水湖泊磷的TMDL總量；Lemly等［4］對(duì)硒的TMDL估量進(jìn)行計(jì)算，彌補(bǔ)USEPA對(duì)硒的控制技術(shù)的空白；Brian［5］應(yīng)用TMDL計(jì)劃研究最小限度排放汞量，并最終確定點(diǎn)源排放量的最大負(fù)荷值；Havens等［6］為防治水體水華，對(duì)美國(guó)佛羅里達(dá)州Okeechobee湖的總磷制定了TMDL計(jì)劃；Kang等［7］將SWAT模型與TMDL理念相結(jié)合制定了最大日負(fù)荷系統(tǒng)（TOLOS），并成功運(yùn)用到稻田流域上；Seo等［8］基于模型結(jié)構(gòu)及模型參數(shù)的不確定性，得到Nakdong河安全容余值.隨著研究的多樣化，TMDL計(jì)劃也越來(lái)越完整.

我國(guó)的TMDL研究較晚，起步于21世紀(jì)初期，目前尚處于初步探討研究階段.邢乃春等［9］對(duì)TMDL計(jì)劃的背景、發(fā)展進(jìn)程及組成框架進(jìn)行論述；謝剛等［10］將TMDL防治思路與小流域污染治理方案結(jié)合在一起，通過(guò)比較二者之間的區(qū)別，吸收TMDL計(jì)劃中較為有益的思路與措施，制定除了符合“南水北調(diào)”東線(xiàn)山東段的污染總量及分配方案；王彩艷等［11］應(yīng)用TMDL管理技術(shù)，對(duì)武漢市東湖水體的總氮、總磷及COD污染物負(fù)荷進(jìn)行分配，建議點(diǎn)源重點(diǎn)應(yīng)放在沿岸污染工業(yè)治理上，面源則應(yīng)注意沿岸的土地利用類(lèi)型；程艷等［12］研究負(fù)荷歷時(shí)曲線(xiàn)（LDC）在流域水質(zhì)分析中的應(yīng)用；牛麗冬等［13］建議將WARMF水環(huán)境管理模型與TMDL計(jì)劃相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)流域的污染物總量控制.

綜上所述，目前鮮有將湖泊水生態(tài)特征與TMDL總量控制相結(jié)合的研究.本文將以洱海為例，根據(jù)其水生態(tài)特征，確定主要污染物水質(zhì)目標(biāo)，結(jié)合洱海二維水質(zhì)模型，制定適宜的TMDL總量控制計(jì)劃.

1　洱海水生態(tài)特征分析

1.1洱海流域概況

洱海流域（25°36′～26°36′N(xiāo)，99°50′～100°26′E）位于云南省大理白族自治州境內(nèi)，地處金沙江、元江和瀾滄江三大水系分水嶺地帶，流域面積2565 km2.該湖正常水位為1974 m（海防高程），湖水補(bǔ)給系數(shù)為10.6，平均水深10.5 m，最大水深20.9 m，湖體容積2.88×109m3.洱海水系較為復(fù)雜，北部為彌苴河、羅時(shí)江及永安江，西部為蒼山十八溪，南部為波羅江，東部為鳳尾箐（圖1）.多年平均入湖水量為8.25×108m3，多年平均出湖水量為8.63×108m3.

1.2水質(zhì)因子與藻類(lèi)生態(tài)關(guān)系

洱海目前有浮游植物種類(lèi)147種，藍(lán)藻門(mén)密度最大［14］.1960s洱海浮游植物的主要優(yōu)勢(shì)種為單角盤(pán)星藻（Pediastrum simplex）、球空星藻（Coelastrum cambricum）、飛燕角甲藻（Ceratium handellii）、暗絲藻（Psehomema aenigmaticum）、湖生鞘絲藻（Lyngbya limnetica）、小環(huán)藻（Cyclotella sP.）及水華束絲藻（Aphanizomenon flos-aquae），1980s及1990s主要優(yōu)勢(shì)種為小環(huán)藻及水華束絲藻，而2000年后主要優(yōu)勢(shì)種為小環(huán)藻、水華束絲藻、螺旋魚(yú)腥藻（Anabaena spiroides）及水華微囊藻（Microcystis flos-aquae）［15］.由優(yōu)勢(shì)種的變化情況來(lái)看，洱海的浮游植物群落構(gòu)成已向易暴發(fā)水華的群落構(gòu)成轉(zhuǎn)變，這些浮游植物具有對(duì)湖泊中碳、硅、磷元素不敏感的特征，說(shuō)明目前洱海水體中含有較高濃度的碳、硅、磷元素.

因藻類(lèi)水華暴發(fā)是目前洱海最為嚴(yán)重的水生態(tài)問(wèn)題，所以對(duì)環(huán)境因子與藻類(lèi)的生態(tài)關(guān)系進(jìn)行分析，以期為之后的水質(zhì)因子控制措施提供決策依據(jù).浮游植物群落與環(huán)境變量的生態(tài)關(guān)系的分析使用冗余分析法（RDA）［16-17］.RDA分析是通過(guò)典型變量與原始變量之間的相關(guān)關(guān)系對(duì)原始變量所引起的變異進(jìn)行解釋與分析.以典型變量為自變量，原始變量為因變量，從而建立線(xiàn)性回歸模型，則該模型的相關(guān)關(guān)系的平方值為典型變量與因變量的確定系數(shù).其描述了由于典型變量和因變量的線(xiàn)性關(guān)系引起的因變量變異在因變量總變異量中所占的比例.在線(xiàn)性排序圖內(nèi)，物種箭頭之間的夾角表示物種之間的相關(guān)關(guān)系.夾角越小，則表示兩物種間相關(guān)關(guān)系越高.如果箭頭為銳角，則表示正相關(guān)；如果為鈍角，則表示負(fù)相關(guān)；如果夾角幾乎為直角，則表示相關(guān)關(guān)系很小.用同樣的規(guī)則，可解讀線(xiàn)性排序圖內(nèi)數(shù)量型的環(huán)境因子關(guān)系與物種.

采用洱海藻類(lèi)豐度及水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，RDA排序結(jié)果（圖2）表明：（1）物種間關(guān)系：藍(lán)藻與硅藻之間呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），硅藻與綠藻之間存在一定的負(fù)相關(guān)性（P＜0.05），而藍(lán)藻與綠藻之間無(wú)顯著相關(guān)性.（2）環(huán)境因子對(duì)浮游植物生長(zhǎng)環(huán)境影響程度：對(duì)浮游植物群落影響最大的為總氮（TN）、總磷（TP）濃度，其次為氨氮（NH3-N）濃度，影響較弱的為高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）.（3）環(huán)境因子與物種間的生態(tài)關(guān)系：硅藻豐度與TN濃度呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），藍(lán)藻豐度與TP濃度、CODMn呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），NH3-N濃度與綠藻豐度呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），與TN濃度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）.綜上所述，控制環(huán)境因子可間接影響浮游植物生長(zhǎng)，尤其是對(duì)TN、TP濃度進(jìn)行控制，可有效削減藍(lán)藻的繁殖量.因此，需制定有效的主要污染物防治計(jì)劃，從而降低湖泊發(fā)生水華的風(fēng)險(xiǎn).

圖1　洱海流域水系Fig.1 Water system of Lake Erhai

2　洱海主要污染物濃度控制標(biāo)準(zhǔn)的制定

2.1TN、TP濃度控制標(biāo)準(zhǔn)的制定

表1　洱海流域TN和TP濃度的水質(zhì)目標(biāo)值Tab.1 Water quality targets of TN and TP concentrations in Erhai Basin

采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（USEPA）推薦的概率密度分布曲線(xiàn)法［18］確定洱海的TN和TP濃度.將洱海水質(zhì)良好的時(shí)間階段（1987-1999年）與水質(zhì)較差的時(shí)間階段（2000-2012年）進(jìn)行比較，使用概率密度分布曲線(xiàn)法計(jì)算出良好水質(zhì)頻率分布圖的75%分位與較差水質(zhì)頻率分布圖的25%分位所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，兩者的平均值作為候選標(biāo)準(zhǔn)值.洱海TN、TP濃度頻率分布法統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)圖3及表1.通過(guò)計(jì)算，制定TN和TP濃度的控制標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.36和0.026 mg/L.

圖3　TN、TP濃度的頻率分布Fig.3 Cumulative frequency distribution of TN and TP concentrations

2.2氨氮濃度控制標(biāo)準(zhǔn)的制定

采用水生生物基準(zhǔn)計(jì)算方法，依據(jù)美國(guó)水生生物基準(zhǔn)技術(shù)指南［23］對(duì)洱海流域水生生物毒性數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，保留洱海特有物種及外來(lái)種引進(jìn)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和表3，數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)［19-21］及美國(guó)氨氮濃度基準(zhǔn)文件［22］.

使用USEPA推薦的美國(guó)物種敏感度排序（SSR）方法［23］，得到基準(zhǔn)最大濃度（CMC）和基準(zhǔn)連續(xù)濃度（CCC）.具體計(jì)算步驟為：

1）將所獲得的毒性數(shù)據(jù)按從小到大的順序進(jìn)行排列，計(jì)算序列百分?jǐn)?shù)P=R/（N+1），式中，R為某一物種的排序值，N為總獲取物種個(gè)數(shù).

表2　氨氮濃度對(duì)洱海流域水生生物的GMAV*Tab.2 Ranked GMAVs of aquatic life of Erhai Basin for ammonia nitrogen concentration

表3　氨氮濃度對(duì)洱海流域水生生物的GMCV*Tab.3 Ranked GMCVs of aquatic life of Erhai Basin for ammonia nitrogen concentration

2）計(jì)算最終急性值FAV.如果所獲得物種樣本值少于59種，則選擇最靠近百分?jǐn)?shù)5%處的4個(gè)物種的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，故選取青魚(yú)、草魚(yú)、鰱魚(yú)、河蜆的相關(guān)數(shù)據(jù).計(jì)算公式為：

式中，S、L、A為計(jì)算中的符號(hào)，沒(méi)有特殊含義.

3）計(jì)算CMC，公式為：CMC=FAV/2.

4）計(jì)算CCC.針對(duì)洱海水生物種，搜集到的慢性數(shù)據(jù)較少（表3），因此CCC主要利用我國(guó)的基準(zhǔn)最大濃度（CMCS）和基準(zhǔn)連續(xù)濃度（CCCS）進(jìn)行計(jì)算［24］.計(jì)算公式為：CCC=（CCCS/CMCS）·CMC，式中，CMCS和CCCS分別為2.80和0.25 mg/L.

通過(guò)上述計(jì)算步驟，得到洱海流域在標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)條件（PH值=8.0、T=25℃）下，CMC和CCC分別為2.32 和0.28 mg/L.出于對(duì)于洱海的水生態(tài)安全考慮，選取CCC值（即0.28 mg/L）為洱海NH3-N濃度控制標(biāo)準(zhǔn).

2.3CODMn控制標(biāo)準(zhǔn)的制定

洱海CODMn控制標(biāo)準(zhǔn)采用水生生物基準(zhǔn)與生態(tài)服務(wù)功能要求相結(jié)合的方法進(jìn)行制定.中國(guó)淡水漁業(yè)研究中心選擇中國(guó)最具代表性的魚(yú)類(lèi)和水生動(dòng)物進(jìn)行毒性試驗(yàn)，其結(jié)果顯示，最敏感的是中華絨螯蟹（Eriocheir sinensis），CODMn的安全濃度為16.8 mg/L［25］.所以只要控制于該值之下，大多數(shù)魚(yú)類(lèi)和其他水生生物是比較安全的.但此值高于地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的V類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，過(guò)于寬松，因此根據(jù)水生態(tài)服務(wù)功能要求進(jìn)行制定.目前的水生態(tài)服務(wù)功能要求是能為當(dāng)?shù)厝嗣裉峁┥a(chǎn)、生活用水，為魚(yú)、蝦等水產(chǎn)品提供產(chǎn)卵場(chǎng)，且為珍稀水生生物提供棲息地，符合要求的是國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅱ類(lèi)水域功能和標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)，因此制定CODMn的控制標(biāo)準(zhǔn)為4 mg/L.

3　洱海TMDL計(jì)劃的確定

3.1水環(huán)境容量的計(jì)算

采用線(xiàn)性規(guī)劃法［26］對(duì)洱海流域的水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算.具體步驟為：先基于MIKE 21模型建立各入湖河口的單位源強(qiáng)與洱海水質(zhì)控制點(diǎn)之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系；再設(shè)定滿(mǎn)足水質(zhì)目標(biāo)的各河流污染物的最大允許排放量為目標(biāo)函數(shù)，約束方程為各水質(zhì)控制點(diǎn)均滿(mǎn)足水質(zhì)目標(biāo)，為防止計(jì)算結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)某些河口的入湖污染物量為0，設(shè)定各入湖河口的污染物濃度不應(yīng)低于所有入湖河流污染物濃度的λ倍.具體表達(dá)式為：

式中，i為水質(zhì)控制點(diǎn)序號(hào)；j為入湖排污口序號(hào)；Aj為各個(gè)入湖河流流量；Cj為各個(gè)入湖河口污染物濃度值；Xij為響應(yīng)系數(shù)矩陣；C0i為主要污染物濃度控制標(biāo)準(zhǔn)；Cuj為入湖河口污染物濃度上限值；λ為入湖河口污染物濃度值不得低于所有入湖河口污染物濃度值和的倍數(shù)，該值根據(jù)各入湖河流流量占總?cè)肓髁康谋壤_定.

3.1.1模型驗(yàn)證 （1）模型參數(shù)選?。簳r(shí)間步長(zhǎng)為30 s，計(jì)算起止時(shí)間為2000年1月1日-12 月31日，周期為1年；曼寧系數(shù)取0.031，為模型推薦值；對(duì)洱海水質(zhì)、水量進(jìn)行資料分析得出洱海TN、TP、CODMn和NH3-N的衰減系數(shù)分別為0.504、0.300、0.012和0.104 d-1；洱海橫向擴(kuò)散系數(shù)設(shè)置為0.01，為模型推薦值.（2）模型結(jié)果驗(yàn)證：湖泊的運(yùn)行水位是影響湖泊水環(huán)境容量的重要影響因素，因此需要對(duì)水位進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證.驗(yàn)證數(shù)據(jù)采用大理州洱海管理局提供的大理洱海2000年水位及水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖4為模擬的逐日水位值與相應(yīng)實(shí)測(cè)逐日水位值之間的比較，結(jié)果顯示兩者吻合度很高，所建的水動(dòng)力模型可以準(zhǔn)確反映洱海水位的季節(jié)性變化，最大相對(duì)誤差為0.028%.模擬期間洱海最低運(yùn)行水位為1972.41 m，最高水位為1974.67 m.

圖4　水位驗(yàn)證圖Fig.4 Simulated water level for verification of model

圖5為控制點(diǎn)5的水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果，經(jīng)驗(yàn)證模擬結(jié)果較為合理.模擬結(jié)果顯示，洱海2000年全湖TN、TP、CODMn和NH3-N濃度年平均值分別為0.32、0.027、2.46和0.08 mg/L，與監(jiān)測(cè)值相比最大相對(duì)誤差分別為11.9%、9.7%、4.1%和18.72%，在誤差要求范圍（＜20%）內(nèi).

3.1.2水環(huán)境容量測(cè)算 由所建立的模型分別計(jì)算出各入湖排污口TP、TN、CODMn及NH3-N的單位負(fù)荷排放量與控制點(diǎn)的22×12響應(yīng)系數(shù)矩陣，由于數(shù)據(jù)較為龐大，不再列出.通過(guò)公式（5）和（6）計(jì)算得出洱海流域的主要污染物TN、TP、CODMn和NH3-N的TMDL總量分別為2005.989、149.671、19258.844和1348.119 kg/d，其中背景濃度采用模型模擬的各控制點(diǎn)的當(dāng)前濃度值.具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，各控制點(diǎn)位置見(jiàn)圖1.

3.2安全容余的確定

因在選擇和測(cè)量水質(zhì)指標(biāo)、污染源估算及水質(zhì)模型模擬等方面存在眾多的不確定性，為保證TMDL計(jì)劃的安全實(shí)施，引入安全容余（margin of safety，MOS）的概念.常用的參數(shù)不確定性分析方法為一階誤差分析（FOEA）法.本研究將采用嚴(yán)格明確法進(jìn)行MOS計(jì)算，不確定性分析采用FOEA法.FOEA法利用Taylor一階展開(kāi)式計(jì)算［27］，其公式為：

圖5　水質(zhì)驗(yàn)證圖Fig.5 Simulated water quality for verification of model

式中，C為連續(xù)模擬的輸出值，G為模型計(jì)算結(jié)果，Xi為模型參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，Xie為模型變化參數(shù)值，p為參數(shù)個(gè)數(shù)，Xe為展開(kāi)式向量值.

在展開(kāi)點(diǎn)取模型參數(shù)的平均值且參數(shù)之間相互獨(dú)立，則公式（7）可寫(xiě)成：

式中，var（G）為G的方差值，CV（Xi）為模型參數(shù)的變異系數(shù)，Si為標(biāo)準(zhǔn)化敏感系數(shù)，ΔXi為參數(shù)的變化量.變異系數(shù)可通過(guò)計(jì)算獲得，也可通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得推薦值.本研究中采用文獻(xiàn)［27-28］中的推薦值，具體查閱結(jié)果見(jiàn)表4.標(biāo)準(zhǔn)化敏感系數(shù)值則通過(guò)擾動(dòng)分析法［29］，即在參數(shù)附近給定一個(gè)變化值，從而算出參數(shù)改變后容量的變化值.公式為：

表4　模型參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化敏感系數(shù)及變異系數(shù)Tab.4 Normalized sensitive coefficients and variation __coefficients of mathematic model Parameters

本研究參數(shù)變化率取參數(shù)的10%進(jìn)行計(jì)算.通過(guò)計(jì)算所得的SD（G）即為MOS占TMDL的比例.

根據(jù)MIKE 21二維水質(zhì)模型特點(diǎn)，選取水平擴(kuò)散系數(shù)（Ex）、降解系數(shù)（K）、河流入流量（Q）、曼寧系數(shù)（n）及水深（h）作為計(jì)算參數(shù)，按照上述方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4和表5.由計(jì)算結(jié)果可知最為敏感的參數(shù)是h，其次是Q.

3.3內(nèi)源污染負(fù)荷及TMDL計(jì)算結(jié)果

根據(jù)中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院提供的《湖泊水生態(tài)、內(nèi)負(fù)荷變化研究與防退化技術(shù)及工程示范》報(bào)告顯示，2010年洱海TN內(nèi)源釋放量為442 t，TP內(nèi)源釋放量為12.4 t.其中，洱海表層10 cm沉積物TN的釋放潛能在2088.93～3974.06 mg/kg之間，平均值為2963 mg/kg.洱海沉積物TP釋放潛能在105.07～262.67 mg/kg之間，平均值為149.76 mg/kg.因此洱海流域主要污染物的實(shí)際允許排放總量應(yīng)減去內(nèi)源負(fù)荷量及MOS量，則TN、TP和CODMn和NH3-N的最大允許排放量分別為671.621、107.361、18415.307和1280.430 kg/d.

表5　洱海流域TMDL計(jì)算結(jié)果Tab.5 TMDL calculation results of Erhai Basin

根據(jù)《云南洱海流域水污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》的統(tǒng)計(jì)資料可知，洱海目前非點(diǎn)源污染嚴(yán)重，其TN、TP、CODMn和NH3-N負(fù)荷分別占總負(fù)荷量的96.78%、95.92%、92.26%及90.84%.根據(jù)此比例分配點(diǎn)源污染負(fù)荷允許排放量WLA及非點(diǎn)源污染負(fù)荷允許排放量LA，結(jié)果見(jiàn)表5.

4　結(jié)論及展望

1）應(yīng)用概率密度分布曲線(xiàn)法與水生生物基準(zhǔn)概念，計(jì)算得出洱海TN、TP、CODMn及NH3-N的控制目標(biāo)，目標(biāo)值分別為0.36、0.026、4及0.28 mg/L.與國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》相比，除TP濃度略低于Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其余水質(zhì)目標(biāo)都高于Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).因該水質(zhì)目標(biāo)是基于洱海水生態(tài)特點(diǎn)建立的，因此更有利于洱海水生態(tài)管理.

2）使用嚴(yán)格明確法制定了洱海的TMDL計(jì)劃，即先得出TMDL與MOS/TMDL，再推導(dǎo)出MOS、WLA及LA.其中“北三江”（羅時(shí)江、永安江、彌苴河）允許的最大排放量最大，占全部排放量的63%，這是“北三江”的流量較大所致.除此之外還可看出，洱海流域的農(nóng)業(yè)面源允許排放量也遠(yuǎn)大于點(diǎn)源的允許排放量，原因是洱海農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不規(guī)范，集約化程度高，化肥、農(nóng)藥使用量大導(dǎo)致，建議可使用化學(xué)調(diào)控等科學(xué)管理措施降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)流域的污染.

3）采用FOEA法對(duì)MOS進(jìn)行確定，很好地體現(xiàn)了MOS的含義，避免在水環(huán)境容量計(jì)算中不確定因素的影響.

4）根據(jù)《云南洱海流域水污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》的統(tǒng)計(jì)資料可知，洱海目前TN、TP、CODMn和NH3-N的污染負(fù)荷量分別為7200.548、482.466、27533.151和1854.795 kg/d，而計(jì)算出的TN、TP、CODMn和NH3-N的最大允許排放量分別為671.621、107.361、18415.307和1280.430 kg/d.因此TN、TP、CODMn和NH3-N分別需要削減91%、78%、33%和31%，而TN削減率較高，是因?yàn)槠鋬?nèi)源釋放量較大導(dǎo)致.

5）洱海的TMDL計(jì)劃還可繼續(xù)細(xì)化，農(nóng)業(yè)面源的最大允許排放量可分配至種植業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)，點(diǎn)源的最大允許排放量可分配至直排生活源及直排工業(yè)源.

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TMDL of Lake Erhai based on water ecoLogicaL features

WANG Xian1i1，JIANG Guoqiang2**，ZHOU Wen2&WANG Jun1i3
（1：College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，P.R.China）
（2：South China Institute of Environmental Sciences，Ministry of Environmental Protection，Guangzhou 510655，P.R.China）
（3：Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou 510635，P.R.China）

Using Probability density distribution curve method and aquatic biological criteria，we calculated the water quality target of total nitrogen（TN），total PhosPhorus（TP），CODMnand ammonia nitrogen（NH3-N）in Erhai Basin based on its history and current ecological data.The water quality targets of TN，TP，CODMnand ammonia nitrogen are 0.36，0.026，4 and 0.28 mg/L，resPectively.According to the water quality target，we got the total maximum daily loads（TMDL）of Lake Erhai.The TMDL were calculated by the linear Programming method and the Pollutant resPonse coefficient matrix is obtained by MIKE 21 which is the twodimensional water quality model.MOS（margin of safety）is determined by a first-order error analysis method.After a series of calculations，we got the TMDL Plan of Erhai Basin.The results showed that the TMDL of TN，TP，CODMnand NH3-N in Erhai Basin were 2005.989，149.671，19258.844 and 1348.119 kg/d，the ProPortion of MOS were 6.152%，5.570%，4.380%and 5.021%，resPectively.The results also showed that agricultural non-Point source Pollution was the main Pollution in the basin and its Percent of maximum allowable emissions accounted about 90%.

Water ecology；water quality target；total maximum daily loads；agricultural non-Point source；Lake Erhai

10.18307/2016.0205

*國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2013ZX07105-005）資助.2015-05-18收稿；2015-06-29收修改稿.王顯麗（1988～），女，博士；E-mail：WangXianLi227@aliyun.com.

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；E-mail：JiangGuoqiang@scies.org.