三峽庫區(qū)漢豐湖流域水環(huán)境容量實證研究

何家軍 樊連生 張慧

摘要?采用二維水質(zhì)模型對三峽庫區(qū)漢豐湖流域流量、水位、污染源排放、水動力和水質(zhì)進行模擬，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范計算了2017年的三峽庫區(qū)漢豐湖流域水環(huán)境容量。結(jié)果表明，三峽庫區(qū)漢豐湖流域COD、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）的水環(huán)境容量分別為30 596.93、2 795.97、2 882.35、144.12 t/a。目前三峽庫區(qū)漢豐湖流域水體的COD、TN、TP已經(jīng)達到水環(huán)境容量限值，屬于飽和運行狀態(tài);NH3-N污染負荷已基本接近維持現(xiàn)有水質(zhì)功能下的水環(huán)境容量閾值。

關(guān)鍵詞?水環(huán)境容量;污染負荷;二維模型;漢豐湖流域

中圖分類號?X?26文獻標(biāo)識碼?A文章編號?0517-6611（2020）01-0062-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.01.020

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Empirical Study on Water Environmental Capacity of Hanfeng Lake Basin in Three Gorges Reservoir Region

HE Jia?jun1，F(xiàn)AN Lian?sheng2，ZHANG Hui3

（1. School of Management， Wuhan University of Engineering， Wuhan， Hubei 430205; 2. Yangtze River Engineering Supervision Consulting Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei 430072; 3. School of Chemistry and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430205）

Abstract?A two?dimensional water quality model was used to simulate the discharge， water level， pollutant discharge， hydrodynamics and water quality of Hanfeng Lake Basin in the Three Gorges Reservoir Region. The water environmental capacity of Hanfeng Lake Basin in Three Gorges Reservoir Region in 2017 was calculated according to the national standards and standards. The results showed that the water environmental capacity of COD， NH3?N， TN and TP in the Hanfeng Lake Basin of Three Gorges Reservoir Region were 30 596.93 t/a， 2 795.97 t/a， 2 882.35 t/a and 144.12 t/a， respectively. At present， the COD， TN and TP of Hanfeng Lake Basin in Three Gorges Reservoir Region were close to the water environmental capacity， which belongs to the saturated operation state; the NH3?N pollution load had basically approached the water environmental capacity threshold under the existing water quality function.

Key words?Water environmental capacity;Pollution load;Two?dimensional model; Hanfeng Lake Basin

環(huán)境容量是環(huán)境目標(biāo)管理的基本依據(jù)，是環(huán)境規(guī)劃的主要環(huán)境約束條件[1]。研究水環(huán)境容量可以為水環(huán)境規(guī)劃與管理提供技術(shù)支持，對于水域污染物排放的總量控制，保護和改善目前的水生態(tài)環(huán)境具有重要現(xiàn)實意義。水環(huán)境容量是指在滿足水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的前提下，水體最大允許污染負荷量，又稱水體的納污能力[2-3]，反映了污染物在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化和賦存規(guī)律，也反映了水環(huán)境在滿足特定功能條件下對污染物的承受能力[4]，其容量大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)。水環(huán)境容量計算方法主要以水動力學(xué)水質(zhì)模型為主[5]，通常首先設(shè)定目標(biāo)水質(zhì)和一定保證率下的設(shè)計流量，再建立一維或二維的水環(huán)境容量模型，并在模型參數(shù)的率定基礎(chǔ)上進行估算;也有研究通過隨機規(guī)劃、概率模型和未確知數(shù)學(xué)法等方法探討水環(huán)境容量計算[6-7]。

三峽庫區(qū)作為長江上游生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)[8]，庫區(qū)重要支流的水資源保護和水環(huán)境治理直接關(guān)系到整個長江流域水安全和生態(tài)安全[9]，對長江流域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。漢豐湖是三峽庫區(qū)內(nèi)最大的庫中湖，同時也是生態(tài)環(huán)境問題集中反映區(qū)域[10]。研究三峽庫區(qū)漢豐湖流域水環(huán)境容量對長江流域社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。該研究根據(jù)2017年環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用二維水環(huán)境容量模型對三峽庫區(qū)漢豐湖流域的COD、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、總氮（TN）的水環(huán)境容量進行計算，以期為該流域的水資源管理、水污染防治和總量控制規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1?資料與方法

1.1?研究區(qū)域概況

漢豐湖流域位于小江烏楊橋水位調(diào)節(jié)壩以上，包括東河、南河2條河流。東起烏楊橋水位調(diào)節(jié)壩，西南至開州區(qū)縣境巫山鎮(zhèn);北到東河源頭白泉鄉(xiāng)。流域位于107°55′48″～108°53′00″E、30°52′31″～31°30′00″N，涉及云楓街道、漢豐街道、文峰街道、鎮(zhèn)東街道、豐樂街道、白鶴街道、大德鄉(xiāng)、臨江鎮(zhèn)、竹溪鎮(zhèn)、鎮(zhèn)安鎮(zhèn)、九龍山鎮(zhèn)、郭家鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)、和謙鎮(zhèn)、譚家鎮(zhèn)、關(guān)面鄉(xiāng)、白泉鄉(xiāng)、河堰鎮(zhèn)、大進鎮(zhèn)、滿月鄉(xiāng)、鐵橋鎮(zhèn)、巫山鎮(zhèn)、中和鎮(zhèn)、三匯口鄉(xiāng)、義和鎮(zhèn)、南雅鎮(zhèn)、麻柳鄉(xiāng)、敦好鎮(zhèn)、天和鎮(zhèn)、高橋鎮(zhèn)、紫水鄉(xiāng)，共31個鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道辦?？偯娣e2 534.70 km2、人口數(shù)97.93 萬人。漢豐湖流域行政區(qū)劃及水系見圖1。

1.2?研究方法

1.2.1?因子選擇。

根據(jù)漢豐湖流域水污染現(xiàn)狀調(diào)查和污染物特征分析，選擇影響漢豐湖水環(huán)境的最為敏感的指標(biāo)因子COD、NH3-N、TN、TP。

1.2.2?模型選擇。

污染物進入水體后，在一定范圍內(nèi)經(jīng)過平流輸移、縱向離散和橫向混合后達到充分混合[11]，相對于污染物濃度僅在縱向上發(fā)生變化的一維模型，當(dāng)水中污染物濃度僅在一個方向是均勻的，而在其余2個方向變化的條件下，一維水質(zhì)模型不再適用，這時排入水中的污染物的分布用二維水質(zhì)模型來計算[12]。

二維水質(zhì)模型通常假定污染物濃度在水深方向是均勻的，而在縱向和橫向上是變化的。二維水質(zhì)模型的控制偏嚴，計算量大，但是較之零維、一維水質(zhì)模型，計算結(jié)果更為精確。因此，在漢豐湖水環(huán)境容量計算時，考慮到漢豐湖的實際污染分布狀況，同時為了保證計算的精確性，采用了二維水質(zhì)模型?；痉匠探M為：

式中，Z為水位（m）;h為水深（m），h=Z-ZB;ZB為湖底高程（m）;u為x方向分速度（m/s）;v為y方向分速度（m/s）;q為湖面降雨、蒸發(fā)及湖底滲漏等水量源匯項（m/s）;f為柯氏加速度，f=2ωsinφ，φ為緯度，ω為地球自轉(zhuǎn)速度（ad/s）;Sfx、Sfy分別為x方向和y方向的切應(yīng)力，有床面阻力和水面風(fēng)切應(yīng)力兩部分組成。

水質(zhì)計算方程如下：

（hC）t+（hUC）x+（hVC）y=

x（hExCx）+y（hEyCy）+hS86 400+Sw（4）

式中，h為水深（m）;C為某種水質(zhì)指標(biāo)的濃度（mg/L）;U為x向沿垂向的平均流速（m/s）;V為y方向沿垂向的平均流速（m/s）;t為時間（s）;Ex為x方向擴散系數(shù)（m2/s）;Ey為y方向擴散系數(shù)（m2/s）;S為某種水質(zhì)指標(biāo)的生化反應(yīng)項，g/（m3·d）;Sw為某種水質(zhì)指標(biāo)的外部源匯項（g/s）。

1.2.3?模型概化。

根據(jù)漢豐湖流域長系列水文統(tǒng)計資料和風(fēng)況資料，確定漢豐湖流域設(shè)計水文條件和設(shè)計風(fēng)況，利用二維風(fēng)生湖流數(shù)學(xué)模型，模擬太湖設(shè)計流場分布，作為漢豐湖納污能力計算的設(shè)計水動力條件[13]。采用模型概化湖泊型水（環(huán)境）功能區(qū)納污能力計算采用湖（庫）均勻混合模型，COD、NH3-N采用計算公式如下：

W=Q0×（Cs-C0）×0.086 4+K×V×Cs×10-6（5）

式中，W為水環(huán)境功能區(qū)納污能力（t/d）;Q0為入湖（庫）流量（m3/s）;Cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度（mg/L）;C0為入湖（庫）污染物濃度（mg/L）;K為污染物綜合降解系數(shù)（d-1）;V為湖（庫）容積（m3）。

對于較難降解的TN和TP，采用Dillon模型。依據(jù)物質(zhì)平衡原理，考慮TN、TP負荷、滯留系數(shù)、湖水替換率、水庫平均深度等因素在穩(wěn)定條件下與水庫中磷濃度關(guān)系，其計算方程可以概化為：

Ws=Cs×ρw×Z×A1-R（6）

式中，Ws為湖泊水體中氮、磷的環(huán)境容量（g/a）;Cs為湖泊水體中氮、磷的允許濃度（mg/L）;Z為湖泊水體平均水深（m）;ρw為水力沖涮系數(shù)（a-1）;A為湖泊面積（m2）;R為滯留系數(shù)。

1.2.4?參數(shù)率定。

根據(jù)《GB/T 25173—2010水域納污能力計算規(guī)程》，通過資料收集情況及現(xiàn)場調(diào)查情況分析，采用漢豐湖入湖近30年月均流量（33.4 m3/s）為設(shè)計水文條件。

根據(jù)水功能區(qū)區(qū)劃，確定各計算單元COD、NH3-N、TP、TN目標(biāo)濃度值CS，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。C0根據(jù)漢豐2017—2018年湖烏楊大壩、巫山鄉(xiāng)、津關(guān)、趙家大橋4個監(jiān)測斷面污染物監(jiān)測的平均值確定。

降解系數(shù)，通過類比國內(nèi)外部分河流降解系數(shù)的研究成果，以此來確定漢豐湖流域COD、NH3-N、TP和TN的降解系數(shù)。

2?結(jié)果與分析

2.1?水環(huán)境容量

根據(jù)水環(huán)境計算模型，該研究選擇影響漢豐湖水環(huán)境的最為敏感的指標(biāo)因子COD、NH3-N、TN、TP估算其環(huán)境容量。

計算結(jié)果顯示，三峽庫區(qū)漢豐湖流域COD、NH3-N、TN、TP的水環(huán)境容量分別為30 596.93、2 795.97、2 882.35、144.12 t/a。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃設(shè)計報告，三峽庫區(qū)漢豐湖流域COD、TN、TP污染源入河量分別為41 743.15、3 710.16、344.48 t/a。模型計算結(jié)果表明，目前三峽庫區(qū)漢豐湖流域水體的COD、TN、TP已達到水環(huán)境容量限值，屬于飽和運行狀態(tài)。NH3-N的水環(huán)境容量為2 795.97 t/a，除去調(diào)查已知的污染源入河量1 880.58 t/a，目前最大允許排放量僅為915.39 t/a。

但就NH3- N的水環(huán)境容量而言，目前三峽庫區(qū)漢豐湖流域NH3-N污染負荷已接近維持現(xiàn)有水質(zhì)功能下的水環(huán)境容量閾值，如不能及時對NH3-N污染排放源進行控制和削減，則三峽庫區(qū)漢豐湖流域水體也極易發(fā)生NH3-N水環(huán)境容量超負荷現(xiàn)象。