杭州GMP純化水設(shè)備解讀：如何解決入湖氮磷污染控制問題
【上海水處理設(shè)備網(wǎng)www.www.gu-qin.com】摘要：鄱陽湖近年氮磷營養(yǎng)物濃度逐步升高，入湖河流是鄱陽湖氮磷輸入的重要途徑.采用BA THTUB模型建立了鄱陽湖入湖河流與湖區(qū)ρ（TPρ（TN響應(yīng)關(guān)系，模擬了入湖河流執(zhí)行GB38382002地表水環(huán)境質(zhì)量規(guī)范》中不同氮磷規(guī)范限值對湖區(qū)水質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)入湖河流ρ（TP執(zhí)行河流Ⅲ類規(guī)范限值或逾越Ⅲ類規(guī)范限值時，對應(yīng)湖區(qū)ρ（TP超標(biāo)；入湖河流執(zhí)行Ⅲ類及以上湖泊水質(zhì)規(guī)范限值時，湖區(qū)水質(zhì)可以達到Ⅲ類保護目標(biāo)，但對入湖河流存在一定的過保護現(xiàn)象.因此，以滿足現(xiàn)行湖泊水質(zhì)達標(biāo)為情景，以湖泊ρ（TPρ（TN各類別規(guī)范限值為目標(biāo)，試算了入湖河流氮磷控制限值，提出了鄱陽湖入湖河流的氮磷控制限值建議方案，其中鄱陽湖湖體水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類時，入湖河流ρ（TPρ（TN控制限值分別為0.075和1.20mg/L此時入湖河流氮磷控制限值方案既能保證湖泊水質(zhì)達標(biāo)，又不會造成對河流的水質(zhì)控制過于嚴(yán)格.研究顯示，基于湖泊水環(huán)境質(zhì)量達標(biāo)情況試算的入湖河流氮磷所需控制限值，建議可作為解決入湖氮磷污染控制問題的參考.
鄱陽湖是長江中下游重要湖泊，由于人口增長、工業(yè)化和鄉(xiāng)村化進程加快，湖區(qū)TP和TN含量呈現(xiàn)逐年升高趨勢，氮磷成為鄱陽湖水質(zhì)下降的主要影響因子[1-2].鄱陽湖氮磷含量在空間分布上表示為由入湖口向湖區(qū)遞減的趨勢[3]且湖區(qū)水質(zhì)與入湖支流關(guān)聯(lián)度較大，其中贛江、撫河、信江、饒河、修水“五河”氮磷輸入是鄱陽湖入湖污染負(fù)荷的主要來源，其占入湖負(fù)荷總量的80%左右[4].入湖河流是湖泊氮磷輸入的主要途徑，一定水平上對湖泊水質(zhì)起著決定性作用[5-6].因此，現(xiàn)行水環(huán)境管理基礎(chǔ)上，如何合理制定入湖河流氮磷水質(zhì)控制限值，有效進行氮磷污染控制，目前鄱陽湖水環(huán)境管理的重點和難點.
近20年來，國內(nèi)外逐漸形成了基于目標(biāo)總量控制的水質(zhì)管理方法，其中基于湖泊水質(zhì)目標(biāo)確定流域污染物排放總量，從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質(zhì)污染[7]并在世界湖泊水環(huán)境維護方面得到相關(guān)效果[8-9].歐盟水框架指令》指出，湖泊維護需要從匯水區(qū)(流域)入手進行綜合管理[10-11]并在博登湖管理中得到應(yīng)用[12]通過削減流域內(nèi)的磷排放量滿足湖泊水質(zhì)目標(biāo)要求.美國以TMDL最大日負(fù)荷總量)計劃為代表的總量控制方案勝利應(yīng)用于銜接河湖污染控制問題[13-18]并推廣于沃倫波帕克湖和派恩維尤水庫等各地典型湖庫案例[19].
BA THTUB模型(湖盆水質(zhì)分析模擬順序)由美國陸軍工程兵團開發(fā)的經(jīng)驗水質(zhì)模型，為湖庫水環(huán)境規(guī)劃、水質(zhì)評價、水質(zhì)預(yù)測提供了有效的技術(shù)支持[20-22]目前該模型已廣泛應(yīng)用于入湖河流氮磷控制限值的研究.美國對歐克萊爾半月湖和杰斐遜縣月亮湖[23-24]水環(huán)境管理中均采用基于目標(biāo)總量控制的水質(zhì)管理方法，應(yīng)用BA THTUB模型計算入湖河流磷污染控制限值，構(gòu)建了一套入湖河流污染物削減方案，從而達到湖區(qū)水質(zhì)維護目標(biāo).近年來，國在水環(huán)境管理中也引入了BA THTUB模型，石春力[25]應(yīng)用流域負(fù)荷-水質(zhì)模型(GWLF-BA THTUB對于橋水庫流域非點源污染源進行了源解析；許晨等[26]應(yīng)用BA THTUB模型研究了太湖西北部入湖河流氮磷控制限值.該文以鄱陽湖為研究區(qū)域，采用BA THTUB模型建立了入湖河流與湖區(qū)ρ(TPρ(TN響應(yīng)關(guān)系，模擬了入湖河流分別執(zhí)行GB38382002地表水環(huán)境質(zhì)量規(guī)范》河流和湖庫不同水質(zhì)規(guī)范限值情況下對湖區(qū)水質(zhì)的影響，并試算了湖區(qū)TPTN滿足各類水質(zhì)規(guī)范情形下贛江、饒河、撫河、信江、修水“五河”入湖水質(zhì)氮磷所需的控制限值，以期為鄱陽湖氮磷污染控制提供技術(shù)支撐杭州GMP純化水設(shè)備.
1資料與方法
1.1研究區(qū)域概況
鄱陽湖(115°50′E~116°44′E28°25′N~29°45′N位于長江中下游，國最大的淡水湖，具有供水、灌溉、航運、防洪和污染物分解等多種功能.湖區(qū)南北方向長度173km東西方向平均寬度16.9km最寬處可達74km平均水位14~15m.鄱陽湖入湖污染負(fù)荷主要集中在豐水期(49月)占全年總量的55.45%~94.39%從4月起入湖污染負(fù)荷逐漸增大[27-28].鄱陽湖主要入湖河流為贛江、饒河、撫河、信江、修水“五河”另外湖區(qū)周邊還有14條30km以上的河流直流入湖，這些河流來水經(jīng)鄱陽湖調(diào)蓄后，由湖口注入長江，每年汛期“五河”洪水入湖致使湖區(qū)水位上漲、湖面擴大，使鄱陽湖形成“高水是湖、低水似河”獨特地理特征.
1.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
水質(zhì)數(shù)據(jù)來自鄱陽湖湖區(qū)和入湖河流21個國控監(jiān)測點位(見圖 1監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取20142018年月尺度的ρ(TPρ(TN數(shù)據(jù)資料.BA THTUB模型計算選用主要的5條入湖河流(贛江、撫河、信江、饒河、修水)豐水期(49月)水質(zhì)數(shù)據(jù)資料，水文數(shù)據(jù)包括降雨量、流量等.
1.3數(shù)據(jù)分析
采用Excel2010和Origin9.0軟件進行水質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和繪圖；采用ArcGIS10.3軟件進行研究區(qū)域點位分布圖的繪制；采用BA THTUB模型建立入湖河流與湖泊響應(yīng)關(guān)系.
2BA THTUB模型
2.1BA THTUB模型基本參數(shù)
BA THTUB模型是一個經(jīng)驗?zāi)Ｐ�，其�?jīng)驗關(guān)系參照BA THTUB模型技術(shù)手冊[29].該模型的核心是水平衡、營養(yǎng)平衡及富營養(yǎng)化響應(yīng)的計算，質(zhì)量平衡是模型富營養(yǎng)化模擬的基礎(chǔ)，假設(shè)湖中污染物動力學(xué)是穩(wěn)態(tài)的湖庫中的營養(yǎng)物凈積累等于入湖營養(yǎng)負(fù)荷(從各種污染源)與出湖營養(yǎng)負(fù)荷和湖中降解營養(yǎng)負(fù)荷之差[30].其中平均期是指湖體達到水平衡和質(zhì)量平衡所用的時間，確定平均期時應(yīng)考慮質(zhì)量滯留時間和翻轉(zhuǎn)速率[29]兩個變量.基于，水平衡和質(zhì)量平衡的合適平均期，通常對營養(yǎng)物滯留時間相對長的湖泊是1a對營養(yǎng)物滯留時間相對短湖泊是季(59月)[31].BA THTUB模型由水量平衡、營養(yǎng)堆積、富營養(yǎng)化反應(yīng)模型〔以TPTNChla和SD透明度)描述〕3個系統(tǒng)組成，與計算水環(huán)境容量常用的MIKESWA T和WA SP等模型相比，BA THTUB模型建立所需的數(shù)據(jù)量和參數(shù)量等相對較少，同時能夠達到評估要求的精度[30]更適合于因空間數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)相對缺乏而難以滿足高精度模型使用條件的研究區(qū)域.該模型主要輸入數(shù)據(jù)包括湖區(qū)地形及水文數(shù)據(jù)、大氣負(fù)荷數(shù)據(jù)、支流負(fù)荷數(shù)據(jù)、湖庫水質(zhì)數(shù)據(jù)，該文選擇輸入的水質(zhì)參數(shù)如表 1所示.由于鄱陽湖是一個過水型、吞吐型和季節(jié)性湖泊，湖區(qū)換水周期短，水流更換頻繁，出入湖水量基本相同，且水體營養(yǎng)狀態(tài)的空間差異不大[27,32]因此不考慮對湖區(qū)進行空間分段，而將鄱陽湖作為一個整體進行模擬.
2.2BA THTUB模型參數(shù)率定及其驗證
采用20142016年豐水期降雨量、水位、流量、ρ(TPρ(TN等數(shù)據(jù)對BA THTUB模型參數(shù)進行率定，采用20172018年豐水期ρ(TPρ(TN數(shù)據(jù)進行驗證.該模型驗證期的實測值與模擬值線性相關(guān)顯著，整體擬合精度良好，模型模擬結(jié)果較好(見圖 2.BA THTUB模型模塊選擇及系數(shù)校正見表 2.
3結(jié)果與分析
3.1鄱陽湖流域氮磷污染特征
由圖 3可見：①20142018年，鄱陽湖湖區(qū)ρ(TP范圍為0.05~0.08mg/L呈現(xiàn)逐年上升趨勢，GB38382002Ⅲ類以上水體的占比從2014年的58.50%降至2018年的20.20%入湖河流ρ(TP范圍為0.06~0.11mg/LⅢ類以上水體的占比從2014年的100%降至2018年的97.58%五河”中贛江、撫河、信江、饒河的ρ(TP均顯著高于湖區(qū)，其中撫河年均ρ(TP最高；由于南部入湖河流ρ(TP高于東部和西部入湖河流，相應(yīng)的南部湖區(qū)ρ(TP高于東、西部湖區(qū).②湖區(qū)ρ(TN范圍為1.14~1.43mg/LGB38382002Ⅲ類以上水體的占比從2014年的50.20%降至2018年的25.20%入湖河流ρ(TN范圍為0.98~1.69mg/L贛江、撫河、信江、饒河ρ(TN均顯著高于湖區(qū)，其中信江和饒河年均ρ(TN相對較高，致使東部湖區(qū)ρ(TN高于西、南部湖區(qū).
3.2入湖河流執(zhí)行不同規(guī)范時的水質(zhì)效果評估
湖區(qū)水質(zhì)效果評估中，入湖河流水質(zhì)設(shè)置2種情景：①入湖河流執(zhí)行GB38382002河流ρ(TP規(guī)范限值(河流無TN規(guī)范限值)②入湖河流執(zhí)行GB38382002湖泊ρ(TPρ(TN規(guī)范限值.基于BA THTUB模型建立鄱陽湖湖區(qū)與入湖河流之間的水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系，模擬2種情景下湖區(qū)的ρ(TPρ(TN.
情景①的模擬結(jié)果標(biāo)明，入湖河流執(zhí)行GB38382002不同等級的河流水質(zhì)規(guī)范限值對湖區(qū)水質(zhì)影響嚴(yán)重，即使河流ρ(TP較低，湖區(qū)ρ(TP依然超標(biāo)，如當(dāng)入湖河流ρ(TP執(zhí)行河流Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值(0.1mg/L時，湖區(qū)ρ(TP可達0.065mg/L超越了湖泊Ⅲ類水質(zhì)保護的要求；當(dāng)入湖河流ρ(TP執(zhí)行河流Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(0.2mg/L或逾越Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(>0.2mg/L時，湖泊ρ(TP達到湖泊Ⅴ類水質(zhì)評價級別.僅當(dāng)入湖河流ρ(TP低于0.02mg/L時，湖區(qū)ρ(TP能夠維持在0.018mg/L以內(nèi)，湖泊水質(zhì)評價級別在Ⅰ~Ⅱ類之間(見表 3.
對情景②的模擬結(jié)果標(biāo)明，入湖河流執(zhí)行GB38382002湖泊Ⅲ類及以上規(guī)范限值時，湖區(qū)水質(zhì)級別也可達到Ⅲ類水質(zhì)維護目標(biāo)，且湖區(qū)ρ(TPρ(TN優(yōu)于入湖河流設(shè)定的濃度限值，如入湖河流ρ(TP執(zhí)行湖泊Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(0.05mg/L湖區(qū)ρ(TP可達0.038mg/L見表 4.雖然該情景可滿足湖泊維護的要求，但對于入湖河流而言，對ρ(TP削減率的要求偏高.如“五河”中ρ(TP最高的撫河，ρ(TP年均值為0.11mg/L若如果依照ρ(TP<0.05mg/L湖泊Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值)對入湖河流水質(zhì)進行控制，撫河ρ(TP至少需要削減54.55%以當(dāng)前經(jīng)濟社會條件下管控水平難以達到如此高的削減率.
3.3入湖河流水質(zhì)控制限值方案制定
針對鄱陽湖入湖河流執(zhí)行GB38382002河流和湖泊水質(zhì)規(guī)范限值時所存在缺乏，充分考慮湖泊水質(zhì)不同類別的維護要求下，采用BA THTUB模型模擬試算了鄱陽湖入湖河流所需的ρ(TPρ(TN控制限值(見表 5.
由表 5可見，當(dāng)湖泊ρ(TP取GB38382002湖泊Ⅰ~Ⅴ類規(guī)范限值時，試算的入湖河流ρ(TP控制限值為0.02~0.40mg/L介于湖泊與河流控制限值之間.如當(dāng)湖泊ρ(TP取湖泊Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(0.05mg/L時，試算的入湖河流TP控制限值為0.075mg/L相當(dāng)于河流Ⅱ類水質(zhì).當(dāng)湖泊ρ(TN取湖泊Ⅰ~Ⅴ類規(guī)范限值時，試算的入湖河流ρ(TN控制限值介于0.21~3.10mg/L之間，其中，當(dāng)湖泊ρ(TN取湖泊Ⅲ類規(guī)范限值時，試算的入湖河流TN控制限值為1.20mg/L相當(dāng)于湖泊Ⅳ類水質(zhì).因此，入湖河流TN控制限值需要在借鑒湖泊ρ(TN控制限值的基礎(chǔ)上，對Ⅲ類及以下類別的控制限值適當(dāng)放寬.
4討論
依照2018年鄱陽湖流域水質(zhì)狀況，方案提出的控制限值下，入湖河流TP為GB38382002Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水體的占比分別為4.24%3.03%34.85%55.45%2.42%.與執(zhí)行GB38382002河流規(guī)范限值時相比，Ⅲ類以上水體的占比下降了55.88%Ⅳ類和Ⅴ類分別上升了53.03%2.42%.可見，方案提出的ρ(TP控制限值對入湖河流的管控更為嚴(yán)格，更能滿足鄱陽湖的水環(huán)境維護要求.入湖河流TN水質(zhì)評價級別是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水體的占比分別為6.77%37.85%39.69%15.69%Ⅲ類以上水體的占比為44.62%.若執(zhí)行GB38382002中湖泊規(guī)范限值，滿足湖泊水質(zhì)維護的要求下，入湖河流ρ(TN應(yīng)低于1mg/L然而，依照該文的試算，入湖河流ρ(TN為1.20mg/L時即可滿足對鄱陽湖的水質(zhì)維護要求(見表 5可見入湖河流執(zhí)行GB38382002中湖泊TN規(guī)范限值時存在一定的過保護現(xiàn)象.
方案在現(xiàn)行湖泊規(guī)范限值基礎(chǔ)上進行了合理放寬，能夠有效防止對入湖河流產(chǎn)生的過保護現(xiàn)象.以贛江為例，贛江為“五河”中氮污染最為嚴(yán)重的河流，2018年贛江ρ(TN全年平均值為1.80mg/L若執(zhí)行湖泊Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，滿足鄱陽湖水質(zhì)維護目標(biāo)要求下，贛江TN削減率應(yīng)在44.45%以上；若執(zhí)行方案控制限值，TN削減率在33.33%時同樣能夠滿足湖泊水質(zhì)維護目標(biāo)的要求.因此，考慮鄱陽湖的氮磷控制要求及污染現(xiàn)狀條件下，方案控制限值的合理性更高，既能夠保證湖泊水質(zhì)達標(biāo)，又不會造成對入湖河流的水質(zhì)要求過于嚴(yán)格. 杭州GMP純化水設(shè)備
與歐洲國家河流控制限值相比，方案提出的河流TPTN控制要求總體位于中等水平.英國將河流磷限值分為“高”0.02~0.05mg/L好”0.04~0.12mg/L中”0.15~0.25mg/L差”0.5~1.0mg/L4個等級[33]方案中ρ(TPⅢ類控制限值(0.075mg/L正處于“好”等級范圍.近些年，國內(nèi)學(xué)者也針對其他流域開展了入湖河流ρ(TPρ(TN限值的研究工作.許晨等[26]研究了太湖流域入湖河流ρ(TPρ(TN限值，其中ρ(TPⅢ類限值(0.07mg/L較方案更為嚴(yán)格；ρ(TNⅢ類限值(1.20mg/L與方案一致.張紅舉[34]研究了淀山湖入湖河流ρ(TP控制限值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)入湖河流ρ(TP滿足河流水功能區(qū)目標(biāo)時，淀山湖湖區(qū)ρ(TP依然超標(biāo)，并提出滿足湖區(qū)水質(zhì)維護目標(biāo)要求下入湖河流ρ(TP應(yīng)在0.031~0.062mg/L之間，其中滿足飲用水源區(qū)的入湖河流TP控制限值為0.031mg/L相當(dāng)于方案中ρ(TPⅡ類控制限值(0.03mg/L滿足緩沖區(qū)的入湖河流ρ(TP控制限值為0.062mg/L相當(dāng)于方案中ρ(TPⅢ類控制限值(0.075mg/L.
方案針對河湖水質(zhì)管理中氮磷控制限值銜接問題開展了探索研究，但仍存在一些不足之處：①鄱陽湖具有換水周期短、水流更換頻繁等特點，該文在采用BA THTUB模型模擬時，未對湖區(qū)進行空間分段，而將其作為一個整體進行模擬.事實上，不同入湖河流輸入的氮磷營養(yǎng)物對湖區(qū)不同區(qū)域的影響仍存在差別，且鄱陽湖整體狹長，南北向長度為其東西向平均寬度的10倍以上，采用完全混合式模型進行模擬存在一定誤差.因此，鄱陽湖入湖口至入湖河流上游一定距離范圍內(nèi)設(shè)置混合區(qū)，此基礎(chǔ)上進行入湖河流氮磷所需的控制限值推算，對河湖氮磷的管理控制更具有實際意義.②該方案提出的入湖河流氮磷控制限值是基于湖泊水環(huán)境質(zhì)量達標(biāo)情況下提出的對各入湖河流進行污染控制所涉及的經(jīng)濟社會發(fā)展水平、社會經(jīng)濟重大影響等經(jīng)濟社會因素的考慮仍存在缺乏，流域污染物的削減應(yīng)結(jié)合湖泊水質(zhì)的需求和流域地區(qū)的經(jīng)濟效益綜合考慮.該文提出的控制限值基礎(chǔ)上，應(yīng)更深入開展社會經(jīng)濟效益分析，以制定更為合理的鄱陽湖入湖河流目標(biāo)總量污染物削減方案.
5結(jié)論
a20142018年，鄱陽湖入湖河流ρ(TPρ(TN均呈現(xiàn)升高趨勢，2018年湖泊TP為Ⅲ類以上水體的占比僅為20.20%TN為Ⅲ類以上水體的占比僅為25.20%贛江等“五河”氮磷輸入是引起鄱陽湖水體氮磷濃度空間差別的主要原因.
b鄱陽湖入湖河流ρ(TP執(zhí)行GB38382002中河流Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(0.2mg/L時，湖泊水質(zhì)評價級別為Ⅴ類；若入湖河流執(zhí)行GB38382002中湖泊規(guī)范限值，湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)總體優(yōu)于入湖河流水質(zhì)，但對于入湖河流而言，這種管控要求存在過保護的問題.
c以GB38382002湖泊ρ(TPρ(TN各類別規(guī)范限值為目標(biāo)值試算入湖河流水質(zhì)控制限值，其中ρ(TPρ(TNⅢ類限值分別為0.075和1.20mg/L其結(jié)果既能保證湖泊水質(zhì)達標(biāo)，又不會造成河流氮磷水質(zhì)限值過于嚴(yán)格，建議可作為解決入湖氮磷污染控制問題的參考.
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