環太湖河流入湖水質控制濃度分析

張紅舉，甘升偉，袁洪州，徐 彬

(1.湖泊與環境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008;2.太湖流域水資源保護局，上海 200434;3.太湖流域管理局水文水資源監測局，江蘇 無錫 214024;4.上海勘測設計研究院，上海 200434)

2008年，國務院批復了《太湖流域水環境綜合治理總體方案》(以下簡稱《總體方案》)，明確提出了太湖2012年和2020年水質保護目標[1]。由于太湖污染物主要來源于環湖河流[2-6]，因此，有必要根據太湖水質保護目標，研究提出環太湖河流入湖控制濃度，為落實太湖水功能區限制納污紅線、有效開展水環境綜合治理提供管理依據。

1 太湖簡介

1.1 自然概況

太湖位于長江三角洲南緣，地跨江蘇、浙江兩省及上海市，水面面積2 338 km2，是我國第3大淡水湖。太湖平均水深1.89 m，最大水深2.6 m，是一個大型淺水湖泊。湖盆呈淺碟形，南北平均長69 km，東西平均寬34 km，湖岸線總長405 km。

1.2 湖區及環湖河流現狀水質

按照GB 3838—2002《地表水環境質量評價標準》，2010年太湖水質總體評價為劣Ⅴ類[7]，其中有0.3%水域水質為Ⅳ類，18.8% 為Ⅴ類，80.9% 為劣Ⅴ類，未達到地表水Ⅲ類標準的指標主要為TN、TP和BOD5。太湖各湖區中，西北部湖區水質較差，東部湖區水質相對較好，在空間分布上呈現出由北向南、由西向東水質逐漸變好的狀態。其中五里湖、東部沿岸區、東太湖水質最好;竺山湖和西部沿岸區水質最差，總體為劣Ⅴ類。

太湖環湖地區主要包括江蘇省的無錫、常州、宜興、蘇州4市及浙江省的湖州、長興2市(縣)。2010年，22條主要入湖河流中劣Ⅴ類河流有7條。其中，江蘇省15條入湖河流中水質劣于Ⅴ類的有6條;浙江省7條入湖河流中水質劣于Ⅴ類的河流有1條(夾浦港)。2010年入湖河流的主要超標指標為 NH3-N、BOD5和 COD。

2 環太湖河道水質控制濃度研究

2.1 技術路線

以《總體方案》中確定的太湖2012年和2020年水質保護目標為基礎，結合太湖現狀水質，確定太湖各湖區水質保護目標。選擇降雨典型年，采用太湖二維水量水質模型調算，獲得在滿足太湖湖區水質保護目標條件下，各湖區對應環湖河道水質濃度。在此基礎上，結合河道水功能區劃水質保護目標，綜合確定環湖河道水質控制濃度。環太湖河道水質控制濃度計算技術路線見圖1。

圖1 環太湖河道水質控制濃度計算技術路線

2.2 水質保護目標

《總體方案》確定了太湖2012年、2020年水質保護目標[1](表1)。由于太湖屬于大型寬淺湖泊，水質空間差異較大，西北部湖區水質較差，東部湖區水質相對較好，在空間分布上呈現出由北向南、由西向東水質逐漸變好的狀態。因此，不同沿岸湖區對入湖河道水質要求也不相同，在《總體方案》提出的水質目標基礎上，有必要根據現狀水質按湖區面積加權試算，將總體水質目標分解至各湖區(圖2)。

表1 太湖水質保護目標

圖2 太湖水質保護目標湖區分解

在太湖設置33個濃度控制點(圖3)，各分區濃度由相應控制點的濃度算術平均得到，太湖全湖平均濃度按分區面積加權平均得到。

圖3 太湖濃度控制點分布示意圖

2.3 計算方法

對太湖建立二維水量水質數學模型，基本方程組為

式中:Z為水位，m;t為時間，s;h為水深，m，h=Z-ZB，其中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、蒸發及湖底滲漏等水量源匯項，m/s;f為柯氏加速度，f=2ωsinφ，其中，φ 為緯度，太湖可取北緯31°10’;ω 為地球自轉速度，rad/s、Sfx、Sfy分別為 x、y 方向的切應力，N/m2。

太湖水質計算方程為

式中:ρ為某種水質指標的質量濃度，mg/L;Ex為x方向擴散系數，m2/s;Ey為y方向擴散系數，m2/s;S為某種水質指標的生化反應項，g/(m3·d);Sw為某種水質指標的外部源匯項，g/s;其他符號說明同前。

用1000 m×1000 m的正方形網格將太湖劃分為2545個計算單元，根據環湖河道巡測站資料，將環湖河道概化為22條。

模型采用2002年環湖河流進出太湖湖體水量、湖面蒸發與降雨等資料率定。率定相對誤差:ρ(CODMn)為 20%、ρ(NH3-N)為 50%、ρ(TP)為58%、ρ(TN)為 40%[8]，基本滿足計算需要。

2.4 計算條件

2.4.1 設計水文條件

綜合考慮環湖河流水質現狀以及管理可操作性，采用1976年型(P=75%)降雨過程作為設計水文條件。1976年太湖流域年降水量為1 031.9 mm，降水頻率為77.6%，屬中等偏枯年份。該設計條件下，太湖全年入湖水量為81.5億 m3，出湖水量為67.4億m3。環太湖河流出入湖水量見圖4。

圖4 環太湖河流出入湖水量

2.4.2 水質參數

根據率定成果[8]，污染物 CODMn、NH3-N、TP、TN的綜合降解系數分別為 0.005 d-1、0.025 d-1、0.04 d-1、0.006 d-1。

2.4.3 初始條件

根據近年來太湖水質狀況，設定水質計算初始條件，計算初始水位取2.60m，計算時間步長取900s。

2.5 成果分析

2.5.1 計算結果

1976年型(P=75%)流域典型年條件下，2012年環太湖入湖河流CODMn控制質量濃度為4.5～6.0mg/L，2020 年為 4.0 ～5.5 mg/L。NH3-N 控制質量濃度 2012 年為 1.0 ～2.2 mg/L，2020 年為1.0 mg/L。TP 控制質量濃度 2012 年為 0.12 ～0.20 mg/L，2020 年為0.12～0.18 mg/L。TN 控制質量濃度2012 年為 2.8 ～4.5 mg/L，2020 年為 2.2 ～3.0 mg/L，詳見表2。

根據各湖區對應河道現狀水質(2000～2010年平均)分析，貢湖除望虞河以外其他河道，梅梁湖、竺山湖以及南太湖北部對應河道的入湖水質質量濃度削減較大(圖5)。

2.5.2 合理性分析

太湖環湖河道水質控制濃度是開展太湖入湖污染總量控制的重要依據，有必要采用近年來實況入湖污染負荷進行合理性分析。2005年流域降雨頻率為75%，入湖水量為79.1億m3，與計算設計條件1976年型基本相當;2009年流域降雨量較大，降雨頻率為19%，入湖水量達到107.7億m3，屬于入湖水量較大的年份。這兩個年份在降雨頻率和入湖水量上具有代表性。

表2 環太湖河道入湖水質控制質量濃度模型調算成果 mg/L

圖5 環太湖河流現狀水質質量濃度與控制質量濃度比較

將2005年、2009年實況出入湖水量，以及2012年環湖河道水質控制濃度作為邊界輸入太湖水質模型，計算結果見表3及圖6。由表3及圖6可以看出，2005年CODMn、NH3-N、TP、TN 等水質指標計算值均達到了太湖2012年保護目標;2009年除NH3-N指標略有超標以外，其他水質指標均滿足太湖2012年保護目標。這說明在設計條件下調算的環湖河道控制濃度，基本能夠滿足實際太湖水質控制的要求。

表3 環湖河道控制濃度條件下太湖水質計算成果統計 mg/L

圖6 環湖河道控制濃度條件下太湖湖區水質計算成果

3 結語

大型淺水湖泊的水質受匯入河流水質影響明顯，控制入湖河流水質濃度是保護湖泊環境的重要手段。河道帶入的污染物進入湖泊之后，由于混合、稀釋、氧化還原以及生物轉化等作用，部分污染物質將會降解，因此，當入湖河道濃度略高于湖泊水質保護目標時，湖泊水質也能達標。在目前河道水質超標較普遍，遠未達到水功能區保護目標的條件下，合理論證入湖濃度是十分必要的。該研究以太湖二維水質模型為工具，通過調算來獲得滿足湖泊水質保護目標的河道入湖濃度，物理概念清晰，操作性強，可供其他地區借鑒。

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