小型城市湖泊納污能力核算中設計水文條件研究

(1.長江水資源保護科學研究所, 湖北 武漢 430051； 2.湖北省水利水電科學研究院, 湖北 武漢 430070； 3.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)

湖泊是得天獨厚的自然資源、經濟資源和社會資源。為維護河湖健康生命、實現河湖功能永續利用，目前我國正大力推行河湖長制，而納污能力核算正是河湖長制的重要工作內容之一。張海鷗等基于一維穩態條件下的水質模型，采用段首控制模型、標準模型和歐盟模型計算得到渭河陜西段納污能力的最大值和最小值[1]。張曉等基于一維穩態條件下的水質模型，建立了考慮取水口和支流的分段求和模型來計算河流納污能力，研究結果避免了納污能力過嚴或過寬松的情況出現[2]。金國花等通過分析鄱陽湖多年月平均容量、湖體自凈時間和湖泊水量交換系數，采用質量守恒原理計算鄱陽湖不同月份的納污能力，結果表明鄱陽湖迄今未出現大面積的富營養化現象與湖泊容量的季節性變化特征有關[3]。羅慧萍等采用一維和二維穩態模型對太湖流域河網和湖庫區的納污能力進行計算，結果表明納污能力、限排總量、污染物入河量削減率和水質超標率之間關系合理[4]。梁秀等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，結果表明水產養殖對長湖COD、TP的污染貢獻較大[5]。盡管當前對自然河湖水域納污能力的研究較多，但對小型城市湖泊的研究較少[6-8]。小型城市湖泊是城市生命力的美好象征和城市形象的重要標志，作為海綿城市的重要節點，對城市洪水滯澇控制和面源污染消納具有重要作用[9-12]，核定小型城市湖泊的水域納污能力尤為重要。不同于自然湖泊，小型城市湖泊匯水區域分塊獨立、面積較小，且缺乏長期的水文監測資料，難以確定水域納污能力計算所需的設計水文條件，不利于湖泊納污能力核算工作的開展。因此，研究小型城市湖泊納污能力核算所需的設計水文條件意義重大。

本文以武漢市江漢區北湖為研究對象，以降雨徑流系數法和水量平衡原理為基礎，確定小型城市湖泊納污能力計算的設計水文條件，并核算湖泊主要污染物納污能力為小型城市湖泊納污能力核算所需設計水文條件的確定提供方法指導。《全國水資源綜合保護規劃》中將化學需氧量、氨氮作為污染物必控指標，同時考慮湖泊富營養化風險，本文選取化學需氧量(COD)、總磷(TP)和氨氮(NH3-N)作為主要污染物指標。

1 研究區域

北湖屬于北湖(漢口)開發利用區，位于武漢市江漢區西北湖公園內(中心坐標為114°15′40″E，30°36′08″N)，湖底平均高程16.26 m(黃海高程，下同)，湖泊常水位為18.35 m，控制水位為19.23 m；湖泊最低生態水位為17.56 m，對應的水深、水面面積和湖容分別為1.3 m，8.73 hm2和13.16萬m3。北湖匯水面積為0.48 km2，湖泊功能定位為景觀娛樂、雨水調蓄和生態調節，水質管理目標為地表水環境Ⅳ類標準,COD≤30 mg/L，NH3-N≤1.5 mg/L，TP≤0.1 mg/L。

北湖匯水范圍內現狀用地以城市居民居住用地、交通設施用地、商業服務設施用地及綠化廣場為主。北湖具有豐富的水生動植物資源，主要包括小席藻、柱孢藻和偽魚腥藻等浮游植物、萼花臂尾輪蟲和短尾秀體溞等浮游動物、美人蕉、菖蒲和蘆葦等挺水植物以及鰱、鯽和鯉等魚類資源。

注：藍線包圍區域為北湖匯水范圍圖1 武漢市北湖位置示意Fig.1 The location of Beihu Lake in Wuhan City

2 數據和方法

北湖屬于小型淺水湖泊，且營養水平以中度富營養化為主[13]，因此采用湖(庫)均勻混合模型計算湖泊COD和NH3-N納污能力，同時采用狄龍模型計算湖泊TP的納污能力[14]。然而，對于城市小型湖泊而言，因水文觀測站點資源有限而缺乏長期的流量和水量觀測資料，不易得到納污能力計算的設計水文條件?？紤]到城市湖泊匯水區域分塊獨立和面積較小的特點，本文采用90%保證率的年降水量條件下的平均流量作為設計流量，以湖泊最低生態水位對應的水深、面積和湖容作為設計水量條件。

2.1 數據資料

本文中氣象數據主要來自于中國氣象數據共享網(http://data.cma.cn/)，1960～2016年研究區90%保證率年降水量為921 mm，典型代表年為1965年。本文中水質資料由武漢市水務局提供，2011～2016年北湖水質穩定維持在Ⅳ類標準，達到水質管理目標，但水體營養狀態以中度富營養化為主(見表1)，同期水質監測數據見表2。

表1 2011～2016年武漢市北湖湖泊水環境狀況Tab.1 Water environment status of BeihuLake in Wuhan from 2011 to 2016

表2 2016年北湖主要水質指標監測數據Tab.2 Monitoring data of major water qualityindicators in Beihu Lake at 2016 mg/L

2.2 設計水文條件

90%保證率年降水量條件下的平均流量根據降雨徑流系數法和水量平衡原理確定。根據降雨徑流系數法計算湖泊匯水范圍內陸地和水面產流量，如式(1)所示：

(1)

式中,qin,t表示第t日陸地和水面產流過程中的平均入湖流量，m3/s；α表示產流系數，對于城市陸地和水域，α分別取值0.7和1.0；F表示陸地或水域面積，km2；Pt表示第t日的日降水量，mm。

根據水量平衡原理[15]，在忽略湖泊滲漏損失的情況下，典型代表年湖泊水量日變化量與湖泊出流、入流和水面蒸發過程緊密相關，即：

ΔW=Win-Wout-WEvp

(2)

式中,Win表示入湖水量，m3；Wout表示出湖水量，m3；WEvp表示凈蒸發損失水量，m3；ΔW表示湖泊水量變化值，m3。當ΔW> 0時，湖泊水量增加，湖泊水位上升；反之則湖泊水量減少，水位下降。當湖泊水位超過控制水位時，湖泊開始出流，出湖流量可以用以下公式計算。

(3)

(4)

hout,t+1=11.57hout,t+1Fw

(5)

式中，ht和ht+1分別為第t日和t+1日湖泊水位，m；Pt和Evpt分別代表第t日的降水量和蒸發量，mm；WLin表示陸域徑流總量，m3；Fw表示湖泊面積，m2；hout,t和hout,t+1分別表示第t日和t+1日湖泊出流水深，m；hlimit表示湖泊控制水位，m；qout，t和qout, t+1分別表示為保證匯水區域防洪安全，t日和t+1日湖泊多余水量一日排完的湖泊日平均出流流量，m3/s。

2.3 納污能力計算方法

2.3.1湖(庫)均勻混合模型

湖(庫)均勻混合模型的計算方程為

(6)

其t時刻的解為

(7)

(8)

式中,Cin(t),Cout(t)為t時刻的入湖、出湖污染物濃度，mg/L；Qin(t),Qout(t)為t時刻的入湖、出湖流量，m3/s；S(t)為t時刻其他未計入的外部源和匯污染物量，g/s；r為湖泊單位容積的污染物衰減量，mg/(L·s)；V(t)為t時刻的湖泊水量，m3；C0為初始時刻的湖泊污染物濃度，mg/L；K為污染物綜合衰減系數，1/s。

(9)

式中,W為水域納污能力，t/a；Cs為湖泊水質目標濃度，mg/L；C0為湖泊入湖污染物濃度，mg/L；V為設計水文條件下的湖泊容積，m3。

2.3.2狄龍模型

選擇狄龍模型計算湖泊TP納污能力，計算公式為

(10)

(11)

式中,MN為水庫氮或磷的水域納污能力，t/a；A為設計條件下的湖泊水面面積，m2；Cs為湖泊中氮或磷的目標濃度，mg/L；Qa為設計條件下的湖泊水量，m3/a；V為設計條件下的湖泊容積，m3；h為設計條件下的湖泊平均水深，m；Rp為氮或磷在湖中的滯留系數，a-1。

2.4 納污能力核算所需其他參數

經過綜合治理后，北湖匯水范圍內已沒有明顯的點源污染，主要污染為雨水帶來的城市面源污染，包括大氣沉降、屋面徑流、街道徑流和建筑工地地表徑流等。污染因子主要為COD、TP、NH3-N等有機耗氧類污染物，根據《武漢市城鄉建設“十三五”規劃環境影響報告書》，初期路面雨水污染物平均值中COD約為120 mg/L，TP約為0.81 mg/L，考慮湖泊的水質管理目標和水質現狀，借鑒相關研究成果[16-17]確定降雨徑流污染物的平均濃度中COD、TP和NH3-N分別為20,0.1 mg/L和1.0 mg/L。

污染物綜合衰減系數K值是反映污染物沿程變化的綜合系數，是計算水體納污能力的重要參數，對于不同污染物、不同環境條件，其值存在差異，該系數常用自然條件下實測資料反推得到[18]。本次研究采用實測水質資料計算綜合衰減系數K，經計算，COD綜合衰減系數取值約為0.01～0.023 d-1，氨氮的衰減系數為0.01～ 0.035 d-1。

3 結果與分析

3.1 設計水文條件下湖泊入流和出流過程

根據降雨徑流系數法和水量平衡原理計算得到典型代表年北湖入湖和出流日變化過程,如圖2～3所示。典型代表年入湖徑流量和日入流流量分別為34.69萬m3和0.011 m3/s，年出湖徑流量和日出流流量分別為12.61萬m3和0.004 m3/s。

圖2 典型代表年北湖入湖流量過程Fig.2 Inflow into Beihu Lake in typical representative year

圖3 典型代表年北湖出湖流量過程Fig.3 Outflow from the Beihu Lake in typical representative year

3.2 湖泊納污能力計算

考慮最不利的情況，本文使用湖(庫)均勻混合模型計算北湖COD納污能力，同時使用狄龍模型計算北湖TP和NH3-N納污能力。結果顯示，北湖COD、TP和NH3-N的納污能力分別為11.26,0.063 t/a和0.92 t/a。

根據入湖水流污染物濃度和流量求得污染物入湖總量。北湖匯水范圍內面源污染中COD、TP和NH3-N的入湖總量分別為6.94,0.035 t/a和0.35 t/a。根據《湖北省重要江河湖泊水功能區納污能力核定和分階段限制排污總量控制方案技術細則》相關規定，現狀水質達標的水功能區，污染物入河(湖)量小于納污能力，可采用納污能力或者小于納污能力的入河(湖)量作為限制排污總量?？紤]最嚴格水資源管理落實，采用小于納污能力的現狀入湖量作為限制排污總量，得到現狀條件下COD、TP和NH3-N的限排總量為6.94,0.035 t/a和0.35 t/a，COD,TP和NH3-N的年度削減量為0，表明在現狀污染源匯入和湖泊水生態管護投入的情況下，維護和保持湖泊生態系統的健康，能夠有效維護湖泊水環境安全。

對北湖納污能力計算成果的合理性進行檢驗，計算過程中基本資料的合理性分析、計算條件簡化和假定的合理性分析、模型選擇與參數確定的合理性分析與檢驗均滿足要求。北湖水質穩定維持在Ⅳ類標準，達到水質管理目標，匯水范圍內污染物入湖量小于湖泊水體的納污能力，表明本文計算結果是合理的。

4 結 語

本文通過降雨徑流系數法和水量平衡原理確定小型城市湖泊納污能力核算所需的設計水文條件，并用于計算武漢市北湖的納污能力。結果表明，降雨徑流系數法和水量平衡原理可以用于小型城市湖泊納污能力核算。除此之外，對于缺乏水文監測資料的其他規模湖泊，本文提出的方法可以作為參考，更多研究在以后的工作中進一步補充。