不同水质目标下居延海(东)水环境容量分析

李 静，沈梦兰，何立山，王 红，张红霞

内蒙古自治区阿拉善生态环境监测站，内蒙古 阿拉善 750306

水环境容量是水体在特定水质目标下对某种污染物的最大负荷总量，是水环境管理的基础，对水资源的合理利用具有重要的指导意义。杨喆等[1]通过计算官厅水库及其上游流域水环境容量评价了水利工程对环境容量的影响；黄真理等[2]计算三峡工程建成前后的环境容量指出，库区总体环境容量增加，岸边环境容量减少；杜慧玲等[3]指出松花江哈尔滨段COD和NH3-N环境容量压力较大；戴忱等[4]将环境容量作为海绵城市建设的基本要求；周孝德等[5]、韩龙喜等[6]在计算环境容量的基础上提出水资源保护和污染治理的方法。近年来环境容量被越来越多地运用于城市水环境治理[7]、土壤污染控制[8]和海洋生态评价[9]等领域[10-11]，研究不断深入，思路不断拓宽。

居延海(东)是黑河流域生态系统的重要组成部分，是西北地区重要生态屏障。自2002年恢复进水以来，居延海(东)水域面积不断扩大，近几年基本保持在43 km2左右，周边生态环境不断恢复。但作为黑河的尾闾湖，居延海(东)水只进不出，蒸发量大，水体更换缓慢，水质状况有恶化趋势。为避免出现像呼伦湖[12]等水体(水质恶化后再进行大规模治理)一样的情况，笔者评估了不同水质目标下居延海(东)对化学需氧量(CODCr)、高锰酸盐指数(CODMn)、总磷(TP)和总氮(TN)的最大容量，为其水资源的利用及治理提供参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

根据居延海(东)水深较浅且深度变化不大，周边无污染源排放点等特征，均匀选取15个监测点(图1)，同时选用阿拉善生态环境监测站2018—2020年的监测数据，对居延海(东)水环境容量进行计算。所有样品依照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)要求进行采集、保存、运输，带回实验室分析。各水质指标分析方法依据其标准方法，如表1所示。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution diagramof sampling points

表1 相关水质指标测定方法Table 1 Determination methods of related water quality indicators

1.2 研究方法

根据居延海(东)的水质现状，以及现有水环境研究的水质指标，笔者选取CODMn和CODCr为有机污染物代表性指标，TP和TN为营养盐污染物代表指标，分别计算各水质指标的环境容量。

1.2.1 有机污染物容量模型

有机污染物允许排放量采用沃伦威德尔模型计算，公式如下：

式中：W为有机污染物最高允许排放量，t/a；Δt为湖泊维持其设计水量的天数，d，一般按30 d计算；Cs为水质控制浓度，mg/L；C0为水质实测浓度，mg/L；V为湖泊设计水量，以居延海(东)库容量计算，万m3；q为安全库容期间湖泊每天平均流出水量，居延海(东)为尾闾湖，出水以蒸发为主，以年蒸发总量代替出水量，m3/a。

K为湖泊中有机物的综合衰减系数，可通过实测、资料查询、分析借用、反推等方法确定，笔者利用监测数据进行实测计算，计算公式为

式中：Q为进口断面流量，m3/s；φ为扩散角，φ=π；H为平均水深，m；rA、rB为A点、B点距排放口的距离，m；CA、CB为A点、B点的水质浓度，mg/L。居延海(东)只有一个进水口，即污染物入口，将该点定为A点，在湖内选取若干点为B点，进行监测，将监测数据代入公式计算得CODMn和CODCr的综合衰减系数分别为5.152 67×10-8s-1和5.343 13×10-8s-1。

同时参考部分文献资料(表2)，确定居延海(东)的KMn和KCr分别为0.004 d-1和0.005 d-1。

表2 不同湖(库)中有机污染物的综合衰减系数Table 2 Comprehensive attenuation coefficients oforganic pollutants in different lakes (reservoirs)

1.2.2 营养盐污染物容量模型

根据现有研究成果，营养盐污染物容量模型主要包括Dillion模型、合田健模型和OECD模型等，为使结果更有代表性，笔者使用3个模型的平均值作为居延海(东)的污染物容量，计算公式如下：

Dillion模型：

M=A·Cs·h·Q出/[V·(1-R)]

合田健模型：

OECD模型：

式中：M为营养盐污染物最高允许排放量，t/a；A为计算时期水域面积，m2；Cs为水质年均控制浓度，mg/L；h为平均水深，m；Q出为湖泊的年出水量，m3/a；V为湖泊设计水量，m3；qs为单位面积水负荷量，qs=Q入/A，m3/a；Q入为湖泊的年入水量，m3/a。

2018—2020年居延海(东)特征参数见表3。

表3 居延海(东)特征参数Table 3 Characteristic parameters of the Juyan Lake (East)

1.2.3 水质目标的设定

居延海(东)是西北地区重要的生态屏障，同时兼具旅游休闲等多种水资源利用功能，为全面评估不同利用模式下的水环境状态，按《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)地表水水域功能和保护目标分类，同时以现状水质不再恶化为目标，计算不同水质目标下不同污染物的水环境容量(表4)。

表4 水质目标设定及污染物指标Table 4 Water quality target setting and pollutant index mg/L

2 居延海(东)水质现状

2.1 时序变化分析

居延海(东)是额济纳绿洲生态系统最重要的组成部分，对维持区域生态平衡具有不可替代的作用，其水质状况直接影响区域生态稳定。利用单因子指数法评价居延海(东)2018—2020年水质状况结果显示，居延海(东)重金属、氟化物、氨氮含量均满足Ⅰ类水质标准要求，TP基本满足Ⅱ～Ⅲ类标准要求，TN、CODMn满足Ⅲ～Ⅳ类标准要求，CODCr基本满足Ⅳ～Ⅴ类标准要求，CODMn和CODCr超标较为严重，生化比(BOD5/ CODCr)平均值为0.10。

图2展示了CODMn和CODCr浓度散点分布情况。

图2 CODMn和CODCr浓度散点分布Fig.2 Scatter distribution of CODMn andCODCr concentrations

从图2可知，CODMn和CODCr的监测数据分布较集中，CODCr常年浓度值主要集中在25～40 mg/L，CODMn浓度主要集中在4～10 mg/L。可见，居延海(东)水环境质量的主要水质影响因子是CODMn和CODCr，其次为TN和TP。

2.2 空间变化分析

居延海(东)水域面积从2003年的31.5 km2增加至2020年的43.0 km2，水域面积的增大对污染物的降解和扩散具有很大影响。在居延海(东)水域布点监测的结果显示，额济纳河入海口处的各主要污染物浓度明显低于其他位置的浓度，湖中心各主要污染物浓度明显高于周边，西北沿岸存在游艇等娱乐服务设施，各主要污染物浓度也相对较高，见图3。

图3 居延海(东)4种主要污染物空间分布Fig.3 Spatial distribution of four main pollutants in the Juyan Lake (East)

3 居延海(东)水环境容量结果分析

3.1 有机污染物容量

表5展示了不同水质目标下居延海(东)有机污染物的水环境容量。由表5可知，同一年份，不同水质目标下各污染物的环境容量差距较大，水质目标越低，环境容量越大。CODCr环境容量在Ⅱ类水质目标和Ⅲ类水质目标下均发生超载现象，在现状水质目标下，环境容量分别为7 247.0、7 958.3、7 430.7 t/a，全部超过Ⅳ类水质目标的环境容量，若要达到Ⅳ类水质目标必须消减其排放量。CODMn环境容量在Ⅱ类水质目标下发生超载现象，在现状目标下环境容量分别为1 356.6、1 239.4、1 289.4 t/a，全部超过Ⅲ类水质的环境容量，距Ⅳ类水质目标还有一定差距，若要达到Ⅲ类水质目标也必须大幅度消减其排放量。

表5 不同水质目标下居延海(东)有机污染物水环境容量Table 5 Environmental capacities of organic pollutants in the Juyan Lake (East)under different water quality targets t/a

3.2 营养盐污染物容量

由营养盐污染物环境容量的计算模型可知，环境容量与水域体积、面积及水质目标浓度有关，与污染物实际浓度无关。表6体现了不同水质目标下居延海(东)营养盐污染物水环境容量，由表6可知，TP、TN在相同水质目标下，不同年份的环境容量变化幅度很小。TP在Ⅱ类水质目标下环境容量均值为9.43 t/a，Ⅲ类水质目标下环境容量均值为18.66 t/a，Ⅳ类水质目标下环境容量均值为37.74 t/a；TN在Ⅱ类水质目标下环境容量为188.7 t/a，Ⅲ类水质目标下环境容量为377.4 t/a，Ⅳ类水质目标下环境容量为566.1 t/a。

在保持现有水质目标下，不同年份TP、TN排放浓度不同，其环境容量差别较大。通过比较现有水质的环境容量与Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类水质目标的环境容量可知不同污染物的负载情况。2018—2020年，TP的环境容量分别为22.85、16.34、11.19 t/a，与Ⅲ类水质相比，2018年超载3.81 t，2019年超载2.58 t，2020年未超载，与Ⅳ类水质目标相比还有较大容量空间。2018—2020年，TN的环境容量分别为422.7、359.5、496.5 t/a，与Ⅲ类水质目标相比，2018年超载42 t，2019年未超载，2020年超载123.5 t，2020年超载量明显增大，与Ⅳ类水质目标容量接近。

表6 不同水质目标下居延海(东)营养盐污染物水环境容量Table 6 Environmental capacities of nutrient pollutants in the Juyan Lake (East)under different water quality targets t/a

4 结论与建议

居延海(东)水质常年保持在Ⅳ～Ⅴ类之间，CODCr和CODMn是主要超标因子，超标较为严重，TN和TP次之；从污染物空间分布来看，湖中心和西北沿岸各主要污染物浓度较高。

居延海(东)水环境容量由水质目标和污染现状共同决定，水质目标相对固定，污染现状是限制水环境容量的最主要因素。从CODCr和CODMn的分析结果来看，2018—2020年CODCr的浓度值在波动中小幅度增加，环境容量呈减小趋势，在Ⅱ、Ⅲ类水质目标下，CODCr环境容量均出现超载情况，而且现状水质容量全部超过Ⅳ类水质目标容量，需加大消解或控制力度，防止环境容量进一步减小；CODMn浓度值可达Ⅲ～Ⅳ类水质标准，但其现状水质容量已超过Ⅲ类水质容量。从TN和TP来看，TP达到Ⅲ类水质标准且有剩余容量，基本可满足生态保护等功能；TN现状水质容量已接近Ⅳ类水质容量，要达到Ⅲ类水质容量，TN至少消减48.8 t。

额济纳地区常年干旱少雨，年均蒸发量可达3 800 mm，对居延海(东)水域面积和水质有较大影响，而黑河是居延海(东)的唯一补水水源，保证补水量充足是确保居延海(东)水质达标的基础。同时，为避免黑河在下泄过程中将泥沙带入居延海(东)，应加强河道养护，及时清理淤积严重河段，保证河流通畅。居延海(东)是典型的“浅碟形”湖泊和尾闾湖，应定期进行湖底清淤，通过天然植被丰育、增加水深、限制养殖业等，不断增加居延海(东)的生物多样性，提高湖泊的自净能力。