【研究】博斯腾湖水环境容量模型研究和其计算结果

【关键字】研究
博斯腾湖水环境容量模型研究及其计算结果
作者姓名：王玉敏
作者简介：王玉敏，女，1972年生，西安理工大学博士，主攻方向为水资源保护及水污染防治
通信地址：江苏南京四牌楼2号东南大学环境工程系
E-mail：
博斯腾湖水环境容量模型研究及其计算结果
王玉敏1 周孝德2 李家科2
(1东南大学江苏南京2西安理工大学，陕西西安)
摘要
以新疆博斯腾湖为例，分别计算了2010年水质保护目标下的CODMn、BOD5、TN、TP、可溶盐的环境容量，为博湖流域水污染防治提供了技术依据。

The Research of Water Environment Capacity in Lake——Taking Bosten Lake as an Example
Wng Yumin1 Zhou Xiaode2 Li Jiake2
(1 2 University of Technology)
Abstract
By combining the two-dimension flow-water quality model,According the principle of adding,the water environment capacity of subregion is calculated.Taking Bosten lake as an example, the water environment capacity of CODMn、BOD5、TN、TP、salinity is achieved under the protect aim of 2010,which supplies the technical accordance for water pollution protection in Bosten basin.
1水环境容量模型研究
本研究选取5项污染物作为研究对象，即总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）、
五日生化需氧量（BOD5）、矿化度，其中TN、TP属于营养盐，CODMn、BOD5属于有机污染物，矿化度属于盐污染，容量模型有营养盐模型、有机污染模型和矿化度模型。

1.1 基本假定
根据多年平均博斯腾湖水质监测结果，水质空间分布比较均匀，可以采用零维湖（库）水质模型研究。

1.1.2 模型类型
在研究和计算污染物环境容量时，通常以年为时间单位，计算在设计条件下年最大允许纳污量，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谬误定性，是的计算水环境容量随时间的变化过程十分复杂，而且缺乏实际意义。

因此，本研究采用稳态模型进行水环境容量计算。

1.2基本方程
湖泊零维动态水质模型如下：
令，，则方程变为
它的解析解为：
初始浓度C0取1991年浓度值，见表1。

1.3氮磷容量模型
对于营养盐允许负荷模型，不同的学者通过求解模型方程，并寻找模型参数与湖泊水文条件的相互关系，提出了不同湖水总氮、总磷允许负荷量计算模型。

比较著名的有沃沦威德（V ollenweider）模型、浅水湖和水库模型、合田键模型、狄龙（Dillion）模型、OECD模型等等，本文采用沃沦威德模型。

式中：——湖泊允许纳污量（t/a）；
——总氮（磷）水环境质量标准（mg/l）；
——湖泊水面面积（km2）；
——湖泊平均水深（m）；
——湖水中营养盐沉降系数（1/a）；
——流出湖水的水量（m3/a）；
——湖泊容积（m3）。

1.3有机物容量模型
当把零维水质模型应用于有机物时即可导出有机物容量模型，当不考虑外源和漏时（），湖泊内污染物仅发生衰减反应且符合一级反应动力学时，水质平衡方程可以写为：
式中：——一级反应速率常数（1/a）
当湖泊处于稳态时，，则，当时入湖污染负荷即为湖泊的有机物允许纳污量，
1.3盐容量模型
当湖泊处于稳态时，，
2 模型参数估值
2水环境容量模型
2.1博湖水质保护目标
研究水环境容量必须确定相应的标准，根据水体功能区划将博湖分为四个区，见图11。

根据《博斯腾湖流域水环境保护规划》，确定2010年博斯腾湖各区的水质保护目标与执行标准，详见表4。

6．水环境容量模型：（针对零维模型）
从计算结果可以看出，用dillion 模型计算总氮误差最小，用合田健模型计算总磷误差最小。

因此，总氮允许负荷量用dillion 模型计算，总磷允许负荷量用合田健模型计算。

式中，为总氮、总磷的允许负荷量；为水面面积； 为总氮、总磷的水环境容量。

(3)矿化度模型：
式中：C L ——盐份的负荷量(g/d)
K ——盐份的自净系数，1/d
S C ——矿化度的水质标准，mg/l
Z ——平均水深
A ——湖泊面积，m
2
q ——出湖水量，m 3/a
式中，c L 为盐份的允许负荷量；A 为水面面积；
c W 为盐份的水环境容量。

有机污染容量计算结果 建立零维模型如下：
kVc C Q C Q dt
dc
V
out in in --=∑∑ (5-1) 对BOD 、COD 而言，k 指有机物降解速率，单位1/a ；
对水质模拟的关键在于k 值的选取。

下面分别对各种污染物研究k 值。

①最优化方法确定参数：
采用1991——1996年的实测湖泊有机物负荷浓度率定模型参数。

②简化方法确定模型参数：
K COD =0.190/a ，K BOD =0.524/a,K 盐=0.00215/a ③BOD 、COD 水环境容量计算
COD W 、BOD W 分别为BOD 、COD 的水环境容量；S COD 、S BOD 分别为COD 、BOD 的水质标准。

利用以上求得的自净系数，求解稳态时的水环境容量如下表：
（4）总氮、总磷经验模型
V ollenweider 等人在零维模型的基础上建立了许多经验模型，分别介绍如下：
从计算结果可以看出，用dillion 模型计算总氮误差最小，用合田健模型计算总磷误差最小。

因此，总氮允许负荷量用dillion 模型计算，总磷允许负荷量用合田健模型计算。

式中，c L 为总氮、总磷的允许负荷量；A 为水面面积；
c W 为总氮、总磷的水环境容量。

最高年平均水位、最低年平均水位和多年年平均水位对应的总氮、总磷环境容量见下表：
博湖的矿化度容量研究
SD W 为矿化度SD 的水环境容量；S SD 为矿化度SD 的水质标准。

博湖的矿化度容量见下表：
湖泊水环境容量包括存贮容量和自净容量。

根据求出的各网格点上的污染物浓度，采用以下模型计算各网格的水环境容量，将每一个网格水环境容量进行叠加，从而得到了全湖的水环境容量。

参考文献：
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