2021, Vol. 42
2. 河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室, 南京 210098;
3. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 南京 210098
2. Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lakes, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, China;
3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China
太湖流域地处经济高度发展区域, 其地表水环境质量深受人类活动影响.由于太湖外源污染负荷主要通过入湖河流输入[1], 因此提升太湖整体水质的关键是控源截污[2].近30年来太湖水质呈现出先恶化再好转的特点[3], 表明近年来实施的污染源管控措施有一定成效, 但是河流实际输入的污染负荷仍然高于太湖的临界污染负荷[4], 入湖河流污染负荷的控制对改善太湖水质仍然起着至关重要的作用.
太湖流域面积广阔, 平原河网水系交错复杂且边界地处不同行政省区, 污染来源存在较大差异[5], 导致不同水文时期和地理位置的入湖河流对湖区水质的影响权重各不相同[6, 7], 控源截污措施在不同湖区实施效果难以平衡.已有研究表明2014~2016年入湖水量偏大导致的外源负荷增加是太湖近年来负荷削减速度变缓的重要原因之一[8, 9], 并且夏季强降雨对农业面源污染河段和城镇污染河段的影响有显著不同[10].秦文浩等[11]研究了太湖竺山湖污染负荷控制, 胡开明等[12]和边博等[13]研究了太湖重污染区外源削减目标, 相关研究通常聚焦在太湖局部边界河流对于局部湖区的负荷削减方案, 但是不同时期和不同边界河湖水质改善响应特点的不同使得方案实施效率存在显著差异, 湖泊水质对各边界负荷削减的响应敏感性比较有待进一步研究.
本研究基于EFDC(environmental fluid dynamic code)模型建立太湖水质模型, 以太湖8个湖区为研究对象, 将众多入湖河道依据所在湖区划分为7组作为边界, 选取代表有机污染的COD和代表营养盐污染的氨氮作为水质指标, 探究不同湖区和全湖水质浓度对边界负荷削减的响应关系, 采用局部敏感性分析方法定量衡量各边界的敏感性, 以期为湖泊外源防控提供有效的治理依据.
1 研究区域太湖(30°55′~31°32′N, 119°52′~120°36′E)是我国第三大浅水湖泊(图 1), 属湿润的北亚热带气候区, 具有冬季寒冷干燥而夏季高温多雨的季风特征, 降雨年内年际变化较大, 最大与最小年降水量的比值为2.4倍, 而年径流量年际变化更大, 最大与最小年径流量的比值为15.7倍.太湖流域河网相互交汇连成一体的河湖水系, 水域总面积2 338 km2, 共有230条出入湖河流, 西部山区河流来水汇入太湖调蓄后, 从东部流出.太湖流域经济基础雄厚, 是我国沿海主要对外开放地区, 也是我国人口最集中的地区之一, 然而经济发展带来的环境污染问题日益显著, 太湖作为太湖流域面积最大的湖泊, 接受来自苏州、无锡和常州等多座城市的工业、农业和生活污染, 入湖河流的污染负荷对太湖水质状况有重要影响.
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图 1 太湖入湖河道概化及监测点位示意 Fig. 1 Summary of the Lake Taihu channel and monitoring points |
本研究耦合了EFDC模型的水动力和水质模块进行模型构建, 采用笛卡尔直角坐标将整个太湖湖区划分为4 464个网格, 每个网格单元尺寸为750 m×750 m, 概化绕湖边界河流为30条, 划分湖区为8个[14], 并选择竺山湖、梅梁湾、贡湖、西北湖区、西南湖区、东部湖区和东太湖这7个边界湖区作为主要研究区域.边界条件包括太湖出入湖流量、水质、气象和温度数据, 其中气象和温度数据来自中国科学院太湖湖泊生态系统研究站的气象监测站, 流量和水质数据均来自监测站点(图 1).太湖富营养化问题显著, 而COD和氨氮与叶绿素a的相关性较大[15], 因此选取COD和氨氮作为水质指标, 监测频率为每月一次, 水质数据采用2004年湖区30个采样点每月一次的表层水样的实测值, 模型计算的初始日期为2004年1月1日, 模拟周期为365 d, 时间步长选取0.1 s.水动力参数已经得到验证, 其中底部糙率设为0.02[16, 17], 水质参数COD和氨氮的验证数据为2005年实测数据, COD模拟的相对误差为17.00%~35.11%, 氨氮模拟的相对误差为28.50%~52.41%(表 1), 整体误差在可接受范围内, 模型具有良好的适用性.
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表 1 水质参数COD和氨氮验证结果 Table 1 Calibration results of COD and ammonia nitrogen |
2.2 水质模型原理
EFDC模型中的水质模块是根据物质的迁移转化规律, 用质量平衡方程来表示水质状态变量的变化, 在本模型中, COD的相关物质转化方程如下[18]:
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(1) |
式中, KHCOD为COD氧化过程中需要消耗的水体中溶解氧的半饱和常数(g·m-3); KCOD为化学需氧量的氧化过程中的速率(d-1); BFCOD为沉积物中的化学需氧量[g·(m2·d)-1]; WCOD是化学需氧量的外部负荷[g·(m2·d)-1].
指数函数用于描述温度对化学需氧量氧化速率的影响:
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(2) |
式中, KCD为在TRCOD时化学需氧量的氧化速率(d-1); KTCOD为温度因素在化学需氧量的氧化过程中造成的变化量(℃-1); TRCOD为氧化时提供的用于对照参考的标准温度(℃).
模型中氨氮的源汇包括藻类的新陈代谢和底层沉积物水交换, 描述这些过程的动力学方程为:
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(3) |
式中, FNIX为藻类X代谢过程中产出的无机氮占总氮的比值; BMX为藻类X的基础代谢率(d-1); FNIPX是被藻类捕食的氮和产生无机氮的比值; PRX为藻类X的捕食率(d-1); PNX为藻类X吸收氨氮的优先程度; PX为藻类X的生长速率(d-1); BX为藻类X的用C来计的物质量(g·m-3); KNit为硝化速率(d-1); BFNH4+为氨的沉积物-水交换通量[g·(m2·d)-1]; WNH4+为氨的外部负荷(g·d-1).相关参数设置见表 2.
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表 2 有关COD和氨氮的参数列 Table 2 Parameters related to chemical oxygen demand and ammonia nitrogen |
2.3 分析方法 2.3.1 水质边界条件确定
目前已有关于太湖污染物总量控制以及削减方案的研究结论显示COD和氨氮的入湖削减目标和实施情况有一定差异, 如“十二五”期间, COD和氨氮的入河总量削减率分别为20%和65%[19].Xu等[20]根据2009~2015年西北部太湖氨氮的浓度数据模拟得出西北湖区、竺山湖、梅梁湾和贡湖区氨氮入河负荷分别降低8.99%、11.41%、51.38%和62.87%时, 入湖河流氨氮负荷总量将比2015年下降20.96%. Yan等[21]指出太湖的入湖COD和氨氮的污染负荷要求分别降低77%和51%可以达到湖体对应污染物浓度降低20%的水质目标, 污染负荷分别降低16%和24%以达到地表水环境质量标准GB 3838-2002中Ⅲ类水标准.综合各类已有关于太湖污染负荷削减的研究, 本文COD污染负荷削减率梯度选取10%、15%、20%、25%和30%, 氨氮污染负荷削减率选取梯度20%、25%、30%、35%和40%, 依次对太湖各区的水质改善情况进行计算.
2.3.2 敏感性分析方法本研究采用一次一个变量法进行敏感性分析, 其基本原理是当其他边界条件保持不变时, 根据一个输入边界条件的变化来评估输出变化[22].一次一个变量法适合边界条件相对独立且模型输出结果对目标边界条件基本呈线性响应的情况[23].基本原理公式如下[24]:
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(4) |
式中, θi是受扰动的输入边界条件; yj是边界条件扰动后的输出变量; y0是由参考(校准)边界条件获得的输出; δθi是第i个边界条件的变化; E[yj-y0]是输出结果变化的标准偏差; E[y0]是参考边界条件获得的输出平均值.
3 结果与讨论 3.1 全湖水质对边界负荷削减时间响应分析太湖年降水量分配不均, 参考已有研究将4~9月划分为丰水期, 1~3月和10~12月划分为枯水期[25], 分别探究全年削减、仅丰水期削减和仅枯水期削减这3种不同削减方案下水质边界变化对全湖水质改善的影响.
3.1.1 以全年为削减时段夏季降水量增加和面源污染扩散的协同作用致使春冬季COD和氨氮浓度偏高(图 2), 与已有对太湖COD和氨氮随时间变化的浓度分布研究结论相一致[26].水质浓度整体改善效果随削减比例增加而提高, COD浓度由10.06~17.15 mg·L-1(10%)降低至9.39~16.98 mg·L-1(30%), 氨氮浓度由0.07~0.35 mg·L-1(20%)降低至0.06~0.35 mg·L-1(40%).
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图 2 COD和氨氮在不同削减情况下全湖平均浓度随时间变化 Fig. 2 Variation of the average concentrations of COD and ammonia nitrogen with time under different reduction conditions |
计算不同削减方案下全湖年平均水质的改善率, 随着削减比例不断增加, 枯水期COD浓度改善率比丰水期低34.71%、28.40%和28.48%, 而枯水期氨氮浓度改善率比丰水期高41.59%、41.94%和42.34%.主要原因是入湖水量和污染物质浓度的影响权重不同.丰水期入湖河流流速较大, 单位时间内随河流进入太湖的COD量增多, 外源污染负荷更容易对太湖水质产生影响.与入湖浓度季节性差异不显著[27]的COD不同的是, 春季氮磷肥料的广泛施加使得入湖的河流营养盐浓度处在全年较高水平[28], 相比较于反硝化脱氮作用强烈的夏季丰水期[29], 在枯水期进行氨氮负荷削减对湖泊水质有更好改善效果.
在丰水期对入湖河流COD负荷削减30%时, COD全湖年均浓度为(12.85±2.50) mg·L-1, 在枯水期削减为(12.96±2.06) mg·L-1, 在丰水期对氨氮削减40%时, 氨氮全湖年均浓度为(0.14±8.73E-02)mg·L-1, 在枯水期削减为(0.08±8.06E-02) mg·L-1, 且标准差在丰水期随着削减百分比的增加而增加, 在枯水期随着削减百分比的增加而减少(图 3).由此可见, 在丰水期削减使得COD和氨氮的时间变化更加明显, 而在枯水期削减使得变化范围减少, 浓度分布更为平均.
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图 3 COD和氨氮在不同削减情况下全湖年平均浓度 Fig. 3 Annual average concentrations of COD and ammonia nitrogen under different reduction conditions |
由3.1.2节的结论可知, COD在丰水期的削减效果优于枯水期, 因此选取模型输出第200d(丰水期)的结果探究边界削减对太湖水质的响应关系.现状条件下太湖各湖区的COD浓度在竺山湖(14.38 mg·L-1)和贡湖(21.45 mg·L-1)浓度较高而在东部湖区(12.03 mg·L-1)浓度较低, 与殷燕[30]等关于已有的太湖COD浓度的空间分布研究结果相符合.
对竺山湖、贡湖、梅梁湾和西北湖区的COD边界进行削减时, 太湖水质改善更为显著(图 4).其中, 对竺山湖的边界COD浓度削减30%时, 本湖区COD浓度改善率(26.24%)高于相邻的梅梁湾(1.51%)和西北湖区(1.30%), 对于较远湖区的改善能力一般(0.12%), 各湖区水质改善效应存在显著差异; 削减20%时本湖区水质提升17.67%, 相比较于削减30%的情况, 各湖区水质改善率均有下降.COD的削减特点表现为削减湖区边界污染物对本湖区水质改善效果最好, 且削减量越高, 水质改善效果越明显.
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从上到下依次为太湖各边界COD削减30%、20%和10%, 氨氮削减40%、30%和20%时对各湖区和全湖的水质改善率, 横轴表示作为水质改善结果的湖区, 纵轴表示作为边界条件削减的湖区 图 4 污染物削减下各湖区水质改善情况 Fig. 4 Water quality improvement in each lake area under pollutant reduction |
由3.1.2节结论得知氨氮在枯水期的削减效果优于丰水期, 因此选取运算模型后第350 d(枯水期)的结果探究边界削减对太湖水质的响应关系.现状条件下比较各湖区浓度平均值, 竺山湖(0.65 mg·L-1)、梅梁湾(0.39 mg·L-1)和西北湖区(0.30 mg·L-1)的氨氮浓度较高, 东太湖(0.06 mg·L-1)氨氮浓度较低, 与已有对太湖污染物空间分布的研究结果相符合[31].
各湖区氨氮改善率对竺山湖边界负荷削减的响应特点为: 对本湖区改善率(18.23%~36.73%)高于对其余湖区(0.18%~4.84%), 并且改善率由随边界削减率的降低而降低, 全湖水质改善率由13.26%(40%, 边界消减率, 下同)降低至6.47%(20%).氨氮改善率较高的湖区为竺山湖和西北湖区(图 4), 一方面是因为外源污染主要通过西北部河流进入太湖[32], 另一方面因为竺山湖环流大部分集中在半封闭的湖湾区, 有效波高值较低, 区内流速相较于其余湖区更小[33], 污染物浓度对外源负荷的响应更加直接.
3.2.3 边界削减及水质改善特征分析从图 4还可以看出, 削减东太湖和东部湖区时对其余湖区的氨氮改善效果比本区更好, 进一步对全湖水质浓度和削减率进行回归分析, 结果表明全湖COD浓度均值和削减率为显著线性相关(R2＞0.97), 氨氮浓度均值和削减率除东部湖区(R2=0.56)、西南湖区(R2=0.09)和东太湖(R2=0.01)外为显著线性相关(R2＞0.92)(图 5), 都说明了削减氨氮时对于部分湖区的水质改善不稳定.东太湖边界大多为出湖河流, 西南湖区边界河流的流向往复不定, 对这两个各湖区进行污染物削减不容易影响到湖体水质, 且东太湖和东部湖区均属于草型湖区, 相较于太湖北部的藻型湖区有茂密的水生植被, 湖底由于植物白天的光合作用和夜晚呼吸作用形成好氧和厌氧的交替环境, 氨氮经过硝化作用和反硝化作用最终转化成氮气从水体脱除, 湖区的氮循环作用强烈[34], 因此削减边界氨氮浓度对水质的影响较小.
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图 5 太湖各边界COD和氨氮削减对太湖水质的影响 Fig. 5 Effect of COD and ammonia nitrogen reduction on water quality in the Taihu Lake |
分别以COD和氨氮为水质指标时边界的敏感性排序不尽相同(图 6), 西北湖区边界的敏感性均位于首位.其余边界对COD的敏感性排序为竺山湖(12.05%)＞贡湖(11.56%)＞梅梁湾(5.45%)＞西南湖区(4.35%)＞东部湖区(1.62%)＞东太湖(1.36%), 对氨氮的敏感性排序为梅梁湾(18.43%)＞竺山湖(15.76%)＞贡湖(6.74%)＞西南湖区(1.50%)＞东太湖(1.22%)＞东部湖区(0.89%).
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图 6 分别以COD和氨氮为水质指标时太湖各边界的敏感性 Fig. 6 Sensitivity of different boundaries in the Lake Taihu with COD and ammonia nitrogen as water quality indexes |
长江中下游区域湖泊的污染来源和水动力条件与云南高原深水湖泊不同, 云南高原湖泊进出湖河流数量有限, 外源污染来源较为单一[35], 相比之下, 太湖出入湖河流数量众多, 其外源污染因周边城市的经济发展状况不同而组分构成复杂, 并且由于湖泊水浅和岸线曲长, 污染物进入湖体后的迁移过程受风浪扰动存在显著空间差异[28]: 西北湖区和竺山湖的入湖河流污染较为严重; 贡湖的污染负荷受“引江济太”工程调水期来水水量以及非调水期西北部湖湾区对污染物质过滤作用的影响[28]; 梅梁湾的入湖污染主要为从武进港输入的城镇工业、农业和生活污染; 西南湖区南部河网流速较缓, 受到太湖顶托作用会出现水流倒灌现象, 河流流向往复不定且与湖泊物质交换频繁[36], 污染负荷较西北部湖区偏低; 东部湖区和东太湖边界水量和污染负荷均较少.各湖区的敏感性顺序受入湖水量和污染负荷的影响但和水量负荷顺序不完全一致(表 3), 差异主要体现在梅梁湾和西南湖区.
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表 3 各湖区敏感性、入湖水量和入湖负荷比较 Table 3 Comparison of sensitivity, water quantity, and pollution load in each lake area |
对不同水质目标而言, 边界对COD和氨氮的敏感性排序差异在于贡湖和梅梁湾的顺序.已有研究表明“引江济太”调水前后太湖氨氮浓度整体上变化不明显, 而COD浓度变化明显[37], 贡湖作为调水工程的主要入湖湖区, 受来水影响较大.因此以COD为水质指标时贡湖的敏感性排序更高.后者是由于太湖是浅水湖泊且梅梁湾具有口袋形的地貌特征, 藻类易受夏季东南风的作用在梅梁湾和西北湖区北部堆积, 氨氮等营养盐受浮游植物对氮素的同化吸收等代谢过程影响[38], 因此以氨氮为水质目标时梅梁湾的敏感性排序更高.
4 结论(1) 太湖水质对边界负荷削减的响应存在显著的时空差异性, 全年削减对全湖水质的影响程度最大, 各湖区的水质改善响应呈现自削减边界向外围递减的特点.在入湖水量较大的丰水期进行负荷削减, 全湖COD浓度的降低更明显; 在入湖浓度较大的枯水期进行负荷削减对全湖氨氮浓度的降低更为重要.
(2) 敏感性分析结果表明, 西北湖区边界为最敏感边界.竺山湖、贡湖和梅梁湾边界属于较敏感边界, 其中COD浓度对竺山湖边界更敏感, 氨氮浓度对梅梁湾边界更敏感.
(3) 外源负荷对大型浅水湖泊, 尤其是环湖河网复杂连通的湖泊有着不可忽视的影响, 进行外源削减时, 要根据入湖水量、污染物浓度以及不同湖区水质对边界的响应特点制定合理的削减方案.
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