平原河網(wǎng)湖蕩區(qū)域水環(huán)境容量分析：以嘉興北部地區(qū)為例

李昊璋， 張民曦， 袁靜， 陳曉輝， 喻國良

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240)

水環(huán)境容量，也稱為水環(huán)境承載力，是一定時(shí)間內(nèi)某區(qū)域所能容納的污染物數(shù)量，在西方國家稱為最大日負(fù)荷總量(Total Maximum Daily Loads，TMDLs)或同化容量，即接受污染物的最大荷載，它是減少污染物排放和解決水生態(tài)問題的重要技術(shù)指標(biāo)[1-2]。

目前，對于區(qū)域水環(huán)境容量的計(jì)算方法已開展了大量的研究，并取得了豐富的成果。早在1925年，美國工程師提出了研究生物需氧量和溶解氧的一維水質(zhì)模型——Streeter-Phelps模型。20世紀(jì)70年代后期，計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展和環(huán)境容量概念的引入，水環(huán)境容量計(jì)算中所用的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型發(fā)展到WASP、HSPF、SWAT等大型綜合模型軟件階段[3-5]，其中MIKE和Delft3D被廣泛應(yīng)用在河網(wǎng)地區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)項(xiàng)目中[6-8]。這些模型在應(yīng)用時(shí)有明顯的局限性。首先，模型需要大量的長期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)各項(xiàng)參數(shù)，這對于一些缺乏降水、水質(zhì)水文監(jiān)測信息的偏遠(yuǎn)地區(qū)來說存在著應(yīng)用障礙。其次，河網(wǎng)地區(qū)的水閘和泵站的存在增加了模擬結(jié)果的不確定性。對資料有限區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)，例如零維模型、一維模型等基于基本理論的計(jì)算模型依然具有良好的適用性。水環(huán)境容量的計(jì)算，傳統(tǒng)上是采用最枯月流量或流量最小月的平均流量作為設(shè)計(jì)水文條件，獲得的結(jié)果代表年度水環(huán)境容量。然而，季節(jié)性變化的溫度、降雨量對流域水動(dòng)力和水環(huán)境有很重要的影響。如淀山湖湖體的總氮(TN)、總磷(TP)和化學(xué)需氧量(COD)在春、夏兩季差異明顯[9]，太湖流域錫澄地區(qū)的TP呈現(xiàn)秋高、冬低的變化[10-12]。因此，需要對水域水環(huán)境容量按時(shí)期進(jìn)行計(jì)算。

地處杭嘉湖平原的嘉興北部是典型的高密度平原河網(wǎng)地區(qū)，在面積58 400 hm2的區(qū)域上有13 400 hm2的水域，大大小小的河道交錯(cuò)成網(wǎng)，上百個(gè)大小湖蕩散落其中。該區(qū)域內(nèi)地勢低、水動(dòng)力弱、聚集大量的沉積物和污染物，水環(huán)境系統(tǒng)污染已威脅到當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展[10-12]。因此，如何分析計(jì)算平原河網(wǎng)湖蕩區(qū)域的水環(huán)境容量是值得深入探究的一個(gè)重要問題。本文針對嘉興市北部的河網(wǎng)湖蕩區(qū)域劃分控制單元，在實(shí)測水質(zhì)水文數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用污染物輸出系數(shù)模型，對該地區(qū)一年內(nèi)不同水文時(shí)期的水環(huán)境容量進(jìn)行分析計(jì)算，以揭示北部地區(qū)污染情況與水環(huán)境容量的時(shí)空差異，為水環(huán)境的精準(zhǔn)治理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 控制單元的劃分

控制單元是進(jìn)行水體污染控制與管理的基本單元。通過控制單元的劃分，將污染物排放量與對應(yīng)控制單元的環(huán)境容量結(jié)合，可以有針對性地控制污染物的排放，從而更有效地實(shí)現(xiàn)水質(zhì)管理的目標(biāo)。

大尺度區(qū)域控制單元的劃分往往以流域?yàn)榛A(chǔ)，將目標(biāo)管理斷面以上的完整的匯水面積作為控制單元[13]。在平原河網(wǎng)地區(qū)，無法精確有效地劃分主要河流和湖蕩的匯水單元，需要根據(jù)水功能區(qū)劃、水環(huán)境功能區(qū)劃及當(dāng)?shù)匦姓^(qū)劃等進(jìn)行研究區(qū)域的單元?jiǎng)澐?。因此，對于嘉興北部平原河網(wǎng)湖蕩地區(qū)，首先將控制單元分為河流控制單元和湖蕩控制單元2種類型。根據(jù)《浙江省水功能區(qū)、水環(huán)境功能區(qū)劃分方案》和當(dāng)?shù)匦姓^(qū)劃，進(jìn)一步將研究區(qū)水域劃分為農(nóng)業(yè)用水區(qū)、景觀娛樂區(qū)、工業(yè)用水區(qū)、漁業(yè)用水區(qū)和行政緩沖區(qū)等5個(gè)水功能區(qū)。

基于ArcGIS 10.2平臺，首先建立水功能區(qū)劃圖層，在此基礎(chǔ)上疊加土地利用圖層，確定區(qū)域內(nèi)主要水體的類型和功能。綜合考慮區(qū)域內(nèi)水閘管理等水資源管理措施，將該區(qū)域劃分為10個(gè)控制單元，其中有3個(gè)單元為河流控制單元，7個(gè)單元為湖蕩控制單元。具體劃分結(jié)果見表1，并如圖1所示。

表1 研究區(qū)控制單元的劃分

續(xù)表

圖1 研究區(qū)控制單元?jiǎng)澐旨八|(zhì)監(jiān)測點(diǎn)分布

1.2 水環(huán)境容量的計(jì)算方法

1.2.1 污染負(fù)荷的計(jì)算

區(qū)域內(nèi)污染物負(fù)荷主要分為點(diǎn)源污染和面源污染。點(diǎn)源污染中的入河排污口數(shù)據(jù)由統(tǒng)計(jì)資料獲得。面源污染的入河排污數(shù)據(jù)通過輸出系數(shù)模型計(jì)算獲得[14]，公式為：

(1)

式中：Ln為面源污染總負(fù)荷量；αi為修正系數(shù)；Ei為污染物i在該類土地利用類型的輸出系數(shù)或畜禽的排污系數(shù)；Ai為土地利用類型的面積或畜禽數(shù)量，土地利用數(shù)據(jù)提取自2018年嘉興市土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)；j為面源污染種類總數(shù)。區(qū)域內(nèi)污染匯入總量為：

L=Ln+Lp。

(2)

式中：L為區(qū)域內(nèi)污染匯入總量；Lp為點(diǎn)源排污口污染負(fù)荷量。

通過實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)本區(qū)域的主要污染源來自入河排污口、農(nóng)田徑流、農(nóng)村非農(nóng)田徑流、魚塘養(yǎng)殖、畜禽養(yǎng)殖、大氣沉降及城鎮(zhèn)徑流。其中，大氣沉降污染包括降到地面后由地表徑流攜入水體中的部分和直接沉降至水體的部分，降至地面的污染已包含在入河徑流污染中，因此，文中對后者進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算。本區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖量較少，污染占比較小。城鎮(zhèn)徑流污染通過徑流深度及實(shí)測排污口的污染物濃度獲得。鑒于不同地區(qū)的氣候、土壤、地形等不同，輸出系數(shù)和修正系數(shù)也有較大差異，本次研究采用當(dāng)?shù)鼗蚺R近地區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別來源于杭嘉湖地區(qū)、上海地區(qū)、浙江新安江流域等的研究資料[15-20]，具體系數(shù)見表2。

表2 輸出系數(shù)和修正系數(shù)

由于匯入到水體的徑流污染受降雨量及季節(jié)變化的影響。因此，首先需計(jì)算不同時(shí)期的降雨量。根據(jù)對嘉興市多年平均降雨量的統(tǒng)計(jì)，3月、10月和11月為代表的平水期降雨量為227 mm，占全年降雨量的19%；12月到來年2月的枯水期間，降雨量為167 mm，占全年降雨量的14%；在4月到9月的豐水期，平均降雨量達(dá)到803 mm，占全年降雨量的67%。然后，根據(jù)不同時(shí)期的多年平均降雨量，得到徑流污染在平水期、枯水期以及豐水期匯入水體的比例分別為19%、14%和67%。而畜禽養(yǎng)殖、魚塘養(yǎng)殖和排污口的污染匯入量則在每個(gè)時(shí)期內(nèi)相對穩(wěn)定，其匯入比例按各個(gè)時(shí)期持續(xù)時(shí)間確定，分別為25%、25%和50%。大氣沉降按實(shí)測研究結(jié)果確定[21]。

1.2.2 水環(huán)境容量的計(jì)算

選取COD、TN與TP等指標(biāo)作為反映水環(huán)境質(zhì)量的要素。經(jīng)實(shí)地調(diào)查，研究區(qū)域的河網(wǎng)內(nèi)河道順直狹長，污染物在河道斷面上分布較均勻[22-23]。因此，對河流控制單元可采用河流零維模型計(jì)算。河流控制單元的水環(huán)境容量計(jì)算公式為：

M=(Cs-C0)(Qp+Q)。

(3)

式中：M為河流控制單元的水環(huán)境容量；Cs為河流水體的目標(biāo)水質(zhì)濃度；C0為河段初始斷面的實(shí)測濃度；Qp為污水在研究期的排放量；Q為研究期內(nèi)初始斷面的入流流量。

對于湖蕩地區(qū)，研究區(qū)域內(nèi)水深大部分為2～3 m，水域面積小于500 hm2，屬于淺水小型水體，污染物在水體中混合較均勻。因此，對于COD的水環(huán)境容量計(jì)算可采用完全混合水質(zhì)模型——Vollenweider模型[9]，湖蕩控制單元的水環(huán)境容量計(jì)算公式如下：

MN=(Cs-C0)V+KCsVΔt+CsQd。

(4)

式中：MN為湖蕩控制單元的水環(huán)境容量；Cs為湖蕩水體的目標(biāo)水質(zhì)濃度；C0為湖蕩水體的實(shí)測濃度；V為湖蕩的水體體積；K為綜合衰減系數(shù)，采用懷特經(jīng)驗(yàn)公式，K=10.3Q-0.49；Δt為研究時(shí)期的總天數(shù)；Qd為研究期內(nèi)湖蕩的總出流量。

對于湖蕩地區(qū)，TN和TP的水環(huán)境容量可采用Dillon模型計(jì)算[24]，計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

式中：A為湖蕩水域面積；Ls為單位面積水體對氮、磷元素的承載力；h為湖蕩水深；R為氮或磷元素的滯留系數(shù)。

本次研究中將COD、TN和TP的目標(biāo)濃度設(shè)置為Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，COD和TN的目標(biāo)濃度分別取20 mg/L、1.0 mg/L，TP的取值為0.2 mg/L(河流控制單元)以及0.05 mg/L(湖蕩控制單元)，其余各參數(shù)均由實(shí)測資料獲得，分別計(jì)算出平水期(90 d)、枯水期(92 d)和豐水期(183 d)的水環(huán)境容量，3個(gè)時(shí)期的容量之和即為全年水環(huán)境容量。

1.2.3 剩余水環(huán)境容量的計(jì)算

剩余水環(huán)境容量綜合反映多項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)，也是直接反映整個(gè)地區(qū)污染程度的變量。具體計(jì)算公式分別為：

對于河流控制單元，MR=M-L。

(7)

對于湖蕩控制單元，

MR=MN-LN-L。

(8)

式中：MR為剩余水環(huán)境容量；LN為來流攜帶量，為初始斷面入流流量與污染物濃度的乘積，由實(shí)測獲得。

當(dāng)MR>0，說明水體在保證既定水環(huán)境目標(biāo)的基礎(chǔ)上還可以繼續(xù)容納污染物；當(dāng)MR<0時(shí)，說明該地區(qū)污染程度已高出水體的承載能力，污染物排放量需要削減才能改善水環(huán)境質(zhì)量。一年內(nèi)各時(shí)期剩余水環(huán)境容量相加得到年度剩余水環(huán)境容量。

2 水質(zhì)水文信息采集

由于該區(qū)域的水文站點(diǎn)數(shù)量少，需要實(shí)地進(jìn)一步采集水質(zhì)與水文信息?？偣苍O(shè)置62個(gè)采樣點(diǎn)，遍布研究區(qū)湖蕩主要進(jìn)出口斷面、湖蕩水體和河流的主要進(jìn)出口斷面，具體位置如圖1所示。為獲取各水文期的代表性水質(zhì)水文參數(shù)，采集時(shí)間為2018年10月底、2019年2月底以及2019年6月底，每組數(shù)據(jù)包括污染物濃度(CODCr、TN和TP),水體流速、流向、流量,河寬及水深等。

按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[25]對采集到的水樣進(jìn)行運(yùn)輸、保存和分析。水樣采集后裝入125 mL聚乙烯采樣瓶中，并盡快送回到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行保存和分析。CODCr的測定方法為重鉻酸鹽法，TN的測定方法為過硫酸鉀法，TP的測定方法為鉬酸銨分光廣度法。如不能立即分析，加入硫酸至pH值<2，置4 ℃下保存。

3 結(jié)果分析

3.1 水質(zhì)的時(shí)空分布

表3中的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示，嘉興北部地區(qū)COD和TP濃度較低，研究期內(nèi)83.6%的監(jiān)測點(diǎn)的COD濃度優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且在枯水期的COD濃度較平水期的大幅下降，COD由15.623 mg/L降低到10.387 mg/L，降幅達(dá)33.5%；TP的季節(jié)變化不大，平均濃度為0.134～0.136 mg/L，在枯水期有26%的監(jiān)測點(diǎn)的TP濃度優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在平水期和豐水期的略微下降，13.1%和21.0%的監(jiān)測點(diǎn)的TP濃度優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。研究期內(nèi)的TN指標(biāo)雖有改善，由5.922 mg/L降低到3.150 mg/L，降幅達(dá)31.7%，但TN污染依然比較嚴(yán)重，在3個(gè)時(shí)期內(nèi)，所有監(jiān)測點(diǎn)的TN濃度不滿足Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且?guī)缀跞繛榱英躅愃|(zhì)。

圖2中對河流和湖蕩控制單元監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)分析的結(jié)果顯示，河流控制單元監(jiān)測點(diǎn)的COD和TP平均濃度顯著高于湖蕩控制單元的，這一規(guī)律與有關(guān)洞庭湖水環(huán)境的研究結(jié)論一致[26]。究其原因，可能是河道承擔(dān)排洪功能，承載大量的磷荷載；同時(shí)作為主航道，船只航行等外部作用力造成底泥污染物的釋放。研究期內(nèi)，除湖蕩區(qū)TP外，其余污染物的平均濃度均顯示出平水期>枯水期>豐水期的規(guī)律。

表3 水質(zhì)分析

圖2 河流區(qū)域與湖蕩區(qū)域的污染物濃度對比

3.2 污染負(fù)荷的分析

嘉興北部地區(qū)上游來水主要是來自境外天目山和東苕溪的杭湖地區(qū)客水以及蘇州運(yùn)河水系南排入嘉興的客水，上游來水的水質(zhì)直接影響到研究區(qū)的剩余水環(huán)境容量。圖3對比了各控制單元污染匯入量與來流攜帶污染量的數(shù)量關(guān)系，進(jìn)入控制單元的來流中攜帶污染量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過控制單元內(nèi)污染匯入量?？梢?，來流水質(zhì)對控制單元水環(huán)境質(zhì)量的影響很大。

圖3 控制單元污染匯入量與來流攜帶量的對比

經(jīng)分析計(jì)算，可得研究區(qū)內(nèi)年污染匯入總量分別為：COD 4 866.49 t；TN 1 193.07 t；TP 87.93 t。表4展示了不同污染源的年污染匯入量所占比例，其中排污口污染占主要部分，51.79%的COD、70.67%的TN和71.20%的TP來自于排污口的污染；來自水產(chǎn)養(yǎng)殖和大氣沉降的污染也占相當(dāng)比例；來自大氣沉降的氮元素居TN污染來源中的第二位，占15.90%，不容忽視；魚塘養(yǎng)殖飼料中的氮、磷元素隨置換廢水排到河湖，導(dǎo)致11.53%的TP和7.80%TN污染來自魚塘養(yǎng)殖；11.67%的COD、3.77%的TN和8.66%的TP來自農(nóng)田徑流污染；8.11%的COD、1.27%的TN和5.22%的TP來自農(nóng)村徑流污染。由于研究區(qū)域內(nèi)為鄉(xiāng)村地區(qū)，城鎮(zhèn)覆蓋率較低，所以，城鎮(zhèn)地表徑流污染較小。

表4 研究區(qū)年污染匯入量來源占比 %

續(xù)表

圖4為各控制單元年度入河污染物來源比例。由圖4可見：北部地區(qū)的控制單元U7、U8、U9和U10的污染物主要來自于區(qū)域內(nèi)的16個(gè)入河排污口；其次，由于這些控制單元內(nèi)的水域面積較大，來自魚塘養(yǎng)殖污染的貢獻(xiàn)率也比較高；由于南部地區(qū)排污口較少，TN污染則主要來自大氣沉降和農(nóng)田徑流，COD與TP污染則主要來自農(nóng)田徑流。

圖4 各控制單元年度匯入污染物來源圖

3.3 剩余水環(huán)境容量的時(shí)空分布

表5為研究區(qū)各控制單元不同時(shí)期及全年剩余水環(huán)境容量的計(jì)算結(jié)果。

表5 研究區(qū)各時(shí)期及全年剩余水環(huán)境容量

由表5可以看出，控制單元的水環(huán)境容量在不同水文期呈動(dòng)態(tài)變化。區(qū)域內(nèi)各控制單元的COD剩余環(huán)境容量呈現(xiàn)平水期<枯水期<豐水期的規(guī)律，剩余水環(huán)境容量由負(fù)轉(zhuǎn)正，全年剩余水環(huán)境容量為正。但區(qū)域內(nèi)絕大部分控制單元的TN與TP剩余水環(huán)境容量為負(fù)，TN 和TP污染較嚴(yán)重。在降雨少的枯水期，地表徑流和上游來水帶來的污染物少，大部分控制單元的TN和TP剩余水環(huán)境容量從平水期到枯水期得到增大；而對于水量大、持續(xù)時(shí)間長的豐水期，大部分控制單元單位時(shí)間的剩余水環(huán)境容量明顯增大。就整體而言，控制單元U6的TN與TP污染最為嚴(yán)重，需要削減TN 5 841.8 t以及TP 210.1 t。

根據(jù)以上對各控制單元在不同水文期的水質(zhì)、污染特征以及水環(huán)境容量的研究結(jié)果顯示，區(qū)域各控制單元尚存在COD剩余水環(huán)境容量，但TN和TP的污染壓力大，需要進(jìn)行相應(yīng)不同程度的削減方可達(dá)到地表Ⅲ類水的要求。

3.4 水環(huán)境改善的措施與建議

根據(jù)上述分析可知，該區(qū)域水質(zhì)改善的關(guān)鍵措施是加強(qiáng)上游來水的治理，降低上游來水中的污染物濃度，同時(shí),需對嘉興市的大氣中的氮元素進(jìn)行削減。結(jié)合污染來源，對各控制單元建議采用如下水環(huán)境改善措施：

U1為嘉興農(nóng)業(yè)用水區(qū)，主要污染來源于區(qū)域外來水和排污口。需對上游來水進(jìn)行治理，提高污水處理設(shè)施的效率與標(biāo)準(zhǔn)，對魚塘尾水進(jìn)行無害化處理，清理湖蕩中的漂浮物和受污染的底泥。

U2為運(yùn)河景觀區(qū)，主要污染來源于上游污染、農(nóng)田徑流、農(nóng)村徑流和魚塘養(yǎng)殖。需對魚塘養(yǎng)殖廢水進(jìn)行處理，加強(qiáng)對船舶廢水的處置，在豐水期需要加強(qiáng)對沿岸徑流污染的控制。

U3為工業(yè)用水區(qū)，主要污染來自于上游來水、農(nóng)田徑流和魚塘養(yǎng)殖。需加強(qiáng)對嘉興市區(qū)方向來水的治理與監(jiān)控，同時(shí)無害化處理沿岸魚塘養(yǎng)殖尾水。

U4為景觀漁業(yè)用水區(qū)，主要污染來自于運(yùn)河來水、排污口和魚塘養(yǎng)殖。需削減排污口數(shù)量，在主要入水口建立水生植物浮床吸附污染物。

U5為漁業(yè)用水區(qū)，主要污染來源于運(yùn)河來水以及排污口。需減少入河排污口，清理水閘附近及岸邊的漂浮雜物，提高來水水質(zhì)。

U6為工業(yè)漁業(yè)用水區(qū)，處于油車港鎮(zhèn)核心區(qū)，主要污染來自上游來水和排污口。除對上游來水進(jìn)行治理外，還應(yīng)減少入河排污口TN與TP的排放量，嚴(yán)控眾多紡織企業(yè)的排污。

U7為景觀漁業(yè)用水區(qū)，主要污染來自運(yùn)河來水和排污口。需削減排污口數(shù)量，為景觀區(qū)建立緩沖隔離帶和在主要入水口建立水生植物浮床吸附污染物[27]。

U8為運(yùn)河浙蘇緩沖區(qū)，主要污染來源于蘇州方向來水和排污口。需加強(qiáng)入河排污口和船舶廢水處置，提高運(yùn)河蘇州方向來水水質(zhì)。

U9為漁業(yè)用水區(qū)，主要污染來源于區(qū)域外來水和排污口。需加強(qiáng)入河排污口的污水處理，管控來水水質(zhì)。

U10為漁業(yè)用水區(qū)，主要污染來源于蘇州方向來水、排污口以及魚塘養(yǎng)殖。需加強(qiáng)入河排污口的污水處理，逐步清理外蕩養(yǎng)殖，對運(yùn)河蘇州方向來水進(jìn)行治理與監(jiān)控。

4 結(jié)語

1)嘉興市北部地區(qū)的COD和TN濃度各時(shí)期變化明顯，豐水期的濃度最低，平水期的濃度最高；TP在各時(shí)期的濃度則相對穩(wěn)定。河流控制單元的COD和TP污染顯著高于湖蕩控制單元的。

2)該地區(qū)的水環(huán)境容量隨時(shí)空變化，大部分控制單元的COD剩余環(huán)境容量為正，呈現(xiàn)平水期<枯水期<豐水期的規(guī)律；TN與TP剩余水環(huán)境容量為負(fù)，但總體上呈現(xiàn)豐水期>枯水期>平水期的規(guī)律。

3)各控制單元來流攜帶污染占據(jù)很大比例，TN與TP污染負(fù)荷過載，需要加強(qiáng)對上游蘇州以及嘉興市區(qū)方向來水水質(zhì)的監(jiān)控，加強(qiáng)跨區(qū)域的協(xié)調(diào)治理。同時(shí)對相應(yīng)控制單元內(nèi)的魚塘養(yǎng)殖廢水、排污口污水、船舶廢水等進(jìn)行處置。