翟淑華，韓 濤，陳 方

(1:水利部太湖流域管理局，上海 200434)

(2:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

太湖是我國(guó)第三大淡水湖泊，具有供水、防洪、抗旱、旅游、養(yǎng)殖、航運(yùn)等多種功能，1990s 以來(lái)，伴隨著太湖流域經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，入湖河道水質(zhì)惡化，加之污染物直接入湖量增加，導(dǎo)致太湖水質(zhì)下降，富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題突出.2007年太湖藍(lán)藻暴發(fā)引發(fā)無(wú)錫供水危機(jī)后，太湖水環(huán)境綜合治理的力度進(jìn)一步加大，對(duì)太湖問(wèn)題的研究成為國(guó)家層面、國(guó)際間合作的熱點(diǎn)和焦點(diǎn).對(duì)太湖水體自凈能力以及通過(guò)水動(dòng)力條件的改變對(duì)太湖自凈能力的作用進(jìn)行研究，對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊治理具有重要的理論指導(dǎo)意義，引起了國(guó)內(nèi)外不同層面的管理人員和專家、學(xué)者的關(guān)心、關(guān)注.國(guó)外對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽自凈能力問(wèn)題的研究較早且較深入[1]，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局于1972年基于水體自凈能力最先提出了實(shí)際環(huán)境能夠承擔(dān)的最大日負(fù)荷總量TMDL(total maximum daily loads，TMDL)的概念.污染排放量超過(guò)該負(fù)荷，水環(huán)境就可能惡化，進(jìn)而對(duì)水域使用功能和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生損傷.Vagnetti 等[2]較為全面地從物理、化學(xué)和生物過(guò)程等方面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析和歷史資料的對(duì)比分析，對(duì)不同底質(zhì)下河流對(duì)氮、磷、重金屬等多種污染物的自凈能力進(jìn)行了定量分析，得出該河流對(duì)于不同污染物的自凈量和自凈能力以及主要作用因子等研究結(jié)論.對(duì)于太湖水體自凈能力的研究，在“國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)”中曾列有專題[3]，以太湖南部水域?yàn)閷?duì)象開(kāi)展了探索性研究，研究南太湖水體自凈能力季節(jié)變化的特征，得出影響南太湖地區(qū)小型淺水湖泊自凈能力的3 個(gè)主成分分別為浮游植物因子(水溫、pH、高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素a)、農(nóng)田排水因子(pH、溶解氧和總氮)和營(yíng)養(yǎng)因子(總氮和總磷).

國(guó)內(nèi)專家也曾結(jié)合水環(huán)境容量研究進(jìn)行過(guò)探索[4-5].影響太湖自凈能力的因素多樣且十分復(fù)雜[6]，從物理角度分析，水流流速、流向的不同將直接對(duì)污染物遷移、擴(kuò)散方向和強(qiáng)度帶來(lái)影響，從生物化學(xué)角度分析，水體本身的組分決定了生物和化學(xué)進(jìn)程對(duì)水域自凈能力作用的大小，如湖泊中挺水生物的多少和水質(zhì)本底濃度的高低直接影響著湖體自凈能力的大小.此外，風(fēng)對(duì)水體的強(qiáng)烈擾動(dòng)又會(huì)增加水體中的溶解氧，對(duì)增加水域的自凈能力有益，在水域床底長(zhǎng)期積累的底質(zhì)污染，即內(nèi)源污染積累對(duì)水域的自凈能力也有不可忽視的間接影響.自凈能力包括了稀釋、吸附、揮發(fā)、沉淀等物理自凈以及氧化還原、絮凝等化學(xué)自凈和生物凈化等能力.它不是一個(gè)固定值，而是隨年度水情、水流、水質(zhì)以及水生生物條件等自然環(huán)境和人類活動(dòng)而變化.隨著最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)行，嚴(yán)格控制入河、湖排污總量已成為國(guó)家水資源管理的要求，這對(duì)水域凈化能力的研究提出了更高的要求，有必要進(jìn)一步深入研究太湖水體自凈能力與凈化能力，為從嚴(yán)核定水域納污容量提供理論支撐.為此，本文選取資料較為全面的2010年，開(kāi)展進(jìn)出太湖的水量平衡計(jì)算和營(yíng)養(yǎng)鹽的質(zhì)量平衡計(jì)算，通過(guò)對(duì)2010年太湖進(jìn)出湖水量和氮、磷通量計(jì)算，以及在進(jìn)出太湖質(zhì)量平衡相關(guān)要素的資料收集和計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，對(duì)太湖氮、磷自凈能力進(jìn)行探索性量化研究.

1 材料與方法

1.1 水量平衡要素及計(jì)算

1.1.1 環(huán)太湖河流進(jìn)出湖水量計(jì)算 太湖地處平原水網(wǎng)區(qū)，水系復(fù)雜，河道縱橫交錯(cuò)，出入太湖溇港河道共計(jì)228 條，其中河道口門敞開(kāi)的河道有62 條.為弄清太湖河道出入水量以及水質(zhì)和掌握太湖水情及污染狀況，國(guó)內(nèi)學(xué)者展開(kāi)了大量的進(jìn)出太湖污染負(fù)荷通量的研究[8-19]，太湖流域水文部門在主要出入湖河道設(shè)置了多個(gè)控制斷面，實(shí)施環(huán)太湖水文巡測(cè)以及資料整編，是環(huán)湖河道通量計(jì)算的主要數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

2010年環(huán)湖出入湖河道水量數(shù)據(jù)，采用環(huán)太湖國(guó)家水文基準(zhǔn)站經(jīng)過(guò)整編后的“2010年環(huán)太湖水文巡測(cè)資料”.由于巡測(cè)線的實(shí)際工況不斷變化，2010年湖州、蘇州、無(wú)錫三市水文部門對(duì)環(huán)太湖水文巡測(cè)段進(jìn)行了新的調(diào)整:由原來(lái)的“11 段12 站共計(jì)131 個(gè)進(jìn)出水口門”調(diào)整為“10 段13 站共計(jì)130 個(gè)進(jìn)出水口門”，其中湖州有2 段3 站共計(jì)21 個(gè)進(jìn)出水口門;巡測(cè)線移至太湖邊，撤銷三里橋段，設(shè)幻溇段;新增城北水閘站.蘇州有5 段2 站共60 個(gè)進(jìn)出水口門;巡測(cè)線移至環(huán)太湖公路，撤銷五福橋段和新通安橋段，設(shè)胥江大橋段和銅坑閘段.無(wú)錫有3 段8 站共49 個(gè)進(jìn)出水口門;撤銷漕橋、黃埝橋基點(diǎn)站，設(shè)浯溪橋基點(diǎn)站代替，漕橋+黃埝橋段改名為浯溪橋段;浯溪橋段新增小金橋、葛瀆橋、師瀆橋3 個(gè)口門;陳東港橋段新增廟瀆橋、雙橋、定跨橋3 個(gè)口門;另外有大港橋、雅浦橋、龔巷橋、湖山橋、大渲河泵站、犢山閘、梅梁湖泵站、五里湖閘等8 個(gè)單站.

2010年環(huán)湖出入湖河道水量計(jì)算依據(jù)調(diào)整后的環(huán)太湖水文巡測(cè)線，即10 段13 基點(diǎn)站共計(jì)130 個(gè)進(jìn)出水口門(圖1)的逐日進(jìn)出湖流量.2010年各基點(diǎn)站與巡測(cè)單站水量測(cè)驗(yàn)頻次為每天1 ～2 次，在水情存在明顯變化時(shí)進(jìn)行加密監(jiān)測(cè).根據(jù)單站每日水量測(cè)驗(yàn)實(shí)測(cè)資料以及單站與所代表巡測(cè)段總流量的相關(guān)關(guān)系，推求出巡測(cè)段逐日進(jìn)出太湖的水量，據(jù)此計(jì)算得到環(huán)湖出入湖河道逐月進(jìn)出湖水量和年進(jìn)出湖水量.2010年環(huán)太湖河流入湖水量為118.81×108m3，其中包括望虞河引江濟(jì)太的水量，出湖水量為110.06×108m3.

1.1.2 降雨量、蒸發(fā)量計(jì)算 2010年太湖湖面降水深為1102.1 mm[7]，按全年平均水位3.37 m，對(duì)應(yīng)的太湖水面面積為2332.75 km2，折算為降雨量為25.71×108m3;湖面蒸發(fā)量為884.23 mm(湖面蒸發(fā)量采用杭長(zhǎng)橋、西山、瓜涇口、楓橋4 站平均值)，按全年平均水位3.37 m，對(duì)應(yīng)的太湖水面面積為2332.75 km2，折算為蒸發(fā)量為20.63×108m3.

1.1.3 太湖調(diào)蓄水量計(jì)算 根據(jù)“2010年度太湖流域及東南諸河水資源公報(bào)”，2010年年初太湖水位為3.26 m，蓄水量為50.83×108m3;年末水位為3.10 m，蓄水量為47.17×108m3;太湖蓄變量(蓄變量為年末蓄水量減年初蓄水量)為-3.66×108m3.

1.1.4 其他水量要素計(jì)算 根據(jù)“2010年度太湖流域及東南諸河水資源公報(bào)”，直接從太湖取水水量(包括自備水源、自來(lái)水廠等取水戶)約為15.0×108m3.根據(jù)國(guó)務(wù)院批復(fù)的《太湖流域水資源綜合規(guī)劃》數(shù)據(jù)，太湖巡測(cè)線內(nèi)陸地產(chǎn)水模數(shù)為28.18×104m3/km2，環(huán)太湖水文巡測(cè)線所圍面積為3454 km2，扣除農(nóng)業(yè)灌溉耗水量3.40×108m3，估算得到巡測(cè)線內(nèi)陸地產(chǎn)水入湖量約為0.82×108m3.

圖1 2010年環(huán)太湖進(jìn)出湖河流水量巡測(cè)線示意圖Fig.1 Sketch map of hydrometric gauging line of rivers flowing in and out of Lake Taihu in 2010

1.1.5 水量平衡計(jì)算 考慮上述各水量平衡要素，開(kāi)展對(duì)各太湖水量平衡項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，其計(jì)算公式為:

式中，WI為環(huán)太湖河流入湖水量，根據(jù)“2010年環(huán)太湖出水文巡測(cè)資料”逐日統(tǒng)計(jì)得到;W0為環(huán)太湖河流出湖水量，根據(jù)“2010年環(huán)太湖出水文巡測(cè)資料”逐日統(tǒng)計(jì)得到;P 為湖面降水量，為太湖年降水量與2010年太湖平均水位對(duì)應(yīng)的水面面積的乘積;E 為湖面蒸發(fā)量，為太湖年蒸發(fā)量與2010年太湖平均水位對(duì)應(yīng)的水面面積的乘積;D 為陸地產(chǎn)水入湖量，為環(huán)太湖水文巡測(cè)線范圍內(nèi)的陸地區(qū)域的產(chǎn)水入湖量;WC為取水戶直接取水量，直接采用當(dāng)年統(tǒng)計(jì)資料;ΔV 為太湖蓄變量，為太湖年初和年末蓄水量的變化量，當(dāng)年初蓄水量大于年末蓄水量時(shí)ΔV 取負(fù)值，當(dāng)年初蓄水量小于年末蓄水量時(shí)ΔV 取正值;ΔE1為水量平衡計(jì)算的絕對(duì)誤差.

水量平衡計(jì)算結(jié)果顯示:2010年太湖水量平衡入湖項(xiàng) WI、P、D 分別為 118.81×108、25.71×108、0.82×108m3，出湖項(xiàng) W0、E、WC分別為110.06×108、20.63×108、15×108m3，蓄變量 ΔV 為-3.66×108m3，水量平衡計(jì)算的絕對(duì)誤差為-4.01×108m3，相對(duì)誤差為-2.8%，在規(guī)范要求的誤差范圍以內(nèi).

1.2 水質(zhì)資料及通量計(jì)算

1.2.1 環(huán)太湖河流水質(zhì)與出入湖通量計(jì)算 水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料采用太湖流域水資源保護(hù)局發(fā)布的太湖和環(huán)太湖主要進(jìn)出湖河流每月1 次的常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，相關(guān)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的斷面布置、監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)頻次以及環(huán)太湖河道出入湖氮、磷負(fù)荷通量計(jì)算采用翟淑華等[8]的方法，即采用與水量巡測(cè)段相匹配的河流水質(zhì)實(shí)測(cè)資料，計(jì)算得到2010年環(huán)太湖河流入湖和出湖水量分別為118.81×108和110.06×108m3，帶入太湖的總磷和總氮負(fù)荷通量分別為0.28×104和5.64×104t，帶出太湖的總磷和總氮負(fù)荷通量分別為0.068×104和2.54×104t.

1.2.2 降雨帶入與人工帶出量估算 降雨帶入量為太湖湖面年降水量與其濃度之積計(jì)算得到，其中總磷和總氮濃度采用黃漪平[9]的值.計(jì)算得到太湖2010年降雨帶入太湖的總氮和總磷量分別約為2160 和51 t.人工帶出太湖的總磷和總氮量主要通過(guò)取水、藍(lán)藻打撈等生物收獲資料估算，其中水廠直接取水帶出的污染負(fù)荷量按照當(dāng)年的取水量和原水水質(zhì)濃度估算，帶出的總磷和總氮量分別為76 和3075 t;2010年通過(guò)藍(lán)藻打撈帶出太湖的總磷和總氮量分別為67 和335 t[7]，通過(guò)水生生物帶出的總磷和總氮量參考王鴻勇等[10]的值，約為116 和3028 t;2010年底泥疏浚量為418×104方[7]，依據(jù)江蘇省水利廳底泥疏浚資料，2008-2011年底泥清淤工程年均疏浚562×104t，帶出總磷和總氮分別為725 和2775 t，相應(yīng)推求2010年底泥疏浚帶出的總磷和總氮負(fù)荷量分別約為539 和2064 t;太湖地區(qū)污染源排放的負(fù)荷量大部分主要通過(guò)河道帶入太湖，2010年環(huán)太湖巡測(cè)線已基本調(diào)整到太湖岸邊，未調(diào)整的部分河道由于“引江濟(jì)太”以出湖為主，因此在太湖污染負(fù)荷量平衡計(jì)算中，暫不考慮巡測(cè)線內(nèi)污染源直接入湖量.

1.2.3 太湖年初原有量和年末殘留量計(jì)算 太湖年初原有量和年末殘留量計(jì)算，分別考慮太湖蓄水量、分區(qū)水面積和分區(qū)水質(zhì)，其中蓄水量和分區(qū)水面積按照年初和年末水位條件下水位—庫(kù)容曲線和水位面積差分計(jì)算.為提高湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的代表性，采用泰森多邊形法對(duì)太湖進(jìn)行分區(qū)，按照水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)將太湖劃分為33 個(gè)分區(qū)(圖2).

圖2 太湖湖區(qū)劃分及水質(zhì)代表站分布Fig.2 Sub zones and water quality monitoring sites in Lake Taihu

采用面積加權(quán)計(jì)算得到太湖污染負(fù)荷年初總磷和總氮原有量分別為477.802 和11487.58 t，年末殘留量分別為297.171 和5566.06 t.

綜上所述，得到2010年進(jìn)出太湖氮、磷負(fù)荷通量計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表1.

2 結(jié)果與討論

本文利用實(shí)測(cè)資料，在上述水量平衡、氮磷負(fù)荷通量計(jì)算的基礎(chǔ)上，以物質(zhì)平衡原理為基礎(chǔ)，在宏觀層面將太湖水體對(duì)污染物的自凈過(guò)程看作一個(gè)黑箱，不論其通過(guò)物理自凈還是通過(guò)化學(xué)和生物自凈，認(rèn)為進(jìn)入太湖的河流水質(zhì)經(jīng)過(guò)太湖水體的自凈過(guò)程后，其自凈量值即為在考慮水量平衡誤差的條件下的入湖項(xiàng)扣除出湖項(xiàng)與水體本身含有的總量后的值.自凈量與入湖量的比值即為自凈能力.以2010年總磷、總氮負(fù)荷通量計(jì)算為例，對(duì)太湖總磷和總氮的自凈量和自凈能力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析及討論.

表1 2010年進(jìn)出太湖總磷和總氮負(fù)荷通量Tab.1 Total phosphorus and total nitrogen flux flows in and out of Lake Taihu in 2010

2.1 基于進(jìn)出湖負(fù)荷通量的太湖自凈能力

采用考慮出入湖負(fù)荷量的方法進(jìn)行自凈能力的計(jì)算，在不考慮太湖水體本身年初和年末調(diào)蓄量變化的條件下，太湖氮、磷自凈量的計(jì)算公式為:

式中，W自凈為太湖水體自凈作用去除的污染物質(zhì)量，包括污染物降解、生物轉(zhuǎn)化等;W入為通過(guò)河流直接帶入太湖的負(fù)荷量;W降雨為通過(guò)降雨直接帶入太湖的負(fù)荷量;W出為通過(guò)河流直接帶出太湖的負(fù)荷量;W人工為通過(guò)水廠取水、藍(lán)藻打撈和太湖底泥疏浚等途徑帶出太湖的負(fù)荷量;ΔW 為質(zhì)量平衡計(jì)算的絕對(duì)誤差.

相應(yīng)地，太湖自凈能力計(jì)算公式[3]為:

表2 僅考慮出入湖負(fù)荷量計(jì)算的太湖總磷和總氮的自凈能力Tab.2 Self-purification capacity of total phosphorus and total nitrogen with the nutrient flows in and out of Lake Taihu

式中，η 為自凈能力;Qi為入湖污染物量，包括入湖河流、降雨等自然輸入量等，即Qi=W入+W降雨;Qo包括出湖河流、直接取水帶出量、藍(lán)藻打撈、底泥疏浚等，即Qo=W出+W人工.

按照上述計(jì)算公式，在不考慮誤差的條件下，即認(rèn)為 ΔW=0 的條件下，計(jì)算2010年太湖總磷和總氮的自凈率分別約為48%和42%(表2).

2.2 基于質(zhì)量平衡的自凈能力計(jì)算

由于湖泊調(diào)蓄水量和水體水質(zhì)處于變化之中，因此，湖體本身的氮、磷負(fù)荷量的變化在質(zhì)量平衡中應(yīng)該予以考慮，即在自凈能力計(jì)算中考慮太湖本身水情和水質(zhì)變化而產(chǎn)生的氮、磷年初原有量和年末殘留量[9]的不同.采用質(zhì)量平衡方程，計(jì)算太湖自凈能力公式為:

式中，W年初為年初太湖水體中的原有量;W年末為年末太湖水體中的殘留量.該方法同陳小鋒等[11]采用質(zhì)量平衡的方法原理一致，但增加了平衡誤差項(xiàng)，2010年進(jìn)出太湖的水量平衡誤差為-2.8%.

相應(yīng)地，太湖自凈能力計(jì)算公式為:

按照上述計(jì)算公式，得到2010年太湖總磷和總氮的自凈率分別約為52%和49%(表3).

表3 采用質(zhì)量平衡法計(jì)算的太湖總磷和總氮的自凈能力Tab.3 Self-purification capacity of total phosphorus and total nitrogen in Lake Taihu on the basis of mass balance

3 結(jié)論

進(jìn)出太湖的河道水質(zhì)對(duì)太湖水質(zhì)的影響密切相關(guān).本文利用已有的實(shí)測(cè)資料和相關(guān)研究數(shù)據(jù)，以質(zhì)量平衡理論為基礎(chǔ)，開(kāi)展了太湖氮、磷自凈能力計(jì)算，初步得出2010年太湖總磷、總氮的自凈能力分別約為48% ～52%和42% ～49%.質(zhì)量平衡方法建立在水量平衡和質(zhì)量平衡的基礎(chǔ)上，理論上較為嚴(yán)謹(jǐn)，也便于計(jì)算，可作為宏觀上把握太湖自凈能力的方法.但由于環(huán)太湖水文巡測(cè)線不是同步監(jiān)測(cè)的，在計(jì)算水量平衡時(shí)可能會(huì)帶來(lái)誤差，特別是巡測(cè)期間有降雨或人工引調(diào)水存在時(shí)影響會(huì)更大.另外將每月1 ～2 次的資料作為月平均流量也會(huì)帶來(lái)誤差.為使計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，需要加強(qiáng)進(jìn)出太湖水量和營(yíng)養(yǎng)鹽監(jiān)測(cè)的頻度和力度，此外要考慮對(duì)當(dāng)年資料獲取的完整性.

本文提出的太湖自凈能力研究方法偏于宏觀，尤其是太湖底泥帶出量的計(jì)算受制于實(shí)際資料的獲取，且難以得到底泥沉降和釋放過(guò)程的實(shí)際資料，是影響自凈能力估算結(jié)果精度的主要因素，故研究太湖自凈能力作用機(jī)制更為科學(xué)的方法是采用太湖生態(tài)模型計(jì)算方法，即利用現(xiàn)有的資料和對(duì)太湖水質(zhì)變化的追蹤分析，結(jié)合實(shí)際觀測(cè)資料，采用太湖生態(tài)模型對(duì)水質(zhì)變化參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、底泥可交換態(tài)氮、正磷酸鹽磷、底泥可交換態(tài)磷、底泥間隙水溶解性磷等不同形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化關(guān)系，通過(guò)太湖水動(dòng)力—生態(tài)模型探索物理、化學(xué)、生物過(guò)程對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的凈化作用，定量評(píng)估在不同污染負(fù)荷壓力條件下，太湖水體不同的過(guò)程對(duì)總磷與總氮的凈化能力，這將是太湖自凈能力下一步研究的工作方向.

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