上海淀山湖水环境容量评估

王寿兵,马小雪,张韦倩,冯述青,杨天翔,樊正球(复旦大学环境科学与工程系,上海 200433)

淀山湖位于上海市青浦区西部,邻接江苏省昆山市和吴江市.湖体呈葫芦形,面积63.73km2,平均水深约2m,与黄浦江、吴淞江相通,是上海市重要的饮用水源保护区和生态涵养区.自2000年后,淀山湖水体富营养化程度急剧增加,藻类水华频发,对上海饮用水源地水质安全构成了巨大威胁.目前有关淀山湖氮、磷[1-5]、浮游植物[6-7]、叶绿素a[8-9]、水污染防治与生态修复等[10-12]方面的研究已开展了不少,但尚缺乏其最新环境容量[12]的评估研究.本文旨在评估不同水质目标情景下淀山湖对COD、TN和TP的最大容量,填补该方面研究的空白,为水污染控制和水质改善提供科学依据.

1 COD环境容量估算

1.1 估算模型

淀山湖是一个浅水湖泊,其湖区蒸发量与降水量大致相等、进、出水量相近[13],因此COD水环境容量采用进、出湖水量相等均匀混合易降解的水质数学模型进行估算.COD允许排放量计算采用沃伦威得尔(Vollenwelder)模型[14],计算方法如式(1)所示.

式中:W为湖泊水体有机污染物的最高允许排放量,g/d;△t为湖泊维持其设计水量的天数(或枯水时段天数),d;Cs为湖泊水体应执行的水质标准或该水质指标的目标控制浓度,mg/L;C0为湖泊的实测浓度,mg/L;V为湖泊的设计水量(设计库容或按死库容),m3;K为湖泊中有机物的综合衰减系数,d-1;q为安全库容期间湖泊平均每天的流出水量,m3/d.不考虑蒸发时,应等于入湖(库)废水量、入湖地表径流量与上游河道来水量之和.

式(1)中右边3项实际上分别为稀释容量、自净容量和迁移容量.在水质控制目标一定的情况下,W的大小实际上取决于水体现状浓度高低、湖库蓄水量、以及在安全库容期间,湖泊平均每天的流出水量3个参数的大小.

1.2 计算参数确定

1.2.1 △t本文按一般情况下的30d计算.

1.2.2 Cs为充分了解淀山湖水体在不同水质目标情景下的环境容量,共设置以下3种水质目标情景:

情景一:保持现状水质不再恶化,即水质控制目标等于现状水质.

情景二:达到上海市水环境功能区划要求,即达到II类水质目标.

情景三:达到饮用水源地最低水质目标要求,即达到III类水质目标.

1.2.3 C0根据青浦区环境保护局提供的数据,目前COD取年月平均值15.2mg/L,NH3-N取年月平均值1.4mg/L.

1.2.4 V 据国务院批复的《太湖流域水环境综合治理总体方案》[15],淀山湖水面积多年平均63.73km2,平均水深1.73m,按此计算,相应蓄水量约为1.1×108m3.

1.2.5 K K值的确定方法有试验法、反推法和类比法.本文采用类比法确定.综合考虑已有类似研究后[16-20],淀山湖CODcr的K值按保守的0.04 d-1进行估计.

1.2.6 q q按保守估计值为15.0×108m3,即平均4.11×106m3/d.

1.3 计算结果

情景一:在水质保持现状情况下,淀山湖总的COD环境容量为47213t/a,此时由于目标浓度与现状浓度相等,COD稀释容量为0.自净容量为24411t/a,表明在现状浓度条件下,淀山湖水体每年靠自净能力可以净化的COD量为24411t.迁移容量为22802t/a,表明在该水质目标下,每年下泄流量可带走22802t的COD.

表1 不同水质目标下淀山湖COD环境容量Table 1 The Dianshan Lake’s environmental capacities for COD under different scenarios of WQCTs

情景二:在水质目标为II类时,淀山湖总的COD环境容量为46325t/a,其中COD稀释容量为-268t/a,表明由于目前淀山湖水体浓度略高于水质目标,因此要让水质达标,还需要从水体中削减268t/a的COD.此时自净容量为24090t/a,迁移容量为22502t/a.

情景三:当COD水质目标为III类时,其理论环境容量将达到68547t/a.

2 TN、TP环境容量估算

2.1 估算模型

目前核算湖库TN、TP环境容量的模型较多,其中使用较多的有狄龙(Dillion)模型[16,18-22]、世界经济合作与发展组织(OECD)模型[20-21]、以及合田健模型等[21-24].其中狄龙模型比较适用于富营养化水体,合田健模型较适用于库湾型水体.为了全面了解淀山湖TN和TP环境容量,本文先利用3种模型进行计算,然后取其平均值作为最终评估结果.

(1)狄龙模型计算公式为:

式中:M为水体氮或磷的纳污能力,g/a;Ls为单位湖(库)水面积对氮或磷的纳污能力,g/(m2·a);A为计算时期湖(库)水面积,m2;Cs为湖(库)中氮或磷的年平均控制浓度(水质目标值),mg/L.为充分了解TN和TP在不同水质目标条件下的环境容量,本文共设置以下4种目标情景:

情景一:保持现状水质不再恶化,即水质控制目标等于现状水质.

情景二:达到上海水环境功能区要求,即达到II类水质目标.

情景三:达到饮用水源地最低水质目标要求,即达到III类水质目标.

情景四:达到IV类水质目标,文献[15]规定到2020年太湖湖体水质TN控制在IV类.

h为计算时期水域的平均水深,由计算时期的库容/水深面积得到,m;Q出为稳态时湖库的年出水量,m3/a,本文按保守估计的15.0×108m3进行计算(与前面COD容量计算保持一致);V为设计水文条件下的湖(库)容积,m3;R为氮、磷在湖(库)中的滞留系数,无量纲,一般用式(3)计算:

式中:W出和W入分别为年出、入湖(库)的氮、磷量(指通过各种途径带出湖体的量,包括水草打捞、捕鱼、下泄等带出的量),t/a.

在无法得知年进、出湖的氮、磷量时,可按式(4)进行估计:

由于Cs为定值,因此M的大小主要取决于Q出和R的大小.由式(4)可知,R的大小取决于Q出和A,因此,M的大小最终取决于Q出和A的大小.

(2)世界经济合作与发展组织模型法计算公式为:

式中:qs为湖泊单位面积的水量负荷,等于Q入/A,m/a,其他参数同前.

从长期看,淀山湖Q入与Q出基本相等,为此式(6)可变形为:

由于Cs为定值,因此M的大小主要取决于Q出和V的大小.

(3)合田健模型法计算公式为:

2.2 估算结果

2.2.1 TN 在水质保持现状条件下(情景一),淀山湖TN环境容量3种模型计算结果为7480.6～9704.8t/a,平均值8337.7t/a.在TN水质目标设定为II类时(情景二),环境容量在 1068.9～1386.4t/a 之间,平均值为1191.1t/a.水质目标为III类时(情景三),环境容量在2137.3～2772.8t/a之间,平均值为2382.2t/a.水质目标为IV类时(情景四),其环境容量为3206.0～4159.1t/a,平均值为3573.3t/a(表2).

表2 不同水质目标情景下淀山湖TN环境容量计算结果(t/a)Table 2 The Dianshan Lake’s environmental capacities for TN under different scenarios of WQCTs(t/a)

2.2.2 TP 在水质保持现状条件下(情景一),淀山湖TP环境容量3种模型计算结果为427.2～554.4t/a,平均值476.3t/a.在TP水质目标设定为II类时(情景二),TP环境容量在53.4～69.3t/a,平均值为59.5t/a.水质目标为III类时(情景三),其环境容量平均为106.8～138.6t/a,平均119.1t/a.水质目标为IV类时(情景四),其环境容量为213.7～277.3t/a,平均为238.2t/a(表3).

表3 不同水质目标情景下淀山湖TP环境容量计算结果Table 3 The Dianshan Lake’s environmental capacities for TP under different scenarios of WQCTs

3 结论

3.1 在保持现状浓度条件下,COD、TN和TP的环境容量分别为47213,8337.7,476.3t/a.

3.2 在水质控制目标为II类,即满足上海水环境功能区划要求时,COD、TN和TP的环境容量分别为46325,1191.1,59.5t/a,与情景一相比,除COD外,其余2项环境容量均有大幅度的下降,说明除COD现状浓度与II类水质目标较接近外,其余均有较大差距.

3.3 在水质控制目标为III类,即满足饮用水源地最低标准时,COD、TN和TP的环境容量分别为68547,2382.2,119.1t/a.各项指标较情景二均有较大幅度增加.

3.4 由于COD目前水质均好于IV类水,所以本文不为其设IV类水质目标情景.在IV类水质目标时,即达到国务院设定2020年太湖湖体水质TN控制目标时,TN、TP的环境容量分别为3573.3t/a和238.2t/a.

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