基于水質(zhì)目標(biāo)的博斯騰湖水環(huán)境容量研究

陳雪峰

(塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000)

近幾十年來,由于氣候變化和人為因素的影響,博斯騰湖水質(zhì)咸化、水污染嚴(yán)重。為了實現(xiàn)博斯騰湖入湖水質(zhì)的精細化管理,就需對其水環(huán)境容量進行研究。

1 概 況

博斯騰湖流域主要由開都河流域和孔雀河流域組合,地處塔里木盆地東北部、塔克拉瑪干沙漠東北緣,由山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)、綠洲生態(tài)系統(tǒng)、湖泊生態(tài)系統(tǒng)及荒漠生態(tài)系統(tǒng)等構(gòu)成,流域總面積7.7×104km2,其中平原區(qū)面積4.26×104km2,占流域面積的55.32%,人口110萬,是巴州國民經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護的重要區(qū)域[1]。

2 計算依據(jù)

博斯騰湖流域共有大小河流眾多,年均徑流>1×108km2的河流有開都河、黃水溝、清水河、孔雀河和北部支流。依據(jù)《全國重要江河湖泊水功能區(qū)區(qū)劃手冊》的相關(guān)規(guī)定,將博斯騰湖大湖區(qū)劃分為五個二級水環(huán)境功能區(qū)。各水功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)按地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(COD濃度≤20mg/L,氨氮濃度≤1 mg/L,總磷濃度≤0.05mg/L,總氮濃度≤1 mg/L)[2]。考慮到博斯騰湖水體礦化度較高,有趨于咸化的風(fēng)險,本次研究將礦化度也納入水環(huán)境容量計算指標(biāo)中,礦化度的水質(zhì)目標(biāo)以咸水/淡水的劃分標(biāo)準(zhǔn)(1000 mg/L)計算。

對于小型淺水湖泊,通常采用零維水動力-水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計算水環(huán)境容量。對于博斯騰湖而言,由于其具有較大水域面積,無法按照完全均勻混合水體來計算水環(huán)境容量。考慮到博斯騰湖具有較大寬深比,可認為水體在垂向上均勻混合,故采用平面二維水動力-水質(zhì)模型計算博斯騰湖的水環(huán)境容量。

通過水質(zhì)模型確定各排污口污染物單位排放量引起的湖泊控制點的響應(yīng)情況,即各排污口排放量與水質(zhì)控制點的相應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用線性優(yōu)化方法計算出博斯騰湖大湖區(qū)的水環(huán)境容量。

水環(huán)境容量計算公式如下:

(1)

式中:W為水環(huán)境容量;Ci為入湖河道水質(zhì)濃度值,mg/L;Qi為入湖河道設(shè)計水量,m3/s;△W為水環(huán)境容量訂正值,t/a。

3 計算方法

3.1 計算指標(biāo)

2020年和2021年兩次現(xiàn)場踏勘和水體采集水環(huán)境調(diào)查工作,在5個水功能區(qū)設(shè)置17個國控監(jiān)測點位,收集博斯騰湖現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測資料,為后續(xù)水環(huán)境容量計算奠定基礎(chǔ)。根據(jù)博斯騰湖水質(zhì)現(xiàn)狀和水污染的特點,綜合考慮考慮進入水體的主要污染物稀釋自凈規(guī)律,結(jié)合大湖區(qū)水文條件的影響,分別計算博斯騰湖2019年和2020年現(xiàn)狀條件下各分區(qū)水環(huán)境容量;同時,對博斯騰湖出入湖河流多年水文資料進行排頻計算,選取豐水年、平水年和枯水年三個水文年,分別預(yù)測其水環(huán)境容量。根據(jù)博斯騰湖水質(zhì)現(xiàn)狀和主要污染來源的特點,結(jié)合全國水資源綜合規(guī)劃的要求,將湖區(qū)總體和各水功能區(qū)的水環(huán)境容量計算控制指標(biāo)確定為COD、氨氮、總磷、總氮、礦化度[3]。

3.2 污染源調(diào)查

2021年初,組織技術(shù)人員對博斯騰湖流域內(nèi)的各類污染源進行了調(diào)查。

3.2.1 點污染源

博斯騰湖污染物主要來自其北和靜縣、和碩縣、焉耆縣和博湖縣。據(jù)調(diào)查,4縣工業(yè)污染源173家,其中和碩縣68家、焉耆縣42家、和靜縣41家、博湖縣22家。調(diào)查期內(nèi)工業(yè)廢水的排放總量為8024551t。城鎮(zhèn)污水產(chǎn)生量從大到小依次為:和靜縣>焉耆縣>和碩縣>博湖縣,人均生活污水產(chǎn)生量達95L/人d,該分布結(jié)果與4縣城鎮(zhèn)人口發(fā)展有關(guān)。

3.2.2 面源污染

博斯騰湖面源污染物主要來源于農(nóng)村生活污染、農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游。其中農(nóng)田排水?dāng)y帶的污染負荷量約占總量的24.5%～27.33%,是博斯騰湖中氮磷的主要來源,這是因為流域主要以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展為重。

3.3 背景濃度

功能區(qū)背景濃度取位于水質(zhì)功能區(qū)內(nèi)監(jiān)測點位水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的全年平均值。黃水溝入湖區(qū)和大河口水質(zhì)背景取其監(jiān)測斷面全年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值。根據(jù)檢測結(jié)果,計算出2019年和2020年入湖河道平均水質(zhì)濃度值,具體見表1。

表1 博斯騰湖區(qū)污染物計算結(jié)果

根據(jù)2019年和2020年水文資料,計算出主要入庫湖河道的逐日平均流量值和相應(yīng)的水質(zhì)濃度,將水質(zhì)濃度乘以入湖流量值得出各個入湖河道的入湖通量值。入湖通量計算公式為:

(2)

式中:Ci為監(jiān)測值;Qi為模擬計算值[4]。

計算結(jié)果如表1所示。

3.4 綜合衰減系數(shù)

綜合衰減系數(shù)反映了有機污染物在水體水體作用下降解速度,與河流的水文條件,如流量、流速、河寬、水深、泥沙含量等因素有關(guān)。綜合衰減系數(shù)可用實測資料反推或水團追蹤法求取,亦可類比分析確定。文章通過實測資料反推。

實測資料反推法采用如下計算公式:

(3)

式中:K為衰減系數(shù);u為平均流速,m/s;x為監(jiān)測點至排污點的距離,m;CA為上游斷面水質(zhì)濃度監(jiān)測值;CB為下游斷面水質(zhì)濃度監(jiān)測值。

計算結(jié)果見表1。

3.5 計算結(jié)果分析

根據(jù)博斯騰湖水功能區(qū)劃分和保護目標(biāo)水質(zhì)參數(shù),計算得出博斯騰湖COD、氨氮、總磷、總氮和礦化度的入湖污染負荷和湖區(qū)水環(huán)境容量,結(jié)果如表2所示。

表2 博斯騰湖水環(huán)境計算結(jié)果

由表2可知:可以看出,現(xiàn)狀條件下COD水環(huán)境容量均超負荷,氨氮、總磷、總氮和礦化度均有不同程度的盈余。

博斯騰湖水域面積較大,各區(qū)域水質(zhì)存在明顯差異性,因此根據(jù)博斯騰湖水環(huán)境功能區(qū)劃,將其分為五個分區(qū)(圖5-1)并分別計算各分區(qū)水環(huán)境容量。2019年五個功能區(qū)COD、氨氮、總磷、總氮、礦化度的入湖污染負荷及水環(huán)境容量計算結(jié)果如表3所示。

表3 2019年博斯騰湖分區(qū)水環(huán)境計算結(jié)果

由表3可知,博斯騰湖大湖區(qū)水環(huán)境容量除Ⅰ區(qū)外,其他功能區(qū)均為負值,這表明Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、和Ⅴ區(qū)的COD容量均超負荷。氨氮、總磷、總氮、礦化度的水環(huán)境容量均有不同程度的盈余。 2020年五個功能區(qū)COD、氨氮、總氮、總磷、礦化度的入湖污染符合及水環(huán)境容量計算結(jié)果見表4所示。

表4 2020年博斯騰湖分區(qū)水環(huán)境計算結(jié)果

由表4可知,五大功能區(qū)的COD水環(huán)境容量中,除Ⅰ區(qū)外,其他功能區(qū)均為負值,Ⅰ區(qū)水環(huán)境容量為3754.1t/a,Ⅱ區(qū)為-203.8 t/a,Ⅲ區(qū)為-949.5 t/a,Ⅳ區(qū)為-1532.0t/a,Ⅴ區(qū)為-5724.8 t/a,這表明Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、和Ⅴ區(qū)的COD容量均超負荷。氨氮、總磷、總氮、礦化度的水環(huán)境容量均有不同程度的盈余。

4 不同來水條件下博斯騰湖水環(huán)境容量預(yù)測

分別預(yù)測豐水年、平水年和枯水年來水條件下博斯騰湖COD、氨氮、總磷、總氮、礦弧度的水環(huán)境容量,結(jié)果如表5所示。

表5 博斯騰湖豐平枯水文年環(huán)境容量計算結(jié)果表

由表5可知,各水文年來水條件下,博斯騰湖COD的水環(huán)境容量均為負值,表明COD的水環(huán)境容量均超負荷。其中,豐水年博斯騰湖各水質(zhì)指標(biāo)水環(huán)境容量為:COD-1.6萬t/a,氨氮7401.3 t/a,總磷320.9 t/a,總氮5134.2 t/a,礦化度96.9萬t/a;枯水年博斯騰湖各水質(zhì)指標(biāo)水環(huán)境容量為:COD-0.7萬t/a,氨氮7803.1 t/a,總磷348.4 t/a,總氮5786.7 t/a,礦化度140.3萬t/a。

5 結(jié) 語

針對博斯騰湖大湖區(qū)的特點,按照水功能區(qū)劃分及水質(zhì)目標(biāo),計算大湖區(qū)主要污染物水環(huán)境容量,主要結(jié)論如下:

1)博斯騰湖大湖區(qū)現(xiàn)狀2019年、2020年來水條件下,總體COD水環(huán)境容量均為負值,氨氮、總磷、總氮和礦化度均有不同程度的盈余。不同分區(qū)的水環(huán)境容量計算結(jié)果在2019年和2020年差別不大,COD水環(huán)境容量除Ⅰ區(qū)外,其他功能分區(qū)均為負值,氨氮、總磷、總氮和礦化度的水環(huán)境容量在各個區(qū)均有不同程度的容量富余。

2)對豐水年、平水年和枯水年水環(huán)境容量的預(yù)測結(jié)果顯示,不同來水條件下COD水環(huán)境容量均超負荷,氨氮、總磷、總氮和礦化度的水環(huán)境容量均有不同程度的盈余,表明COD為博斯騰湖水環(huán)境治理的重要關(guān)注指標(biāo)。