某城市人工湖水质现状及水环境容量研究

曹 杨 高 凡

（江苏省徐州环境监测中心 江苏徐州 221000）

引言

湖（库）按照规模大小、富营养化程度、分层情况等因素划分为不同的类型，不同类型的湖（库）适用不同的数学模型计算其水域纳污能力，非均匀混合模型适用于大中型湖库；均匀混合模型适用于中小型湖库；营养化模型适用于营养状态指数≥50 的湖库[1～3]。云龙湖是徐州市重要的人工湖，近年来，有不少关于云龙湖水环境质量的研究文献[4～6]，但以上研究主要聚焦在水质污染评价与底栖微生物方面，缺少关于水环境容量即水环境容量方面的探索。本文以水质现状评价与水质目标达标为前体，研究采用适当的数学模型对其水环境容量进行测算，为云龙湖水环境质量管理提供科学支撑。

1 研究区域概况

云龙湖属于典型城市浅水人工湖泊，是重要的旅游风景区和休闲中心，以湖中路为界分为东湖和西湖，上游连接玉带河、闸河、废黄河、丁万河及京杭运河不牢河段，下游经奎河下泄洪水，向南流经濉河入洪泽湖。云龙湖集水面积较小，在没有暴雨的情况下，蓄水方式主要为补水，年补水量与年蒸发量相当。根据统计资料，云龙湖湖区水域总面积约6.76km2，最大水深5.1m，平均水深约2.5m，按照湖（库）类型划分标准，属中小型湖（库）。

2 水质现状

2.1 水质监测与评价方法

监测断面：1# 东湖中心、2# 西湖中心；监测方法：CODMn水质高锰酸盐指数的测定（GB/T11892-1989）；NH3-N 水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法（HJ 535-2009）；TP 水质总磷的测定钼酸铵分光光度法（GB/T11893-1989）；TN 水质总氮的测定性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ636-2012）。

评价方法：采用均值法[7]评价水质现状，计算公式如下：

2.2 监测结果与评价

监测数据显示：ρ（CODMn）在4.5～6.0mg·L-1之间，均值为4.8mg·L-1；ρ（NH4+-N）在0.047～0.6mg·L-1之间，均值为0.34mg·L-1；ρ（TP）在0.03～0.1mg·L-1之间，均值 为0.048 mg·L-1；ρ（TN）在0.71～2.21 mg·L-1之间，均值为1.07 mg·L-1。各监测指标最高值分别出现在1 月和9 月，其他时间监测值较为平稳，TP 浓度全年较平稳，且保持较低水平；东湖中心水质监测结果略好于西湖中心。综合评价结果：云龙湖水质类别为地表水Ш 类，能够达到水质目标要求，水质状况整体较好，与张小明等[8]研究结果一致。当地政府十分注重云龙湖环境保护工作，2017 年专门颁布了《徐州市云龙湖水环境保护条例》，同时大力净化云龙湖湖补水水源，以南望净水厂供水为主要补水水源，补水水质N，P 元素指标甚至达到了地表水Π 类水质标准。

3 水环境容量计算

3.1 研究方法

云龙湖水环境容量计算按照以下程序进行，其中基础资料分析内容见章节1，技术路线基本步骤见图1。

图1 水环境容量计算技术路线

3.2 计算模型

不同水体在规模及水文条件方面有很大的差异，选取适用的核定方法得到的结果才具有科学合理性。一般，河网及中小型河流选取基于断面达标法或总体达标法核定水环境容量；大型河流选取基于断面达标法或污染带控制法核定水环境容量；中小型湖（库）选取基于总体达标法、断面达标法或污染带控制法核定水环境容量；大型湖（库）选取基于断面达标法或污染带控制法核定水环境容量。本文使用中小型湖（库）水环境容量核定方法[4]，见公式如下：

式中：W 为水环境容量，t/a；Q0为设计水文条件下的流量，m3/s；V 为设计水文条件下的水体体积，m3；Cs为功能区水质目标，mg/L；C0为上游来水污染物浓度，mg/L；K 为污染物综合降解系数，d-1；α 为不均匀系数。

3.3 设计水文条件

根据近10a 湖（库）的水位实测资料最小月平均水位，或求得90%保证率的湖（库）设计水位；利用湖（库）水位-容积曲线得到设计水位下湖（库）容积，从而求得湖（库）设计水量值。根据相关资料研究结果[9][10]，云龙湖集水面积59.1km2，总库容3330 万m3，水面面积6.76km2，利库容905 万m3，汛限水位32.5m(故黄河标高)，兴利水位32.8m。为保护云龙湖，徐州市政府实施了控源截污、疏浚贯通以及生态修复等一系列措施，云龙湖不接纳任何排水管道的排水，周边排污单位污水全部进污水处理厂处理后达到一级A 排放标准；同时，徐州市水务部门自2011 年起对云龙湖实施大规模生态补水工程，补充水源为南望净水厂净化水，综合补水量约为650 万m3/a，即0.2061m3/s，水质标准见表1。

表1 补水水质

3.4 污染物综合降解系数

水体中污染物有一定的自然降解能力，即污染物经生物降解、物理沉降、化学反应后自然消解，其降解过程可概括为污染物综合降解系数。综合降解系数的确定方法有很多，其中类比法是指将核定水域以往工作和研究中的污染物综合降解系数值，经过分析检验后采用；无核定水域的资料时，可选择与其水力特性、污染状况及地理、气象条件相似的有资料地区的污染物综合降解系数值代替。本研究参考水质综合降解系数见表2。

表2 综合降解系数参考值

3.5 不均匀系数

污染物进入水体后，一般很难在短距离内达到全断面均匀混合，即参与污染物稀释降解的只是部分水体，需要对水环境容量结果进行不均匀系数修正，不均匀系数取值范围为0～1。影响不均匀系数的主要因素为水面面积，面积越大，不均匀系数值越小。湖（库）不均匀系数参考值见表3。

表3 湖（库）不均匀系数参考值

3.6 水环境容量核定

根据区域水资源量及水功能区水质目标，按照混合模型水环境容量核定方法估算区域总体水环境容量值，据此可判断不同方法计算得到的水环境容量核定结果的合理性，混合模型水环境容量核定方法见公式（3）。

式中：W 为水环境容量，t/a；K 为污染物综合降解系数，d-1；S为汇水区域面积，m2；H 为径流深，m；Cs为区域水功能区划总体水质目标，mg/L；C0为区域水质浓度背景值，mg/L。

水环境容量结果见表4。云龙湖COD，NH4+-N，TP，TN 的水环境容量分别为2013，161，10.3，219t/a，与核算值的相对误差低于20%，在合理区间范围内。计算得到水环境容量结果见表4。

表4

结语

（1）2020 年东湖中心与西湖中心2 个监测断面显示云龙湖水质现状为地表水Ш 类。COD，NH4+-N，TP，TN 的水环境容量分别为2013，161，10.3，219t/a。主要污染物来源为区域降水径流，建议严格落实《徐州市云龙湖水环境保护条例》，同时，提升净水厂脱氮除磷效果，确保补水水源水质以保障云龙湖水质能够持续达标。

（2）环境容量的计算模型有很多，不同的模型适用于不同的水体类型。对于某一特定水体，需在综合调查分析水文条件、污染特征、水质目标的基础上选择与其想适应的数学模型，才能科学准确的预测水体污染物容量。