基于BATHTUB模型的陽澄西湖入湖河道氮磷營養(yǎng)鹽控制分析

呂 文，孫瑞瑞，王 誠，楊文晶，楊 惠，楊金艷，萬榮榮

(1.江蘇省水文水資源勘測局 蘇州分局，江蘇 蘇州 215011； 2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所 流域地理學(xué)重點實驗室，南京 210008)

0 引 言

隨著長江三角洲地區(qū)工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展，太湖流域河流、湖泊均受到不同程度的污染，尤其是湖泊富營養(yǎng)化[1]和藍藻水華災(zāi)害[2]，導(dǎo)致太湖2007年貢湖水源地供水危機[3]。在流域人類活動的影響下，入湖河道帶入的氮磷營養(yǎng)鹽是湖泊富營養(yǎng)化的主要來源之一[4,5]。由于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)[6]里缺失河流入湖水質(zhì)中總氮的評價標準，河流、湖泊總磷控制指標標準不一，沒有考慮地方性湖泊[7]特征，不利于入湖污染有效控制和湖泊水環(huán)境綜合治理。引入湖庫水質(zhì)模型可以為水環(huán)境管理提供技術(shù)支持，如天津于橋水庫飲用水源地保護方案[8]。本文依據(jù)陽澄西湖入湖河流監(jiān)測數(shù)據(jù)及BATHTUB模型，模擬計算入湖河道水質(zhì)與湖區(qū)水質(zhì)的響應(yīng)，提出湖泊上游入湖河道營養(yǎng)鹽控制要求，為區(qū)域湖泊富營養(yǎng)化防治提供科學(xué)有效、切實可行的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

陽澄湖是太湖流域平原上的第三大湖泊，地處蘇州市相城區(qū)、工業(yè)園區(qū)和昆山市。其南北長約17 km，東西寬約11 km，湖中有兩條東北～西南走向的狹長半島，把陽澄湖分為東湖、中湖和西湖。本文研究區(qū)陽澄西湖約占總面積的26.89%，水位約為2.94 m，為主要進水受納湖區(qū)，接納入湖河道較多，從北至南河道主要有界涇、渭涇塘、中涇港等，水質(zhì)監(jiān)測站點分布見表1。

1.2 數(shù)據(jù)收集

收集陽澄西湖站點2016年8月～2017年7月降雨、水位數(shù)據(jù)，以及3個分區(qū)湖區(qū)總氮、總磷、葉綠素a、透明度等項目和入湖河道總氮、總磷、流量等水質(zhì)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于江蘇省水文水資源勘測局)。

表1 陽澄西湖及入湖河道監(jiān)測點分布

1.3 BATHTUB模型與數(shù)據(jù)分析

BATHTUB ( 湖盆水質(zhì)分析模擬程序) 是由美國陸軍工程兵團(USACE) 水道試驗站開發(fā)的經(jīng)驗水質(zhì)模型，用于模擬湖泊和水庫等穩(wěn)態(tài)水體內(nèi)營養(yǎng)物的平流和擴散傳輸過程，可以分析和預(yù)測由于自然和人為污染造成的水體富營養(yǎng)等相關(guān)水質(zhì)狀況(http://www.wwwalker.nct/bathtub/index.htm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 BATHTUB模擬結(jié)果驗證

2.1.1 參數(shù)率定

基于陽澄西湖北部、中部、南部3個分區(qū)，考慮各分區(qū)及支流的情況，不再對分區(qū)進行空間分段。由于陽澄湖水交換周期約為60 d，所以平均期選擇為兩月。根據(jù)2016年8月～2017年7月年降雨、水位及水質(zhì)數(shù)據(jù)，選擇水質(zhì)模型，校正系數(shù)(表2)。

表2 BATHTUB模塊模型選擇及參數(shù)率定

2.1.2 模型率定與驗證

利用監(jiān)測資料對模型的適用性進行率定與驗證。模擬計算陽澄西湖3個分區(qū)的總氮、總磷，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，計算模擬結(jié)果與監(jiān)測值間的相關(guān)系數(shù)(R2)(表3)。

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 河湖水質(zhì)標準差異對湖泊水質(zhì)的影響模擬

在《地表水環(huán)境標準》(GB 3838-2002)中，現(xiàn)有的湖泊與河流水質(zhì)標準不一致，并缺失河流TN標準(表4)，入湖河流總磷執(zhí)行《地表水環(huán)境標準》(GB 3838-2002)中河流總磷標準，計算對應(yīng)的湖泊總磷濃度。

表3 BATHTUB模塊模擬結(jié)果驗證

表4 《地表水環(huán)境標準》(GB3838-2002)中湖泊的總氮和總磷濃度 /mg·L-1

陽澄西湖白蕩、里塘河、北河涇等7條入湖河道執(zhí)行河流總磷標準時，除河流水質(zhì)為Ⅰ類時，湖區(qū)水質(zhì)為Ⅱ類，湖區(qū)水質(zhì)總磷達標外，其余湖泊水質(zhì)總磷均超出水質(zhì)目標。如河流為Ⅱ類時，湖泊水質(zhì)對應(yīng)為Ⅳ類；河流為Ⅲ類時，湖泊水質(zhì)對應(yīng)為Ⅴ類；河流水質(zhì)為Ⅳ～Ⅴ類時，湖區(qū)水質(zhì)對應(yīng)為Ⅴ～劣Ⅴ類(表5)。

總之，只有陽澄西湖入湖河流執(zhí)行河流總磷標準Ⅰ類時，西湖湖區(qū)水質(zhì)才能達標；而執(zhí)行河流總磷標準其他類別時，均不達標。因此，河、湖水質(zhì)標準的差異造成入湖河流水質(zhì)達標而湖泊水質(zhì)不達標的現(xiàn)象，按照現(xiàn)行水質(zhì)標準，達不到水源地水質(zhì)保護的目標。

表5 執(zhí)行河流水質(zhì)總磷標準時對應(yīng)的湖區(qū)總磷匯總表

2.2.2 方案一 ：執(zhí)行湖泊總氮、總磷標準模擬結(jié)果

基于調(diào)試好的BATHTUB模型，將陽澄西湖白蕩、里塘河、北河涇等7條入湖河道總氮、總磷執(zhí)行現(xiàn)行湖泊水質(zhì)標準總氮、總磷的標準，計算湖區(qū)對應(yīng)的總氮、總磷(表6)，結(jié)果如下：

入湖河流總氮、總磷為Ⅰ類時，模擬計算的湖泊水質(zhì)為Ⅰ類；入湖河流總氮、總磷為Ⅱ類時，湖泊水質(zhì)為Ⅱ～Ⅲ類；入湖河流總氮、總磷為Ⅲ類時，湖泊水質(zhì)為Ⅲ類；入湖河流總氮、總磷為Ⅳ類時，湖泊水質(zhì)為Ⅲ～Ⅳ類；入湖河流總氮、總磷為Ⅴ類時，湖泊水質(zhì)為Ⅲ～Ⅴ類。除了河流水質(zhì)為Ⅱ類時，中部湖區(qū)湖泊水質(zhì)為Ⅲ類之外，其余河流為Ⅰ、Ⅲ類時，湖泊水質(zhì)對應(yīng)為Ⅰ、Ⅲ類，模擬的湖泊水質(zhì)類別與河流水質(zhì)相對應(yīng)，或者模擬的湖泊水質(zhì)優(yōu)于河流水質(zhì)，如河流水質(zhì)為Ⅳ～Ⅴ類時，北部湖泊總氮為Ⅲ類。總之，陽澄西湖入湖河流執(zhí)行湖泊標準Ⅱ類時，陽澄西湖湖區(qū)水質(zhì)基本能達標。

2.2.3 方案二 ：基于湖泊水質(zhì)標準反推入湖河流總氮、總磷

以陽澄西湖水質(zhì)標準(總氮、總磷)各類別為目標值，反推計算入湖河流水質(zhì)指標(表7)，結(jié)果如下：湖泊總氮、總磷目標為Ⅰ類時，入湖河流對應(yīng)要求為Ⅱ類；湖泊總氮、總磷目標為Ⅱ類時，入湖河流對應(yīng)要求為Ⅲ類；湖泊總氮、總磷目標為Ⅲ類時，入湖河流對應(yīng)要求為Ⅳ～Ⅴ類；湖泊總氮、總磷目標為Ⅳ類時，入湖河流對應(yīng)要求為Ⅴ～劣Ⅴ類；湖泊總氮、總磷目標為Ⅴ類時，入湖河流對應(yīng)要求為劣Ⅴ類。總之，依據(jù)陽澄西湖水質(zhì)標準(總氮、總磷)各類別為目標值，反推入湖河流水質(zhì)指標的限值相比湖泊的水質(zhì)類別有所放寬。

表6 執(zhí)行湖泊水質(zhì)標準時對應(yīng)的湖區(qū)水質(zhì)匯總表

表7 基于湖泊水質(zhì)標準反推入湖河流水質(zhì)匯總表

注：水質(zhì)類別以湖庫水質(zhì)標準劃分。

3 結(jié) 論

由于河流與湖泊總磷的標準不一致，河流的水質(zhì)標準比湖泊低，執(zhí)行河流總磷Ⅱ類水標準時，對應(yīng)湖區(qū)總磷為Ⅳ類，湖泊水質(zhì)不達標。因此，提出兩種方案，方案一為入湖河流執(zhí)行現(xiàn)行湖泊水質(zhì)標準，對應(yīng)湖區(qū)水質(zhì)基本能達標，并且湖區(qū)總氮均值為0.46 mg/L，優(yōu)于限值0.50 mg/L；方案二為以現(xiàn)行湖泊水質(zhì)標準反推的入湖河流水質(zhì)限值，比方案一限值寬松，既能保證湖泊水質(zhì)達標，又不會使河流水質(zhì)標準過于嚴格。因此，方案二的結(jié)果可作為陽澄西湖水源地入湖河流營養(yǎng)鹽控制的參考，即水功能區(qū)上游入湖河流總氮、總磷的控制指標(表8)，為陽澄西湖富營養(yǎng)化防治提供科學(xué)有效、切實可行的依據(jù)。

表8 陽澄湖水功能區(qū)水質(zhì)達標控制方案 /mg·L-1