银川市阅海湖水环境容量评估

郭 琦，尹 娟，邱小琮，李世龙，雷兴碧

（1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川750021；2.宁夏大学 生命科学学院，宁夏 银川750021）

水环境容量是某一水环境单元满足特定的功能所能容纳污染物的负荷［1-4］，是度量水体自净能力和治理规划水环境的重要依据［5-8］。Streeter和Phelos 1925年首次建立DO-BOD 一维水质模型后，经过多年的发展，水环境容量模型的建立及应用逐渐完善。目前湖库水质测算中箱式完全混合模型［9］的应用相对比较广泛，在此基础上，建立了沃伦威德（Vollenweider）水环境容量计算模型［10］和其他一些水环境容量计算模型，如狄龙（Dillion）模型［10-13］、OECD 模型和合田健模型［14］。国内许多学者对中国重要河流与湖泊的水环境容量进行了深入的研究［15-19］，为中国湖库水体污染防治奠定了坚实的基础。

阅海湖位于宁夏回族自治区银川市金凤区偏北部，是银川市面积最大的一块生态湿地，湖水面积12.00 km2，平均水深1.80 m，具有生态改善、湿地保护等功能。阅海湖沿岸农业灌溉退水以及少量生活污水均排入该湖，改变了原有的水体环境。近年来开发利用导致湖沼总体水质逐年恶化，已成为影响区域可持续发展的主要环境问题之一。目前关于阅海湖水环境质量综合评价方面的研究有所开展［20-21］，但缺乏最新的环境容量研究，本研究于2015至2017年连续3 a对阅海湖水体季节性采样检测，并利用已有模型评估不同水质目标情景下水体环境容量，以期为阅海湖水体污染防治及管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 样点设置与采样时间

通过分析阅海湖的地形特点共设置了4个采样点，分别位于点S01（进水口）、点S02（出水口）、点S03（湖中心1）和点S04（湖中心2）；采样时间为2015年至2017年的1月（冬季）、4月（春季）、7月（夏季）、10月（秋季），共采集水样12次。

1.2 水样采集与测定

使用采水器采集水样并保存，当天带回实验室测定。

根据白维东等［20］，李斌等［21］的研究结果，影响阅海湖水体的主要污染物指标为总氮、总磷和COD，结合相似湖泊水环境研究过程中水质指标的选取情况，选取CODMn，CODcr，BOD5为有机污染物主要指标，TN，NH3-N，TP 为富营养化主要指标，各指标采用方法及标准如表1所示：

表1 水质指标检测方法及标准

1.3 估算模型

1.3.1 COD，BOD5水环境容量估算模型 阅海湖是一个浅水湖泊，开阔的湖面在风浪的作用下，湖水的流动性较好，使得湖内水体的混合性良好，对湖体进行多年的监测，结果表明整个湖体进出水量基本平衡，水质处于相对稳定的状态，可以当作完全混合型湖泊进行研究。因此阅海湖的CODcr，CODMn，BOD5的水环境容量估算选用完全混合系统水质模型—沃伦威德（Vollenweider）分析计算，计算方法如式（1）所示，各参数含义如表2所示。

表2 沃伦威德（完全混合系统水质模型）模型参数及含义

1.3.2 N，P 水环境容量估算模型 目前湖库水体中N，P环境容量估算模型较多，其中富营养化水体常用狄龙模型预测水质，库湾型水体和浅水湖泊常用合田健模型及世界经济合作与发展组织（OECD）模型预测水质［12］。以上3种模型都是确定型模型，均存在难以准确确定经验参数的缺陷，为全面了解阅海湖N，P的环境容量，本文参考相似湖泊的水环境容量研究，综合考虑后选用狄龙模型、世界经济合作与发展组织（OECD）模型、合田健模型3种模型进行计算，最终评估结果为3种模型计算结果的均值，计算方法如下：

狄龙模型：

OECD 模型：

合田健模型：

最终评估模型：

以上模型参数含义如表3所示。

表3 狄龙模型、OECD模型及合田健模型参数及含义

在无法得知年进、出湖的氮、磷量时，可按下式进行估计［22］：

1.3.3 计算参数确定 计算阅海湖水环境容量的参数取值见表4。

表4 阅海湖水环境容量计算参数取值

K 值的确定方法有试验法、反推法和类比法，本文采用类比法确定，参考宁夏回族自治区星海湖的相关研究后，综合考虑COD（BOD5）的K 值按保守的0.004 d－1进行估计［23］。

水质指标目标控制浓度（Cs），根据2015至2017年阅海湖水体实际检测结果来看，其水质指标浓度介于地表水Ⅱ—Ⅳ类之间，为充分了解湖体在不同水质目标情景下的环境容量，共设置以下3种水质目标情景，情景一：达到Ⅱ类水质目标；情景二：达到饮用水源地最低水质目标要求，即达到Ⅲ类水质目标；情景三：达到Ⅳ类水质目标。

2 结果及分析

2.1 COD，BOD5 水环境容量结果及分析

2015年至2017年实测阅海湖CODcr为19.22，20.16，21.56 mg／L；CODMn为6.08，7.11，7.22 mg／L；BOD5为2.65，2.00，2.83 mg／L。保持现状水体不再恶化，2015至2017年阅海湖依靠自身降解及水流下泄可容纳CODcr为1 104.30，1 158.31，1 238.75 t／a；CODMn为349.33，408.51，414.83 t／a；BOD5为152.26，162.60，114.91 t／a。根据沃伦威德模型，计算出CODcr，CODMn、BOD5水环境容量结果见表5。

（1）情景一。达到Ⅱ类水质目标情况下，CODcr，CODMn环境容量连续3 a均为负值，现状水体中污染物负荷量远大于目标要求的环境容量，为达到水质标准，2015 至2017 年 应 对CODcr消 减122.4%，142.7%，169.6%；对CODMn消减190.7%，243.8%，248.6%，对CODcr，CODMn的消减量逐年上升，说明水体中CODcr，CODMn环境容量逐年减小，有机污染物排入总量增加，水质逐年恶化。BOD5现状水体污染物负荷量低于目标水质要求的环境容量，达到Ⅱ类水质标准且有剩余环境容量，剩余率为37.7%，69.6%，21.6%，说明水体中BOD5的水质良好，但水体中BOD5剩余环境容量从2015 年的37.7%减小至2017年的21.5%，水质呈现恶化趋势。

（2）情景二。达到Ⅲ类水质目标情况下（BOD5的现状水体浓度优于水质标准，因此不设对比），2015年CODcr的环境容量略高于现状水体污染物负荷，有剩余环境容量，剩余率18.5%，2016年CODcr的现状水体浓度超过Ⅲ类水质限值，下降为Ⅳ类水且环境容量逐年减小。为达到水质标准2016至2017年应当分别消减CODcr为4.4%、40.3%。CODMn环境容量3 a内均低于现状水质污染物负荷，为达到水质标准需消减CODMn为7.3%，85.7%，94.1%。

（3）情景三。达到Ⅳ类水质目标情况下，CODcr，CODMn的环境容量3 a内均高于现状水体污染物负荷量，有剩余环境容量，CODcr剩余率为75.8%，73.1%，68.6%，CODMn剩 余 率 为78.2%，69.4%，68.2%，CODcr，CODMn剩余环境容量逐年减小，水质呈恶化趋势。

表5 2015－2017年不同水质目标下阅海湖COD，BOD5 环境容量

2.2 N，P水环境容量结果及分析

2015年至2017年实测阅海湖TN 为0.95，0.84，0.945 mg／L；NH3-N 为0.18，0.27，0.40mg／L；TP为0.77，0.89，0.86mg／L。保持现状水体不再恶化，阅海湖2015至2017年可依靠下泄流量及自身净化能力容纳TN 为86.25，76.36，85.91 t／a；NH3-N 为16.36，24.54，36.36 t／a；TP为7.00，8.09，7.82 t／a。根据狄龙模型、世界经济合作与发展组织（OECD）模型、合田健模型计算出TN，NH3-N，TP 水环境容量结果见表6—7。

（1）情景一。达到Ⅱ类水质目标情况下TN、TP的环境容量低于现状水体污染物负荷量，为达到水质标准，需消减TN 为47.3%，40.5%，47.1%；相比2015年，2016年TN 消减量减小6.8%，2017年减小0.2%，说明水质在2016年有所提高，2017年水质再次恶化，其浓度变化趋势与BOD5具有一致性。需消减TP为67.6%，71.9%，71.0%，TP 的削减量呈先增加后减小趋势，波动范围在3.4%以内，水质总体呈恶化趋势。NH3-N 环境容量3 a内均高于现状水体污染物负荷，有剩余环境容量，剩余64.0%，46.0%，20.0%，剩余环境容量逐年减小，说明NH3-N 水质有恶化趋势。

（2）情景二。达到Ⅲ类水质目标情况下，NH3-N达到水质标准且有剩余环境容量。TN 的环境容量3 a内略大于现状水体污染物负荷量，有剩余环境容量，剩余5.1%，16.0%，5.0%，2017年剩余环境容量较2015年有所减小，水体呈恶化趋势，但不明显。TP环境容量3 a内均小于现状水质污染物负荷量，为达到水质标准需要消减TP为35.0%，42.6%，41.8%。

（3）情景三。达到Ⅳ类水质目标情况下，TN，NH3-N 达到水质标准。TP环境容量3 a内大于现状水质污染物负荷量，有剩余环境容量，TP环境容量剩余 率 为23.0%，11.0%，14.0%。

表6 2015－2017年不同水质目标情景下阅海湖TN 与NH3-N 环境容量（t／a）

表7 2015－2017年不同水质目标情景下阅海湖TP环境容量

3 讨论与结论

阅海湖各水质指标浓度总体处于地表水Ⅱ类～Ⅳ类之间，在3种情景目标下阅海湖各指标水环境容量呈减小趋势，其水质逐年恶化是导致水环境容量减小的根本原因。阅海湖对各污染物有不同的环境容量，其对各污染物指标浓度限值不同、入湖污水中各因子含量不同、扩散及稀释过程不同、对水体产生的影响不同是造成各因子水环境容量存在差异性的主要原因［23］。

以CODcr，CODMn，BOD5为有机物污染指标分析结果来看，水体中3项指标的浓度年度间有小幅波动且环境容量呈减小趋势，说明有机污染物排入总量在增加，若排入量不受约束将造成水质进一步恶化，水环境容量进一步减小。BOD5虽达到Ⅱ类水质标准且有剩余环境容量，但其环境容量在2016 年下降31.9%后2017年又迅速上升48%，说明2017年阅海湖有机污染物排入总量增加且入湖污染因子含量也在发生变化，即可被微生物降解的有机物入湖量有不确定性。沿岸农灌退水、水土流失及生活用水携带污染物入湖量的变化是造成这种现象的主要原因［24］。

以TN，NH3-N，TP为营养物质指标分析结果来看，其中NH3-N 达到Ⅱ类水质标准且有剩余环境容量，可满足阅海湖生态湿地保护等功能，但其剩余环境容量从64%减小至20%，说明入湖污染物中NH3-N总量逐年增加，若不加以控制将打破Ⅱ类水质标准。TN 浓度变化与BOD5浓度变化趋势一致，说明BOD5与TN 浓度变化具有一定的正相关性，即入湖污水中可被微生物降解的部分含N 量较高，生活污水携带含氮物质的排入是造成TN 浓度变化的主要原因［19］。2015年至2016年TP的浓度呈上升趋势，2017年有小幅降低，其浓度接近Ⅳ类水质限值，若不消减TP排入量，其水质将降为劣Ⅴ类水，农业退水及水土流失是导致水质恶化的主要原因［19］。

综上所述，阅海湖水质总体为地表水Ⅳ类，其各污染物指标的环境容量呈逐年减小趋势，沿岸农灌退水、水土流失及生活用水携带营养物入湖是造成其水质恶化和水环境容量减小的主要原因。水质目标为Ⅱ类时，BOD5，NH3-N 有剩余环境容量，CODcr需消减122.4%，142.7%，169.6%；CODMn需 消 减190.7%，243.8%，248.6%，TN 需消 减47.3%，40.5%，47.1%；TP需消减67.6%，71.9%，71.0%。水质目标为Ⅲ类时，BOD5，NH3-N，TN 有剩余环境容量，CODcr需消减0%，4.4%，40.3%；CODMn需消减7.3%，85.7%，94.1%；TP需消减35.0%，42.6%，41.8%。水质目标为Ⅳ类时，各污染物指标均达到水质标准且环境容量呈减小趋势，其中TP 浓度接近Ⅳ类水质标准限值，是阅海湖最主要污染因子。阅海湖具有生态湿地等功能要求，水质应达到地表水Ⅲ类及以上为宜，根据本文对阅海湖不同水质目标情景下最大环境容量评估结果，应控制有机物、营养盐入湖量，采取相应消减措施，使水质逐步达标。