白潭湖水质及其水环境容量分析

江明　曾维　佘健　严雪萍　李晔　李柏林

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院　武汉 430070；　2.黄冈市环境保护局　湖北黄冈 438000；

3.中南安全环境技术研究院有限公司　武汉 430070)



白潭湖水质及其水环境容量分析

江明1,2曾维1佘健3严雪萍1李晔1李柏林1

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院武汉 430070；2.黄冈市环境保护局湖北黄冈 438000；

3.中南安全环境技术研究院有限公司武汉 430070)

摘要根据白潭湖湖区相关水文参数，监测资料和水功能区划，分析白潭湖的水质现状和污染源情况，并采用输入、输出模型、盒式零维模型、浅水湖和水库规划组模型等一系列水环境容量计算模型测算白潭湖COD，NH3-N，TP和TN的环境容量，结果表明，白潭湖富营养化现状较严峻，各指标如COD，NH3-N，TP和TN的环境容量分别为587.0，7.46，86.95，4.34 t。

关键词白潭湖水质评价环境容量

0引言

白潭湖位于黄冈市黄州区东南部，属长河流域，西北起自罗家沟堤，东抵巴河，北与白羊山分界，南临长江，主要承接长河、赤港来水。白潭湖的主要功能是养殖、灌溉、调蓄水量，执行Ⅲ类水质标准，被列为国家淡水鱼出口基地之一。白潭湖常年水深2 m，水面面积3.62 km2，自土司港建成以来，湖水经由土司港闸流经巴河进入长江，东西长3.1 km，南北宽4.0 km。

随着白潭湖周边城市化进程的加快，各行业的发展，生活污水和工农业废水急剧增加，快速的经济社会发展与水环境保护的不平衡导致城市发展与自然环境的矛盾加剧。致使白潭湖水环境质量下降，湖泊富营养化渐趋严重。目前白潭湖的水质已经下降为Ⅴ类。因此，对排入白潭湖的重要污染源进行调查分析并对其水质级别及水环境容量进行计算，对管理部门进行白潭湖污染治理具有重要意义[1]。对白潭湖的水环境功能区划、水文条件和水文参数等进行分析后，选择适当的评价方法和拟合模型，对白潭湖的主要水质指标COD，NH3-N，TP和TN进行容量计算评价。

1水质现状

白潭湖自1953年建土司港，水位得到控制，没有明显的汛期和枯水期，旱能灌，涝能排，管理方便。依据白潭湖区水环境功能区划，湖区水质标准按Ⅲ类水质，各指标的控制目标如表1。参照国家《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ类水质标准，确定白潭湖的水污染控制指标采用标准指数法进行评价，包括单因子指数(Pi)和综合指数(Pj)评价，并计算各类污染物的污染贡献率(Ki)。

表1　地表水环境质量Ⅲ类水质标准　mg/L

以地表水水质分级标准(表2)为参照，确定白潭湖的水质级别。

(1)单因子污染指数

(除pH值和溶解氧外)

式中, Pi为单因子污染指数；Cij为j断面i项污染物的年平均值；Ci0为j断面i项污染物指标的评价标准，取《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中的Ⅲ类标准值。

对于pH和溶解氧(DO)：

式中，Ci为污染物i的年平均监测值；Ci0为污染物i的评价标准值；Cmax为溶解氧的最高质量浓度(饱和溶解氧浓度20 ℃，9.17mg/L)。

pH值的允许范围依据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中Ⅲ类水标准确定。

(2)综合污染指数

式中，Pj为j监测断面(湖泊)水污染综合指数；Pij为j监测断面i项污染物的污染指数；n为参与评价污染物项数。

湖泊水污染是多种污染因子的综合作用，明确主要污染项有助于污染控制和治理，不同的污染因子因其作用机制和理化性质不同，其对水质的影响和影响程度有差异，因此需要对其各污染物的污染分担率进行评估。

式中，Ki为i污染物在该监测断面(湖泊)各污染物中的污染分担率。

表2　地表水水环境质量分级标准

根据以上评价方法可知，2012年综合污染指数为1.36(见表3)，属于中污染，水质状况差。白潭湖水域参评的各项指标中，pH、溶解氧的达标情况较好，COD，BOD5，NH3-N，TP和TN均不达标。具体情况为溶解氧达到地表水质Ⅲ类标准，COD，TP，TN和NH3-N达到地表水质Ⅳ类标准，而BOD5则达到了地表水劣Ⅴ类水质标准。综合知白潭湖的2012年的水质为劣Ⅴ类。

表3　2012年水质污染综合指数

2污染源调查

白潭湖区的工业污染源根据各行业各行政区域的工业污染点源实际情况进行统计；白潭湖周边面源生活污染物产生量采用经验公式进行估算，对城镇和农村生活源，应根据其产生和收集处理实际情况分别对待；计算面源径流污染时，根据农田用地情况，调查并统计水田和旱地的土地面积和白潭湖湖区多年年均降雨量，根据各土地类型对应径流系数和源强系数进行修正[2]，最后对面源径流污染进行计算。排入白潭湖的污染源见表4。

白潭湖污染来源众多，为了明确白潭湖的主要污染源，采用等标污染负荷评价法[3]对白潭湖的污染源状况进行评价，通过分析比较，最终确定其主要排放污染物为氨氮、COD和BOD5，其主要污染源有以下3部分：水产养殖污染、城镇生活污染和农村生活污染，见表4。

表4　入湖污染源及污染物排放量分析

注：“*”表示面源污染所占比例。

3水环境容量计算

针对白潭湖水污染现状，对污染源种类和污染物类别的调查分析，结合湖区周边的环境问题，对白潭湖的COD，NH3-N，TN，TP四项污染指标进行容量分析[4]。针对白潭湖的地理水文特点，分别选取适当的模型对各指标的环境容量进行计算。

3.1COD环境容量计算模型

白潭湖由长河、赤港等处来水，水由土司港闸经巴河流入长江，且出水口距各入湖口较远，因此，白潭湖的封闭性较好，对污染物的动态分析则应将其整个过程中的降解、沉降、底泥释放及本底值等因素考虑，采用输入、输出模式计算COD容量较为合理[5]，即

当湖水处于稳定状态时，湖水中的COD浓度不随时间而变化，取dc/dt=0，得出计算式为：

Lc=K1Cs+Csqs

式中，V为湖泊中水的体积，m3；C为湖泊中水质组分浓度，g/m3；Se为湖泊有机物的入湖量，g/d；Lc为有机物的允许负荷量，g/(m2·d)；K1为有机物的自净系数，1/d，取0.01；Z为湖泊平均水深，取1.5m；qs为每日单位面积出湖水量，m3/(m2·d)，为6.58×10-3m3/(m2·d)；Cs为水质保护目标，mg/L，取20mg/L。

3.2NH3-N环境容量计算模型

以年为尺度对白潭湖的水质NH3-N随时间的变化进行分析，研究其富营养化过程时，可以把白潭湖看作一个完全混合反应器，即湖体水质较均匀，可以采用盒式零维模型对白潭湖的氨氮容量进行计算[6]。其基本方程为：

式中，V为湖泊中水的体积，m3，取8.978×106m3；QR为平衡时流入水库的流量，m3/a，为4.67×107m3/a；QE为污水的流量，m3/a，为5.01×106m3/a；CR为流入湖泊的水量中水质组分浓度，g/m3，2012年控制断面常规监测数据，1.50g/m3；C为湖泊中水质组分浓度，g/m3；SE为污染源排放速率，g/a；R(C)为水质组分在湖泊中的反应速率。

当所分析的水质组分的变化为衰减反应，并且符合一级反应动力学时，则：

R(C)=-KC

则公式演变为以下形式：

其中，K为一级反应速率常数(1/t)，NH3-N的取0.08。当水质处于稳定状态时，dC/dt=0，则平衡状态下水库水质浓度为

如果水库的水质保护目标为Cs(地表水环境质量NH3-N的Ⅲ类标准为1.0mg/L)，则其水环境容量为：

W=(QR+QE)-QRCR+KVCS

3.3TN和TP环境容量计算模型

将整个白潭湖整体作为一个控制单元，统一按《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中的Ⅲ类水质指标浓度限值进行计算。水质模型采用浅水湖和水库规划组模型[4]：

W=c1Q×10-6

式中，c为控制浓度，mg/L；c1为年入湖污染物量与年入湖水量的比值，mg/L；tw为停留时间，a，计算为0.192a；Q为进水量，m3，取4.67×107m3；W为允许入湖污染物量，t/a；V为水体容积，m3，为8.978×106m3。

3.4计算结果

根据以上模型和参数的计算, 以COD，NH3-N，TN和TP为控制因子，计算得到白潭湖每年水环境容量分别为587.0，7.46，86.95，4.34t。

将以上计算结果与污染物现状排放量进行比较，见表5。

表5　白潭湖水容量计算结果表　t/a

4结语

根据湖区排污现状、水体水质等因素依据全国水环境功能区划确定白潭湖水质目标，通过水质保护目标及现状污染物排放量计算得出白潭湖COD，TN，TP和NH3-N皆无剩余环境容量，同时计算得出总量削减目标，COD，TN，TP和NH3-N的削减量分别为985.16，1 593.22，86.39，198.72 t。

对湖区现状污染物排放量与白潭湖的现状水环境容量进行比较分析，相较于白潭湖的控制标准(Ⅲ类水质标准)，TN，TP和NH3-N指标较差，现状污染物入库量超过了目前的水环境容量，其中TN超标了水环境容量的18.32倍，TP超标了水环境容量的19.91倍, NH3-N超标26.64倍，COD的超标倍数相对较小。

对白潭湖水污染指标分析评价、水环境容量计算分析结果显示降低白潭湖的氮磷污染物输入量和有机污染物的排放，同时加大湖区周边污废水收集设施的建设，湖区周边环境绿化覆盖的完善，从源头对白潭湖水环境进行改善，这是提高湖泊纳污容量和防止富营养化的关键。

通过结合白潭湖水环境容量的计算结果和湖区环境情况分析，提出以下建议。

(1)加强环境监管力度，深化重点工业污染和旧污染源的治理力度，严格控制新建项目的环评审批，提高环保准入门槛，尤其是对湖区周边的造纸、纺织印染等重污染行业，采取关停并改措施，对于不能达标的企业应严令停产，严格落实“三同时”制度。

(2)对于白潭湖周边生活污染源的控制应主要分为生活污水集中处理和生活垃圾的收集与处置。

(3)对网箱养殖规模实行严格控制。从污染源调查情况看，现在白潭湖水域的网箱养殖密度较大，且水体主要污染源为水产养殖，建议重新规划网箱养殖，同时可投放食藻鱼类；或者取缔关闭网箱养殖，发展环保水产养殖，减轻水体氮、磷及有机污染物负荷，减缓或防止水体富营养化。

参考文献

[1]朱杰，付永胜，魏永宁．河渠水环境容量研究----以成都市为例[J]．环境科学与技术，2006，29(11)：3-56．

[2]环境保护部环境规划院.全国水环境容量核定技术指南[EB/OL].(2003-11-17)[2015-02-09].http://www.docin.com/p-119849532.html.

[3]MA X，LI Y，ZHANG M, et al. Assessment and analysis of non-point source nitrogen and phosphorus loads in the Three Gorges Reservoir Area of Hubei Province, China[J]. Science of the Total Environment, 2011,412-413:154-161.

[4]环境保护部环境规划院.全国地表水环境容量核定技术复核大纲[EB/OL].(2004-06-01)[2015-02-09].http://www.doc88.com/p-5843047561253.html.

[5]宛筝．黄石市磁化水环境综合防治规划研究[D]．武汉：武汉理工大学，2006．

[6]张丽．湖泊水环境容量研究----以洱海为例[D]．昆明：昆明理工大学，2008．

Analysis on Water Environment Capacity of BaiTan Lake

JIANG Ming1,2ZENG Wei1SHE Jian3YAN Xueping1LI Ye1LI Bolin1

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnologyWuhan430070)

AbstractBased on the related hydrological parameters, monitoring data of Baitan Lake and water function zoning, the water quality and pollution source of Baitan Lake is analyzed. Meanwhile input and output model, cassette zero dimensional model and shallow lake and reservoir model are selected to quantitatively analyze the capacities including COD, NH3-N, TP and TN of water environment of Baitan Lake. The results show that the eutrophication of Baitan Lake is severe，the environment capacities of COD, NH3-N, TP and TN are 587.0 t, 7.46 t, 86.95 t and 4.34 t respectively.

Key WordsBaitan Lakewater quality assessmentenvironment capacity

(收稿日期：2015-03-09)

作者简介江明，男，1971年生，硕士，主要从事环境保护管理工作。