基于BATHTUB模型的陽(yáng)澄西湖入湖河道氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽控制分析

呂 文，孫瑞瑞，王 誠(chéng)，楊文晶，楊 惠，楊金艷，萬(wàn)榮榮

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局 蘇州分局，江蘇 蘇州 215011； 2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所 流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

0 引 言

隨著長(zhǎng)江三角洲地區(qū)工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展，太湖流域河流、湖泊均受到不同程度的污染，尤其是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化[1]和藍(lán)藻水華災(zāi)害[2]，導(dǎo)致太湖2007年貢湖水源地供水危機(jī)[3]。在流域人類活動(dòng)的影響下，入湖河道帶入的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要來(lái)源之一[4,5]。由于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[6]里缺失河流入湖水質(zhì)中總氮的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，河流、湖泊總磷控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不一，沒(méi)有考慮地方性湖泊[7]特征，不利于入湖污染有效控制和湖泊水環(huán)境綜合治理。引入湖庫(kù)水質(zhì)模型可以為水環(huán)境管理提供技術(shù)支持，如天津于橋水庫(kù)飲用水源地保護(hù)方案[8]。本文依據(jù)陽(yáng)澄西湖入湖河流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及BATHTUB模型，模擬計(jì)算入湖河道水質(zhì)與湖區(qū)水質(zhì)的響應(yīng)，提出湖泊上游入湖河道營(yíng)養(yǎng)鹽控制要求，為區(qū)域湖泊富營(yíng)養(yǎng)化防治提供科學(xué)有效、切實(shí)可行的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

陽(yáng)澄湖是太湖流域平原上的第三大湖泊，地處蘇州市相城區(qū)、工業(yè)園區(qū)和昆山市。其南北長(zhǎng)約17 km，東西寬約11 km，湖中有兩條東北～西南走向的狹長(zhǎng)半島，把陽(yáng)澄湖分為東湖、中湖和西湖。本文研究區(qū)陽(yáng)澄西湖約占總面積的26.89%，水位約為2.94 m，為主要進(jìn)水受納湖區(qū)，接納入湖河道較多，從北至南河道主要有界涇、渭涇塘、中涇港等，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布見(jiàn)表1。

1.2 數(shù)據(jù)收集

收集陽(yáng)澄西湖站點(diǎn)2016年8月～2017年7月降雨、水位數(shù)據(jù)，以及3個(gè)分區(qū)湖區(qū)總氮、總磷、葉綠素a、透明度等項(xiàng)目和入湖河道總氮、總磷、流量等水質(zhì)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)源于江蘇省水文水資源勘測(cè)局)。

表1 陽(yáng)澄西湖及入湖河道監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

1.3 BATHTUB模型與數(shù)據(jù)分析

BATHTUB ( 湖盆水質(zhì)分析模擬程序) 是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)(USACE) 水道試驗(yàn)站開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)水質(zhì)模型，用于模擬湖泊和水庫(kù)等穩(wěn)態(tài)水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物的平流和擴(kuò)散傳輸過(guò)程，可以分析和預(yù)測(cè)由于自然和人為污染造成的水體富營(yíng)養(yǎng)等相關(guān)水質(zhì)狀況(http://www.wwwalker.nct/bathtub/index.htm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 BATHTUB模擬結(jié)果驗(yàn)證

2.1.1 參數(shù)率定

基于陽(yáng)澄西湖北部、中部、南部3個(gè)分區(qū)，考慮各分區(qū)及支流的情況，不再對(duì)分區(qū)進(jìn)行空間分段。由于陽(yáng)澄湖水交換周期約為60 d，所以平均期選擇為兩月。根據(jù)2016年8月～2017年7月年降雨、水位及水質(zhì)數(shù)據(jù)，選擇水質(zhì)模型，校正系數(shù)(表2)。

表2 BATHTUB模塊模型選擇及參數(shù)率定

2.1.2 模型率定與驗(yàn)證

利用監(jiān)測(cè)資料對(duì)模型的適用性進(jìn)行率定與驗(yàn)證。模擬計(jì)算陽(yáng)澄西湖3個(gè)分區(qū)的總氮、總磷，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)值間的相關(guān)系數(shù)(R2)(表3)。

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 河湖水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)差異對(duì)湖泊水質(zhì)的影響模擬

在《地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中，現(xiàn)有的湖泊與河流水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不一致，并缺失河流TN標(biāo)準(zhǔn)(表4)，入湖河流總磷執(zhí)行《地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中河流總磷標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的湖泊總磷濃度。

表3 BATHTUB模塊模擬結(jié)果驗(yàn)證

表4 《地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中湖泊的總氮和總磷濃度 /mg·L-1

陽(yáng)澄西湖白蕩、里塘河、北河涇等7條入湖河道執(zhí)行河流總磷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，除河流水質(zhì)為Ⅰ類時(shí)，湖區(qū)水質(zhì)為Ⅱ類，湖區(qū)水質(zhì)總磷達(dá)標(biāo)外，其余湖泊水質(zhì)總磷均超出水質(zhì)目標(biāo)。如河流為Ⅱ類時(shí)，湖泊水質(zhì)對(duì)應(yīng)為Ⅳ類；河流為Ⅲ類時(shí)，湖泊水質(zhì)對(duì)應(yīng)為Ⅴ類；河流水質(zhì)為Ⅳ～Ⅴ類時(shí)，湖區(qū)水質(zhì)對(duì)應(yīng)為Ⅴ～劣Ⅴ類(表5)。

總之，只有陽(yáng)澄西湖入湖河流執(zhí)行河流總磷標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類時(shí)，西湖湖區(qū)水質(zhì)才能達(dá)標(biāo)；而執(zhí)行河流總磷標(biāo)準(zhǔn)其他類別時(shí)，均不達(dá)標(biāo)。因此，河、湖水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的差異造成入湖河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)而湖泊水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象，按照現(xiàn)行水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到水源地水質(zhì)保護(hù)的目標(biāo)。

表5 執(zhí)行河流水質(zhì)總磷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)對(duì)應(yīng)的湖區(qū)總磷匯總表

2.2.2 方案一 ：執(zhí)行湖泊總氮、總磷標(biāo)準(zhǔn)模擬結(jié)果

基于調(diào)試好的BATHTUB模型，將陽(yáng)澄西湖白蕩、里塘河、北河涇等7條入湖河道總氮、總磷執(zhí)行現(xiàn)行湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)總氮、總磷的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算湖區(qū)對(duì)應(yīng)的總氮、總磷(表6)，結(jié)果如下：

入湖河流總氮、總磷為Ⅰ類時(shí)，模擬計(jì)算的湖泊水質(zhì)為Ⅰ類；入湖河流總氮、總磷為Ⅱ類時(shí)，湖泊水質(zhì)為Ⅱ～Ⅲ類；入湖河流總氮、總磷為Ⅲ類時(shí)，湖泊水質(zhì)為Ⅲ類；入湖河流總氮、總磷為Ⅳ類時(shí)，湖泊水質(zhì)為Ⅲ～Ⅳ類；入湖河流總氮、總磷為Ⅴ類時(shí)，湖泊水質(zhì)為Ⅲ～Ⅴ類。除了河流水質(zhì)為Ⅱ類時(shí)，中部湖區(qū)湖泊水質(zhì)為Ⅲ類之外，其余河流為Ⅰ、Ⅲ類時(shí)，湖泊水質(zhì)對(duì)應(yīng)為Ⅰ、Ⅲ類，模擬的湖泊水質(zhì)類別與河流水質(zhì)相對(duì)應(yīng)，或者模擬的湖泊水質(zhì)優(yōu)于河流水質(zhì)，如河流水質(zhì)為Ⅳ～Ⅴ類時(shí)，北部湖泊總氮為Ⅲ類?？傊?，陽(yáng)澄西湖入湖河流執(zhí)行湖泊標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類時(shí)，陽(yáng)澄西湖湖區(qū)水質(zhì)基本能達(dá)標(biāo)。

2.2.3 方案二 ：基于湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)反推入湖河流總氮、總磷

以陽(yáng)澄西湖水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(總氮、總磷)各類別為目標(biāo)值，反推計(jì)算入湖河流水質(zhì)指標(biāo)(表7)，結(jié)果如下：湖泊總氮、總磷目標(biāo)為Ⅰ類時(shí)，入湖河流對(duì)應(yīng)要求為Ⅱ類；湖泊總氮、總磷目標(biāo)為Ⅱ類時(shí)，入湖河流對(duì)應(yīng)要求為Ⅲ類；湖泊總氮、總磷目標(biāo)為Ⅲ類時(shí)，入湖河流對(duì)應(yīng)要求為Ⅳ～Ⅴ類；湖泊總氮、總磷目標(biāo)為Ⅳ類時(shí)，入湖河流對(duì)應(yīng)要求為Ⅴ～劣Ⅴ類；湖泊總氮、總磷目標(biāo)為Ⅴ類時(shí)，入湖河流對(duì)應(yīng)要求為劣Ⅴ類?？傊?，依據(jù)陽(yáng)澄西湖水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(總氮、總磷)各類別為目標(biāo)值，反推入湖河流水質(zhì)指標(biāo)的限值相比湖泊的水質(zhì)類別有所放寬。

表6 執(zhí)行湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)對(duì)應(yīng)的湖區(qū)水質(zhì)匯總表

表7 基于湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)反推入湖河流水質(zhì)匯總表

注：水質(zhì)類別以湖庫(kù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)劃分。

3 結(jié) 論

由于河流與湖泊總磷的標(biāo)準(zhǔn)不一致，河流的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比湖泊低，執(zhí)行河流總磷Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)應(yīng)湖區(qū)總磷為Ⅳ類，湖泊水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。因此，提出兩種方案，方案一為入湖河流執(zhí)行現(xiàn)行湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)湖區(qū)水質(zhì)基本能達(dá)標(biāo)，并且湖區(qū)總氮均值為0.46 mg/L，優(yōu)于限值0.50 mg/L；方案二為以現(xiàn)行湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)反推的入湖河流水質(zhì)限值，比方案一限值寬松，既能保證湖泊水質(zhì)達(dá)標(biāo)，又不會(huì)使河流水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于嚴(yán)格。因此，方案二的結(jié)果可作為陽(yáng)澄西湖水源地入湖河流營(yíng)養(yǎng)鹽控制的參考，即水功能區(qū)上游入湖河流總氮、總磷的控制指標(biāo)(表8)，為陽(yáng)澄西湖富營(yíng)養(yǎng)化防治提供科學(xué)有效、切實(shí)可行的依據(jù)。

表8 陽(yáng)澄湖水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制方案 /mg·L-1