沙湖的水环境容量和污染物总量控制

李延林，邱小琮

（1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川750021；2.宁夏大学 生命科学学院，宁夏 银川750021）

随着人口增长、工业和旅游产业发展，湖泊的污染越来越严重，特别是湖泊的富营化［1-2］、水生态环境功能退化［3］和水化学变化［4］问题尤为突出。湖泊富营养化会使藻类或水生植物异常生长，破坏水生态系统的生态平衡，导致水中溶氧量下降，鱼类等生物死亡；同时，鱼类等生物尸体又会使水体产生臭味、产生颜色，降低水体的透明度［5］。湖泊富营养化主要是由于氮磷过量输入［6］，同时与水体氮磷含量有关，而且氮磷比也是一个重要的影响因子［7］。因此，控制湖泊富营养化的关键在于制定科学合理的湖泊氮磷等污染防治措施，而氮磷等特征污染物的水环境容量是制定科学合理的流域污染防治措施的主要依据［8-9］，水体富营养化评价与水环境容量分析已逐渐成为水环境管理的一种重要手段［10］。

沙湖原名红渠洼，又称鱼湖，原为宁夏回族自治区银川平原西大滩的一处蝶形洼地，其周边地带属于地下水停滞带，径流不畅，地下水几乎无法排泄，沙湖就成为地下水排泄的重要通道。宁夏沙湖自然保护区位于宁夏回族自治区石嘴山市平罗县西南部，地理坐标为东经106°19′，北纬38°45′，东北距平罗县县城19 km 处，南距银川市区56 km，北距石嘴山市26 km。沙湖自然保护区属典型的大陆性气候，按温度的划分属中温带，按降水和干湿情况划分则属半干旱荒漠地区，气候特点是热量丰富，日照充足，干旱少雨，蒸发强烈，春暖快，夏热短，秋凉早，冬寒长，年均降水量174.7 mm，蒸发量1 755.1 mm，为降水量的10倍。

近年来，随着当地经济和沙湖旅游业的发展，沙湖游客数量逐年增加，使旅游区燃油快艇数量和垃圾增多［11］；湖区有10余家宾馆、饭店，存在向湖中片、块、点状分布芦苇施肥和向湖区经济鱼类投饵行为［12］，这些现象造成沙湖旅游区水体污染逐渐加重、水质恶化，水体呈现富营养化状况。同时，沙湖自然保护区属于蒸发强烈地区，在干旱气候条件的影响下，沙湖在蒸发浓缩作用下，水体含盐量增加，矿化度升高［12］。

任学蓉等［13］采用营养状态指数法对沙湖营养状况进行综合评价，得出磷和有机污染物是沙湖富营养化限制因子；赵红雪等［14］采用综合营养状态指数（TLI）、Shannon-Wiener指数（H）和Margalef指数（D）对沙湖水体进行富营养化分析与评价；陈珂等［15］对沙湖水体富营养化变化特征、成因进行了分析。以上研究都对沙湖富营养化进行了评价与分析，但对沙湖水环境研究较少，本研究对宁夏回族自治区沙湖富营养化状态进行评估且计算主要污染物的水环境容量，旨在为沙湖入湖污染负荷的削减和水环境保护提供支撑。

1 材料与方法

1.1 监测调查

根据沙湖形状特征与开发利用情况，共设置了5个监测点，分别为S1（五号桥）、S2（湖中心）、S3（鸟岛）、S4（养殖区）、S5（码头）。采样时间为2017年冬（1月）、春（4月）、夏（7月）、秋（10月）。

现场测定水体的p H 值和透明度指标。用5.0 L采水器采集水样保存，带回实验室当天测定总氮、总磷、高锰酸盐指数和叶绿素a指标。总氮使用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894-89），总磷使用过硫酸钾氧化—磷钼蓝法（GB 11893-89），高锰酸盐指数使用酸性高锰酸钾法（GB 11892-92），叶绿素a使用紫外分光光度法。

1.2 富营养化评价

（1）采用综合营养状态指数法评价沙湖营养状态，综合营养状态指数计算式为：

式中：TLI（∑）——综合营养状态指数；Wj——第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI（j）——第j种参数的营养状态指数。

各评价因子营养状态指数计算式［16］为：

TLI（叶绿素a）＝10（2.5＋1.086ln叶绿素a）

TLI（总磷）＝10（9.436＋1.624ln总磷）

TLI（总氮）＝10（5.453＋1.694ln总氮）

TLI（透明度）＝10（5.118－1.94ln透明度）

TLI（高锰酸盐指数）＝10（0.109＋2.661ln高锰酸盐指数）

式中：叶绿素a单位为mg／m3，透明度单位为m；其他指标单位均为mg／L。

以叶绿素a作为基准参数，则第j种参数归一化的相关权重计算公式为：

式中：rij——第j种参数与基准参数叶绿素a的相关系数；m——评价参数的个数。

营养状态评价标准［17］见表1。各评价因子参数与基准参数叶绿素a的相关系数［18］见表2。

表1 综合营养状态指数评价标准

表2 中国湖泊水体部分水质参数与基准参数Chl.a的相关系数

1.3 水环境容量计算

1.3.1 化学需氧量水环境容量计算 沙湖地处内陆深处是河流古道型湖泊，也属于沙漠中的湖泊，根据温度带划分属中温带，按降雨和干湿地区划分属半干旱荒漠地区，由于贺兰山的屏障作用，西北的冷空气难以长驱直入，形成了热量丰富、日照充足、干旱少雨、多风、蒸发量大的气候特征。沙湖全年蒸发量约为降雨量的10倍，一年中水体交换频繁，因此，需要对沙湖进行人工补水。黄河水是沙湖的主要地表水源，沙湖80%以上的水源补给直接或间接地来源于黄河水。沙湖高锰酸盐指数水环境容量采用沃伦威德（Vollenweider）模型［10］进行计算，其计算式为：

式中：W——湖泊水体有机污染物的最高允许排放量（g／d）；Δt——湖泊维持其设计水量的天数（或枯水时段天数，d）；Cs——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——湖泊的实测浓度（mg／L）；V——湖泊的设计水量（设计库容或按死库容）（m3）；K——湖泊中有机物的综合衰减系数（d－1）；q——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。下同。1.3.2 总氮、总磷水环境容量计算 目前，营养盐水环境容量计算模型有：沃伦威德（Vollenweider）模型、狄龙（Dillion）模型、OECD 模型和合田健模型［10］等。狄龙（Dillion）模型适用于富营养化的湖泊（水库）［19］，沙湖总氮、总磷水环境容量采用狄龙（Dillion）模型［20］进行计算，其计算式为：

式中：M——水体氮或磷的纳污能力（g／a）；Ls——单位湖（库）水面积对氮或磷的纳污能力〔g／（m2·a）〕；A——计算时期湖（库）水面积（m2）；Cs——湖（库）中氮或磷的年平均控制浓度（水质目标值）（mg／L）；h——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——稳态时湖库的年出水量（m3／a）；R 为氮、磷在湖（库）中的滞留系数，无量纲，R＝1－W 出／W 入；W 出／W 入——氮、磷的年出、入湖量（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）。

1.3.3 模型参数值的选取 入库水量根据沙湖年降雨量和人工补水量计算得到，出库水量根据沙湖年蒸发量计算得到；R总氮，R总磷根据现状污染负荷及监测点氮磷浓度和流量数据估算获得；高锰酸盐指数的K 值确定方法有试验法、反推法和类比法，本文采用类比法确定，综合考虑己有类似研究后，K 值按保守的0.004 d－1进行估计；计算沙湖水环境容量的各项指标见表3。

表3 模型参数及赋值

2 结果与分析

2.1 沙湖水体理化指标特征

沙湖2015—2017年主要水体理化指标特征变化情况见表4。沙湖2015—2017年p H 值变化范围为8.51～8.84；透明度变化范围为37.5～47.5 cm；叶绿素a浓度变化范围为14.07～22.1 mg／m3；高锰酸盐指数浓度变化范围为6.58～9.45 mg／L；总氮浓度变化范围为1.19～1.69 mg／L；总磷浓度变化范围为0.05～0.28 mg／L。

表4 2015－2017年沙湖水体理化指标特征

2.2 富营养化综合评价

沙湖富营养化按照湖泊（水库）营养评价标准进行等级评价，评价结果见表5。2015—2017年沙湖综合营养状态指数均在50～70之间，沙湖营养状态水平在轻度至中度营养状态之间。沙湖富营养化状态，总体上呈春、冬季为轻度富营养化，夏、秋季为中度富营养化。单因子营养状态指数中，沙湖营养状态最高的是透明度；其次是总氮和总磷。

表5 沙湖富营养状态评价结果

2.3 水环境容量分析

为充分了解湖体在不同水质目标情景下的环境容量，共设置以下4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《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）［21］中Ⅱ类水质目标；情景三：达到自然保护区水质目标要求，即达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水质目标；情景四：达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅳ类水质目标。沙湖2015—2017年高锰酸盐指数、总氮和总磷水环境容量见表6。

表6 沙湖水环境容量计算结果 t／a

2.4 污染物总量控制目标

污染物排放总量控制目标既不能太高，也不能太低。控制目标太高，经济代价可能很大，经济上不合理，同时污染物治理水平也可能达不到；控制目标太低，湖泊水质得不到有效的治理。根据现有的治污工程经验，可达到的污染物削减率最高在60%～80%之间，超过这个范围则技术经济上将不合理［22］。

根据沙湖水环境容量计算结果，以2017年为基准年，按照20%预留容量，确定沙湖主要污染物高锰酸盐指数、总氮和总磷的总量控制目标，对比污染物输入量提出污染物的削减量和削减比例，详见表7和表8。沙湖达到自然保护区水质目标要求，即达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水质目标，高锰酸盐指数、总氮和总磷的削减量655.97，39.27，1.41 t，消减比例分别为112.89%，45.58%和37.60%；沙湖达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅳ类水质目标，高锰酸盐指数、总氮和总磷的削减量0，15.83和0.94 t，消减比例分别为0，18.37%，25.07%。

表7 沙湖污染物总量控制目标（情景三）

表8 沙湖污染物总量控制目标（情景四）

3 讨论与结论

（1）2015—2017年沙湖综合营养状态指数均在50～70之间，沙湖营养状态水平在轻度至中度营养状态之间。沙湖富营养化状态，总体上呈春、冬季为轻度富营养化，夏、秋季为中度富营养化。单因子营养状态指数中，沙湖营养状态最高的是透明度；其次是总氮和总磷。造成沙湖2015—2017年沙湖富营养化季节变化特征明显主要原因是沙湖的补水水源为黄河生态补水，补水随灌期进行，随着补水将大量氮、磷等营养盐带入湖泊，不断累积，进而湖水水质逐年下降，造成湖泊富营养化。另外，沙湖作为宁夏著名旅游景区，每年夏、秋季来到沙湖旅游的人数不断增加，将大量的污染物带到沙湖，最终累积在湖底，造成沙湖水质下降。沙湖总氮／总磷2015—2017 年的平均比值为13.55，超过了淡水藻类体内的N／P 值（约为7）。当湖泊（水库）N／P比大于10～15时，认为P是影响藻类异常生长限制性营养元素，决定湖泊的生产力［23-24］，因此，限制P 元素输入是控制沙湖水体富营养化的关键，P元素的持续增量输入会使其富营养化程度加剧。

（2）根据沙湖水环境容量计算结果，2015年沙湖在《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅳ类水质目标下高锰酸盐指数和总氮的水环境容量有剩余量，2016—2017 年沙湖在《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅳ类水质目标下高锰酸盐指数的水环境容量有剩余量，总氮的水环境容量剩余量为0，2015—2017 年沙湖在《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅳ类水质目标下总磷的水环境容量剩余量均为0；在《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水质目标下高锰酸盐指数、总氮和总磷的水环境容量剩余量都为0。在2017年水质现状的基础上控制高锰酸盐指数、总氮和总磷的排放量，达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水质要求，高锰酸盐指数需削减655.97 t，消减率112.89%，总氮需削减39.27 t，消减率45.58%，总磷需削减1.41 t，消减率37.60%；达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅳ类水质要求，高锰酸盐指数需削减0，消减率0，总氮需削减15.83 t，消减率18.37%，总磷需削减0.94 t，消减率25.07%。

（3）参考国内外湖库污染防治研究以及沙湖实际情况，建议以下措施：从源头上减少污染物的输入，加强并完善沙湖的旅游管理制度，在养殖区和禁养取采取集中管理和治理，达标后排放；建立湖泊周边生态防护带，提高对地表径流的截留和农田退水的渗漏，减少入湖污染物总量；同时，加强监测，研究沙湖的水环境变化规律，防止发生水华等突发性水污染事件。