徐澤琪，尤愛菊，滑 磊

（浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017）

0 引 言

杭州西湖是著名的城市景觀湖泊，列入世界文化遺產(chǎn)名錄，具有非常重要的旅游價(jià)值和生態(tài)環(huán)境意義。2000年始，杭州市委和市政府實(shí)施了西湖綜合保護(hù)工程，采取湖底疏浚、入湖溪流整治、西湖西進(jìn)、引配水、水域生態(tài)修復(fù)等多項(xiàng)措施，有效削減了入湖污染負(fù)荷，增強(qiáng)了湖泊水體更新能力，水環(huán)境質(zhì)量改善明顯[1-2]。2007年始，杭州西湖風(fēng)景名勝區(qū)管委會(huì)相繼實(shí)施國家“十一五”“十二五”水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目，在蘇堤以西和北里湖水域?qū)嵤┏了脖恍迯?fù)工程，上述湖區(qū)水環(huán)境得到進(jìn)一步改善[3]。

西湖流域面積27.25 km2（含湖面6.39 km2），流域內(nèi)林地、茶園等主要的紅壤土層薄而且疏松，極易受雨水沖刷淋溶而釋出污染物，是西湖入湖污染物的主要來源之一[3]；流域輸入的污染源大部分沉積在湖底，在夏季高溫季節(jié)再向水體釋放，使得部分湖區(qū)尤其是外湖總磷TP濃度出現(xiàn)季節(jié)性的峰值[1]；40×104t/d的引配水進(jìn)口主要集中在蘇堤以西湖區(qū)，加上湖泊水動(dòng)力較弱[4]，湖泊水質(zhì)分區(qū)差異顯著（見圖1）。營養(yǎng)指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果表明，西湖水體仍處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)[1,4]。

圖1 2013.08西湖TP濃度空間分布圖

TP是西湖富營養(yǎng)化的主要控制指標(biāo)[1,5]，分析其污染來源及時(shí)程變化特征，對進(jìn)一步提高西湖水質(zhì)十分必要。通過文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)合“十二五”水體污染控制與治理重大專項(xiàng)“湖蕩濕地重建與生態(tài)修復(fù)技術(shù)及工程示范”子項(xiàng)目（2012ZX07101-007-005）（以下簡稱“項(xiàng)目”）的相關(guān)研究成果，對西湖入湖污染負(fù)荷進(jìn)行測算與評估；基于入湖負(fù)荷的年內(nèi)分配特征，采用零維TP模型，進(jìn)行西湖外湖區(qū)配水過程的優(yōu)化模擬，以期為西湖水環(huán)境的持續(xù)改善提供參考與借鑒。

1 西湖TP負(fù)荷分析

經(jīng)過多年的綜合整治，西湖流域內(nèi)居民生活和賓館餐飲等經(jīng)營性污染源已基本完成截污納管[2]，故本次分析不單獨(dú)計(jì)算點(diǎn)源負(fù)荷，著重分析大氣沉降負(fù)荷、流域面源負(fù)荷、引水入湖負(fù)荷和底泥釋放負(fù)荷。

1.1 大氣沉降負(fù)荷

早在1985年，陳田耕[7]等對西湖磷的來源進(jìn)行分析，根據(jù)雨水磷含量的觀測，推測1980年湖面降水帶入西湖的磷負(fù)荷為0.17 t（其時(shí)西湖水面面積為5.60 km2）。2010年焦峰等[7]以相對封閉的西湖北里湖為研究對象，通過在湖中設(shè)置大氣沉降采樣點(diǎn)，對大氣入湖的N和P進(jìn)行監(jiān)測、估算，得到3—8月北里湖TN輸入量為1 202.20 kg，TP輸入為15.02 kg；按此推算得全年全湖區(qū)TP負(fù)荷約0.27 t。李太謙[8]等采集與分析了杭州北里湖2010年2—7月中的干濕沉降，得到TN、TP的月沉降通量平均為427.45 kg/km2和5.96 kg/km2，由此估算得全年全湖區(qū)沉降量為0.46 t。楊俊[9]等于2013年10月至2014年11月在西湖湖心（湖心亭），東部（一公園、湖畔居），北部（葛嶺），西部（茅家埠），南部（小南湖）等湖區(qū)開展了大氣營養(yǎng)鹽沉降觀測，測算出西湖全年總TN沉降率為6 234.64 kg/km2，TP沉降率為63.85 kg/km2；按沉降率測算得到全年全湖區(qū)的大氣入湖TP為0.41 t。

大氣沉降負(fù)荷主要受空氣質(zhì)量、氣象條件等因素影響；其觀測結(jié)果又受監(jiān)測布點(diǎn)、監(jiān)測季節(jié)和環(huán)境擾動(dòng)等影響?？紤]到楊俊等在湖區(qū)布點(diǎn)較多、觀測時(shí)間較長，故本次取用其觀測結(jié)果。根據(jù)其對不同監(jiān)測點(diǎn)不同季節(jié)沉降率的觀測結(jié)果，推算得不同湖區(qū)、不同季節(jié)的沉降量，見表1。

表1 西湖不同湖區(qū)磷鹽沉降量 單位：kg

1.2 流域面源負(fù)荷

1988年至1989年，焦荔[10]等對西湖流域的非點(diǎn)源進(jìn)行了定量調(diào)查，利用SCS曲線數(shù)學(xué)方程和美國通用土壤流失量方程計(jì)算出非點(diǎn)源污染的地表徑流量、土壤流失量、營養(yǎng)物質(zhì)流失量，從而得到全流域TN、TP年負(fù)荷分別為42.40 t和2.13 t。董亮等[11]利用1988年8月1日至1989年7月31日的實(shí)測數(shù)據(jù)，對西湖流域的金沙澗、龍弘澗和長橋溪流域的非點(diǎn)源污染進(jìn)行模擬，得到西湖流域非點(diǎn)源總氮負(fù)荷為34.52 t，總磷負(fù)荷為1.33 t。唐孟成[5]等通過研究表明，西湖流域內(nèi)土壤表土富磷和暴雨的沖刷及淋溶是導(dǎo)致雨后徑流磷濃度提高的主要原因，2011年梅雨和臺(tái)風(fēng)雨雨后徑流的磷凈輸出為1.77 t。張上化[12]基于SWAT模擬結(jié)果，得到2016年和2017年西湖各子流域污染負(fù)荷的空間分布，測算得到西湖流域TN、TP年均入湖總量為15.52 t和3.03 t。

根據(jù)降雨資料推求各小流域的逐月產(chǎn)水量，將其和實(shí)測的當(dāng)月入湖監(jiān)測斷面水質(zhì)相乘，推求得2011年和2013年水文條件下的流域面源污染TP分別為3.84 t和3.75 t。由此分析的負(fù)荷量一方面包含了長橋溪配水水量3×104t/a攜帶的入湖負(fù)荷，另一方面包含了流域內(nèi)滲漏的生活、旅游經(jīng)營等污染源，故比較其他研究成果偏大是合理的。

1.3 引水?dāng)y帶負(fù)荷

西湖全年引水分配比較均勻，但受水源水質(zhì)影響出水TP濃度存在較大波動(dòng)。根據(jù)西湖玉皇山預(yù)處理廠提供的2016—2019年資料，錢塘江源水TP濃度變幅為0.033～0.232 mg/L，玉皇山預(yù)處理廠出水TP濃度范圍在0.012～0.052 mg/L。根據(jù)出水水量和水質(zhì)條件，計(jì)算得到引水入湖TP總負(fù)荷量為4.14 t。

1.4 底泥釋放負(fù)荷

1989年6月至7月，韓偉民等[13]在西湖涌金閘附近通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到西湖夏季平均釋磷速率為1.02（mg/m2）/d，并估算得到西湖底泥釋磷量為1.35 t/a。韓曾萃等[14-15]在此試驗(yàn)基礎(chǔ)上引入溫度對底泥釋放的影響，推算得到西湖全湖TP底泥釋放負(fù)荷為2.00 t。吳根福等[16]根據(jù)1986年至1995年西湖引水結(jié)束時(shí)與引水結(jié)束10 a后TP濃度的上升情況，計(jì)算得到西湖全湖平均釋磷速率為3.49（mg/m2）/d，由此估算西湖底泥釋磷為 7.22 t/a。2014—2015年朱廣偉等[17]通過在西湖不同湖區(qū)的觀測，得到西湖夏季、春季和冬季的平均TP釋放量分別為3.29、0.29和0.13（mg/m2）/d，估算全年釋放量為2.51 t/a。

湖泊底泥釋放負(fù)荷與氣溫、底泥營養(yǎng)物質(zhì)含量以及水體擾動(dòng)等因素密切相關(guān)，影響因素比較復(fù)雜。無論是現(xiàn)場試驗(yàn)還是實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，均較難準(zhǔn)確獲取全年的釋放強(qiáng)度和釋放量。根據(jù)已有觀測[18]，2016—2018年西湖外湖TP濃度在0.02～0.08 mg/L，與2011年相差不大；且近年來，西湖外部污染已得到較好控制，湖區(qū)未實(shí)施清淤疏浚等環(huán)境治理工程，因此采用數(shù)據(jù)較為完整的年份2011年、2013年進(jìn)行分析論證。在項(xiàng)目期間采用構(gòu)建的零維TP模型，對2011年、2013年西湖TP濃度全年變化過程進(jìn)行反演，通過率定得到各月底泥釋放強(qiáng) 度[19]；由此推算得到西湖外湖區(qū)全年底泥釋放負(fù)荷為2.18 t，全湖區(qū)全年底泥釋放負(fù)荷為2.57 t，與朱廣偉[17]等研究成果接近。

1.5 總負(fù)荷

由前文分析可知，西湖入湖污染負(fù)荷的研究主要集中在20世紀(jì)80年代末及2010年之后；考慮西湖流域大規(guī)模的綜合治理和生態(tài)修復(fù)工程至2010年已基本完成，同時(shí)參考水文年的代表性、資料的可獲得性，本次采用2011年的入湖面源負(fù)荷、引水?dāng)y帶負(fù)荷、底泥釋放負(fù)荷及2013—2014年的大氣沉降負(fù)荷測算成果進(jìn)行總負(fù)荷的匯總。得到流域內(nèi)TP大氣沉降負(fù)荷、面源負(fù)荷及底泥釋放內(nèi)源負(fù)荷分別為0.41 t/a、3.84 t/a 和2.57 t/a，合計(jì)為6.82 t/a；引水?dāng)y帶負(fù)荷為4.14 t/a，合計(jì)總負(fù)荷為10.96 t/a；年內(nèi)分配過程見圖2。

圖2 2011年西湖入湖污染負(fù)荷分配圖

從圖2可見，6月因雨水沖刷流域面源負(fù)荷較高，8月因高溫致使底泥釋放負(fù)荷加大，入湖TP負(fù)荷年內(nèi)波動(dòng)顯著。

2 引配水優(yōu)化調(diào)度分析

相關(guān)研究表明[1]，由于蘇堤、白堤的阻隔，西湖不同湖區(qū)的水體交換能力存在顯著差別，造成水質(zhì)的空間不均勻性也十分明顯。水質(zhì)監(jiān)測資料表明，7—10月的夏秋季節(jié)，西湖外湖TP濃度異常升高至0.05 mg/L以上，成為西湖富營養(yǎng)化防控的重點(diǎn)區(qū)域。在西湖保護(hù)與治理工作中，通過優(yōu)化引配水過程，使其更好地區(qū)配入湖TP負(fù)荷的時(shí)程特點(diǎn)，進(jìn)而降低湖區(qū)TP濃度的季節(jié)性波動(dòng)，是推進(jìn)流域污染治理越加艱難現(xiàn)狀下的可選之策。

2.1 分析方法

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，假設(shè)污染物在湖泊內(nèi)摻混均勻，可以用零維模型研究湖泊污染物濃度，得到湖區(qū)充分混合后的物質(zhì)守恒方程：

式中：V為湖水正常水位下的體積，m3；C和dC為湖水某物質(zhì)（如TP）濃度及變化量，mg/L；Qw為流入湖區(qū)水體的流量，m3/d；Cw為流入湖區(qū)水體的濃度，mg/L；Qi為補(bǔ)水入湖區(qū)的流量，m3/d；Ci是補(bǔ)水入湖區(qū)的濃度，mg/L；Qe為流出湖區(qū)的流量，m3/d；Ce是湖水濃度，mg/L；如考慮生態(tài)措施作用，此項(xiàng)還包括湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對某種污染物的吸收和凈化作用；P為湖面降雨量，mm；A為湖水面積，m2；Cp為雨水?dāng)y帶的污染物濃度，mg/L；k為單位湖面沉降系數(shù)，d-1；dt為單位時(shí)間，d；V、C、k、dt四者相乘代表單位面積沉入湖底的污染物總量，g。

可以將湖面降雨量、大氣總沉降量、陸域污染負(fù)荷及底泥釋放量均歸為入流，進(jìn)入湖內(nèi)的污染物中，總計(jì)為W，即令QwCw+QiCi+PACp=W，則（1）式為：

此時(shí)，相應(yīng)負(fù)荷均取年或月平均負(fù)荷。

對齊次方程W=0時(shí)，（3）式的解為：

式中：C0為初始濃度，mg/L。

式（4）的解可以反映初期湖水因補(bǔ)水流入湖區(qū)污染物，大氣沉降負(fù)荷及陸域污染負(fù)荷等累積后的湖水濃度增加過程，經(jīng)過一定時(shí)間后，污染物的濃度維持在一個(gè)相對穩(wěn)定水平。

如考慮逐月或逐日負(fù)荷及濃度都在變化，則式（3）非恒定解為齊次方程和非其次方程解之和，即

式（6）中第1項(xiàng)為本月負(fù)荷產(chǎn)生的濃度增加值；第2項(xiàng)為前月末到本月的濃度衰減值；C0為前月（日）的值；C（t）為任何時(shí)刻濃度瞬時(shí)值；為入湖各類TP逐月負(fù)荷；為進(jìn)入或流出湖區(qū)的逐月水量。

對西湖外湖而言，污染負(fù)荷來源主要由引水、降雨攜帶污染物以及沉降3部分組成。降雨徑流攜帶的污染物主要通過西湖西部河道進(jìn)入茅家埠、浴鵠灣等湖區(qū)，經(jīng)西里湖、小南湖緩沖進(jìn)入外湖，因此，可以采用西里湖、小南湖等湖區(qū)水質(zhì)作為邊界條件進(jìn)行輸入。西湖總磷模型已經(jīng)過多次驗(yàn)證[1,14-15,18]，本次不再進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證工作。

2.2 分析結(jié)果

從2011年西湖入湖污染負(fù)荷過程、外湖全年TP濃度變化過程可知（見圖2和3），1—6月份入湖污染負(fù)荷較低，相應(yīng)地外湖TP濃度較低，水質(zhì)優(yōu)良；7—10月份入湖污染負(fù)荷增高，外湖TP濃度相應(yīng)升高。為此，以降低7—10月的TP濃度為目標(biāo)，在現(xiàn)狀引水40×104t/d的基礎(chǔ)上，不同程度地加大7—10月的引水量，模擬外湖TP濃度變化過程見圖3。

圖3 增加7-10月配水量后外湖TP濃度變化圖

由圖3可知，當(dāng)7—10月增加引水量60×104t/d后，該時(shí)期外湖的TP濃度可控制在0.05 mg/L以下；但由此會(huì)增加西湖全年的引水規(guī)模及引水預(yù)處理的費(fèi)用。為此，考慮進(jìn)一步優(yōu)化配水過程，在全年引水量不增加的條件下，通過適當(dāng)減少1—6月及 12月的配水量，擴(kuò)大7—10月的配水量，從而減少外湖TP濃度的波動(dòng)和變幅。優(yōu)化引水量后外湖全年TP濃度變化過程及各月引水量情況見圖4。

圖4 外湖各月優(yōu)化引水量及TP濃度變化圖

由圖3～4可知，優(yōu)化引水分配后，外湖TP濃度全年降至0.05 mg/L以下。1—5月引水量減少至20×104t/d以下，期間外湖TP濃度較現(xiàn)狀有所升高，但均未超過0.05 mg/L。7—10月，引水量加大至20×104t/d以上，外湖TP濃度降至0.05 mg/L以下；其中外湖全年TP濃度8月最高，引水量需增大至100×104t/d。優(yōu)化逐月引水量后，全年總引水量可減少5%。

3 其他水環(huán)境提升措施

西湖地處城市核心，其水質(zhì)的提升和保護(hù)十分必要，也十分艱巨。在杭州市的不懈努力下，21世紀(jì)以來西湖水質(zhì)得到持續(xù)的提升和改善，但仍處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)流域水量、水質(zhì)監(jiān)測，持續(xù)推進(jìn)污染源控制。

3.1 提升流域水文水質(zhì)監(jiān)測水平

目前西湖入湖支流及湖區(qū)共設(shè)有15個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，但都采用人工取樣方式，缺乏水質(zhì)的在線監(jiān)測，難以掌握特殊天氣如暴雨期條件下的水質(zhì)實(shí)時(shí)變化情況，也難以準(zhǔn)確掌握面源污染輸入的時(shí)程特點(diǎn)。西湖外湖區(qū)圣塘閘和柳浪聞鶯設(shè)置有2個(gè)水位觀測站，其中圣塘閘水位站為自動(dòng)觀測站，但入湖支流均沒有開展常規(guī)的水文觀測，使得流域的洪水管理、非點(diǎn)源管理缺乏資料基礎(chǔ)。

因此建議在科學(xué)論證的基礎(chǔ)上，在西湖主要入湖溪流探索建立水文觀測站和水質(zhì)在線監(jiān)測站點(diǎn)，為水環(huán)境綜合管理提供及時(shí)高效的數(shù)據(jù)支持。

3.2 繼續(xù)推進(jìn)流域面源控制

由前文分析可知，流域面源是入湖TP負(fù)荷的主要來源之一。徐駿等在2014年12月監(jiān)測到暴雨期金沙澗入湖口TP濃度達(dá)到0.15 mg/L，流域時(shí)段性暴雨輸入負(fù)荷不容忽視。雖然在西湖各大支流上都設(shè)置了前置庫，但其攔截效率受暴雨沖擊影響明顯；同時(shí)暴雨入湖后沉淀再釋放效應(yīng)也不容忽視。因此，應(yīng)進(jìn)一步排查流域內(nèi)生活源等泄漏情況，加強(qiáng)茶葉等農(nóng)業(yè)種植污染控制，禁止過量施肥，加強(qiáng)上游坡面耕地的改造和管理，減少土壤及肥料流失，并落實(shí)相應(yīng)的管理措施。

3.3 提高引水預(yù)處理出水標(biāo)準(zhǔn)

西湖引水?dāng)y帶的TP負(fù)荷是重要的外源負(fù)荷，約占總負(fù)荷的37.8%。西湖引水經(jīng)混凝沉淀后，從玉皇山水廠、赤山埠水廠由管道送入西湖9個(gè)配水點(diǎn)，其中預(yù)處理的出水水質(zhì)與錢塘江的原水水質(zhì)及投加的絮凝劑藥量密切相關(guān)。調(diào)研表明，西湖配水的預(yù)處理廠采用人工加藥方式，未能根據(jù)原水水質(zhì)實(shí)施精準(zhǔn)加藥，因此出水水質(zhì)尚不穩(wěn)定。項(xiàng)目研究期間，項(xiàng)目組開展了初步的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)通過精準(zhǔn)加藥可顯著降低出水TP濃度及其穩(wěn)定性。未來可進(jìn)一步深入研究，逐步開發(fā)基于水源條件的自動(dòng)化加藥系統(tǒng)。

3.4 控制湖區(qū)內(nèi)源污染負(fù)荷

底泥釋放負(fù)荷也是西湖TP負(fù)荷的主要來源之一，對外湖區(qū)影響尤為突出。外湖區(qū)面積較大，且受風(fēng)浪影響明顯，因此在湖西區(qū)成功應(yīng)用的沉水植被恢復(fù)技術(shù)較難在外湖進(jìn)行應(yīng)用。清淤是改善湖泊底質(zhì)、減少底泥污染釋放的有效途徑，但清淤涉及的工程量大、帶來的效果持續(xù)性短，也較難成為湖泊治理的常態(tài)措施。

朱廣偉[17]等于2014年春、夏、冬3個(gè)季節(jié)，采集西湖8個(gè)湖區(qū)的原狀泥柱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室磷釋放過程的連續(xù)培養(yǎng)，研究鎖磷劑phoslock對底泥磷釋放通量的控制效果；研究表明即便是有機(jī)質(zhì)含量較高的西湖底泥，鎖磷劑對其控磷效果也很顯著，夏季磷釋放量較大的時(shí)期，鎖磷劑的控磷效果達(dá)98%。該技術(shù)為西湖底泥污染控制提供了可選的技術(shù)方向，然其現(xiàn)場應(yīng)用還需開展更深入的試驗(yàn)、研究與分析工作。

4 結(jié) 語

基于文獻(xiàn)調(diào)研和前期項(xiàng)目研究，系統(tǒng)梳理分析了西湖各類入湖TP負(fù)荷及其時(shí)程分配。分析表明，流域面源負(fù)荷、引水入湖負(fù)荷和底泥釋放負(fù)荷是西湖的主要污染來源，分別占總負(fù)荷的35.0%、23.4%和37.8%；其中面源負(fù)荷主要受降雨過程影響，底泥釋放負(fù)荷主要受氣溫影響，引水?dāng)y帶負(fù)荷受錢塘江源水影響，各污染負(fù)荷都呈現(xiàn)較強(qiáng)的季節(jié)性。

根據(jù)污染負(fù)荷及湖區(qū)水質(zhì)的時(shí)程變化過程，采用箱子模型模擬研究了優(yōu)化配水過程。研究表明，在全年引水規(guī)模不增加的基礎(chǔ)上，可通過加大7—10月份配水量，減少其他月份配水量，實(shí)現(xiàn)西湖外湖區(qū)全年TP達(dá)到湖泊Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)論僅為理論分析結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用還受場地處理能力，管道輸配水能力和管護(hù)人員等多方面因素影響，需進(jìn)一步論證研究。