王世強，石偉，歐陽虹，邱小琮，趙增鋒，李延林

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021；2.銀川市水產(chǎn)技術(shù)推廣服務(wù)中心，寧夏 銀川 750001；3.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

濕地作為水陸相互作用的綜合體，具有水文調(diào)節(jié)和凈化的功能[1-2].近些年來由于自然環(huán)境的變化及人為的高強度開發(fā)已經(jīng)破壞了濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，進而引發(fā)濕地水質(zhì)惡化、面積萎縮[3].生態(tài)補水是一種生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)方法，可以稀釋水體中污染物含量，改善濕地生態(tài)環(huán)境[4-5].建立水質(zhì)-水量模型，合理進行補水調(diào)度以滿足湖泊的水量和水質(zhì)要求，對湖泊濕地的生態(tài)修復(fù)意義重大.對于水量、水質(zhì)結(jié)合分析的研究最早開始于20世紀80年代，國外學(xué)者Loftis等[6]為解決湖泊調(diào)度問題，分析了水質(zhì)、水量二者間的聯(lián)系，建立了水資源優(yōu)化模型.Mehrez等[7]根據(jù)不同水質(zhì)分質(zhì)供水的角度，建立了水量水質(zhì)非線性規(guī)劃模型.Azevedo 等[8]在流域的水資源管理中提出并應(yīng)用了水資源質(zhì)、量一體化的管理理念.可見，國外在進行水資源水量調(diào)度時已逐漸將水質(zhì)考慮進來.在借鑒國外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)開始重視對水量水質(zhì)聯(lián)合分析，開展了很多研究.如董增川等[9]為研究補水對太湖水質(zhì)的影響，構(gòu)建了水量水質(zhì)模擬調(diào)度模型.李紅艷等[10]在對扎龍濕地總氮、 總磷進行模擬研究時建立了水量-水質(zhì)耦合模型.羅鴻兵等[11]采用景觀用水法和一維水量-水質(zhì)模型估算了新圳河河道的生態(tài)補水量.周文琦等[12]建立了研究區(qū)域MIKE11的水量-水質(zhì)耦合模型，進行生態(tài)補水方案研究模擬，分析了不同補水方案下化學(xué)需氧量、氨氮、總磷削減率及流速分布變化,進而得出不同生態(tài)補水方案效果.目前國內(nèi)許多學(xué)者通過數(shù)學(xué)、物理模型將水量、水質(zhì)進行聯(lián)合分析，在水資源調(diào)度、水污染治理方面已經(jīng)取得了較大進展.

當前星海湖濕地在生態(tài)改善、水產(chǎn)養(yǎng)殖、濕地保護、旅游休閑等方面起著重要作用[13]，但伴隨著星海湖生態(tài)環(huán)境功能的開發(fā)利用，水環(huán)境也受到了一定程度的污染，主要是湖庫周圍的城鎮(zhèn)生活類污染、大氣降塵，以及附近的水產(chǎn)養(yǎng)殖和工業(yè)廢水排放所致[14].目前關(guān)于星海湖的研究多集中在水環(huán)境質(zhì)量評價及污染源分析方面[15-17]，而對于滿足不同水質(zhì)目標的生態(tài)補水來改善其水環(huán)境質(zhì)量的研究鮮見報道.為保證星海湖濕地水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展，本文基于2017年在星海湖采集的水樣檢測數(shù)據(jù)，對星海湖水環(huán)境主要水質(zhì)指標進行分析，建立水量-水質(zhì)模型，計算星海湖達到不同水質(zhì)目標所需補水量，以期為星海湖水環(huán)境質(zhì)量改善及生態(tài)系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

星海湖位于寧夏石嘴山市境內(nèi)，是全區(qū)重要保護濕地[18-19].近幾年星海湖濕地面積縮減嚴重，目前水域面積僅23.42 km2,平均水深約 1.8 m.區(qū)域年均降水量僅173 mm，多集中在6～9月份，而蒸發(fā)量高達到1 756 mm[20].星海湖年均降水蒸發(fā)分配情況見表1.星海湖補水主要通過黃河補水和少部分地下水補水，黃河補水量年均2 357萬m3，地下水補給年均401萬m3，湖泊水量基本不外排，沒有出水[21].近年來隨著星海湖周圍開發(fā)利用，湖泊水量減少，水環(huán)境受到一定程度的污染，水質(zhì)變得越來越差.

表1 星海湖年均降水量與蒸發(fā)量的分配情況

1.2 采樣點布設(shè)

根據(jù)星海湖周邊污染源分布情況,綜合考慮湖面呈長窄形態(tài)分布特點及湖水水深變化幅度較小的水力特征,在其南域、中域、北域共布設(shè)4個采樣點，分別位于進水口(Ⅰ)、湖中心1(Ⅱ)、湖中心2(Ⅲ)、出水口(Ⅳ)，具體位置見圖1.

圖1 星海湖采樣點位分布示意圖Figure 1 Schematic distribution of sampling points in Xinghai Lake

1.3 水樣采集與測定

按照HJ495-2009《水質(zhì)采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定》要求，于2017年每月采集水樣一次，進行檢測分析.

參考楊海江等[22]關(guān)于星海湖水質(zhì)特征分析及濕地周圍的生活污染、工廠污染情況，本文選擇溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、重鉻酸鹽指數(shù)(CODCr)7個水質(zhì)指標進行相關(guān)研究分析.DO測定采用電化學(xué)探頭法(HJ506-2009)，NH3-N測定采用納氏試劑分光光度法測定(HJ535-2009)，TN測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ632-2012)，TP測定采用鉬酸銨分光光度法(HJ670-2013)，CODMn測定采用高錳酸鉀法(GB11892-89)，BOD5測定采用稀釋與接種法(HJ505-2009)，CODCr測定采用重鉻酸鹽法(HJ828-2017).

1.4 研究方法

1.4.1 主成分分析法 主成分分析法是將多因子納入同一個系統(tǒng)，從而找出影響較大的關(guān)鍵因子[23].在具體研究分析過程中，主成分分析可以用于評價各單項指標在綜合指標中所起作用的大小.本次研究基于2017年各月份在4個采樣點采集的水樣檢測數(shù)據(jù)平均值，采用主成分分析，以累積方差貢獻率大于85%提取出主成分，旋轉(zhuǎn)后因子載荷值大于0.6篩選出影響星海湖水環(huán)境質(zhì)量的主要因子[24].

1.4.2 水質(zhì)-水量模型構(gòu)建 參考劉靜玲等[25]提出的水量平衡原理和湖泊污染物質(zhì)量守衡原理建立湖泊的水質(zhì)模型，其中WR為所要求的引水量.

ΔCi=Ci-Cs

(1)

ΔVi=WPi+WRi+WLi-WEi-WGi

(2)

WPiCPi+WRiCRi+WLiCLi=ΔCiVi+WEiCEi+KCFiVi

(3)

式中：Ci為實測質(zhì)量濃度，mg/L；Cs為補水達到的目標質(zhì)量濃度，mg/L；△Ci為第i月湖泊補水后污染物的質(zhì)量濃度變化值；ΔVi為湖泊第i月的蓄水變化量，m3；K為污染物的降解系數(shù)；Vi為第i月湖泊的平均蓄水量，m3；WPi、WRi、WLi、WEi、WFi、WGi分別為第i月湖泊的湖面降水量、引水量、地下水補水量、湖面蒸發(fā)量、滲漏量和出口排水量，m3；由于星海湖由于基本水量不外排，故WGi為0；CPi、CRi、CLi、CEi、CFi分別為第i月湖泊的上述各對應(yīng)水量中所含污染物的質(zhì)量濃度，mg/L.

(1) 湖泊水量約束條件：

|ΔVi|≤Vu-Vl

Vl≤Vi≤Vu

(4)

式中：Vl、Vu分別為湖泊蓄水量的上、下限值，由湖面平均面積和水深變化值確定，m3.

(2)求解邊界條件：

各污染指標濃度變化僅僅與流入、流出的水中所含污染物有關(guān)，實測各月湖泊蒸發(fā)的水量中含各污染物濃度CEi很低，取為0；湖面天然降雨的水質(zhì)(CPi)為Ⅰ類水，黃河引水經(jīng)處理后水質(zhì)(CRi)為Ⅱ類，CFi為各月份湖泊滲漏水所含污染物的濃度即各污染指標達到要求水質(zhì)目標的濃度.

本文采用主成分分析法篩選出星海湖水環(huán)境主要污染因素，確定出主要考慮的污染指標，通過水量-水質(zhì)模型計算出湖泊主要污染指標濃度達到不同水質(zhì)目標下的允許濃度值時所需補水量.

目標一：水質(zhì)能繼續(xù)保持現(xiàn)狀的補水量，Cs以實測污染因子濃度計算；目標二：水質(zhì)級別達到地表水水質(zhì)標準中規(guī)定的Ⅳ類的補水量，Cs以Ⅳ類水為標準的污染因子允許濃度計算；目標三：水質(zhì)級別達到地表水水質(zhì)標準中規(guī)定的Ⅲ類水的補水量，Cs以Ⅲ類水為標準的污染因子允許濃度計算.

2 結(jié)果與分析

2.1 星海湖水環(huán)境因素分析

于2017年各月采集水樣，實測得到星海湖各月不同水質(zhì)指標濃度平均值見表2.對星海湖4個采樣點的7個水質(zhì)指標實測數(shù)據(jù)進行主成分分析，結(jié)果見表3.分析提取了兩個主成分F1、F2，累計貢獻率大于85%.其中F1的貢獻率為69.738%，反應(yīng)了原始指標的絕大部分信息，包含的指標中TP、TN、CODMn具有較大荷載，說明星海湖受N、P污染及有機物污染較嚴重.F2的貢獻率為17.07%，包含的指標中CODCr具有較大荷載，主要反映的是星海湖有機物污染水平.

表2 星海湖各月水質(zhì)指標實測質(zhì)量濃度平均值

本文以TN、TP、CODCr和CODMn4個污染物指標作為星海湖補水稀釋凈化的主要對象，計算不同水質(zhì)目標下4個污染指標的稀釋所需水量，分析比較找出影響星海湖補給水量大小的主要污染物.

2.2 不同水質(zhì)目標下星海湖生態(tài)補水量

依據(jù)2017年星海湖濕地實地調(diào)查資料，通過公式(1)、(2)、(3)及約束條件聯(lián)立計算星海湖不同水質(zhì)目標下各月生態(tài)補水量.降解系數(shù)K取值參考有關(guān)降解系數(shù)研究[26-27]， TN和TP的K值取0.01 d-1，CODMn和 CODCr的K值取0.004 d-1.星海湖水質(zhì)保持現(xiàn)狀、達到Ⅳ類水標準、達到Ⅲ類水標準的引水量計算結(jié)果見表4～6，取稀釋4種污染指標濃度達到目標水質(zhì)標準的最大引水量為該水質(zhì)目標下所需補水量.

表3 主成分分析及因子旋轉(zhuǎn)荷載矩陣

由表4可知，當星海湖水質(zhì)保持現(xiàn)狀，即各污染指標的濃度值保持當前穩(wěn)定狀態(tài)時，稀釋4種污染物指標TN、TP、CODCr和CODMn全年所需補水量分別為4 888、4 327、7 420、5 981萬m3.其中稀釋污染物指標CODCr達到標準濃度所需的各月引水量比TN、TP和CODMn達到標準濃度的各月引水量大，故星海湖水質(zhì)保持現(xiàn)狀時所需的引水量由污染物指標CODCr決定，全年引水量為7 420萬m3；各月引水量中最大的是5月，為1 176萬m3；最小的是1月，為115萬m3.

表4 星海湖水質(zhì)保持現(xiàn)狀各月引水量計算結(jié)果

由表5可知，當星海湖水質(zhì)標準達到《地表水水質(zhì)標準》中規(guī)定的Ⅳ類水時，4種污染物指標TN、TP、CODCr和CODMn全年所需補水量分別為5 178、3 683、12 496、7 358萬m3.其中3～12各月份稀釋污染物指標CODCr濃度值達到Ⅳ類水標準所需引水量均比TN、TP和CODMn要求的引水量大，而1月和2月稀釋污染物指標CODMn達到標準時所需引水量最大，分別為198萬m3和362萬m3.由此可知水質(zhì)標準達到《地表水水質(zhì)標準》中規(guī)定的Ⅳ類水時所需的引水量由污染物指標CODCr和CODMn決定，全年所需的引水量為12 496萬m3.各月引水量中最大的是4月，為2 175萬m3；最小的是1月，為124萬m3.

表5 星海湖水質(zhì)達到Ⅳ類水時各月引水量計算結(jié)果

由表6可知，當星海湖水質(zhì)達到地表水水質(zhì)標準中規(guī)定的Ⅲ類水時，4種污染物指標TN、TP、CODCr和CODMn全年所需補水量分別為6 571、6 446、15 244、10 928萬m3.其中稀釋污染物指標CODCr濃度達到Ⅲ類水標準的各月所需引水量比污染物指標TN、TP和CODMn濃度達到標準的引水量大，故星海湖水質(zhì)達到地表水水質(zhì)標準中規(guī)定的Ⅲ類水時所需的引水量由污染物指標CODCr決定，全年引水量為15 244萬m3.各月引水量中最大的是5月，為2 398萬m3；最小的是1月，為234萬m3.

比較計算得出的星海湖保持現(xiàn)狀水質(zhì)、達到Ⅳ類和Ⅲ類水時所需各月補水量可知， 當保持星海湖現(xiàn)狀水質(zhì)時各月份所需補水量均小于達到Ⅳ類的補水量，這表明星海湖當前水質(zhì)較差，低于Ⅳ類水標準.各水質(zhì)目標下的各月補水量時間差異性均較大，變化明顯，總體表現(xiàn)為 4、5、6、7、8月份所需補水量較大， 1、2、11、12月份所需補水量較少.造成這種差異的原因可能是4、5、6、7、8月份處于春夏期，農(nóng)田灌溉集中，水中藻類及附近水產(chǎn)養(yǎng)殖的生物開始大量繁殖，再加上很多工廠也開始在春季進行集中生產(chǎn)，導(dǎo)致水體營養(yǎng)鹽污染及有機污染加重，所需補水量較大.

表6 星海湖水質(zhì)達到Ⅲ類水時各月引水量計算結(jié)果

3 討論

星海湖水環(huán)境因素分析結(jié)果表明，主要超標的水質(zhì)指標為TN、TP、CODCr和 CODMn.劉陽[28]也曾對星海湖水質(zhì)污染源進行調(diào)查，認為星海湖近幾年主要是外源大量N、P元素流入湖中造成的營養(yǎng)物質(zhì)污染以及周圍的生活廢水、工業(yè)生產(chǎn)廢水排入造成的有機污染.本研究分析得出的主要超標污染指標與湖泊周邊存在的污染源情況相符合，研究結(jié)果較準確.可見，減少N、P及有機物排入是改善星海湖水環(huán)境污染的關(guān)鍵.

本研究中4種不同污染指標稀釋到同一水質(zhì)目標濃度所需水量差異較大，且各月所需水量大小也有明顯差別.萬芳等[29]在研究烏梁素海生態(tài)補水時提出在不同時間、不同污染指標稀釋所需水量會表現(xiàn)出一定差異性，在進行補水時需要綜合考慮補水的時間變化情況及滿足主要污染指標稀釋補水量，進行科學(xué)有效的補水.

研究表明，當星海湖水質(zhì)保持現(xiàn)狀及Ⅲ類水時所需的補水量由污染物指標CODCr決定,全年共需補水量分別為7 420、15 244萬m3；當星海湖水質(zhì)達到地表水水質(zhì)標準中規(guī)定的Ⅳ類時所需的補水量由污染物指標CODCr和CODMn決定，全年共需引水量為12 49 6萬m3，與N、P相比，有機污染物凈化稀釋所需水量是造成星海湖補水量大的主要原因.這種差異產(chǎn)生的原因可能是由不同污染物在水體中的擴散過程不同，水體對不同污染指標的稀釋降解能力不同所致.

4 結(jié)論

1) 星海湖水環(huán)境污染主要是大量N、P元素及有機物排入星海湖中造成水體營養(yǎng)鹽超標和有機污染，主要污染物指標為TN、TP、CODMn、CODCr.

2) 不同污染物指標需要凈化稀釋的補水量差異較大，與N、P營養(yǎng)鹽超標凈化稀釋所需水量相比，有機污染物的凈化降解是造成星海湖補水量大的主要原因，補水量應(yīng)以滿足水體有機物含量達標為主要標準.

3) 星海湖對不同污染指標的稀釋補水量差異較大，時間變化性明顯，應(yīng)以主要污染指標的稀釋降解進行補水以改善水環(huán)境質(zhì)量.由生態(tài)補水量計算結(jié)果看，若保持水質(zhì)現(xiàn)狀時，應(yīng)以稀釋降解CODCr為主，全年補水量不應(yīng)小于7 420萬m3；若以Ⅳ類為水質(zhì)標準時，應(yīng)以稀釋降解CODMn和CODCr為主，全年補水量不應(yīng)小于12 496萬m3；若以Ⅲ類為水質(zhì)標準時，應(yīng)以稀釋降解CODCr為主，全年補水量不應(yīng)小于15 244萬m3.