环太湖河流入湖水质控制浓度分析

张红举，甘升伟，袁洪州，徐 彬

(1.湖泊与环境国家重点实验室，江苏 南京 210008;2.太湖流域水资源保护局，上海 200434;3.太湖流域管理局水文水资源监测局，江苏 无锡 214024;4.上海勘测设计研究院，上海 200434)

2008年，国务院批复了《太湖流域水环境综合治理总体方案》(以下简称《总体方案》)，明确提出了太湖2012年和2020年水质保护目标[1]。由于太湖污染物主要来源于环湖河流[2-6]，因此，有必要根据太湖水质保护目标，研究提出环太湖河流入湖控制浓度，为落实太湖水功能区限制纳污红线、有效开展水环境综合治理提供管理依据。

1 太湖简介

1.1 自然概况

太湖位于长江三角洲南缘，地跨江苏、浙江两省及上海市，水面面积2 338 km2，是我国第3大淡水湖。太湖平均水深1.89 m，最大水深2.6 m，是一个大型浅水湖泊。湖盆呈浅碟形，南北平均长69 km，东西平均宽34 km，湖岸线总长405 km。

1.2 湖区及环湖河流现状水质

按照GB 3838—2002《地表水环境质量评价标准》，2010年太湖水质总体评价为劣Ⅴ类[7]，其中有0.3%水域水质为Ⅳ类，18.8% 为Ⅴ类，80.9% 为劣Ⅴ类，未达到地表水Ⅲ类标准的指标主要为TN、TP和BOD5。太湖各湖区中，西北部湖区水质较差，东部湖区水质相对较好，在空间分布上呈现出由北向南、由西向东水质逐渐变好的状态。其中五里湖、东部沿岸区、东太湖水质最好;竺山湖和西部沿岸区水质最差，总体为劣Ⅴ类。

太湖环湖地区主要包括江苏省的无锡、常州、宜兴、苏州4市及浙江省的湖州、长兴2市(县)。2010年，22条主要入湖河流中劣Ⅴ类河流有7条。其中，江苏省15条入湖河流中水质劣于Ⅴ类的有6条;浙江省7条入湖河流中水质劣于Ⅴ类的河流有1条(夹浦港)。2010年入湖河流的主要超标指标为 NH3-N、BOD5和 COD。

2 环太湖河道水质控制浓度研究

2.1 技术路线

以《总体方案》中确定的太湖2012年和2020年水质保护目标为基础，结合太湖现状水质，确定太湖各湖区水质保护目标。选择降雨典型年，采用太湖二维水量水质模型调算，获得在满足太湖湖区水质保护目标条件下，各湖区对应环湖河道水质浓度。在此基础上，结合河道水功能区划水质保护目标，综合确定环湖河道水质控制浓度。环太湖河道水质控制浓度计算技术路线见图1。

图1 环太湖河道水质控制浓度计算技术路线

2.2 水质保护目标

《总体方案》确定了太湖2012年、2020年水质保护目标[1](表1)。由于太湖属于大型宽浅湖泊，水质空间差异较大，西北部湖区水质较差，东部湖区水质相对较好，在空间分布上呈现出由北向南、由西向东水质逐渐变好的状态。因此，不同沿岸湖区对入湖河道水质要求也不相同，在《总体方案》提出的水质目标基础上，有必要根据现状水质按湖区面积加权试算，将总体水质目标分解至各湖区(图2)。

表1 太湖水质保护目标

图2 太湖水质保护目标湖区分解

在太湖设置33个浓度控制点(图3)，各分区浓度由相应控制点的浓度算术平均得到，太湖全湖平均浓度按分区面积加权平均得到。

图3 太湖浓度控制点分布示意图

2.3 计算方法

对太湖建立二维水量水质数学模型，基本方程组为

式中:Z为水位，m;t为时间，s;h为水深，m，h=Z-ZB，其中ZB为湖底高程，m;u为x方向分速度，m/s;v为y方向分速度，m/s;q为湖面降雨、蒸发及湖底渗漏等水量源汇项，m/s;f为柯氏加速度，f=2ωsinφ，其中，φ 为纬度，太湖可取北纬31°10’;ω 为地球自转速度，rad/s、Sfx、Sfy分别为 x、y 方向的切应力，N/m2。

太湖水质计算方程为

式中:ρ为某种水质指标的质量浓度，mg/L;Ex为x方向扩散系数，m2/s;Ey为y方向扩散系数，m2/s;S为某种水质指标的生化反应项，g/(m3·d);Sw为某种水质指标的外部源汇项，g/s;其他符号说明同前。

用1000 m×1000 m的正方形网格将太湖划分为2545个计算单元，根据环湖河道巡测站资料，将环湖河道概化为22条。

模型采用2002年环湖河流进出太湖湖体水量、湖面蒸发与降雨等资料率定。率定相对误差:ρ(CODMn)为 20%、ρ(NH3-N)为 50%、ρ(TP)为58%、ρ(TN)为 40%[8]，基本满足计算需要。

2.4 计算条件

2.4.1 设计水文条件

综合考虑环湖河流水质现状以及管理可操作性，采用1976年型(P=75%)降雨过程作为设计水文条件。1976年太湖流域年降水量为1 031.9 mm，降水频率为77.6%，属中等偏枯年份。该设计条件下，太湖全年入湖水量为81.5亿 m3，出湖水量为67.4亿m3。环太湖河流出入湖水量见图4。

图4 环太湖河流出入湖水量

2.4.2 水质参数

根据率定成果[8]，污染物 CODMn、NH3-N、TP、TN的综合降解系数分别为 0.005 d-1、0.025 d-1、0.04 d-1、0.006 d-1。

2.4.3 初始条件

根据近年来太湖水质状况，设定水质计算初始条件，计算初始水位取2.60m，计算时间步长取900s。

2.5 成果分析

2.5.1 计算结果

1976年型(P=75%)流域典型年条件下，2012年环太湖入湖河流CODMn控制质量浓度为4.5～6.0mg/L，2020 年为 4.0 ～5.5 mg/L。NH3-N 控制质量浓度 2012 年为 1.0 ～2.2 mg/L，2020 年为1.0 mg/L。TP 控制质量浓度 2012 年为 0.12 ～0.20 mg/L，2020 年为0.12～0.18 mg/L。TN 控制质量浓度2012 年为 2.8 ～4.5 mg/L，2020 年为 2.2 ～3.0 mg/L，详见表2。

根据各湖区对应河道现状水质(2000～2010年平均)分析，贡湖除望虞河以外其他河道，梅梁湖、竺山湖以及南太湖北部对应河道的入湖水质质量浓度削减较大(图5)。

2.5.2 合理性分析

太湖环湖河道水质控制浓度是开展太湖入湖污染总量控制的重要依据，有必要采用近年来实况入湖污染负荷进行合理性分析。2005年流域降雨频率为75%，入湖水量为79.1亿m3，与计算设计条件1976年型基本相当;2009年流域降雨量较大，降雨频率为19%，入湖水量达到107.7亿m3，属于入湖水量较大的年份。这两个年份在降雨频率和入湖水量上具有代表性。

表2 环太湖河道入湖水质控制质量浓度模型调算成果 mg/L

图5 环太湖河流现状水质质量浓度与控制质量浓度比较

将2005年、2009年实况出入湖水量，以及2012年环湖河道水质控制浓度作为边界输入太湖水质模型，计算结果见表3及图6。由表3及图6可以看出，2005年CODMn、NH3-N、TP、TN 等水质指标计算值均达到了太湖2012年保护目标;2009年除NH3-N指标略有超标以外，其他水质指标均满足太湖2012年保护目标。这说明在设计条件下调算的环湖河道控制浓度，基本能够满足实际太湖水质控制的要求。

表3 环湖河道控制浓度条件下太湖水质计算成果统计 mg/L

图6 环湖河道控制浓度条件下太湖湖区水质计算成果

3 结语

大型浅水湖泊的水质受汇入河流水质影响明显，控制入湖河流水质浓度是保护湖泊环境的重要手段。河道带入的污染物进入湖泊之后，由于混合、稀释、氧化还原以及生物转化等作用，部分污染物质将会降解，因此，当入湖河道浓度略高于湖泊水质保护目标时，湖泊水质也能达标。在目前河道水质超标较普遍，远未达到水功能区保护目标的条件下，合理论证入湖浓度是十分必要的。该研究以太湖二维水质模型为工具，通过调算来获得满足湖泊水质保护目标的河道入湖浓度，物理概念清晰，操作性强，可供其他地区借鉴。

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