某城市人工湖水質現(xiàn)狀及水環(huán)境容量研究

曹 楊 高 凡

（江蘇省徐州環(huán)境監(jiān)測中心 江蘇徐州 221000）

引言

湖（庫）按照規(guī)模大小、富營養(yǎng)化程度、分層情況等因素劃分為不同的類型，不同類型的湖（庫）適用不同的數(shù)學模型計算其水域納污能力，非均勻混合模型適用于大中型湖庫；均勻混合模型適用于中小型湖庫；營養(yǎng)化模型適用于營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)≥50 的湖庫[1～3]。云龍湖是徐州市重要的人工湖，近年來，有不少關于云龍湖水環(huán)境質量的研究文獻[4～6]，但以上研究主要聚焦在水質污染評價與底棲微生物方面，缺少關于水環(huán)境容量即水環(huán)境容量方面的探索。本文以水質現(xiàn)狀評價與水質目標達標為前體，研究采用適當?shù)臄?shù)學模型對其水環(huán)境容量進行測算，為云龍湖水環(huán)境質量管理提供科學支撐。

1 研究區(qū)域概況

云龍湖屬于典型城市淺水人工湖泊，是重要的旅游風景區(qū)和休閑中心，以湖中路為界分為東湖和西湖，上游連接玉帶河、閘河、廢黃河、丁萬河及京杭運河不牢河段，下游經(jīng)奎河下泄洪水，向南流經(jīng)濉河入洪澤湖。云龍湖集水面積較小，在沒有暴雨的情況下，蓄水方式主要為補水，年補水量與年蒸發(fā)量相當。根據(jù)統(tǒng)計資料，云龍湖湖區(qū)水域總面積約6.76km2，最大水深5.1m，平均水深約2.5m，按照湖（庫）類型劃分標準，屬中小型湖（庫）。

2 水質現(xiàn)狀

2.1 水質監(jiān)測與評價方法

監(jiān)測斷面：1# 東湖中心、2# 西湖中心；監(jiān)測方法：CODMn水質高錳酸鹽指數(shù)的測定（GB/T11892-1989）；NH3-N 水質氨氮的測定納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）；TP 水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法（GB/T11893-1989）；TN 水質總氮的測定性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636-2012）。

評價方法：采用均值法[7]評價水質現(xiàn)狀，計算公式如下：

2.2 監(jiān)測結果與評價

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：ρ（CODMn）在4.5～6.0mg·L-1之間，均值為4.8mg·L-1；ρ（NH4+-N）在0.047～0.6mg·L-1之間，均值為0.34mg·L-1；ρ（TP）在0.03～0.1mg·L-1之間，均值 為0.048 mg·L-1；ρ（TN）在0.71～2.21 mg·L-1之間，均值為1.07 mg·L-1。各監(jiān)測指標最高值分別出現(xiàn)在1 月和9 月，其他時間監(jiān)測值較為平穩(wěn)，TP 濃度全年較平穩(wěn)，且保持較低水平；東湖中心水質監(jiān)測結果略好于西湖中心。綜合評價結果：云龍湖水質類別為地表水Ш 類，能夠達到水質目標要求，水質狀況整體較好，與張小明等[8]研究結果一致。當?shù)卣肿⒅卦讫埡h(huán)境保護工作，2017 年專門頒布了《徐州市云龍湖水環(huán)境保護條例》，同時大力凈化云龍湖湖補水水源，以南望凈水廠供水為主要補水水源，補水水質N，P 元素指標甚至達到了地表水Π 類水質標準。

3 水環(huán)境容量計算

3.1 研究方法

云龍湖水環(huán)境容量計算按照以下程序進行，其中基礎資料分析內容見章節(jié)1，技術路線基本步驟見圖1。

圖1 水環(huán)境容量計算技術路線

3.2 計算模型

不同水體在規(guī)模及水文條件方面有很大的差異，選取適用的核定方法得到的結果才具有科學合理性。一般，河網(wǎng)及中小型河流選取基于斷面達標法或總體達標法核定水環(huán)境容量；大型河流選取基于斷面達標法或污染帶控制法核定水環(huán)境容量；中小型湖（庫）選取基于總體達標法、斷面達標法或污染帶控制法核定水環(huán)境容量；大型湖（庫）選取基于斷面達標法或污染帶控制法核定水環(huán)境容量。本文使用中小型湖（庫）水環(huán)境容量核定方法[4]，見公式如下：

式中：W 為水環(huán)境容量，t/a；Q0為設計水文條件下的流量，m3/s；V 為設計水文條件下的水體體積，m3；Cs為功能區(qū)水質目標，mg/L；C0為上游來水污染物濃度，mg/L；K 為污染物綜合降解系數(shù)，d-1；α 為不均勻系數(shù)。

3.3 設計水文條件

根據(jù)近10a 湖（庫）的水位實測資料最小月平均水位，或求得90%保證率的湖（庫）設計水位；利用湖（庫）水位-容積曲線得到設計水位下湖（庫）容積，從而求得湖（庫）設計水量值。根據(jù)相關資料研究結果[9][10]，云龍湖集水面積59.1km2，總庫容3330 萬m3，水面面積6.76km2，利庫容905 萬m3，汛限水位32.5m(故黃河標高)，興利水位32.8m。為保護云龍湖，徐州市政府實施了控源截污、疏浚貫通以及生態(tài)修復等一系列措施，云龍湖不接納任何排水管道的排水，周邊排污單位污水全部進污水處理廠處理后達到一級A 排放標準；同時，徐州市水務部門自2011 年起對云龍湖實施大規(guī)模生態(tài)補水工程，補充水源為南望凈水廠凈化水，綜合補水量約為650 萬m3/a，即0.2061m3/s，水質標準見表1。

表1 補水水質

3.4 污染物綜合降解系數(shù)

水體中污染物有一定的自然降解能力，即污染物經(jīng)生物降解、物理沉降、化學反應后自然消解，其降解過程可概括為污染物綜合降解系數(shù)。綜合降解系數(shù)的確定方法有很多，其中類比法是指將核定水域以往工作和研究中的污染物綜合降解系數(shù)值，經(jīng)過分析檢驗后采用；無核定水域的資料時，可選擇與其水力特性、污染狀況及地理、氣象條件相似的有資料地區(qū)的污染物綜合降解系數(shù)值代替。本研究參考水質綜合降解系數(shù)見表2。

表2 綜合降解系數(shù)參考值

3.5 不均勻系數(shù)

污染物進入水體后，一般很難在短距離內達到全斷面均勻混合，即參與污染物稀釋降解的只是部分水體，需要對水環(huán)境容量結果進行不均勻系數(shù)修正，不均勻系數(shù)取值范圍為0～1。影響不均勻系數(shù)的主要因素為水面面積，面積越大，不均勻系數(shù)值越小。湖（庫）不均勻系數(shù)參考值見表3。

表3 湖（庫）不均勻系數(shù)參考值

3.6 水環(huán)境容量核定

根據(jù)區(qū)域水資源量及水功能區(qū)水質目標，按照混合模型水環(huán)境容量核定方法估算區(qū)域總體水環(huán)境容量值，據(jù)此可判斷不同方法計算得到的水環(huán)境容量核定結果的合理性，混合模型水環(huán)境容量核定方法見公式（3）。

式中：W 為水環(huán)境容量，t/a；K 為污染物綜合降解系數(shù)，d-1；S為匯水區(qū)域面積，m2；H 為徑流深，m；Cs為區(qū)域水功能區(qū)劃總體水質目標，mg/L；C0為區(qū)域水質濃度背景值，mg/L。

水環(huán)境容量結果見表4。云龍湖COD，NH4+-N，TP，TN 的水環(huán)境容量分別為2013，161，10.3，219t/a，與核算值的相對誤差低于20%，在合理區(qū)間范圍內。計算得到水環(huán)境容量結果見表4。

表4

結語

（1）2020 年東湖中心與西湖中心2 個監(jiān)測斷面顯示云龍湖水質現(xiàn)狀為地表水Ш 類。COD，NH4+-N，TP，TN 的水環(huán)境容量分別為2013，161，10.3，219t/a。主要污染物來源為區(qū)域降水徑流，建議嚴格落實《徐州市云龍湖水環(huán)境保護條例》，同時，提升凈水廠脫氮除磷效果，確保補水水源水質以保障云龍湖水質能夠持續(xù)達標。

（2）環(huán)境容量的計算模型有很多，不同的模型適用于不同的水體類型。對于某一特定水體，需在綜合調查分析水文條件、污染特征、水質目標的基礎上選擇與其想適應的數(shù)學模型，才能科學準確的預測水體污染物容量。