考慮大氣沉降的湖庫分區動態水環境容量精細解析

陳煉鋼，孫玉瑩，葉興平，徐祎凡，何常清，金 秋

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.江蘇省城鎮化和城鄉規劃研究中心、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土空間格局； 2021年10月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于推動城鄉建設綠色發展的意見》，明確提出“以自然資源承載能力和生態環境容量為基礎，合理確定開發建設密度和強度”。水環境容量作為資源環境承載能力的重要組成部分，是鏈接水質目標管理與污染總量控制的核心紐帶，其科學測算關系到所采取的污染防治措施能否實現預期的水質目標。對于水環境容量計算，歐美國家常采用日最大負荷總量(total maximum daily loads, TMDL)模式，其考慮了污染負荷在點源與非點源之間的分配、安全臨界值和季節性變化等因素。國內權威的技術指南為GB/T 25173—2010《水域納污能力計算規程》，在實際工作中得到了廣泛應用，然而存在一些不足，包括對水域的簡化與劃分過于寬泛，靜態的設計水文條件與徑流的動態豐枯變化不符，污染源主要針對點源等。因此，其計算成果常與實際偏差較大，難以有效支撐流域水環境精細管理及水污染精準防治。

上述問題日益引起關注和重視，水環境容量動態特征的研究成為新的趨勢。Xie等[1]將西太湖劃分控制單元后結合一維與二維模型計算西太湖水環境容量，并基于各月水量對水環境容量進行月尺度下的重新分配，初步認識到水環境容量與月徑流量呈正相關關系。李冰陽等[2]綜合考慮了豐枯水期的點、面源污染協同影響下的水環境容量，指出點、面源污染與豐枯水季相關，有一定的季節性特征，但對于面源污染的來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]針對不同流域水文條件和污染源變化特征構建不同條件下河網動態水環境模型，解決了對水環境容量動態特征考慮不足的缺陷，但都屬于河網水環境容量的計算方法，不能直接用于湖泊水庫。在湖庫水環境容量計算方面，學者們采用水質模型對太湖[5]、鄱陽湖[6]、潼湖[7]、閱海湖[8]、仙女湖[9]、蘑菇湖[10]、星海湖[11]、洋河水庫[12]和杞麓湖[13-14]等進行了水環境容量估算研究，除太湖和鄱陽湖兩座大型湖庫外，其余都選擇均勻混合模式，也均未考慮大氣沉降和徑流動態變化對水環境容量的影響。

綜上所述，較全面考慮影響因素的動態水環境容量研究目前多針對河流，對湖庫動態水環境容量研究相對薄弱，考慮的影響因素也比較單一。與河流相比，湖庫由于其水量保障程度高，通常作為水源地，點源排放日趨嚴格，入湖污染負荷中面源輸入比重日益加大、甚至占優，同時湖庫具有水面面積大、流動性差等特點。面源輸入受徑流豐枯變化的影響，由流動性差所引起的不均勻混合現象等對湖庫水環境容量的影響非常大；水面面積大所帶來的氮磷等元素的大氣干濕沉降也是入湖污染負荷一個不可忽視的重要來源[15]。針對湖庫水環境的上述特點，本文借鑒TMDL模式，基于物質量平衡原理提出湖庫分區動態水環境容量精細解析方法，綜合考慮了徑流變化、不均勻混合、大氣干濕沉降、庫面蒸發、庫容變化、水溫波動、沉降自凈等可能影響水環境容量的主要因素，并選擇太湖流域湖西丘陵區的沙河水庫進行實例分析，旨在建立更精準的面源輸入型湖庫水質目標管理與流域污染總量控制之間的響應關系，更好地支撐湖庫型流域水環境的精細化管理。

1 研究方法

1.1 湖庫分區

湖庫具有水面面積大和水體流速、湖泊環流形態和自凈能力時空分布不均勻[16]的特點，當入湖水流攜帶污染物進入湖體時，其水質與湖體自身水質存在差異，形成了占據一定面積的混合區域；而湖心區水質受外界來水的影響較小，導致湖心區與湖濱帶的水質存在較大差異。若將湖庫看作一個整體，假定整個湖體的水質均勻分布，采用簡單的零維模型計算水環境容量，計算成果通常偏大、不能準確反映真實的污染物容納能力，為此目前的實際工作中常通過不均勻系數校正不均勻混合對湖庫水環境容量的影響[17]，但是不均勻系數的取值依賴主觀經驗，科學性有待提升。此外，僅采用全湖整體的環境容量無法直接支撐流域分區的污染總量控制，環境容量空間分配的科學合理性面臨較大挑戰[18]。

為科學反映湖庫水質不均勻混合對水環境容量的影響，支撐湖庫水質目標分區管理和流域污染總量的空間管控，將湖庫水域劃分為主湖區和湖濱混合區，依據入庫河流分布以及湖庫岸線特征進一步將湖濱混合區劃分為若干混合分區，各分區之間的聯動主要體現在湖濱混合區與主湖區之間水和污染物質的通量交換。根據各分區的水質目標、蓄水量、水面面積及入庫徑流量等，通過分區聯動的二維水量水質動態平衡模型計算出各分區的水環境容量，各湖濱混合區的容量總和即為湖庫水環境容量的總量，各混合子區的水環境容量對應各流域分區的入湖污染總量控制目標，可為更精準的總量空間管控及入庫河流的水質目標管理提供科學依據。

1.2 代表水文系列的選擇

水環境容量計算中設計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。設計水文條件的選取應與目標水體主要污染負荷排放規律相協調，因此上述不利枯水條件的選取對于控制與徑流豐枯變化無關的點源排放是適用的，可保障不利條件下的水質安全。然而，如果某湖庫型水體污染負荷以面源輸入為主，上述設計水文條件的選擇將嚴重偏離面源輸入的特點與規律，所得水環境容量成果無法用于控制流域的面源排放。面源污染伴隨降雨侵蝕產流出現，排放量的大小常隨水量(降水量/徑流量)的變化而正相關變化，具有顯著的動態波動特征[19-20]，因而豐水期一般也是面源污染排放的重點時段。對于控制與水量豐枯變化密切相關的面源排放，應選擇與多年長系列水文過程變化特征接近的水雨情代表系列，才能與面源排放的動態變化特征相匹配。具體選擇建議如下：以10 a以上的長系列逐日流域降水量或入湖庫徑流量資料為基礎，計算年均值、月均值、豐/平/枯水年的占比等3類統計特征值；以5～10 a作為設計水文條件的系列長度，選擇與多年長系列3類統計特征值相近的水雨情組合作為代表系列；湖泊的設計水位和出流量采用與代表系列同期的實際過程。

1.3 水量水質動態計算

分區逐日水量水質動態平衡模型如式(1)～(4)，其中式(1)為水量平衡方程，式(2)為污染物質量平衡方程，式(3)為入湖徑流污染負荷量方程，式(4)為大氣干濕沉降負荷量方程。

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分區第i天水量，m3，由湖庫水位結合容積曲線計算；Sj,i為第j分區第i天水面面積，km2，由湖庫水位結合面積曲線計算；QI,j,i、QO,j,i分別第j分區第i天流入、流出徑流量, m3；Pj,i、Ej,i分別為第j分區第i天的降水量和蒸發量，m3，根據降雨蒸發強度和水面面積動態計算；ρj,i為第j分區第i天的污染物質量濃度，mg/L；k為污染物綜合降解系數，d-1；WQ,j,i為第j分區第i天隨徑流進入的污染負荷量，g；WA,j,i為第j分區第i天的大氣干濕沉降負荷量，g；ρI,j,i為第i天進入第j分區徑流中的污染物質量濃度，mg/L；ρP,i為第i天降雨中的污染物質量濃度，mg/L；Mi為第i天污染物干沉降強度，g/(km2·d)。

在采用長系列水量水質數據完成湖庫水量平衡方程，與污染物質量平衡方程驗證的基礎上，針對設計水文條件的代表系列，按式(5)進行水環境容量逐日連續計算，并統計出各分區在不同水文年型(多年平均、豐水年、平水年、枯水年)以及不同時段(全年、豐水月、平水月、枯水月)的水環境容量：

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分區第i天的水環境容量，g；ρS,j為第j分區的目標水質，mg/L。

2 研究區模型驗證與代表水文系列

2.1 研究區概況

沙河水庫位于江蘇省常州市，是天目湖流域2座水庫中的一座大型水庫，功能以城鎮供水、防洪、農業灌溉為主，兼顧旅游、漁業、發電等；水庫常年水位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，總庫容 1.09億m3。沙河水庫上游為低山丘陵區，集水面積 154.5 km2(約28.4 km2位于安徽省宣城市)，主要入庫河流包括平橋河、徐家園河與中田河，屬于太湖流域湖西區南部的南河水系，是太湖流域重要的水源涵養區。流域水系及水文水質監測站點見圖1，其中沙河水庫壩上和中田河設有水文站，平橋河另設有單獨的雨量站；湖區設置水質測點5處，3個主要的入庫河流(中田河、徐家園河、平橋河)都設有水質測點。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)，最小年降水量僅632 mm(1978年)。降雨年內分配具有明顯的季節特征，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%。

沙河水庫是常州溧陽市的主要水源地和核心的旅游資源之一，為保護和進一步提升其水質，地方專門立法制定了《常州市天目湖保護條例》(下文簡稱《條例》)，規定將流域內水庫校核洪水位線以下的全湖面劃定為核心保護區，按Ⅱ類水質管理。近年來隨著農村生活污水處理、退耕還林、林茶收儲、氮磷攔截等治理措施的推進，沙河水庫水質總體呈現好轉態勢，主湖區總磷(TP)濃度處于Ⅱ～Ⅲ類水質之間、總氮(TN)濃度處于Ⅲ～Ⅳ類水質之間，營養水平總體處于中營養水平，與《條例》設定的全湖Ⅱ類水質目標尚存差距，與《湖泊營養物基準—中東部湖區(總磷、總氮、葉綠素a)》(2020年版)也存在一定差距。此外，主要入庫河流的TP濃度處于Ⅱ～Ⅲ類水質之間、TN濃度為劣V類水質，導致各庫灣及湖濱帶水質與《條例》水質目標存在較大差距。沙河水庫流域目前沒有工業點源，污染主要來自面源，其次為分散的農村生活點源，隨著農村生活污水處理設施的全域覆蓋，面源在入庫污染負荷中將絕對占優。經測算目前沙河水庫流域TN污染入湖負荷量中，面源污染占比為87%，點源污染占比僅13%，其中茶園的貢獻率最大，為23.91%，其次為林地和其他園地，貢獻率分別為22.94%和19.22%。不同子流域各污染源的貢獻差別較大，以全流域污染負荷貢獻最大的茶園為例，中田河、徐家園河、平橋河、湖東區、湖西區5個子流域的入庫TN污染負荷量中茶園的貢獻率分別為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治理及時程管控，有必要對其水環境容量的時空結構特征開展精細解析。

2.2 水量水質模型驗證

依據沙河水庫入庫河流的分布以及岸線特征，將沙河水庫水域劃分為6個計算分區， 包括1個主湖區、5個湖濱混合區(中田河混合區、徐家園河混合區、平橋河混合區、湖東混合區、湖西混合區)，各分區對應的子流域見圖1。通過水環境實況調查并結合模型計算，確定湖濱混合區總面積占同期水域面積的20%；進一步根據各混合區對應的陸域集水面積并結合岸線特征，確定5個混合區的面積比為4∶1∶3∶1∶1。

a.水量模型驗證。采用2010—2018年逐日水文數據對水量模型進行驗證，各分區的入庫日流量采用SWAT(soil and water assessment tool)模型由逐日降雨資料進行模擬，采用中田河入庫徑流實測數據對SWAT模型進行驗證，中田河流量模擬值的R2為0.85，相對偏差為12%。在入庫徑流模擬的基礎上，對水庫水量平衡模型進行驗證，庫水位模擬值的R2為0.98，總體絕對偏差為0.11 m。從水量模型驗證情況(2(a))可見，基于SWAT模擬計算出的入庫徑流精度較好，所建水量平衡模型能反映水庫蓄水量的動態變化。

b.水質模型驗證。在水量模型驗證的基礎上，采用2015—2018年逐周水質數據對水質模型進行驗證，代表水質因子選擇超標最為嚴重的TN。中田河、徐家園河、平橋河采用實測水質，對于沒有實測數據的湖東、湖西區入庫河流采用SWAT模型的模擬水質；中田河、徐家園河、平橋河TN質量濃度SWAT模型模擬值的決定系數R2分別為0.76、0.80和0.77，說明SWAT模型模擬出的各子流域分區的入庫水質合理可信。大氣沉降強度依據中田河的入庫控制站——中田舍站2014—2016年的觀測數據設定，TN濕沉降質量濃度年均值為2.16 mg/L，按其季節變化規律逐月賦值(降水量大的月份質量濃度低，最低為7月，其值為0.63 mg/L；降水量小的月份質量濃度高，最高為1月，其值為3.76 mg/L)；TN干沉降強度無明顯季節變化規律，采用年均值585 g/(km2?d-1)。綜合降解系數k受水溫的影響較為明顯，采用式(6)計算，經率定水溫20℃時的綜合降解系數k20=0.007 5 d-1，水溫修正系數α=1.08。采用湖區5個實測點的均值對模型6個分區計算結果的均值進行驗證，TN質量濃度模擬值的決定系數R2為0.67，總體絕對偏差為0.042 mg/L。從水質模型驗證情況(圖2(b))可見，所建污染物質量平衡模型能較好反映庫區水質的長系列動態變化。

(a) 庫水位

(b) 庫水質圖2 模型驗證結果Fig. 2 Model verification results

kt=k20αt-20

(6)

式中:kt為水溫t時的綜合降解系數, d-1。

2.3 代表水文系列

分析流域3個站點(中田舍、平橋、沙河水庫)1978—2017年長系列逐日降雨監測數據，發現2010—2015年降雨系列的年均值、月均值、豐平枯水年占比等統計特征值與長系列基本相同，能代表沙河水庫流域降雨的多年動態變化特征(表1)，可以作為開展水環境容量計算的設計水文條件。從表1可見不同年份入庫徑流量的差異非常大，2013枯水年僅約3 200萬m3，2015豐水年超過8 200萬m3，入庫徑流量的大幅變化必將導致水環境容量的較大差異。

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

3 結果與討論

基于驗證的沙河水庫分區逐日水量水質動態模型，采用2010—2015年代表水文系列開展逐日動態水環境容量計算，結果見圖3。從圖中可見水環境容量的日間變化非常大，與降水量的變化基本同步，符合面源輸入占優的湖庫水量水質特點。為更好地支撐環境管理，基于水環境容量的逐日過程，按多年平均、豐水年、平水年、枯水年統計分析水環境容量的年際變化特征，按豐水期、平水期、枯水期統計分析水環境容量的年內變化特征，量化水質目標、徑流豐枯變化、大氣沉降、不均勻混合等的影響，進一步解析水環境容量的時空結構特征，支撐流域污染總量的分區管控和入湖河流水質目標的精細化管理。

(a) 全湖Ⅱ類水質

(b) 主湖Ⅱ類水質圖3 TN水環境容量的逐日變化Fig.3 Daily variation of TN water environment capacity

3.1 水環境容量總量及其影響因素

a.水質目標及徑流豐枯變化的影響。沙河水庫年水環境容量見表2，從表中可見，不同水質管理目標下水環境容量差異非常大，如果按照《條例》規定的全湖Ⅱ類，沙河水庫TN的多年平均水環境容量僅36.70 t；如果將Ⅱ類水質目標管理的范圍縮小至主湖區，沙河水庫TN的多年平均水環境容量可大幅增加至99.43 t，可為相關規劃選擇合理可行的水質管理目標提供依據。此外，徑流的豐枯變化對水環境容量的影響明顯：平水年TN水環境容量接近多年均值，豐水年TN水環境容量超過多年均值30%以上，枯水年TN水環境容量低于多年均值20%以上，可為相關部門在面臨不同的實況來水情勢時開展更精細的環境管理提供支撐。

表2 TN年水環境容量 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TN年水環境容量計算結果見表3，從中可見，多年平均來水條件下，全湖Ⅱ類、主湖Ⅱ類水質目標下沙河水庫TN的年水環境容量分別為42.07 t和32.57 t，相比考慮大氣沉降時的水環境容量分別偏大14.6%和33.3%。全湖Ⅱ類水質目標實質是要求湖濱混合區水質達到Ⅱ類，其水質目標管理區域為水域面積占比20%的湖濱帶；主湖Ⅱ類水質目標是要求主湖區水質達到Ⅱ類，其水質目標管理區域為水域面積占比80%的主湖區。因此，當實施水質目標管理的水域面積越大，大氣沉降對水環境容量的影響越大，如果忽略大氣沉降的影響，將導致入庫徑流污染控制總量超出湖庫實際納污能力，造成湖庫污染負荷過載。

表3 不考慮大氣沉降下TN年水環境容量 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，將湖庫看作一個均勻混合的整體來計算其水環境容量，Ⅱ類水質目標下沙河水庫TN多年平均水環境容量為61.08 t，相比考慮混合區時全湖Ⅱ類水質目標下水環境容量增加了66.43%；豐水年、平水年、枯水年TN年水環境容量分別為85.13 t、64.36 t和44.13 t，均比考慮混合區時的水環境容量值有明顯增加。因此，對于水域面積較大湖庫的水環境容量計算，有必要設置污染混合區，以保障入庫徑流污染控制總量在湖庫實際納污能力以內。

3.2 時空結構特征

多年平均來水條件下，沙河水庫TN水環境容量的年內變化見圖3，分析可見，全湖Ⅱ類水質目標下，豐水期、平水期、枯水期的月均TN水環境容量分別為6.43 t、3.2 t和、0.92 t；主湖Ⅱ類水質目標下，豐水期、平水期、枯水期的月均TN水環境容量分別為16.90 t、8.92 t和、2.61 t?？梢娝h境容量隨來水的豐枯變化波動明顯，因此，對于面源輸入型湖庫的污染控制，需要開展更精細的時程管控。

各污染混合區的水環境容量，即對應各流域分區的入庫污染控制總量，見表4。中田河與平橋河由于集雨面積大，相應混合區面積大，入庫污染控制總量占比也高，中田河、平橋河入庫TN污染控制總量分別約占全流域的39%和31%。結合各入庫河流的徑流量，進一步將各分區的污染控制總量轉化為各河流的水質管理目標：為達到全湖Ⅱ類水質目標，入庫河流TN質量濃度應控制在0.75 mg/L以內；為達到主湖Ⅱ類水質目標，入庫河流TN質量濃度應控制在1.5 mg/L以內。由此實現湖庫水質目標管理、流域污染總量分區管控、入庫河流水質目標管理的聯動，支撐流域水環境的精細化管理。

圖4 設計水文條件下逐月降水量與TN水環境容量Fig.4 Monthly precipitation and TN water environment capacity under representative hydrological series

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

4 結 語

本文所提出湖庫分區動態水環境容量解析方法，既克服了傳統方法過于概化，導致所得水環境容量計算成果難以反映湖庫實際納污能力的不足，又克服了數值模型要求水下地形資料和計算復雜的問題；方法考慮了湖庫水環境容量的主要影響因素，資料要求適中、計算簡便。在沙河水庫案例研究中，以全湖Ⅱ類、主湖Ⅱ類分別作為水質管理目標，采用2010—2015年代表水文系列對TN動態水環境容量進行精細解析。結果表明所得成果能解析出水質目標、徑流豐枯變化、大氣沉降、不均勻混合等因素對水環境容量的影響及其時空結構特征，可實現水質目標管理與污染總量分區管控的有機聯動，支撐流域水環境的精細化管理。