王子為， 林佳寧， 張 遠， 王 慧， 錢 昶， 陳 焰， 夏 瑞， 王 強， 張曉嬌

1.遼寧大學環(huán)境學院， 遼寧 沈陽 110036

2.中國環(huán)境科學研究院水環(huán)境研究所水生態(tài)保護修復研究室， 北京 100012

鄱陽湖是長江中下游重要湖泊，由于人口增長、工業(yè)化和城市化進程加快，湖區(qū)TP和TN含量呈現(xiàn)逐年升高趨勢，氮磷成為鄱陽湖水質下降的主要影響因子[1-2]. 鄱陽湖氮磷含量在空間分布上表現(xiàn)為由入湖口向湖區(qū)遞減的趨勢[3]，且湖區(qū)水質與入湖支流關聯(lián)度較大，其中贛江、撫河、信江、饒河、修水“五河”的氮磷輸入是鄱陽湖入湖污染負荷的主要來源，其占入湖負荷總量的80%左右[4]. 入湖河流是湖泊氮磷輸入的主要途徑，在一定程度上對湖泊水質起著決定性作用[5-6]. 因此，在現(xiàn)行水環(huán)境管理基礎上，如何合理制定入湖河流氮磷水質控制限值，有效進行氮磷污染控制，是目前鄱陽湖水環(huán)境管理的重點和難點.

近20年來，國內外逐漸形成了基于目標總量控制的水質管理方法，其中基于湖泊水質目標確定流域污染物排放總量，從而制定的入湖河流污染物控制限值可以有效地控制湖泊水質污染[7]，并在世界湖泊水環(huán)境保護方面得到相關成效[8-9]. 《歐盟水框架指令》指出，湖泊保護需要從匯水區(qū)(流域)入手進行綜合管理[10-11]，并在博登湖管理中得到應用[12]，通過削減流域內的磷排放量滿足湖泊水質目標要求. 美國以TMDL(最大日負荷總量)計劃為代表的總量控制方案成功應用于銜接河湖污染控制問題[13-18]，并推廣于沃倫波帕克湖和派恩維尤水庫等各地典型湖庫案例[19].

BATHTUB模型(湖盆水質分析模擬程序)是由美國陸軍工程兵團開發(fā)的經驗水質模型，為湖庫水環(huán)境規(guī)劃、水質評價、水質預測提供了有效的技術支持[20-22]，目前該模型已廣泛應用于入湖河流氮磷控制限值的研究. 美國對歐克萊爾半月湖和杰斐遜縣月亮湖[23-24]的水環(huán)境管理中均采用基于目標總量控制的水質管理方法，應用BATHTUB模型計算入湖河流磷污染控制限值，構建了一套入湖河流污染物削減方案，從而達到湖區(qū)水質保護目標. 近年來，我國在水環(huán)境管理中也引入了BATHTUB模型，石春力[25]應用流域負荷-水質模型(GWLF-BATHTUB)對于橋水庫流域非點源污染源進行了源解析；許晨等[26]應用BATHTUB模型研究了太湖西北部入湖河流氮磷控制限值. 該文以鄱陽湖為研究區(qū)域，采用BATHTUB模型建立了入湖河流與湖區(qū)ρ(TP)、ρ(TN)的響應關系，模擬了入湖河流分別執(zhí)行GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》河流和湖庫不同水質標準限值情況下對湖區(qū)水質的影響，并試算了湖區(qū)TP、TN滿足各類水質標準情形下贛江、饒河、撫河、信江、修水“五河”入湖水質氮磷所需的控制限值，以期為鄱陽湖氮磷污染控制提供技術支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

鄱陽湖(115°50′E～116°44′E、28°25′N～29°45′N)位于長江中下游，是我國最大的淡水湖，具有供水、灌溉、航運、防洪和污染物分解等多種功能. 湖區(qū)南北方向長度173 km，東西方向平均寬度16.9 km，最寬處可達74 km，平均水位14～15 m. 鄱陽湖入湖污染負荷主要集中在豐水期(4—9月)，占全年總量的55.45%～94.39%，從4月起入湖污染負荷逐漸增大[27-28]. 鄱陽湖主要入湖河流為贛江、饒河、撫河、信江、修水“五河”，另外湖區(qū)周邊還有14條30 km以上的河流直流入湖，這些河流來水經鄱陽湖調蓄后，由湖口注入長江，每年汛期“五河”洪水入湖致使湖區(qū)水位上漲、湖面擴大，使鄱陽湖形成“高水是湖、低水似河”的獨特地理特征.

1.2 基礎數據

注： 1—吳城修河； 2—吳城贛江； 3—昌邑； 4—塔城； 5—梅港； 6—趙家灣； 7—焦石壩； 8—吳城： 9—三山； 10—老爺廟； 11—都昌； 12—蚌湖； 13—金溪咀劉家； 14—南湖村； 15—南磯山； 16—伍湖分場； 17—白沙洲； 18—康山； 19—蓮湖； 20—梅溪咀； 21—余干. 下同.

圖1 鄱陽湖流域監(jiān)測點位示意
Fig.1 Schematic diagram of monitoring points in Poyang Lake Basin

水質數據來自鄱陽湖湖區(qū)和入湖河流21個國控監(jiān)測點位(見圖1)的監(jiān)測數據，選取2014—2018年月尺度的ρ(TP)、ρ(TN)數據資料. BATHTUB模型計算選用主要的5條入湖河流(贛江、撫河、信江、饒河、修水)豐水期(4—9月)水質數據資料，水文數據包括降雨量、流量等.

1.3 數據分析

采用Excel 2010和Origin 9.0軟件進行水質數據的統(tǒng)計分析和繪圖；采用ArcGIS 10.3軟件進行研究區(qū)域點位分布圖的繪制；采用BATHTUB模型建立入湖河流與湖泊響應關系.

2 BATHTUB模型

2.1 BATHTUB模型基本參數

圖2 BATHTUB模型驗證期效果Fig.2 Calibration effect of BATHTUB model

BATHTUB模型是一個經驗模型，其經驗關系參照BATHTUB模型技術手冊[29]. 該模型的核心是水平衡、營養(yǎng)平衡及富營養(yǎng)化響應的計算，質量平衡是模型富營養(yǎng)化模擬的基礎，假設湖中污染物動力學是穩(wěn)態(tài)的，湖庫中的營養(yǎng)物凈積累等于入湖營養(yǎng)負荷(從各種污染源)與出湖營養(yǎng)負荷和湖中降解營養(yǎng)負荷之差[30]. 其中平均期是指湖體達到水平衡和質量平衡所用的時間，確定平均期時應考慮質量滯留時間和翻轉速率[29]兩個變量. 基于，水平衡和質量平衡的合適平均期，通常對營養(yǎng)物滯留時間相對長的湖泊是1 a，對營養(yǎng)物滯留時間相對短湖泊是季(5—9月)[31]. BATHTUB模型由水量平衡、營養(yǎng)沉積、富營養(yǎng)化反應模型〔以TP、TN、Chla和SD(透明度)描述〕3個系統(tǒng)組成，與計算水環(huán)境容量常用的MIKE、SWAT和WASP等模型相比，BATHTUB模型建立所需的數據量和參數量等相對較少，同時能夠達到評估要求的精度[30]，更適合于因空間數據和監(jiān)測數據相對缺乏而難以滿足高精度模型使用條件的研究區(qū)域. 該模型主要輸入數據包括湖區(qū)地形及水文數據、大氣負荷數據、支流負荷數據、湖庫水質數據，該文選擇輸入的水質參數如表1所示. 由于鄱陽湖是一個過水型、吞吐型和季節(jié)性湖泊，湖區(qū)換水周期短，水流更換頻繁，出入湖水量基本相同，且水體營養(yǎng)狀態(tài)的空間差異不大[27,32]，因此不考慮對湖區(qū)進行空間分段，而將鄱陽湖作為一個整體進行模擬.

表1 BATHTUB模型參數

2.2 BATHTUB模型參數率定及其驗證

采用2014—2016年豐水期降雨量、水位、流量、ρ(TP)、ρ(TN)等數據對BATHTUB模型參數進行率定，采用2017—2018年豐水期ρ(TP)、ρ(TN)數據進行驗證. 該模型驗證期的實測值與模擬值線性相關顯著，整體擬合精度良好，模型模擬結果較好(見圖2). BATHTUB模型模塊選擇及系數校正見表2.

表2 BATHTUB模型模塊選擇及系數校正

3 結果與分析

3.1 鄱陽湖流域氮磷污染特征

由圖3可見： ①2014—2018年，鄱陽湖湖區(qū)ρ(TP)范圍為0.05～0.08 mg/L，呈現(xiàn)逐年上升趨勢，GB 3838—2002 Ⅲ類以上水體的占比從2014年的58.50%降至2018年的20.20%；入湖河流ρ(TP)范圍為0.06～0.11 mg/L，Ⅲ類以上水體的占比從2014年的100%降至2018年的97.58%，“五河”中贛江、撫河、信江、饒河的ρ(TP)均顯著高于湖區(qū)，其中撫河年均ρ(TP)最高；由于南部入湖河流ρ(TP)高于東部和西部入湖河流，相應的南部湖區(qū)ρ(TP)高于東、西部湖區(qū). ②湖區(qū)ρ(TN)范圍為1.14～1.43 mg/L，GB 3838—2002 Ⅲ類以上水體的占比從2014年的50.20%降至2018年的25.20%；入湖河流ρ(TN)范圍為0.98～1.69 mg/L，贛江、撫河、信江、饒河ρ(TN)均顯著高于湖區(qū)，其中信江和饒河年均ρ(TN)相對較高，致使東部湖區(qū)ρ(TN)高于西、南部湖區(qū).

3.2 入湖河流執(zhí)行不同標準時的水質效果評估

圖3 鄱陽湖及入湖河流ρ(TP)和ρ(TN)空間分布Fig.3 The spatial distribution of ρ(TP) and ρ(TN) of Poyang Lake and incoming rivers

在湖區(qū)水質效果評估中，入湖河流水質設置2種情景：①入湖河流執(zhí)行GB 3838—2002河流ρ(TP)標準限值(河流無TN標準限值)；②入湖河流執(zhí)行GB 3838—2002湖泊ρ(TP)、ρ(TN)標準限值. 基于BATHTUB模型建立鄱陽湖湖區(qū)與入湖河流之間的水質響應關系，模擬2種情景下湖區(qū)的ρ(TP)、ρ(TN).

情景①的模擬結果表明，入湖河流執(zhí)行GB 3838—2002不同等級的河流水質標準限值對湖區(qū)水質影響嚴重，即使河流ρ(TP)較低，湖區(qū)ρ(TP)依然超標，如當入湖河流ρ(TP)執(zhí)行河流Ⅱ類標準限值(0.1 mg/L)時，湖區(qū)ρ(TP)可達0.065 mg/L，超過了湖泊Ⅲ類水質保護的要求；當入湖河流ρ(TP)執(zhí)行河流Ⅲ類標準限值(0.2 mg/L)或超過Ⅲ類標準限值(>0.2 mg/L)時，湖泊ρ(TP)達到了湖泊Ⅴ類水質評價級別. 僅當入湖河流ρ(TP)低于0.02 mg/L時，湖區(qū)ρ(TP)能夠維持在0.018 mg/L以內，湖泊水質評價級別在Ⅰ～Ⅱ類之間(見表3).

表3 入湖河流執(zhí)行現(xiàn)行河流標準限值時湖區(qū)ρ(TP)模擬結果

注： Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類均為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》水質等級. 下同.

對情景②的模擬結果表明，入湖河流執(zhí)行GB 3838—2002 湖泊Ⅲ類及以上標準限值時，湖區(qū)水質級別也可達到Ⅲ類水質保護目標，且湖區(qū)ρ(TP)、ρ(TN)優(yōu)于入湖河流設定的濃度限值，如入湖河流ρ(TP)執(zhí)行湖泊Ⅲ類標準限值(0.05 mgL)，湖區(qū)ρ(TP)可達0.038 mgL(見表4). 雖然該情景可滿足湖泊保護的要求，但對于入湖河流而言，對ρ(TP)削減率的要求偏高. 如“五河”中ρ(TP)最高的撫河，ρ(TP)年均值為0.11 mgL，若如果按照ρ(TP)<0.05 mgL(湖泊Ⅲ類標準限值)對入湖河流水質進行控制，撫河ρ(TP)至少需要削減54.55%，以當前經濟社會條件下管控水平難以達到如此高的削減率.

表4 入湖河流執(zhí)行現(xiàn)行湖泊標準限值時湖區(qū)ρ(TP)、ρ(TN)模擬結果

3.3 入湖河流水質控制限值方案制定

針對鄱陽湖入湖河流執(zhí)行GB 3838—2002河流和湖泊水質標準限值時所存在的不足，在充分考慮湖泊水質不同類別的保護要求下，采用BATHTUB模型模擬試算了鄱陽湖入湖河流所需的ρ(TP)、ρ(TN)控制限值(見表5).

表5 依據湖泊不同保護類別試算的入湖河流ρ(TP)、ρ(TN)模擬結果

由表5可見，當湖泊ρ(TP)取GB 3838—2002湖泊Ⅰ～Ⅴ類標準限值時，試算的入湖河流ρ(TP)控制限值為0.02～0.40 mgL，介于湖泊與河流控制限值之間. 如當湖泊ρ(TP)取湖泊Ⅲ類標準限值(0.05 mgL)時，試算的入湖河流TP控制限值為0.075 mgL，相當于河流Ⅱ類水質. 當湖泊ρ(TN)取湖泊Ⅰ～Ⅴ類標準限值時，試算的入湖河流ρ(TN)控制限值介于0.21～3.10 mgL之間，其中，當湖泊ρ(TN)取湖泊Ⅲ類標準限值時，試算的入湖河流TN控制限值為1.20 mgL，相當于湖泊Ⅳ類水質. 因此，入湖河流TN控制限值需要在借鑒湖泊ρ(TN)控制限值的基礎上，對Ⅲ類及以下類別的控制限值適當放寬.

4 討論

按照2018年鄱陽湖流域水質狀況，在方案提出的控制限值下，入湖河流TP為GB 3838—2002Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水體的占比分別為4.24%、3.03%、34.85%、55.45%、2.42%. 與執(zhí)行GB 3838—2002的河流標準限值時相比，Ⅲ類以上水體的占比下降了55.88%，Ⅳ類和Ⅴ類分別上升了53.03%、2.42%. 可見，方案提出的ρ(TP)控制限值對入湖河流的管控更為嚴格，更能滿足鄱陽湖的水環(huán)境保護要求. 入湖河流TN水質評價級別是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水體的占比分別為6.77%、37.85%、39.69%、15.69%，Ⅲ類以上水體的占比為44.62%. 若執(zhí)行GB 3838—2002中湖泊標準限值，在滿足湖泊水質保護的要求下，入湖河流ρ(TN)應低于1 mgL，然而，按照該文的試算，入湖河流ρ(TN)為1.20 mgL時即可滿足對鄱陽湖的水質保護要求(見表5)，可見入湖河流執(zhí)行GB 3838—2002中湖泊TN標準限值時存在一定的過保護現(xiàn)象.

方案在現(xiàn)行湖泊標準限值基礎上進行了合理放寬，能夠有效避免對入湖河流產生的過保護現(xiàn)象. 以贛江為例，贛江為“五河”中氮污染最為嚴重的河流，2018年贛江ρ(TN)全年平均值為1.80 mgL，若執(zhí)行湖泊Ⅲ類標準限值，在滿足鄱陽湖水質保護目標要求下，贛江TN削減率應在44.45%以上；若執(zhí)行方案控制限值，TN削減率在33.33%時同樣能夠滿足湖泊水質保護目標的要求. 因此，在考慮鄱陽湖的氮磷控制要求及污染現(xiàn)狀條件下，方案控制限值的合理性更高，既能夠保證湖泊水質達標，又不會造成對入湖河流的水質要求過于嚴格.

與歐洲國家河流控制限值相比，方案提出的河流TP、TN控制要求總體位于中等水平. 英國將河流磷限值分為“高”(0.02～0.05 mgL)、“好”(0.04～0.12 mgL)、“中”(0.15～0.25 mgL)、“差”(0.5～1.0 mgL)4個等級[33]，方案中ρ(TP)Ⅲ類控制限值(0.075 mgL)正處于“好”的等級范圍. 近些年，國內學者也針對其他流域開展了入湖河流ρ(TP)、ρ(TN)限值的研究工作. 許晨等[26]研究了太湖流域入湖河流ρ(TP)、ρ(TN)限值，其中ρ(TP)Ⅲ類限值(0.07 mgL)較方案更為嚴格；ρ(TN)的Ⅲ類限值(1.20 mgL)與方案一致. 張紅舉[34]研究了淀山湖入湖河流ρ(TP)控制限值，發(fā)現(xiàn)當入湖河流ρ(TP)滿足河流水功能區(qū)目標時，淀山湖湖區(qū)ρ(TP)依然超標，并提出滿足湖區(qū)水質保護目標要求下入湖河流ρ(TP)應在0.031～0.062 mgL之間，其中滿足飲用水源區(qū)的入湖河流TP控制限值為0.031 mgL，相當于方案中ρ(TP)Ⅱ類控制限值(0.03 mgL)，滿足緩沖區(qū)的入湖河流ρ(TP)控制限值為0.062 mgL，相當于方案中ρ(TP)Ⅲ類控制限值(0.075 mgL).

方案針對河湖水質管理中氮磷控制限值銜接問題開展了探索研究，但仍存在一些不足之處：①鄱陽湖具有換水周期短、水流更換頻繁等特點，該文在采用BATHTUB模型模擬時，未對湖區(qū)進行空間分段，而將其作為一個整體進行模擬. 事實上，不同入湖河流輸入的氮磷營養(yǎng)物對湖區(qū)不同區(qū)域的影響仍存在差異，且鄱陽湖整體狹長，南北向長度為其東西向平均寬度的10倍以上，采用完全混合式模型進行模擬存在一定誤差. 因此，在鄱陽湖入湖口至入湖河流上游一定距離范圍內設置混合區(qū)，在此基礎上進行入湖河流氮磷所需的控制限值推算，對河湖氮磷的管理控制更具有實際意義. ②該方案提出的入湖河流氮磷控制限值是基于湖泊水環(huán)境質量達標情況下提出的，對各入湖河流進行污染控制所涉及的經濟社會發(fā)展水平、社會經濟重大影響等經濟社會因素的考慮仍存在不足，流域污染物的削減應結合湖泊水質的需求和流域地區(qū)的經濟效益綜合考慮. 在該文提出的控制限值基礎上，應更深入開展社會經濟效益分析，以制定更為合理的鄱陽湖入湖河流目標總量污染物削減方案.

5 結論

a) 2014—2018年，鄱陽湖入湖河流ρ(TP)、ρ(TN)均呈現(xiàn)升高趨勢，2018年湖泊TP為Ⅲ類以上水體的占比僅為20.20%，TN為Ⅲ類以上水體的占比僅為25.20%，贛江等“五河”的氮磷輸入是引起鄱陽湖水體氮磷濃度空間差異的主要原因.

b) 鄱陽湖入湖河流ρ(TP)執(zhí)行GB 3838—2002中河流Ⅲ類標準限值(0.2 mgL)時，湖泊水質評價級別為Ⅴ類；若入湖河流執(zhí)行GB 3838—2002中湖泊標準限值，湖區(qū)水質指標總體優(yōu)于入湖河流水質，但對于入湖河流而言，這種管控要求存在過保護的問題.

c) 以GB 3838—2002湖泊ρ(TP)、ρ(TN)各類別標準限值為目標值試算入湖河流水質控制限值，其中ρ(TP)、ρ(TN)Ⅲ類限值分別為0.075和1.20 mgL，其結果既能保證湖泊水質達標，又不會造成河流氮磷水質限值過于嚴格，建議可作為解決入湖氮磷污染控制問題的參考.