千岛湖现状污染负荷分析与限制排污总量研究

张红举,彭树恒,周 娅,袁洪州,陈江海

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京 210008;2.太湖流域管理局水利发展研究中心,上海 200434; 3.太湖流域水资源保护局,上海 200434;4.中国国际工程咨询公司,北京 100044;5.上海勘测设计研究院,上海 200434)

千岛湖现状污染负荷分析与限制排污总量研究

张红举1,2,3,彭树恒4,周 娅3,袁洪州5,陈江海5

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京 210008;2.太湖流域管理局水利发展研究中心,上海 200434; 3.太湖流域水资源保护局,上海 200434;4.中国国际工程咨询公司,北京 100044;5.上海勘测设计研究院,上海 200434)

根据千岛湖水质现状和水功能区划,确定2015年和2020年千岛湖水质保护目标的污染物浓度,核算现状污染负荷量。将现状CODMn、NH3-N和TP污染负荷量作为千岛湖CODMn、NH3-N和TP的纳污能力,即千岛湖湖区CODMn、NH3-N和TP指标纳污能力分别为16420t/a、2225t/a和434 t/a。采用狄龙模型核算千岛湖TN指标的纳污能力,2015年千岛湖TN质量浓度目标值为0.88 mg/L,对应湖区限排总量为3468t/a；2020年将千岛湖TN质量浓度目标值进一步提高至0.8 mg/L,此时对应湖区TN限排总量为3176 t/a。

纳污能力；限排总量；水功能区；狄龙模型；千岛湖

1 千岛湖概况及研究意义

千岛湖(新安江)是我国长三角地区最大的淡水人工湖和重要的水源地,集水面积10 442 km2,正常水位108 m时,库容178.4亿m3,水域面积580 km2。新安江发源于安徽省黄山市休宁县,干流全长约359km,是入千岛湖的最大河流,其入湖水量约占总入湖水量的60%以上。新安江流域多年平均天然径流量(地表水资源量)126.7亿m3,其中年均入千岛湖水量115.2亿m3。新安江流域示意图见图1。

千岛湖的生态战略地位极为重要,是我国现阶段不可多得且亟须保护的水生态区域之一。近年来随着工业化、城镇化进程的加速,污染物排放总量不断增加,千岛湖水质面临严峻挑战。仅靠常规的防治措施,难以改变污染总量增加和水质变差的趋势。如果任其发展,难免重蹈“先污染、后治理”的覆辙。要保证千岛湖的水质不再恶化,有必要提出明确的水质目标,并在此基础上核算污染物限排总量。

图1 新安江流域示意图

2 千岛湖现状水质

根据浙江省水文局监测数据,2008—2010年千岛湖CODMn为Ⅰ类,DO为Ⅰ～Ⅱ类,TP为Ⅱ类,TN为Ⅲ～Ⅳ类(表1),主要超标指标为TN。TN是千岛湖的首要污染物,其次是TP,而CODMn、NH3-N、DO造成的污染较小,它们的水质类别基本上都是Ⅰ类。可见,保护千岛湖水质的首要工作是控制TN的排放,降低TN的质量浓度,提高TN的水质类别。

表1 2008—2010年千岛湖主要水质指标年均质量浓度及水质类别

3 千岛湖水功能区划与水质保护目标

3.1 水功能区划

根据国务院批复的《全国重要江河湖泊水功能区划》(国函[2011]167号),千岛湖水功能区划分为3个：新安江水库淳安饮用水水源区,水质保护目标为Ⅱ类;新安江水库淳安渔业用水区,水质保护目标为Ⅲ类;新安江水库景观娱乐用水区,水质保护目标为Ⅲ类(表2)。

3.2 水质保护目标

根据千岛湖现状水质以及GB3838—2002《地表水环境质量标准》,确定CODMn、NH3-N、TP和TN为千岛湖污染物控制指标。千岛湖现状CODMn、NH3-N的水质类别为Ⅰ类,TP为Ⅱ类,已符合水功能区水质目标要求,故直接采用近3年(2008—2010年)水质指标的平均质量浓度作为近期(2015年)水质保护目标。TN指标现状水质为Ⅲ类,未达到水功能区水质目标要求。Ⅱ类水质对TN质量浓度的最低要求为0.5 mg/L,2015年实现的难度较大。综合考虑水质目标可达性,2015年TN质量浓度保护目标设为0.88 mg/L;远期(2020年)CODMn、NH3-N、TP等指标的质量浓度继续保持,TN质量浓度在2015年基础上进一步提高至0.80 mg/L。见表3。

表2 千岛湖(新安江水库)水功能区划

表3 千岛湖近远期水质保护目标

4 千岛湖现状污染负荷量

4.1 工业污染源

根据浙江省环保厅汇报材料《千岛湖流域污染物排放情况及趋势》,2010年淳安县59家重点企业和其他非重点污染源COD排放量为561.4 t,NH3-N排放量为44.6 t。其中千岛湖镇为主要工业发展区,企业较集中,规模相对较大,是工业污染物排放的主要地区。

4.2 生活污染源

生活污染源分为城镇生活污染源和农村生活污染源。参照《2009年淳安统计年鉴》中千岛湖周边乡镇人口统计数据,采用当量法计算污染物排放量。千岛湖周边乡镇包括：汾口镇、浪川乡、姜家镇、梓桐镇、界首乡、鸠坑乡、威坪镇、宋村乡、金峰乡、左口乡、临岐镇、富文乡、文昌镇、千岛湖镇、石林镇、里商乡、安阳乡、大墅镇、枫树岭镇。

4.2.1 城镇生活污染

淳安县总人口452718人,城镇人口76 256人,其中千岛湖周边乡镇城镇人口74 891人。城镇生活污染物入湖量通过人均产污当量确定,CODMn的产污当量为18.7～28.0 kg/(a·人),NH3-N的产污当量为3.1～5.2 kg/(a·人),TP的产污当量为0.4～0.6 kg/(a·人),TN的产污当量为7.5～10.0 kg/(a·人)[1]。根据计算,城镇生活污染物中CODMn、NH3-N、TP和TN的入湖量分别为2097 t/a、389 t/a、37.45 t/a和656 t/a。

4.2.2 农村生活污染

淳安县农业人口376462人,其中千岛湖周边乡镇农业人口317 262人。农村生活污染量的计算以人均产污当量为基础,同时根据农业生活污染排放实际情况确定污染物综合入湖系数。农村生活污染源中,CODMn的产污当量为17.3～26.2 kg/(a·人),综合入湖系数为0.68;NH3-N的产污当量为3.1～5.2 kg/(a·人),综合入湖系数为0.70;TP的产污当量为0.4～0.6 kg/(a·人),综合入湖系数为0.52;TN的产污当量为7.4～9.8 kg/(a·人),综合入湖系数为0.64[1]。根据计算,农村生活污染物中CODMn、NH3-N、TP和TN的入湖量分别为5652t/a、1155t/a、82.49 t/a和1746 t/a。

4.3 农村面源

4.3.1 化肥施用

千岛湖周边乡镇农作物播种面积为39268.3hm2,区域内磷流失量以1.2kg/(hm2·a)计,氮流失量以23.4 kg/(hm2·a)计。根据计算,湖区周边乡镇因农药化肥施用产生的TP、TN流失量为47.12 t/a和919 t/a,入湖量为24.50 t/a和588 t/a。

4.3.2 畜禽养殖

根据年鉴资料,以乡镇为基本单元统计千岛湖禽畜养殖量。千岛湖周边乡镇年养殖牛1 981头、生猪282 449只、羊2 276头、家禽337 773羽、兔2584只。各类畜禽排泄量当量见表4。其中兔排泄物中的主要污染物含量参考家禽排泄量当量。

表4 污染负荷模型各类禽畜排泄量当量取值范围[1]kg/a

根据计算,千岛湖周边乡镇畜禽养殖产生的CODMn、NH3-N、TP和TN入湖量分别为7 693 t/a、578 t/a、283.06 t/a和786 t/a。

4.4 旅游人口

千岛湖旅游经济迅速发展,2010年接待游客突破350万人次,旅游人数以350万人/a计,游客平均滞留时间以2d计,千岛湖旅游人口所致的CODMn、NH3-N、TP和TN入湖量分别为305t/a、56t/a、4.99 t/a和107 t/a。

4.5 围网养殖

湖区围网养殖会污染水体。根据调查,千岛湖湖区2011年底将保留33.3 hm2网箱用于鱼种养殖和科研养殖,其余133.3 hm2养殖网箱全部退出千岛湖。因此,现状湖区围网养殖面积约167 hm2。水产养殖中,CODMn的产污当量为670.5～1 012.8 kg/(a·hm2),NH3-N的产污当量为14.0～23.4 kg/(a·hm2),TP的产污当量为7.9～12.1 kg/(a·hm2),TN的产污当量为85.6～114.5 kg/(a·hm2)。根据计算,千岛湖围网养殖带来的CODMn、NH3-N、TP和TN排放量(入湖量)分别为112 t/a、2.32 t/a、1.32 t/a和14 t/a。

4.6 现状污染负荷汇总

综合千岛湖周边乡镇工业污染、生活污染、农村面源污染、旅游人口以及湖区围网养殖的排污,入千岛湖的CODMn、NH3-N、TP和TN现状污染负荷总量分别为16420 t/a、2225 t/a、434 t/a和3897 t/a。见表5。

表5 千岛湖现状污染负荷汇总t/a

5 纳污能力核算

5.1 CODMn、NH3-N、TP指标纳污能力

现状千岛湖水质指标中,CODMn、NH3-N和TP均已达到Ⅰ～Ⅱ类,符合水功能区水质目标要求。根据GB/T 25173—2010《水域纳污能力计算规程》,将现状CODMn、NH3-N和TP污染负荷量作为千岛湖CODMn、NH3-N和TP的纳污能力,千岛湖湖区CODMn、NH3-N和TP指标纳污能力分别为16420t/a、2225 t/a和433.81 t/a。

5.2 TN指标纳污能力

千岛湖TN质量浓度为0.98 mg/L,没有达到Ⅱ类水的要求。根据GB/T 25173—2010《水域纳污能力计算规程》,采用模型法计算TN的纳污能力。

国内不少学者和专家[2-6]开展了对湖泊和水库的纳污能力和污染物限排总量的相关研究,取得了一定的成果。最常用的纳污能力和污染物限排总量核算方法是狄龙模型法,例如：陈来华等[3]采用狄龙模型并结合水库质量平衡模型模拟预测杨溪水库的水质,计算出恢复目标水质所需削减的污染负荷值;陈永金等[4]应用狄龙模型对东平湖水环境容量进行了计算;彭贤则等[5]用狄龙模型计算出洪湖主要污染物CODMn、TN、TP的最大水环境容量以及洪湖水环境可承载能力范围内的生产、生活排污量。除了狄龙模型之外,一维模型、二维模型也被应用于计算河湖的纳污能力和限排总量。史晓新等[6]采用二维数学模型进行太湖纳污能力动态变化的模拟,得到了太湖纳污总量和逐月的量值。这些学者的研究方法和研究成果对笔者研究千岛湖污染物限排总量的核算有着很好的参考作用。

5.2.1 计算方法

按照GB/T 25173—2010《水域纳污能力计算规程》,选用湖库富营养化模型——狄龙模型,计算千岛湖现状超标的TN指标的允许入湖污染负荷量。

建立设定水文条件下湖库水域TN质量浓度与污染负荷的关系：

其中

式中：MN为氮的水域负荷量,t/a;Ls为单位湖(库)水面积氮的水域负荷量,g/(m2·a);A为湖(库)水面积,m2;H为对应计算水位的库区水深,m;Ps为湖(库)氮的年平均控制质量浓度,g/m3;Rp为氮在湖(库)中的滞留系数;Zout为污染物出湖(库)负荷量,t/a;Zin为污染物入湖(库)负荷量,t/a;β为水力冲刷系数,1/a;Qa为湖(库)年出湖水量,亿m3/a;V为湖(库)库容,亿m3。

5.2.2 计算条件

5.2.2.1 水文条件

计算湖区水域纳污能力,采用90%保证率下的最枯月平均水位或近10年最枯月水位作为计算水位。根据新安江电站提供的千岛湖湖区水位逐月过程资料,2001—2010年10年湖区最低水位为93.59 m,对应计算水位时库区平均水深为19.59 m。

5.2.2.2 计算库容和水库面积

由相关计算得出,千岛湖湖区在计算水位93.59m时对应的水库库容和水面面积分别为105.5亿m3和429.6km2。根据调研,在此水位条件下,湖区入湖水量约43.99亿m3,出湖水量约61.88亿m3。

5.2.2.3 滞留系数

千岛湖多年平均入湖水量115.16亿m3,其中安徽省入湖水量67.77亿m3,浙江省入湖水量47.39亿m3。根据水质监测数据,新安江街口断面带入湖区(即从安徽地区入湖)的TN约8 919 t/a。浙江地区河道带入的污染物主要由陆域排入,为避免重复计算,仅统计周边乡镇TN排入量,按3 897 t计。两者合计12816 t。根据千岛湖“大坝前”站点水质监测浓度以及出湖水量,出湖带出的TN约8752 t/a。则滞留系数RP为0.3171。

5.3 计算参数

各计算参数的数值分别为：水位L=93.59 m,水深H=19.59 m,库容V=105.5×108m3,水面面积A= 429.6 km2,入湖水量Qb=43.99×108m3,出湖水量Qa=61.68×108m3,滞留系数Rp=0.3171,水力冲刷系数β=0.5846 a-1。

5.4 计算成果

基于狄龙模型的千岛湖TN负荷与质量浓度关系见表6。TN为0.88mg/L条件下的千岛湖周边乡镇限排量为3468 t/a。

表6 基于狄龙模型的千岛湖TN负荷与质量浓度关系

5.5 合理性分析

根据狄龙模型测算结果,现状千岛湖湖区TN质量浓度为0.98mg/L时,周边乡镇TN排放入湖量为3852 t/a,这与TN现状调查统计数据3897 t/a接近,相差仅1%,说明模型符合实际,成果合理。

将采用等比例削减法的计算结果与采用狄龙模型的计算成果进行比较,两者基本接近(表7),说明成果较为合理。

表7 等比例削减法与狄龙模型的计算成果比较

5.6 限制排污总量

在千岛湖纳污能力核算结果的基础上,限制排污总量暂时定为其纳污能力的数值。2015年千岛湖CODMn、NH3-N和TP的限排总量,即其现状污染负荷量,分别为16420t/a、2225t/a和434t/a。TN的限制排污总量由狄龙模型计算得出,其中2015年千岛湖TN质量浓度目标为0.88 mg/L,对应湖区限排总量为3468t/a;2020年千岛湖TN质量浓度目标进一步提高至0.8mg/L,对应湖区限排总量为3176t/a。

6 结 语

经狄龙模型计算,要达到2015年水质目标,千岛湖CODMn、NH3-N、TP、TN的限制排污总量分别为16420 t/a、2 225 t/a、434 t/a、3 468 t/a。建议对千岛湖严格限制污染物排放,使不能超过污染物限排总量。

本研究基于现状污染排放量和狄龙模型对千岛湖纳污能力进行了初步核算。然而,任何模型都不能够完全地模拟出真实情况,具体的纳污能力需要经过更加严密的论证和核算得出。因此,对于千岛湖纳污能力和限排总量的研究需进一步开展,尤其是对TN纳污能力的研究,其核算结果越接近真实情况,对千岛湖水质的保护就越有力。

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Analysis of current pollutant loads and investigation of total pollutant discharge limits in Qiandao Lake

ZHANG Hongju1,2,3,PENG Shuheng4,ZHOU Ya3,YUAN Hongzhou5,CHEN Jianghai5
(1.Nanjing Institute of Geography and Limnology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China; 2.Water Resources Development Research Center,Taihu Basin Authority,Shanghai 200434,China; 3.Water Resources Protection Bureau of Taihu Basin,Shanghai 200434,China; 4.China International Engineering Consulting Corporation,Beijing 100044,China; 5.Shanghai Investigation,Design and Research Institute,Shanghai 200434,China)

Based on the current water quality and water function zones of Qiandao Lake,the pollutant concentrations that will meet the water quality requirements in 2015 and 2020 were determined,and the current pollutant loads were calculated.The current pollutant loads of CODMn,NH3-N,and TP were examined,in order to study the environmental capacity of the lake.The lake爷s capacities of CODMn,NH3-N,and TP,were 16 420 t per year,2 225 t per year,and 434 t per year,respectively.The Dillon model was used to calculate the pollutant capacity of TN in the lake.The results show that the target TN concentration will be 0.88 mg/L for the year 2015, and the corresponding total pollutant discharge limit will be 3 468 t per year.In the year 2020,the target TN concentration will decrease to 0.8 mg/L,and the corresponding total pollutant discharge limit will be 3 176 t per year.

water environmental capacity;total pollutant discharge limits;water function zones;Dillon model; Qiandao Lake

X824

A

10046933(2014)04005304

20130729 编辑：彭桃英)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.011

张红举(1977—),男,高级工程师,硕士,主要从事水资源规划研究。E-mail：zeusium@hotmail.com