基于水质目标的淀山湖环境容量评估

基于水质目标的淀山湖环境容量评估

淀山湖位于上海青浦西部，与江苏省昆山市和吴江市接壤。湖的形状是螺旋形的，平均深度为63.73km2。该流域与黄浦江和吴松江相连。自2000年以来，淀山湖水体富营养化程度显著增加，藻类水体频繁，对上海饮用水水源的水质安全构成了重大威胁。目前，许多关于淀山湖氮、磷、浮游植物、绿叶a、水污染防治和生态恢复的研究已经开展，但目前还缺乏最新的环境质量评价。本工作的目标是评估不同水质条件下淀山湖cod、tn和tp的最大容量，填补研究空白，为控制和改善水质提供科学合理的依据。1cod环境评估1.1湖泊水质污染物排放量预测淀山湖是一个浅水湖泊,其湖区蒸发量与降水量大致相等、进、出水量相近,因此COD水环境容量采用进、出湖水量相等均匀混合易降解的水质数学模型进行估算.COD允许排放量计算采用沃伦威得尔(Vollenwelder)模型,计算方法如式(1)所示.式中:W为湖泊水体有机污染物的最高允许排放量,g/d;△t为湖泊维持其设计水量的天数(或枯水时段天数),d;Cs为湖泊水体应执行的水质标准或该水质指标的目标控制浓度,mg/L;C0为湖泊的实测浓度,mg/L;V为湖泊的设计水量(设计库容或按死库容),m3;K为湖泊中有机物的综合衰减系数,d-1;q为安全库容期间湖泊平均每天的流出水量,m3/d.不考虑蒸发时,应等于入湖(库)废水量、入湖地表径流量与上游河道来水量之和.式(1)中右边3项实际上分别为稀释容量、自净容量和迁移容量.在水质控制目标一定的情况下,W的大小实际上取决于水体现状浓度高低、湖库蓄水量、以及在安全库容期间,湖泊平均每天的流出水量3个参数的大小.1.2计算参数的确定1.2.1t.1.2.2种水质目标情景为充分了解淀山湖水体在不同水质目标情景下的环境容量,共设置以下3种水质目标情景:情景一:保持现状水质不再恶化,即水质控制目标等于现状水质.情景二:达到上海市水环境功能区划要求,即达到II类水质目标.情景三:达到饮用水源地最低水质目标要求,即达到III类水质目标.1.2.3c0根据青浦区环境保护局提供的数据,目前COD取年月平均值15.2mg/L,NH3-N取年月平均值1.4mg/L.1.2.4V1.2.5k类1.2.6q1.3水质目标类型情景一:在水质保持现状情况下,淀山湖总的COD环境容量为47213t/a,此时由于目标浓度与现状浓度相等,COD稀释容量为0.自净容量为24411t/a,表明在现状浓度条件下,淀山湖水体每年靠自净能力可以净化的COD量为24411t.迁移容量为22802t/a,表明在该水质目标下,每年下泄流量可带走22802t的COD.情景二:在水质目标为II类时,淀山湖总的COD环境容量为46325t/a,其中COD稀释容量为-268t/a,表明由于目前淀山湖水体浓度略高于水质目标,因此要让水质达标,还需要从水体中削减268t/a的COD.此时自净容量为24090t/a,迁移容量为22502t/a.情景三:当COD水质目标为III类时,其理论环境容量将达到68547t/a.2tn和tp的环境容量估算2.1湖库水面积、水质及年出水量目前核算湖库TN、TP环境容量的模型较多其中使用较多的有狄龙(Dillion)模型[16,18,19,20,21,22]、世界经济合作与发展组织(OECD)模型、以及合田健模型等.其中狄龙模型比较适用于富营养化水体,合田健模型较适用于库湾型水体.为了全面了解淀山湖TN和TP环境容量,本文先利用3种模型进行计算,然后取其平均值作为最终评估结果.(1)狄龙模型计算公式为:式中:M为水体氮或磷的纳污能力,g/a;Ls为单位湖(库)水面积对氮或磷的纳污能力,g/(m2·a);A为计算时期湖(库)水面积,m2;Cs为湖(库)中氮或磷的年平均控制浓度(水质目标值),mg/L.为充分了解TN和TP在不同水质目标条件下的环境容量,本文共设置以下4种目标情景:情景一:保持现状水质不再恶化,即水质控制目标等于现状水质.情景二:达到上海水环境功能区要求,即达到II类水质目标.情景三:达到饮用水源地最低水质目标要求,即达到III类水质目标.情景四:达到IV类水质目标,文献规定到2020年太湖湖体水质TN控制在IV类.h为计算时期水域的平均水深,由计算时期的库容/水深面积得到,m;Q出为稳态时湖库的年出水量,m3/a,本文按保守估计的15.0×108m3进行计算(与前面COD容量计算保持一致);V为设计水文条件下的湖(库)容积,m3;R为氮、磷在湖(库)中的滞留系数,无量纲,一般用式(3)计算:式中:W出和W入分别为年出、入湖(库)的氮、磷量(指通过各种途径带出湖体的量,包括水草打捞、捕鱼、下泄等带出的量),t/a.在无法得知年进、出湖的氮、磷量时,可按式(4)进行估计:由于式(2)中Ah=V,因此可变形为:由于Cs为定值,因此M的大小主要取决于Q出和R的大小.由式(4)可知,R的大小取决于Q出和A,因此,M的大小最终取决于Q出和A的大小.(2)世界经济合作与发展组织模型法计算公式为:式中:qs为湖泊单位面积的水量负荷,等于Q入/A,m/a,其他参数同前.从长期看,淀山湖Q入与Q出基本相等,为此式(6)可变形为:由于Cs为定值,因此M的大小主要取决于Q出和V的大小.(3)合田健模型法计算公式为:式中:为平均水深,等于V/A,其他参数同前.式(8)实际上可变形为:2.2估计结果2.2.1tn水体目标类别与环境容量在水质保持现状条件下(情景一),淀山湖TN环境容量3种模型计算结果为7480.6~9704.8t/a,平均值8337.7t/a.在TN水质目标设定为II类时(情景二),环境容量在1068.9~1386.4t/a之间,平均值为1191.1t/a.水质目标为III类时(情景三),环境容量在2137.3~2772.8t/a之间,平均值为2382.2t/a.水质目标为IV类时(情景四),其环境容量为3206.0~4159.1t/a,平均值为3573.3t/a(表2).2.2.2tp目标设定和环境容量在水质保持现状条件下(情景一),淀山湖TP环境容量3种模型计算结果为427.2~554.4t/a,平均值476.3t/a.在TP水质目标设定为II类时(情景二),TP环境容量在53.4~69.3t/a,平均值为59.5t/a.水质目标为III类时(情景三),其环境容量平均为106.8~138.6t/a,平均119.1t/a.水质目标为IV类时(情景四),其环境容量为213.7~277.3t/a,平均为238.2t/a(表3).3水质目标操作结果3.1在保持现状浓度条件下,COD、TN和TP的环境容量分别为47213,8337.7,476.3t/a.3.2在水质控制目标为II类,即满足上海水环境功能区划要求时,COD、TN和TP的环境容量分别为46325,1191.1,59.5t/a,与情景一相比,除COD外,其余2项环境容量均有大幅度的下降,说明除COD现状浓度与II类水质目标较接近外,其余均有较大差距.3.3在水质控制目标为III类,即满足饮用水源地最低标准时,COD、TN和TP的环境容量分别为68547,2382.2,119.1t/a.各项指标较情景二均有较大幅度增加.3.4由于COD目前水质均好于IV类水,所以本文不为其设IV类水质目标情景.在IV类水质目标时,即达到国务院设定2020年太湖湖体水质TN控制目标时,TN、TP的环境容量分别为3573.3t/a和238.2t/a.本文按一般情况下的30d计算.据国务院批复的《太湖流域水环