平原河网湖荡区域水环境容量分析：以嘉兴北部地区为例

2020-03-20李昊璋张民曦袁静陈晓辉喻国良

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2020年1期

李昊璋，张民曦，袁静，陈晓辉，喻国良

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240)

水环境容量，也称为水环境承载力，是一定时间内某区域所能容纳的污染物数量，在西方国家称为最大日负荷总量(Total Maximum Daily Loads，TMDLs)或同化容量，即接受污染物的最大荷载，它是减少污染物排放和解决水生态问题的重要技术指标[1-2]。

目前，对于区域水环境容量的计算方法已开展了大量的研究，并取得了丰富的成果。早在1925年，美国工程师提出了研究生物需氧量和溶解氧的一维水质模型——Streeter-Phelps模型。20世纪70年代后期，计算机科技的发展和环境容量概念的引入，水环境容量计算中所用的水环境数学模型发展到WASP、HSPF、SWAT等大型综合模型软件阶段[3-5]，其中MIKE和Delft3D被广泛应用在河网地区的水环境质量评价项目中[6-8]。这些模型在应用时有明显的局限性。首先，模型需要大量的长期统计数据来校准各项参数，这对于一些缺乏降水、水质水文监测信息的偏远地区来说存在着应用障碍。其次，河网地区的水闸和泵站的存在增加了模拟结果的不确定性。对资料有限区域的水环境质量评价，例如零维模型、一维模型等基于基本理论的计算模型依然具有良好的适用性。水环境容量的计算，传统上是采用最枯月流量或流量最小月的平均流量作为设计水文条件，获得的结果代表年度水环境容量。然而，季节性变化的温度、降雨量对流域水动力和水环境有很重要的影响。如淀山湖湖体的总氮(TN)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)在春、夏两季差异明显[9]，太湖流域锡澄地区的TP呈现秋高、冬低的变化[10-12]。因此，需要对水域水环境容量按时期进行计算。

地处杭嘉湖平原的嘉兴北部是典型的高密度平原河网地区，在面积58 400 hm2的区域上有13 400 hm2的水域，大大小小的河道交错成网，上百个大小湖荡散落其中。该区域内地势低、水动力弱、聚集大量的沉积物和污染物，水环境系统污染已威胁到当地生态环境和社会经济的良性发展[10-12]。因此，如何分析计算平原河网湖荡区域的水环境容量是值得深入探究的一个重要问题。本文针对嘉兴市北部的河网湖荡区域划分控制单元，在实测水质水文数据的基础上，采用污染物输出系数模型，对该地区一年内不同水文时期的水环境容量进行分析计算，以揭示北部地区污染情况与水环境容量的时空差异，为水环境的精准治理提供数据支撑。

1 研究方法

1.1 控制单元的划分

控制单元是进行水体污染控制与管理的基本单元。通过控制单元的划分，将污染物排放量与对应控制单元的环境容量结合，可以有针对性地控制污染物的排放，从而更有效地实现水质管理的目标。

大尺度区域控制单元的划分往往以流域为基础，将目标管理断面以上的完整的汇水面积作为控制单元[13]。在平原河网地区，无法精确有效地划分主要河流和湖荡的汇水单元，需要根据水功能区划、水环境功能区划及当地行政区划等进行研究区域的单元划分。因此，对于嘉兴北部平原河网湖荡地区，首先将控制单元分为河流控制单元和湖荡控制单元2种类型。根据《浙江省水功能区、水环境功能区划分方案》和当地行政区划，进一步将研究区水域划分为农业用水区、景观娱乐区、工业用水区、渔业用水区和行政缓冲区等5个水功能区。

基于ArcGIS 10.2平台，首先建立水功能区划图层，在此基础上叠加土地利用图层，确定区域内主要水体的类型和功能。综合考虑区域内水闸管理等水资源管理措施，将该区域划分为10个控制单元，其中有3个单元为河流控制单元，7个单元为湖荡控制单元。具体划分结果见表1，并如图1所示。

表1 研究区控制单元的划分

续表

图1 研究区控制单元划分及水质监测点分布

1.2 水环境容量的计算方法

1.2.1 污染负荷的计算

区域内污染物负荷主要分为点源污染和面源污染。点源污染中的入河排污口数据由统计资料获得。面源污染的入河排污数据通过输出系数模型计算获得[14]，公式为：

(1)

式中：Ln为面源污染总负荷量；αi为修正系数；Ei为污染物i在该类土地利用类型的输出系数或畜禽的排污系数；Ai为土地利用类型的面积或畜禽数量，土地利用数据提取自2018年嘉兴市土地利用遥感监测数据；j为面源污染种类总数。区域内污染汇入总量为：

L=Ln+Lp。

(2)

式中：L为区域内污染汇入总量；Lp为点源排污口污染负荷量。

通过实地调查，发现本区域的主要污染源来自入河排污口、农田径流、农村非农田径流、鱼塘养殖、畜禽养殖、大气沉降及城镇径流。其中，大气沉降污染包括降到地面后由地表径流携入水体中的部分和直接沉降至水体的部分，降至地面的污染已包含在入河径流污染中，因此，文中对后者进行独立计算。本区域的畜禽养殖量较少，污染占比较小。城镇径流污染通过径流深度及实测排污口的污染物浓度获得。鉴于不同地区的气候、土壤、地形等不同，输出系数和修正系数也有较大差异，本次研究采用当地或临近地区的相关数据，这些数据分别来源于杭嘉湖地区、上海地区、浙江新安江流域等的研究资料[15-20]，具体系数见表2。

表2 输出系数和修正系数

由于汇入到水体的径流污染受降雨量及季节变化的影响。因此，首先需计算不同时期的降雨量。根据对嘉兴市多年平均降雨量的统计，3月、10月和11月为代表的平水期降雨量为227 mm，占全年降雨量的19%；12月到来年2月的枯水期间，降雨量为167 mm，占全年降雨量的14%；在4月到9月的丰水期，平均降雨量达到803 mm，占全年降雨量的67%。然后，根据不同时期的多年平均降雨量，得到径流污染在平水期、枯水期以及丰水期汇入水体的比例分别为19%、14%和67%。而畜禽养殖、鱼塘养殖和排污口的污染汇入量则在每个时期内相对稳定，其汇入比例按各个时期持续时间确定，分别为25%、25%和50%。大气沉降按实测研究结果确定[21]。

1.2.2 水环境容量的计算

选取COD、TN与TP等指标作为反映水环境质量的要素。经实地调查，研究区域的河网内河道顺直狭长，污染物在河道断面上分布较均匀[22-23]。因此，对河流控制单元可采用河流零维模型计算。河流控制单元的水环境容量计算公式为：

M=(Cs-C0)(Qp+Q)。

(3)

式中：M为河流控制单元的水环境容量；Cs为河流水体的目标水质浓度；C0为河段初始断面的实测浓度；Qp为污水在研究期的排放量；Q为研究期内初始断面的入流流量。

对于湖荡地区，研究区域内水深大部分为2～3 m，水域面积小于500 hm2，属于浅水小型水体，污染物在水体中混合较均匀。因此，对于COD的水环境容量计算可采用完全混合水质模型——Vollenweider模型[9]，湖荡控制单元的水环境容量计算公式如下：

MN=(Cs-C0)V+KCsVΔt+CsQd。

(4)

式中：MN为湖荡控制单元的水环境容量；Cs为湖荡水体的目标水质浓度；C0为湖荡水体的实测浓度；V为湖荡的水体体积；K为综合衰减系数，采用怀特经验公式，K=10.3Q-0.49；Δt为研究时期的总天数；Qd为研究期内湖荡的总出流量。

对于湖荡地区，TN和TP的水环境容量可采用Dillon模型计算[24]，计算公式如下：

(5)

(6)

式中：A为湖荡水域面积；Ls为单位面积水体对氮、磷元素的承载力；h为湖荡水深；R为氮或磷元素的滞留系数。

本次研究中将COD、TN和TP的目标浓度设置为Ⅲ类水质标准，COD和TN的目标浓度分别取20 mg/L、1.0 mg/L，TP的取值为0.2 mg/L(河流控制单元)以及0.05 mg/L(湖荡控制单元)，其余各参数均由实测资料获得，分别计算出平水期(90 d)、枯水期(92 d)和丰水期(183 d)的水环境容量，3个时期的容量之和即为全年水环境容量。

1.2.3 剩余水环境容量的计算

剩余水环境容量综合反映多项水质参数，也是直接反映整个地区污染程度的变量。具体计算公式分别为：

对于河流控制单元，MR=M-L。

(7)

对于湖荡控制单元，

MR=MN-LN-L。

(8)

式中：MR为剩余水环境容量；LN为来流携带量，为初始断面入流流量与污染物浓度的乘积，由实测获得。

当MR>0，说明水体在保证既定水环境目标的基础上还可以继续容纳污染物；当MR<0时，说明该地区污染程度已高出水体的承载能力，污染物排放量需要削减才能改善水环境质量。一年内各时期剩余水环境容量相加得到年度剩余水环境容量。

2 水质水文信息采集

由于该区域的水文站点数量少，需要实地进一步采集水质与水文信息。总共设置62个采样点，遍布研究区湖荡主要进出口断面、湖荡水体和河流的主要进出口断面，具体位置如图1所示。为获取各水文期的代表性水质水文参数，采集时间为2018年10月底、2019年2月底以及2019年6月底，每组数据包括污染物浓度(CODCr、TN和TP),水体流速、流向、流量,河宽及水深等。

按照《水和废水监测分析方法》[25]对采集到的水样进行运输、保存和分析。水样采集后装入125 mL聚乙烯采样瓶中，并尽快送回到实验室进行保存和分析。CODCr的测定方法为重铬酸盐法，TN的测定方法为过硫酸钾法，TP的测定方法为钼酸铵分光广度法。如不能立即分析，加入硫酸至pH值<2，置4 ℃下保存。

3 结果分析

3.1 水质的时空分布

表3中的水质监测结果显示，嘉兴北部地区COD和TP浓度较低，研究期内83.6%的监测点的COD浓度优于Ⅲ类水质标准，且在枯水期的COD浓度较平水期的大幅下降，COD由15.623 mg/L降低到10.387 mg/L，降幅达33.5%；TP的季节变化不大，平均浓度为0.134～0.136 mg/L，在枯水期有26%的监测点的TP浓度优于Ⅲ类水质标准，在平水期和丰水期的略微下降，13.1%和21.0%的监测点的TP浓度优于Ⅲ类水质标准。研究期内的TN指标虽有改善，由5.922 mg/L降低到3.150 mg/L，降幅达31.7%，但TN污染依然比较严重，在3个时期内，所有监测点的TN浓度不满足Ⅲ类水质标准，且几乎全部为劣Ⅴ类水质。

图2中对河流和湖荡控制单元监测点水质分析的结果显示，河流控制单元监测点的COD和TP平均浓度显著高于湖荡控制单元的，这一规律与有关洞庭湖水环境的研究结论一致[26]。究其原因，可能是河道承担排洪功能，承载大量的磷荷载；同时作为主航道，船只航行等外部作用力造成底泥污染物的释放。研究期内，除湖荡区TP外，其余污染物的平均浓度均显示出平水期>枯水期>丰水期的规律。

表3 水质分析

图2 河流区域与湖荡区域的污染物浓度对比

3.2 污染负荷的分析

嘉兴北部地区上游来水主要是来自境外天目山和东苕溪的杭湖地区客水以及苏州运河水系南排入嘉兴的客水，上游来水的水质直接影响到研究区的剩余水环境容量。图3对比了各控制单元污染汇入量与来流携带污染量的数量关系，进入控制单元的来流中携带污染量远远超过控制单元内污染汇入量。可见，来流水质对控制单元水环境质量的影响很大。

图3 控制单元污染汇入量与来流携带量的对比

经分析计算，可得研究区内年污染汇入总量分别为：COD 4 866.49 t；TN 1 193.07 t；TP 87.93 t。表4展示了不同污染源的年污染汇入量所占比例，其中排污口污染占主要部分，51.79%的COD、70.67%的TN和71.20%的TP来自于排污口的污染；来自水产养殖和大气沉降的污染也占相当比例；来自大气沉降的氮元素居TN污染来源中的第二位，占15.90%，不容忽视；鱼塘养殖饲料中的氮、磷元素随置换废水排到河湖，导致11.53%的TP和7.80%TN污染来自鱼塘养殖；11.67%的COD、3.77%的TN和8.66%的TP来自农田径流污染；8.11%的COD、1.27%的TN和5.22%的TP来自农村径流污染。由于研究区域内为乡村地区，城镇覆盖率较低，所以，城镇地表径流污染较小。

表4 研究区年污染汇入量来源占比 %

续表

图4为各控制单元年度入河污染物来源比例。由图4可见：北部地区的控制单元U7、U8、U9和U10的污染物主要来自于区域内的16个入河排污口；其次，由于这些控制单元内的水域面积较大，来自鱼塘养殖污染的贡献率也比较高；由于南部地区排污口较少，TN污染则主要来自大气沉降和农田径流，COD与TP污染则主要来自农田径流。

图4 各控制单元年度汇入污染物来源图

3.3 剩余水环境容量的时空分布

表5为研究区各控制单元不同时期及全年剩余水环境容量的计算结果。

表5 研究区各时期及全年剩余水环境容量

由表5可以看出，控制单元的水环境容量在不同水文期呈动态变化。区域内各控制单元的COD剩余环境容量呈现平水期<枯水期<丰水期的规律，剩余水环境容量由负转正，全年剩余水环境容量为正。但区域内绝大部分控制单元的TN与TP剩余水环境容量为负，TN 和TP污染较严重。在降雨少的枯水期，地表径流和上游来水带来的污染物少，大部分控制单元的TN和TP剩余水环境容量从平水期到枯水期得到增大；而对于水量大、持续时间长的丰水期，大部分控制单元单位时间的剩余水环境容量明显增大。就整体而言，控制单元U6的TN与TP污染最为严重，需要削减TN 5 841.8 t以及TP 210.1 t。

根据以上对各控制单元在不同水文期的水质、污染特征以及水环境容量的研究结果显示，区域各控制单元尚存在COD剩余水环境容量，但TN和TP的污染压力大，需要进行相应不同程度的削减方可达到地表Ⅲ类水的要求。