銀川市閱海湖水環(huán)境容量評(píng)估

郭 琦，尹 娟，邱小琮，李世龍，雷興碧

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川750021；2.寧夏大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川750021）

水環(huán)境容量是某一水環(huán)境單元滿足特定的功能所能容納污染物的負(fù)荷［1-4］，是度量水體自凈能力和治理規(guī)劃水環(huán)境的重要依據(jù)［5-8］。Streeter和Phelos 1925年首次建立DO-BOD 一維水質(zhì)模型后，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，水環(huán)境容量模型的建立及應(yīng)用逐漸完善。目前湖庫(kù)水質(zhì)測(cè)算中箱式完全混合模型［9］的應(yīng)用相對(duì)比較廣泛，在此基礎(chǔ)上，建立了沃倫威德（Vollenweider）水環(huán)境容量計(jì)算模型［10］和其他一些水環(huán)境容量計(jì)算模型，如狄龍（Dillion）模型［10-13］、OECD 模型和合田健模型［14］。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)中國(guó)重要河流與湖泊的水環(huán)境容量進(jìn)行了深入的研究［15-19］，為中國(guó)湖庫(kù)水體污染防治奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

閱海湖位于寧夏回族自治區(qū)銀川市金鳳區(qū)偏北部，是銀川市面積最大的一塊生態(tài)濕地，湖水面積12.00 km2，平均水深1.80 m，具有生態(tài)改善、濕地保護(hù)等功能。閱海湖沿岸農(nóng)業(yè)灌溉退水以及少量生活污水均排入該湖，改變了原有的水體環(huán)境。近年來(lái)開(kāi)發(fā)利用導(dǎo)致湖沼總體水質(zhì)逐年惡化，已成為影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的主要環(huán)境問(wèn)題之一。目前關(guān)于閱海湖水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方面的研究有所開(kāi)展［20-21］，但缺乏最新的環(huán)境容量研究，本研究于2015至2017年連續(xù)3 a對(duì)閱海湖水體季節(jié)性采樣檢測(cè)，并利用已有模型評(píng)估不同水質(zhì)目標(biāo)情景下水體環(huán)境容量，以期為閱海湖水體污染防治及管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)設(shè)置與采樣時(shí)間

通過(guò)分析閱海湖的地形特點(diǎn)共設(shè)置了4個(gè)采樣點(diǎn)，分別位于點(diǎn)S01（進(jìn)水口）、點(diǎn)S02（出水口）、點(diǎn)S03（湖中心1）和點(diǎn)S04（湖中心2）；采樣時(shí)間為2015年至2017年的1月（冬季）、4月（春季）、7月（夏季）、10月（秋季），共采集水樣12次。

1.2 水樣采集與測(cè)定

使用采水器采集水樣并保存，當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

根據(jù)白維東等［20］，李斌等［21］的研究結(jié)果，影響閱海湖水體的主要污染物指標(biāo)為總氮、總磷和COD，結(jié)合相似湖泊水環(huán)境研究過(guò)程中水質(zhì)指標(biāo)的選取情況，選取CODMn，CODcr，BOD5為有機(jī)污染物主要指標(biāo)，TN，NH3-N，TP 為富營(yíng)養(yǎng)化主要指標(biāo)，各指標(biāo)采用方法及標(biāo)準(zhǔn)如表1所示：

表1 水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)

1.3 估算模型

1.3.1 COD，BOD5水環(huán)境容量估算模型 閱海湖是一個(gè)淺水湖泊，開(kāi)闊的湖面在風(fēng)浪的作用下，湖水的流動(dòng)性較好，使得湖內(nèi)水體的混合性良好，對(duì)湖體進(jìn)行多年的監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明整個(gè)湖體進(jìn)出水量基本平衡，水質(zhì)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，可以當(dāng)作完全混合型湖泊進(jìn)行研究。因此閱海湖的CODcr，CODMn，BOD5的水環(huán)境容量估算選用完全混合系統(tǒng)水質(zhì)模型—沃倫威德（Vollenweider）分析計(jì)算，計(jì)算方法如式（1）所示，各參數(shù)含義如表2所示。

表2 沃倫威德（完全混合系統(tǒng)水質(zhì)模型）模型參數(shù)及含義

1.3.2 N，P 水環(huán)境容量估算模型 目前湖庫(kù)水體中N，P環(huán)境容量估算模型較多，其中富營(yíng)養(yǎng)化水體常用狄龍模型預(yù)測(cè)水質(zhì)，庫(kù)灣型水體和淺水湖泊常用合田健模型及世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）模型預(yù)測(cè)水質(zhì)［12］。以上3種模型都是確定型模型，均存在難以準(zhǔn)確確定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的缺陷，為全面了解閱海湖N，P的環(huán)境容量，本文參考相似湖泊的水環(huán)境容量研究，綜合考慮后選用狄龍模型、世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）模型、合田健模型3種模型進(jìn)行計(jì)算，最終評(píng)估結(jié)果為3種模型計(jì)算結(jié)果的均值，計(jì)算方法如下：

狄龍模型：

OECD 模型：

合田健模型：

最終評(píng)估模型：

以上模型參數(shù)含義如表3所示。

表3 狄龍模型、OECD模型及合田健模型參數(shù)及含義

在無(wú)法得知年進(jìn)、出湖的氮、磷量時(shí)，可按下式進(jìn)行估計(jì)［22］：

1.3.3 計(jì)算參數(shù)確定 計(jì)算閱海湖水環(huán)境容量的參數(shù)取值見(jiàn)表4。

表4 閱海湖水環(huán)境容量計(jì)算參數(shù)取值

K 值的確定方法有試驗(yàn)法、反推法和類比法，本文采用類比法確定，參考寧夏回族自治區(qū)星海湖的相關(guān)研究后，綜合考慮COD（BOD5）的K 值按保守的0.004 d－1進(jìn)行估計(jì)［23］。

水質(zhì)指標(biāo)目標(biāo)控制濃度（Cs），根據(jù)2015至2017年閱海湖水體實(shí)際檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，其水質(zhì)指標(biāo)濃度介于地表水Ⅱ—Ⅳ類之間，為充分了解湖體在不同水質(zhì)目標(biāo)情景下的環(huán)境容量，共設(shè)置以下3種水質(zhì)目標(biāo)情景，情景一：達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)目標(biāo)；情景二：達(dá)到飲用水源地最低水質(zhì)目標(biāo)要求，即達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)；情景三：達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)。

2 結(jié)果及分析

2.1 COD，BOD5 水環(huán)境容量結(jié)果及分析

2015年至2017年實(shí)測(cè)閱海湖CODcr為19.22，20.16，21.56 mg／L；CODMn為6.08，7.11，7.22 mg／L；BOD5為2.65，2.00，2.83 mg／L。保持現(xiàn)狀水體不再惡化，2015至2017年閱海湖依靠自身降解及水流下泄可容納CODcr為1 104.30，1 158.31，1 238.75 t／a；CODMn為349.33，408.51，414.83 t／a；BOD5為152.26，162.60，114.91 t／a。根據(jù)沃倫威德模型，計(jì)算出CODcr，CODMn、BOD5水環(huán)境容量結(jié)果見(jiàn)表5。

（1）情景一。達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)目標(biāo)情況下，CODcr，CODMn環(huán)境容量連續(xù)3 a均為負(fù)值，現(xiàn)狀水體中污染物負(fù)荷量遠(yuǎn)大于目標(biāo)要求的環(huán)境容量，為達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2015 至2017 年 應(yīng) 對(duì)CODcr消 減122.4%，142.7%，169.6%；對(duì)CODMn消減190.7%，243.8%，248.6%，對(duì)CODcr，CODMn的消減量逐年上升，說(shuō)明水體中CODcr，CODMn環(huán)境容量逐年減小，有機(jī)污染物排入總量增加，水質(zhì)逐年惡化。BOD5現(xiàn)狀水體污染物負(fù)荷量低于目標(biāo)水質(zhì)要求的環(huán)境容量，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)且有剩余環(huán)境容量，剩余率為37.7%，69.6%，21.6%，說(shuō)明水體中BOD5的水質(zhì)良好，但水體中BOD5剩余環(huán)境容量從2015 年的37.7%減小至2017年的21.5%，水質(zhì)呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)。

（2）情景二。達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)情況下（BOD5的現(xiàn)狀水體濃度優(yōu)于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此不設(shè)對(duì)比），2015年CODcr的環(huán)境容量略高于現(xiàn)狀水體污染物負(fù)荷，有剩余環(huán)境容量，剩余率18.5%，2016年CODcr的現(xiàn)狀水體濃度超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)限值，下降為Ⅳ類水且環(huán)境容量逐年減小。為達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)2016至2017年應(yīng)當(dāng)分別消減CODcr為4.4%、40.3%。CODMn環(huán)境容量3 a內(nèi)均低于現(xiàn)狀水質(zhì)污染物負(fù)荷，為達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)需消減CODMn為7.3%，85.7%，94.1%。

（3）情景三。達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)情況下，CODcr，CODMn的環(huán)境容量3 a內(nèi)均高于現(xiàn)狀水體污染物負(fù)荷量，有剩余環(huán)境容量，CODcr剩余率為75.8%，73.1%，68.6%，CODMn剩 余 率 為78.2%，69.4%，68.2%，CODcr，CODMn剩余環(huán)境容量逐年減小，水質(zhì)呈惡化趨勢(shì)。

表5 2015－2017年不同水質(zhì)目標(biāo)下閱海湖COD，BOD5 環(huán)境容量

2.2 N，P水環(huán)境容量結(jié)果及分析

2015年至2017年實(shí)測(cè)閱海湖TN 為0.95，0.84，0.945 mg／L；NH3-N 為0.18，0.27，0.40mg／L；TP為0.77，0.89，0.86mg／L。保持現(xiàn)狀水體不再惡化，閱海湖2015至2017年可依靠下泄流量及自身凈化能力容納TN 為86.25，76.36，85.91 t／a；NH3-N 為16.36，24.54，36.36 t／a；TP為7.00，8.09，7.82 t／a。根據(jù)狄龍模型、世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）模型、合田健模型計(jì)算出TN，NH3-N，TP 水環(huán)境容量結(jié)果見(jiàn)表6—7。

（1）情景一。達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)目標(biāo)情況下TN、TP的環(huán)境容量低于現(xiàn)狀水體污染物負(fù)荷量，為達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，需消減TN 為47.3%，40.5%，47.1%；相比2015年，2016年TN 消減量減小6.8%，2017年減小0.2%，說(shuō)明水質(zhì)在2016年有所提高，2017年水質(zhì)再次惡化，其濃度變化趨勢(shì)與BOD5具有一致性。需消減TP為67.6%，71.9%，71.0%，TP 的削減量呈先增加后減小趨勢(shì)，波動(dòng)范圍在3.4%以內(nèi)，水質(zhì)總體呈惡化趨勢(shì)。NH3-N 環(huán)境容量3 a內(nèi)均高于現(xiàn)狀水體污染物負(fù)荷，有剩余環(huán)境容量，剩余64.0%，46.0%，20.0%，剩余環(huán)境容量逐年減小，說(shuō)明NH3-N 水質(zhì)有惡化趨勢(shì)。

（2）情景二。達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)情況下，NH3-N達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)且有剩余環(huán)境容量。TN 的環(huán)境容量3 a內(nèi)略大于現(xiàn)狀水體污染物負(fù)荷量，有剩余環(huán)境容量，剩余5.1%，16.0%，5.0%，2017年剩余環(huán)境容量較2015年有所減小，水體呈惡化趨勢(shì)，但不明顯。TP環(huán)境容量3 a內(nèi)均小于現(xiàn)狀水質(zhì)污染物負(fù)荷量，為達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)需要消減TP為35.0%，42.6%，41.8%。

（3）情景三。達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)情況下，TN，NH3-N 達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。TP環(huán)境容量3 a內(nèi)大于現(xiàn)狀水質(zhì)污染物負(fù)荷量，有剩余環(huán)境容量，TP環(huán)境容量剩余 率 為23.0%，11.0%，14.0%。

表6 2015－2017年不同水質(zhì)目標(biāo)情景下閱海湖TN 與NH3-N 環(huán)境容量（t／a）

表7 2015－2017年不同水質(zhì)目標(biāo)情景下閱海湖TP環(huán)境容量

3 討論與結(jié)論

閱海湖各水質(zhì)指標(biāo)濃度總體處于地表水Ⅱ類～Ⅳ類之間，在3種情景目標(biāo)下閱海湖各指標(biāo)水環(huán)境容量呈減小趨勢(shì)，其水質(zhì)逐年惡化是導(dǎo)致水環(huán)境容量減小的根本原因。閱海湖對(duì)各污染物有不同的環(huán)境容量，其對(duì)各污染物指標(biāo)濃度限值不同、入湖污水中各因子含量不同、擴(kuò)散及稀釋過(guò)程不同、對(duì)水體產(chǎn)生的影響不同是造成各因子水環(huán)境容量存在差異性的主要原因［23］。

以CODcr，CODMn，BOD5為有機(jī)物污染指標(biāo)分析結(jié)果來(lái)看，水體中3項(xiàng)指標(biāo)的濃度年度間有小幅波動(dòng)且環(huán)境容量呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明有機(jī)污染物排入總量在增加，若排入量不受約束將造成水質(zhì)進(jìn)一步惡化，水環(huán)境容量進(jìn)一步減小。BOD5雖達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)且有剩余環(huán)境容量，但其環(huán)境容量在2016 年下降31.9%后2017年又迅速上升48%，說(shuō)明2017年閱海湖有機(jī)污染物排入總量增加且入湖污染因子含量也在發(fā)生變化，即可被微生物降解的有機(jī)物入湖量有不確定性。沿岸農(nóng)灌退水、水土流失及生活用水?dāng)y帶污染物入湖量的變化是造成這種現(xiàn)象的主要原因［24］。

以TN，NH3-N，TP為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)指標(biāo)分析結(jié)果來(lái)看，其中NH3-N 達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)且有剩余環(huán)境容量，可滿足閱海湖生態(tài)濕地保護(hù)等功能，但其剩余環(huán)境容量從64%減小至20%，說(shuō)明入湖污染物中NH3-N總量逐年增加，若不加以控制將打破Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。TN 濃度變化與BOD5濃度變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明BOD5與TN 濃度變化具有一定的正相關(guān)性，即入湖污水中可被微生物降解的部分含N 量較高，生活污水?dāng)y帶含氮物質(zhì)的排入是造成TN 濃度變化的主要原因［19］。2015年至2016年TP的濃度呈上升趨勢(shì)，2017年有小幅降低，其濃度接近Ⅳ類水質(zhì)限值，若不消減TP排入量，其水質(zhì)將降為劣Ⅴ類水，農(nóng)業(yè)退水及水土流失是導(dǎo)致水質(zhì)惡化的主要原因［19］。

綜上所述，閱海湖水質(zhì)總體為地表水Ⅳ類，其各污染物指標(biāo)的環(huán)境容量呈逐年減小趨勢(shì)，沿岸農(nóng)灌退水、水土流失及生活用水?dāng)y帶營(yíng)養(yǎng)物入湖是造成其水質(zhì)惡化和水環(huán)境容量減小的主要原因。水質(zhì)目標(biāo)為Ⅱ類時(shí)，BOD5，NH3-N 有剩余環(huán)境容量，CODcr需消減122.4%，142.7%，169.6%；CODMn需 消 減190.7%，243.8%，248.6%，TN 需消 減47.3%，40.5%，47.1%；TP需消減67.6%，71.9%，71.0%。水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類時(shí)，BOD5，NH3-N，TN 有剩余環(huán)境容量，CODcr需消減0%，4.4%，40.3%；CODMn需消減7.3%，85.7%，94.1%；TP需消減35.0%，42.6%，41.8%。水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類時(shí)，各污染物指標(biāo)均達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)且環(huán)境容量呈減小趨勢(shì)，其中TP 濃度接近Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，是閱海湖最主要污染因子。閱海湖具有生態(tài)濕地等功能要求，水質(zhì)應(yīng)達(dá)到地表水Ⅲ類及以上為宜，根據(jù)本文對(duì)閱海湖不同水質(zhì)目標(biāo)情景下最大環(huán)境容量評(píng)估結(jié)果，應(yīng)控制有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽入湖量，采取相應(yīng)消減措施，使水質(zhì)逐步達(dá)標(biāo)。