不同数学模型下的乌梁素海水环境氮磷容量模拟计算

2 0 0 7 年7 月第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集 不同数学模型下的乌梁素海水环境氮磷容量 模拟计算 李卫平“2 ，李畅游1 ，王丽1 ，武国正1 ，代进锋1 ，孙标1 ，甄小丽1 ( 1 内蒙古农业大学水利与士木建筑工程学院内蒙古呼和浩特0 1 0 0 1 8 ；2 内蒙古科技大学能源与环境学院内蒙古 包头0 1 4 0 1 0 ) 摘要：本文基于O E C D 模型、D i l l o n 模型及合田健模型模拟乌梁素海在、V 级水质标准下T N 、T P 水环境容量， 通过三种模型模拟结果比较，分析得出O E C D 模型和合田健模型计算出的T N 、T P 水环境容量值比D i l l o n 模型模拟所得 的T N 、T P 环境容量值大，井采用三种模型计算均值确定2 0 0 5 年T N 、T P 水环境容量。 关键词：模型；水环境容量；氮磷；乌梁索海 A n a l o g C a l c u l a l i o n o f N i t r o g e n a n d P h o s p h o r u s C a p a c i t i e s i n W u l i a n g m H a i W a t e r E n v i r o m n e n t U n d e r D i f f e r e n t n a f l m m a f i c M o d e l s L I W e i - p i n 9 1 。2L I C h a n g - y o u l ，W A N G L i 。，W U Z h e n g - g u o ，D A IJ i n - f e n 9 1 ，S U N B i a 0 1 。Z H E N X i a o - l i l ( 1 s c h o o lo f W a t e r C o n s e r v a n c y C i v i l E n g i n e e r i n g ，I n n e r M o n g o l i a A c u l t u r a l U n i v e r s i t y ，H o h h o t , 0 1 0 0 1 8 ，C h i n a ；2 S c h o o l o f E n v i r o n m e n t E n e r g yR e s o u r c e s ，I n n e r M a n 9 0 1 i a U n i v e r s i t yo f S c i e n c e T e c h n o l o g y ，B a o t o u ，0 1 4 0 1 0 ，C h i n a ) A b s t r a d ：T h i s p a p e r r 黯p e 眦i v e l ys i m u l a t e s t h e T i Na n d T P w a t e r e n v i r o n m e n tc a p a c i t i e s o f W u l i a n g s u H a i w i t h t h e w a t e r q u a l i t y c r i t e r i aa t ，a n dV ，b a s e dn n t h e O E C D ，D i l l o na n d H e t i a n j i a n m o d e l s B yc o m p a r i n g t h er e s u l t so f t h e s e t h r e e m o d e l s ，w e f o u n d t h a t t h e I N T P w a t e r e n v i r o n m e n tc a 口a c i d e s r e s n t t e d f r o m t h e O E C D a n d H e t i a n j i a n m e , d e l sa r e l a r g e r t h a n t h o s e f r o m t h e D i l l o n m o d e l W e f i x e d t h e T Na n d T P w a t e r e n v i r o n m e n tc a p a c i t i e s o f t h ey e a r 2 0 0 5b ya v e r a g i n g t h er e s u l t sc o n c l u d e d f r o m t h e t h r e em O d e I s K e y w o r d s ：m o d e l ；w a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t i e s ；n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ；l a k eW u l i a n g s u h n i 水环境容量是指水体在一定环境功能的条件下， 水环境所能容纳的最大允许负荷量。污染物进入水体 后，受稀释、扩散、迁移和同化的作用，其容量实际 是由稀释容量、迁移容量及净化容量组成。影响水环 境容量的因素主要包括水域及水文特征、化学性质、 物理和化学自净能力、生物降解和污染物质。 不同的污染物具有不同的环境容量，但具有一定 的相互联系和影响，提高某种污染物的环境容量可能 基金项目：国家自然科学基金( 5 0 2 6 9 0 0 1 5 0 5 6 9 0 0 2 ) 内蒙古自然科学 基金( 2 0 0 2 0 R 0 2 0 5 1 2 ) ；内蒙占“十五”科技攻兰( 2 0 0 1 0 1 0 3 ) 作者简介：李卫平( 1 9 7 3 一) ，男。陕西神木人主要从事干旱区水环境 分析与水污染控制研究。E - m a i l ：s j l w p 1 6 3c o r n 会降低另一种污染物的环境容量。因此，对单因子计 算出的环境容量应作一定的综合影响分析，较好的方 式是联立约束条件同时求解各类需要控制的污染物 质的环境容量，排污方式。 氮、磷是湖库水体富营养化的主要影响因子，实 行湖库氮、磷纳污总量控制是防止湖库富营养化的关 键，也是目前研究中的薄弱环节。通过不同的数学模 型对湖泊水体氮、磷允许纳污量进行计算和预测研 究，对湖泊水环境污染物总量控制具有现实的指导意 义。 1乌梁素海水文特性分析 分析乌梁素海的水量水质变化特征，确定乌梁素 4 6 6 第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集2 0 0 7 年7 月 海各个排放口影响水质变化的条件，设计水文条件要 涉及许多因素，针对鸟梁素海的具体水文特性，对乌 梁素海以上因素进行确定： 六十年代，乌梁素海总面积约4 0 0k m 2 左右；七 十年代初，由于围湖造田，使湖泊面积进一步缩小； 1 9 6 9 1 9 7 6 年间湖水面积只有2 4 7k m 2 ；1 9 7 7 年湖 泊水位持续2 0 d 猛涨，使西北岸堤决口，湖面扩展了 4 6k m 2 ；据2 0 0 6 年T M 卫星遥感图像显示，乌梁素海 的总面积2 8 3k m 2 。从1 9 8 6 年到2 0 0 2 年，乌梁素海 总水域面积总趋势在减少，1 6 年问共减少了4 1 4 9 8 k m 2 ，减少较大的两个区间分别为1 9 8 6 1 9 8 7 年以及 1 9 9 3 1 9 9 6 年问，1 9 8 7 1 9 9 3 年问以及1 9 9 6 2 0 0 2 年问变化较平稳。明水区面积总趋势也在减少，由 1 9 8 6 年的1 3 2 ，7 3 6k m 2 减少到2 0 0 2 年的11 0 8 9 3k m 2 ， 共减少了2 1 8 4 3k m 2 。 表1乌梁素海多年平均形态特征参数表 表1 、表2 、表3 分别列出了乌梁素海形态特征 参数，历年水域面积，黄河人乌粱素海水量以及鸟梁 素海各年入出湖水量。图l 为乌梁素海水位水量关 系。 2 湖泊水环境容量的计算 在水环境使用功能不受破坏的条件下，水体的最 大允许纳污量或者在给定水域范围、给定水质标准、 1 9 8 3 1 9 8 5I 嘴71 9 8 9 1 9 9 l 1 9 9 3 1 9 9 5 1 9 9 71 9 9 92 0 0 1 2 0 0 3 2 0 0 5 年册 图1 水位水量对应图 给定水力设计条件下水域的最大允许纳污量，称为水 环境容量。而水体允许纳污量是指在水域使用功能不 受破坏的条件下，受纳污染物的最大数量，它反映了 污染物在水体中迁移、转化和积存的规律，也反映了 水体在满足特定环境功能条件下对污染物的承受能 力，其允许纳污量的大小与水体特征、水质目标以及 污染物特性有关。水的环境容量取决于水体的要求、 污染物的状况和水体的自净能力，环境容量的研究是 河流污染治理考虑的因素。 目前，对湖泊水库水体氮、磷允许纳污量的预 测研究，大都来源于箱式模型。由于湖库具有广阔 的水域、缓慢的流速和风浪作用大等显著特点，如 同一个巨大的箱式反应器，建立的沃伦威德 ( V o l l e n w e i d e r ) 水环境容量计算模型，是分别计算水 环境容量的三个部分：稀释容量、自净容量和输移 容量，但其所计算的是理想情况下的极值，没有考 表22 0 0 4 年黄河入乌梁素海水量 2 0 0 7 年7 月第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集4 6 7 虑到实际湖库环境效应对自净能力的影响。另外， 在箱式完全混合模型的基础上，还建立了其他一些 水环境容量计算模型，如：狄龙( D i l l i o n ) 模型、O E C D 模型和合田健模型。 事实上，湖泊水库水体氮、磷的受纳、迁移、转 化过程非常复杂，影响因素很多，因此，对环境保护 决策者来说，有必耍弄清实际情况下各种复杂不确定 因素所造成的氮、磷自净能力究竟如何，允许纳污量 是多少。 2 1 水环境容量模型 通过几十年的发展，富营养化模型建立无论在 理论上或实践方面都有较大的发展，已建立了大量 的复杂程度不同的湖泊富营养化模型，从简单的单 一状态变量，Y o l l e n w e i d e r 式的经验T P 模型到复杂的 湖泊生态系统动态模拟模型，其中不少模型在认识 和管理湖泊富营养化方面发挥了重要的作用。 考虑氮、磷污染物排入湖库水域后，在湖流和风 浪作用下，大多数湖库所具有的停留时问是足够发生 横向混合的，湖库中污染物分布基本均匀，根据水环 境容量产生机制，湖库水体污染物允许纳污量w 的计 算公式为： w = Q o ( C s C o ) + K V C s + q C s 【1J 式中：Q D ，C o 进口断面的人流流量和水质浓度； C 。一一为该水体相应水质标准下的水质浓 度； 卜水体体积； 卜为水质降解系数。 式( 1 ) 的第一项称为稀释容量，第二项为自净容 量，第三项为输移容量。对于许多富营养化严重的湖 库水体，其水体污染物背景值已达到或超过水环境质 量标准，此时水环境容量只剩下自净容量，但如果采 用式( 2 9 ) 中的K V C s 来计算自净容量，只是理想状态 下的极值，没有考虑到实际湖库环境效应对其自净能 力的影响，并且，其污染物降解系数难以准确确定。 为研究湖泊水库水体的自净容量，首先分析湖库水体 污染物质量平衡情况。考虑长系列的湖库水文、水质 资料，在人流、出流、纳污、自净基本保持稳定的情 况下，根据质量平衡方程有： W t , = 一+ ( 2 ) 式( 2 ) 中， w 。为湖库水体氮、磷污染物自然降解量，f 。 为污染物人湖量，w 二。，为污染物出湖量，H 乞为污染 物区问人湖量。 然而，式( 2 ) 所计算的w 。并不是真正意义水环境 容量中的自净容量，因为对大多数污染严重、水质超 标的湖库水体来说，式( 2 ) 中的W 。只是现状水质超标 情况下的降解量，只有当湖库水体水质基本达标时， 其降解量w 。才是水体真正的自净容量。对于长系列 的湖库水体水质资料，在人流、出流、纳污、自净基 本保持稳定的情况下，湖泊中磷含量对绝大多数湖泊 水体富营养化的负荷要超过氮，因此，控制磷是湖泊 富营养化综合治理的关键之一。为求得在均匀混合条 件下湖库水中平均氮、磷浓度，美国学者 V o l l e n w e i d e r 、日本学者合田健、国际经济协作与开 发组织( O E C D ) 分别提出不同的数学模型。后来D i l l o n 为克J t V o l l e n w e i d e r 模型中磷沉积系数测定难的问 题，便在V o l l e n w e i d e r 模型基础上推导出了D i l l o n 模型。 但对于不同的水体，其特定的气象、水文、地理环境 及社会发展状况不同，其适用的氮、磷环境容量模型 也不尽不同。 以下为D i l l o n 模型、O E C D 模型及合田健模型的详 细描述。 ( 1 ) D i l l o n 模型： c ：坚二墨2( 3 ) Z ( Q ，y ) 水环境容量模型为： = 兰! ! ! 堡! ! !( 4 ) l R ( 2 ) O E C D 模型： C = C i I + 2 2 7 ( v o 出) 。“r 1 ( 5 ) 水环境容量模型 L = g 。C ；【1 + 2 2 7 ( v Q 出) o “1 ( 6 ) ( 3 ) 合田健模型 ， C = ：。= 一 ( 7 ) Z ( Q m ，y + 1 0 ，Z ) 水环境容量模型 L = G z ( Q m y + I O Z ) ( 8 ) 式中：E 川P 、T N 单位允许负荷量，g ( m 2 a ) 一； C 卜_ T P 、T N 的水环境质量标准，m g L - ； c ，一流入库水按流量加权的年平均T N 、T P 浓 度，m g L - 4 ； 卜库水中平均T N 、佃浓度，m g L - ； Z 平均水深，m ； 第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集2 0 0 7 年7 月 序一氮、磷的滞留系数，l a ；爿一水库面积，m 2 ； R ：1 一! 堕( 9 ) 暇，W m 卯、T N 的年人、出库量，g 。a 一。 w A 2 2 乌粱素海水环境容量的计算 伙一年入库水量，m 3 a - l ； 根据以上模型的具体描述，计算水环境容量必须 仇年出库水量，m 3 a _ l ；明确模型中的各项参数，如水体面积( A ) 、体积( ”、 旷水库单位面积的水量负荷，m a - 1 ； 湖泊单位面积水量负荷( 岱) ，年出入库总磷总氮( 舻一， Q ，一、 缈m ) 等，表4 给出了乌梁素海1 9 9 8 2 0 0 5 年水环境 q s2 了 l O 容量的各项计算参数值。 ， 卜一水库库容，m 3 ； 表4 乌梁素海水环境容量计算参数值 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 + 实测值计算值 年份 图4 实测值与计算值的T P 浓度 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 计算值一实测值 年份 图5 实测值与计算值的T N 浓度 0 0 0 0 0 0 O 8 6 4 2 O 一1旨u越蠖置 雎帅坫m 0 O O O 0 0 0 1旨v越蠼昌 2 X Y 年7 月第二描全国农业环境科学学术研讨会论文集4 6 9 利用表4 中1 9 9 8 2 0 0 4 年水环境容量计算参数 值，引用O E C D 模型即公式( 5 ) 模拟计算得1 9 9 8 2 0 0 4 年T P 、T N 浓度值，计算结果见表5 ，得出了乌 梁素海T P 与T N 计算值与实测值的对比数据，绘制 了T P 、T N 浓度计算值与实测值对比关系图，见图4 ， 图5 。 由图4 和图5 可知。T N 模拟结果比T P 模拟结果 好，2 0 0 1 年T P 、T N 浓度值模拟值与实测值误差最大， 但从总体上讲，实测值与计算值模拟效果较好，O E C D 模型中水质模拟在乌梁素海水体中可以运行模拟。 在计算湖体水环境T P 、T N 容量时，利用D i l l o n 模型、O E C D 模型及合田健模型三种模型，选取水环 境质量标准c s 为0 2 ，0 3 ，0 4 三种指标，对1 9 9 8 2 0 0 4 年以来的T P 环境容量值进行了比较和分析，其 结果见表6 ： 表6 三种模型不同水质标准下的T P 环境容量值( g m 4 a 。1 ) 分析表6 三种模型不同水质标准下的T P 环境容 量值，在c 。为、V 级水质标准下，D i l l o n 模型 计算出的T P 环境容量值最小，c 一0 2 时( 级水质) ， 1 9 9 8 2 0 0 4 年T P 环境容量值在0 1 7 4 2 1 1 0 4 2g m 4 a 一；在C 。- - 0 ，3 ( 级水质) 时，1 9 9 8 2 0 0 4 年 T P 环境容量值在0 2 6 1 3 一1 6 5 6 4g i n a - 1 ；在c F 0 4 ( V 级水质) 时，1 9 9 8 2 0 0 4 年T P 环境容量值在 0 3 4 8 3 2 2 0 8 5g m - 2 a - 1 。O E C D 模型计算出的T P 环境容量值：当c F O 2 时( B I 级水质) ，1 9 9 8 2 0 0 4 年T P 环境容量值在1 7 1 1 2 3 7 5 9 7g m - 2 a 1 1 ；在 c F o 3 ( 1 V 级水质) 时，1 9 9 8 2 0 0 4 年T P 环境容量 值在2 5 6 6 7 5 6 3 9 5g m - 2 a ；在c _ O 4 ( V 级水 质) 时，1 9 9 8 2 0 0 4 年T P 环境容量值在3 4 2 2 3 7 5 1 9 3g “I - 2 a 1 。合田健模型计算出的T P 环境容 量值：当C 。= o 2 时( 级水质) ，1 9 9 8 2 0 0 4 年T P 环境容量值在2 0 0 5 4 2 1 0 3 2g m 4 a - 1 ；在C 。- - 0 3 ( I V 级水质埘，1 9 9 8 2 0 0 4 年仰环境容量值在3 0 0 6 7 3 1 5 4 7 9 m - ：a - 1 ；在C , = 0 A ( V 级水质) 时，1 9 9 8 2 0 0 4 年什环境容量值在4 0 0 8 9 4 2 0 6 3 9 n l a 一。 图6 、图7 、网8 绘制三种模型下不同c ，值T P 环境容量值，从图6 可看出，D i l l o n 模型模拟结果， 1 9 9 8 年T P 环境容量值最高，而2 0 0 3 年 r p 环境容量 值最低；从图7 可看出对于O E C D 模型来讲，2 0 0 3 年T P 环境容量值最高，2 0 1 M 年环境容量值最低；图 8 可知，合田健模型模拟出的T P 环境容量值在1 9 9 8 2 0 0 4 年变化幅度很小，表明合田健模型对参数的敏 感性较小。 图6D i l l o n 模型不同C s 值下的T P 容量值 图7O E C D 模型不同C s 值下的T P 窖量 4 7 0 第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集 2 0 0 7 年7 月 的T N 环境容量值：当C - 1 0 时( 级水质) ，1 9 9 8 2 0 0 4 年T N 环境容量值在8 5 5 5 8 1 8 7 9 8 4 9 m - 2 a - j ； 在C l - 1 5 ( I V 级水质) 时，1 9 9 8 2 0 0 4 年T N 环境容 量值在1 2 8 3 3 6 2 8 ，1 9 7 6g 1 1 1 。a - 1 ；在c ；2 0 ( V 级水质) 时，1 9 9 8 2 0 0 4 年T N 环境容量值在1 7 1 1 1 5 3 7 5 9 6 7g I n - 2 a - 1 。合田健模型计算出的T N 环境容 量值：当C F l 0 时( 级水质) ，1 9 9 8 2 0 0 4 年T N 环境容量值在1 0 0 2 2 4 1 0 ，5 1 5 8g n 1 40 1 ；在c F l 5 图8 台田键模型不同C s 值下的T P 容量值 ( 1 V 级水质) 时，1 9 9 8 2 0 0 4 年T N 环境容量值在 计算 I N 环境容量值时，选取水环境质量标准蕊 1 5 0 3 3 6 。1 5 7 7 3 7 9 。一；在c ：2 0 ( V 级水质) 为1 0 ，1 5 ，2 0 三种指标，对1 9 9 8 2 0 0 4 年以来的 时1 9 9 8 。2 0 0 4 年T N 环境容量值在2 0 0 4 4 7 。 T N 环境容量值进行了比较和分析，T N 比较结果见表7 2 1 0 3 1 6 9 I 一扩1 。 分析表7 三种模型不同水质标准下的T N 环境容 图9 、图1 0 、图1 1 绘制三种模型同一c ，标准下 量值，在C s 为、i v 、V 级水质标准下，D i l l o n 模 的T N 环境容量值，从图9 可以看出O E C D 模型在 型计算出的T N 环境容量值最小，c ；1 | 0 时( 级水 c ；1 0 标准下计算出的T N 环境容量值最大，D i l l 。 质) ，1 9 9 8 2 0 0 4 年T N 环境容量值在0 8 7 0 9 5 5 2 1 3 模型计算出的T N 环境容量值最小，从图1 0 可以看 g n 1 4 。a - 1 ；在c - = 1 5 ( 级水质) 时，1 9 9 8 2 0 0 4 出，在c F l 5 标准下和C # 2 0 标准下的环境容量值 年T N 环境容量值在1 3 0 6 3 8 2 8 1 9g m - 2 a - 1 ；在 均是O E C D 模型计算值大于其它两种模型，而D i l l o n c # 2 0 ( V 级水质) 时，1 9 9 8 2 0 0 4 年T N 环境容量 模型计算出的环境容量值最小。 值在1 7 4 1 7 1 1 0 4 2 5g m 4 a - 1 。O E C D 模型计算出 表7 三种模型不同水质标准下的T N 环境容量值( g m 2 a - 1 ) 图9 三种模型【C s ；1 0 】T N 环境容量值图1 0 三种模型( C s = 1 5 ) T N 环境容量值 2 0 0 7 年7 月第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集4 7 1 图1 1 三种模型 C S = 2 0 ) T N 环境容量值 综合以上三种模型模拟计算结果，O E C D 模 型和合田健模型计算出的T P , T N 水环境容量值 比D i l l o n 模型计算出的水环境容量值大一些，而 D i l l o n 模型计算出的水环境容量偏小。此外从图 中的趋势可看出，O E C D 模型随水环境容量计算 参数值的改变变化不太明显；而合田健模型受参 数影响的响应程度较大；O E C D 模型与合田健模 型计算出的水环境容量值相差不大。我们采用 O E C D 模型和合田健模型预算2 0 0 5 年水环境容 量值，采用均值确定2 0 0 5 年乌粱素海T N 和T P