長湖納污能力及水產養殖污染負荷估算

通信作者：張翔，教授。E-mail:zhangxiang@whu.edu.cn

長湖納污能力及水產養殖污染負荷估算

梁秀1,2,張翔1,2,劉建峰1,2,朱志龍3

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢430072;

2.武漢大學 水資源安全保障湖北省協同創新中心,湖北 武漢430072;

3.湖北省水文水資源局,湖北 武漢430070)

摘要：以CODMn、NH3-N、TN、TP作為污染指標,采用湖庫均勻混合模型、狄龍模型和合田健模型對長湖納污能力進行計算,并針對目前長湖水產養殖污染較重的特點,采用排污系數法、污染負荷率法對長湖水產養殖污染負荷進行估算。結果表明:長湖CODMn、NH3-N、TN、TP的納污能力分別為8523.15t/a、1495.57t/a、1932.70t/a、96.64t/a,長湖水產養殖所產生的COD、NH3-N、TN、TP污染負荷量分別為3724.10t/a、51.98t/a、279.96t/a、26.42t/a。水產養殖對于長湖COD、TP的污染貢獻較大是導致長湖有機污染和富營養化的一個重要污染源。

關鍵詞：納污能力;均勻混合模型;狄龍模型;水產養殖；污染負荷;長湖

基金項目:國家自然科學基金(51279143);國家社會科學基金(12&ZD215);湖北省水利專項科研課題(HBSLKJZX201302)

作者簡介:梁秀(1991—),女,碩士研究生,研究方向為水環境及生態水文。E-mail:1445750654@qq.com

中圖分類號：X32文獻標志碼：A

收稿日期：(2014-12-09編輯：徐娟)

Estimation of permissible pollution bearing capacity and

aquaculture pollution load of Changhu Lake

LIANG Xiu1, 2, ZHANG Xiang1, 2, LIU Jianfeng1, 2, ZHU Zhilong3

(1.StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,

WuhanUniversity,Wuhan430072,China;

2.HubeiProvincialCollaborativeInnovationCenterforWaterResourcesSecurity,

WuhanUniversity,Wuhan430072,China;

3.HydrologyandWaterResourcesBureauofHubeiProvince,Wuhan430070,China)

Abstract：Choosing CODMn, NH3-N, TN and TP as the pollution indicators, we calculated the permissible pollution bearing capacity of Changhu Lake by using uniform mixture model, Dillion model and Hetianjian model. And in view of the current characteristics of the serious aquaculture pollution in Changhu Lake, we evaluated the aquaculture pollution load by the method of pollution discharge coefficient and pollution load ratio. The results indicated that the permissible pollution bearing capacity of CODMn, NH3-N, TN and TP were 8523.15 t·a-1,1495.57t·a-1,1932.70t·a-1 and 96.64t·a-1, respectively; The aquaculture pollution load of COD, NH3-N, TN and TP were 3724.10t·a-1, 279.96t·a-1, 26.42t·a-1 and 51.98t·a-1, respectively. Aquaculture produce significant amount of COD and TP pollution to Changhu Lake and is an important pollution source of organic pollution and eutrophication.

Key words： permissible pollution bearing capacity; uniform mixture model; Dillion model; aquaculture; pollution load; Changhu Lake

中國是一個多湖泊的國家,湖泊分布廣泛、類型多樣、成因復雜。作為一種寶貴的自然資源,湖泊具有供水、調節徑流、涵養水源、維持生物多樣性、凈化水質、調節區域氣候、養殖水產、休閑娛樂等多方面功能與價值,在經濟社會的發展中發揮了不可替代的重要作用,因此,湖泊的生態健康與安全是我國社會、經濟發展的重要保障。但近年來,隨著人類活動的加劇,湖泊水環境污染問題日益突出。目前湖泊所面臨的環境問題主要有:富營養化、水質惡化、淤積或萎縮、生態系統結構和功能退化、干旱地區湖泊咸化等[1-3]。面對日益嚴峻的環境問題,2011年中央1號文件要求實施最嚴格水資源管理制度,提出了“三條紅線”的管理目標,水功能區限制納污便是其中之一,限制納污必須要計算出水域納污能力。水域納污能力(permissible pollution bearing capacity of water bodies)是指在設計水文條件下,滿足計算水域的水質目標要求時,該水域所能容納的某種污染物的最大數量[4]。科學合理地計算湖泊的納污能力,是制定湖泊水污染總量控制方案的科學依據和實現湖泊水環境污染防治的重要基礎,對湖泊水資源管理和湖泊所在流域的經濟社會可持續發展具有重要的意義。本文所選研究區為湖北省第三大淡水湖——長湖,據調查統計,長湖目前水產養殖面積超過水域面積50%,以圍網養殖為主,圍網養殖的副產物會導致水體有機污染,使水色變差,并產生惡臭,近幾年長湖水體質量下降與湖泊養殖業的迅猛發展密切相關[5-6]。因此,本文在計算長湖CODMn、NH3-N、TN、TP等指標的納污能力的同時,還對由長湖水產養殖產生的COD、NH3-N、TN、TP污染負荷進行了估算。其中CODMn和COD均為表示水體中有機物相對含量的指標,指在一定條件下,分別以高錳酸鉀和重鉻酸鉀為氧化劑氧化1L水樣中還原性物質(一般為有機物)所消耗的氧量,本文中采用CODMn來表示水體中有機污染物的納污能力,而由于大部分關于水產養殖污染負荷的研究中都采用COD來表示有機物污染負荷,因此本文中水產養殖污染負荷估算也采用COD來定量表示有機物污染負荷。

1研究區域與研究方法

1.1研究區域

長湖位于荊州市東北郊,為跨市湖泊,跨荊州、荊門、潛江三市,地處長江、漢江之間的江漢平原腹地,為一個四周全是堤渠的獨特湖泊,是四湖水系(長湖、三湖、白露湖和洪湖,其中三湖和白湖已基本消亡)上、中區交匯處的主要調蓄湖泊。長湖由廟湖、海子湖及長湖本體組成,主要承納太湖港、龍會橋河、夏橋河、拾橋河、唐林河、龍垱河等主要支流的來水,水面面積為122～150km2,平均湖容積2.71億m3,平均水深2.1m,屬大型淺水湖泊,東西最大湖長為42.8km,南北最大湖寬8.9km,岸線長237km。長湖流域地處中緯度南部,屬于亞熱帶季風濕潤氣候,具有雨熱同季,四季分明,雨量豐沛,光照充足,氣候溫和,無霜期長的特點,流域承雨面積為2265.4km2。特定的地理位置及水文氣象特點使長湖具有重要的蓄洪、灌溉、養殖、航運、旅游、濕地保護等綜合功能,是江漢地區著名的平原水庫,在湖北省國民經濟和社會發展中起著十分重要的作用。

1.2研究方法

1.2.1CODMn、NH3-N納污能力計算模型

長湖為大型淺水湖泊,寬深比很大,且湖汊眾多,進入湖泊的污染物質很難在短時間內均勻混合,水質在空間分布上差異較大,不同區域的污染物綜合降解系數等參數也不同,因此在進行長湖納污能力計算時,需對長湖進行分區,本文根據長湖自然形態特征和污染源分布特征,將長湖劃分為7個計算分區,假設每個分區湖水是均勻混合的,采用式(1)[7-8]所示模型計算各個分區的CODMn、NH3-N納污能力,各個分區的納污能力之和就是整個湖泊的納污能力。由于實際上各區水質不能完全達到均勻混合，因而納污能力計算結果值將偏大，擬采用不均勻系數對結果進行訂正。

(1)

式中:W為湖泊中污染物的最高允許排放量,即納污能力,t/a;Δt為湖泊維持其設計安全水量的天數,可按30d計;ρs為湖泊水環境質量標準,mg/L;ρ0為湖泊背景質量濃度值或起始時期實測污染物質量濃度值,mg/L;V為設計水文條件下的湖庫容積,m3;Qa為年出湖水量,m3/a;k為污染物降解系數,d-1。

1.2.2TP、TN納污能力計算模型

a. Dillon模型。長湖現狀的營養程度為中度富營養化,應選擇淺水湖庫氮磷水質模型計算長湖總磷(氮)納污能力。因此,長湖流域水體總磷(氮)納污能力可以采用Dillon模型計算,該模型計算公式為

(2)

(3)

b. 合田健模型。長湖流域水體總磷(氮)環境容量也可以采用合田健模型計算,該模型計算式為

(4)

1.2.3水產養殖污染負荷計算方法

估算水產養殖污染物排放量的方法很多,目前國內外學者采用的方法主要有化學分析法、竹內俊郎法及其同類方法、物料平衡法、湖泊水庫箱式模型法、污染負荷率法和排污系數法等,大部分估算方法都是針對氮磷污染。由于各種方法的計算思路不同、所考慮的因素存在差異,且估算方法本身也因參數等的選擇而具有一定的誤差,所以各種方法估算出的污染物負荷量也會有所偏差。在進行長湖水產養殖污染物負荷量的計算時,綜合考慮所獲資料的有限性和盡可能真實地反映長湖水產養殖的污染狀況,本研究采用排污系數法和污染負荷率法對長湖水產養殖各項污染物指標進行計算。

a. 污染負荷率法。水產養殖污染負荷率是指生產1kg(或t)魚產生的某元素的污染負荷。其理論計算值等于餌料中含有的某元素量減去魚體中該元素含量。梁蔭等[9]運用此法計算了黑龍灘水庫網箱養魚污染負荷量。以P為例,網箱養魚TP負荷量WTP等于污染負荷率fP乘以水庫網箱養魚凈產量Y,包括固體態和溶解態的磷污染物。其具體計算公式為

(5)

(6)

式中:Cf為餌料系數,即投餌量與產魚量之比,無量綱;Pfood為餌料的磷質量比,kg/t;Pfish為凈產魚的磷質量比,kg/t。

b. 排污系數法。污染源排污系數指單位水產養殖面積上所產生的污染物負荷量,水產養殖污染物年排放量為排污系數與養殖面積的乘積。張偉[10]在計算昆山市養殖業污染物排放量時,考慮到目前對湖泊高密度圍養的排污系數尚未找到參考資料,將湖泊養殖排污情況參照內塘精養排污系數進行計算,根據一般水產養殖排污系數及養殖面積,求得一般水產養殖污染物年排放量。熊國中等[11]在對洱海湖濱區魚塘污染狀況的研究中,通過取樣調查分析得各污染指標的排污系數及污染物負荷量。

2結果與分析

2.1納污能力計算結果

長湖分區和水質監測點分布如圖1所示,各分區CODMn、NH3-N納污能力計算參數見表1,其中水深、各污染物濃度數據來源于荊州市水文水資源勘測局提供的2012年12月長湖水體水質枯季調查與監測評價數據,采用GIS進行長湖區域劃分,得各分區水域面積,進而由面積和水深推求各分區水體體積,各分區污染物降解系數k(CODMn)和k(NH3-N)依據《全國地表水水環境容量核定技術復核要點》取值,水質控制目標按地表水Ⅲ類水質標準取值,即CODMn、NH3-N水質控制目標濃度分別為6mg/L、1.0mg/L,湖泊出湖水量Qa為6.2億m3/a。長湖CODMn、NH3-N納污能力計算過程見表2、表3。

圖1　長湖水域分區及水質監測點分布

水域面積/km2水深/m體積/萬m3ρ(CODMn)/(mg·L-1)ρ(NH3-N)/(mg·L-1)k(CODMn)k(NH3-N)廟湖5.152.11081.56.30.630.050.08海子湖9.892.22175.82.850.390.10.1拾橋河口27.492.46597.63.70.330.10.1長湖中部18.712.85238.83.20.670.10.08湖心40.722.811401.63.50.460.10.1后港13.983.04194.04.30.280.080.1毛李11.193.13468.93.70.400.10.1

表2　長湖COD Mn納污能力計算過程　t/a

表3　NH 3- N納污能力計算過程　t/a

由表2、表3計算可得長湖CODMn、NH3-N納污能力分別為85231.45t/a、14955.71t/a,事實上,采用均勻混合方法計算出的納污能力結果值偏大,一般偏不保守,故為了符合實際,需引入不均勻系數進行訂正,《全國地表水水環境容量核定技術復核要點》中給出了明確的不均勻系數取值方法,本文中長湖不均勻系數取0.1,因此長湖CODMn納污能力計算結果值為8523.15t/a、NH3-N納污能力計算結果值為1495.57t/a。

由表2、表3可知,納污能力計算過程中的第二項,即自凈容量所占比重最大,分別占CODMn、NH3-N納污能力的84.22%和80.28%。在空間分布上,長湖不同分區的納污能力相差較大,其中大湖湖心的納污能力最大,其次為拾橋河口水域,廟湖水域最小。

長湖TN、TP納污能力計算采用的設計參數見表4,TN、TP水質控制目標按地表水Ⅲ類水質標準取值,即TN、TP水質控制目標質量濃度分別為1.0mg/L、0.05mg/L,分別采用狄龍(Dillon)模型和合田健模型,由式(2)~(4)計算得出長湖不同水位條件下年允許入湖TN、TP容量(表5)。從表5可知,由Dillon模型和合田健模型兩種水質模型計算出來的TN、TP納污能力相差不大,可以認為計算結果較為可靠。正常水位與最高水位條件下TN、TP納污能力比較接近,僅相差2.1%～2.6%,最低水位下TN、TP納污能力與正常水位相差較大,差幅約為27.0%～37.6%,說明低水位時隨著水量增大,納污能力明顯增加,高水位時隨著水量增大,納污能力增加幅度相對較小。

表4　設計參數

表5　TN、TP納污能力　t/a

2.2水產養殖污染負荷計算結果

長湖水產養殖可分為周邊精養魚塘、子湖圍欄養殖，大湖圍網(欄)養殖兩部分。其中,長湖周邊精養魚塘、子湖圍欄養殖面積為8.67km2,湖周邊養魚水深約2 m,魚種以四大家魚為主,河蟹占一定比例,湖邊魚塘和子湖養魚投肥投餌很普遍,故精養魚塘養殖產量很高,平均產鮮魚量為1100kg/hm2;長湖大湖圍網(欄)養殖面積達56.67km2,占長湖水面面積的46.3%,主要采取人工投種、以自然餌料資源為主的增殖方式,基本上不投餌、不投化肥。在養殖過程中,魚蝦所排泄的糞便、死魚死蝦等直接排入水體,產生大量的營養元素和有機物,成為長湖有機污染的主要污染源之一。同時,長湖湖內密布的網欄、圍網,也阻礙了水體的自然流動,嚴重影響水體正常的稀釋自凈功能。

a. 周邊精養魚塘及子湖養魚污染負荷量。長湖周邊精養魚塘和子湖養魚所產生的COD、TN、TP污染負荷計算采用排污系數法,各項污染指標的排污系數參照文獻[11]中的排污系數,即COD、TN、TP的排污系數分別為281714kg/km2、22276kg/km2、2565kg/km2;由于魚種以四大家魚為主,NH3-N污染負荷量的計算參考文獻[12]中四大家魚的污染物排放系數,即2.63kg/t。長湖周邊精養魚塘和子湖養魚所產生的各項污染指標的負荷量計算結果如表6所示。

表6　周邊精養魚塘和子湖養魚污染負荷量

注:表中養殖水面面積與年產量數據參考《湖北省長湖水利綜合治理規劃報告》,下同。

b. 大湖圍網(欄)養殖污染負荷量。關于采用污染負荷率法計算水產養殖氮、磷污染物排放量的研究中,各研究中所采用的餌料系數、餌料中氮、磷含量和魚體中氮、磷含量等參數略有差別,但總體相差不大。黃德祥等[13]取魚類氮、磷含量分別為3%、0.6%,飼料氮、磷含量分別為5%、1%,當飼料系數為2時,每生產1kg魚,要消耗2kg飼料,其中氮約100g,磷約20g,而1kg魚體沉積的氮約為30g,磷為6g,因此,每生產1kg魚,將有約70g氮和14g磷通過各種形式進入水體。黃文鈺等[14-16]也都在各自的研究中采用了不同的污染負荷率。劉靜靜[17]依據2011年2—11月洪湖水產養殖的水質監測數據,采用排污系數和化學分析法估算了洪湖水產養殖污染負荷。由于洪湖與長湖都為四湖地區的大型天然湖泊,兩湖地理位置相鄰,水文氣候條件相近,且都面臨水產養殖污染嚴重的問題,因此本研究中長湖大湖圍網(欄)養殖污染負荷率參考洪湖水產養殖污染負荷率,通過洪湖水產養殖各項污染指標的排放總量與魚類總產量反推求得長湖大湖圍網(欄)養殖的COD、NH3-N、TN、TP污染負荷質量比分別為93.979kg/t、1.956kg/t、6.367kg/t、0.307kg/t,并據此計算得長湖大湖圍網(欄)養殖污染負荷量(表7)。

由計算所得的長湖周邊精養魚塘、子湖養魚污染負荷量與長湖大湖水產養殖污染負荷量可得長湖水產養殖污染負荷總量(表8)。由表8可知,大湖圍網(欄)養殖面積雖遠大于湖周邊精養魚塘和子湖圍欄面積,但其產生的污染負荷卻低于湖周邊精養魚塘和子湖精養所產生的污染負荷,這主要是由于湖周邊精養魚塘及子湖精養養殖密度大,且在養殖過程中大量投餌,未被利用的餌料以及魚類的排泄物進入水體,使得水體中污染物負荷量大大增加,而大湖圍網(欄)養殖投餌量少,且養殖密度相對較小,所產生的污染物負荷量就相對較小。此外,由表6、表7可以得出,長湖水產養殖區域主要集中在沙洋縣,其魚產量占長湖總量的54.59%,養殖水面面積占長湖水產養殖總面積的53.03%,其次為沙市區,其魚產量與養殖水面面積所占比例分別為32.62%、33.55%,荊州區所占比例最小,僅為12.79%、13.42%。

表7　大湖圍網(欄)養殖污染負荷量

表8　長湖水產養殖污染負荷總量

將長湖各項污染指標的納污能力與水產養殖污染負荷進行對比(表9)可知,由水產養殖產生的COD、TP污染負荷量在長湖納污能力中占據相當大的比重,水產養殖對于長湖COD、TP污染貢獻較大;由水產養殖產生的TN負荷占長湖TN納污能力的14.49%,水產養殖對長湖TN污染有一定程度的貢獻;而由水產養殖產生的NH3-N污染負荷量僅占長湖NH3-N納污能力的3.48%,說明水產養殖基本不會造成NH3-N污染。由表8可知,長湖水產養殖所產生的污染負荷中65.58%的COD、68.98%的TN、84.18%的TP來源于湖邊精養魚塘和子湖養魚,可見投肥投餌對于COD、TN、TP污染負荷的增加有很大的影響,因此,在養殖過程中減少投肥投餌是防止長湖COD、TN、TP污染的必要且有效的措施,對于保護長湖水環境具有重要的意義。此外,還需通過降低湖內養殖密度來減少水產養殖污染負荷量,以改善長湖水體環境。

表9　長湖納污能力與水產養殖污染負荷對比 　t/a

3結論

a. 長湖CODMn、NH3-N、TN、TP的納污能力分別為8523.15t/a、1495.57t/a、1932.70t/a、96.64t/a,由水產養殖所產生的COD、NH3-N、TN、TP污染負荷量分別為3724.10t/a、51.98t/a、279.96t/a、26.42t/a。

b. 水產養殖對長湖COD、TP污染貢獻較大,且絕大部分的水產養殖COD、TN、TP污染負荷源于投肥投餌,因此減少投肥投餌是防止長湖有機污染和富營養化的有效措施。

c. 由于數據和計算方法等的限制,文中計算所得納污能力無法體現其在時間上的動態性,因此在納污能力的動態變化方面仍有待進一步研究;由于不均勻系數的取值對納污能力計算結果影響很大,因此更加精確的不均勻系數取值對于準確計算納污能力具有重要意義。

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