曹 楊 高 凡

（江蘇省徐州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 江蘇徐州 221000）

引言

湖（庫(kù)）按照規(guī)模大小、富營(yíng)養(yǎng)化程度、分層情況等因素劃分為不同的類型，不同類型的湖（庫(kù)）適用不同的數(shù)學(xué)模型計(jì)算其水域納污能力，非均勻混合模型適用于大中型湖庫(kù)；均勻混合模型適用于中小型湖庫(kù)；營(yíng)養(yǎng)化模型適用于營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)≥50 的湖庫(kù)[1～3]。云龍湖是徐州市重要的人工湖，近年來(lái)，有不少關(guān)于云龍湖水環(huán)境質(zhì)量的研究文獻(xiàn)[4～6]，但以上研究主要聚焦在水質(zhì)污染評(píng)價(jià)與底棲微生物方面，缺少關(guān)于水環(huán)境容量即水環(huán)境容量方面的探索。本文以水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)與水質(zhì)目標(biāo)達(dá)標(biāo)為前體，研究采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型對(duì)其水環(huán)境容量進(jìn)行測(cè)算，為云龍湖水環(huán)境質(zhì)量管理提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)域概況

云龍湖屬于典型城市淺水人工湖泊，是重要的旅游風(fēng)景區(qū)和休閑中心，以湖中路為界分為東湖和西湖，上游連接玉帶河、閘河、廢黃河、丁萬(wàn)河及京杭運(yùn)河不牢河段，下游經(jīng)奎河下泄洪水，向南流經(jīng)濉河入洪澤湖。云龍湖集水面積較小，在沒(méi)有暴雨的情況下，蓄水方式主要為補(bǔ)水，年補(bǔ)水量與年蒸發(fā)量相當(dāng)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，云龍湖湖區(qū)水域總面積約6.76km2，最大水深5.1m，平均水深約2.5m，按照湖（庫(kù)）類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬中小型湖（庫(kù)）。

2 水質(zhì)現(xiàn)狀

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法

監(jiān)測(cè)斷面：1# 東湖中心、2# 西湖中心；監(jiān)測(cè)方法：CODMn水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定（GB/T11892-1989）；NH3-N 水質(zhì)氨氮的測(cè)定納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）；TP 水質(zhì)總磷的測(cè)定鉬酸銨分光光度法（GB/T11893-1989）；TN 水質(zhì)總氮的測(cè)定性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636-2012）。

評(píng)價(jià)方法：采用均值法[7]評(píng)價(jià)水質(zhì)現(xiàn)狀，計(jì)算公式如下：

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：ρ（CODMn）在4.5～6.0mg·L-1之間，均值為4.8mg·L-1；ρ（NH4+-N）在0.047～0.6mg·L-1之間，均值為0.34mg·L-1；ρ（TP）在0.03～0.1mg·L-1之間，均值 為0.048 mg·L-1；ρ（TN）在0.71～2.21 mg·L-1之間，均值為1.07 mg·L-1。各監(jiān)測(cè)指標(biāo)最高值分別出現(xiàn)在1 月和9 月，其他時(shí)間監(jiān)測(cè)值較為平穩(wěn)，TP 濃度全年較平穩(wěn)，且保持較低水平；東湖中心水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果略好于西湖中心。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果：云龍湖水質(zhì)類別為地表水Ш 類，能夠達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)要求，水質(zhì)狀況整體較好，與張小明等[8]研究結(jié)果一致。當(dāng)?shù)卣肿⒅卦讫埡h(huán)境保護(hù)工作，2017 年專門頒布了《徐州市云龍湖水環(huán)境保護(hù)條例》，同時(shí)大力凈化云龍湖湖補(bǔ)水水源，以南望凈水廠供水為主要補(bǔ)水水源，補(bǔ)水水質(zhì)N，P 元素指標(biāo)甚至達(dá)到了地表水Π 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 水環(huán)境容量計(jì)算

3.1 研究方法

云龍湖水環(huán)境容量計(jì)算按照以下程序進(jìn)行，其中基礎(chǔ)資料分析內(nèi)容見(jiàn)章節(jié)1，技術(shù)路線基本步驟見(jiàn)圖1。

圖1 水環(huán)境容量計(jì)算技術(shù)路線

3.2 計(jì)算模型

不同水體在規(guī)模及水文條件方面有很大的差異，選取適用的核定方法得到的結(jié)果才具有科學(xué)合理性。一般，河網(wǎng)及中小型河流選取基于斷面達(dá)標(biāo)法或總體達(dá)標(biāo)法核定水環(huán)境容量；大型河流選取基于斷面達(dá)標(biāo)法或污染帶控制法核定水環(huán)境容量；中小型湖（庫(kù)）選取基于總體達(dá)標(biāo)法、斷面達(dá)標(biāo)法或污染帶控制法核定水環(huán)境容量；大型湖（庫(kù)）選取基于斷面達(dá)標(biāo)法或污染帶控制法核定水環(huán)境容量。本文使用中小型湖（庫(kù)）水環(huán)境容量核定方法[4]，見(jiàn)公式如下：

式中：W 為水環(huán)境容量，t/a；Q0為設(shè)計(jì)水文條件下的流量，m3/s；V 為設(shè)計(jì)水文條件下的水體體積，m3；Cs為功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，mg/L；C0為上游來(lái)水污染物濃度，mg/L；K 為污染物綜合降解系數(shù)，d-1；α 為不均勻系數(shù)。

3.3 設(shè)計(jì)水文條件

根據(jù)近10a 湖（庫(kù)）的水位實(shí)測(cè)資料最小月平均水位，或求得90%保證率的湖（庫(kù)）設(shè)計(jì)水位；利用湖（庫(kù)）水位-容積曲線得到設(shè)計(jì)水位下湖（庫(kù)）容積，從而求得湖（庫(kù)）設(shè)計(jì)水量值。根據(jù)相關(guān)資料研究結(jié)果[9][10]，云龍湖集水面積59.1km2，總庫(kù)容3330 萬(wàn)m3，水面面積6.76km2，利庫(kù)容905 萬(wàn)m3，汛限水位32.5m(故黃河標(biāo)高)，興利水位32.8m。為保護(hù)云龍湖，徐州市政府實(shí)施了控源截污、疏浚貫通以及生態(tài)修復(fù)等一系列措施，云龍湖不接納任何排水管道的排水，周邊排污單位污水全部進(jìn)污水處理廠處理后達(dá)到一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，徐州市水務(wù)部門自2011 年起對(duì)云龍湖實(shí)施大規(guī)模生態(tài)補(bǔ)水工程，補(bǔ)充水源為南望凈水廠凈化水，綜合補(bǔ)水量約為650 萬(wàn)m3/a，即0.2061m3/s，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 補(bǔ)水水質(zhì)

3.4 污染物綜合降解系數(shù)

水體中污染物有一定的自然降解能力，即污染物經(jīng)生物降解、物理沉降、化學(xué)反應(yīng)后自然消解，其降解過(guò)程可概括為污染物綜合降解系數(shù)。綜合降解系數(shù)的確定方法有很多，其中類比法是指將核定水域以往工作和研究中的污染物綜合降解系數(shù)值，經(jīng)過(guò)分析檢驗(yàn)后采用；無(wú)核定水域的資料時(shí)，可選擇與其水力特性、污染狀況及地理、氣象條件相似的有資料地區(qū)的污染物綜合降解系數(shù)值代替。本研究參考水質(zhì)綜合降解系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 綜合降解系數(shù)參考值

3.5 不均勻系數(shù)

污染物進(jìn)入水體后，一般很難在短距離內(nèi)達(dá)到全斷面均勻混合，即參與污染物稀釋降解的只是部分水體，需要對(duì)水環(huán)境容量結(jié)果進(jìn)行不均勻系數(shù)修正，不均勻系數(shù)取值范圍為0～1。影響不均勻系數(shù)的主要因素為水面面積，面積越大，不均勻系數(shù)值越小。湖（庫(kù)）不均勻系數(shù)參考值見(jiàn)表3。

表3 湖（庫(kù)）不均勻系數(shù)參考值

3.6 水環(huán)境容量核定

根據(jù)區(qū)域水資源量及水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，按照混合模型水環(huán)境容量核定方法估算區(qū)域總體水環(huán)境容量值，據(jù)此可判斷不同方法計(jì)算得到的水環(huán)境容量核定結(jié)果的合理性，混合模型水環(huán)境容量核定方法見(jiàn)公式（3）。

式中：W 為水環(huán)境容量，t/a；K 為污染物綜合降解系數(shù)，d-1；S為匯水區(qū)域面積，m2；H 為徑流深，m；Cs為區(qū)域水功能區(qū)劃總體水質(zhì)目標(biāo)，mg/L；C0為區(qū)域水質(zhì)濃度背景值，mg/L。

水環(huán)境容量結(jié)果見(jiàn)表4。云龍湖COD，NH4+-N，TP，TN 的水環(huán)境容量分別為2013，161，10.3，219t/a，與核算值的相對(duì)誤差低于20%，在合理區(qū)間范圍內(nèi)。計(jì)算得到水環(huán)境容量結(jié)果見(jiàn)表4。

表4

結(jié)語(yǔ)

（1）2020 年?yáng)|湖中心與西湖中心2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面顯示云龍湖水質(zhì)現(xiàn)狀為地表水Ш 類。COD，NH4+-N，TP，TN 的水環(huán)境容量分別為2013，161，10.3，219t/a。主要污染物來(lái)源為區(qū)域降水徑流，建議嚴(yán)格落實(shí)《徐州市云龍湖水環(huán)境保護(hù)條例》，同時(shí)，提升凈水廠脫氮除磷效果，確保補(bǔ)水水源水質(zhì)以保障云龍湖水質(zhì)能夠持續(xù)達(dá)標(biāo)。

（2）環(huán)境容量的計(jì)算模型有很多，不同的模型適用于不同的水體類型。對(duì)于某一特定水體，需在綜合調(diào)查分析水文條件、污染特征、水質(zhì)目標(biāo)的基礎(chǔ)上選擇與其想適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，才能科學(xué)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)水體污染物容量。