武漢北太子湖水環(huán)境容量研究

胡勝華，王 碩，史詩樂，梅劭明，董臘珍

(武漢中科水生環(huán)境工程股份有限公司/湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高和人口迅速增長，水污染已經(jīng)成為目前國內(nèi)外重大的環(huán)境問題。水環(huán)境容量是反映水生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)活動的密切關(guān)系的度量尺度。水環(huán)境容量的研究關(guān)系到流域內(nèi)河流水質(zhì)控制目標(biāo)的確定和污染物投(排)放量的控制等非常重要的理論和實(shí)際問題。因此，對水源地保護(hù)區(qū)水環(huán)境安全以及水污染控制的研究有著重大的意義。

結(jié)合實(shí)際研究，環(huán)境容量指在特定功能條件下環(huán)境對污染物的承受能力，反映了污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化和積存規(guī)律[1]。水環(huán)境容量作為水生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會活動密切相關(guān)的度量尺度，是一個(gè)復(fù)雜的概念，學(xué)術(shù)界至今還未達(dá)成共識，但本質(zhì)均強(qiáng)調(diào)環(huán)境水質(zhì)目標(biāo)、一定水體(域)、納污能力(最大允許污染物負(fù)荷)[2]。目前，我國環(huán)境管理已由濃度管理制度向總量管理制度轉(zhuǎn)變[3,4]。根據(jù)水質(zhì)目標(biāo)，計(jì)算水體的環(huán)境容量，并進(jìn)一步實(shí)施水污染物總量控制，是保證水環(huán)境質(zhì)量的根本方法[5]。而在制定湖泊水質(zhì)管理規(guī)劃時(shí)，需建立描述有機(jī)污染物降解規(guī)律的水質(zhì)模型，而建模的關(guān)鍵是估計(jì)各種有機(jī)物的降解系數(shù)，確定水質(zhì)模型參數(shù)的方法有多種如經(jīng)驗(yàn)公式估算、現(xiàn)場實(shí)測、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)測定、類比分析借用等[6]。近年來運(yùn)用水環(huán)境容量對湖泊水環(huán)境問題及管理做了大量卓有成效的研究[7～20]。

本研究參考了國內(nèi)外其它水體水環(huán)境容量計(jì)算方法及案例，綜合武漢北太子湖自身特點(diǎn)，選取適宜的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算北太子湖湖泊水環(huán)境容量，為北太子湖水環(huán)境整治提供一定設(shè)計(jì)與決策依據(jù)。

2 湖泊概況

2.1 自然地理

武漢四季分明，氣候溫和，雨量充沛，無霜期長。年均氣溫16.5 ℃，極端最低氣溫-14 ℃，7月份溫度最高，月平均氣溫28.1 ℃，極端最高氣溫39.6 ℃。年平均降雨量為1240.6 mm，最高值為1692 mm，最低值為807.1 mm，年降雨量在1000 mm以上的占77.3%，常年降雨日為85.88 d，5月份最多，平均降雨日為8.1 d，年無霜期為253 d。

2.2 湖泊特征

北太子湖位于武漢開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))沌陽街道新華村，東鄰江堤鄉(xiāng)，南與南太子湖以武漢交通中環(huán)線相隔，西鄰龍陽大道，北抵鯉魚洲(圖1)。規(guī)劃藍(lán)線水面面積52.60 ha，平均水位20.25 m，歷史最高水位21.48 m，最低水位18.45 m，平均水深1.8 m(表1)。根據(jù)《武漢市水功能區(qū)劃》，北太子湖執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中的Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，系武漢開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))26個(gè)重點(diǎn)保護(hù)湖泊之一[21]。

圖1 北太子湖分布區(qū)域概況表1 北太子湖基本湖泊數(shù)據(jù)

武漢年均降雨量/mm年均蒸發(fā)量/mm湖泊面積/(m3×106)湖泊容積/(104×m3)匯水面積/(m3×106)1240.6949.800.5297.303.72

3 計(jì)算方法及原則

3.1 數(shù)學(xué)模型

3.1.1 化學(xué)需氧量水質(zhì)模型

水質(zhì)模型最基本的功能是模擬和預(yù)測污染物在水環(huán)境中的變遷。國內(nèi)外的學(xué)者在這方面做了很多工作，研究也較為成熟[22,23]。在國內(nèi)，絕大部分封閉型、半封閉型水體的水質(zhì)模型都以“混合反應(yīng)器”為假設(shè)而建立的。據(jù)湖泊物質(zhì)平衡方程，小型湖泊可建立化學(xué)需氧量(COD)水質(zhì)模型如下[24～26]：

(1)

為保持湖水在任何時(shí)間有機(jī)污染物濃度不超過湖水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，取dc/dt=0，則其湖泊水域環(huán)境容量為：

W=Cs(K×V×365+Q出)×10-3

(2)

式(2)中：W為水域納污量，kg/a；Q出為年出湖水量，m3/a；Cs為規(guī)劃目標(biāo)濃度，mg/L；K為降解速率，1/d；V為湖泊容積，m3。

降解速率采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[7,10]：

(3)

式(3)中：qi為第i個(gè)污染源入流量，104m3/a；ci為第i個(gè)污染源入濃度，mg/L；c為湖水中污染物濃度，mg/L；V為湖泊容積，104m3。

3.1.2 總氮和總磷水質(zhì)模型

對于湖泊營養(yǎng)鹽允許負(fù)荷模型，不同學(xué)者提出了多種與湖泊水文條件相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，常見的模型有沃倫德爾、狄龍及合田健模型；其中狄龍模型主要適用于富營養(yǎng)化湖(庫)，合田健模型適用于水流交換能力弱的湖庫灣等[27]。通過水體調(diào)查分析可以看出，五一湖及七一湖為典型的富營養(yǎng)化湖泊，因此本方案以狄龍模型計(jì)算總氮(TN)、總磷(TP)環(huán)境容量。吉奈爾-狄龍(Kirchner-Dillon)模型如下[28～30]：

(4)

假設(shè)水庫的入流、出流與污染物的輸入處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)t→∞，可得：

(5)

式(5)中：W為水域納污量，kg/a；L為水域環(huán)境容量，kg/(a*m2)；S為湖水面積，m2；Cs為規(guī)劃目標(biāo)濃度，mg/L；R為湖泊中N、P滯留時(shí)間的，1/a；ρw為水力沖刷系數(shù)，ρW=Q出/V；Q出為每年流出湖泊的水量，m3/a；V為湖泊容積，m3。R為氮、磷在湖(庫)中的滯留系數(shù)，無量綱，一般計(jì)算公式為：

R=1-W出/W入

W出、W入分別為年出、入湖(庫)的氮、磷量，t/a。

在無法得知年進(jìn)、出湖的氮、磷量時(shí)，可按如下公式進(jìn)行估計(jì)：

R=0.426exp(-0.271Q出/A)+0.573exp(-0.00949Q出/A)。

(6)

3.2 水環(huán)境容量計(jì)算

3.2.1 點(diǎn)源污染

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，北太子湖一共有19個(gè)排水口分布，主要分布在武漢外國語學(xué)校、普天居賢院附近，其中有雨污混合排放口5個(gè)，污水排口1個(gè)，雨水排口13個(gè)(表2～4)。區(qū)域排水現(xiàn)狀以雨污分流為主，但還是存在污水管線與雨水管線的錯(cuò)接、亂接和漏接現(xiàn)象，導(dǎo)致部分排水口存在雨污混排的現(xiàn)象。

表2 北太子湖排水口現(xiàn)狀情況

3.2.2 面源污染

根據(jù)其他城市研究數(shù)據(jù)，城市雨水徑流等非點(diǎn)源污染占水體污染負(fù)荷比例在15%以上，雨水徑流已成為造成水體水質(zhì)惡化的主要因素[34]。本實(shí)施方案對于雨水產(chǎn)生的污染考慮年降雨量產(chǎn)生的污染，根據(jù)匯水區(qū)計(jì)算面源污染。參考《GB 50014-2006(2014年版)室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》、《武漢市屋面雨水水質(zhì)特性分析》等關(guān)于武漢市不同下墊面雨水徑流水質(zhì)的研究結(jié)果，分析得到武漢地區(qū)雨水徑流污染物指標(biāo)(表5)[34]。

表3 北太子湖排口流量及污染物排放狀況

表4 北太子湖點(diǎn)源污染總計(jì)

表5 武漢市雨水地表徑流特征

根據(jù)整個(gè)城區(qū)用地性質(zhì)：道路、綠地、屋面和硬地的面積暫按照 25%、15%、35%、25%計(jì)算；結(jié)合各類下墊面的水質(zhì)特征，計(jì)算徑流雨水污染物負(fù)荷(表6、表7)。

3.2.3 內(nèi)源污染

參考相關(guān)文獻(xiàn)，北太子湖表面沉積物的污染物釋放負(fù)荷分別按照COD 300 mg/(m2·d)、TN 40mg/(m2·d)、TP 5 mg/(m2·d)的釋放速率，對調(diào)查期間底泥釋放負(fù)荷進(jìn)行核算[31～34]。根據(jù)歷年武漢市氣象分析數(shù)據(jù)，按全年13.2次大雨平均次數(shù)對全年的底泥污染釋放量進(jìn)行估算(表8)。

表6 武漢市北太子湖雨水徑流污染排放量

表7 北太子湖面源污染

表8 北太子湖底泥污染釋放量

3.2.4 污染負(fù)荷匯總

對北太子湖入湖污染物指標(biāo)進(jìn)行匯總，結(jié)果如表9。

表9 北太子湖污染負(fù)荷

3.3 水環(huán)境容量

2017年4月對北太子湖水樣進(jìn)行了采樣，主要水質(zhì)指標(biāo)如表10。

表10 北太子湖2017年水質(zhì)現(xiàn)狀

比照地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)，總磷、總氮已超出Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，即北太子湖湖水屬于劣Ⅴ類水質(zhì)，遠(yuǎn)超出目標(biāo)規(guī)劃水質(zhì)的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)湖泊年入湖污染物量和年出湖污染物量，計(jì)算得到降解系數(shù)K及滯留系數(shù)R，代入數(shù)學(xué)模型，并得到結(jié)果(表11)。

表11 北太子湖的湖泊水環(huán)境容量及需削減量

4 結(jié)果與分析

在水環(huán)境容量計(jì)算過程中，水體降解系數(shù)是一個(gè)相當(dāng)重要的部分。降解系數(shù)的求解一般有：實(shí)地測量法、實(shí)驗(yàn)法、類比估值法和公式法，實(shí)地測量法需實(shí)地取點(diǎn)測樣，多次取平均值，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度與數(shù)據(jù)豐度成正比；類比估值法按已有案例或數(shù)據(jù)，綜合考慮地區(qū)因素大致估得；而公式法則是根據(jù)湖泊出入污染物量擬合數(shù)學(xué)模型，可以得到一定條件下較為精確的數(shù)值[5]。

北太子湖屬中小型淺水湖泊，適合箱體模型、Kirchner-Dillon模型，經(jīng)擬合計(jì)算COD水環(huán)境容量為322.19 t/a，總氮水環(huán)境容量為38.29 t/a，總磷水環(huán)境容量為1.09 t/a。

由于污染物排放過度，超出北太子湖本身凈化能力，各類污染物需削減量分別為：總磷2.16 t/a，超出水體自凈能力198%；總氮0.26 t/a，超出水體自凈能力6.7%。水體總磷排放量嚴(yán)重超標(biāo)，需放在污染治理的首位。

建議先對北太子湖進(jìn)行清淤工作，之后通過大型水生高等植物種植、投放鰱鳙濾食性魚類等生態(tài)工程逐步恢復(fù)水體基本功能，增強(qiáng)水體自凈能力。

StudyofWaterEnvironmentalCapacityinLakeBeitaizihuinWuhanCity

Hu Shenghua,Wang Shuo,Shi Shile,Mei Shaoming, Dong Lazhen

(NationalEngineeringlaboratoryforLakeWaterpollutionControlandEcologicalRestoration,WuhanZhongkeHydro-biologicalEnvironmentEngineeringCo.Ltd,Wuhan,Hubei, 430074,China)

Abstract: According to the present situation of the water body of Lake Beitaizihu and the actual water pollution, the degradation coefficient of lake is estimated.And the water environmental capacity of the lake is calculated with reference to the Kirchner-Dillon model. The COD(Chemical Oxygen Demand) capacity of the lakes is 322.19t/a,and the TN(Total Nitrogen) capacity of the lakes is 38.29t/a,and the TP(Total Phosphorus) capacity of the lakes is 1.09t/a. The water environmental capacity represents the upper limit of the water body that can be contained in a water body and can also be used as a measure of its purification and dilution ability.The pollutant reduction of Lake Northern Prince is as follows: COD is 0 t/a, not exceeding the water self-purification capacity; TP 2.16 is t/a, exceeding the self-purification capacity of water body by 198%; TN is 0.26 t/a,exceeding the self-purification capacity of the water body by 6.7%. The discharge of TP in water is serious, which should be put in the first place of pollution treatment.

Keywords: Lake Beitaizihu;water environment capacity;pollution load