基于水質目標的博斯騰湖水環境容量研究

陳雪峰

(塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000)

近幾十年來,由于氣候變化和人為因素的影響,博斯騰湖水質咸化、水污染嚴重。為了實現博斯騰湖入湖水質的精細化管理,就需對其水環境容量進行研究。

1 概 況

博斯騰湖流域主要由開都河流域和孔雀河流域組合,地處塔里木盆地東北部、塔克拉瑪干沙漠東北緣,由山區生態系統、綠洲生態系統、湖泊生態系統及荒漠生態系統等構成,流域總面積7.7×104km2,其中平原區面積4.26×104km2,占流域面積的55.32%,人口110萬,是巴州國民經濟發展、生態環境保護的重要區域[1]。

2 計算依據

博斯騰湖流域共有大小河流眾多,年均徑流>1×108km2的河流有開都河、黃水溝、清水河、孔雀河和北部支流。依據《全國重要江河湖泊水功能區區劃手冊》的相關規定,將博斯騰湖大湖區劃分為五個二級水環境功能區。各水功能區水質標準按地表水環境質量標準(GB3838-2002)中的Ⅲ類標準(COD濃度≤20mg/L,氨氮濃度≤1 mg/L,總磷濃度≤0.05mg/L,總氮濃度≤1 mg/L)[2]?？紤]到博斯騰湖水體礦化度較高,有趨于咸化的風險,本次研究將礦化度也納入水環境容量計算指標中,礦化度的水質目標以咸水/淡水的劃分標準(1000 mg/L)計算。

對于小型淺水湖泊,通常采用零維水動力-水質數學模型計算水環境容量。對于博斯騰湖而言,由于其具有較大水域面積,無法按照完全均勻混合水體來計算水環境容量。考慮到博斯騰湖具有較大寬深比,可認為水體在垂向上均勻混合,故采用平面二維水動力-水質模型計算博斯騰湖的水環境容量。

通過水質模型確定各排污口污染物單位排放量引起的湖泊控制點的響應情況,即各排污口排放量與水質控制點的相應關系。在此基礎上,應用線性優化方法計算出博斯騰湖大湖區的水環境容量。

水環境容量計算公式如下:

(1)

式中:W為水環境容量;Ci為入湖河道水質濃度值,mg/L;Qi為入湖河道設計水量,m3/s;△W為水環境容量訂正值,t/a。

3 計算方法

3.1 計算指標

2020年和2021年兩次現場踏勘和水體采集水環境調查工作,在5個水功能區設置17個國控監測點位,收集博斯騰湖現有水質監測資料,為后續水環境容量計算奠定基礎。根據博斯騰湖水質現狀和水污染的特點,綜合考慮考慮進入水體的主要污染物稀釋自凈規律,結合大湖區水文條件的影響,分別計算博斯騰湖2019年和2020年現狀條件下各分區水環境容量;同時,對博斯騰湖出入湖河流多年水文資料進行排頻計算,選取豐水年、平水年和枯水年三個水文年,分別預測其水環境容量。根據博斯騰湖水質現狀和主要污染來源的特點,結合全國水資源綜合規劃的要求,將湖區總體和各水功能區的水環境容量計算控制指標確定為COD、氨氮、總磷、總氮、礦化度[3]。

3.2 污染源調查

2021年初,組織技術人員對博斯騰湖流域內的各類污染源進行了調查。

3.2.1 點污染源

博斯騰湖污染物主要來自其北和靜縣、和碩縣、焉耆縣和博湖縣。據調查,4縣工業污染源173家,其中和碩縣68家、焉耆縣42家、和靜縣41家、博湖縣22家。調查期內工業廢水的排放總量為8024551t。城鎮污水產生量從大到小依次為:和靜縣>焉耆縣>和碩縣>博湖縣,人均生活污水產生量達95L/人d,該分布結果與4縣城鎮人口發展有關。

3.2.2 面源污染

博斯騰湖面源污染物主要來源于農村生活污染、農業種植、畜禽養殖、水產養殖和旅游。其中農田排水攜帶的污染負荷量約占總量的24.5%～27.33%,是博斯騰湖中氮磷的主要來源,這是因為流域主要以農業經濟發展為重。

3.3 背景濃度

功能區背景濃度取位于水質功能區內監測點位水質監測數據的全年平均值。黃水溝入湖區和大河口水質背景取其監測斷面全年水質監測數據的平均值。根據檢測結果,計算出2019年和2020年入湖河道平均水質濃度值,具體見表1。

表1 博斯騰湖區污染物計算結果

根據2019年和2020年水文資料,計算出主要入庫湖河道的逐日平均流量值和相應的水質濃度,將水質濃度乘以入湖流量值得出各個入湖河道的入湖通量值。入湖通量計算公式為:

(2)

式中:Ci為監測值;Qi為模擬計算值[4]。

計算結果如表1所示。

3.4 綜合衰減系數

綜合衰減系數反映了有機污染物在水體水體作用下降解速度,與河流的水文條件,如流量、流速、河寬、水深、泥沙含量等因素有關。綜合衰減系數可用實測資料反推或水團追蹤法求取,亦可類比分析確定。文章通過實測資料反推。

實測資料反推法采用如下計算公式:

(3)

式中:K為衰減系數;u為平均流速,m/s;x為監測點至排污點的距離,m;CA為上游斷面水質濃度監測值;CB為下游斷面水質濃度監測值。

計算結果見表1。

3.5 計算結果分析

根據博斯騰湖水功能區劃分和保護目標水質參數,計算得出博斯騰湖COD、氨氮、總磷、總氮和礦化度的入湖污染負荷和湖區水環境容量,結果如表2所示。

表2 博斯騰湖水環境計算結果

由表2可知:可以看出,現狀條件下COD水環境容量均超負荷,氨氮、總磷、總氮和礦化度均有不同程度的盈余。

博斯騰湖水域面積較大,各區域水質存在明顯差異性,因此根據博斯騰湖水環境功能區劃,將其分為五個分區(圖5-1)并分別計算各分區水環境容量。2019年五個功能區COD、氨氮、總磷、總氮、礦化度的入湖污染負荷及水環境容量計算結果如表3所示。

表3 2019年博斯騰湖分區水環境計算結果

由表3可知,博斯騰湖大湖區水環境容量除Ⅰ區外,其他功能區均為負值,這表明Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區、和Ⅴ區的COD容量均超負荷。氨氮、總磷、總氮、礦化度的水環境容量均有不同程度的盈余。 2020年五個功能區COD、氨氮、總氮、總磷、礦化度的入湖污染符合及水環境容量計算結果見表4所示。

表4 2020年博斯騰湖分區水環境計算結果

由表4可知,五大功能區的COD水環境容量中,除Ⅰ區外,其他功能區均為負值,Ⅰ區水環境容量為3754.1t/a,Ⅱ區為-203.8 t/a,Ⅲ區為-949.5 t/a,Ⅳ區為-1532.0t/a,Ⅴ區為-5724.8 t/a,這表明Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區、和Ⅴ區的COD容量均超負荷。氨氮、總磷、總氮、礦化度的水環境容量均有不同程度的盈余。

4 不同來水條件下博斯騰湖水環境容量預測

分別預測豐水年、平水年和枯水年來水條件下博斯騰湖COD、氨氮、總磷、總氮、礦弧度的水環境容量,結果如表5所示。

表5 博斯騰湖豐平枯水文年環境容量計算結果表

由表5可知,各水文年來水條件下,博斯騰湖COD的水環境容量均為負值,表明COD的水環境容量均超負荷。其中,豐水年博斯騰湖各水質指標水環境容量為:COD-1.6萬t/a,氨氮7401.3 t/a,總磷320.9 t/a,總氮5134.2 t/a,礦化度96.9萬t/a;枯水年博斯騰湖各水質指標水環境容量為:COD-0.7萬t/a,氨氮7803.1 t/a,總磷348.4 t/a,總氮5786.7 t/a,礦化度140.3萬t/a。

5 結 語

針對博斯騰湖大湖區的特點,按照水功能區劃分及水質目標,計算大湖區主要污染物水環境容量,主要結論如下:

1)博斯騰湖大湖區現狀2019年、2020年來水條件下,總體COD水環境容量均為負值,氨氮、總磷、總氮和礦化度均有不同程度的盈余。不同分區的水環境容量計算結果在2019年和2020年差別不大,COD水環境容量除Ⅰ區外,其他功能分區均為負值,氨氮、總磷、總氮和礦化度的水環境容量在各個區均有不同程度的容量富余。

2)對豐水年、平水年和枯水年水環境容量的預測結果顯示,不同來水條件下COD水環境容量均超負荷,氨氮、總磷、總氮和礦化度的水環境容量均有不同程度的盈余,表明COD為博斯騰湖水環境治理的重要關注指標。