千島湖現狀污染負荷分析與限制排污總量研究

張紅舉,彭樹恒,周 婭,袁洪州,陳江海

(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所,江蘇南京 210008;2.太湖流域管理局水利發展研究中心,上海 200434; 3.太湖流域水資源保護局,上海 200434;4.中國國際工程咨詢公司,北京 100044;5.上海勘測設計研究院,上海 200434)

千島湖現狀污染負荷分析與限制排污總量研究

張紅舉1,2,3,彭樹恒4,周 婭3,袁洪州5,陳江海5

(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所,江蘇南京 210008;2.太湖流域管理局水利發展研究中心,上海 200434; 3.太湖流域水資源保護局,上海 200434;4.中國國際工程咨詢公司,北京 100044;5.上海勘測設計研究院,上海 200434)

根據千島湖水質現狀和水功能區劃,確定2015年和2020年千島湖水質保護目標的污染物濃度,核算現狀污染負荷量。將現狀CODMn、NH3-N和TP污染負荷量作為千島湖CODMn、NH3-N和TP的納污能力,即千島湖湖區CODMn、NH3-N和TP指標納污能力分別為16420t/a、2225t/a和434 t/a。采用狄龍模型核算千島湖TN指標的納污能力,2015年千島湖TN質量濃度目標值為0.88 mg/L,對應湖區限排總量為3468t/a；2020年將千島湖TN質量濃度目標值進一步提高至0.8 mg/L,此時對應湖區TN限排總量為3176 t/a。

納污能力；限排總量；水功能區；狄龍模型；千島湖

1 千島湖概況及研究意義

千島湖(新安江)是我國長三角地區最大的淡水人工湖和重要的水源地,集水面積10 442 km2,正常水位108 m時,庫容178.4億m3,水域面積580 km2。新安江發源于安徽省黃山市休寧縣,干流全長約359km,是入千島湖的最大河流,其入湖水量約占總入湖水量的60%以上。新安江流域多年平均天然徑流量(地表水資源量)126.7億m3,其中年均入千島湖水量115.2億m3。新安江流域示意圖見圖1。

千島湖的生態戰略地位極為重要,是我國現階段不可多得且亟須保護的水生態區域之一。近年來隨著工業化、城鎮化進程的加速,污染物排放總量不斷增加,千島湖水質面臨嚴峻挑戰。僅靠常規的防治措施,難以改變污染總量增加和水質變差的趨勢。如果任其發展,難免重蹈“先污染、后治理”的覆轍。要保證千島湖的水質不再惡化,有必要提出明確的水質目標,并在此基礎上核算污染物限排總量。

圖1 新安江流域示意圖

2 千島湖現狀水質

根據浙江省水文局監測數據,2008—2010年千島湖CODMn為Ⅰ類,DO為Ⅰ～Ⅱ類,TP為Ⅱ類,TN為Ⅲ～Ⅳ類(表1),主要超標指標為TN。TN是千島湖的首要污染物,其次是TP,而CODMn、NH3-N、DO造成的污染較小,它們的水質類別基本上都是Ⅰ類。可見,保護千島湖水質的首要工作是控制TN的排放,降低TN的質量濃度,提高TN的水質類別。

表1 2008—2010年千島湖主要水質指標年均質量濃度及水質類別

3 千島湖水功能區劃與水質保護目標

3.1 水功能區劃

根據國務院批復的《全國重要江河湖泊水功能區劃》(國函[2011]167號),千島湖水功能區劃分為3個：新安江水庫淳安飲用水水源區,水質保護目標為Ⅱ類;新安江水庫淳安漁業用水區,水質保護目標為Ⅲ類;新安江水庫景觀娛樂用水區,水質保護目標為Ⅲ類(表2)。

3.2 水質保護目標

根據千島湖現狀水質以及GB3838—2002《地表水環境質量標準》,確定CODMn、NH3-N、TP和TN為千島湖污染物控制指標。千島湖現狀CODMn、NH3-N的水質類別為Ⅰ類,TP為Ⅱ類,已符合水功能區水質目標要求,故直接采用近3年(2008—2010年)水質指標的平均質量濃度作為近期(2015年)水質保護目標。TN指標現狀水質為Ⅲ類,未達到水功能區水質目標要求。Ⅱ類水質對TN質量濃度的最低要求為0.5 mg/L,2015年實現的難度較大。綜合考慮水質目標可達性,2015年TN質量濃度保護目標設為0.88 mg/L;遠期(2020年)CODMn、NH3-N、TP等指標的質量濃度繼續保持,TN質量濃度在2015年基礎上進一步提高至0.80 mg/L。見表3。

表2 千島湖(新安江水庫)水功能區劃

表3 千島湖近遠期水質保護目標

4 千島湖現狀污染負荷量

4.1 工業污染源

根據浙江省環保廳匯報材料《千島湖流域污染物排放情況及趨勢》,2010年淳安縣59家重點企業和其他非重點污染源COD排放量為561.4 t,NH3-N排放量為44.6 t。其中千島湖鎮為主要工業發展區,企業較集中,規模相對較大,是工業污染物排放的主要地區。

4.2 生活污染源

生活污染源分為城鎮生活污染源和農村生活污染源。參照《2009年淳安統計年鑒》中千島湖周邊鄉鎮人口統計數據,采用當量法計算污染物排放量。千島湖周邊鄉鎮包括：汾口鎮、浪川鄉、姜家鎮、梓桐鎮、界首鄉、鳩坑鄉、威坪鎮、宋村鄉、金峰鄉、左口鄉、臨岐鎮、富文鄉、文昌鎮、千島湖鎮、石林鎮、里商鄉、安陽鄉、大墅鎮、楓樹嶺鎮。

4.2.1 城鎮生活污染

淳安縣總人口452718人,城鎮人口76 256人,其中千島湖周邊鄉鎮城鎮人口74 891人。城鎮生活污染物入湖量通過人均產污當量確定,CODMn的產污當量為18.7～28.0 kg/(a·人),NH3-N的產污當量為3.1～5.2 kg/(a·人),TP的產污當量為0.4～0.6 kg/(a·人),TN的產污當量為7.5～10.0 kg/(a·人)[1]。根據計算,城鎮生活污染物中CODMn、NH3-N、TP和TN的入湖量分別為2097 t/a、389 t/a、37.45 t/a和656 t/a。

4.2.2 農村生活污染

淳安縣農業人口376462人,其中千島湖周邊鄉鎮農業人口317 262人。農村生活污染量的計算以人均產污當量為基礎,同時根據農業生活污染排放實際情況確定污染物綜合入湖系數。農村生活污染源中,CODMn的產污當量為17.3～26.2 kg/(a·人),綜合入湖系數為0.68;NH3-N的產污當量為3.1～5.2 kg/(a·人),綜合入湖系數為0.70;TP的產污當量為0.4～0.6 kg/(a·人),綜合入湖系數為0.52;TN的產污當量為7.4～9.8 kg/(a·人),綜合入湖系數為0.64[1]。根據計算,農村生活污染物中CODMn、NH3-N、TP和TN的入湖量分別為5652t/a、1155t/a、82.49 t/a和1746 t/a。

4.3 農村面源

4.3.1 化肥施用

千島湖周邊鄉鎮農作物播種面積為39268.3hm2,區域內磷流失量以1.2kg/(hm2·a)計,氮流失量以23.4 kg/(hm2·a)計。根據計算,湖區周邊鄉鎮因農藥化肥施用產生的TP、TN流失量為47.12 t/a和919 t/a,入湖量為24.50 t/a和588 t/a。

4.3.2 畜禽養殖

根據年鑒資料,以鄉鎮為基本單元統計千島湖禽畜養殖量。千島湖周邊鄉鎮年養殖牛1 981頭、生豬282 449只、羊2 276頭、家禽337 773羽、兔2584只。各類畜禽排泄量當量見表4。其中兔排泄物中的主要污染物含量參考家禽排泄量當量。

表4 污染負荷模型各類禽畜排泄量當量取值范圍[1]kg/a

根據計算,千島湖周邊鄉鎮畜禽養殖產生的CODMn、NH3-N、TP和TN入湖量分別為7 693 t/a、578 t/a、283.06 t/a和786 t/a。

4.4 旅游人口

千島湖旅游經濟迅速發展,2010年接待游客突破350萬人次,旅游人數以350萬人/a計,游客平均滯留時間以2d計,千島湖旅游人口所致的CODMn、NH3-N、TP和TN入湖量分別為305t/a、56t/a、4.99 t/a和107 t/a。

4.5 圍網養殖

湖區圍網養殖會污染水體。根據調查,千島湖湖區2011年底將保留33.3 hm2網箱用于魚種養殖和科研養殖,其余133.3 hm2養殖網箱全部退出千島湖。因此,現狀湖區圍網養殖面積約167 hm2。水產養殖中,CODMn的產污當量為670.5～1 012.8 kg/(a·hm2),NH3-N的產污當量為14.0～23.4 kg/(a·hm2),TP的產污當量為7.9～12.1 kg/(a·hm2),TN的產污當量為85.6～114.5 kg/(a·hm2)。根據計算,千島湖圍網養殖帶來的CODMn、NH3-N、TP和TN排放量(入湖量)分別為112 t/a、2.32 t/a、1.32 t/a和14 t/a。

4.6 現狀污染負荷匯總

綜合千島湖周邊鄉鎮工業污染、生活污染、農村面源污染、旅游人口以及湖區圍網養殖的排污,入千島湖的CODMn、NH3-N、TP和TN現狀污染負荷總量分別為16420 t/a、2225 t/a、434 t/a和3897 t/a。見表5。

表5 千島湖現狀污染負荷匯總t/a

5 納污能力核算

5.1 CODMn、NH3-N、TP指標納污能力

現狀千島湖水質指標中,CODMn、NH3-N和TP均已達到Ⅰ～Ⅱ類,符合水功能區水質目標要求。根據GB/T 25173—2010《水域納污能力計算規程》,將現狀CODMn、NH3-N和TP污染負荷量作為千島湖CODMn、NH3-N和TP的納污能力,千島湖湖區CODMn、NH3-N和TP指標納污能力分別為16420t/a、2225 t/a和433.81 t/a。

5.2 TN指標納污能力

千島湖TN質量濃度為0.98 mg/L,沒有達到Ⅱ類水的要求。根據GB/T 25173—2010《水域納污能力計算規程》,采用模型法計算TN的納污能力。

國內不少學者和專家[2-6]開展了對湖泊和水庫的納污能力和污染物限排總量的相關研究,取得了一定的成果。最常用的納污能力和污染物限排總量核算方法是狄龍模型法,例如：陳來華等[3]采用狄龍模型并結合水庫質量平衡模型模擬預測楊溪水庫的水質,計算出恢復目標水質所需削減的污染負荷值;陳永金等[4]應用狄龍模型對東平湖水環境容量進行了計算;彭賢則等[5]用狄龍模型計算出洪湖主要污染物CODMn、TN、TP的最大水環境容量以及洪湖水環境可承載能力范圍內的生產、生活排污量。除了狄龍模型之外,一維模型、二維模型也被應用于計算河湖的納污能力和限排總量。史曉新等[6]采用二維數學模型進行太湖納污能力動態變化的模擬,得到了太湖納污總量和逐月的量值。這些學者的研究方法和研究成果對筆者研究千島湖污染物限排總量的核算有著很好的參考作用。

5.2.1 計算方法

按照GB/T 25173—2010《水域納污能力計算規程》,選用湖庫富營養化模型——狄龍模型,計算千島湖現狀超標的TN指標的允許入湖污染負荷量。

建立設定水文條件下湖庫水域TN質量濃度與污染負荷的關系：

其中

式中：MN為氮的水域負荷量,t/a;Ls為單位湖(庫)水面積氮的水域負荷量,g/(m2·a);A為湖(庫)水面積,m2;H為對應計算水位的庫區水深,m;Ps為湖(庫)氮的年平均控制質量濃度,g/m3;Rp為氮在湖(庫)中的滯留系數;Zout為污染物出湖(庫)負荷量,t/a;Zin為污染物入湖(庫)負荷量,t/a;β為水力沖刷系數,1/a;Qa為湖(庫)年出湖水量,億m3/a;V為湖(庫)庫容,億m3。

5.2.2 計算條件

5.2.2.1 水文條件

計算湖區水域納污能力,采用90%保證率下的最枯月平均水位或近10年最枯月水位作為計算水位。根據新安江電站提供的千島湖湖區水位逐月過程資料,2001—2010年10年湖區最低水位為93.59 m,對應計算水位時庫區平均水深為19.59 m。

5.2.2.2 計算庫容和水庫面積

由相關計算得出,千島湖湖區在計算水位93.59m時對應的水庫庫容和水面面積分別為105.5億m3和429.6km2。根據調研,在此水位條件下,湖區入湖水量約43.99億m3,出湖水量約61.88億m3。

5.2.2.3 滯留系數

千島湖多年平均入湖水量115.16億m3,其中安徽省入湖水量67.77億m3,浙江省入湖水量47.39億m3。根據水質監測數據,新安江街口斷面帶入湖區(即從安徽地區入湖)的TN約8 919 t/a。浙江地區河道帶入的污染物主要由陸域排入,為避免重復計算,僅統計周邊鄉鎮TN排入量,按3 897 t計。兩者合計12816 t。根據千島湖“大壩前”站點水質監測濃度以及出湖水量,出湖帶出的TN約8752 t/a。則滯留系數RP為0.3171。

5.3 計算參數

各計算參數的數值分別為：水位L=93.59 m,水深H=19.59 m,庫容V=105.5×108m3,水面面積A= 429.6 km2,入湖水量Qb=43.99×108m3,出湖水量Qa=61.68×108m3,滯留系數Rp=0.3171,水力沖刷系數β=0.5846 a-1。

5.4 計算成果

基于狄龍模型的千島湖TN負荷與質量濃度關系見表6。TN為0.88mg/L條件下的千島湖周邊鄉鎮限排量為3468 t/a。

表6 基于狄龍模型的千島湖TN負荷與質量濃度關系

5.5 合理性分析

根據狄龍模型測算結果,現狀千島湖湖區TN質量濃度為0.98mg/L時,周邊鄉鎮TN排放入湖量為3852 t/a,這與TN現狀調查統計數據3897 t/a接近,相差僅1%,說明模型符合實際,成果合理。

將采用等比例削減法的計算結果與采用狄龍模型的計算成果進行比較,兩者基本接近(表7),說明成果較為合理。

表7 等比例削減法與狄龍模型的計算成果比較

5.6 限制排污總量

在千島湖納污能力核算結果的基礎上,限制排污總量暫時定為其納污能力的數值。2015年千島湖CODMn、NH3-N和TP的限排總量,即其現狀污染負荷量,分別為16420t/a、2225t/a和434t/a。TN的限制排污總量由狄龍模型計算得出,其中2015年千島湖TN質量濃度目標為0.88 mg/L,對應湖區限排總量為3468t/a;2020年千島湖TN質量濃度目標進一步提高至0.8mg/L,對應湖區限排總量為3176t/a。

6 結 語

經狄龍模型計算,要達到2015年水質目標,千島湖CODMn、NH3-N、TP、TN的限制排污總量分別為16420 t/a、2 225 t/a、434 t/a、3 468 t/a。建議對千島湖嚴格限制污染物排放,使不能超過污染物限排總量。

本研究基于現狀污染排放量和狄龍模型對千島湖納污能力進行了初步核算。然而,任何模型都不能夠完全地模擬出真實情況,具體的納污能力需要經過更加嚴密的論證和核算得出。因此,對于千島湖納污能力和限排總量的研究需進一步開展,尤其是對TN納污能力的研究,其核算結果越接近真實情況,對千島湖水質的保護就越有力。

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Analysis of current pollutant loads and investigation of total pollutant discharge limits in Qiandao Lake

ZHANG Hongju1,2,3,PENG Shuheng4,ZHOU Ya3,YUAN Hongzhou5,CHEN Jianghai5
(1.Nanjing Institute of Geography and Limnology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China; 2.Water Resources Development Research Center,Taihu Basin Authority,Shanghai 200434,China; 3.Water Resources Protection Bureau of Taihu Basin,Shanghai 200434,China; 4.China International Engineering Consulting Corporation,Beijing 100044,China; 5.Shanghai Investigation,Design and Research Institute,Shanghai 200434,China)

Based on the current water quality and water function zones of Qiandao Lake,the pollutant concentrations that will meet the water quality requirements in 2015 and 2020 were determined,and the current pollutant loads were calculated.The current pollutant loads of CODMn,NH3-N,and TP were examined,in order to study the environmental capacity of the lake.The lake爺s capacities of CODMn,NH3-N,and TP,were 16 420 t per year,2 225 t per year,and 434 t per year,respectively.The Dillon model was used to calculate the pollutant capacity of TN in the lake.The results show that the target TN concentration will be 0.88 mg/L for the year 2015, and the corresponding total pollutant discharge limit will be 3 468 t per year.In the year 2020,the target TN concentration will decrease to 0.8 mg/L,and the corresponding total pollutant discharge limit will be 3 176 t per year.

water environmental capacity;total pollutant discharge limits;water function zones;Dillon model; Qiandao Lake

X824

A

10046933(2014)04005304

20130729 編輯：彭桃英)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.011

張紅舉(1977—),男,高級工程師,碩士,主要從事水資源規劃研究。E-mail：zeusium@hotmail.com