陳煉鋼，孫玉瑩，葉興平，徐祎凡，何常清，金 秋

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.江蘇省城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)規(guī)劃研究中心、江蘇 南京 210000)

“十六字”治水思路中“空間均衡”的核心要義是建立與水資源承載能力相均衡的國(guó)土空間格局； 2021年10月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于推動(dòng)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見(jiàn)》，明確提出“以自然資源承載能力和生態(tài)環(huán)境容量為基礎(chǔ)，合理確定開(kāi)發(fā)建設(shè)密度和強(qiáng)度”。水環(huán)境容量作為資源環(huán)境承載能力的重要組成部分，是鏈接水質(zhì)目標(biāo)管理與污染總量控制的核心紐帶，其科學(xué)測(cè)算關(guān)系到所采取的污染防治措施能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期的水質(zhì)目標(biāo)。對(duì)于水環(huán)境容量計(jì)算，歐美國(guó)家常采用日最大負(fù)荷總量(total maximum daily loads, TMDL)模式，其考慮了污染負(fù)荷在點(diǎn)源與非點(diǎn)源之間的分配、安全臨界值和季節(jié)性變化等因素。國(guó)內(nèi)權(quán)威的技術(shù)指南為GB/T 25173—2010《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》，在實(shí)際工作中得到了廣泛應(yīng)用，然而存在一些不足，包括對(duì)水域的簡(jiǎn)化與劃分過(guò)于寬泛，靜態(tài)的設(shè)計(jì)水文條件與徑流的動(dòng)態(tài)豐枯變化不符，污染源主要針對(duì)點(diǎn)源等。因此，其計(jì)算成果常與實(shí)際偏差較大，難以有效支撐流域水環(huán)境精細(xì)管理及水污染精準(zhǔn)防治。

上述問(wèn)題日益引起關(guān)注和重視，水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)特征的研究成為新的趨勢(shì)。Xie等[1]將西太湖劃分控制單元后結(jié)合一維與二維模型計(jì)算西太湖水環(huán)境容量，并基于各月水量對(duì)水環(huán)境容量進(jìn)行月尺度下的重新分配，初步認(rèn)識(shí)到水環(huán)境容量與月徑流量呈正相關(guān)關(guān)系。李冰陽(yáng)等[2]綜合考慮了豐枯水期的點(diǎn)、面源污染協(xié)同影響下的水環(huán)境容量，指出點(diǎn)、面源污染與豐枯水季相關(guān)，有一定的季節(jié)性特征，但對(duì)于面源污染的來(lái)源僅考慮了污染物隨徑流的入流，未考慮大氣干濕沉降的影響。張劍等[3-4]針對(duì)不同流域水文條件和污染源變化特征構(gòu)建不同條件下河網(wǎng)動(dòng)態(tài)水環(huán)境模型，解決了對(duì)水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)特征考慮不足的缺陷，但都屬于河網(wǎng)水環(huán)境容量的計(jì)算方法，不能直接用于湖泊水庫(kù)。在湖庫(kù)水環(huán)境容量計(jì)算方面，學(xué)者們采用水質(zhì)模型對(duì)太湖[5]、鄱陽(yáng)湖[6]、潼湖[7]、閱海湖[8]、仙女湖[9]、蘑菇湖[10]、星海湖[11]、洋河水庫(kù)[12]和杞麓湖[13-14]等進(jìn)行了水環(huán)境容量估算研究，除太湖和鄱陽(yáng)湖兩座大型湖庫(kù)外，其余都選擇均勻混合模式，也均未考慮大氣沉降和徑流動(dòng)態(tài)變化對(duì)水環(huán)境容量的影響。

綜上所述，較全面考慮影響因素的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量研究目前多針對(duì)河流，對(duì)湖庫(kù)動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量研究相對(duì)薄弱，考慮的影響因素也比較單一。與河流相比，湖庫(kù)由于其水量保障程度高，通常作為水源地，點(diǎn)源排放日趨嚴(yán)格，入湖污染負(fù)荷中面源輸入比重日益加大、甚至占優(yōu)，同時(shí)湖庫(kù)具有水面面積大、流動(dòng)性差等特點(diǎn)。面源輸入受徑流豐枯變化的影響，由流動(dòng)性差所引起的不均勻混合現(xiàn)象等對(duì)湖庫(kù)水環(huán)境容量的影響非常大；水面面積大所帶來(lái)的氮磷等元素的大氣干濕沉降也是入湖污染負(fù)荷一個(gè)不可忽視的重要來(lái)源[15]。針對(duì)湖庫(kù)水環(huán)境的上述特點(diǎn)，本文借鑒TMDL模式，基于物質(zhì)量平衡原理提出湖庫(kù)分區(qū)動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量精細(xì)解析方法，綜合考慮了徑流變化、不均勻混合、大氣干濕沉降、庫(kù)面蒸發(fā)、庫(kù)容變化、水溫波動(dòng)、沉降自?xún)舻瓤赡苡绊懰h(huán)境容量的主要因素，并選擇太湖流域湖西丘陵區(qū)的沙河水庫(kù)進(jìn)行實(shí)例分析，旨在建立更精準(zhǔn)的面源輸入型湖庫(kù)水質(zhì)目標(biāo)管理與流域污染總量控制之間的響應(yīng)關(guān)系，更好地支撐湖庫(kù)型流域水環(huán)境的精細(xì)化管理。

1 研究方法

1.1 湖庫(kù)分區(qū)

湖庫(kù)具有水面面積大和水體流速、湖泊環(huán)流形態(tài)和自?xún)裟芰r(shí)空分布不均勻[16]的特點(diǎn)，當(dāng)入湖水流攜帶污染物進(jìn)入湖體時(shí)，其水質(zhì)與湖體自身水質(zhì)存在差異，形成了占據(jù)一定面積的混合區(qū)域；而湖心區(qū)水質(zhì)受外界來(lái)水的影響較小，導(dǎo)致湖心區(qū)與湖濱帶的水質(zhì)存在較大差異。若將湖庫(kù)看作一個(gè)整體，假定整個(gè)湖體的水質(zhì)均勻分布，采用簡(jiǎn)單的零維模型計(jì)算水環(huán)境容量，計(jì)算成果通常偏大、不能準(zhǔn)確反映真實(shí)的污染物容納能力，為此目前的實(shí)際工作中常通過(guò)不均勻系數(shù)校正不均勻混合對(duì)湖庫(kù)水環(huán)境容量的影響[17]，但是不均勻系數(shù)的取值依賴(lài)主觀經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)性有待提升。此外，僅采用全湖整體的環(huán)境容量無(wú)法直接支撐流域分區(qū)的污染總量控制，環(huán)境容量空間分配的科學(xué)合理性面臨較大挑戰(zhàn)[18]。

為科學(xué)反映湖庫(kù)水質(zhì)不均勻混合對(duì)水環(huán)境容量的影響，支撐湖庫(kù)水質(zhì)目標(biāo)分區(qū)管理和流域污染總量的空間管控，將湖庫(kù)水域劃分為主湖區(qū)和湖濱混合區(qū)，依據(jù)入庫(kù)河流分布以及湖庫(kù)岸線特征進(jìn)一步將湖濱混合區(qū)劃分為若干混合分區(qū)，各分區(qū)之間的聯(lián)動(dòng)主要體現(xiàn)在湖濱混合區(qū)與主湖區(qū)之間水和污染物質(zhì)的通量交換。根據(jù)各分區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)、蓄水量、水面面積及入庫(kù)徑流量等，通過(guò)分區(qū)聯(lián)動(dòng)的二維水量水質(zhì)動(dòng)態(tài)平衡模型計(jì)算出各分區(qū)的水環(huán)境容量，各湖濱混合區(qū)的容量總和即為湖庫(kù)水環(huán)境容量的總量，各混合子區(qū)的水環(huán)境容量對(duì)應(yīng)各流域分區(qū)的入湖污染總量控制目標(biāo)，可為更精準(zhǔn)的總量空間管控及入庫(kù)河流的水質(zhì)目標(biāo)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1.2 代表水文系列的選擇

水環(huán)境容量計(jì)算中設(shè)計(jì)水文條件選取常用的方法有：90%保證率最枯月平均流量、水位和近10年最枯月平均流量、水位。設(shè)計(jì)水文條件的選取應(yīng)與目標(biāo)水體主要污染負(fù)荷排放規(guī)律相協(xié)調(diào)，因此上述不利枯水條件的選取對(duì)于控制與徑流豐枯變化無(wú)關(guān)的點(diǎn)源排放是適用的，可保障不利條件下的水質(zhì)安全。然而，如果某湖庫(kù)型水體污染負(fù)荷以面源輸入為主，上述設(shè)計(jì)水文條件的選擇將嚴(yán)重偏離面源輸入的特點(diǎn)與規(guī)律，所得水環(huán)境容量成果無(wú)法用于控制流域的面源排放。面源污染伴隨降雨侵蝕產(chǎn)流出現(xiàn)，排放量的大小常隨水量(降水量/徑流量)的變化而正相關(guān)變化，具有顯著的動(dòng)態(tài)波動(dòng)特征[19-20]，因而豐水期一般也是面源污染排放的重點(diǎn)時(shí)段。對(duì)于控制與水量豐枯變化密切相關(guān)的面源排放，應(yīng)選擇與多年長(zhǎng)系列水文過(guò)程變化特征接近的水雨情代表系列，才能與面源排放的動(dòng)態(tài)變化特征相匹配。具體選擇建議如下：以10 a以上的長(zhǎng)系列逐日流域降水量或入湖庫(kù)徑流量資料為基礎(chǔ)，計(jì)算年均值、月均值、豐/平/枯水年的占比等3類(lèi)統(tǒng)計(jì)特征值；以5～10 a作為設(shè)計(jì)水文條件的系列長(zhǎng)度，選擇與多年長(zhǎng)系列3類(lèi)統(tǒng)計(jì)特征值相近的水雨情組合作為代表系列；湖泊的設(shè)計(jì)水位和出流量采用與代表系列同期的實(shí)際過(guò)程。

1.3 水量水質(zhì)動(dòng)態(tài)計(jì)算

分區(qū)逐日水量水質(zhì)動(dòng)態(tài)平衡模型如式(1)～(4)，其中式(1)為水量平衡方程，式(2)為污染物質(zhì)量平衡方程，式(3)為入湖徑流污染負(fù)荷量方程，式(4)為大氣干濕沉降負(fù)荷量方程。

Vj,i+1=Vj,i+QI,j,i-QO,j,i+Pj,i-Ej,i

(1)

ρj,i+1Vj,i+1=ρj,iVj,i(1-k)+WQ,j,i+
WA,j,i-ρj,iQO,j,i

(2)

WQ,j,i=QI,j,iρI,j,i

(3)

WA,j,i=ρP,iPj,i+Sj,iMi

(4)

式中：Vj,i為第j分區(qū)第i天水量，m3，由湖庫(kù)水位結(jié)合容積曲線計(jì)算；Sj,i為第j分區(qū)第i天水面面積，km2，由湖庫(kù)水位結(jié)合面積曲線計(jì)算；QI,j,i、QO,j,i分別第j分區(qū)第i天流入、流出徑流量, m3；Pj,i、Ej,i分別為第j分區(qū)第i天的降水量和蒸發(fā)量，m3，根據(jù)降雨蒸發(fā)強(qiáng)度和水面面積動(dòng)態(tài)計(jì)算；ρj,i為第j分區(qū)第i天的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；k為污染物綜合降解系數(shù)，d-1；WQ,j,i為第j分區(qū)第i天隨徑流進(jìn)入的污染負(fù)荷量，g；WA,j,i為第j分區(qū)第i天的大氣干濕沉降負(fù)荷量，g；ρI,j,i為第i天進(jìn)入第j分區(qū)徑流中的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；ρP,i為第i天降雨中的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；Mi為第i天污染物干沉降強(qiáng)度，g/(km2·d)。

在采用長(zhǎng)系列水量水質(zhì)數(shù)據(jù)完成湖庫(kù)水量平衡方程，與污染物質(zhì)量平衡方程驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，針對(duì)設(shè)計(jì)水文條件的代表系列，按式(5)進(jìn)行水環(huán)境容量逐日連續(xù)計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)出各分區(qū)在不同水文年型(多年平均、豐水年、平水年、枯水年)以及不同時(shí)段(全年、豐水月、平水月、枯水月)的水環(huán)境容量：

WQP,j,i=ρS,jVj,i+1-ρj,iVj,i(1-k)-
WA,j,i+ρj,iQO,j,i

(5)

式中：WQP,j,i為第j分區(qū)第i天的水環(huán)境容量，g；ρS,j為第j分區(qū)的目標(biāo)水質(zhì)，mg/L。

2 研究區(qū)模型驗(yàn)證與代表水文系列

2.1 研究區(qū)概況

沙河水庫(kù)位于江蘇省常州市，是天目湖流域2座水庫(kù)中的一座大型水庫(kù)，功能以城鎮(zhèn)供水、防洪、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧旅游、漁業(yè)、發(fā)電等；水庫(kù)常年水位20～21 m(吳淞基面)，水面面積約11 km2，最大水深14 m，平均水深5.85 m，總庫(kù)容 1.09億m3。沙河水庫(kù)上游為低山丘陵區(qū)，集水面積 154.5 km2(約28.4 km2位于安徽省宣城市)，主要入庫(kù)河流包括平橋河、徐家園河與中田河，屬于太湖流域湖西區(qū)南部的南河水系，是太湖流域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。流域水系及水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)見(jiàn)圖1，其中沙河水庫(kù)壩上和中田河設(shè)有水文站，平橋河另設(shè)有單獨(dú)的雨量站；湖區(qū)設(shè)置水質(zhì)測(cè)點(diǎn)5處，3個(gè)主要的入庫(kù)河流(中田河、徐家園河、平橋河)都設(shè)有水質(zhì)測(cè)點(diǎn)。流域雨量豐沛，多年平均降水量1 248 mm，但年際變化劇烈，最大年降水量為2 398 mm(2016年)，最小年降水量?jī)H632 mm(1978年)。降雨年內(nèi)分配具有明顯的季節(jié)特征，豐水期(6—8月)平均降水量522 mm，約占常年降水量的42%；枯水期(10月至翌年2月)平均降水量305 mm，僅占常年降水量的24%左右；平水期(3—5月，9月)平均降水量421 mm，約占常年降水量的34%。

沙河水庫(kù)是常州溧陽(yáng)市的主要水源地和核心的旅游資源之一，為保護(hù)和進(jìn)一步提升其水質(zhì)，地方專(zhuān)門(mén)立法制定了《常州市天目湖保護(hù)條例》(下文簡(jiǎn)稱(chēng)《條例》)，規(guī)定將流域內(nèi)水庫(kù)校核洪水位線以下的全湖面劃定為核心保護(hù)區(qū)，按Ⅱ類(lèi)水質(zhì)管理。近年來(lái)隨著農(nóng)村生活污水處理、退耕還林、林茶收儲(chǔ)、氮磷攔截等治理措施的推進(jìn)，沙河水庫(kù)水質(zhì)總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)，主湖區(qū)總磷(TP)濃度處于Ⅱ～Ⅲ類(lèi)水質(zhì)之間、總氮(TN)濃度處于Ⅲ～Ⅳ類(lèi)水質(zhì)之間，營(yíng)養(yǎng)水平總體處于中營(yíng)養(yǎng)水平，與《條例》設(shè)定的全湖Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)尚存差距，與《湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)—中東部湖區(qū)(總磷、總氮、葉綠素a)》(2020年版)也存在一定差距。此外，主要入庫(kù)河流的TP濃度處于Ⅱ～Ⅲ類(lèi)水質(zhì)之間、TN濃度為劣V類(lèi)水質(zhì)，導(dǎo)致各庫(kù)灣及湖濱帶水質(zhì)與《條例》水質(zhì)目標(biāo)存在較大差距。沙河水庫(kù)流域目前沒(méi)有工業(yè)點(diǎn)源，污染主要來(lái)自面源，其次為分散的農(nóng)村生活點(diǎn)源，隨著農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的全域覆蓋，面源在入庫(kù)污染負(fù)荷中將絕對(duì)占優(yōu)。經(jīng)測(cè)算目前沙河水庫(kù)流域TN污染入湖負(fù)荷量中，面源污染占比為87%，點(diǎn)源污染占比僅13%，其中茶園的貢獻(xiàn)率最大，為23.91%，其次為林地和其他園地，貢獻(xiàn)率分別為22.94%和19.22%。不同子流域各污染源的貢獻(xiàn)差別較大，以全流域污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大的茶園為例，中田河、徐家園河、平橋河、湖東區(qū)、湖西區(qū)5個(gè)子流域的入庫(kù)TN污染負(fù)荷量中茶園的貢獻(xiàn)率分別為13.64%、9.91%、21.99%、31.79%和46.367%。為更好地支撐流域面源污染的分區(qū)治理及時(shí)程管控，有必要對(duì)其水環(huán)境容量的時(shí)空結(jié)構(gòu)特征開(kāi)展精細(xì)解析。

2.2 水量水質(zhì)模型驗(yàn)證

依據(jù)沙河水庫(kù)入庫(kù)河流的分布以及岸線特征，將沙河水庫(kù)水域劃分為6個(gè)計(jì)算分區(qū)， 包括1個(gè)主湖區(qū)、5個(gè)湖濱混合區(qū)(中田河混合區(qū)、徐家園河混合區(qū)、平橋河混合區(qū)、湖東混合區(qū)、湖西混合區(qū))，各分區(qū)對(duì)應(yīng)的子流域見(jiàn)圖1。通過(guò)水環(huán)境實(shí)況調(diào)查并結(jié)合模型計(jì)算，確定湖濱混合區(qū)總面積占同期水域面積的20%；進(jìn)一步根據(jù)各混合區(qū)對(duì)應(yīng)的陸域集水面積并結(jié)合岸線特征，確定5個(gè)混合區(qū)的面積比為4∶1∶3∶1∶1。

a.水量模型驗(yàn)證。采用2010—2018年逐日水文數(shù)據(jù)對(duì)水量模型進(jìn)行驗(yàn)證，各分區(qū)的入庫(kù)日流量采用SWAT(soil and water assessment tool)模型由逐日降雨資料進(jìn)行模擬，采用中田河入庫(kù)徑流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SWAT模型進(jìn)行驗(yàn)證，中田河流量模擬值的R2為0.85，相對(duì)偏差為12%。在入庫(kù)徑流模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)水庫(kù)水量平衡模型進(jìn)行驗(yàn)證，庫(kù)水位模擬值的R2為0.98，總體絕對(duì)偏差為0.11 m。從水量模型驗(yàn)證情況(2(a))可見(jiàn)，基于SWAT模擬計(jì)算出的入庫(kù)徑流精度較好，所建水量平衡模型能反映水庫(kù)蓄水量的動(dòng)態(tài)變化。

b.水質(zhì)模型驗(yàn)證。在水量模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，采用2015—2018年逐周水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，代表水質(zhì)因子選擇超標(biāo)最為嚴(yán)重的TN。中田河、徐家園河、平橋河采用實(shí)測(cè)水質(zhì)，對(duì)于沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的湖東、湖西區(qū)入庫(kù)河流采用SWAT模型的模擬水質(zhì)；中田河、徐家園河、平橋河TN質(zhì)量濃度SWAT模型模擬值的決定系數(shù)R2分別為0.76、0.80和0.77，說(shuō)明SWAT模型模擬出的各子流域分區(qū)的入庫(kù)水質(zhì)合理可信。大氣沉降強(qiáng)度依據(jù)中田河的入庫(kù)控制站——中田舍站2014—2016年的觀測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定，TN濕沉降質(zhì)量濃度年均值為2.16 mg/L，按其季節(jié)變化規(guī)律逐月賦值(降水量大的月份質(zhì)量濃度低，最低為7月，其值為0.63 mg/L；降水量小的月份質(zhì)量濃度高，最高為1月，其值為3.76 mg/L)；TN干沉降強(qiáng)度無(wú)明顯季節(jié)變化規(guī)律，采用年均值585 g/(km2?d-1)。綜合降解系數(shù)k受水溫的影響較為明顯，采用式(6)計(jì)算，經(jīng)率定水溫20℃時(shí)的綜合降解系數(shù)k20=0.007 5 d-1，水溫修正系數(shù)α=1.08。采用湖區(qū)5個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的均值對(duì)模型6個(gè)分區(qū)計(jì)算結(jié)果的均值進(jìn)行驗(yàn)證，TN質(zhì)量濃度模擬值的決定系數(shù)R2為0.67，總體絕對(duì)偏差為0.042 mg/L。從水質(zhì)模型驗(yàn)證情況(圖2(b))可見(jiàn)，所建污染物質(zhì)量平衡模型能較好反映庫(kù)區(qū)水質(zhì)的長(zhǎng)系列動(dòng)態(tài)變化。

(a) 庫(kù)水位

(b) 庫(kù)水質(zhì)圖2 模型驗(yàn)證結(jié)果Fig. 2 Model verification results

kt=k20αt-20

(6)

式中:kt為水溫t時(shí)的綜合降解系數(shù), d-1。

2.3 代表水文系列

分析流域3個(gè)站點(diǎn)(中田舍、平橋、沙河水庫(kù))1978—2017年長(zhǎng)系列逐日降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2010—2015年降雨系列的年均值、月均值、豐平枯水年占比等統(tǒng)計(jì)特征值與長(zhǎng)系列基本相同，能代表沙河水庫(kù)流域降雨的多年動(dòng)態(tài)變化特征(表1)，可以作為開(kāi)展水環(huán)境容量計(jì)算的設(shè)計(jì)水文條件。從表1可見(jiàn)不同年份入庫(kù)徑流量的差異非常大，2013枯水年僅約3 200萬(wàn)m3，2015豐水年超過(guò)8 200萬(wàn)m3，入庫(kù)徑流量的大幅變化必將導(dǎo)致水環(huán)境容量的較大差異。

表1 代表水文系列Table 1 Representative hydrological series

3 結(jié)果與討論

基于驗(yàn)證的沙河水庫(kù)分區(qū)逐日水量水質(zhì)動(dòng)態(tài)模型，采用2010—2015年代表水文系列開(kāi)展逐日動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖中可見(jiàn)水環(huán)境容量的日間變化非常大，與降水量的變化基本同步，符合面源輸入占優(yōu)的湖庫(kù)水量水質(zhì)特點(diǎn)。為更好地支撐環(huán)境管理，基于水環(huán)境容量的逐日過(guò)程，按多年平均、豐水年、平水年、枯水年統(tǒng)計(jì)分析水環(huán)境容量的年際變化特征，按豐水期、平水期、枯水期統(tǒng)計(jì)分析水環(huán)境容量的年內(nèi)變化特征，量化水質(zhì)目標(biāo)、徑流豐枯變化、大氣沉降、不均勻混合等的影響，進(jìn)一步解析水環(huán)境容量的時(shí)空結(jié)構(gòu)特征，支撐流域污染總量的分區(qū)管控和入湖河流水質(zhì)目標(biāo)的精細(xì)化管理。

(a) 全湖Ⅱ類(lèi)水質(zhì)

(b) 主湖Ⅱ類(lèi)水質(zhì)圖3 TN水環(huán)境容量的逐日變化Fig.3 Daily variation of TN water environment capacity

3.1 水環(huán)境容量總量及其影響因素

a.水質(zhì)目標(biāo)及徑流豐枯變化的影響。沙河水庫(kù)年水環(huán)境容量見(jiàn)表2，從表中可見(jiàn)，不同水質(zhì)管理目標(biāo)下水環(huán)境容量差異非常大，如果按照《條例》規(guī)定的全湖Ⅱ類(lèi)，沙河水庫(kù)TN的多年平均水環(huán)境容量?jī)H36.70 t；如果將Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)管理的范圍縮小至主湖區(qū)，沙河水庫(kù)TN的多年平均水環(huán)境容量可大幅增加至99.43 t，可為相關(guān)規(guī)劃選擇合理可行的水質(zhì)管理目標(biāo)提供依據(jù)。此外，徑流的豐枯變化對(duì)水環(huán)境容量的影響明顯：平水年TN水環(huán)境容量接近多年均值，豐水年TN水環(huán)境容量超過(guò)多年均值30%以上，枯水年TN水環(huán)境容量低于多年均值20%以上，可為相關(guān)部門(mén)在面臨不同的實(shí)況來(lái)水情勢(shì)時(shí)開(kāi)展更精細(xì)的環(huán)境管理提供支撐。

表2 TN年水環(huán)境容量 單位：tTable 2 Annual TN water environment capacity unit：t

b.大氣沉降的影響。不考慮大氣沉降，沙河水庫(kù)TN年水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，從中可見(jiàn)，多年平均來(lái)水條件下，全湖Ⅱ類(lèi)、主湖Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)下沙河水庫(kù)TN的年水環(huán)境容量分別為42.07 t和32.57 t，相比考慮大氣沉降時(shí)的水環(huán)境容量分別偏大14.6%和33.3%。全湖Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)實(shí)質(zhì)是要求湖濱混合區(qū)水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類(lèi)，其水質(zhì)目標(biāo)管理區(qū)域?yàn)樗蛎娣e占比20%的湖濱帶；主湖Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)是要求主湖區(qū)水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類(lèi)，其水質(zhì)目標(biāo)管理區(qū)域?yàn)樗蛎娣e占比80%的主湖區(qū)。因此，當(dāng)實(shí)施水質(zhì)目標(biāo)管理的水域面積越大，大氣沉降對(duì)水環(huán)境容量的影響越大，如果忽略大氣沉降的影響，將導(dǎo)致入庫(kù)徑流污染控制總量超出湖庫(kù)實(shí)際納污能力，造成湖庫(kù)污染負(fù)荷過(guò)載。

表3 不考慮大氣沉降下TN年水環(huán)境容量 單位：tTable 3 Annual TN water environment capacity without consideration of atmospheric deposition unit：t

c.不均勻混合的影響。若不考慮湖濱混合區(qū)，將湖庫(kù)看作一個(gè)均勻混合的整體來(lái)計(jì)算其水環(huán)境容量，Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)下沙河水庫(kù)TN多年平均水環(huán)境容量為61.08 t，相比考慮混合區(qū)時(shí)全湖Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)下水環(huán)境容量增加了66.43%；豐水年、平水年、枯水年TN年水環(huán)境容量分別為85.13 t、64.36 t和44.13 t，均比考慮混合區(qū)時(shí)的水環(huán)境容量值有明顯增加。因此，對(duì)于水域面積較大湖庫(kù)的水環(huán)境容量計(jì)算，有必要設(shè)置污染混合區(qū)，以保障入庫(kù)徑流污染控制總量在湖庫(kù)實(shí)際納污能力以?xún)?nèi)。

3.2 時(shí)空結(jié)構(gòu)特征

多年平均來(lái)水條件下，沙河水庫(kù)TN水環(huán)境容量的年內(nèi)變化見(jiàn)圖3，分析可見(jiàn)，全湖Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)下，豐水期、平水期、枯水期的月均TN水環(huán)境容量分別為6.43 t、3.2 t和、0.92 t；主湖Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)下，豐水期、平水期、枯水期的月均TN水環(huán)境容量分別為16.90 t、8.92 t和、2.61 t?？梢?jiàn)水環(huán)境容量隨來(lái)水的豐枯變化波動(dòng)明顯，因此，對(duì)于面源輸入型湖庫(kù)的污染控制，需要開(kāi)展更精細(xì)的時(shí)程管控。

各污染混合區(qū)的水環(huán)境容量，即對(duì)應(yīng)各流域分區(qū)的入庫(kù)污染控制總量，見(jiàn)表4。中田河與平橋河由于集雨面積大，相應(yīng)混合區(qū)面積大，入庫(kù)污染控制總量占比也高，中田河、平橋河入庫(kù)TN污染控制總量分別約占全流域的39%和31%。結(jié)合各入庫(kù)河流的徑流量，進(jìn)一步將各分區(qū)的污染控制總量轉(zhuǎn)化為各河流的水質(zhì)管理目標(biāo)：為達(dá)到全湖Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)，入庫(kù)河流TN質(zhì)量濃度應(yīng)控制在0.75 mg/L以?xún)?nèi)；為達(dá)到主湖Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)，入庫(kù)河流TN質(zhì)量濃度應(yīng)控制在1.5 mg/L以?xún)?nèi)。由此實(shí)現(xiàn)湖庫(kù)水質(zhì)目標(biāo)管理、流域污染總量分區(qū)管控、入庫(kù)河流水質(zhì)目標(biāo)管理的聯(lián)動(dòng)，支撐流域水環(huán)境的精細(xì)化管理。

圖4 設(shè)計(jì)水文條件下逐月降水量與TN水環(huán)境容量Fig.4 Monthly precipitation and TN water environment capacity under representative hydrological series

表4 流域各分區(qū)TN年水環(huán)境容量 單位:tTable 4 Annual TN water environment capacity of each subbasin unit:t

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所提出湖庫(kù)分區(qū)動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量解析方法，既克服了傳統(tǒng)方法過(guò)于概化，導(dǎo)致所得水環(huán)境容量計(jì)算成果難以反映湖庫(kù)實(shí)際納污能力的不足，又克服了數(shù)值模型要求水下地形資料和計(jì)算復(fù)雜的問(wèn)題；方法考慮了湖庫(kù)水環(huán)境容量的主要影響因素，資料要求適中、計(jì)算簡(jiǎn)便。在沙河水庫(kù)案例研究中，以全湖Ⅱ類(lèi)、主湖Ⅱ類(lèi)分別作為水質(zhì)管理目標(biāo)，采用2010—2015年代表水文系列對(duì)TN動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量進(jìn)行精細(xì)解析。結(jié)果表明所得成果能解析出水質(zhì)目標(biāo)、徑流豐枯變化、大氣沉降、不均勻混合等因素對(duì)水環(huán)境容量的影響及其時(shí)空結(jié)構(gòu)特征，可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)管理與污染總量分區(qū)管控的有機(jī)聯(lián)動(dòng)，支撐流域水環(huán)境的精細(xì)化管理。