基于水位-面積-湖容關(guān)系的東洞庭湖動(dòng)態(tài)納污能力分析

，，

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院 地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心，北京 100875；2.國(guó)華衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)基金管理有限公司，北京 100044)

1 研究背景

洞庭湖作為長(zhǎng)江流域重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)[1-3]，發(fā)揮著涵養(yǎng)水源[4]、保持水土、調(diào)節(jié)氣候、產(chǎn)品供給、棲息地維護(hù)[5]、污染物消納等多種生態(tài)服務(wù)功能[6-7]。在生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展理念的指導(dǎo)下，充分利用洞庭湖的生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢(shì)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)科學(xué)可持續(xù)發(fā)展，將綠水青山轉(zhuǎn)化為金山銀山是貫徹落實(shí)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶“共抓大保護(hù)、不搞大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略的重要舉措[8]。東洞庭湖是國(guó)際重要濕地和國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，是洞庭湖泊群落中面積最大、保存最完好的天然季節(jié)性湖泊。開(kāi)展東洞庭湖納污能力研究[9-10]對(duì)維護(hù)和改善洞庭湖水環(huán)境質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》(GB/T 25173—2010)[11]明確了水域污染物消納能力的基本計(jì)算方法和參數(shù)指標(biāo)。水域的納污能力隨著水文水質(zhì)條件的變化而動(dòng)態(tài)變化[12]，不同的水文水質(zhì)條件對(duì)應(yīng)著不同的水域納污能力[13]。易波琳等[14]、宋求明等[15]、賴(lài)錫軍等[16-17]以洞庭湖為研究區(qū)開(kāi)展了湖泊水文模型研究，完善了湖泊水文模型的理論和方法。水位-面積-湖容關(guān)系模型可測(cè)算水域納污能力計(jì)算所需的各參數(shù)，為計(jì)算不同水文、水質(zhì)條件下水域納污能力提供支撐[18]。本研究通過(guò)東洞庭湖水位-面積-湖容關(guān)系模型，計(jì)算不同水文水質(zhì)條件對(duì)應(yīng)的水域納污能力，進(jìn)而提出以維護(hù)更優(yōu)水質(zhì)和充分利用水域納污能力為目標(biāo)的污染物排放管控機(jī)制建議。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

東洞庭湖在長(zhǎng)江中下游荊江江段南側(cè)，地處湖南省東北部岳陽(yáng)市境內(nèi)，地理坐標(biāo)介于112°43′E—113°14′E，29°00′N(xiāo)—29°38′N(xiāo)之間。東洞庭湖設(shè)有國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(見(jiàn)圖1)，面積約1 563 km2。城陵磯水位35 m時(shí)，東洞庭湖水面面積達(dá)到1 332 km2,約占洞庭湖水面面積的50%，湖容119億m3，占洞庭湖湖容的71%。洞庭湖北部三口分泄的長(zhǎng)江流量，以及湘、資、沅、澧四水灌注的流量都經(jīng)東洞庭湖調(diào)蓄，由城陵磯匯入長(zhǎng)江。

圖1 東洞庭湖自然保護(hù)區(qū)Fig.1 Nature reserve of East Dongting Lake

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.2.1 MODIS遙感數(shù)據(jù)

本研究采用MODIS數(shù)據(jù)植被指數(shù)16 d合成MOD13Q1系列產(chǎn)品，時(shí)間范圍為2003—2016年，空間分辨率250 m，有效影像322幅。遙感影像處理軟件采用ENVI+IDL 4.7。

2.2.2 東洞庭湖水文、水質(zhì)及污染物排放量數(shù)據(jù)

東洞庭湖水文數(shù)據(jù)采用長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局中游局監(jiān)測(cè)的2003—2016年岳陽(yáng)、城陵磯、鹿角3個(gè)水文站的日均水位和流量數(shù)據(jù)。水質(zhì)數(shù)據(jù)采用三峽工程生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)洞庭湖江湖生態(tài)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)站監(jiān)測(cè)的2010—2016年入湖及湖區(qū)各斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)。污染物排放量數(shù)據(jù)源自2016年岳陽(yáng)市環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.3 研究方法

2.3.1 建立水位-面積-湖容模型

利用中分辨率成像光譜儀(MODIS)遙感數(shù)據(jù)的MOD13Q1系列產(chǎn)品的歸一化植被指數(shù)(NDVI)、中紅外波段(MIR)、紅波段(RED)、近紅外波段(NIR)等波段的波譜特征，結(jié)合東洞庭湖不同類(lèi)型濕地的光譜特征，設(shè)定合理的各波段地表反射率閾值，利用基于MODIS數(shù)據(jù)的東洞庭湖濕地決策樹(shù)分類(lèi)方法[19-20]，對(duì)2003—2016年共322個(gè)時(shí)相的MOD13Q1遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行批量分類(lèi)處理，得到2003—2016年系列的東洞庭湖水體濕地面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過(guò)水體面積和水位的相關(guān)性分析及回歸分析，建立水位-面積-湖容關(guān)系模型。

2.3.2 水域納污能力的計(jì)算方法

采用《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》推薦的污染物非均勻混合的大型湖泊納污能力數(shù)學(xué)模型計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 水位-面積-湖容模型

對(duì)2003—2016年?yáng)|洞庭湖逐月水體濕地面積與城陵磯、岳陽(yáng)、鹿角水文站月均水位數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，水體濕地面積與城陵磯、鹿角、岳陽(yáng)3個(gè)水文站的水位數(shù)據(jù)呈極顯著性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.900,0.889,0.900。以相關(guān)性較高的城陵磯水文站水位(Z城陵磯)、岳陽(yáng)水文站水位(Z岳陽(yáng))為自變量，以東洞庭水體面積(S)為因變量，分別開(kāi)展回歸分析(如式(1)、式(2))。選擇擬合系數(shù)相對(duì)較高的岳陽(yáng)水位為東洞庭湖的代表水位，建立東洞庭湖水位-面積關(guān)系(式(2))，進(jìn)而建立東洞庭湖水位-湖容(V)關(guān)系(式(3))。

R2=0.872 1 ;

(1)

R2=0.872 3 ;

(2)

1.476 9Z3-82.555Z2+1 653.3Z。

(3)

3.2 納污能力計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》明確的公式(式(4))，計(jì)算不同水文條件對(duì)應(yīng)的Cs，C0，K，hL，r，Φ等測(cè)算參數(shù)。

(4)

式中：M為水域納污能力;Cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度；C0為東洞庭湖入湖口處的污染物濃度；K為污染物綜合衰減系數(shù)；Φ為擴(kuò)散角;hL為擴(kuò)展區(qū)湖平均水深；r為水域外邊界到入河排污口的距離；Qp為廢污水排放量。

根據(jù)《湖南省水功能區(qū)劃》，洞庭湖全湖Cs按照III類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)控制，即COD濃度標(biāo)準(zhǔn)為20 mg/L、氨氮濃度標(biāo)準(zhǔn)為1.0 mg/L；C0由入湖斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得；K可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式K=10.3Q-0.49計(jì)算得到，其中Q為入湖流量。不同流量對(duì)應(yīng)的污染物綜合衰減系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同流量對(duì)應(yīng)的污染物綜合衰減系數(shù)Table 1 Comprehensive attenuation coefficient of pollutants corresponding to different flow rates

根據(jù)東洞庭湖水位-面積-湖容模型(式(2)、式(3))，計(jì)算不同水位條件下湖泊水體的面積和湖容，從而計(jì)算得到不同水位條件下的湖平均水深hL(見(jiàn)表2)；假設(shè)東洞庭湖為圓形水域，不同水位形成不同半徑的同心圓水域，不同水位對(duì)應(yīng)的水域半徑可通過(guò)東洞庭湖水位-面積模型(式(2))計(jì)算得到。水域外邊界到入河排污口的距離r可通過(guò)東洞庭湖最高水位(35 m)時(shí)湖泊的半徑與特定水位時(shí)的湖泊半徑的差值計(jì)算得到(見(jiàn)表2)。

表2 不同水位對(duì)應(yīng)的hL和r值Table 2 Values of hL and r at different water levels

排污口在湖泊周邊垂直排放時(shí)，擴(kuò)散角Φ=π。通過(guò)調(diào)查岳陽(yáng)市2016年環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[21]計(jì)算得到廢污水排放量Qp為52.71 m3/s。

3.3 不同水文水質(zhì)條件下的納污能力

3.3.1 不同水文條件下的納污能力系數(shù)

在不考慮入湖水質(zhì)的情況下，將前文確定的各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值輸入到式(5)中，計(jì)算不同水位、流量條件下東洞庭湖的水域納污能力系數(shù)λ，如圖2。

(5)

圖2 東洞庭湖不同水文條件下水域納污能力系數(shù)λFig.2 Coefficient of pollutant absorption capacity in different hydrological conditions

3.3.2 不同水文水質(zhì)條件下的納污能力

特定水位、流量、水質(zhì)條件下，水域納污能力系數(shù)λ乘以當(dāng)前入湖水質(zhì)濃度與水功能區(qū)目標(biāo)濃度的差值(Cs-C0)即為水域的納污能力M。東洞庭湖最不利水文(水位34 m、流量2 000 m3/s)、水質(zhì)(COD濃度13.43 mg/L、氨氮濃度0.98 mg/L)條件下，COD納污能力為14 200 g/s，大于2016年岳陽(yáng)市COD排放強(qiáng)度1 837 g/s，不存在水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)；氨氮納污能力為43 g/s，小于氨氮排放強(qiáng)度275 g/s，氨氮水質(zhì)超標(biāo)。

在入湖氨氮濃度達(dá)標(biāo)(<1 mg/L)的前提下，測(cè)算不同入湖濃度條件下湖泊的動(dòng)態(tài)納污能力，對(duì)比2016年氨氮排放強(qiáng)度，明確納污能力小于排放強(qiáng)度的水位、流量和入湖濃度條件，繪制出導(dǎo)致東洞庭湖氨氮超標(biāo)的水位、流量、入湖濃度匯總表(表3)。其中，空白單元格表示在對(duì)應(yīng)的水位、流量條件下，東洞庭湖氨氮達(dá)標(biāo)；有數(shù)字的單元格表示在對(duì)應(yīng)的水位、流量條件下，若入湖氨氮濃度大于等于單元格內(nèi)的數(shù)值，氨氮超標(biāo)，若入湖氨氮濃度小于該數(shù)值，則氨氮達(dá)標(biāo)。由表3可知，當(dāng)入湖氨氮濃度<0.95 mg/L時(shí)，東洞庭湖氨氮不存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論與建議

湖泊水位-面積-湖容關(guān)系模型可為測(cè)算不同水文水質(zhì)條件下的湖泊動(dòng)態(tài)納污能力提供支撐。根據(jù)不同水文條件下湖泊的污染物綜合衰減系數(shù)、平均水深、水域外邊界到入河排污口的距離等參數(shù)，結(jié)合排污方式、入湖斷面污染物濃度等數(shù)據(jù)，利用水域納污能力計(jì)算公式，可計(jì)算得到不同水文水質(zhì)條件下湖泊對(duì)污染物的消納能力。

根據(jù)水文水質(zhì)條件動(dòng)態(tài)確定水域納污能力，優(yōu)化污染物排放機(jī)制。水域的納污能力因水文水質(zhì)條件的變化而動(dòng)態(tài)變化。隨著海綿城市、污水資源化等理念和技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，污染物的分時(shí)、定量排放已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。建議以堅(jiān)守水環(huán)境質(zhì)量底線為原則，根據(jù)水域納污能力動(dòng)態(tài)設(shè)定污染物排放的限制條件，科學(xué)利用水環(huán)境容量。同時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)水文、水質(zhì)條件及污染物排放量預(yù)測(cè)評(píng)估水域水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

表3 導(dǎo)致東洞庭湖氨氮超標(biāo)的水位、流量、入湖濃度Table 3 Hydrological and water quality conditions which would result in the standard-exceeding of ammonia-nitrogen

注：空白單元格為納污能力大于排放強(qiáng)度，水質(zhì)達(dá)標(biāo)；有數(shù)字的單元格為納污能力小于排放強(qiáng)度，水質(zhì)超標(biāo)

將入湖氨氮濃度削減至0.95 mg/L以下，以保證洞庭湖水質(zhì)達(dá)標(biāo)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在2016年排放水平下，COD不存在水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)入湖氨氮濃度>0.95 mg/L時(shí)，部分水文條件下的水域納污能力小于當(dāng)前氨氮排放強(qiáng)度，湖泊水質(zhì)存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議東洞庭湖水污染防治應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注氨氮排放量的削減，將入湖的氨氮濃度削減至0.95 mg/L以下。