太湖錫澄地區(qū)TP和CODMn水環(huán)境容量的影響因素

王思遠(yuǎn), 許有鵬, 王丹青, 高 斌, 王 強(qiáng), 溫海燕

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023; 2.無錫市城市防洪工程管理處, 江蘇 無錫 214000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，太湖流域生態(tài)環(huán)境急劇惡化，尤其是水域污染和富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，總氮、總磷、生化需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)等多項(xiàng)污染物指標(biāo)超標(biāo)，水質(zhì)的急劇惡化逐漸成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素[1-2]。為此各地政府開展了大量的河流污染治理工作，雖然局部水域污染狀況得到一定程度改善，但是水環(huán)境惡化趨勢并未得到有效遏制[3]。水環(huán)境容量是水體中污染物總量控制的重要依據(jù)，尤其是對于高度城市化平原河網(wǎng)地區(qū)，其影響因素復(fù)雜多變，因此充分利用污染物在水體中的遷移、轉(zhuǎn)化等機(jī)理，研究和控制水環(huán)境容量成為了國內(nèi)外學(xué)者的熱點(diǎn)話題[4]。

水環(huán)境容量一般指水體在滿足特定功能條件下所能容納污染物的最大負(fù)荷量，其大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)，因此，又稱水域負(fù)荷量或納污能力[5]。水環(huán)境容量的計(jì)算及其在各功能區(qū)間的分配，是水污染總量控制的基礎(chǔ)和核心[6]。目前，國內(nèi)外對河流水環(huán)境容量計(jì)算和研究主要是通過公式法[7]、模型試錯(cuò)法[8]、概率稀釋模型[9]和盲數(shù)理論[10]等方法。如李昆等人對豐水期不同程度富營養(yǎng)化的洪湖全湖，采用GIS 空間插值技術(shù)，分析豐水期各污染物的變化趨勢[11]；為改善山區(qū)水環(huán)境狀況，陳玥等人對臨海市COD和NH3—N的水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算分析，并提出污染物排放總量控制方案[12]；馮利忠等采用MIKE三維水動(dòng)力和水質(zhì)耦合模型，對“引黃入呼”取水口水環(huán)境容量進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析[13]。但是，這些研究多是基于實(shí)測流量作為設(shè)計(jì)水文條件進(jìn)行計(jì)算，并且大多研究未考慮引排水對水環(huán)境容量的影響。對于太湖平原河網(wǎng)地區(qū)，各個(gè)河流流速緩慢，流向和流態(tài)呈現(xiàn)出隨機(jī)性變化，河流流向不定，相較于流量控制，基于水位作為控制條件，計(jì)算設(shè)計(jì)流量，更適于太湖平原河網(wǎng)水環(huán)境容量的計(jì)算。

太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)和最活躍的地區(qū)之一，但是城市化、工業(yè)化的快速推進(jìn)也使得區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水環(huán)境保護(hù)的矛盾十分突出。在此背景下，以流域典型區(qū)域錫澄地區(qū)為例，從多角度探討分析平原河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境容量的影響因素對區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究選取CODMn和TP兩個(gè)典型污染因子開展一系列研究工作，旨在從年內(nèi)四季、典型年、引水量三方面揭示錫澄地區(qū)骨干河流的典型因子的水環(huán)境容量變化規(guī)律及影響因素，以期為城市化下平原河網(wǎng)地區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)治理，河道水環(huán)境容量的控制與分配提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)，覆蓋錫澄地區(qū)的北塘區(qū)、南長區(qū)、惠山區(qū)、崇安區(qū)、濱湖區(qū)、錫山區(qū)、江陰市7個(gè)行政區(qū)，總面積2 625.31 km2，其中水域面積占40%左右，擁有各級河道2 000多條，以具有引排作用的縱向河道和調(diào)節(jié)作用的橫向河道為框架，構(gòu)成了研究區(qū)骨干河網(wǎng)(圖1)。該地區(qū)氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，降水豐沛，根據(jù)近30 a的統(tǒng)計(jì)資料，年均降水量達(dá)1 121.7 mm。區(qū)域經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，人民生活水平較高，據(jù)2017年統(tǒng)計(jì)資料，人均生產(chǎn)總值達(dá)到16.07萬元，但水質(zhì)狀況不容樂觀，在2014年，部分水質(zhì)站點(diǎn)的污染物的濃度已低于Ⅴ類水質(zhì)，選擇易導(dǎo)致河流富營養(yǎng)化的磷元素以及表示水體中有機(jī)物污染的高錳酸鹽指數(shù)，開展對錫澄地區(qū)骨干河道水環(huán)境容量的研究。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究涉及資料包括太湖流域錫澄地區(qū)的水系、水文、氣象資料以及水質(zhì)數(shù)據(jù)。水系資料包括基于矢量地形圖獲取的無錫市2010s 水系圖，以及根據(jù)無錫市河湖普查獲取的8條骨干河道的斷面與河長信息。水文、氣象資料包括水位、雨量、引水量數(shù)據(jù)，水位數(shù)據(jù)包含研究區(qū)內(nèi)的白芍站、無錫站、甘露站、陳墅站、青旸站5個(gè)水位站2005—2014年的水位資料，雨量數(shù)據(jù)是通過收集具有代表性的雨量站點(diǎn)的2005—2014年雨量資料獲得的，引排水?dāng)?shù)據(jù)主要根據(jù)《長江流域水文資料》2010—2014年年鑒綜合整理分析獲得，進(jìn)而確定研究區(qū)骨干河流的引水量。水質(zhì)資料為無錫市主要河道上的8個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面2005—2014年的月實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，選取對河流水質(zhì)影響較為突出的常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)總磷(TP)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)分析其水環(huán)境容量。

1.3 研究方法

由于本研究基于整條河流作為控制單元，是從較為宏觀的角度對研究區(qū)的8條河流的水環(huán)境容量進(jìn)行研究。完全混合計(jì)算法是指污染物進(jìn)入到河流水體后，在斷面上污染物完全均勻混合，較好的符合本次研究的需求。在采用此方法的基礎(chǔ)上，考慮河道寬度等河道特征以及不同污染物的降解系數(shù)，探討該區(qū)域TP和CODMn水環(huán)境容量及其影響因素。主要從以下3個(gè)方面展開：(1) 考慮研究區(qū)功能區(qū)劃分的復(fù)雜性，確定8條骨干河流作為研究對象；(2) 以近十年最枯月平均水位(90%保證率)作為設(shè)計(jì)水位，計(jì)算2010—2014年的水環(huán)境容量，分別從四季、引水量兩方面考慮水環(huán)境容量的影響因素。(3) 根據(jù)近十年雨量觀測數(shù)據(jù)，確定研究區(qū)枯、平和豐3種年型，計(jì)算對應(yīng)年型的水環(huán)境容量。

考慮平原河網(wǎng)分布特征，參考研究區(qū)的水環(huán)境功能區(qū)劃，將天然河道進(jìn)行概化，確定研究區(qū)河網(wǎng)。將水體水質(zhì)看作完全均勻混合類型，基于水位控制，完成對研究區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境容量數(shù)學(xué)計(jì)算模型的構(gòu)建。在2020年水質(zhì)目標(biāo)控制下，基于設(shè)計(jì)水文條件，利用研究區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境容量數(shù)學(xué)模型，對研究區(qū)域最小空間單元(河段)和最小時(shí)間單元(月)的水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

(1)

式中:αji為不均勻系數(shù)，范圍為(0,1]；wji為控制單元水環(huán)境容量(t/月)。

wji=Q0i(Csji-C0ji)+K(Sji·li)Csji

(2)

式中：Q0i為i河段的設(shè)計(jì)流量(m3/s)；Csji為不同控制單元的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下的水質(zhì)濃度(mg/L)；C0ji為不同河斷面的每個(gè)月的水質(zhì)濃度(mg/L)；K為污染物綜合降解系數(shù)(d-1)；Sji為河道斷面面積(m3)；li為河長(km)。

1.4 水環(huán)境容量數(shù)學(xué)模型參數(shù)率定

(1) 近十年最枯月的平均流量。通過謝才—曼寧公式求得流速分布：

(3)

式中：vi為平均流速(m/s)；n為河道糙率；Hi為水深(m)；Ji為水面比降。

(2) 水質(zhì)目標(biāo)。依據(jù)江蘇省地表水功能區(qū)劃所規(guī)定的水質(zhì)目標(biāo)，計(jì)算研究區(qū)骨干河道的水環(huán)境容量。確定8條河流的水質(zhì)目標(biāo)等級，進(jìn)而得到每種污染物的水質(zhì)目標(biāo)濃度。

(3) 污染物的降解系數(shù)。污染物的降解系數(shù)是計(jì)算水環(huán)境容量的基礎(chǔ)參數(shù)。本研究根據(jù)江蘇省太湖流域污染物降解系數(shù)的研究成果，確定研究區(qū)主要河段的TP降解系數(shù)的變化范圍為0.05～0.1，CODMn的降解系數(shù)的變化范圍為0.1～0.29[15]。各河流的污染物降解系數(shù)是不同的，但相差甚微，故取其在各河段均值，以從宏觀角度估算河流水環(huán)境容量。

(4) 不均勻系數(shù)。考慮到水資源時(shí)空分布的不均勻性，對每條河流求得的水環(huán)境容量進(jìn)行修訂。影響研究區(qū)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果的主要因素是河寬、流量以及水深。根據(jù)太湖流域河流的調(diào)查結(jié)果表明，河寬基本上可以表征河流的水文特征，依據(jù)河寬和不均勻系數(shù)的關(guān)系，確定不同河道的不均勻系數(shù)[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)性差異分析

根據(jù)我國在氣候上劃分四季的標(biāo)準(zhǔn)，一般以3—5月為春季、6—8月為夏季、9至11月為秋季、12月到次年2月為冬季，以此標(biāo)準(zhǔn)劃分研究區(qū)的四季。根據(jù)2010—2014年TP和CODMn的水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果，得到兩種污染物四季水環(huán)境容量年均值，分別用WTP和WCODMn表示，單位為t。

TP水環(huán)境容量的季節(jié)性差異較為明顯，呈現(xiàn)出秋季較高，冬季較低的特征。春季TP水環(huán)境容量范圍為-1.66～3.42 t，均值為0.37 t；夏季的變化范圍為-1.33～3.38 t，均值為0.82 t；秋季的變化范圍為0.21～3.43 t，均值最大為1.11 t；冬季的變化范圍為-2.7～3.33 t，均值最小為0.24 t，并且TP四季水環(huán)境容量顯示為負(fù)值的河流百分比分別為37.5%(春)，37.5%(夏)，0%(秋)，50%(冬)，這充分表明大部分河流在秋季對磷的納污能力較強(qiáng)，冬季有一半左右的河流水環(huán)境容量為負(fù)值，表明TP排放量已超出水體容納能力，水環(huán)境質(zhì)量較差。每年5—10月為太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)的汛期，根據(jù)近十年的雨量資料，研究區(qū)汛期、非汛期的年平均降雨量分別為740.73 mm，352.35 mm，降雨量對水位有一定的貢獻(xiàn)，而夏、秋季節(jié)正處于汛期，長歷時(shí)雨量的積累有助于河道水位上漲，使河流水量有增大趨勢，進(jìn)而間接影響了TP的水環(huán)境容量的大小，因此降雨量的差異性對水環(huán)境容量具有一定的影響。另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水田與旱地主要污染來源于種植過程中化肥和農(nóng)藥的施用，造成磷元素的污染較為嚴(yán)重。有研究表明氮磷肥料的使用和水產(chǎn)養(yǎng)殖的農(nóng)業(yè)方式對環(huán)境的磷污染貢獻(xiàn)很大[16-17]。水域面積較大的太湖平原河網(wǎng)地區(qū)，種植水稻、水產(chǎn)養(yǎng)殖就是主要的農(nóng)業(yè)方式，餌料是磷污染產(chǎn)生的原因之一，非點(diǎn)源污染主要以降雨為載體遷移到河流中，影響磷的濃度，而夏、秋季正是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行的重要時(shí)期，這就導(dǎo)致磷濃度有一定季節(jié)性差異，但結(jié)果顯示秋季磷的水環(huán)境容量相對較大，水體中磷濃度相對較低，這可能是因?yàn)榻涤陮λh(huán)境容量的影響程度可能要大于水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響(表1)。

表1 無錫骨干河流TP水環(huán)境容量的季節(jié)性分布t

CODMn水環(huán)境容量的季節(jié)性差異不顯著，根據(jù)四季CODMn水環(huán)境容量的變化范圍，春、夏、秋、冬的變化范圍分別為17.49～151.16 t，17.72～163.75 t，19.60～155.15 t，23.19～165.01 t，呈現(xiàn)出春季偏低，夏、秋季節(jié)偏高的特征。在太陽輻射強(qiáng)度相對較高的季節(jié)(夏、秋季節(jié))，水體中有機(jī)物更易發(fā)生降解，使其濃度降低[18]，并且夏、秋季節(jié)降水較多，水位相對升高，水體體積也會(huì)隨之變大，使得相應(yīng)水體的水環(huán)境容量數(shù)值增大。在空間上，CODMn水環(huán)境容量存在一定的季節(jié)性特征，京杭運(yùn)河四季的水環(huán)境容量均處于中低值范圍，而伯瀆港的水環(huán)境容量四季均高于85 t，即處于中高值偏上。京杭運(yùn)河是江浙地區(qū)的水利重要樞紐，流經(jīng)鎮(zhèn)江、常州、無錫等經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的城市，京杭運(yùn)河的水質(zhì)受到的工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活污水的影響要遠(yuǎn)高于伯瀆港這樣的小型河道[19]，導(dǎo)致京杭運(yùn)河的有機(jī)物的濃度也相對較高，故京杭運(yùn)河的CODMn水環(huán)境容量要低于伯瀆港(表2)。

表2 無錫骨干河流CODMn水環(huán)境容量的季節(jié)性分布 t

2.2 引水量對水環(huán)境容量影響分析

在2007年太湖流域藍(lán)藻爆發(fā)后，“引江濟(jì)太”調(diào)水試驗(yàn)工程開始啟動(dòng)，以期改善太湖平原河網(wǎng)的水質(zhì)。定波閘位于錫澄運(yùn)河與長江交接處，在“引江濟(jì)太”工程中發(fā)揮著重要作用，2010—2014年，年平均引水量為1.05×107m3，最大年引水量為1.64×107m3。以定波閘為例，分析引水量對錫澄運(yùn)河水環(huán)境容量的影響。由于降雨量的不同，年內(nèi)各月引水量存在一定的差異，為了更加準(zhǔn)確的呈現(xiàn)引水量與水環(huán)境容量的關(guān)系，對2010—2014年引水量與水環(huán)境容量的五年月均值進(jìn)行研究，兩種污染物的水環(huán)境容量與引水量的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 錫澄運(yùn)河水環(huán)境容量與引水量的關(guān)系

通過觀察分析，對于太湖平原河網(wǎng)區(qū)典型河道錫澄運(yùn)河，引水量越大，污染物的水環(huán)境容量也越大，就TP而言，由于部分河流中磷的濃度較高，超出水質(zhì)目標(biāo)，故水環(huán)境容量表現(xiàn)為負(fù)值，表明磷的排放量大于河流對磷的容納能力。圖2中顯示錫澄運(yùn)河的TP水環(huán)境容量為負(fù)值的月份，對應(yīng)的該月份的引水量也相對較少，但TP的水環(huán)境容量呈現(xiàn)出正值的月份，引水量也較大。圖2中錫澄運(yùn)河的CODMn水環(huán)境容量均是正值，引水量較大的月份，CODMn水環(huán)境容量也相對較大。以上現(xiàn)象表明閘壩引水較大時(shí)，在一定程度上可以提高污染物的水環(huán)境容量，間接說明“引江濟(jì)太”工程的啟動(dòng)對于改善平原河網(wǎng)的水質(zhì)有一定作用[20]。引水調(diào)控措施不僅可以增加水體的稀釋能力，還能促進(jìn)水體流動(dòng)和交換，進(jìn)而增強(qiáng)水體的自凈能力，從而增大水體對污染物的容納能力，近年實(shí)踐表明其是一種行之有效的改善水環(huán)境的措施[21]，張聃等人也曾就引配水對京杭運(yùn)河水質(zhì)的影響進(jìn)行研究，得出引配水對河流水質(zhì)具有一定的改善作用[22]。

2.3 不同典型年下水環(huán)境容量差異分析

根據(jù)2005—2014年雨量資料，選擇2010年為枯水年、2012年為平水年、2013年為豐水年，利用3種年型的水質(zhì)資料，分別計(jì)算TP和CODMn典型年的水環(huán)境容量，結(jié)果見圖3。

通過分析八條河流兩種污染物典型年的水環(huán)境容量，得出TP和CODMn的水環(huán)境容量在豐水年均高于枯水年。對于TP而言，3種典型年均有河流的水環(huán)境容量為負(fù)值的情況，以枯水年較為顯著，這些河流包括北興塘河、古運(yùn)河、錫澄運(yùn)河等，且主要分布于無錫市市區(qū)，由此說明磷含量的超標(biāo)不僅與農(nóng)業(yè)污染有關(guān)，與生活污水和工業(yè)廢水的大量排放也有很大關(guān)系。CODMn代表河流中有機(jī)物的污染狀況，對于不同的典型年，CODMn的水環(huán)境容量呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，九里河和京杭運(yùn)河均較小，北興塘河、伯瀆港和古運(yùn)河均較大。這種現(xiàn)象可能與河流所處的位置與功能區(qū)劃有關(guān)。

圖3 錫澄地區(qū)主要河流各典型年TP和CODMn水環(huán)境容量分布

3 結(jié) 論

(1) TP四季水環(huán)境容量顯示為負(fù)值的河流百分比分別為37.5%(春)，37.5%(夏)，0%(秋)，50%(冬)，這充分表明大部分河流在秋季對磷的納污能力較強(qiáng)，夏季次之，春、冬季均有一半左右的河流水環(huán)境容量為負(fù)值，表明TP排放量已超出水體納污能力，水環(huán)境質(zhì)量較差。CODMn水環(huán)境容量的季節(jié)性差異不太明顯，相對而言，夏、秋季節(jié)較好，且無錫市夏季水體對其的容納能力最強(qiáng)。

(2) 兩種污染物的水環(huán)境容量與引水量的對應(yīng)關(guān)系較為明顯。污染物的水環(huán)境容量大的月份，引水量也較大。且引水量較大的月份大都處于非汛期，降雨量較少的月份，水體中污染物濃度較高，需要靠引水，增加河流的水量，污染物濃度被稀釋，以達(dá)到降低污染物濃度的目的，改善了平原河網(wǎng)的水質(zhì)，間接提高了水體對污染物的容納能力。

(3) 通過分析八條河流兩種污染物典型年的水環(huán)境容量，總的規(guī)律是豐水年的水環(huán)境容量較大，水體所能容納的污染物的負(fù)荷量較多。研究的大部分河流位于市中心位置，其水功能區(qū)劃大部分是工業(yè)用水，表明所研究主要河流的主導(dǎo)功能是用于工業(yè)發(fā)展，這與市區(qū)工業(yè)化的快速發(fā)展是分不開的，進(jìn)而導(dǎo)致的水體污染也較為嚴(yán)重，相關(guān)部門需采取一定的措施，對工廠排放的廢水廢氣處理達(dá)標(biāo)再排放，從源頭上防止污染趨勢進(jìn)一步惡化。

(4) 基于本研究已有數(shù)據(jù)，僅研究了總磷和高錳酸鹽指數(shù)的水環(huán)境容量，對于濃度已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)的總氮以及氨氮的水環(huán)境容量，其影響機(jī)制還有待進(jìn)行較為深入的研究分析工作。