环境科学研究  2020, Vol. 33 Issue (5): 1163-1169  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.03.45

引用本文  

王子为, 林佳宁, 张远, 等. 鄱阳湖入湖河流氮磷水质控制限值研究[J]. 环境科学研究, 2020, 33(5): 1163-1169.
WANG Ziwei, LIN Jianing, ZHANG Yuan, et al. Water Quality Limits of Nitrogen and Phosphorus in the Inflow Rivers of Poyang Lake[J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(5): 1163-1169.

基金项目

国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2018ZX07601-001-02,2017ZX07301-001-01,2018ZX07601-003)
Supported by National Major Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment, China (No.2018ZX07601-001-02, 2017ZX07301-001-01, 2018ZX07601-003)

责任作者

林佳宁(1988-), 女, 山东烟台人, 副研究员, 博士, 主要从事水生态保护技术研究, linjn@craes.org.cn.

作者简介

王子为(1996-), 男, 辽宁阜新人, WWziwei@163.com

文章历史

收稿日期:2020-02-04
修订日期:2020-03-28
鄱阳湖入湖河流氮磷水质控制限值研究
王子为1, 林佳宁2, 张远2, 王慧2, 钱昶2, 陈焰2, 夏瑞2, 王强2, 张晓娇2    
1. 辽宁大学环境学院, 辽宁 沈阳 110036;
2. 中国环境科学研究院水环境研究所水生态保护修复研究室, 北京 100012
摘要:鄱阳湖近年氮磷营养物浓度逐步升高,入湖河流是鄱阳湖氮磷输入的重要途径.采用BATHTUB模型建立了鄱阳湖入湖河流与湖区ρ(TP)、ρ(TN)的响应关系,模拟了入湖河流执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中不同氮磷标准限值对湖区水质的影响,发现当入湖河流ρ(TP)执行河流Ⅲ类标准限值或超过Ⅲ类标准限值时,对应湖区ρ(TP)超标;入湖河流执行Ⅲ类及以上湖泊水质标准限值时,湖区水质可以达到Ⅲ类保护目标,但对入湖河流存在一定的过保护现象.因此,以满足现行湖泊水质达标为情景,以湖泊ρ(TP)、ρ(TN)各类别标准限值为目标,试算了入湖河流氮磷控制限值,提出了鄱阳湖入湖河流的氮磷控制限值建议方案,其中鄱阳湖湖体水质目标为Ⅲ类时,入湖河流ρ(TP)、ρ(TN)控制限值分别为0.075和1.20 mg/L,此时入湖河流氮磷控制限值方案既能保证湖泊水质达标,又不会造成对河流的水质控制过于严格.研究显示,基于湖泊水环境质量达标情况试算的入湖河流氮磷所需控制限值,建议可作为解决入湖氮磷污染控制问题的参考.
关键词鄱阳湖    入湖河流    BATHTUB模型    TN    TP    控制限值    
Water Quality Limits of Nitrogen and Phosphorus in the Inflow Rivers of Poyang Lake
WANG Ziwei1, LIN Jianing2, ZHANG Yuan2, WANG Hui2, QIAN Chang2, CHEN Yan2, XIA Rui2, WANG Qiang2, ZHANG Xiaojiao2    
1. College of Environmental Sciences, Liaoning University, Shenyang 110036, China;
2. Water Ecological Protection and Restoration Laboratory, Research Institute of Water Environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
Abstract: In recent years, the concentration of nitrogen and phosphorus in Poyang Lake has gradually increased, and river nutrient input is an important way for nitrogen and phosphorus in Poyang Lake. The BATHTUB model was used to simulate the relationship between TP and TN in the rivers and lake, and the effects of different nutrient standard limits on the water quality of the rivers entering lake. The study found that when ρ(TP) in rivers into Poyang Lake implemented or exceeded Class Ⅲ (Environmental Quality Standards for Surface Water(GB 3838-2002) of standard river limits), ρ(TP) in Poyang lake would exceed the standard. When the nutrient in rivers entering Poyang Lake implemented the standard values of lakes of Class Ⅲ and above, it could meet the standards, but there was a certain over-protection phenomenon. Therefore, in order to meet the current lake water quality standards, taking the different standard limits of TP and TN in lake as targets, calculate nutrient control limits for rivers entering lakes, and recommendations for the water quality control limits of the rivers entering Poyang Lake are proposed. The TP and TN control limits of the rivers entering the lake should be 0.075 and 1.20 mg/L respectively if the water quality target of Poyang Lake is Class Ⅲ, which can ensure that the water quality of the lake meets the standards and avoid that the control limits of the rivers are too strict. Studies have shown that the calculated control limits of nitrogen and phosphorus in lakes can be suggested as a reference for solving the problems of nitrogen and phosphorus pollution control in lakes, based on lake water environmental quality standards.
Keywords: Poyang Lake    inflow river    BATHTUB model    TN    TP    control values    

鄱阳湖是长江中下游重要湖泊,由于人口增长、工业化和城市化进程加快,湖区TP和TN含量呈现逐年升高趋势,氮磷成为鄱阳湖水质下降的主要影响因子[1-2].鄱阳湖氮磷含量在空间分布上表现为由入湖口向湖区递减的趋势[3],且湖区水质与入湖支流关联度较大,其中赣江、抚河、信江、饶河、修水“五河”的氮磷输入是鄱阳湖入湖污染负荷的主要来源,其占入湖负荷总量的80%左右[4].入湖河流是湖泊氮磷输入的主要途径,在一定程度上对湖泊水质起着决定性作用[5-6].因此,在现行水环境管理基础上,如何合理制定入湖河流氮磷水质控制限值,有效进行氮磷污染控制,是目前鄱阳湖水环境管理的重点和难点.

近20年来,国内外逐渐形成了基于目标总量控制的水质管理方法,其中基于湖泊水质目标确定流域污染物排放总量,从而制定的入湖河流污染物控制限值可以有效地控制湖泊水质污染[7],并在世界湖泊水环境保护方面得到相关成效[8-9]. 《欧盟水框架指令》指出,湖泊保护需要从汇水区(流域)入手进行综合管理[10-11],并在博登湖管理中得到应用[12],通过削减流域内的磷排放量满足湖泊水质目标要求.美国以TMDL(最大日负荷总量)计划为代表的总量控制方案成功应用于衔接河湖污染控制问题[13-18],并推广于沃伦波帕克湖和派恩维尤水库等各地典型湖库案例[19].

BATHTUB模型(湖盆水质分析模拟程序)是由美国陆军工程兵团开发的经验水质模型,为湖库水环境规划、水质评价、水质预测提供了有效的技术支持[20-22],目前该模型已广泛应用于入湖河流氮磷控制限值的研究.美国对欧克莱尔半月湖和杰斐逊县月亮湖[23-24]的水环境管理中均采用基于目标总量控制的水质管理方法,应用BATHTUB模型计算入湖河流磷污染控制限值,构建了一套入湖河流污染物削减方案,从而达到湖区水质保护目标.近年来,我国在水环境管理中也引入了BATHTUB模型,石春力[25]应用流域负荷-水质模型(GWLF-BATHTUB)对于桥水库流域非点源污染源进行了源解析;许晨等[26]应用BATHTUB模型研究了太湖西北部入湖河流氮磷控制限值.该文以鄱阳湖为研究区域,采用BATHTUB模型建立了入湖河流与湖区ρ(TP)、ρ(TN)的响应关系,模拟了入湖河流分别执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》河流和湖库不同水质标准限值情况下对湖区水质的影响,并试算了湖区TP、TN满足各类水质标准情形下赣江、饶河、抚河、信江、修水“五河”入湖水质氮磷所需的控制限值,以期为鄱阳湖氮磷污染控制提供技术支撑.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

鄱阳湖(115°50′E~116°44′E、28°25′N~29°45′N)位于长江中下游,是我国最大的淡水湖,具有供水、灌溉、航运、防洪和污染物分解等多种功能.湖区南北方向长度173 km,东西方向平均宽度16.9 km,最宽处可达74 km,平均水位14~15 m.鄱阳湖入湖污染负荷主要集中在丰水期(4—9月),占全年总量的55.45%~94.39%,从4月起入湖污染负荷逐渐增大[27-28].鄱阳湖主要入湖河流为赣江、饶河、抚河、信江、修水“五河”,另外湖区周边还有14条30 km以上的河流直流入湖,这些河流来水经鄱阳湖调蓄后,由湖口注入长江,每年汛期“五河”洪水入湖致使湖区水位上涨、湖面扩大,使鄱阳湖形成“高水是湖、低水似河”的独特地理特征.

1.2 基础数据

水质数据来自鄱阳湖湖区和入湖河流21个国控监测点位(见图 1)的监测数据,选取2014—2018年月尺度的ρ(TP)、ρ(TN)数据资料. BATHTUB模型计算选用主要的5条入湖河流(赣江、抚河、信江、饶河、修水)丰水期(4—9月)水质数据资料,水文数据包括降雨量、流量等.

注:1—吴城修河;2—吴城赣江;3—昌邑;4—塔城;5—梅港;6—赵家湾;7—焦石坝;8—吴城:9—三山;10—老爷庙;11—都昌;12—蚌湖;13—金溪咀刘家;14—南湖村;15—南矶山;16—伍湖分场;17—白沙洲;18—康山;19—莲湖;20—梅溪咀;21—余干.下同. 图 1 鄱阳湖流域监测点位示意 Fig.1 Schematic diagram of monitoring points in Poyang Lake Basin
1.3 数据分析

采用Excel 2010和Origin 9.0软件进行水质数据的统计分析和绘图;采用ArcGIS 10.3软件进行研究区域点位分布图的绘制;采用BATHTUB模型建立入湖河流与湖泊响应关系.

2 BATHTUB模型 2.1 BATHTUB模型基本参数

BATHTUB模型是一个经验模型,其经验关系参照BATHTUB模型技术手册[29].该模型的核心是水平衡、营养平衡及富营养化响应的计算,质量平衡是模型富营养化模拟的基础,假设湖中污染物动力学是稳态的,湖库中的营养物净积累等于入湖营养负荷(从各种污染源)与出湖营养负荷和湖中降解营养负荷之差[30].其中平均期是指湖体达到水平衡和质量平衡所用的时间,确定平均期时应考虑质量滞留时间和翻转速率[29]两个变量.基于,水平衡和质量平衡的合适平均期,通常对营养物滞留时间相对长的湖泊是1 a,对营养物滞留时间相对短湖泊是季(5—9月)[31]. BATHTUB模型由水量平衡、营养沉积、富营养化反应模型〔以TP、TN、Chla和SD(透明度)描述〕3个系统组成,与计算水环境容量常用的MIKE、SWAT和WASP等模型相比,BATHTUB模型建立所需的数据量和参数量等相对较少,同时能够达到评估要求的精度[30],更适合于因空间数据和监测数据相对缺乏而难以满足高精度模型使用条件的研究区域.该模型主要输入数据包括湖区地形及水文数据、大气负荷数据、支流负荷数据、湖库水质数据,该文选择输入的水质参数如表 1所示.由于鄱阳湖是一个过水型、吞吐型和季节性湖泊,湖区换水周期短,水流更换频繁,出入湖水量基本相同,且水体营养状态的空间差异不大[27, 32],因此不考虑对湖区进行空间分段,而将鄱阳湖作为一个整体进行模拟.

表 1 BATHTUB模型参数 Table 1 BATHTUB model parameters
2.2 BATHTUB模型参数率定及其验证

采用2014—2016年丰水期降雨量、水位、流量、ρ(TP)、ρ(TN)等数据对BATHTUB模型参数进行率定,采用2017—2018年丰水期ρ(TP)、ρ(TN)数据进行验证.该模型验证期的实测值与模拟值线性相关显著,整体拟合精度良好,模型模拟结果较好(见图 2). BATHTUB模型模块选择及系数校正见表 2.

图 2 BATHTUB模型验证期效果 Fig.2 Calibration effect of BATHTUB model

表 2 BATHTUB模型模块选择及系数校正 Table 2 Coefficient correction and the selection of modules in BATHTUB model
3 结果与分析 3.1 鄱阳湖流域氮磷污染特征

图 3可见:①2014—2018年,鄱阳湖湖区ρ(TP)范围为0.05~0.08 mg/L,呈现逐年上升趋势,GB 3838—2002 Ⅲ类以上水体的占比从2014年的58.50%降至2018年的20.20%;入湖河流ρ(TP)范围为0.06~0.11 mg/L,Ⅲ类以上水体的占比从2014年的100%降至2018年的97.58%,“五河”中赣江、抚河、信江、饶河的ρ(TP)均显著高于湖区,其中抚河年均ρ(TP)最高;由于南部入湖河流ρ(TP)高于东部和西部入湖河流,相应的南部湖区ρ(TP)高于东、西部湖区. ②湖区ρ(TN)范围为1.14~1.43 mg/L,GB 3838—2002 Ⅲ类以上水体的占比从2014年的50.20%降至2018年的25.20%;入湖河流ρ(TN)范围为0.98~1.69 mg/L,赣江、抚河、信江、饶河ρ(TN)均显著高于湖区,其中信江和饶河年均ρ(TN)相对较高,致使东部湖区ρ(TN)高于西、南部湖区.

图 3 鄱阳湖及入湖河流ρ(TP)和ρ(TN)空间分布 Fig.3 The spatial distribution of ρ(TP) and ρ(TN) of Poyang Lake and incoming rivers
3.2 入湖河流执行不同标准时的水质效果评估

在湖区水质效果评估中,入湖河流水质设置2种情景:①入湖河流执行GB 3838—2002河流ρ(TP)标准限值(河流无TN标准限值);②入湖河流执行GB 3838—2002湖泊ρ(TP)、ρ(TN)标准限值.基于BATHTUB模型建立鄱阳湖湖区与入湖河流之间的水质响应关系,模拟2种情景下湖区的ρ(TP)、ρ(TN).

情景①的模拟结果表明,入湖河流执行GB 3838—2002不同等级的河流水质标准限值对湖区水质影响严重,即使河流ρ(TP)较低,湖区ρ(TP)依然超标,如当入湖河流ρ(TP)执行河流Ⅱ类标准限值(0.1 mg/L)时,湖区ρ(TP)可达0.065 mg/L,超过了湖泊Ⅲ类水质保护的要求;当入湖河流ρ(TP)执行河流Ⅲ类标准限值(0.2 mg/L)或超过Ⅲ类标准限值(>0.2 mg/L)时,湖泊ρ(TP)达到了湖泊Ⅴ类水质评价级别.仅当入湖河流ρ(TP)低于0.02 mg/L时,湖区ρ(TP)能够维持在0.018 mg/L以内,湖泊水质评价级别在Ⅰ~Ⅱ类之间(见表 3).

表 3 入湖河流执行现行河流标准限值时湖区ρ(TP)模拟结果 Table 3 Simulation results of ρ(TP) in lake area under river standard limits

对情景②的模拟结果表明,入湖河流执行GB 3838—2002湖泊Ⅲ类及以上标准限值时,湖区水质级别也可达到Ⅲ类水质保护目标,且湖区ρ(TP)、ρ(TN)优于入湖河流设定的浓度限值,如入湖河流ρ(TP)执行湖泊Ⅲ类标准限值(0.05 mg/L),湖区ρ(TP)可达0.038 mg/L(见表 4).虽然该情景可满足湖泊保护的要求,但对于入湖河流而言,对ρ(TP)削减率的要求偏高.如“五河”中ρ(TP)最高的抚河,ρ(TP)年均值为0.11 mg/L,若如果按照ρ(TP) < 0.05 mg/L(湖泊Ⅲ类标准限值)对入湖河流水质进行控制,抚河ρ(TP)至少需要削减54.55%,以当前经济社会条件下管控水平难以达到如此高的削减率.

表 4 入湖河流执行现行湖泊标准限值时湖区ρ(TP)、ρ(TN)模拟结果 Table 4 Simulation results of ρ(TP) and ρ(TN) in lake area under lake standard limits
3.3 入湖河流水质控制限值方案制定

针对鄱阳湖入湖河流执行GB 3838—2002河流和湖泊水质标准限值时所存在的不足,在充分考虑湖泊水质不同类别的保护要求下,采用BATHTUB模型模拟试算了鄱阳湖入湖河流所需的ρ(TP)、ρ(TN)控制限值(见表 5).

表 5 依据湖泊不同保护类别试算的入湖河流ρ(TP)、ρ(TN)模拟结果 Table 5 Simulation results of ρ(TP) and ρ(TN) of inflow lakes based on different protection categories of lakes

表 5可见,当湖泊ρ(TP)取GB 3838—2002湖泊Ⅰ~Ⅴ类标准限值时,试算的入湖河流ρ(TP)控制限值为0.02~0.40 mg/L,介于湖泊与河流控制限值之间.如当湖泊ρ(TP)取湖泊Ⅲ类标准限值(0.05 mg/L)时,试算的入湖河流TP控制限值为0.075 mg/L,相当于河流Ⅱ类水质.当湖泊ρ(TN)取湖泊Ⅰ~Ⅴ类标准限值时,试算的入湖河流ρ(TN)控制限值介于0.21~3.10 mg/L之间,其中,当湖泊ρ(TN)取湖泊Ⅲ类标准限值时,试算的入湖河流TN控制限值为1.20 mg/L,相当于湖泊Ⅳ类水质.因此,入湖河流TN控制限值需要在借鉴湖泊ρ(TN)控制限值的基础上,对Ⅲ类及以下类别的控制限值适当放宽.

4 讨论

按照2018年鄱阳湖流域水质状况,在方案提出的控制限值下,入湖河流TP为GB 3838—2002Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水体的占比分别为4.24%、3.03%、34.85%、55.45%、2.42%.与执行GB 3838—2002的河流标准限值时相比,Ⅲ类以上水体的占比下降了55.88%,Ⅳ类和Ⅴ类分别上升了53.03%、2.42%.可见,方案提出的ρ(TP)控制限值对入湖河流的管控更为严格,更能满足鄱阳湖的水环境保护要求.入湖河流TN水质评价级别是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水体的占比分别为6.77%、37.85%、39.69%、15.69%,Ⅲ类以上水体的占比为44.62%.若执行GB 3838—2002中湖泊标准限值,在满足湖泊水质保护的要求下,入湖河流ρ(TN)应低于1 mg/L,然而,按照该文的试算,入湖河流ρ(TN)为1.20 mg/L时即可满足对鄱阳湖的水质保护要求(见表 5),可见入湖河流执行GB 3838—2002中湖泊TN标准限值时存在一定的过保护现象.

方案在现行湖泊标准限值基础上进行了合理放宽,能够有效避免对入湖河流产生的过保护现象.以赣江为例,赣江为“五河”中氮污染最为严重的河流,2018年赣江ρ(TN)全年平均值为1.80 mg/L,若执行湖泊Ⅲ类标准限值,在满足鄱阳湖水质保护目标要求下,赣江TN削减率应在44.45%以上;若执行方案控制限值,TN削减率在33.33%时同样能够满足湖泊水质保护目标的要求.因此,在考虑鄱阳湖的氮磷控制要求及污染现状条件下,方案控制限值的合理性更高,既能够保证湖泊水质达标,又不会造成对入湖河流的水质要求过于严格.

与欧洲国家河流控制限值相比,方案提出的河流TP、TN控制要求总体位于中等水平.英国将河流磷限值分为“高”(0.02~0.05 mg/L)、“好”(0.04~0.12 mg/L)、“中”(0.15~0.25 mg/L)、“差”(0.5~1.0 mg/L)4个等级[33],方案中ρ(TP)Ⅲ类控制限值(0.075 mg/L)正处于“好”的等级范围.近些年,国内学者也针对其他流域开展了入湖河流ρ(TP)、ρ(TN)限值的研究工作.许晨等[26]研究了太湖流域入湖河流ρ(TP)、ρ(TN)限值,其中ρ(TP)Ⅲ类限值(0.07 mg/L)较方案更为严格;ρ(TN)的Ⅲ类限值(1.20 mg/L)与方案一致.张红举[34]研究了淀山湖入湖河流ρ(TP)控制限值,发现当入湖河流ρ(TP)满足河流水功能区目标时,淀山湖湖区ρ(TP)依然超标,并提出满足湖区水质保护目标要求下入湖河流ρ(TP)应在0.031~0.062 mg/L之间,其中满足饮用水源区的入湖河流TP控制限值为0.031 mg/L,相当于方案中ρ(TP)Ⅱ类控制限值(0.03 mg/L),满足缓冲区的入湖河流ρ(TP)控制限值为0.062 mg/L,相当于方案中ρ(TP)Ⅲ类控制限值(0.075 mg/L).

方案针对河湖水质管理中氮磷控制限值衔接问题开展了探索研究,但仍存在一些不足之处:①鄱阳湖具有换水周期短、水流更换频繁等特点,该文在采用BATHTUB模型模拟时,未对湖区进行空间分段,而将其作为一个整体进行模拟.事实上,不同入湖河流输入的氮磷营养物对湖区不同区域的影响仍存在差异,且鄱阳湖整体狭长,南北向长度为其东西向平均宽度的10倍以上,采用完全混合式模型进行模拟存在一定误差.因此,在鄱阳湖入湖口至入湖河流上游一定距离范围内设置混合区,在此基础上进行入湖河流氮磷所需的控制限值推算,对河湖氮磷的管理控制更具有实际意义. ②该方案提出的入湖河流氮磷控制限值是基于湖泊水环境质量达标情况下提出的,对各入湖河流进行污染控制所涉及的经济社会发展水平、社会经济重大影响等经济社会因素的考虑仍存在不足,流域污染物的削减应结合湖泊水质的需求和流域地区的经济效益综合考虑.在该文提出的控制限值基础上,应更深入开展社会经济效益分析,以制定更为合理的鄱阳湖入湖河流目标总量污染物削减方案.

5 结论

a) 2014—2018年,鄱阳湖入湖河流ρ(TP)、ρ(TN)均呈现升高趋势,2018年湖泊TP为Ⅲ类以上水体的占比仅为20.20%,TN为Ⅲ类以上水体的占比仅为25.20%,赣江等“五河”的氮磷输入是引起鄱阳湖水体氮磷浓度空间差异的主要原因.

b) 鄱阳湖入湖河流ρ(TP)执行GB 3838—2002中河流Ⅲ类标准限值(0.2 mg/L)时,湖泊水质评价级别为Ⅴ类;若入湖河流执行GB 3838—2002中湖泊标准限值,湖区水质指标总体优于入湖河流水质,但对于入湖河流而言,这种管控要求存在过保护的问题.

c) 以GB 3838—2002湖泊ρ(TP)、ρ(TN)各类别标准限值为目标值试算入湖河流水质控制限值,其中ρ(TP)、ρ(TN)Ⅲ类限值分别为0.075和1.20 mg/L,其结果既能保证湖泊水质达标,又不会造成河流氮磷水质限值过于严格,建议可作为解决入湖氮磷污染控制问题的参考.

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