基于总磷的长湖水环境容量核算

文章编号: 1674 - 6139 (2009) 06 - 0043 - 05
基于总磷的长湖水环境容量核算
王钪,卢进登,梁雄兵,陈红兵
(湖北大学资源环境学院,湖北武汉430062)
摘要:在对长湖流域水资源状况、水质现状、水文条件调查的基础上,根据水质目标的要求,利用纳污水体的
概率型水环境容量模型,对基于总磷的长湖水环境容量进行了核算。

结果表明:长湖的水环境容量是动态变化
的,而模型的选取和参数的取值对概率型水环境容量的计算非常关键。

通过计算分析得到长湖磷的概率水环
境容量为: 19%丰水期: 4119 t/ a～4519 t/ a; 49%平水期: 3118 t/ a～4119 t/ a; 32%枯水期: 1118 t/ a～3118 t/ a。

关键词:概率型水环境容量;水质模型;总磷;长湖
中图分类号: X26 文献标识码: A
The Calculation on W ater Environm ental Capacity Based on TP in Changhu
W ang Kang, Lu J indeng, L iang X iongbing, Chen Hongbing
( Factualty of Resourses and Environment, Hubei University, W uhan 430062, China)
Abstract: The thesis is adop ted to Changhu lake basin water resource state, water quality current situation, foundation that in2 vestigate of hydrology term s, and according to the request of water quality goal, calculates the environmental capacity of water based on the TP by the existing p robability type environmental capacity of water of receiving the sewage body. The result show s that: The environmental capacity of water of getting the lake is dynam ic change, the choosing ofmodel among them and calculation of the p robability type environm ental capacity of fetching value of the param eter are the key. Through environm ental capacity of p robability water of getting the Changhu Lake phospho rus of computational analysis being, 19% wet season: 4119 t / a～4519 t / a; 49% period when a river is at its norm al levels: 3118 t / a～4119 t / a; 32% dry seasons: 1118～3118 t / a.
Key words: p robability type environmental capacity of water; water model; TP; Changhu Lake
前言
近年来,随着工业水平的发展,城市水体污染越来越严重,甚至严重影响到人们的生活质量。

合理规划河流污染负荷,控制河流污染物总量特别是城市内河的污染物总量是现在环境工作者需要解决的重要问题[ 1 ] 。

而在实践中,水环境容量不仅是水环境目标管理的基本依据和环境规划的主要约束条件,也是污染物总量控制的关键技术支持[ 2 ] 。

中国环境界自20 世纪70 年代后期引入环境容量的概念,并开始了水环境容量的研究[ 3 ] 。

经过20 世纪70年代后期以及“六五”、“七五”两次科技攻关研
收稿日期: 2009 - 01 - 14
作者简介:王钪( 1984 - ) ,男,研究生,主要从事环境规划、水污染防治方面的科研工作。

主要参与过“长湖水污染防治规划”、
“农村黑臭废水资源化利用研究与示范”、“清江流域水污
染防治规划”和“三峡库区生态安全调查与评估”等项目。

究[ 4 ] ,对部分污染物在水体中的物理、化学行为及水污染物总量控制等方面取得了重要成果, 对中国水环境管理工作的科学化和环境容量研究的发展,起到了积极的推动作用[ 5 ] 。

1 长湖概况
长湖地跨荆州市和荆门市两市,是江汉湖群中现存面积超过100 km2 的较大湖泊之一,现有水域面积21 万亩, 位于N30°22′～30°32′, E112°15′～112°30′,江汉平原腹地、长江与汉江之间、荆州市市区东北郊,地跨荆州、荆门、潜江等三市,沿岸涉及8 个乡镇、44个行政村。

长湖形态既不同于洪湖,也有别于梁子湖,其北部水域深入岗丘,湖岸较曲折,湖汊众多(俗称长湖九十九道弯) ;南部湖岸受大堤约束,平直单调。

湖泊东西长29 km2 ,南北平均宽180 km ,岸线发育系数416, 介于洪湖于梁子湖之间,属过渡类型(见表1) 。

( c )
湖底高程
水位
面积
容积
表 1 长湖形态特征值
水深 (m ) 湖长
湖宽 ( km )
岸线长
K 值
据习家口站资料 ,长湖多年平均水位为 30150 m,一般洪水位为 32150 m,最低水位 2810 m , 1950 年实测最高洪水位为 33138 m , 1983年为 3313 m,实 测最枯水位为 28139 m 。

一般年份长湖最高与最底 水位较差在 2 m ～3 m 。

正常蓄水位 3015 m,相应湖
面积 12215 km 2 ,正常容积 2171 ×108 m 3 。

多年平均
最高水位 3210米 ,最低水位 2810米 ,变幅 410米 。

从总体上看长湖水体的水质情况 ,上游的污染 情况较重 。

下游出水口处 、长湖中部以及湖心的水 质较好 ,除了化学需氧量 、总氮超标外 ,总磷 、高锰酸 钾指数基本达标 。

对长湖采用单项水质参数评价方
法进行水质评价 ,结果表明长湖水体为 Ⅴ类 ,水质较 2. 2 基本方程 当我们以年为时间尺度来研究湖泊的水质变化 过程 ,并且湖泊可视为一个完全混合反应器时 ,可以 用下面的方程来描述湖泊水质的变化 : V dc
= QC e - QC + S c + r V ( 1) d t
式中 : V ———湖泊中水的体积 (m 3
)
Q ———平衡时流入与流出湖泊的流量 (m 3
/ a )
Ce ———流入湖泊水量中污染物浓度 ( g/m 3
)
C ———湖泊中污染物浓度 ( g/m 3
)
S c ———其它未计入的外部源和漏 (如内源 ) ( g/ a )
差。

r ( c ) ———污染物在湖泊中的反应速率 ( g/m 3
/
a ) 2 长湖水环境容量模型的选择
2. 1 基本假定
2. 1. 1 模型维数
依据多年对长湖水质监测结果 ,长湖水质空间
分布比较均匀 ,可以视为一完全混合反应器 ;长湖各 测点水质虽有差异 ,但由于长湖面积和容积均较小 。

考虑长湖水质的空间差异没有实际意义 ,因此将长 湖视为完全混合反应器是可行的 。

在上述假定前提
下 ,适用模型为湖 (库 )零维模型 。

2. 1. 2 反应过程 水质
模型是灰箱模型 。

水质变化的内部机理和 过程十分复杂 ,许多变化过程目前尚不能用数学模 型进行准确模拟 ,有的过程即使理论上有比较深入 的描述 ,但在基础数据和模型精度上离实际应用尚 有相当的距离 。

因此 ,根据目前水质模型研究和应 上述 ( 1) 式可视为完全混合反应器的水体的质 量平衡基本方程 。

在此基础上 , 各国研究者根据各自 研究问题的需要和研究成果 , 导出了大量的污染物动 态和稳态模型 ,如营养盐模型 、有机污染物模型等等 。

2. 3 磷环境容量模型
以水体质量平衡基本方程为基础导出的营养盐 模型 , 比较著名的有沃伦威德 (V ollenw eider ) 模型、
狄龙 (D illion ) 模型 、O ECD 模型 、合田健模型等 [ 8 ]。

2. 3. 1 沃伦威德模型
W = S ×A ×Z ¯ ×(σ +
Q )
V
式中 :W ———湖 (库
) 最大允许纳污量 ( t / a ) A ———湖 (库
) 水面积 ( km 2 ) S ———指定水质标准 (mg/L ) V ———湖 (库
) 水的体积 (m 3 ) 3
用的深度 ,以及基础数据的可得性 ,在研究长湖总磷 Q ———流出湖
(库 ) 水量 (m / a ) 水环境容量时 ,对磷营养盐仅考虑其在水体中的沉
降过程 (模型中以沉降速率系数表示
) 。

2. 1. 3 模型类型
在计算长湖总磷环境容量时 ,从数据获取周期 和管理需要考虑 ,通常以年为时间单位 ,要求回答在 设计条件下长湖年最大允许纳污量 。

同时由于污染 物入湖过程的连续性 、不均匀性 ,以及湖泊水文过程 的不确定性 ,使得计算水环境容量随时间的变化过
程十分复杂 [ 6 - 7 ]。

基于上述考虑 ,本研究选择稳态 模型进行水环境容量计算。

·44·
σ———湖水中营养盐的沉降系数 ( 1 / a ) Z ¯———湖 (库
) 平均深度 (m ) 2. 3. 2 狄龙模型
W = (A ×S ×Z ¯ ×Q
) / ( 1 + R )
V 式中 : R ———湖水中营养盐的滞留系数 ( 1 / a )
R = 01426exp ( - 01271Q
3
) +
01573exp ( - 01009 49 Q
3
)
3
Q
= Q /A
其余各参数含义同 2. 3. 1。

()()( 2 )( 8 3 )( )最大
平均
( )2712
3015
12214
2171
315
2121
29
16175
412
180
2. 3. 3 合田健模型
W = S ×A ×Z ¯ ×( Q V
+ d )
根据 Redfield 的假设
[ 11 ]
,一个典型藻类的分子
式应 (CH 2 O ) 106 (NH 3 ) 16 (H 3 PO 4 ) ,也就是说 ,临界的 氮磷比按元素计应为 16: 1,按重量计应为 712: 1,从 式中 : d ———湖水中总磷沉降系数 ( 1 / a )
d = 10 z
式中其余各参数含义同 2. 3. 1。

2. 4 概率型环境容量计算方法
考虑到湖泊的水环境容量是随时间的变化而变 化 ,其数值是动态变化的 。

各年 、各水期 、同一水期 , 其水环境容量是各不相同的 。

上述沃伦威德 (Volle 2 nweider )模型 、狄龙 (D illion )模型 、合田健模型计算 的水环境容量是一个确定的值 ,不能准确地反映长 湖水环境容量的特征 。

因此 ,本论文采用 213 中的 模型结合概率来计算出长湖各水期水环境容量的一 个概率范围值 。

具体步骤如下 :
第一步 ,收集所研究湖泊的典型年各月水位 ,找 出丰 、平 、枯三个水期的水位范围值 ;
第二步 ,对三个水期的水位进行经验频率排序 计算 ,公式为 :
理论上讲 ,如果氮磷比小于该比值 ,氮将限制藻类的 增长 ;如果氮磷比大于该比值 ,则可认为磷是藻类增 长的限制因素 。

根据水质现状中的数值可知 ,氮磷 比按元素计的数值大于 16: 1,所以在长湖中磷是藻 类增长的限制因子。

为长湖水污染治理规划提供理论依据 、为湖泊 环境管理提供基础 ,本论文选取总磷 ( TP )作为污染 指标的研究对象 。

3. 1 模型参数取值
水质模型中的参数指的是物理 、化学 、生物过程 中的常数 。

在计算长湖水环境容量时涉及到的参数
主要是长湖的水深 、面积 、容积 、出水水量 、磷的滞留 系数和沉降系数 ,必须对它们进行取值。

(1)对收集的典型年各月水位 ,找出丰 、平 、枯
三个水期的水位范围值 , 得丰水期为 31150 m ～
P =
m n + 1
式中 : P ———频率 ( % ) n —
——实测序列长
×100%
(1)
33126 m,平水期为 30129 m ～31150 m , 枯水期为 28139 m ～30129 m (见表 3) ;
(2)根据历年水位由 ( 1 )式得出长湖水位频率
m ———将实测值按大小顺序排列后的序号 第
三步 ,由历年的水位 - 面积 - 容积数值 ,找出
其关系 ,又根据水位推算出面积 、容积 ; 第四步 ,根据 213 中的模型计算各水期的水环 境容量概率范围值 ; 第五步 ,比较分析计算结果的合理性与可靠性 。

图 (见图 1) ,再由各水期水位范围值查图得出各水 期的概率水位 ,丰水期概率为 19% ,平水期概率为 49% ,枯水期概率为 32% ;
(3)根据水位由图 2、图 3 可得各水期的面积、 容积 ;
表 3 水位 、面积和容积
2
4 3
3 长湖总磷水环境容量计
算
时段 水位范围 (m )
面积 ( km )
容积 ( 10 m )
长湖兼有供水 、调蓄 、航运 、渔业 、旅游等多种功 丰水期 平水期 31150～33126 30129～31150 13617～16016 12015～13617 40 144～66 228
24 640～40 144 能 ,湖区社会经济环境十分优越 。

然而现在长湖的 生态环境遭到了严重的破坏 ,水面大幅缩减 ,水生动 植物的数量越来越少 ,水质富营养化问题日益严重 。

而底质中磷的含量及其形态分布是影响湖泊富营养 化进程的极为重要的因素 ,尤其对城市湖泊和水生
植物大量繁殖的湖泊 ,其影响尤为深刻 [ 9 - 10 ]。

长湖 湖水中磷酸盐含量高于一般湖泊 (见表 2 ) ,总体来 看长湖生物营养元素含量为湖水中生物生长提供了 较丰富的营养条件。

表 2 全国重要湖泊总磷含量表
鄱阳湖
太湖
洪湖
东湖
长湖
枯水期
28139 ～30129
6816 ～12015
5 279 ～24 640
TP 含量 (m g/L )
01057
01100
01046
0119
01115 5
图 1 长湖年最高日平均水位频率曲线图
·45·
( 4 ) 对于磷的滞留系数和沉降系数21312 和21313中的经验公式算得(见表4) 。

表 4 磷的滞留系数和沉降系数
时段磷的滞留系数( 1 / a)磷的沉降系数( 1 / a)丰水期01838 56 11650 16～21325 58 平水期01880 14 21325 58～31236 24 枯水期01993 91 31236 25～81403 36
图 2 长湖水位、面积关系图
图 3 长湖水位、容积关系图
各参数的具体取值如表5。

312 水环境容量计算
水环境容量是针对一定的水质目标而言的,是
水质标准的函数。

因此,要计算长湖的水环境容量, 必
须给定长湖水质保护目标。

参照《地表水环境质量
标准》(GB3838 - 2002)和湖北省人民政府办公厅文件
(鄂政办发[ 2000 ] 10 号)《湖北省地表水功能区划类
别》规定, 长湖水体应执行Ⅲ类水质标准。

而磷的
Ⅲ类水质标准值为0105 mg/L。

在进行参数估值以后, 在既定水质目标下用
213中的模型计算出长湖总磷的概率水环境容量。

计算结果如表6。

表 5 长湖各水期的模型参数值
时段
丰水期
平水期
枯水期
表 6 长湖总磷水环境容量t / a 水期频率( % )狄龙(D illion)模型沃伦威德(Vollenweider)模型合田健模型
丰水期19 1413～2417 4119～4519 4119～4519 平水期49 1135～1413 3118～4119 3118～4119 枯水期32 01303～1135 1118～3118 1118～3118
3. 3 计算结果分析
( 1)沃伦威德(Vollenweider)模型与合田健模型的计算结果是一样的。

由于两模型中的磷的沉降系数分别表示为σ和d,但其数值是一样的;
( 2)对于同一个模型,水期不同,计算结果差别很大,以合田健模型为例丰水期为4119 t / a～4519 t / a,平水期为3118 t / a～4119 t / a,枯水期为1118 t / a～3118 t /a,相差20% ～30%。

( 3)参数(如面积、容积、出湖水量、磷的滞留系数和沉降系数等)的取值对计算结果的影响很大。

以平水期容积的取值为例,由V =A¯×H¯可以计算出水体的容积,为3172 ×108 - 5188 ×108 m3 ,计算得到的水环境容量为:狄龙(D illion)模型(0187 t /a ～13129 t / a) ,沃伦威德(Vollenweider)模型或合田健模型(301869 t /a～42105 t /a) ;
·46·
(4)概率型水环境容量合理性分析,用假设估算哪一个模型的结果更为合理:
假设长湖的水质中磷背景值为零,用计算得到的磷的最大环境容量作为磷的排放总量全部排放到长湖内,如果磷的降解率为30% ,则用沃伦威德模型或合田健模型计算的结果代入得长湖磷的剩余量为01048 55 mg/L; 而用狄龙模型得磷的剩余量为01026 11 mg/L。

显然,用狄龙模型得到的水质接近Ⅰ类水,而用沃伦威德模型或合田健模型得到的水质在Ⅲ类水左右。

所以,用沃伦威德模型或合田健模型计算的环境容量更为合理。

概率型水环境容量值确
定值为:
19%丰水期: 4119 t /a～4519 t /a; 49%平水期: 3118 t /a～4119 t /a ; 32%枯水期: 1118 t /a～3118 t /a。

频率水位范围水深范围面积
2 容积
4 3
出湖水量
8 3
磷的滞留
系数( 1 / a)
磷的沉降
系数( 1 / a)
19 31150～33126 4130～6106 13617～16016 40 144～66 228 2608 4 0838 56 11650 16～21325 58 49 30129～31150 3109～4130 12015～13617 24 640～40 144 11550 4 01880 14 21325 58～31236 24 32 28139～30129 1119～3109 6816～12015 5 279～24 640 31236 25～81403 36
4 结论
水环境容量是环境科学中的一个基本的理论, 反映污染物在环境中迁移和转化积存规律,也反映在特定的环境功能条件下,环境对污染物的承受能力,在环境管理中具有重要的作用。

它是环境目标管理和国家制定环境标准和污染物排放标准的基本依据,是环境质量分析、评价和环境区域规划的主要依据和约束条件,也是污染物总量控制的关键技术支持。

目前水环境容量的研究有很多,但是对于长湖的水环境容量的研究很少。

本论文对长湖的水环境容量进行了计算,得到了以下结论:
( 1)湖泊的水环境容量是随时间的变化而变化的,其数值是动态变化的,用一个确定的值,不能准确地反映湖泊水环境容量的特征;
( 2)不同的湖泊所选的模型是不一样的,要根据模型的适用条件来确定;
( 3)容积的取值是根据水位- 面积- 容积的关系表推算出,有很大的误差,可能导致计算的水环境容量不准确;
( 4)运用了概率型水环境容量计算方法,得出了长湖磷的概率型水环境容量:
19%丰水期: 4119 t /a～4519 t /a; 49%平水期: 3118 t /a～4119 t /a ; 32%枯水期: 1118 t /a～3118 t /a。

参考文献:
[ 1 ]喻良,刘遂庆,王牧阳. 基于水环境模型的水环境容量计算的研究[ J ]. 河南科学, 2006, 24 ( 6) : 874 - 876.
[ 2 ]李鹏书,张文志. 东江干流惠州市区段水环境容量计算及分析[ J ]. 人民珠江, 2006 ( 3) : 53 - 54.
[ 3 ]张永良,洪继华,夏青,等. 中国水环境容量研究与展望[ J ]. 环境科学研究, 1988, 1 ( 1) : 73 - 81.
[ 4 ]张永良,刘培哲. 水环境容量综合手册[M ]. 北京:清华大学出版社, 1991, 138 - 145.
[ 5 ]鲍全盛,王华东,曹利军. 中国河流水环境容量区划研究[ J ]. 中国环境科学, 1996, 16 ( 2) : 87 - 91.
[ 6 ]夏青. 流域水污染物总量控制[M ]. 北京:中国环境科学出版社, 1996.
[ 7 ]张永良,洪继华,夏青,等. 我国水环境容量研究与展望[M I.北京:中国环境科学出版社, 1991.
[ 8 ]金相灿. 湖泊富营养化控制和管理技术[M ]. 化学工业出版社, 2001.
[ 9 ]Andrew N. Sharp ley, Chap ra S. C. et al. , Managing Agricultural Pho spho rus fo r Pro t ection of Surface W aters: Issues and Op tions[ J ]. J. Environ. Qual. , 1994, 23: 437 - 451.
[ 10 ]Correll. D. L. The Role of Phospho rus in the Eu trophi2 cation of Receiving W aters: a Review [ J ]. J. Environ. Qual. , 1998, 27: 261 - 266.
[ 11 ]吴春艳. 滇池水体磷污染的研究及其控制方法初探[D ]. 东北农业大学硕士学位论文, 2003, 6: 1 - 4.
(上接第39页)
从表4和图2中看出,库车和新和县排盐能力K 越大,地下水平均矿化度也越大,到了2002年排盐能力小了,地下水平均矿化度也偏小,这与2002年特大洪水有着密切关系, 2003 年情况也是这样的,因为2002年- 2003 年灌区总来水量大,并且地下水洗盐还需要时间因素,虽然单位体积内的排盐量少了,但是地下水平均矿化度呈下降趋势[ 4 ] ,特别是沙雅县排盐能力与地下水平均矿化度基本没有规律性,其原因: (1)由于沙雅县位于灌区下游,受到地下水径流的进盐和土壤脱盐的影响; (2)灌溉面积大,地面蒸发量大; (3)下游一带开荒地也用排水渠的水,有时候我们实测资料不能完全代表沙雅县排出的水量等因素有关。

因此以后要特别注意这些情况。

4 结语水质有一定的影响,地表水来水量多,同时地下水补给量也增多,地下水的洗盐和脱盐作用增加,地下水水位也上升,地表水来水量减少时,在排水渠排水作用下,地下水水位也下降,但渭干河在引进盐量没有变化的情况下,地下水矿化度呈不断下降趋势。

[
5 ]参考文献:
[ 1 ]杨诗秀,陈裕瑞,邱汉城,等. 中国新疆塔里木农业灌溉排水与环境保护第一期工程. 渭干河子项目水盐监测技术报告[ R ]. 北京:清华大学出版社, 1997, 10.
[ 2 ]薛禺群. 地下水动力学原理[M ]. 南京:河海大学出版社, 1990.
[ 3 ]杨诗秀,陈裕瑞,邱汉城,等. 渭干河子项目. 水盐监测技术报告[ R ]. 北京:清华大学出版社, 1997, 10.
[ 4 ]严安. 水文地质学基础[M ]. 南京:河海大学出版社, 1989.
通过分析可知,地表水来水量对地下水水位和
[ 5 ]五全九,叶海燕,马东豪,等. 新疆渭干河灌区水盐监测成果报告[ R ]. 西安:西安理工大学出版社, 2003, 11.
·47·。