基于BATHTUB模型的阳澄西湖入湖河道氮磷营养盐控制分析

吕 文，孙瑞瑞，王 诚，杨文晶，杨 惠，杨金艳，万荣荣

(1.江苏省水文水资源勘测局 苏州分局，江苏 苏州 215011； 2.中国科学院南京地理与湖泊研究所 流域地理学重点实验室，南京 210008)

0 引 言

随着长江三角洲地区工业化、城市化的快速发展，太湖流域河流、湖泊均受到不同程度的污染，尤其是湖泊富营养化[1]和蓝藻水华灾害[2]，导致太湖2007年贡湖水源地供水危机[3]。在流域人类活动的影响下，入湖河道带入的氮磷营养盐是湖泊富营养化的主要来源之一[4,5]。由于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[6]里缺失河流入湖水质中总氮的评价标准，河流、湖泊总磷控制指标标准不一，没有考虑地方性湖泊[7]特征，不利于入湖污染有效控制和湖泊水环境综合治理。引入湖库水质模型可以为水环境管理提供技术支持，如天津于桥水库饮用水源地保护方案[8]。本文依据阳澄西湖入湖河流监测数据及BATHTUB模型，模拟计算入湖河道水质与湖区水质的响应，提出湖泊上游入湖河道营养盐控制要求，为区域湖泊富营养化防治提供科学有效、切实可行的依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

阳澄湖是太湖流域平原上的第三大湖泊，地处苏州市相城区、工业园区和昆山市。其南北长约17 km，东西宽约11 km，湖中有两条东北～西南走向的狭长半岛，把阳澄湖分为东湖、中湖和西湖。本文研究区阳澄西湖约占总面积的26.89%，水位约为2.94 m，为主要进水受纳湖区，接纳入湖河道较多，从北至南河道主要有界泾、渭泾塘、中泾港等，水质监测站点分布见表1。

1.2 数据收集

收集阳澄西湖站点2016年8月～2017年7月降雨、水位数据，以及3个分区湖区总氮、总磷、叶绿素a、透明度等项目和入湖河道总氮、总磷、流量等水质数据(数据来源于江苏省水文水资源勘测局)。

表1 阳澄西湖及入湖河道监测点分布

1.3 BATHTUB模型与数据分析

BATHTUB ( 湖盆水质分析模拟程序) 是由美国陆军工程兵团(USACE) 水道试验站开发的经验水质模型，用于模拟湖泊和水库等稳态水体内营养物的平流和扩散传输过程，可以分析和预测由于自然和人为污染造成的水体富营养等相关水质状况(http://www.wwwalker.nct/bathtub/index.htm)。

2 结果与分析

2.1 BATHTUB模拟结果验证

2.1.1 参数率定

基于阳澄西湖北部、中部、南部3个分区，考虑各分区及支流的情况，不再对分区进行空间分段。由于阳澄湖水交换周期约为60 d，所以平均期选择为两月。根据2016年8月～2017年7月年降雨、水位及水质数据，选择水质模型，校正系数(表2)。

表2 BATHTUB模块模型选择及参数率定

2.1.2 模型率定与验证

利用监测资料对模型的适用性进行率定与验证。模拟计算阳澄西湖3个分区的总氮、总磷，并与监测数据进行对比，计算模拟结果与监测值间的相关系数(R2)(表3)。

2.2 模拟结果

2.2.1 河湖水质标准差异对湖泊水质的影响模拟

在《地表水环境标准》(GB 3838-2002)中，现有的湖泊与河流水质标准不一致，并缺失河流TN标准(表4)，入湖河流总磷执行《地表水环境标准》(GB 3838-2002)中河流总磷标准，计算对应的湖泊总磷浓度。

表3 BATHTUB模块模拟结果验证

表4 《地表水环境标准》(GB3838-2002)中湖泊的总氮和总磷浓度 /mg·L-1

阳澄西湖白荡、里塘河、北河泾等7条入湖河道执行河流总磷标准时，除河流水质为Ⅰ类时，湖区水质为Ⅱ类，湖区水质总磷达标外，其余湖泊水质总磷均超出水质目标。如河流为Ⅱ类时，湖泊水质对应为Ⅳ类；河流为Ⅲ类时，湖泊水质对应为Ⅴ类；河流水质为Ⅳ～Ⅴ类时，湖区水质对应为Ⅴ～劣Ⅴ类(表5)。

总之，只有阳澄西湖入湖河流执行河流总磷标准Ⅰ类时，西湖湖区水质才能达标；而执行河流总磷标准其他类别时，均不达标。因此，河、湖水质标准的差异造成入湖河流水质达标而湖泊水质不达标的现象，按照现行水质标准，达不到水源地水质保护的目标。

表5 执行河流水质总磷标准时对应的湖区总磷汇总表

2.2.2 方案一 ：执行湖泊总氮、总磷标准模拟结果

基于调试好的BATHTUB模型，将阳澄西湖白荡、里塘河、北河泾等7条入湖河道总氮、总磷执行现行湖泊水质标准总氮、总磷的标准，计算湖区对应的总氮、总磷(表6)，结果如下：

入湖河流总氮、总磷为Ⅰ类时，模拟计算的湖泊水质为Ⅰ类；入湖河流总氮、总磷为Ⅱ类时，湖泊水质为Ⅱ～Ⅲ类；入湖河流总氮、总磷为Ⅲ类时，湖泊水质为Ⅲ类；入湖河流总氮、总磷为Ⅳ类时，湖泊水质为Ⅲ～Ⅳ类；入湖河流总氮、总磷为Ⅴ类时，湖泊水质为Ⅲ～Ⅴ类。除了河流水质为Ⅱ类时，中部湖区湖泊水质为Ⅲ类之外，其余河流为Ⅰ、Ⅲ类时，湖泊水质对应为Ⅰ、Ⅲ类，模拟的湖泊水质类别与河流水质相对应，或者模拟的湖泊水质优于河流水质，如河流水质为Ⅳ～Ⅴ类时，北部湖泊总氮为Ⅲ类。总之，阳澄西湖入湖河流执行湖泊标准Ⅱ类时，阳澄西湖湖区水质基本能达标。

2.2.3 方案二 ：基于湖泊水质标准反推入湖河流总氮、总磷

以阳澄西湖水质标准(总氮、总磷)各类别为目标值，反推计算入湖河流水质指标(表7)，结果如下：湖泊总氮、总磷目标为Ⅰ类时，入湖河流对应要求为Ⅱ类；湖泊总氮、总磷目标为Ⅱ类时，入湖河流对应要求为Ⅲ类；湖泊总氮、总磷目标为Ⅲ类时，入湖河流对应要求为Ⅳ～Ⅴ类；湖泊总氮、总磷目标为Ⅳ类时，入湖河流对应要求为Ⅴ～劣Ⅴ类；湖泊总氮、总磷目标为Ⅴ类时，入湖河流对应要求为劣Ⅴ类。总之，依据阳澄西湖水质标准(总氮、总磷)各类别为目标值，反推入湖河流水质指标的限值相比湖泊的水质类别有所放宽。

表6 执行湖泊水质标准时对应的湖区水质汇总表

表7 基于湖泊水质标准反推入湖河流水质汇总表

注：水质类别以湖库水质标准划分。

3 结 论

由于河流与湖泊总磷的标准不一致，河流的水质标准比湖泊低，执行河流总磷Ⅱ类水标准时，对应湖区总磷为Ⅳ类，湖泊水质不达标。因此，提出两种方案，方案一为入湖河流执行现行湖泊水质标准，对应湖区水质基本能达标，并且湖区总氮均值为0.46 mg/L，优于限值0.50 mg/L；方案二为以现行湖泊水质标准反推的入湖河流水质限值，比方案一限值宽松，既能保证湖泊水质达标，又不会使河流水质标准过于严格。因此，方案二的结果可作为阳澄西湖水源地入湖河流营养盐控制的参考，即水功能区上游入湖河流总氮、总磷的控制指标(表8)，为阳澄西湖富营养化防治提供科学有效、切实可行的依据。

表8 阳澄湖水功能区水质达标控制方案 /mg·L-1