武汉北太子湖水环境容量研究

胡胜华，王 硕，史诗乐，梅劭明，董腊珍

(武汉中科水生环境工程股份有限公司/湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，湖北 武汉 430074)

1 引言

随着社会经济的发展，人们生活水平的提高和人口迅速增长，水污染已经成为目前国内外重大的环境问题。水环境容量是反映水生态环境与社会经济活动的密切关系的度量尺度。水环境容量的研究关系到流域内河流水质控制目标的确定和污染物投(排)放量的控制等非常重要的理论和实际问题。因此，对水源地保护区水环境安全以及水污染控制的研究有着重大的意义。

结合实际研究，环境容量指在特定功能条件下环境对污染物的承受能力，反映了污染物在环境中的迁移转化和积存规律[1]。水环境容量作为水生态环境与经济社会活动密切相关的度量尺度，是一个复杂的概念，学术界至今还未达成共识，但本质均强调环境水质目标、一定水体(域)、纳污能力(最大允许污染物负荷)[2]。目前，我国环境管理已由浓度管理制度向总量管理制度转变[3,4]。根据水质目标，计算水体的环境容量，并进一步实施水污染物总量控制，是保证水环境质量的根本方法[5]。而在制定湖泊水质管理规划时，需建立描述有机污染物降解规律的水质模型，而建模的关键是估计各种有机物的降解系数，确定水质模型参数的方法有多种如经验公式估算、现场实测、室内模拟实验测定、类比分析借用等[6]。近年来运用水环境容量对湖泊水环境问题及管理做了大量卓有成效的研究[7～20]。

本研究参考了国内外其它水体水环境容量计算方法及案例，综合武汉北太子湖自身特点，选取适宜的数学模型，计算北太子湖湖泊水环境容量，为北太子湖水环境整治提供一定设计与决策依据。

2 湖泊概况

2.1 自然地理

武汉四季分明，气候温和，雨量充沛，无霜期长。年均气温16.5 ℃，极端最低气温-14 ℃，7月份温度最高，月平均气温28.1 ℃，极端最高气温39.6 ℃。年平均降雨量为1240.6 mm，最高值为1692 mm，最低值为807.1 mm，年降雨量在1000 mm以上的占77.3%，常年降雨日为85.88 d，5月份最多，平均降雨日为8.1 d，年无霜期为253 d。

2.2 湖泊特征

北太子湖位于武汉开发区(汉南区)沌阳街道新华村，东邻江堤乡，南与南太子湖以武汉交通中环线相隔，西邻龙阳大道，北抵鲤鱼洲(图1)。规划蓝线水面面积52.60 ha，平均水位20.25 m，历史最高水位21.48 m，最低水位18.45 m，平均水深1.8 m(表1)。根据《武汉市水功能区划》，北太子湖执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的Ⅳ类水质标准，系武汉开发区(汉南区)26个重点保护湖泊之一[21]。

图1 北太子湖分布区域概况表1 北太子湖基本湖泊数据

武汉年均降雨量/mm年均蒸发量/mm湖泊面积/(m3×106)湖泊容积/(104×m3)汇水面积/(m3×106)1240.6949.800.5297.303.72

3 计算方法及原则

3.1 数学模型

3.1.1 化学需氧量水质模型

水质模型最基本的功能是模拟和预测污染物在水环境中的变迁。国内外的学者在这方面做了很多工作，研究也较为成熟[22,23]。在国内，绝大部分封闭型、半封闭型水体的水质模型都以“混合反应器”为假设而建立的。据湖泊物质平衡方程，小型湖泊可建立化学需氧量(COD)水质模型如下[24～26]：

(1)

为保持湖水在任何时间有机污染物浓度不超过湖水的水质标准，取dc/dt=0，则其湖泊水域环境容量为：

W=Cs(K×V×365+Q出)×10-3

(2)

式(2)中：W为水域纳污量，kg/a；Q出为年出湖水量，m3/a；Cs为规划目标浓度，mg/L；K为降解速率，1/d；V为湖泊容积，m3。

降解速率采用经验公式计算[7,10]：

(3)

式(3)中：qi为第i个污染源入流量，104m3/a；ci为第i个污染源入浓度，mg/L；c为湖水中污染物浓度，mg/L；V为湖泊容积，104m3。

3.1.2 总氮和总磷水质模型

对于湖泊营养盐允许负荷模型，不同学者提出了多种与湖泊水文条件相关的数学模型，常见的模型有沃伦德尔、狄龙及合田健模型；其中狄龙模型主要适用于富营养化湖(库)，合田健模型适用于水流交换能力弱的湖库湾等[27]。通过水体调查分析可以看出，五一湖及七一湖为典型的富营养化湖泊，因此本方案以狄龙模型计算总氮(TN)、总磷(TP)环境容量。吉奈尔-狄龙(Kirchner-Dillon)模型如下[28～30]：

(4)

假设水库的入流、出流与污染物的输入处于稳定状态，当t→∞，可得：

(5)

式(5)中：W为水域纳污量，kg/a；L为水域环境容量，kg/(a*m2)；S为湖水面积，m2；Cs为规划目标浓度，mg/L；R为湖泊中N、P滞留时间的，1/a；ρw为水力冲刷系数，ρW=Q出/V；Q出为每年流出湖泊的水量，m3/a；V为湖泊容积，m3。R为氮、磷在湖(库)中的滞留系数，无量纲，一般计算公式为：

R=1-W出/W入

W出、W入分别为年出、入湖(库)的氮、磷量，t/a。

在无法得知年进、出湖的氮、磷量时，可按如下公式进行估计：

R=0.426exp(-0.271Q出/A)+0.573exp(-0.00949Q出/A)。

(6)

3.2 水环境容量计算

3.2.1 点源污染

根据现场踏勘，北太子湖一共有19个排水口分布，主要分布在武汉外国语学校、普天居贤院附近，其中有雨污混合排放口5个，污水排口1个，雨水排口13个(表2～4)。区域排水现状以雨污分流为主，但还是存在污水管线与雨水管线的错接、乱接和漏接现象，导致部分排水口存在雨污混排的现象。

表2 北太子湖排水口现状情况

3.2.2 面源污染

根据其他城市研究数据，城市雨水径流等非点源污染占水体污染负荷比例在15%以上，雨水径流已成为造成水体水质恶化的主要因素[34]。本实施方案对于雨水产生的污染考虑年降雨量产生的污染，根据汇水区计算面源污染。参考《GB 50014-2006(2014年版)室外排水设计规范》、《武汉市屋面雨水水质特性分析》等关于武汉市不同下垫面雨水径流水质的研究结果，分析得到武汉地区雨水径流污染物指标(表5)[34]。

表3 北太子湖排口流量及污染物排放状况

表4 北太子湖点源污染总计

表5 武汉市雨水地表径流特征

根据整个城区用地性质：道路、绿地、屋面和硬地的面积暂按照 25%、15%、35%、25%计算；结合各类下垫面的水质特征，计算径流雨水污染物负荷(表6、表7)。

3.2.3 内源污染

参考相关文献，北太子湖表面沉积物的污染物释放负荷分别按照COD 300 mg/(m2·d)、TN 40mg/(m2·d)、TP 5 mg/(m2·d)的释放速率，对调查期间底泥释放负荷进行核算[31～34]。根据历年武汉市气象分析数据，按全年13.2次大雨平均次数对全年的底泥污染释放量进行估算(表8)。

表6 武汉市北太子湖雨水径流污染排放量

表7 北太子湖面源污染

表8 北太子湖底泥污染释放量

3.2.4 污染负荷汇总

对北太子湖入湖污染物指标进行汇总，结果如表9。

表9 北太子湖污染负荷

3.3 水环境容量

2017年4月对北太子湖水样进行了采样，主要水质指标如表10。

表10 北太子湖2017年水质现状

比照地表水水质标准(GB3838-2002)，总磷、总氮已超出Ⅳ类水质标准，即北太子湖湖水属于劣Ⅴ类水质，远超出目标规划水质的Ⅳ类水标准。

依据湖泊年入湖污染物量和年出湖污染物量，计算得到降解系数K及滞留系数R，代入数学模型，并得到结果(表11)。

表11 北太子湖的湖泊水环境容量及需削减量

4 结果与分析

在水环境容量计算过程中，水体降解系数是一个相当重要的部分。降解系数的求解一般有：实地测量法、实验法、类比估值法和公式法，实地测量法需实地取点测样，多次取平均值，数据准确度与数据丰度成正比；类比估值法按已有案例或数据，综合考虑地区因素大致估得；而公式法则是根据湖泊出入污染物量拟合数学模型，可以得到一定条件下较为精确的数值[5]。

北太子湖属中小型浅水湖泊，适合箱体模型、Kirchner-Dillon模型，经拟合计算COD水环境容量为322.19 t/a，总氮水环境容量为38.29 t/a，总磷水环境容量为1.09 t/a。

由于污染物排放过度，超出北太子湖本身净化能力，各类污染物需削减量分别为：总磷2.16 t/a，超出水体自净能力198%；总氮0.26 t/a，超出水体自净能力6.7%。水体总磷排放量严重超标，需放在污染治理的首位。

建议先对北太子湖进行清淤工作，之后通过大型水生高等植物种植、投放鲢鳙滤食性鱼类等生态工程逐步恢复水体基本功能，增强水体自净能力。

StudyofWaterEnvironmentalCapacityinLakeBeitaizihuinWuhanCity

Hu Shenghua,Wang Shuo,Shi Shile,Mei Shaoming, Dong Lazhen

(NationalEngineeringlaboratoryforLakeWaterpollutionControlandEcologicalRestoration,WuhanZhongkeHydro-biologicalEnvironmentEngineeringCo.Ltd,Wuhan,Hubei, 430074,China)

Abstract: According to the present situation of the water body of Lake Beitaizihu and the actual water pollution, the degradation coefficient of lake is estimated.And the water environmental capacity of the lake is calculated with reference to the Kirchner-Dillon model. The COD(Chemical Oxygen Demand) capacity of the lakes is 322.19t/a,and the TN(Total Nitrogen) capacity of the lakes is 38.29t/a,and the TP(Total Phosphorus) capacity of the lakes is 1.09t/a. The water environmental capacity represents the upper limit of the water body that can be contained in a water body and can also be used as a measure of its purification and dilution ability.The pollutant reduction of Lake Northern Prince is as follows: COD is 0 t/a, not exceeding the water self-purification capacity; TP 2.16 is t/a, exceeding the self-purification capacity of water body by 198%; TN is 0.26 t/a,exceeding the self-purification capacity of the water body by 6.7%. The discharge of TP in water is serious, which should be put in the first place of pollution treatment.

Keywords: Lake Beitaizihu;water environment capacity;pollution load