基于水質(zhì)目標的淀山湖環(huán)境容量評估

基于水質(zhì)目標的淀山湖環(huán)境容量評估

淀山湖位于上海青浦西部，與江蘇省昆山市和吳江市接壤。湖的形狀是螺旋形的，平均深度為63.73km2。該流域與黃浦江和吳松江相連。自2000年以來，淀山湖水體富營養(yǎng)化程度顯著增加，藻類水體頻繁，對上海飲用水水源的水質(zhì)安全構(gòu)成了重大威脅。目前，許多關(guān)于淀山湖氮、磷、浮游植物、綠葉a、水污染防治和生態(tài)恢復(fù)的研究已經(jīng)開展，但目前還缺乏最新的環(huán)境質(zhì)量評價。本工作的目標是評估不同水質(zhì)條件下淀山湖cod、tn和tp的最大容量，填補研究空白，為控制和改善水質(zhì)提供科學合理的依據(jù)。1cod環(huán)境評估1.1湖泊水質(zhì)污染物排放量預(yù)測淀山湖是一個淺水湖泊,其湖區(qū)蒸發(fā)量與降水量大致相等、進、出水量相近,因此COD水環(huán)境容量采用進、出湖水量相等均勻混合易降解的水質(zhì)數(shù)學模型進行估算.COD允許排放量計算采用沃倫威得爾(Vollenwelder)模型,計算方法如式(1)所示.式中:W為湖泊水體有機污染物的最高允許排放量,g/d;△t為湖泊維持其設(shè)計水量的天數(shù)(或枯水時段天數(shù)),d;Cs為湖泊水體應(yīng)執(zhí)行的水質(zhì)標準或該水質(zhì)指標的目標控制濃度,mg/L;C0為湖泊的實測濃度,mg/L;V為湖泊的設(shè)計水量(設(shè)計庫容或按死庫容),m3;K為湖泊中有機物的綜合衰減系數(shù),d-1;q為安全庫容期間湖泊平均每天的流出水量,m3/d.不考慮蒸發(fā)時,應(yīng)等于入湖(庫)廢水量、入湖地表徑流量與上游河道來水量之和.式(1)中右邊3項實際上分別為稀釋容量、自凈容量和遷移容量.在水質(zhì)控制目標一定的情況下,W的大小實際上取決于水體現(xiàn)狀濃度高低、湖庫蓄水量、以及在安全庫容期間,湖泊平均每天的流出水量3個參數(shù)的大小.1.2計算參數(shù)的確定1.2.1t.1.2.2種水質(zhì)目標情景為充分了解淀山湖水體在不同水質(zhì)目標情景下的環(huán)境容量,共設(shè)置以下3種水質(zhì)目標情景:情景一:保持現(xiàn)狀水質(zhì)不再惡化,即水質(zhì)控制目標等于現(xiàn)狀水質(zhì).情景二:達到上海市水環(huán)境功能區(qū)劃要求,即達到II類水質(zhì)目標.情景三:達到飲用水源地最低水質(zhì)目標要求,即達到III類水質(zhì)目標.1.2.3c0根據(jù)青浦區(qū)環(huán)境保護局提供的數(shù)據(jù),目前COD取年月平均值15.2mg/L,NH3-N取年月平均值1.4mg/L.1.2.4V1.2.5k類1.2.6q1.3水質(zhì)目標類型情景一:在水質(zhì)保持現(xiàn)狀情況下,淀山湖總的COD環(huán)境容量為47213t/a,此時由于目標濃度與現(xiàn)狀濃度相等,COD稀釋容量為0.自凈容量為24411t/a,表明在現(xiàn)狀濃度條件下,淀山湖水體每年靠自凈能力可以凈化的COD量為24411t.遷移容量為22802t/a,表明在該水質(zhì)目標下,每年下泄流量可帶走22802t的COD.情景二:在水質(zhì)目標為II類時,淀山湖總的COD環(huán)境容量為46325t/a,其中COD稀釋容量為-268t/a,表明由于目前淀山湖水體濃度略高于水質(zhì)目標,因此要讓水質(zhì)達標,還需要從水體中削減268t/a的COD.此時自凈容量為24090t/a,遷移容量為22502t/a.情景三:當COD水質(zhì)目標為III類時,其理論環(huán)境容量將達到68547t/a.2tn和tp的環(huán)境容量估算2.1湖庫水面積、水質(zhì)及年出水量目前核算湖庫TN、TP環(huán)境容量的模型較多其中使用較多的有狄龍(Dillion)模型[16,18,19,20,21,22]、世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)模型、以及合田健模型等.其中狄龍模型比較適用于富營養(yǎng)化水體,合田健模型較適用于庫灣型水體.為了全面了解淀山湖TN和TP環(huán)境容量,本文先利用3種模型進行計算,然后取其平均值作為最終評估結(jié)果.(1)狄龍模型計算公式為:式中:M為水體氮或磷的納污能力,g/a;Ls為單位湖(庫)水面積對氮或磷的納污能力,g/(m2·a);A為計算時期湖(庫)水面積,m2;Cs為湖(庫)中氮或磷的年平均控制濃度(水質(zhì)目標值),mg/L.為充分了解TN和TP在不同水質(zhì)目標條件下的環(huán)境容量,本文共設(shè)置以下4種目標情景:情景一:保持現(xiàn)狀水質(zhì)不再惡化,即水質(zhì)控制目標等于現(xiàn)狀水質(zhì).情景二:達到上海水環(huán)境功能區(qū)要求,即達到II類水質(zhì)目標.情景三:達到飲用水源地最低水質(zhì)目標要求,即達到III類水質(zhì)目標.情景四:達到IV類水質(zhì)目標,文獻規(guī)定到2020年太湖湖體水質(zhì)TN控制在IV類.h為計算時期水域的平均水深,由計算時期的庫容/水深面積得到,m;Q出為穩(wěn)態(tài)時湖庫的年出水量,m3/a,本文按保守估計的15.0×108m3進行計算(與前面COD容量計算保持一致);V為設(shè)計水文條件下的湖(庫)容積,m3;R為氮、磷在湖(庫)中的滯留系數(shù),無量綱,一般用式(3)計算:式中:W出和W入分別為年出、入湖(庫)的氮、磷量(指通過各種途徑帶出湖體的量,包括水草打撈、捕魚、下泄等帶出的量),t/a.在無法得知年進、出湖的氮、磷量時,可按式(4)進行估計:由于式(2)中Ah=V,因此可變形為:由于Cs為定值,因此M的大小主要取決于Q出和R的大小.由式(4)可知,R的大小取決于Q出和A,因此,M的大小最終取決于Q出和A的大小.(2)世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織模型法計算公式為:式中:qs為湖泊單位面積的水量負荷,等于Q入/A,m/a,其他參數(shù)同前.從長期看,淀山湖Q入與Q出基本相等,為此式(6)可變形為:由于Cs為定值,因此M的大小主要取決于Q出和V的大小.(3)合田健模型法計算公式為:式中:為平均水深,等于V/A,其他參數(shù)同前.式(8)實際上可變形為:2.2估計結(jié)果2.2.1tn水體目標類別與環(huán)境容量在水質(zhì)保持現(xiàn)狀條件下(情景一),淀山湖TN環(huán)境容量3種模型計算結(jié)果為7480.6~9704.8t/a,平均值8337.7t/a.在TN水質(zhì)目標設(shè)定為II類時(情景二),環(huán)境容量在1068.9~1386.4t/a之間,平均值為1191.1t/a.水質(zhì)目標為III類時(情景三),環(huán)境容量在2137.3~2772.8t/a之間,平均值為2382.2t/a.水質(zhì)目標為IV類時(情景四),其環(huán)境容量為3206.0~4159.1t/a,平均值為3573.3t/a(表2).2.2.2tp目標設(shè)定和環(huán)境容量在水質(zhì)保持現(xiàn)狀條件下(情景一),淀山湖TP環(huán)境容量3種模型計算結(jié)果為427.2~554.4t/a,平均值476.3t/a.在TP水質(zhì)目標設(shè)定為II類時(情景二),TP環(huán)境容量在53.4~69.3t/a,平均值為59.5t/a.水質(zhì)目標為III類時(情景三),其環(huán)境容量平均為106.8~138.6t/a,平均119.1t/a.水質(zhì)目標為IV類時(情景四),其環(huán)境容量為213.7~277.3t/a,平均為238.2t/a(表3).3水質(zhì)目標操作結(jié)果3.1在保持現(xiàn)狀濃度條件下,COD、TN和TP的環(huán)境容量分別為47213,8337.7,476.3t/a.3.2在水質(zhì)控制目標為II類,即滿足上海水環(huán)境功能區(qū)劃要求時,COD、TN和TP的環(huán)境容量分別為46325,1191.1,59.5t/a,與情景一相比,除COD外,其余2項環(huán)境容量均有大幅度的下降,說明除COD現(xiàn)狀濃度與II類水質(zhì)目標較接近外,其余均有較大差距.3.3在水質(zhì)控制目標為III類,即滿足飲用水源地最低標準時,COD、TN和TP的環(huán)境容量分別為68547,2382.2,119.1t/a.各項指標較情景二均有較大幅度增加.3.4由于COD目前水質(zhì)均好于IV類水,所以本文不為其設(shè)IV類水質(zhì)目標情景.在IV類水質(zhì)目標時,即達到國務(wù)院設(shè)定2020年太湖湖體水質(zhì)TN控制目標時,TN、TP的環(huán)境容量分別為3573.3t/a和238.2t/a.本文按一般情況下的30d計算.據(jù)國務(wù)院批復(fù)的《太湖流域水環(huán)