基于水量-水质模型的星海湖生态补水量研究

王世强，石伟，欧阳虹，邱小琮，赵增锋，李延林

(1.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏 银川 750021；2.银川市水产技术推广服务中心，宁夏 银川 750001；3.宁夏大学生命科学学院,宁夏 银川 750021)

湿地作为水陆相互作用的综合体，具有水文调节和净化的功能[1-2].近些年来由于自然环境的变化及人为的高强度开发已经破坏了湿地生态系统的结构稳定，进而引发湿地水质恶化、面积萎缩[3].生态补水是一种生态系统恢复方法，可以稀释水体中污染物含量，改善湿地生态环境[4-5].建立水质-水量模型，合理进行补水调度以满足湖泊的水量和水质要求，对湖泊湿地的生态修复意义重大.对于水量、水质结合分析的研究最早开始于20世纪80年代，国外学者Loftis等[6]为解决湖泊调度问题，分析了水质、水量二者间的联系，建立了水资源优化模型.Mehrez等[7]根据不同水质分质供水的角度，建立了水量水质非线性规划模型.Azevedo 等[8]在流域的水资源管理中提出并应用了水资源质、量一体化的管理理念.可见，国外在进行水资源水量调度时已逐渐将水质考虑进来.在借鉴国外学者研究的基础上，国内开始重视对水量水质联合分析，开展了很多研究.如董增川等[9]为研究补水对太湖水质的影响，构建了水量水质模拟调度模型.李红艳等[10]在对扎龙湿地总氮、 总磷进行模拟研究时建立了水量-水质耦合模型.罗鸿兵等[11]采用景观用水法和一维水量-水质模型估算了新圳河河道的生态补水量.周文琦等[12]建立了研究区域MIKE11的水量-水质耦合模型，进行生态补水方案研究模拟，分析了不同补水方案下化学需氧量、氨氮、总磷削减率及流速分布变化,进而得出不同生态补水方案效果.目前国内许多学者通过数学、物理模型将水量、水质进行联合分析，在水资源调度、水污染治理方面已经取得了较大进展.

当前星海湖湿地在生态改善、水产养殖、湿地保护、旅游休闲等方面起着重要作用[13]，但伴随着星海湖生态环境功能的开发利用，水环境也受到了一定程度的污染，主要是湖库周围的城镇生活类污染、大气降尘，以及附近的水产养殖和工业废水排放所致[14].目前关于星海湖的研究多集中在水环境质量评价及污染源分析方面[15-17]，而对于满足不同水质目标的生态补水来改善其水环境质量的研究鲜见报道.为保证星海湖湿地水生态系统健康发展，本文基于2017年在星海湖采集的水样检测数据，对星海湖水环境主要水质指标进行分析，建立水量-水质模型，计算星海湖达到不同水质目标所需补水量，以期为星海湖水环境质量改善及生态系统健康持续发展提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

星海湖位于宁夏石嘴山市境内，是全区重要保护湿地[18-19].近几年星海湖湿地面积缩减严重，目前水域面积仅23.42 km2,平均水深约 1.8 m.区域年均降水量仅173 mm，多集中在6～9月份，而蒸发量高达到1 756 mm[20].星海湖年均降水蒸发分配情况见表1.星海湖补水主要通过黄河补水和少部分地下水补水，黄河补水量年均2 357万m3，地下水补给年均401万m3，湖泊水量基本不外排，没有出水[21].近年来随着星海湖周围开发利用，湖泊水量减少，水环境受到一定程度的污染，水质变得越来越差.

表1 星海湖年均降水量与蒸发量的分配情况

1.2 采样点布设

根据星海湖周边污染源分布情况,综合考虑湖面呈长窄形态分布特点及湖水水深变化幅度较小的水力特征,在其南域、中域、北域共布设4个采样点，分别位于进水口(Ⅰ)、湖中心1(Ⅱ)、湖中心2(Ⅲ)、出水口(Ⅳ)，具体位置见图1.

图1 星海湖采样点位分布示意图Figure 1 Schematic distribution of sampling points in Xinghai Lake

1.3 水样采集与测定

按照HJ495-2009《水质采样方案设计技术规定》要求，于2017年每月采集水样一次，进行检测分析.

参考杨海江等[22]关于星海湖水质特征分析及湿地周围的生活污染、工厂污染情况，本文选择溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)、高锰酸盐指数(CODMn)、重铬酸盐指数(CODCr)7个水质指标进行相关研究分析.DO测定采用电化学探头法(HJ506-2009)，NH3-N测定采用纳氏试剂分光光度法测定(HJ535-2009)，TN测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ632-2012)，TP测定采用钼酸铵分光光度法(HJ670-2013)，CODMn测定采用高锰酸钾法(GB11892-89)，BOD5测定采用稀释与接种法(HJ505-2009)，CODCr测定采用重铬酸盐法(HJ828-2017).

1.4 研究方法

1.4.1 主成分分析法 主成分分析法是将多因子纳入同一个系统，从而找出影响较大的关键因子[23].在具体研究分析过程中，主成分分析可以用于评价各单项指标在综合指标中所起作用的大小.本次研究基于2017年各月份在4个采样点采集的水样检测数据平均值，采用主成分分析，以累积方差贡献率大于85%提取出主成分，旋转后因子载荷值大于0.6筛选出影响星海湖水环境质量的主要因子[24].

1.4.2 水质-水量模型构建 参考刘静玲等[25]提出的水量平衡原理和湖泊污染物质量守衡原理建立湖泊的水质模型，其中WR为所要求的引水量.

ΔCi=Ci-Cs

(1)

ΔVi=WPi+WRi+WLi-WEi-WGi

(2)

WPiCPi+WRiCRi+WLiCLi=ΔCiVi+WEiCEi+KCFiVi

(3)

式中：Ci为实测质量浓度，mg/L；Cs为补水达到的目标质量浓度，mg/L；△Ci为第i月湖泊补水后污染物的质量浓度变化值；ΔVi为湖泊第i月的蓄水变化量，m3；K为污染物的降解系数；Vi为第i月湖泊的平均蓄水量，m3；WPi、WRi、WLi、WEi、WFi、WGi分别为第i月湖泊的湖面降水量、引水量、地下水补水量、湖面蒸发量、渗漏量和出口排水量，m3；由于星海湖由于基本水量不外排，故WGi为0；CPi、CRi、CLi、CEi、CFi分别为第i月湖泊的上述各对应水量中所含污染物的质量浓度，mg/L.

(1) 湖泊水量约束条件：

|ΔVi|≤Vu-Vl

Vl≤Vi≤Vu

(4)

式中：Vl、Vu分别为湖泊蓄水量的上、下限值，由湖面平均面积和水深变化值确定，m3.

(2)求解边界条件：

各污染指标浓度变化仅仅与流入、流出的水中所含污染物有关，实测各月湖泊蒸发的水量中含各污染物浓度CEi很低，取为0；湖面天然降雨的水质(CPi)为Ⅰ类水，黄河引水经处理后水质(CRi)为Ⅱ类，CFi为各月份湖泊渗漏水所含污染物的浓度即各污染指标达到要求水质目标的浓度.

本文采用主成分分析法筛选出星海湖水环境主要污染因素，确定出主要考虑的污染指标，通过水量-水质模型计算出湖泊主要污染指标浓度达到不同水质目标下的允许浓度值时所需补水量.

目标一：水质能继续保持现状的补水量，Cs以实测污染因子浓度计算；目标二：水质级别达到地表水水质标准中规定的Ⅳ类的补水量，Cs以Ⅳ类水为标准的污染因子允许浓度计算；目标三：水质级别达到地表水水质标准中规定的Ⅲ类水的补水量，Cs以Ⅲ类水为标准的污染因子允许浓度计算.

2 结果与分析

2.1 星海湖水环境因素分析

于2017年各月采集水样，实测得到星海湖各月不同水质指标浓度平均值见表2.对星海湖4个采样点的7个水质指标实测数据进行主成分分析，结果见表3.分析提取了两个主成分F1、F2，累计贡献率大于85%.其中F1的贡献率为69.738%，反应了原始指标的绝大部分信息，包含的指标中TP、TN、CODMn具有较大荷载，说明星海湖受N、P污染及有机物污染较严重.F2的贡献率为17.07%，包含的指标中CODCr具有较大荷载，主要反映的是星海湖有机物污染水平.

表2 星海湖各月水质指标实测质量浓度平均值

本文以TN、TP、CODCr和CODMn4个污染物指标作为星海湖补水稀释净化的主要对象，计算不同水质目标下4个污染指标的稀释所需水量，分析比较找出影响星海湖补给水量大小的主要污染物.

2.2 不同水质目标下星海湖生态补水量

依据2017年星海湖湿地实地调查资料，通过公式(1)、(2)、(3)及约束条件联立计算星海湖不同水质目标下各月生态补水量.降解系数K取值参考有关降解系数研究[26-27]， TN和TP的K值取0.01 d-1，CODMn和 CODCr的K值取0.004 d-1.星海湖水质保持现状、达到Ⅳ类水标准、达到Ⅲ类水标准的引水量计算结果见表4～6，取稀释4种污染指标浓度达到目标水质标准的最大引水量为该水质目标下所需补水量.

表3 主成分分析及因子旋转荷载矩阵

由表4可知，当星海湖水质保持现状，即各污染指标的浓度值保持当前稳定状态时，稀释4种污染物指标TN、TP、CODCr和CODMn全年所需补水量分别为4 888、4 327、7 420、5 981万m3.其中稀释污染物指标CODCr达到标准浓度所需的各月引水量比TN、TP和CODMn达到标准浓度的各月引水量大，故星海湖水质保持现状时所需的引水量由污染物指标CODCr决定，全年引水量为7 420万m3；各月引水量中最大的是5月，为1 176万m3；最小的是1月，为115万m3.

表4 星海湖水质保持现状各月引水量计算结果

由表5可知，当星海湖水质标准达到《地表水水质标准》中规定的Ⅳ类水时，4种污染物指标TN、TP、CODCr和CODMn全年所需补水量分别为5 178、3 683、12 496、7 358万m3.其中3～12各月份稀释污染物指标CODCr浓度值达到Ⅳ类水标准所需引水量均比TN、TP和CODMn要求的引水量大，而1月和2月稀释污染物指标CODMn达到标准时所需引水量最大，分别为198万m3和362万m3.由此可知水质标准达到《地表水水质标准》中规定的Ⅳ类水时所需的引水量由污染物指标CODCr和CODMn决定，全年所需的引水量为12 496万m3.各月引水量中最大的是4月，为2 175万m3；最小的是1月，为124万m3.

表5 星海湖水质达到Ⅳ类水时各月引水量计算结果

由表6可知，当星海湖水质达到地表水水质标准中规定的Ⅲ类水时，4种污染物指标TN、TP、CODCr和CODMn全年所需补水量分别为6 571、6 446、15 244、10 928万m3.其中稀释污染物指标CODCr浓度达到Ⅲ类水标准的各月所需引水量比污染物指标TN、TP和CODMn浓度达到标准的引水量大，故星海湖水质达到地表水水质标准中规定的Ⅲ类水时所需的引水量由污染物指标CODCr决定，全年引水量为15 244万m3.各月引水量中最大的是5月，为2 398万m3；最小的是1月，为234万m3.

比较计算得出的星海湖保持现状水质、达到Ⅳ类和Ⅲ类水时所需各月补水量可知， 当保持星海湖现状水质时各月份所需补水量均小于达到Ⅳ类的补水量，这表明星海湖当前水质较差，低于Ⅳ类水标准.各水质目标下的各月补水量时间差异性均较大，变化明显，总体表现为 4、5、6、7、8月份所需补水量较大， 1、2、11、12月份所需补水量较少.造成这种差异的原因可能是4、5、6、7、8月份处于春夏期，农田灌溉集中，水中藻类及附近水产养殖的生物开始大量繁殖，再加上很多工厂也开始在春季进行集中生产，导致水体营养盐污染及有机污染加重，所需补水量较大.

表6 星海湖水质达到Ⅲ类水时各月引水量计算结果

3 讨论

星海湖水环境因素分析结果表明，主要超标的水质指标为TN、TP、CODCr和 CODMn.刘阳[28]也曾对星海湖水质污染源进行调查，认为星海湖近几年主要是外源大量N、P元素流入湖中造成的营养物质污染以及周围的生活废水、工业生产废水排入造成的有机污染.本研究分析得出的主要超标污染指标与湖泊周边存在的污染源情况相符合，研究结果较准确.可见，减少N、P及有机物排入是改善星海湖水环境污染的关键.

本研究中4种不同污染指标稀释到同一水质目标浓度所需水量差异较大，且各月所需水量大小也有明显差别.万芳等[29]在研究乌梁素海生态补水时提出在不同时间、不同污染指标稀释所需水量会表现出一定差异性，在进行补水时需要综合考虑补水的时间变化情况及满足主要污染指标稀释补水量，进行科学有效的补水.

研究表明，当星海湖水质保持现状及Ⅲ类水时所需的补水量由污染物指标CODCr决定,全年共需补水量分别为7 420、15 244万m3；当星海湖水质达到地表水水质标准中规定的Ⅳ类时所需的补水量由污染物指标CODCr和CODMn决定，全年共需引水量为12 49 6万m3，与N、P相比，有机污染物净化稀释所需水量是造成星海湖补水量大的主要原因.这种差异产生的原因可能是由不同污染物在水体中的扩散过程不同，水体对不同污染指标的稀释降解能力不同所致.

4 结论

1) 星海湖水环境污染主要是大量N、P元素及有机物排入星海湖中造成水体营养盐超标和有机污染，主要污染物指标为TN、TP、CODMn、CODCr.

2) 不同污染物指标需要净化稀释的补水量差异较大，与N、P营养盐超标净化稀释所需水量相比，有机污染物的净化降解是造成星海湖补水量大的主要原因，补水量应以满足水体有机物含量达标为主要标准.

3) 星海湖对不同污染指标的稀释补水量差异较大，时间变化性明显，应以主要污染指标的稀释降解进行补水以改善水环境质量.由生态补水量计算结果看，若保持水质现状时，应以稀释降解CODCr为主，全年补水量不应小于7 420万m3；若以Ⅳ类为水质标准时，应以稀释降解CODMn和CODCr为主，全年补水量不应小于12 496万m3；若以Ⅲ类为水质标准时，应以稀释降解CODCr为主，全年补水量不应小于15 244万m3.