沙湖的水環(huán)境容量和污染物總量控制

李延林，邱小琮

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川750021；2.寧夏大學 生命科學學院，寧夏 銀川750021）

隨著人口增長、工業(yè)和旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，湖泊的污染越來越嚴重，特別是湖泊的富營化［1-2］、水生態(tài)環(huán)境功能退化［3］和水化學變化［4］問題尤為突出。湖泊富營養(yǎng)化會使藻類或水生植物異常生長，破壞水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)平衡，導致水中溶氧量下降，魚類等生物死亡；同時，魚類等生物尸體又會使水體產(chǎn)生臭味、產(chǎn)生顏色，降低水體的透明度［5］。湖泊富營養(yǎng)化主要是由于氮磷過量輸入［6］，同時與水體氮磷含量有關，而且氮磷比也是一個重要的影響因子［7］。因此，控制湖泊富營養(yǎng)化的關鍵在于制定科學合理的湖泊氮磷等污染防治措施，而氮磷等特征污染物的水環(huán)境容量是制定科學合理的流域污染防治措施的主要依據(jù)［8-9］，水體富營養(yǎng)化評價與水環(huán)境容量分析已逐漸成為水環(huán)境管理的一種重要手段［10］。

沙湖原名紅渠洼，又稱魚湖，原為寧夏回族自治區(qū)銀川平原西大灘的一處蝶形洼地，其周邊地帶屬于地下水停滯帶，徑流不暢，地下水幾乎無法排泄，沙湖就成為地下水排泄的重要通道。寧夏沙湖自然保護區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市平羅縣西南部，地理坐標為東經(jīng)106°19′，北緯38°45′，東北距平羅縣縣城19 km 處，南距銀川市區(qū)56 km，北距石嘴山市26 km。沙湖自然保護區(qū)屬典型的大陸性氣候，按溫度的劃分屬中溫帶，按降水和干濕情況劃分則屬半干旱荒漠地區(qū)，氣候特點是熱量豐富，日照充足，干旱少雨，蒸發(fā)強烈，春暖快，夏熱短，秋涼早，冬寒長，年均降水量174.7 mm，蒸發(fā)量1 755.1 mm，為降水量的10倍。

近年來，隨著當?shù)亟?jīng)濟和沙湖旅游業(yè)的發(fā)展，沙湖游客數(shù)量逐年增加，使旅游區(qū)燃油快艇數(shù)量和垃圾增多［11］；湖區(qū)有10余家賓館、飯店，存在向湖中片、塊、點狀分布蘆葦施肥和向湖區(qū)經(jīng)濟魚類投餌行為［12］，這些現(xiàn)象造成沙湖旅游區(qū)水體污染逐漸加重、水質(zhì)惡化，水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀況。同時，沙湖自然保護區(qū)屬于蒸發(fā)強烈地區(qū)，在干旱氣候條件的影響下，沙湖在蒸發(fā)濃縮作用下，水體含鹽量增加，礦化度升高［12］。

任學蓉等［13］采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對沙湖營養(yǎng)狀況進行綜合評價，得出磷和有機污染物是沙湖富營養(yǎng)化限制因子；趙紅雪等［14］采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）、Shannon-Wiener指數(shù)（H）和Margalef指數(shù)（D）對沙湖水體進行富營養(yǎng)化分析與評價；陳珂等［15］對沙湖水體富營養(yǎng)化變化特征、成因進行了分析。以上研究都對沙湖富營養(yǎng)化進行了評價與分析，但對沙湖水環(huán)境研究較少，本研究對寧夏回族自治區(qū)沙湖富營養(yǎng)化狀態(tài)進行評估且計算主要污染物的水環(huán)境容量，旨在為沙湖入湖污染負荷的削減和水環(huán)境保護提供支撐。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測調(diào)查

根據(jù)沙湖形狀特征與開發(fā)利用情況，共設置了5個監(jiān)測點，分別為S1（五號橋）、S2（湖中心）、S3（鳥島）、S4（養(yǎng)殖區(qū)）、S5（碼頭）。采樣時間為2017年冬（1月）、春（4月）、夏（7月）、秋（10月）。

現(xiàn)場測定水體的p H 值和透明度指標。用5.0 L采水器采集水樣保存，帶回實驗室當天測定總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素a指標。總氮使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894-89），總磷使用過硫酸鉀氧化—磷鉬藍法（GB 11893-89），高錳酸鹽指數(shù)使用酸性高錳酸鉀法（GB 11892-92），葉綠素a使用紫外分光光度法。

1.2 富營養(yǎng)化評價

（1）采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價沙湖營養(yǎng)狀態(tài)，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算式為：

式中：TLI（∑）——綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj——第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關權(quán)重；TLI（j）——第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

各評價因子營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算式［16］為：

TLI（葉綠素a）＝10（2.5＋1.086ln葉綠素a）

TLI（總磷）＝10（9.436＋1.624ln總磷）

TLI（總氮）＝10（5.453＋1.694ln總氮）

TLI（透明度）＝10（5.118－1.94ln透明度）

TLI（高錳酸鹽指數(shù)）＝10（0.109＋2.661ln高錳酸鹽指數(shù)）

式中：葉綠素a單位為mg／m3，透明度單位為m；其他指標單位均為mg／L。

以葉綠素a作為基準參數(shù)，則第j種參數(shù)歸一化的相關權(quán)重計算公式為：

式中：rij——第j種參數(shù)與基準參數(shù)葉綠素a的相關系數(shù)；m——評價參數(shù)的個數(shù)。

營養(yǎng)狀態(tài)評價標準［17］見表1。各評價因子參數(shù)與基準參數(shù)葉綠素a的相關系數(shù)［18］見表2。

表1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價標準

表2 中國湖泊水體部分水質(zhì)參數(shù)與基準參數(shù)Chl.a的相關系數(shù)

1.3 水環(huán)境容量計算

1.3.1 化學需氧量水環(huán)境容量計算 沙湖地處內(nèi)陸深處是河流古道型湖泊，也屬于沙漠中的湖泊，根據(jù)溫度帶劃分屬中溫帶，按降雨和干濕地區(qū)劃分屬半干旱荒漠地區(qū)，由于賀蘭山的屏障作用，西北的冷空氣難以長驅(qū)直入，形成了熱量豐富、日照充足、干旱少雨、多風、蒸發(fā)量大的氣候特征。沙湖全年蒸發(fā)量約為降雨量的10倍，一年中水體交換頻繁，因此，需要對沙湖進行人工補水。黃河水是沙湖的主要地表水源，沙湖80%以上的水源補給直接或間接地來源于黃河水。沙湖高錳酸鹽指數(shù)水環(huán)境容量采用沃倫威德（Vollenweider）模型［10］進行計算，其計算式為：

式中：W——湖泊水體有機污染物的最高允許排放量（g／d）；Δt——湖泊維持其設計水量的天數(shù)（或枯水時段天數(shù)，d）；Cs——湖泊水體應執(zhí)行的水質(zhì)標準或該水質(zhì)指標的目標控制濃度（mg／L）；C0——湖泊的實測濃度（mg／L）；V——湖泊的設計水量（設計庫容或按死庫容）（m3）；K——湖泊中有機物的綜合衰減系數(shù)（d－1）；q——安全庫容期間湖泊平均每天的流出水量（m3／d），不考慮蒸發(fā)時，應等于入湖（庫）廢水量、入湖地表徑流量與上游河道來水量之和。下同。1.3.2 總氮、總磷水環(huán)境容量計算 目前，營養(yǎng)鹽水環(huán)境容量計算模型有：沃倫威德（Vollenweider）模型、狄龍（Dillion）模型、OECD 模型和合田健模型［10］等。狄龍（Dillion）模型適用于富營養(yǎng)化的湖泊（水庫）［19］，沙湖總氮、總磷水環(huán)境容量采用狄龍（Dillion）模型［20］進行計算，其計算式為：

式中：M——水體氮或磷的納污能力（g／a）；Ls——單位湖（庫）水面積對氮或磷的納污能力〔g／（m2·a）〕；A——計算時期湖（庫）水面積（m2）；Cs——湖（庫）中氮或磷的年平均控制濃度（水質(zhì)目標值）（mg／L）；h——計算時期水域的平均水深，由計算時期的庫容／水深面積得到（m）；Q出——穩(wěn)態(tài)時湖庫的年出水量（m3／a）；R 為氮、磷在湖（庫）中的滯留系數(shù)，無量綱，R＝1－W 出／W 入；W 出／W 入——氮、磷的年出、入湖量（指通過各種途徑帶出湖體的量，包括水草打撈、捕魚、下泄等帶出的量）（t／a）。

1.3.3 模型參數(shù)值的選取 入庫水量根據(jù)沙湖年降雨量和人工補水量計算得到，出庫水量根據(jù)沙湖年蒸發(fā)量計算得到；R總氮，R總磷根據(jù)現(xiàn)狀污染負荷及監(jiān)測點氮磷濃度和流量數(shù)據(jù)估算獲得；高錳酸鹽指數(shù)的K 值確定方法有試驗法、反推法和類比法，本文采用類比法確定，綜合考慮己有類似研究后，K 值按保守的0.004 d－1進行估計；計算沙湖水環(huán)境容量的各項指標見表3。

表3 模型參數(shù)及賦值

2 結(jié)果與分析

2.1 沙湖水體理化指標特征

沙湖2015—2017年主要水體理化指標特征變化情況見表4。沙湖2015—2017年p H 值變化范圍為8.51～8.84；透明度變化范圍為37.5～47.5 cm；葉綠素a濃度變化范圍為14.07～22.1 mg／m3；高錳酸鹽指數(shù)濃度變化范圍為6.58～9.45 mg／L；總氮濃度變化范圍為1.19～1.69 mg／L；總磷濃度變化范圍為0.05～0.28 mg／L。

表4 2015－2017年沙湖水體理化指標特征

2.2 富營養(yǎng)化綜合評價

沙湖富營養(yǎng)化按照湖泊（水庫）營養(yǎng)評價標準進行等級評價，評價結(jié)果見表5。2015—2017年沙湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均在50～70之間，沙湖營養(yǎng)狀態(tài)水平在輕度至中度營養(yǎng)狀態(tài)之間。沙湖富營養(yǎng)化狀態(tài)，總體上呈春、冬季為輕度富營養(yǎng)化，夏、秋季為中度富營養(yǎng)化。單因子營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)中，沙湖營養(yǎng)狀態(tài)最高的是透明度；其次是總氮和總磷。

表5 沙湖富營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果

2.3 水環(huán)境容量分析

為充分了解湖體在不同水質(zhì)目標情景下的環(huán)境容量，共設置以下4種水質(zhì)目標情景。情景一：保持現(xiàn)狀水質(zhì)不再惡化，即水質(zhì)控制目標等于現(xiàn)狀水質(zhì)；情景二：達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）［21］中Ⅱ類水質(zhì)目標；情景三：達到自然保護區(qū)水質(zhì)目標要求，即達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅲ類水質(zhì)目標；情景四：達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅳ類水質(zhì)目標。沙湖2015—2017年高錳酸鹽指數(shù)、總氮和總磷水環(huán)境容量見表6。

表6 沙湖水環(huán)境容量計算結(jié)果 t／a

2.4 污染物總量控制目標

污染物排放總量控制目標既不能太高，也不能太低?？刂颇繕颂撸?jīng)濟代價可能很大，經(jīng)濟上不合理，同時污染物治理水平也可能達不到；控制目標太低，湖泊水質(zhì)得不到有效的治理。根據(jù)現(xiàn)有的治污工程經(jīng)驗，可達到的污染物削減率最高在60%～80%之間，超過這個范圍則技術(shù)經(jīng)濟上將不合理［22］。

根據(jù)沙湖水環(huán)境容量計算結(jié)果，以2017年為基準年，按照20%預留容量，確定沙湖主要污染物高錳酸鹽指數(shù)、總氮和總磷的總量控制目標，對比污染物輸入量提出污染物的削減量和削減比例，詳見表7和表8。沙湖達到自然保護區(qū)水質(zhì)目標要求，即達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅲ類水質(zhì)目標，高錳酸鹽指數(shù)、總氮和總磷的削減量655.97，39.27，1.41 t，消減比例分別為112.89%，45.58%和37.60%；沙湖達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅳ類水質(zhì)目標，高錳酸鹽指數(shù)、總氮和總磷的削減量0，15.83和0.94 t，消減比例分別為0，18.37%，25.07%。

表7 沙湖污染物總量控制目標（情景三）

表8 沙湖污染物總量控制目標（情景四）

3 討論與結(jié)論

（1）2015—2017年沙湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均在50～70之間，沙湖營養(yǎng)狀態(tài)水平在輕度至中度營養(yǎng)狀態(tài)之間。沙湖富營養(yǎng)化狀態(tài)，總體上呈春、冬季為輕度富營養(yǎng)化，夏、秋季為中度富營養(yǎng)化。單因子營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)中，沙湖營養(yǎng)狀態(tài)最高的是透明度；其次是總氮和總磷。造成沙湖2015—2017年沙湖富營養(yǎng)化季節(jié)變化特征明顯主要原因是沙湖的補水水源為黃河生態(tài)補水，補水隨灌期進行，隨著補水將大量氮、磷等營養(yǎng)鹽帶入湖泊，不斷累積，進而湖水水質(zhì)逐年下降，造成湖泊富營養(yǎng)化。另外，沙湖作為寧夏著名旅游景區(qū)，每年夏、秋季來到沙湖旅游的人數(shù)不斷增加，將大量的污染物帶到沙湖，最終累積在湖底，造成沙湖水質(zhì)下降。沙湖總氮／總磷2015—2017 年的平均比值為13.55，超過了淡水藻類體內(nèi)的N／P 值（約為7）。當湖泊（水庫）N／P比大于10～15時，認為P是影響藻類異常生長限制性營養(yǎng)元素，決定湖泊的生產(chǎn)力［23-24］，因此，限制P 元素輸入是控制沙湖水體富營養(yǎng)化的關鍵，P元素的持續(xù)增量輸入會使其富營養(yǎng)化程度加劇。

（2）根據(jù)沙湖水環(huán)境容量計算結(jié)果，2015年沙湖在《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅳ類水質(zhì)目標下高錳酸鹽指數(shù)和總氮的水環(huán)境容量有剩余量，2016—2017 年沙湖在《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅳ類水質(zhì)目標下高錳酸鹽指數(shù)的水環(huán)境容量有剩余量，總氮的水環(huán)境容量剩余量為0，2015—2017 年沙湖在《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅳ類水質(zhì)目標下總磷的水環(huán)境容量剩余量均為0；在《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅲ類水質(zhì)目標下高錳酸鹽指數(shù)、總氮和總磷的水環(huán)境容量剩余量都為0。在2017年水質(zhì)現(xiàn)狀的基礎上控制高錳酸鹽指數(shù)、總氮和總磷的排放量，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅲ類水質(zhì)要求，高錳酸鹽指數(shù)需削減655.97 t，消減率112.89%，總氮需削減39.27 t，消減率45.58%，總磷需削減1.41 t，消減率37.60%；達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅳ類水質(zhì)要求，高錳酸鹽指數(shù)需削減0，消減率0，總氮需削減15.83 t，消減率18.37%，總磷需削減0.94 t，消減率25.07%。

（3）參考國內(nèi)外湖庫污染防治研究以及沙湖實際情況，建議以下措施：從源頭上減少污染物的輸入，加強并完善沙湖的旅游管理制度，在養(yǎng)殖區(qū)和禁養(yǎng)取采取集中管理和治理，達標后排放；建立湖泊周邊生態(tài)防護帶，提高對地表徑流的截留和農(nóng)田退水的滲漏，減少入湖污染物總量；同時，加強監(jiān)測，研究沙湖的水環(huán)境變化規(guī)律，防止發(fā)生水華等突發(fā)性水污染事件。