抚仙湖氮磷污染负荷物质平衡计算

范麦妮，李　杰

(云南省环境科学研究院，云南 昆明 650034)



抚仙湖氮磷污染负荷物质平衡计算

范麦妮，李杰

(云南省环境科学研究院，云南 昆明 650034)

摘要：根据氮磷物质平衡原理计算抚仙湖氮、磷污染物负荷平衡，抚仙湖每年输入的氮磷负荷为：总氮1303.1 t/a，总磷66.3 t/a；输出的氮磷负荷为：总氮0.54 t/a，总磷0.034 t/a；每年增加的氮磷负荷为：总氮1302.56 t/a，总磷66.27 t/a。增加的氮磷负荷中，进入水体的负荷(库容变化量)为：总氮532.14 t/a，总磷0.32 t/a；剩余的总氮770.42t和总磷65.95t可能向沉积于底泥、供藻类和大型水生植物生长利用等其它方向分流。

关键词：氮磷污染负荷；物质平衡计算；抚仙湖

氮和磷已成为影响湖泊水质的最重要的污染因子，是造成水质恶化、富营养化程度加深的主要营养物质[1]。根据物质平衡原理，进入湖泊的氮磷污染物总量是守恒的，即可表示成：输入-输出=贮存或损失[2,3]。污染物输入湖泊的途径主要包括：地表径流、地下水、大气降水降尘(干湿沉降)、人类活动排放等方式；污染物输出的途径包括：出湖河流、人类活动取水等方式。由于影响湖泊氮磷物质平衡的因素十分复杂，所选参数多受特定条件的影响，其结果应用于实际环境时存在诸多不确定性[4,5]。

本文通过分析湖泊氮磷污染物负荷物质平衡，定量计算湖泊营养物质的输入、输出和贮存(损失)，可以深入了解湖泊保持其生态环境不变的情况下可承受的污染物总量，探讨污染物在湖中的累积情况，为湖泊的水污染防治提供对策。

1材料与方法

1.1研究区域

抚仙湖是位于中国云南省的高海拔淡水湖泊，是我国目前已知的第二深水湖泊。抚仙湖隶属于云南省玉溪市，涉及澄江、江川、华宁 3县7个乡镇。其经纬度为102°49′E～102°58′E，24°21′N～24°38′N；流域面积为67469km2。

抚仙湖属南盘江流域西江水系，流域面积674.69 km2(不含星云湖流域)，当湖面高程为1722.5 m时，水域面积约216.6 km2，湖长约31.4km，湖最宽处约11.8 km，湖岸线总长约100.8 km，最大水深158.9 m，平均水深95.2 m，相应湖容水量约206.2亿m3。抚仙湖属雨水补给型湖泊，河流多为间歇性河，汇流时间短。多年平均入湖径流量为1.6×108m3，湖面降雨2.0×108m3，地下泉水0.28×108m3。湖面蒸发量 2.8×108m3，多年平均出流量0.9×108m3，换水周期长达167a。抚仙湖流域目前共有103条入湖河流，14个散流区，其中非农灌沟的河道有60多条，较大的有27条，河流普遍短小。海口河是抚仙湖唯一的明河出水口；实施出流改道工程后，隔河也成为抚仙湖的主要出湖河流之一。抚仙湖属雨水补给型湖泊，湖水主要靠降雨和湖周径流补给，河道径流调节性能很差，多为歇性河，暴涨暴落、汇流时间短，并携带大量泥沙入湖。

1.2研究方法

根据湖泊氮磷污染物物质平衡原理，即：输入-输出=贮存或损失，建立抚仙湖氮、磷物质平衡计算方程。

M输入=M输出+△M湖

式中：

M输入=M入湖河流+M沉降

M输出=M出湖河流+M取水

△M湖=M库容+M底泥+M其它

其中：M输入表示入湖的氮磷量；M入湖河流表示入湖河流携带入湖的氮磷量；M沉降表示大气干湿沉降入湖的氮磷量；M输出表示输出的氮磷量；M出湖河流表示出湖河流携带出湖的氮磷量；M取水表示人类生产生活取水带走的氮磷量；△M湖表示湖体中氮磷贮存或损失的变化量；M库容表示通过库容变化导致的水质中存在的氮磷量；M底泥表示底泥中沉积或释放的氮磷量；M其它表示其它因素导致的氮磷变化。

2结果与讨论

2.1入湖河流入湖量

于2014年8月1日—2015年8月1日监测流域103条沟(不计隔河、海口河)、合计14个散流区的径流量和同期氮磷浓度，计算流域氮磷负荷。根据各个监测断面入湖径流量和污染物浓度的测定结果，本研究采用平均浓度法计算污染负荷输出量，统计汇总得到观测期内不同河流全年及雨季的入湖负荷量，如表1所示。

观测研究期间(2014年8月1日—2015年8月1日)抚仙湖入湖河流不同径流区域年径流入湖负荷总量为：TN为1243.9t/a、TP为61.4t/a。

表1　抚仙湖流域陆域径流入湖负荷汇总　(t/a)

2.2湖面干湿沉降

大气沉降对抚仙湖的氮磷输入主要通过两个途径：一是污染物在湖面直接沉降；二是污染物在湖面以外径流区沉降后，通过雨水冲刷及地表径流入湖。由于湖面以外径流区的沉降存在大量沿途削减，本次调查只针对湖面直接沉降量加以核算，不考虑湖面以外径流区的沉降。

《抚仙湖主要污染源调查与总量分配研究(2010)》监测结果表明，抚仙湖降尘总氮、总磷单位面积负荷分别为1.146kg/hm2/a、0.101 kg/hm2/a；降雨总氮、总磷浓度分别为1.19mg/L、0.094 mg/L。抚仙湖湖面面积216.6km2，2014年降雨量为1037mm，以此计算抚仙湖降雨降尘污染。抚仙湖2014年氮磷干湿沉降负荷中，总氮约59.2t/a，总磷约4.9t/a。

表2　湖面干湿沉降负荷

2.3工农业生活用水损失的氮磷量

根据抚仙湖管理局发放的2015年取水许可证信息统计沿湖工业、服务业、农业、生活等方面的取水量。计算工农业生活用水损失的氮为0.54 t/a，磷为0.034t/a。

表3　工农业生活用水损失的氮磷量

2.4库容变化导致水体氮磷的变化量

抚仙湖湖体库容量受入湖河流、蒸发、地下水补给等因素影响，一直处于波动状态。根据玉溪市水文局对抚仙湖的监测，2014年8月1日库容量202.62亿m3，2015年7月31日抚仙湖库容量202.92亿m3。根据玉溪市监测站对抚仙湖的水质监测可得出同期氮磷的负荷量。因此，2014年8月—2015年7月的一年间，因湖体库容的变化，水体中总氮增加了532.14t，总磷增加了0.32t。

表4　湖体氮磷的变化量

2.5氮磷物质平衡计算

由于2014年和2015年两年抚仙湖水位较低，抚仙湖唯一的自然出湖河流海口河闸门一直关闭，海口河没有出流。同时，星云湖水位高于抚仙湖，为避免星云湖倒流，隔河口闸门也一直关闭，没有出水。因此，抚仙湖无出流，M出湖河流为零。

根据抚仙湖氮、磷物质平衡计算方程：

M输入=M输出+△M湖，即：M入湖河流+M沉降=M出湖河流+M取水+△M湖

得出入湖量中总氮为1303.1 t/a，总磷为66.3 t/a；出湖量中总氮为0.54 t/a，总磷为0.034 t/a；即抚仙湖每年增加1302.56t的总氮、66.27t的总磷。

表5　湖体氮磷平衡计算　(t/a)

根据氮磷物质平衡原理，抚仙湖每年增加的氮磷负荷中，进入水体的负荷为总氮532.14 t/a，总磷0.32 t/a(库容变化量)；剩余的总氮(770.42t)和总磷(65.95t)可能向沉积于底泥、供藻类和大型水生植物生长利用等其它方向分流。

抚仙湖水体氮磷负荷平衡计算结果表明，抚仙湖每年增加1302.56t的总氮、66.27t的总磷。这些氮磷负荷主要去向为：①在水体中赋存，使水体水质恶化；②向水体下层沉积，或进入底层泥水混合层，或沉积入底泥中，增大底泥内负荷；③氮负荷可能通过反硝化作用转变成N2，进入大气；④供藻类和大型水生植物利用，特别是藻类的生长，使得水华暴发风险成倍增加。大量氮磷负荷进入湖体，使抚仙湖水环境恶化的风险大大提高。

3结论

根据氮磷物质平衡原理计算抚仙湖氮、磷污染物负荷平衡，抚仙湖每年输入的氮磷负荷为：总氮1303.1 t/a，总磷66.3 t/a；输出的氮磷负荷为：总氮0.54 t/a，总磷0.034t/a；抚仙湖每年增加的氮磷负荷为：总氮1302.56 t/a，总磷66.27 t/a。增加的氮磷负荷中，进入水体的负荷(库容变化量)为：总氮532.14t/a，总磷0.32 t/a；剩余的总氮770.42t和总磷65.95t可能向沉积于底泥、供藻类和大型水生植物生长利用等其它方向分流。

参考文献：

[1]金相灿，刘鸿亮，屠清瑛.中国湖泊富营养化[M]. 北京：中国环境科学出版社，1990.

[2]陈尔金. 东张水库氮磷内源负荷定量分析[J]. 生态科学,2006,25(1):78-81.

[3]由文辉. 淀山湖水生态系统的物质循环[J]. 中国环境科学,1997,17(4): 293-296.

[4]齐振雄,李德尚,张曼平,等.对虾养殖池塘氮磷收支的实验研究[J]. 水产学报,1998,22(2):124-128.

[5]舒廷飞,温琰茂,陆雍森,等. 网箱养殖N、P物质平衡研究——以广东省哑铃湾网箱养殖研究为例[J]. 环境科学学报,2004,24(6):1046-1052.

Balance Calculation of Nitrogen and Phosphorus Load in Fuxian Lake

FAN Mai-ni, LI Jie

(Yunnan Institute of Environmental Science, Kunming Yunnan 650034, China)

Abstract：The nitrogen and phosphorus balance were calculated in Fuxian Lake according to the balance principle. The annually input of total nitrogen was 1303.1 t/a, and total phosphorus was 66.3 t/a. The annually output of total nitrogen was 0.54 t/a, and total phosphorus was 0.034 t/a. Annual increase of total nitrogen was 1302.56 t/a, and total phosphorus was 66.27 t/a. Some of the annual increasing pollution load entered to the water body (TN 532.14 t/a, TP 0.32 t/a). The left (TN 770.42 t/a, TP 65.95 t/a) might go to substrate sludge, air, algae, hydrophyte, and etc.

Key words：nitrogen and phosphorus load; material balance calculation;Fuxian Lake

中图分类号：X52

文献标志码：A

文章编号：1673-9655(2016)03-0044-04

作者简介：范麦妮 (1983-)，女，硕士，工程师，研究方向为环境污染控制。

收稿日期：2015-11-03