李 靜，沈夢蘭，何立山，王 紅，張紅霞

內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，內(nèi)蒙古 阿拉善 750306

水環(huán)境容量是水體在特定水質(zhì)目標下對某種污染物的最大負荷總量，是水環(huán)境管理的基礎，對水資源的合理利用具有重要的指導意義。楊喆等[1]通過計算官廳水庫及其上游流域水環(huán)境容量評價了水利工程對環(huán)境容量的影響；黃真理等[2]計算三峽工程建成前后的環(huán)境容量指出，庫區(qū)總體環(huán)境容量增加，岸邊環(huán)境容量減少；杜慧玲等[3]指出松花江哈爾濱段COD和NH3-N環(huán)境容量壓力較大；戴忱等[4]將環(huán)境容量作為海綿城市建設的基本要求；周孝德等[5]、韓龍喜等[6]在計算環(huán)境容量的基礎上提出水資源保護和污染治理的方法。近年來環(huán)境容量被越來越多地運用于城市水環(huán)境治理[7]、土壤污染控制[8]和海洋生態(tài)評價[9]等領域[10-11]，研究不斷深入，思路不斷拓寬。

居延海(東)是黑河流域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是西北地區(qū)重要生態(tài)屏障。自2002年恢復進水以來，居延海(東)水域面積不斷擴大，近幾年基本保持在43 km2左右，周邊生態(tài)環(huán)境不斷恢復。但作為黑河的尾閭湖，居延海(東)水只進不出，蒸發(fā)量大，水體更換緩慢，水質(zhì)狀況有惡化趨勢。為避免出現(xiàn)像呼倫湖[12]等水體(水質(zhì)惡化后再進行大規(guī)模治理)一樣的情況，筆者評估了不同水質(zhì)目標下居延海(東)對化學需氧量(CODCr)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總磷(TP)和總氮(TN)的最大容量，為其水資源的利用及治理提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)居延海(東)水深較淺且深度變化不大，周邊無污染源排放點等特征，均勻選取15個監(jiān)測點(圖1)，同時選用阿拉善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站2018—2020年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對居延海(東)水環(huán)境容量進行計算。所有樣品依照《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 91—2002)要求進行采集、保存、運輸，帶回實驗室分析。各水質(zhì)指標分析方法依據(jù)其標準方法，如表1所示。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution diagramof sampling points

表1 相關水質(zhì)指標測定方法Table 1 Determination methods of related water quality indicators

1.2 研究方法

根據(jù)居延海(東)的水質(zhì)現(xiàn)狀，以及現(xiàn)有水環(huán)境研究的水質(zhì)指標，筆者選取CODMn和CODCr為有機污染物代表性指標，TP和TN為營養(yǎng)鹽污染物代表指標，分別計算各水質(zhì)指標的環(huán)境容量。

1.2.1 有機污染物容量模型

有機污染物允許排放量采用沃倫威德爾模型計算，公式如下：

式中：W為有機污染物最高允許排放量，t/a；Δt為湖泊維持其設計水量的天數(shù)，d，一般按30 d計算；Cs為水質(zhì)控制濃度，mg/L；C0為水質(zhì)實測濃度，mg/L；V為湖泊設計水量，以居延海(東)庫容量計算，萬m3；q為安全庫容期間湖泊每天平均流出水量，居延海(東)為尾閭湖，出水以蒸發(fā)為主，以年蒸發(fā)總量代替出水量，m3/a。

K為湖泊中有機物的綜合衰減系數(shù)，可通過實測、資料查詢、分析借用、反推等方法確定，筆者利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實測計算，計算公式為

式中：Q為進口斷面流量，m3/s；φ為擴散角，φ=π；H為平均水深，m；rA、rB為A點、B點距排放口的距離，m；CA、CB為A點、B點的水質(zhì)濃度，mg/L。居延海(東)只有一個進水口，即污染物入口，將該點定為A點，在湖內(nèi)選取若干點為B點，進行監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)代入公式計算得CODMn和CODCr的綜合衰減系數(shù)分別為5.152 67×10-8s-1和5.343 13×10-8s-1。

同時參考部分文獻資料(表2)，確定居延海(東)的KMn和KCr分別為0.004 d-1和0.005 d-1。

表2 不同湖(庫)中有機污染物的綜合衰減系數(shù)Table 2 Comprehensive attenuation coefficients oforganic pollutants in different lakes (reservoirs)

1.2.2 營養(yǎng)鹽污染物容量模型

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，營養(yǎng)鹽污染物容量模型主要包括Dillion模型、合田健模型和OECD模型等，為使結果更有代表性，筆者使用3個模型的平均值作為居延海(東)的污染物容量，計算公式如下：

Dillion模型：

M=A·Cs·h·Q出/[V·(1-R)]

合田健模型：

OECD模型：

式中：M為營養(yǎng)鹽污染物最高允許排放量，t/a；A為計算時期水域面積，m2；Cs為水質(zhì)年均控制濃度，mg/L；h為平均水深，m；Q出為湖泊的年出水量，m3/a；V為湖泊設計水量，m3；qs為單位面積水負荷量，qs=Q入/A，m3/a；Q入為湖泊的年入水量，m3/a。

2018—2020年居延海(東)特征參數(shù)見表3。

表3 居延海(東)特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of the Juyan Lake (East)

1.2.3 水質(zhì)目標的設定

居延海(東)是西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障，同時兼具旅游休閑等多種水資源利用功能，為全面評估不同利用模式下的水環(huán)境狀態(tài)，按《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)地表水水域功能和保護目標分類，同時以現(xiàn)狀水質(zhì)不再惡化為目標，計算不同水質(zhì)目標下不同污染物的水環(huán)境容量(表4)。

表4 水質(zhì)目標設定及污染物指標Table 4 Water quality target setting and pollutant index mg/L

2 居延海(東)水質(zhì)現(xiàn)狀

2.1 時序變化分析

居延海(東)是額濟納綠洲生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分，對維持區(qū)域生態(tài)平衡具有不可替代的作用，其水質(zhì)狀況直接影響區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定。利用單因子指數(shù)法評價居延海(東)2018—2020年水質(zhì)狀況結果顯示，居延海(東)重金屬、氟化物、氨氮含量均滿足Ⅰ類水質(zhì)標準要求，TP基本滿足Ⅱ～Ⅲ類標準要求，TN、CODMn滿足Ⅲ～Ⅳ類標準要求，CODCr基本滿足Ⅳ～Ⅴ類標準要求，CODMn和CODCr超標較為嚴重，生化比(BOD5/ CODCr)平均值為0.10。

圖2展示了CODMn和CODCr濃度散點分布情況。

圖2 CODMn和CODCr濃度散點分布Fig.2 Scatter distribution of CODMn andCODCr concentrations

從圖2可知，CODMn和CODCr的監(jiān)測數(shù)據(jù)分布較集中，CODCr常年濃度值主要集中在25～40 mg/L，CODMn濃度主要集中在4～10 mg/L。可見，居延海(東)水環(huán)境質(zhì)量的主要水質(zhì)影響因子是CODMn和CODCr，其次為TN和TP。

2.2 空間變化分析

居延海(東)水域面積從2003年的31.5 km2增加至2020年的43.0 km2，水域面積的增大對污染物的降解和擴散具有很大影響。在居延海(東)水域布點監(jiān)測的結果顯示，額濟納河入海口處的各主要污染物濃度明顯低于其他位置的濃度，湖中心各主要污染物濃度明顯高于周邊，西北沿岸存在游艇等娛樂服務設施，各主要污染物濃度也相對較高，見圖3。

圖3 居延海(東)4種主要污染物空間分布Fig.3 Spatial distribution of four main pollutants in the Juyan Lake (East)

3 居延海(東)水環(huán)境容量結果分析

3.1 有機污染物容量

表5展示了不同水質(zhì)目標下居延海(東)有機污染物的水環(huán)境容量。由表5可知，同一年份，不同水質(zhì)目標下各污染物的環(huán)境容量差距較大，水質(zhì)目標越低，環(huán)境容量越大。CODCr環(huán)境容量在Ⅱ類水質(zhì)目標和Ⅲ類水質(zhì)目標下均發(fā)生超載現(xiàn)象，在現(xiàn)狀水質(zhì)目標下，環(huán)境容量分別為7 247.0、7 958.3、7 430.7 t/a，全部超過Ⅳ類水質(zhì)目標的環(huán)境容量，若要達到Ⅳ類水質(zhì)目標必須消減其排放量。CODMn環(huán)境容量在Ⅱ類水質(zhì)目標下發(fā)生超載現(xiàn)象，在現(xiàn)狀目標下環(huán)境容量分別為1 356.6、1 239.4、1 289.4 t/a，全部超過Ⅲ類水質(zhì)的環(huán)境容量，距Ⅳ類水質(zhì)目標還有一定差距，若要達到Ⅲ類水質(zhì)目標也必須大幅度消減其排放量。

表5 不同水質(zhì)目標下居延海(東)有機污染物水環(huán)境容量Table 5 Environmental capacities of organic pollutants in the Juyan Lake (East)under different water quality targets t/a

3.2 營養(yǎng)鹽污染物容量

由營養(yǎng)鹽污染物環(huán)境容量的計算模型可知，環(huán)境容量與水域體積、面積及水質(zhì)目標濃度有關，與污染物實際濃度無關。表6體現(xiàn)了不同水質(zhì)目標下居延海(東)營養(yǎng)鹽污染物水環(huán)境容量，由表6可知，TP、TN在相同水質(zhì)目標下，不同年份的環(huán)境容量變化幅度很小。TP在Ⅱ類水質(zhì)目標下環(huán)境容量均值為9.43 t/a，Ⅲ類水質(zhì)目標下環(huán)境容量均值為18.66 t/a，Ⅳ類水質(zhì)目標下環(huán)境容量均值為37.74 t/a；TN在Ⅱ類水質(zhì)目標下環(huán)境容量為188.7 t/a，Ⅲ類水質(zhì)目標下環(huán)境容量為377.4 t/a，Ⅳ類水質(zhì)目標下環(huán)境容量為566.1 t/a。

在保持現(xiàn)有水質(zhì)目標下，不同年份TP、TN排放濃度不同，其環(huán)境容量差別較大。通過比較現(xiàn)有水質(zhì)的環(huán)境容量與Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類水質(zhì)目標的環(huán)境容量可知不同污染物的負載情況。2018—2020年，TP的環(huán)境容量分別為22.85、16.34、11.19 t/a，與Ⅲ類水質(zhì)相比，2018年超載3.81 t，2019年超載2.58 t，2020年未超載，與Ⅳ類水質(zhì)目標相比還有較大容量空間。2018—2020年，TN的環(huán)境容量分別為422.7、359.5、496.5 t/a，與Ⅲ類水質(zhì)目標相比，2018年超載42 t，2019年未超載，2020年超載123.5 t，2020年超載量明顯增大，與Ⅳ類水質(zhì)目標容量接近。

表6 不同水質(zhì)目標下居延海(東)營養(yǎng)鹽污染物水環(huán)境容量Table 6 Environmental capacities of nutrient pollutants in the Juyan Lake (East)under different water quality targets t/a

4 結論與建議

居延海(東)水質(zhì)常年保持在Ⅳ～Ⅴ類之間，CODCr和CODMn是主要超標因子，超標較為嚴重，TN和TP次之；從污染物空間分布來看，湖中心和西北沿岸各主要污染物濃度較高。

居延海(東)水環(huán)境容量由水質(zhì)目標和污染現(xiàn)狀共同決定，水質(zhì)目標相對固定，污染現(xiàn)狀是限制水環(huán)境容量的最主要因素。從CODCr和CODMn的分析結果來看，2018—2020年CODCr的濃度值在波動中小幅度增加，環(huán)境容量呈減小趨勢，在Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)目標下，CODCr環(huán)境容量均出現(xiàn)超載情況，而且現(xiàn)狀水質(zhì)容量全部超過Ⅳ類水質(zhì)目標容量，需加大消解或控制力度，防止環(huán)境容量進一步減??；CODMn濃度值可達Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì)標準，但其現(xiàn)狀水質(zhì)容量已超過Ⅲ類水質(zhì)容量。從TN和TP來看，TP達到Ⅲ類水質(zhì)標準且有剩余容量，基本可滿足生態(tài)保護等功能；TN現(xiàn)狀水質(zhì)容量已接近Ⅳ類水質(zhì)容量，要達到Ⅲ類水質(zhì)容量，TN至少消減48.8 t。

額濟納地區(qū)常年干旱少雨，年均蒸發(fā)量可達3 800 mm，對居延海(東)水域面積和水質(zhì)有較大影響，而黑河是居延海(東)的唯一補水水源，保證補水量充足是確保居延海(東)水質(zhì)達標的基礎。同時，為避免黑河在下泄過程中將泥沙帶入居延海(東)，應加強河道養(yǎng)護，及時清理淤積嚴重河段，保證河流通暢。居延海(東)是典型的“淺碟形”湖泊和尾閭湖，應定期進行湖底清淤，通過天然植被豐育、增加水深、限制養(yǎng)殖業(yè)等，不斷增加居延海(東)的生物多樣性，提高湖泊的自凈能力。