孫玉瑩, 陳煉鋼, 陳少穎, 徐祎凡, 姜克芳, 金 秋

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210029; 2.江蘇省水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210017; 3.江蘇省城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)規(guī)劃研究中心, 江蘇 南京 210000)

1 研究背景

水環(huán)境容量是水污染控制和環(huán)境管理的一個重要指標(biāo),是在滿足水體特定功能的情況下水體承載污染物的能力,同時也是總量控制的基礎(chǔ)條件[1],該指標(biāo)能夠?yàn)榄h(huán)境管理部門因地制宜地制定符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的水質(zhì)目標(biāo)與排放標(biāo)準(zhǔn)提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)[2]。人類活動及區(qū)域氣候變化對湖庫水質(zhì)的影響逐漸加劇,水質(zhì)污染已成為湖庫管理中亟待解決的問題,因而對湖庫水環(huán)境容量的精準(zhǔn)計(jì)算顯得尤為重要[3]。

目前,關(guān)于水環(huán)境容量的核算方法在國內(nèi)外已有豐富的研究成果,Chen等[4]提出了在水文信息匱乏地區(qū)計(jì)算水環(huán)境容量的解決方案;Wang等[5]利用機(jī)器學(xué)習(xí)輔助進(jìn)行了流域尺度的水環(huán)境容量核算;Li等[6]利用零維水質(zhì)模型對洋河水庫水環(huán)境容量進(jìn)行了估算,基于水動力水質(zhì)模型的湖庫水環(huán)境容量核算方法在國內(nèi)的杞麓湖[7]、鄱陽湖[8]、太湖[9]、湛江灣[10]、彩云湖[11]等湖庫得到了廣泛應(yīng)用,但計(jì)算所用參數(shù)大都以年為單位,未考慮到水環(huán)境容量的年內(nèi)動態(tài)變化。陳江海[12]對不同時空尺度下水環(huán)境容量評估的差異進(jìn)行了分析,指出現(xiàn)有的靜態(tài)水文設(shè)計(jì)條件選擇方式易造成“過保護(hù)”等問題;崔嵩等[13]與Ma 等[14]分別針對不同河網(wǎng)建立水動力與水質(zhì)耦合模型對水環(huán)境容量進(jìn)行了逐月動態(tài)計(jì)算,結(jié)果表明入湖流量的動態(tài)變化對河流水環(huán)境容量影響較大,豐水期與枯水期存在顯著差異;陶亞等[15]通過季節(jié)性分析發(fā)現(xiàn)水文氣象條件與河流徑流量存在顯著正相關(guān)關(guān)系,從而使同一河段在不同時期的水環(huán)境容量呈現(xiàn)出動態(tài)變化的特征;宋澤峰等[16]通過對農(nóng)田面源污染來源的研究發(fā)現(xiàn),大氣干濕沉降對面源污染具有較大貢獻(xiàn);Chen等[17]將氮沉降監(jiān)測資料與半分布式模型相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)氮沉降是重要的氮源。

總結(jié)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),水環(huán)境容量與入湖流量的動態(tài)變化、水文氣象條件及大氣干濕沉降等因素密切相關(guān),已有研究提出有針對性的流域分區(qū)管理的思路[18],但目前將全要素考慮在內(nèi)的湖庫水環(huán)境容量核算模型較少。此外,現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)[19]所規(guī)定的湖庫水環(huán)境計(jì)算方法僅對于入庫徑流量中所攜帶的入湖負(fù)荷、污染物綜合衰減系數(shù)以及不均勻混合系數(shù)作出了明確規(guī)定,還存在針對性不足的問題[20],在實(shí)際應(yīng)用中可能導(dǎo)致水環(huán)境治理的精準(zhǔn)施策出現(xiàn)偏差。且目前湖庫水環(huán)境容量核算的研究多針對某一特定流域開展,研究目標(biāo)集中于提高結(jié)果的準(zhǔn)確性,對于計(jì)算模型的普適性及各因素對計(jì)算結(jié)果的影響方面研究較少。因此很有必要建立基于全要素考量的模型來量化不同因子對水環(huán)境容量計(jì)算值的影響,對重要性強(qiáng)的因子應(yīng)予以重視,以保障環(huán)境容量核算的精度。

本研究以太湖流域大溪水庫為例,綜合考慮影響湖庫水環(huán)境容量的各種因素(包括湖庫入庫徑流量、庫面蒸發(fā)、大氣干濕沉降、庫區(qū)降水、沉降自凈、水溫波動、不均勻混合及庫容變化等全要素),建立逐日動態(tài)模型對水環(huán)境容量進(jìn)行核算,對不同影響因素進(jìn)行定量分析,從中確定影響水環(huán)境容量的主要因素,為完善水環(huán)境容量核算方法和提高核算精度提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與計(jì)算模型

2.1 研究區(qū)域概況

大溪水庫位于江蘇省溧陽市的太湖流域西區(qū)南河水系天目湖流域,其集水面積約為90 km2,常水位為12～14 m(青島黃海基面),最大水深為8 m,水面面積約為12 km2,總庫容為1.128×108m3。水庫于1960年6月建成﹐是一座以防洪、城鎮(zhèn)供水、灌溉為主的大型水庫[21],也是太湖流域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。當(dāng)?shù)貧夂驗(yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,每年的6—8月為豐水期,該時段內(nèi)降水量約占常年總降水量的42%;每年10—翌年2月為枯水期,該時段內(nèi)降水量占常年總降水量的24%左右;每年3—5月以及9月為平水期,該時段內(nèi)降水量約占常年總降水量的34%。大溪水庫入庫水量主要補(bǔ)給源是流域降水和地表徑流,最大入庫河流為西南部的洙漕河。大溪水庫水質(zhì)主要受上游來水影響[22],2015—2020年庫內(nèi)水體中高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)、氨氮(NH3—N)、總磷(TP)濃度均值分別為2.95、0.89、0.09、0.02 mg/L,目前水庫的水質(zhì)管理目標(biāo)為全庫Ⅱ類,主要超標(biāo)因子為TN[23]。因此本文選擇TN作為大溪水庫水環(huán)境容量的代表水質(zhì)因子。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)資料包括大溪水庫水文、水質(zhì)及庫容面積曲線,其中,水文數(shù)據(jù)(水位、流量、降水、蒸發(fā))來源于水文年鑒,為1978—2018年逐日序列數(shù)據(jù);水質(zhì)數(shù)據(jù)(水溫、TN濃度)來源于大溪水庫水質(zhì)監(jiān)測站,包括大溪水庫取水口、庫中、上游3個站點(diǎn)2015—2020年的逐周監(jiān)測數(shù)據(jù),主要用于模型驗(yàn)證;大氣沉降數(shù)據(jù)為中田舍流域2014—2020年實(shí)測數(shù)據(jù),計(jì)算均值后代入大氣干濕沉降負(fù)荷量方程進(jìn)行計(jì)算。

2.3 容量計(jì)算模型與參數(shù)取值

2.3.1 容量計(jì)算模型 建立能反映所有影響因素的二維分區(qū)逐日水量、水質(zhì)動態(tài)平衡模型,對大溪水庫水環(huán)境容量影響因素進(jìn)行定量分析。

分區(qū)逐日水量平衡計(jì)算公式為:

(1)

分區(qū)逐日水質(zhì)模擬模型計(jì)算公式包括公式(2)～(4),其中污染物質(zhì)量平衡由公式(2)進(jìn)行計(jì)算,入湖徑流污染負(fù)荷量由公式(3)進(jìn)行計(jì)算,大氣干濕沉降負(fù)荷量由公式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

(3)

(4)

對湖庫水量、水質(zhì)數(shù)據(jù)采用分區(qū)逐日水量平衡計(jì)算公式進(jìn)行長系列計(jì)算,并結(jié)合分區(qū)逐日水質(zhì)模擬模型進(jìn)行驗(yàn)證,針對設(shè)計(jì)水文條件的代表系列,按水環(huán)境容量逐日計(jì)算公式(5)進(jìn)行連續(xù)計(jì)算。

(5)

2.3.2 混合區(qū)劃分 湖庫相較于河網(wǎng)來說水面面積更大,因此具有水體流速、環(huán)流形態(tài)以及自凈能力時空分布不均勻等特點(diǎn)。若將湖庫視為一個均勻分布的整體,并使用零維模型對水環(huán)境容量進(jìn)行核算,結(jié)果通常難以準(zhǔn)確反映污染物的實(shí)際容許狀態(tài)[24],因此常規(guī)方法是采用非均勻系數(shù)[25]來修正不均勻混合對湖庫水環(huán)境容量的影響,然而,將全湖庫作為整體計(jì)算得到的水環(huán)境容量無法支撐起流域污染總量的分區(qū)控制。

為科學(xué)反映水環(huán)境容量受湖庫水質(zhì)不均勻混合的影響,將大溪水庫水域劃分為主湖區(qū)和湖濱混合區(qū)[26],再根據(jù)入庫河流的分布和湖庫岸線的特征,將湖濱混合區(qū)進(jìn)一步劃分為5個子區(qū)域:洙漕河區(qū)、洙漕河?xùn)|區(qū)、大溪東南區(qū)、大溪東北區(qū)、大溪西區(qū)。通過各分區(qū)之間的通量交換,可以精確地計(jì)算出大溪水庫全湖和混合區(qū)各子區(qū)域的水環(huán)境容量。結(jié)合實(shí)地考察與模型的調(diào)整與計(jì)算,確定湖濱混合區(qū)占大溪水庫水域總面積的比例為20%;根據(jù)陸域集水面積和岸線特征,確定5個混合區(qū)子區(qū)域的面積比為9∶2∶3∶3∶3。

2.3.3 設(shè)計(jì)水文條件選擇 根據(jù)大溪水庫流域1978—2018年長序列的逐日降水量監(jiān)測數(shù)據(jù),流域多年平均降水量約為1 251 mm,其中2010—2015年的平均降水量約為1 278 mm,與長系列平均值基本一致,可以反映出大溪水庫降水量的多年動態(tài)變化特征,故以2010—2015年的逐日動態(tài)水文數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)水文條件進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 大溪水庫設(shè)計(jì)水文條件

2.3.4 綜合降解系數(shù) 水體中微生物及水生植物的存在使得氮素在進(jìn)入湖體后會經(jīng)過一個沉降自凈的過程,動態(tài)容量解析模型中需要率定的與自凈有關(guān)的參數(shù)為綜合降解系數(shù)K,該系數(shù)綜合反映了氮素在進(jìn)入水體后通過反硝化作用等來降低污染物濃度的能力[27],受水溫的影響較大,通常水溫對綜合降解系數(shù)的影響可用下式計(jì)算:

Kt=k20·α(t-20)

(6)

式中:Kt為水溫為t℃時的綜合降解系數(shù),d-1;k20為水溫為20 ℃時的綜合降解系數(shù),d-1,經(jīng)率定得出大溪水庫TN的k20為0.007 5 d-1;α為水溫修正系數(shù),取值為1.08。

2.4 模型驗(yàn)證結(jié)果

對大溪水庫選取2010—2018年水量數(shù)據(jù)開展逐日動態(tài)模擬計(jì)算驗(yàn)證水量平衡,庫水位驗(yàn)證結(jié)果見圖1(a);以2015—2018年逐周水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),驗(yàn)證分區(qū)逐日水質(zhì)模型的準(zhǔn)確性,水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果見圖1(b)。由圖1可見,庫水位的實(shí)測值與模擬值變化過程相吻合,決定系數(shù)R2達(dá)到0.98(圖1(a)),說明構(gòu)建的分區(qū)逐日水量平衡模型能有效反映水庫蓄水量的動態(tài)變化過程;TN濃度的實(shí)測值與模擬值變化過程基本一致,決定系數(shù)R2為0.79(圖1(b)),說明所建分區(qū)逐日水質(zhì)模擬模型能合理反映庫區(qū)水質(zhì)的長系列動態(tài)變化,可用于大溪水庫水環(huán)境容量的解析。

圖1 模型水量與水質(zhì)模擬結(jié)果驗(yàn)證

3 影響因素重要性分析方法

湖庫動態(tài)水環(huán)境容量主要影響因素源于模型中所考慮的各項(xiàng)參數(shù),基于水環(huán)境容量逐日動態(tài)計(jì)算模型開展研究,考慮的綜合因素包括湖庫徑流變化、庫面蒸發(fā)、大氣干濕沉降、庫區(qū)降水、沉降自凈、水溫波動、不均勻混合、庫容變化和水質(zhì)目標(biāo)。為探索各因素對水環(huán)境容量的影響,對模型中所考慮的各因素運(yùn)用控制單一變量的方法進(jìn)行定量分析。按照輸入狀態(tài)可將其分為物理因子、計(jì)算參數(shù)和水庫管理目標(biāo),針對不同的因素采取不同方法進(jìn)行對比。

3.1 物理因子

(1)入庫徑流量是模型計(jì)算的主體,不同來水年型及徑流的年內(nèi)分配能夠體現(xiàn)徑流量的變化狀態(tài),因此選擇通過比較不同來水年型水環(huán)境容量的差異來分析入庫徑流量對水環(huán)境容量的影響,并分析年內(nèi)水量分配的影響。

(2)水溫影響水體中營養(yǎng)鹽的化學(xué)反應(yīng)過程及生物的降解過程,從而間接影響水環(huán)境容量。對水溫影響的估算可采用固定的溫度數(shù)值作為輸入條件,本研究將固定水溫選為20 ℃,將固定水溫下與水溫波動情況下的水環(huán)境容量進(jìn)行對比,分析水溫波動對容量的影響情況。

(3)大氣干濕沉降是面源污染的一個重要來源,庫面蒸發(fā)和庫區(qū)降水是水量平衡中的重要影響因子,也是容量計(jì)算中的重要輸入條件,但在目前水環(huán)境容量計(jì)算中這3個因素常被忽視,因此選擇將不考慮對應(yīng)因素時的環(huán)境容量核算結(jié)果作為基準(zhǔn)情景,對比分析各因素對水環(huán)境容量的影響。其中庫區(qū)降水對水量平衡的影響極大,且與大氣干濕沉降密切相關(guān),為排除沉降等因素對庫區(qū)降水影響的干擾,設(shè)置兩組計(jì)算方案,如表2所示。

表2 庫面降水討論方案設(shè)計(jì)

將兩組方案計(jì)算結(jié)果分別與基準(zhǔn)情景進(jìn)行對照分析,則方案1和方案2各自計(jì)算結(jié)果與基準(zhǔn)情景計(jì)算結(jié)果偏差值的差值即為庫區(qū)降水的影響程度。

3.2 計(jì)算參數(shù)

在本研究所應(yīng)用的參數(shù)中,可率定的參數(shù)為綜合降解系數(shù)K和混合區(qū)占比,其中綜合降解系數(shù)中又包含水溫為20 ℃時的綜合降解系數(shù)k20和水溫修正系數(shù)α。在設(shè)計(jì)水文條件下,對參數(shù)選用蒙特卡洛方法(Monte Carlo method)進(jìn)行5 000次均勻抽樣,分析參數(shù)變化對水環(huán)境容量的影響。

3.3 水庫管理目標(biāo)

水質(zhì)目標(biāo)管理[28]與水量目標(biāo)管理[29-30]是目前流域水環(huán)境管理中常用的兩種模式。研究區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)結(jié)合《常州天目湖保護(hù)條例》中相關(guān)規(guī)定,將TN的水質(zhì)目標(biāo)設(shè)置為全湖Ⅱ類和主湖區(qū)Ⅱ類,對應(yīng)的TN濃度為0.5 mg/L,其中全湖Ⅱ類為模型設(shè)置的基準(zhǔn)情景。

水量目標(biāo)管理依賴于水位調(diào)控,受庫區(qū)管理范圍征地與移民限制。長期以來大溪水庫設(shè)計(jì)功能效益無法正常發(fā)揮,難以滿足周邊社會、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境的需求,急需提升大溪水庫蓄水量。根據(jù)最新批復(fù)“大溪水庫汛限水位由12.00 m恢復(fù)為除險(xiǎn)加固確認(rèn)的汛限水位14.00 m,非汛期控制水位相應(yīng)地由13.00 m調(diào)整為14.00 m”,在原有研究基礎(chǔ)上將水位抬高2 m,分析新的水量控制目標(biāo)下大溪水庫的水環(huán)境容量變化情況。

4 結(jié)果與分析

4.1 基準(zhǔn)水環(huán)境容量

基于建立的大溪水庫容量計(jì)算模型,設(shè)置模型基準(zhǔn)情景為考慮所有輸入因子及計(jì)算參數(shù),水質(zhì)目標(biāo)設(shè)定為全湖Ⅱ類。按設(shè)計(jì)水文條件長系列逐日計(jì)算后取均值作為多年平均來水條件下大溪水庫TN水環(huán)境容量(以下簡稱TN容量)的基準(zhǔn)值,結(jié)果見表3,其中洙漕河控制單元的TN容量為9.18 t,占全流域的46.53%。

取Lut-SD和Lut-PC-SD，在同一條件下比較體外溶出情況，結(jié)果見圖7。Lut-SD在120 min內(nèi)的溶出速率及累積溶出率均高于Lut-PC-SD，120 min之后Lut-PC和Lut-PC-SD中的Lut均可基本溶出完畢。

表3 多年平均來水條件下大溪水庫流域TN容量基準(zhǔn)值 t

基準(zhǔn)情景下大溪水庫年內(nèi)逐月降水量和TN容量如圖2所示。由圖2可知,豐水期、平水期、枯水期的月均TN容量分別為3.72、1.64、0.40 t,月TN容量的最大值在7月份,最小值在1月份,TN容量與流域降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2為0.86。

圖2 基準(zhǔn)情景下大溪水庫年內(nèi)逐月降水量和TN容量

4.2 物理因子的影響

(1)入庫徑流量的影響。入庫徑流量呈動態(tài)變化狀態(tài),不同來水年型TN容量及入庫徑流量與基準(zhǔn)值偏差見表4。由表4可以看出,不同來水年型下TN容量隨入庫徑流量的不同存在明顯差異,豐水年、平水年、枯水年TN容量分別為26.45、19.81、16.27 t,與基準(zhǔn)值偏差分別為34.06%、0.41%、-17.54%,入庫徑流量與基準(zhǔn)值相比分別偏差38.26%、2.28%、-22.55%。相比較而言,豐水年與枯水年TN容量的偏差小于相應(yīng)來水年型入庫徑流的偏差,受入庫徑流量的影響較大。

表4 不同來水年型TN容量及入庫徑流量與基準(zhǔn)值偏差

不同來水年型條件下大溪水庫年內(nèi)逐月TN容量與入庫徑流量如圖3所示。

圖3 不同來水年型大溪水庫年內(nèi)逐月TN容量與徑流量

由圖3可知,入庫徑流量的年內(nèi)分配狀態(tài)與TN容量的變化趨勢基本一致,表現(xiàn)為豐水期徑流量大、TN容量大,枯水期徑流量小、TN容量小。

(2)庫面蒸發(fā)的影響。在多年來水條件下對不考慮庫面蒸發(fā)影響時的水環(huán)境容量進(jìn)行核算,蒸發(fā)量的去除首先會對水量平衡的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響,不考慮蒸發(fā)量時庫水位的驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)生了較大偏差,模型模擬水位與實(shí)測水位的相關(guān)系數(shù)R2由0.98降低至0.62。TN容量核算結(jié)果為22.88 t,與基準(zhǔn)值相比偏大15.97%,其主要原因是不考慮蒸發(fā)時庫內(nèi)蓄水量增大,使水庫內(nèi)可以容納的污染物總量相應(yīng)增加。

(3)大氣干濕沉降的影響。若不考慮大氣干濕沉降,多年來水條件下大溪水庫的TN容量為24.64 t,與基準(zhǔn)值相比偏大24.89%。由此可見,對于湖庫這類水面面積較大的水域,大氣干濕沉降對其水環(huán)境容量的影響不可忽視,否則可能會造成過高的污染負(fù)荷流入湖庫內(nèi)部使其產(chǎn)生大面積的污染,影響水環(huán)境整體的平衡性以及水質(zhì)目標(biāo)。

(4)水溫波動的影響。若不考慮水溫變化,利用固定數(shù)據(jù)計(jì)算得到的多年來水條件下TN容量為18.54 t,與基準(zhǔn)值相比偏小6.03%。

(5)庫區(qū)降水的影響。按照表2中的兩種設(shè)計(jì)方案對庫區(qū)降水影響程度進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明,方案1、方案2的TN容量分別為27.94、22.25 t,比基準(zhǔn)值分別增大了41.61%、12.77%。方案1與方案2的偏差值之差為28.84%,即不考慮庫區(qū)降水時,大溪水庫TN容量減小了28.84%。

各物理因子與TN容量的線性相關(guān)系數(shù)如表5所示。

表5 各物理因子與大溪水庫TN容量的線性相關(guān)系數(shù)

綜合分析各物理因子對應(yīng)容量核算結(jié)果的偏差程度及其與TN容量的線性相關(guān)系數(shù)R2可知,入庫徑流量與TN容量核算結(jié)果的相關(guān)性最強(qiáng),徑流量與設(shè)計(jì)水文條件下偏差越大,其TN容量的偏差值也越大?；鶞?zhǔn)情景設(shè)計(jì)水文條件下庫區(qū)降水對容量核算結(jié)果偏差值的影響最大,其次為大氣干濕沉降,考慮的沉降量越多,TN容量越小;庫面蒸發(fā)量對TN容量核算結(jié)果偏差值的影響及線性相關(guān)系數(shù)均較小;在物理因子中固定的水溫對TN容量計(jì)算結(jié)果的影響最小,且受降解等物理化學(xué)反應(yīng)的影響,水溫波動與TN容量之間并非簡單的線性關(guān)系。

4.3 計(jì)算參數(shù)的影響

(1)綜合降解系數(shù)的影響。經(jīng)率定,大溪水庫流域基準(zhǔn)情景中k20為0.007 5 d-1,對k20取值為0～0.015 d-1時利用蒙特卡洛均勻分布進(jìn)行計(jì)算,得出TN容量范圍為14.36～24.26 t,與基準(zhǔn)值偏差-27.22%～22.96%,k20取值與TN容量的關(guān)系曲線如圖4(a)所示,兩者接近線性相關(guān)關(guān)系?？梢姾斓淖詢裟芰κ怯绊懰h(huán)境容量大小的一個重要因素,其取值是否合理將對湖庫水環(huán)境管理決策的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響,如果對湖庫的水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行逐日監(jiān)測較為困難,可考慮利用具有代表性的常數(shù)進(jìn)行計(jì)算,盡量減小水體沉降自凈帶來的影響。

圖4 各計(jì)算參數(shù)與TN水環(huán)境容量關(guān)系曲線

(2)水溫修正系數(shù)的影響。以水溫修正系數(shù)α=1.08為基準(zhǔn),對溫度系數(shù)取值為1.0～1.5進(jìn)行計(jì)算,得出TN容量范圍為18.54～30.01 t,與基準(zhǔn)值偏差-6.03%～52.10%。水溫修正系數(shù)α取值與TN容量的關(guān)系曲線如圖4(b)所示。

(3)混合區(qū)面積占比系數(shù)的影響?；鶞?zhǔn)情景中混合區(qū)面積占比為0.2,利用動態(tài)模型對混合區(qū)面積占比進(jìn)行重新計(jì)算,在其取值范圍為0.05～0.50時,對應(yīng)的TN容量范圍為19.07～20.80 t,與基準(zhǔn)值偏差-3.35%～5.42%。另外,若考慮取消混合區(qū)設(shè)置,利用均勻混合模型對TN容量進(jìn)行核算,則結(jié)果為27.54 t,與基準(zhǔn)模型相比偏大39.58%?；旌蠀^(qū)面積占比與TN容量的關(guān)系曲線如圖4(c)所示,兩者基本接近線性相關(guān),并且混合區(qū)面積占比越大,則TN容量越大。上述結(jié)果表明,在計(jì)算大面積湖庫的水環(huán)境容量時,需要設(shè)置污染混合區(qū),以確保流入湖庫的總污染物控制在湖庫的實(shí)際污染承載力范圍之內(nèi)。

因以上3個參數(shù)的率定范圍不一致,為統(tǒng)一對比標(biāo)準(zhǔn),對各計(jì)算參數(shù)在相應(yīng)基準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上分別變化 5%、 10%與 20%,核算TN容量相比基準(zhǔn)值的偏差百分比,結(jié)果如表6所示。由表6可知,水溫修正系數(shù)對TN容量的影響最大,混合區(qū)面積占比影響最小。

表6 各計(jì)算參數(shù)不同幅度變化對應(yīng)的TN容量相比基準(zhǔn)值的偏差百分比 %

4.4 水庫管理目標(biāo)的影響

大溪水庫流域水質(zhì)管理目標(biāo)為主湖區(qū)Ⅱ類時,庫區(qū)多年平均TN容量為55.91 t,比基準(zhǔn)值偏大183.38%。可見水質(zhì)管理目標(biāo)直接影響水環(huán)境容量的大小,對流域水環(huán)境管理具有決定性的作用。根據(jù)大溪水庫最新調(diào)控方案將庫水位抬高2 m后,計(jì)算得出的TN年容量為21.33 t,比基準(zhǔn)值偏大8.11%?？梢姾侠碚{(diào)控水位能夠使湖庫水質(zhì)狀況得到改善,該方法可為湖庫管理部門在制定水環(huán)境管理策略上提供新思路。

5 討 論

目前在湖庫水環(huán)境容量的計(jì)算中,計(jì)算模型中所考慮的因素往往不夠全面,針對這一問題,本研究綜合考慮所有影響水環(huán)境容量的因素建立了逐日動態(tài)模型,并對各因素按照物理因子、計(jì)算參數(shù)以及水庫管理目標(biāo)進(jìn)行分類,針對不同類別的影響因子采取不同對比方式進(jìn)行定量分析。

在所有因素中,水庫管理目標(biāo)中的水質(zhì)管理目標(biāo)對大溪水庫TN容量核算結(jié)果的影響最大,這與李靜等[31]對不同水質(zhì)目標(biāo)下居延海(東)水環(huán)境容量分析所得結(jié)論相吻合。水量目標(biāo)管理對TN容量核算結(jié)果的影響與水質(zhì)管理目標(biāo)相比較小,但在湖庫的水位調(diào)控與運(yùn)行管理過程中也要科學(xué)合理地進(jìn)行考量。

物理因子中入庫徑流量的變化是影響湖庫水環(huán)境容量的一個重要因素,這與崔嵩等[13]的研究成果一致。徑流量年際、年內(nèi)的豐枯變化顯著影響著水環(huán)境容量的大小,入庫徑流量越大,則水環(huán)境容量越大;若不考慮水量的動態(tài)變化過程,仍將以年為單位進(jìn)行靜態(tài)核算的結(jié)果作為水環(huán)境保護(hù)工作的依據(jù),對于以面源輸入為主的湖庫型流域的水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果將產(chǎn)生明顯偏差[12]。其他因素中庫面蒸發(fā)與庫區(qū)降水對水環(huán)境容量核算的影響也不容忽視,其實(shí)質(zhì)是通過影響水量平衡過程對最終計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響,不考慮庫面蒸發(fā)時,湖庫內(nèi)水量增加,相應(yīng)的容量也增大;不考慮庫區(qū)降水時,湖庫內(nèi)水量減少,相應(yīng)的容量也減小。在庫區(qū)降水的定量分析過程中,通過兩組方案與基準(zhǔn)情景的對比可以看出,庫面蒸發(fā)與庫區(qū)降水之間存在一種互相抵消的過程,即方案2中同時去除庫面蒸發(fā)、大氣沉降和庫區(qū)降水的影響時,TN容量與基準(zhǔn)值的偏差值較僅去除庫面蒸發(fā)和大氣沉降的方案1偏差減小,因此,在降水與蒸發(fā)資料缺乏時,可以選擇同時不考慮二者影響,利用二者相抵消的特性來提高計(jì)算精度。

模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了大氣干濕沉降是湖庫非點(diǎn)源污染的重要來源,對水環(huán)境容量的影響程度較大,這與宋澤峰等[16]的研究結(jié)果一致。湖庫水溫的波動是另一重要因素,固定的溫度輸入條件使TN水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果明顯小于基準(zhǔn)情景下的計(jì)算結(jié)果,這是因?yàn)榇笙畮炝饔虻呢S水期為每年的6—8月,該時段水溫通常高于設(shè)定的固定溫度20 ℃,而較適宜的高水溫有利于水體中污染物的降解自凈[32]。

計(jì)算參數(shù)中與水溫相關(guān)的參數(shù)有水溫為20 ℃的綜合降解系數(shù)k20與水溫修正系數(shù)α,兩個參數(shù)與核算結(jié)果均為正相關(guān)關(guān)系,并且水環(huán)境容量受水溫修正系數(shù)α的影響更大,因此在計(jì)算過程中應(yīng)更加重視該參數(shù)的率定工作?；旌蠀^(qū)面積占比的變化對核算結(jié)果的影響較小,但若完全不考慮混合區(qū)的作用也是不可取的,因此在計(jì)算時需要對混合區(qū)占比進(jìn)行合理劃分。

6 結(jié) 論

本文基于構(gòu)建的水環(huán)境容量逐日動態(tài)計(jì)算模型,量化分析了物理因子、計(jì)算參數(shù)、水庫管理目標(biāo)3類影響因素對湖庫TN水環(huán)境容量核算值的影響。主要結(jié)論如下:

(1)綜合考慮影響湖庫水環(huán)境容量的所有因素計(jì)算得到的大溪水庫TN年容量基準(zhǔn)值為19.73 t,TN容量與流域降水量存在顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2為0.86。

(2)物理因子中入庫徑流量與TN容量核算結(jié)果相關(guān)性最強(qiáng),基準(zhǔn)情景設(shè)計(jì)水文條件下庫區(qū)降水對TN容量核算結(jié)果偏差值的影響最大,其他因素對TN容量的影響也不容忽視。計(jì)算參數(shù)中水溫修正系數(shù)α對容量核算結(jié)果的影響最大,綜合降解系數(shù)k20次之。水庫管理目標(biāo)中的水質(zhì)管理目標(biāo)對TN容量的影響最大,而且是所有因素中對TN容量影響最大的因子。

(3)本研究明確了各影響因素改變后對水環(huán)境容量核算結(jié)果的影響程度,可為精確核算水環(huán)境容量提供依據(jù),為數(shù)據(jù)缺乏地區(qū)構(gòu)建水環(huán)境容量計(jì)算模型時選取關(guān)鍵影響因子提供參考,還可為環(huán)境管理部門的科學(xué)決策提供依據(jù)。