基于水质目标的博斯腾湖水环境容量研究

陈雪峰

(塔里木河流域干流管理局,新疆 库尔勒 841000)

近几十年来,由于气候变化和人为因素的影响,博斯腾湖水质咸化、水污染严重。为了实现博斯腾湖入湖水质的精细化管理,就需对其水环境容量进行研究。

1 概 况

博斯腾湖流域主要由开都河流域和孔雀河流域组合,地处塔里木盆地东北部、塔克拉玛干沙漠东北缘,由山区生态系统、绿洲生态系统、湖泊生态系统及荒漠生态系统等构成,流域总面积7.7×104km2,其中平原区面积4.26×104km2,占流域面积的55.32%,人口110万,是巴州国民经济发展、生态环境保护的重要区域[1]。

2 计算依据

博斯腾湖流域共有大小河流众多,年均径流>1×108km2的河流有开都河、黄水沟、清水河、孔雀河和北部支流。依据《全国重要江河湖泊水功能区区划手册》的相关规定,将博斯腾湖大湖区划分为五个二级水环境功能区。各水功能区水质标准按地表水环境质量标准(GB3838-2002)中的Ⅲ类标准(COD浓度≤20mg/L,氨氮浓度≤1 mg/L,总磷浓度≤0.05mg/L,总氮浓度≤1 mg/L)[2]。考虑到博斯腾湖水体矿化度较高,有趋于咸化的风险,本次研究将矿化度也纳入水环境容量计算指标中,矿化度的水质目标以咸水/淡水的划分标准(1000 mg/L)计算。

对于小型浅水湖泊,通常采用零维水动力-水质数学模型计算水环境容量。对于博斯腾湖而言,由于其具有较大水域面积,无法按照完全均匀混合水体来计算水环境容量。考虑到博斯腾湖具有较大宽深比,可认为水体在垂向上均匀混合,故采用平面二维水动力-水质模型计算博斯腾湖的水环境容量。

通过水质模型确定各排污口污染物单位排放量引起的湖泊控制点的响应情况,即各排污口排放量与水质控制点的相应关系。在此基础上,应用线性优化方法计算出博斯腾湖大湖区的水环境容量。

水环境容量计算公式如下:

(1)

式中:W为水环境容量;Ci为入湖河道水质浓度值,mg/L;Qi为入湖河道设计水量,m3/s;△W为水环境容量订正值,t/a。

3 计算方法

3.1 计算指标

2020年和2021年两次现场踏勘和水体采集水环境调查工作,在5个水功能区设置17个国控监测点位,收集博斯腾湖现有水质监测资料,为后续水环境容量计算奠定基础。根据博斯腾湖水质现状和水污染的特点,综合考虑考虑进入水体的主要污染物稀释自净规律,结合大湖区水文条件的影响,分别计算博斯腾湖2019年和2020年现状条件下各分区水环境容量;同时,对博斯腾湖出入湖河流多年水文资料进行排频计算,选取丰水年、平水年和枯水年三个水文年,分别预测其水环境容量。根据博斯腾湖水质现状和主要污染来源的特点,结合全国水资源综合规划的要求,将湖区总体和各水功能区的水环境容量计算控制指标确定为COD、氨氮、总磷、总氮、矿化度[3]。

3.2 污染源调查

2021年初,组织技术人员对博斯腾湖流域内的各类污染源进行了调查。

3.2.1 点污染源

博斯腾湖污染物主要来自其北和静县、和硕县、焉耆县和博湖县。据调查,4县工业污染源173家,其中和硕县68家、焉耆县42家、和静县41家、博湖县22家。调查期内工业废水的排放总量为8024551t。城镇污水产生量从大到小依次为:和静县>焉耆县>和硕县>博湖县,人均生活污水产生量达95L/人d,该分布结果与4县城镇人口发展有关。

3.2.2 面源污染

博斯腾湖面源污染物主要来源于农村生活污染、农业种植、畜禽养殖、水产养殖和旅游。其中农田排水携带的污染负荷量约占总量的24.5%～27.33%,是博斯腾湖中氮磷的主要来源,这是因为流域主要以农业经济发展为重。

3.3 背景浓度

功能区背景浓度取位于水质功能区内监测点位水质监测数据的全年平均值。黄水沟入湖区和大河口水质背景取其监测断面全年水质监测数据的平均值。根据检测结果,计算出2019年和2020年入湖河道平均水质浓度值,具体见表1。

表1 博斯腾湖区污染物计算结果

根据2019年和2020年水文资料,计算出主要入库湖河道的逐日平均流量值和相应的水质浓度,将水质浓度乘以入湖流量值得出各个入湖河道的入湖通量值。入湖通量计算公式为:

(2)

式中:Ci为监测值;Qi为模拟计算值[4]。

计算结果如表1所示。

3.4 综合衰减系数

综合衰减系数反映了有机污染物在水体水体作用下降解速度,与河流的水文条件,如流量、流速、河宽、水深、泥沙含量等因素有关。综合衰减系数可用实测资料反推或水团追踪法求取,亦可类比分析确定。文章通过实测资料反推。

实测资料反推法采用如下计算公式:

(3)

式中:K为衰减系数;u为平均流速,m/s;x为监测点至排污点的距离,m;CA为上游断面水质浓度监测值;CB为下游断面水质浓度监测值。

计算结果见表1。

3.5 计算结果分析

根据博斯腾湖水功能区划分和保护目标水质参数,计算得出博斯腾湖COD、氨氮、总磷、总氮和矿化度的入湖污染负荷和湖区水环境容量,结果如表2所示。

表2 博斯腾湖水环境计算结果

由表2可知:可以看出,现状条件下COD水环境容量均超负荷,氨氮、总磷、总氮和矿化度均有不同程度的盈余。

博斯腾湖水域面积较大,各区域水质存在明显差异性,因此根据博斯腾湖水环境功能区划,将其分为五个分区(图5-1)并分别计算各分区水环境容量。2019年五个功能区COD、氨氮、总磷、总氮、矿化度的入湖污染负荷及水环境容量计算结果如表3所示。

表3 2019年博斯腾湖分区水环境计算结果

由表3可知,博斯腾湖大湖区水环境容量除Ⅰ区外,其他功能区均为负值,这表明Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区、和Ⅴ区的COD容量均超负荷。氨氮、总磷、总氮、矿化度的水环境容量均有不同程度的盈余。 2020年五个功能区COD、氨氮、总氮、总磷、矿化度的入湖污染符合及水环境容量计算结果见表4所示。

表4 2020年博斯腾湖分区水环境计算结果

由表4可知,五大功能区的COD水环境容量中,除Ⅰ区外,其他功能区均为负值,Ⅰ区水环境容量为3754.1t/a,Ⅱ区为-203.8 t/a,Ⅲ区为-949.5 t/a,Ⅳ区为-1532.0t/a,Ⅴ区为-5724.8 t/a,这表明Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区、和Ⅴ区的COD容量均超负荷。氨氮、总磷、总氮、矿化度的水环境容量均有不同程度的盈余。

4 不同来水条件下博斯腾湖水环境容量预测

分别预测丰水年、平水年和枯水年来水条件下博斯腾湖COD、氨氮、总磷、总氮、矿弧度的水环境容量,结果如表5所示。

表5 博斯腾湖丰平枯水文年环境容量计算结果表

由表5可知,各水文年来水条件下,博斯腾湖COD的水环境容量均为负值,表明COD的水环境容量均超负荷。其中,丰水年博斯腾湖各水质指标水环境容量为:COD-1.6万t/a,氨氮7401.3 t/a,总磷320.9 t/a,总氮5134.2 t/a,矿化度96.9万t/a;枯水年博斯腾湖各水质指标水环境容量为:COD-0.7万t/a,氨氮7803.1 t/a,总磷348.4 t/a,总氮5786.7 t/a,矿化度140.3万t/a。

5 结 语

针对博斯腾湖大湖区的特点,按照水功能区划分及水质目标,计算大湖区主要污染物水环境容量,主要结论如下:

1)博斯腾湖大湖区现状2019年、2020年来水条件下,总体COD水环境容量均为负值,氨氮、总磷、总氮和矿化度均有不同程度的盈余。不同分区的水环境容量计算结果在2019年和2020年差别不大,COD水环境容量除Ⅰ区外,其他功能分区均为负值,氨氮、总磷、总氮和矿化度的水环境容量在各个区均有不同程度的容量富余。

2)对丰水年、平水年和枯水年水环境容量的预测结果显示,不同来水条件下COD水环境容量均超负荷,氨氮、总磷、总氮和矿化度的水环境容量均有不同程度的盈余,表明COD为博斯腾湖水环境治理的重要关注指标。