入湖污染负荷消减对长荡湖水质改善效应评估

靳斌斌,朱　亮,3,李一平,3,滕荣国, 秦文浩

(1. 河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室 ，南京　210098；2.河海大学环境学院，南京　210098；3. 河海大学水利工程科学与水文水资源国家重点实验室，南京　210098；4. 金坛市自来水公司，江苏 金坛　213200)

· 水环境 ·

入湖污染负荷消减对长荡湖水质改善效应评估

靳斌斌1,2,朱亮1,2,3,李一平1,2,3,滕荣国4, 秦文浩1,2

(1. 河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室 ，南京210098；2.河海大学环境学院，南京210098；3. 河海大学水利工程科学与水文水资源国家重点实验室，南京210098；4. 金坛市自来水公司，江苏 金坛213200)

为科学客观地分析论证水源地现状污染负荷消减改善效果和存在问题，以金坛市长荡湖湖区为研究对象，建立二维水流-水质耦合模型。以丰水年、平水年、枯水年为例，通过对入湖河流污染负荷分别消减10%、20%和30%方案和对保护区内围网养殖的消减三工况方案，利用EFDC模型，分析了入湖河流污染负荷消减及围网拆除对长荡湖全湖TN改善程度。结果表明：对比入湖河流污染负荷消减30%和拆除一、二级保护区内全部围网养殖的改善效果，发现拆除围网养殖比消减入湖河流污染负荷对长荡湖TN改善效果更明显,为优化长荡湖污染负荷消减提供了理论依据。

污染负荷消减;EFDC模型;水质改善;长荡湖

1　前　言

安全饮用水是世界正面临着的四大水资源问题之一[1]，随着经济社会发展和人民对环境质量要求的提高，我国也不断加大对饮用水水源地的保护与治理工作。2010年环境保护部、国家发展和改革委员会、住房城乡建设部、水利部和卫生部等五部委联合印发了《全国城市饮用水水源地环境保护规划(2008—2020年)》。该规划以解决水质不达标及重污染水源地的环境问题为重点，明确了八项建设任务以保障居民的饮用水安全。目前，我国对饮用水水源地污染的研究较多，如王书航等[2]对巢湖入湖河流分类及污染特征分析；曾庆飞等[3]关于东太湖水质污染特征研究；谢兴勇等[4]对太湖磷循环的生态动力学模拟研究；赖锡军等[5]对鄱阳湖二维水动力和水质耦合数值模拟的研究。但是上述研究主要集中于水源地污染状况的调查分析和污染的数值模拟研究，较少的涉及水源地污染与周边环境因子内在关联性的量化研究，对污染的防治措施的量化分析更是薄弱。

针对长荡湖所面临的典型湖泊富营养化水环境问题，自2009年起，金坛市开展对长荡湖生态修复工作，加大了对长荡湖周边工业污染源的整治，取得了初步成效。但总的来说效果还是不太明显，要真正实现生态湖泊的要求，必须从源头上控制和治理水质污染，对入湖污染物实行总量控制，调整湖内生态环境结构[6]。因此，为科学客观的分析论证水源地现状污染负荷消减改善效果和存在问题，本文以金坛市长荡湖湖区为研究对象，建立了二维水流-水质耦合模型。以丰水年、平水年、枯水年为例，通过对入湖河流污染负荷分别削减10%、20%和30%方案和对保护区内围网养殖的消减两工况方案，利用EFDC模型，分析了入湖河流污染负荷消减及围网拆除对长荡湖全湖TN改善程度，为优化长荡湖污染负荷消减提供了理论依据。

2　研究区域

长荡湖，又名洮湖，地处金坛、溧阳两市交界处，北距金坛市金城镇9.0km，在东经119°30′～119°40′、北纬31°30′～31°40′之间，湖面形状如梨形，长约为13.6km，宽约为9.3km，水面面积约81.86km2，湖泊保护范围总面积为120.74km2。长荡湖是江苏省10大淡水湖之一，为太湖流域湖西区调蓄性湖泊，其水源主要来自环湖河港入流和湖面降水补给，湖区周围有大小进出河港44条，主要入湖河港有新建河、方洛港、新河港、大浦港、白石港以及北河等；主要出湖河港有湟里河、北干河以及中干河等，另外，与长荡湖有密切关系的河湖有丹金溧漕河和钱资荡。长荡湖地理位置详见图1。

图1　长荡湖地理位置Fig.1　The location map of Changdang Lake

长荡湖水体现状功能为生活饮用水，执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水标准。据长荡湖2013年各个监测点水质评价结果，2013年内长荡湖高锰酸盐指数和氨氮浓度除各别月份略有超标外，基本达到生活饮用水水源地Ⅲ类标准；总磷和总氮年平均浓度超标情况较为严重；其中，总氮浓度为Ⅴ类或劣Ⅴ类。

3　湖区数学模型建立

为充分利用长荡湖水质水量检测数据和污染源调查资料，确定主要长荡湖水量模型参数和水质降解参水，根据长荡湖环湖河道概况，对方洛港、新河港、大浦港、白石港、北河、湟里河、北干河和中干河8条出入湖道进行概化，基于EFDC模型建立长荡湖湖区数学模型，从而为研究长荡湖入湖污染负荷消减提供理论基础。

3.1水量水质耦合模型

EFDC模型的水质模块在考虑风速、风向(以来风方向为基准，规定正东方向为0度。EFDC模型能够实现碳氮磷等营养盐有机态和无机态多种形式的模拟，功能完善且能够更加真实可靠的反映污染物的扩散降解转化规律[7～9]。EFDC水质模块的主要质量守恒方程如下：

水质变量的质量守恒控制方程由物质输移、平流扩敝和动力学过程组成：

(1)

求解时，动力学项与物理输运项脱耦，若对物理输运求解，质量守恒方程与盐度方程采样相同的形式：

(2)

若方程只对动力学过程求解，则方程被视为动力学过程：

(3)

也可表示如下：

(4)

式中：C为水质指标变量浓度；u、v和w分别为x、y、z方向的速度；Kx，Ky，Kz分别为x、y、z方向的扩散系数；Sc为单位体积源汇项；K为动力学速率；R为源汇项。

3.2湖网概化

模型用于长荡湖整个湖区，计算区域面积约82km2，对计算水域采用矩形网格布置，网格大小为100m×150m矩形，在计算区域内生成8494个网格。根据长荡湖环湖河道概况，在计算域内概化成8个出入湖口。(见图2)

图2　长荡湖湖网概化Fig.2　The lake generalized network diagram of Changdang lake

3.3模型参数选择及边界条件选取

(1)模型参数选择

多数情况下，EFDC 模型中的许多参数不需要修改。譬如Mellor-Yamada 湍封闭参数在各个模型中基本是相同的[10，11]。下面讨论常调整的参数，长荡湖湖底糙率 Z0取为默认值0.02m ，选择0.1m作为干湿网格的临界水深，水平粘性系数等见表1。

表1　长荡湖水动力模型参数取值

此外，TN、TP和NH3-N降解系数根据实测资料确定为0.015～0.018 d-1，CODMn降解系数根据实测资料分别确定为0. 15～0.2 d-1。考虑到计算的稳定性和精度，水质计算的时间步长为10s 。

(2)模型边界条件的选取

初始条件设置：主要考虑初始水位、初始水质和流场等因素。

边界条件：采用全年出入湖河道水质、水量资料、长荡湖降雨资料、年蒸发量资料以及风场资料等。

3.4模型率定

(1)长荡湖水动力模型验证

为检验二维水流模型处理是否合理，模型设定参数能否反映河道水流的实际情况，在保持模型率定参数和区域概化处理方法不变的前提下，使用2013年王母观全年实测水文资料对二维水流模型进行验证，模型验证结果显示沿程水面线与实测水面线一致，年平均水位误差不超过1cm，验证结果见图3。二维水流模型对区域的概化处理合理，选用的参数反映了河道的水力特性。

图3　2013年长荡湖的实测水位与计算结果的验证Fig.3　The verification of measured water level of the Changdang lake in 2013 and the calculated results

(2)长荡湖水质模型验证

为考查二维水流-水质耦合模型模拟污染带的合理性，模型设定参数能否反映河道水流的实际情况，在保持模型率定参数和区域概化处理方法不变的前提下，根据2013年长荡湖水体实测资料对长荡湖进行模型的检验率定,模型验证结果显示水质模拟结果与实测数据相符。所建模型用于开展长荡湖水质计算和预测，验证结果见图4。

图4　2013年长荡湖的实测水质与计算结果的验证Fig.4　The verification about measured water quality of the Changdang lake in 2013 and the calculated results

4　入湖污染负荷消减对湖体水环境质量影响与预测

4.1环湖河流对长荡湖TN浓度分布的影响

影响湖体水质的环湖河道主要有大浦港、新河港、方洛港和白石港，其中，大浦港对长荡湖TN入湖通量贡献最大。具体各环湖河流TN入湖量见表2。

表2　环湖河道TN入湖通量

基于所建立的湖网水动力和水质模型，模拟长荡湖TN浓度分布，具体见图5。

图5　不同水平年TN浓度模拟分布Fig.5　Simulated TN concentration distribution of different years

4.2现状污染负荷消减方案

长荡湖水源主要来自环湖河港入流和湖面降水补给，主要污染源为进出湖河流携带的污染和围网养殖污染。此外，主要出入湖河港对长荡湖水动力和水环境特征具有较大的影响。综合考虑《太湖流域水环境治理总体方案》(2013年修编)[12]，江苏综合治理区主要污染物排放总量控制目标的要求，拟定入湖河流污染负荷分别削减10%、20%和30%。

根据《江苏省县级以上集中式饮用水水源地保护区》划分方案对饮用水水源保护区一级保护区和二级保护区的要求，拟定保护区内围网养殖的消减程度[13]。分两种工况:(1)一级保护区围网全部拆除，拆除面积为20.11 ha，占全湖围网养殖面积的0.87%；(2)一、二级保护区内围网全部拆除，拆除面积为328.21ha，占全湖围网养殖面积的14.19%。计算方案见表3。

表3　计算方案表

4.3现状污染负荷消减效果分析

基于所建立的湖网水动力和水质模型，根据现状污染负荷消减方案，模拟和计算不同计算方案下TN的改善情况，具体计算结果见图5。

图6　长荡湖污染负荷消减预测Fig.6　The prediction of pollution load reduction of Changdang lake

由图6的计算结果分析可知，在丰水年、平水年和枯水年，入湖河流污染负荷消减10%的条件下，总氮浓度年平均值分别为2.08 、1.94 和1.62 mg/L，水质年平均改善程度分别为7.1%、6.5%和7.7%；入湖河流污染负荷消减20%的条件下，总氮浓度年平均值分别为1.92 、1.8 和1.5 mg/L，水质年平均改善程度分别为14.3%、12.9%和15.0%；入湖河流污染负荷消减30%后，总氮为IV类～V类，全年达标率在2%～10%。

由图6的计算结果分析可知，在丰水年、平水年和枯水年水文条件下，拆除一级保护区围网对水质改善效果较为明显，总氮浓度年平均值分别为1.86 、1.7 和1.43 mg/L，水质年平均改善程度分别为17.1%、17.6%和18.4%，各水文年全年水质处于IV类～V类；在丰水年、平水年和枯水年水文条件下，拆除二级保护区围网对水质改善效果较为明显，总氮浓度年平均值分别为1.34 、1.22 和0.96 mg/L，水质年平均改善程度分别为40.4%、41.3%和45.1%。各水文年全年水质处于IV类～V类。综上，一、二级保护区围网全部拆除后，总氮处于Ⅲ类～Ⅳ类，达标率处于6.5%～61.4%。其中，丰年年达标情况最差。

通过对比入湖河流污染负荷消减30%和拆除一、二级保护区内全部围网养殖的改善效果，发现拆除围网养殖比消减入湖河流污染负荷对长荡湖水质改善效果更明显，故应加大围网养殖的拆除力度。

5　结　语

通过水质水量模型模拟，预测了不同水平年入湖河流污染负荷消减和围网养殖污染负荷消减对长荡湖水质的影响，主要获得以下几个结论：

5.1消减入湖河流污染负荷可以明显改善取水口附近的水质,当入湖污染负荷消减10%、20%和30%，总氮的改善程度为6.2%、12.4%和18.6%，但是入湖污染负荷消减30%后，总氮只能达IV类～V类标准；拆除饮用水源地保护区内的围网养殖对取水口水质改善效果明显，一、二级保护区内围网全部拆除时，不同水平年总氮的改善程度为40.4%～45.1%，此时，总氮达IV类标准。

5.2通过对比入湖河流污染负荷消减30%和拆除一、二级保护区内全部围网养殖的改善效果，发现拆除围网养殖比消减入湖河流污染负荷对长荡湖水质改善效果更明显，故应加大围网养殖的拆除力度。

5.3其他整治措施力度需加大，仅通过入湖河道污染负荷消减和拆除围网养殖区手段治理，仍达不到长荡湖治理Ⅲ类水目标，只有从源头上减少和控制污染物入湖，才能保证长荡湖水质改善的可能。故在拆除围垦养殖区的同时，需要实施其他整治措施，如建设湖滨湿地净化带、人工种植水生植被、提高上游来水水质等，长荡湖水环境的整治效果才会更理想。

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Assessment of Water Quality Improvement Effect of Changdang Lake by Reduction of Pollution Load into the Lake

JIN Bin-bin1,2, ZHU Liang1,2,3, LI Yi-ping1,2,3, TENG Rong-guo4, QIN Wen-hao1,2

(1.KeyLaboratoryofIntegratedManagementShallowLakes&ResourceDevelopment,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.EnvironmentCollege,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.StateKeyLaboratoryofHydrology&WaterResources&HydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;4.JintanWaterCompany,Jintan,Jiangsu213200,China)

In order to analyze and demonstrate scientifically and objectively how the reduction of the pollution load improves the water source and its existing problems, this study took the Changdang Lake，district in Jintan city， as the research object and established a two-dimensional flow - water quality coupling model . Using EFDC model, this paper analyzed the improvement effect of TN due to pollution load reduction (reduced by 10%, 20% and 30%) and fence removal in protection area (two removal conditions). The results showed that removal of enclosure culture had more improvement effects to TN by comparing two conditions ，30% pollution load reduction and total removal of enclosure culture in primary and secondary areas. The research can provide theoretical basis for pollution load reduction of Changdang Lake.

Pollution load reduction; EFDC model; water quality improvement; Changdang Lake

2015-03-31

金坛市长荡湖水质水量动态模拟预测与研究。

靳斌斌(1988-),男,河南安阳人,河海大学市政工程专业2012级在读硕士研究生,主要从事水污染控制及数值模拟研究。

X824

A

1001-3644(2015)04-0050-07