銀川市閱海湖水環境容量評估

郭 琦，尹 娟，邱小琮，李世龍，雷興碧

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川750021；2.寧夏大學 生命科學學院，寧夏 銀川750021）

水環境容量是某一水環境單元滿足特定的功能所能容納污染物的負荷［1-4］，是度量水體自凈能力和治理規劃水環境的重要依據［5-8］。Streeter和Phelos 1925年首次建立DO-BOD 一維水質模型后，經過多年的發展，水環境容量模型的建立及應用逐漸完善。目前湖庫水質測算中箱式完全混合模型［9］的應用相對比較廣泛，在此基礎上，建立了沃倫威德（Vollenweider）水環境容量計算模型［10］和其他一些水環境容量計算模型，如狄龍（Dillion）模型［10-13］、OECD 模型和合田健模型［14］。國內許多學者對中國重要河流與湖泊的水環境容量進行了深入的研究［15-19］，為中國湖庫水體污染防治奠定了堅實的基礎。

閱海湖位于寧夏回族自治區銀川市金鳳區偏北部，是銀川市面積最大的一塊生態濕地，湖水面積12.00 km2，平均水深1.80 m，具有生態改善、濕地保護等功能。閱海湖沿岸農業灌溉退水以及少量生活污水均排入該湖，改變了原有的水體環境。近年來開發利用導致湖沼總體水質逐年惡化，已成為影響區域可持續發展的主要環境問題之一。目前關于閱海湖水環境質量綜合評價方面的研究有所開展［20-21］，但缺乏最新的環境容量研究，本研究于2015至2017年連續3 a對閱海湖水體季節性采樣檢測，并利用已有模型評估不同水質目標情景下水體環境容量，以期為閱海湖水體污染防治及管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣點設置與采樣時間

通過分析閱海湖的地形特點共設置了4個采樣點，分別位于點S01（進水口）、點S02（出水口）、點S03（湖中心1）和點S04（湖中心2）；采樣時間為2015年至2017年的1月（冬季）、4月（春季）、7月（夏季）、10月（秋季），共采集水樣12次。

1.2 水樣采集與測定

使用采水器采集水樣并保存，當天帶回實驗室測定。

根據白維東等［20］，李斌等［21］的研究結果，影響閱海湖水體的主要污染物指標為總氮、總磷和COD，結合相似湖泊水環境研究過程中水質指標的選取情況，選取CODMn，CODcr，BOD5為有機污染物主要指標，TN，NH3-N，TP 為富營養化主要指標，各指標采用方法及標準如表1所示：

表1 水質指標檢測方法及標準

1.3 估算模型

1.3.1 COD，BOD5水環境容量估算模型 閱海湖是一個淺水湖泊，開闊的湖面在風浪的作用下，湖水的流動性較好，使得湖內水體的混合性良好，對湖體進行多年的監測，結果表明整個湖體進出水量基本平衡，水質處于相對穩定的狀態，可以當作完全混合型湖泊進行研究。因此閱海湖的CODcr，CODMn，BOD5的水環境容量估算選用完全混合系統水質模型—沃倫威德（Vollenweider）分析計算，計算方法如式（1）所示，各參數含義如表2所示。

表2 沃倫威德（完全混合系統水質模型）模型參數及含義

1.3.2 N，P 水環境容量估算模型 目前湖庫水體中N，P環境容量估算模型較多，其中富營養化水體常用狄龍模型預測水質，庫灣型水體和淺水湖泊常用合田健模型及世界經濟合作與發展組織（OECD）模型預測水質［12］。以上3種模型都是確定型模型，均存在難以準確確定經驗參數的缺陷，為全面了解閱海湖N，P的環境容量，本文參考相似湖泊的水環境容量研究，綜合考慮后選用狄龍模型、世界經濟合作與發展組織（OECD）模型、合田健模型3種模型進行計算，最終評估結果為3種模型計算結果的均值，計算方法如下：

狄龍模型：

OECD 模型：

合田健模型：

最終評估模型：

以上模型參數含義如表3所示。

表3 狄龍模型、OECD模型及合田健模型參數及含義

在無法得知年進、出湖的氮、磷量時，可按下式進行估計［22］：

1.3.3 計算參數確定 計算閱海湖水環境容量的參數取值見表4。

表4 閱海湖水環境容量計算參數取值

K 值的確定方法有試驗法、反推法和類比法，本文采用類比法確定，參考寧夏回族自治區星海湖的相關研究后，綜合考慮COD（BOD5）的K 值按保守的0.004 d－1進行估計［23］。

水質指標目標控制濃度（Cs），根據2015至2017年閱海湖水體實際檢測結果來看，其水質指標濃度介于地表水Ⅱ—Ⅳ類之間，為充分了解湖體在不同水質目標情景下的環境容量，共設置以下3種水質目標情景，情景一：達到Ⅱ類水質目標；情景二：達到飲用水源地最低水質目標要求，即達到Ⅲ類水質目標；情景三：達到Ⅳ類水質目標。

2 結果及分析

2.1 COD，BOD5 水環境容量結果及分析

2015年至2017年實測閱海湖CODcr為19.22，20.16，21.56 mg／L；CODMn為6.08，7.11，7.22 mg／L；BOD5為2.65，2.00，2.83 mg／L。保持現狀水體不再惡化，2015至2017年閱海湖依靠自身降解及水流下泄可容納CODcr為1 104.30，1 158.31，1 238.75 t／a；CODMn為349.33，408.51，414.83 t／a；BOD5為152.26，162.60，114.91 t／a。根據沃倫威德模型，計算出CODcr，CODMn、BOD5水環境容量結果見表5。

（1）情景一。達到Ⅱ類水質目標情況下，CODcr，CODMn環境容量連續3 a均為負值，現狀水體中污染物負荷量遠大于目標要求的環境容量，為達到水質標準，2015 至2017 年 應 對CODcr消 減122.4%，142.7%，169.6%；對CODMn消減190.7%，243.8%，248.6%，對CODcr，CODMn的消減量逐年上升，說明水體中CODcr，CODMn環境容量逐年減小，有機污染物排入總量增加，水質逐年惡化。BOD5現狀水體污染物負荷量低于目標水質要求的環境容量，達到Ⅱ類水質標準且有剩余環境容量，剩余率為37.7%，69.6%，21.6%，說明水體中BOD5的水質良好，但水體中BOD5剩余環境容量從2015 年的37.7%減小至2017年的21.5%，水質呈現惡化趨勢。

（2）情景二。達到Ⅲ類水質目標情況下（BOD5的現狀水體濃度優于水質標準，因此不設對比），2015年CODcr的環境容量略高于現狀水體污染物負荷，有剩余環境容量，剩余率18.5%，2016年CODcr的現狀水體濃度超過Ⅲ類水質限值，下降為Ⅳ類水且環境容量逐年減小。為達到水質標準2016至2017年應當分別消減CODcr為4.4%、40.3%。CODMn環境容量3 a內均低于現狀水質污染物負荷，為達到水質標準需消減CODMn為7.3%，85.7%，94.1%。

（3）情景三。達到Ⅳ類水質目標情況下，CODcr，CODMn的環境容量3 a內均高于現狀水體污染物負荷量，有剩余環境容量，CODcr剩余率為75.8%，73.1%，68.6%，CODMn剩 余 率 為78.2%，69.4%，68.2%，CODcr，CODMn剩余環境容量逐年減小，水質呈惡化趨勢。

表5 2015－2017年不同水質目標下閱海湖COD，BOD5 環境容量

2.2 N，P水環境容量結果及分析

2015年至2017年實測閱海湖TN 為0.95，0.84，0.945 mg／L；NH3-N 為0.18，0.27，0.40mg／L；TP為0.77，0.89，0.86mg／L。保持現狀水體不再惡化，閱海湖2015至2017年可依靠下泄流量及自身凈化能力容納TN 為86.25，76.36，85.91 t／a；NH3-N 為16.36，24.54，36.36 t／a；TP為7.00，8.09，7.82 t／a。根據狄龍模型、世界經濟合作與發展組織（OECD）模型、合田健模型計算出TN，NH3-N，TP 水環境容量結果見表6—7。

（1）情景一。達到Ⅱ類水質目標情況下TN、TP的環境容量低于現狀水體污染物負荷量，為達到水質標準，需消減TN 為47.3%，40.5%，47.1%；相比2015年，2016年TN 消減量減小6.8%，2017年減小0.2%，說明水質在2016年有所提高，2017年水質再次惡化，其濃度變化趨勢與BOD5具有一致性。需消減TP為67.6%，71.9%，71.0%，TP 的削減量呈先增加后減小趨勢，波動范圍在3.4%以內，水質總體呈惡化趨勢。NH3-N 環境容量3 a內均高于現狀水體污染物負荷，有剩余環境容量，剩余64.0%，46.0%，20.0%，剩余環境容量逐年減小，說明NH3-N 水質有惡化趨勢。

（2）情景二。達到Ⅲ類水質目標情況下，NH3-N達到水質標準且有剩余環境容量。TN 的環境容量3 a內略大于現狀水體污染物負荷量，有剩余環境容量，剩余5.1%，16.0%，5.0%，2017年剩余環境容量較2015年有所減小，水體呈惡化趨勢，但不明顯。TP環境容量3 a內均小于現狀水質污染物負荷量，為達到水質標準需要消減TP為35.0%，42.6%，41.8%。

（3）情景三。達到Ⅳ類水質目標情況下，TN，NH3-N 達到水質標準。TP環境容量3 a內大于現狀水質污染物負荷量，有剩余環境容量，TP環境容量剩余 率 為23.0%，11.0%，14.0%。

表6 2015－2017年不同水質目標情景下閱海湖TN 與NH3-N 環境容量（t／a）

表7 2015－2017年不同水質目標情景下閱海湖TP環境容量

3 討論與結論

閱海湖各水質指標濃度總體處于地表水Ⅱ類～Ⅳ類之間，在3種情景目標下閱海湖各指標水環境容量呈減小趨勢，其水質逐年惡化是導致水環境容量減小的根本原因。閱海湖對各污染物有不同的環境容量，其對各污染物指標濃度限值不同、入湖污水中各因子含量不同、擴散及稀釋過程不同、對水體產生的影響不同是造成各因子水環境容量存在差異性的主要原因［23］。

以CODcr，CODMn，BOD5為有機物污染指標分析結果來看，水體中3項指標的濃度年度間有小幅波動且環境容量呈減小趨勢，說明有機污染物排入總量在增加，若排入量不受約束將造成水質進一步惡化，水環境容量進一步減小。BOD5雖達到Ⅱ類水質標準且有剩余環境容量，但其環境容量在2016 年下降31.9%后2017年又迅速上升48%，說明2017年閱海湖有機污染物排入總量增加且入湖污染因子含量也在發生變化，即可被微生物降解的有機物入湖量有不確定性。沿岸農灌退水、水土流失及生活用水攜帶污染物入湖量的變化是造成這種現象的主要原因［24］。

以TN，NH3-N，TP為營養物質指標分析結果來看，其中NH3-N 達到Ⅱ類水質標準且有剩余環境容量，可滿足閱海湖生態濕地保護等功能，但其剩余環境容量從64%減小至20%，說明入湖污染物中NH3-N總量逐年增加，若不加以控制將打破Ⅱ類水質標準。TN 濃度變化與BOD5濃度變化趨勢一致，說明BOD5與TN 濃度變化具有一定的正相關性，即入湖污水中可被微生物降解的部分含N 量較高，生活污水攜帶含氮物質的排入是造成TN 濃度變化的主要原因［19］。2015年至2016年TP的濃度呈上升趨勢，2017年有小幅降低，其濃度接近Ⅳ類水質限值，若不消減TP排入量，其水質將降為劣Ⅴ類水，農業退水及水土流失是導致水質惡化的主要原因［19］。

綜上所述，閱海湖水質總體為地表水Ⅳ類，其各污染物指標的環境容量呈逐年減小趨勢，沿岸農灌退水、水土流失及生活用水攜帶營養物入湖是造成其水質惡化和水環境容量減小的主要原因。水質目標為Ⅱ類時，BOD5，NH3-N 有剩余環境容量，CODcr需消減122.4%，142.7%，169.6%；CODMn需 消 減190.7%，243.8%，248.6%，TN 需消 減47.3%，40.5%，47.1%；TP需消減67.6%，71.9%，71.0%。水質目標為Ⅲ類時，BOD5，NH3-N，TN 有剩余環境容量，CODcr需消減0%，4.4%，40.3%；CODMn需消減7.3%，85.7%，94.1%；TP需消減35.0%，42.6%，41.8%。水質目標為Ⅳ類時，各污染物指標均達到水質標準且環境容量呈減小趨勢，其中TP 濃度接近Ⅳ類水質標準限值，是閱海湖最主要污染因子。閱海湖具有生態濕地等功能要求，水質應達到地表水Ⅲ類及以上為宜，根據本文對閱海湖不同水質目標情景下最大環境容量評估結果，應控制有機物、營養鹽入湖量，采取相應消減措施，使水質逐步達標。