撫仙湖氮磷污染負(fù)荷物質(zhì)平衡計(jì)算

范麥妮，李　杰

(云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 650034)

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撫仙湖氮磷污染負(fù)荷物質(zhì)平衡計(jì)算

范麥妮，李杰

(云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 650034)

摘要：根據(jù)氮磷物質(zhì)平衡原理計(jì)算撫仙湖氮、磷污染物負(fù)荷平衡，撫仙湖每年輸入的氮磷負(fù)荷為：總氮1303.1 t/a，總磷66.3 t/a；輸出的氮磷負(fù)荷為：總氮0.54 t/a，總磷0.034 t/a；每年增加的氮磷負(fù)荷為：總氮1302.56 t/a，總磷66.27 t/a。增加的氮磷負(fù)荷中，進(jìn)入水體的負(fù)荷(庫容變化量)為：總氮532.14 t/a，總磷0.32 t/a；剩余的總氮770.42t和總磷65.95t可能向沉積于底泥、供藻類和大型水生植物生長利用等其它方向分流。

關(guān)鍵詞：氮磷污染負(fù)荷；物質(zhì)平衡計(jì)算；撫仙湖

氮和磷已成為影響湖泊水質(zhì)的最重要的污染因子，是造成水質(zhì)惡化、富營養(yǎng)化程度加深的主要營養(yǎng)物質(zhì)[1]。根據(jù)物質(zhì)平衡原理，進(jìn)入湖泊的氮磷污染物總量是守恒的，即可表示成：輸入-輸出=貯存或損失[2,3]。污染物輸入湖泊的途徑主要包括：地表徑流、地下水、大氣降水降塵(干濕沉降)、人類活動(dòng)排放等方式；污染物輸出的途徑包括：出湖河流、人類活動(dòng)取水等方式。由于影響湖泊氮磷物質(zhì)平衡的因素十分復(fù)雜，所選參數(shù)多受特定條件的影響，其結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境時(shí)存在諸多不確定性[4,5]。

本文通過分析湖泊氮磷污染物負(fù)荷物質(zhì)平衡，定量計(jì)算湖泊營養(yǎng)物質(zhì)的輸入、輸出和貯存(損失)，可以深入了解湖泊保持其生態(tài)環(huán)境不變的情況下可承受的污染物總量，探討污染物在湖中的累積情況，為湖泊的水污染防治提供對策。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

撫仙湖是位于中國云南省的高海拔淡水湖泊，是我國目前已知的第二深水湖泊。撫仙湖隸屬于云南省玉溪市，涉及澄江、江川、華寧 3縣7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。其經(jīng)緯度為102°49′E～102°58′E，24°21′N～24°38′N；流域面積為67469km2。

撫仙湖屬南盤江流域西江水系，流域面積674.69 km2(不含星云湖流域)，當(dāng)湖面高程為1722.5 m時(shí)，水域面積約216.6 km2，湖長約31.4km，湖最寬處約11.8 km，湖岸線總長約100.8 km，最大水深158.9 m，平均水深95.2 m，相應(yīng)湖容水量約206.2億m3。撫仙湖屬雨水補(bǔ)給型湖泊，河流多為間歇性河，匯流時(shí)間短。多年平均入湖徑流量為1.6×108m3，湖面降雨2.0×108m3，地下泉水0.28×108m3。湖面蒸發(fā)量 2.8×108m3，多年平均出流量0.9×108m3，換水周期長達(dá)167a。撫仙湖流域目前共有103條入湖河流，14個(gè)散流區(qū)，其中非農(nóng)灌溝的河道有60多條，較大的有27條，河流普遍短小。海口河是撫仙湖唯一的明河出水口；實(shí)施出流改道工程后，隔河也成為撫仙湖的主要出湖河流之一。撫仙湖屬雨水補(bǔ)給型湖泊，湖水主要靠降雨和湖周徑流補(bǔ)給，河道徑流調(diào)節(jié)性能很差，多為歇性河，暴漲暴落、匯流時(shí)間短，并攜帶大量泥沙入湖。

1.2研究方法

根據(jù)湖泊氮磷污染物物質(zhì)平衡原理，即：輸入-輸出=貯存或損失，建立撫仙湖氮、磷物質(zhì)平衡計(jì)算方程。

M輸入=M輸出+△M湖

式中：

M輸入=M入湖河流+M沉降

M輸出=M出湖河流+M取水

△M湖=M庫容+M底泥+M其它

其中：M輸入表示入湖的氮磷量；M入湖河流表示入湖河流攜帶入湖的氮磷量；M沉降表示大氣干濕沉降入湖的氮磷量；M輸出表示輸出的氮磷量；M出湖河流表示出湖河流攜帶出湖的氮磷量；M取水表示人類生產(chǎn)生活取水帶走的氮磷量；△M湖表示湖體中氮磷貯存或損失的變化量；M庫容表示通過庫容變化導(dǎo)致的水質(zhì)中存在的氮磷量；M底泥表示底泥中沉積或釋放的氮磷量；M其它表示其它因素導(dǎo)致的氮磷變化。

2結(jié)果與討論

2.1入湖河流入湖量

于2014年8月1日—2015年8月1日監(jiān)測流域103條溝(不計(jì)隔河、海口河)、合計(jì)14個(gè)散流區(qū)的徑流量和同期氮磷濃度，計(jì)算流域氮磷負(fù)荷。根據(jù)各個(gè)監(jiān)測斷面入湖徑流量和污染物濃度的測定結(jié)果，本研究采用平均濃度法計(jì)算污染負(fù)荷輸出量，統(tǒng)計(jì)匯總得到觀測期內(nèi)不同河流全年及雨季的入湖負(fù)荷量，如表1所示。

觀測研究期間(2014年8月1日—2015年8月1日)撫仙湖入湖河流不同徑流區(qū)域年徑流入湖負(fù)荷總量為：TN為1243.9t/a、TP為61.4t/a。

表1　撫仙湖流域陸域徑流入湖負(fù)荷匯總　(t/a)

2.2湖面干濕沉降

大氣沉降對撫仙湖的氮磷輸入主要通過兩個(gè)途徑：一是污染物在湖面直接沉降；二是污染物在湖面以外徑流區(qū)沉降后，通過雨水沖刷及地表徑流入湖。由于湖面以外徑流區(qū)的沉降存在大量沿途削減，本次調(diào)查只針對湖面直接沉降量加以核算，不考慮湖面以外徑流區(qū)的沉降。

《撫仙湖主要污染源調(diào)查與總量分配研究(2010)》監(jiān)測結(jié)果表明，撫仙湖降塵總氮、總磷單位面積負(fù)荷分別為1.146kg/hm2/a、0.101 kg/hm2/a；降雨總氮、總磷濃度分別為1.19mg/L、0.094 mg/L。撫仙湖湖面面積216.6km2，2014年降雨量為1037mm，以此計(jì)算撫仙湖降雨降塵污染。撫仙湖2014年氮磷干濕沉降負(fù)荷中，總氮約59.2t/a，總磷約4.9t/a。

表2　湖面干濕沉降負(fù)荷

2.3工農(nóng)業(yè)生活用水損失的氮磷量

根據(jù)撫仙湖管理局發(fā)放的2015年取水許可證信息統(tǒng)計(jì)沿湖工業(yè)、服務(wù)業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等方面的取水量。計(jì)算工農(nóng)業(yè)生活用水損失的氮為0.54 t/a，磷為0.034t/a。

表3　工農(nóng)業(yè)生活用水損失的氮磷量

2.4庫容變化導(dǎo)致水體氮磷的變化量

撫仙湖湖體庫容量受入湖河流、蒸發(fā)、地下水補(bǔ)給等因素影響，一直處于波動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)玉溪市水文局對撫仙湖的監(jiān)測，2014年8月1日庫容量202.62億m3，2015年7月31日撫仙湖庫容量202.92億m3。根據(jù)玉溪市監(jiān)測站對撫仙湖的水質(zhì)監(jiān)測可得出同期氮磷的負(fù)荷量。因此，2014年8月—2015年7月的一年間，因湖體庫容的變化，水體中總氮增加了532.14t，總磷增加了0.32t。

表4　湖體氮磷的變化量

2.5氮磷物質(zhì)平衡計(jì)算

由于2014年和2015年兩年撫仙湖水位較低，撫仙湖唯一的自然出湖河流海口河閘門一直關(guān)閉，海口河沒有出流。同時(shí)，星云湖水位高于撫仙湖，為避免星云湖倒流，隔河口閘門也一直關(guān)閉，沒有出水。因此，撫仙湖無出流，M出湖河流為零。

根據(jù)撫仙湖氮、磷物質(zhì)平衡計(jì)算方程：

M輸入=M輸出+△M湖，即：M入湖河流+M沉降=M出湖河流+M取水+△M湖

得出入湖量中總氮為1303.1 t/a，總磷為66.3 t/a；出湖量中總氮為0.54 t/a，總磷為0.034 t/a；即撫仙湖每年增加1302.56t的總氮、66.27t的總磷。

表5　湖體氮磷平衡計(jì)算　(t/a)

根據(jù)氮磷物質(zhì)平衡原理，撫仙湖每年增加的氮磷負(fù)荷中，進(jìn)入水體的負(fù)荷為總氮532.14 t/a，總磷0.32 t/a(庫容變化量)；剩余的總氮(770.42t)和總磷(65.95t)可能向沉積于底泥、供藻類和大型水生植物生長利用等其它方向分流。

撫仙湖水體氮磷負(fù)荷平衡計(jì)算結(jié)果表明，撫仙湖每年增加1302.56t的總氮、66.27t的總磷。這些氮磷負(fù)荷主要去向?yàn)椋孩僭谒w中賦存，使水體水質(zhì)惡化；②向水體下層沉積，或進(jìn)入底層泥水混合層，或沉積入底泥中，增大底泥內(nèi)負(fù)荷；③氮負(fù)荷可能通過反硝化作用轉(zhuǎn)變成N2，進(jìn)入大氣；④供藻類和大型水生植物利用，特別是藻類的生長，使得水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)成倍增加。大量氮磷負(fù)荷進(jìn)入湖體，使撫仙湖水環(huán)境惡化的風(fēng)險(xiǎn)大大提高。

3結(jié)論

根據(jù)氮磷物質(zhì)平衡原理計(jì)算撫仙湖氮、磷污染物負(fù)荷平衡，撫仙湖每年輸入的氮磷負(fù)荷為：總氮1303.1 t/a，總磷66.3 t/a；輸出的氮磷負(fù)荷為：總氮0.54 t/a，總磷0.034t/a；撫仙湖每年增加的氮磷負(fù)荷為：總氮1302.56 t/a，總磷66.27 t/a。增加的氮磷負(fù)荷中，進(jìn)入水體的負(fù)荷(庫容變化量)為：總氮532.14t/a，總磷0.32 t/a；剩余的總氮770.42t和總磷65.95t可能向沉積于底泥、供藻類和大型水生植物生長利用等其它方向分流。

參考文獻(xiàn)：

[1]金相燦，劉鴻亮，屠清瑛.中國湖泊富營養(yǎng)化[M]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1990.

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Balance Calculation of Nitrogen and Phosphorus Load in Fuxian Lake

FAN Mai-ni, LI Jie

(Yunnan Institute of Environmental Science, Kunming Yunnan 650034, China)

Abstract：The nitrogen and phosphorus balance were calculated in Fuxian Lake according to the balance principle. The annually input of total nitrogen was 1303.1 t/a, and total phosphorus was 66.3 t/a. The annually output of total nitrogen was 0.54 t/a, and total phosphorus was 0.034 t/a. Annual increase of total nitrogen was 1302.56 t/a, and total phosphorus was 66.27 t/a. Some of the annual increasing pollution load entered to the water body (TN 532.14 t/a, TP 0.32 t/a). The left (TN 770.42 t/a, TP 65.95 t/a) might go to substrate sludge, air, algae, hydrophyte, and etc.

Key words：nitrogen and phosphorus load; material balance calculation;Fuxian Lake

中圖分類號：X52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-9655(2016)03-0044-04

作者簡介：范麥妮 (1983-)，女，碩士，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境污染控制。

收稿日期：2015-11-03