长湖纳污能力及水产养殖污染负荷估算

通信作者：张翔，教授。E-mail:zhangxiang@whu.edu.cn

长湖纳污能力及水产养殖污染负荷估算

梁秀1,2,张翔1,2,刘建峰1,2,朱志龙3

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉430072;

2.武汉大学 水资源安全保障湖北省协同创新中心,湖北 武汉430072;

3.湖北省水文水资源局,湖北 武汉430070)

摘要：以CODMn、NH3-N、TN、TP作为污染指标,采用湖库均匀混合模型、狄龙模型和合田健模型对长湖纳污能力进行计算,并针对目前长湖水产养殖污染较重的特点,采用排污系数法、污染负荷率法对长湖水产养殖污染负荷进行估算。结果表明:长湖CODMn、NH3-N、TN、TP的纳污能力分别为8523.15t/a、1495.57t/a、1932.70t/a、96.64t/a,长湖水产养殖所产生的COD、NH3-N、TN、TP污染负荷量分别为3724.10t/a、51.98t/a、279.96t/a、26.42t/a。水产养殖对于长湖COD、TP的污染贡献较大是导致长湖有机污染和富营养化的一个重要污染源。

关键词：纳污能力;均匀混合模型;狄龙模型;水产养殖；污染负荷;长湖

基金项目:国家自然科学基金(51279143);国家社会科学基金(12&ZD215);湖北省水利专项科研课题(HBSLKJZX201302)

作者简介:梁秀(1991—),女,硕士研究生,研究方向为水环境及生态水文。E-mail:1445750654@qq.com

中图分类号：X32文献标志码：A

收稿日期：(2014-12-09编辑：徐娟)

Estimation of permissible pollution bearing capacity and

aquaculture pollution load of Changhu Lake

LIANG Xiu1, 2, ZHANG Xiang1, 2, LIU Jianfeng1, 2, ZHU Zhilong3

(1.StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,

WuhanUniversity,Wuhan430072,China;

2.HubeiProvincialCollaborativeInnovationCenterforWaterResourcesSecurity,

WuhanUniversity,Wuhan430072,China;

3.HydrologyandWaterResourcesBureauofHubeiProvince,Wuhan430070,China)

Abstract：Choosing CODMn, NH3-N, TN and TP as the pollution indicators, we calculated the permissible pollution bearing capacity of Changhu Lake by using uniform mixture model, Dillion model and Hetianjian model. And in view of the current characteristics of the serious aquaculture pollution in Changhu Lake, we evaluated the aquaculture pollution load by the method of pollution discharge coefficient and pollution load ratio. The results indicated that the permissible pollution bearing capacity of CODMn, NH3-N, TN and TP were 8523.15 t·a-1,1495.57t·a-1,1932.70t·a-1 and 96.64t·a-1, respectively; The aquaculture pollution load of COD, NH3-N, TN and TP were 3724.10t·a-1, 279.96t·a-1, 26.42t·a-1 and 51.98t·a-1, respectively. Aquaculture produce significant amount of COD and TP pollution to Changhu Lake and is an important pollution source of organic pollution and eutrophication.

Key words： permissible pollution bearing capacity; uniform mixture model; Dillion model; aquaculture; pollution load; Changhu Lake

中国是一个多湖泊的国家,湖泊分布广泛、类型多样、成因复杂。作为一种宝贵的自然资源,湖泊具有供水、调节径流、涵养水源、维持生物多样性、净化水质、调节区域气候、养殖水产、休闲娱乐等多方面功能与价值,在经济社会的发展中发挥了不可替代的重要作用,因此,湖泊的生态健康与安全是我国社会、经济发展的重要保障。但近年来,随着人类活动的加剧,湖泊水环境污染问题日益突出。目前湖泊所面临的环境问题主要有:富营养化、水质恶化、淤积或萎缩、生态系统结构和功能退化、干旱地区湖泊咸化等[1-3]。面对日益严峻的环境问题,2011年中央1号文件要求实施最严格水资源管理制度,提出了“三条红线”的管理目标,水功能区限制纳污便是其中之一,限制纳污必须要计算出水域纳污能力。水域纳污能力(permissible pollution bearing capacity of water bodies)是指在设计水文条件下,满足计算水域的水质目标要求时,该水域所能容纳的某种污染物的最大数量[4]。科学合理地计算湖泊的纳污能力,是制定湖泊水污染总量控制方案的科学依据和实现湖泊水环境污染防治的重要基础,对湖泊水资源管理和湖泊所在流域的经济社会可持续发展具有重要的意义。本文所选研究区为湖北省第三大淡水湖——长湖,据调查统计,长湖目前水产养殖面积超过水域面积50%,以围网养殖为主,围网养殖的副产物会导致水体有机污染,使水色变差,并产生恶臭,近几年长湖水体质量下降与湖泊养殖业的迅猛发展密切相关[5-6]。因此,本文在计算长湖CODMn、NH3-N、TN、TP等指标的纳污能力的同时,还对由长湖水产养殖产生的COD、NH3-N、TN、TP污染负荷进行了估算。其中CODMn和COD均为表示水体中有机物相对含量的指标,指在一定条件下,分别以高锰酸钾和重铬酸钾为氧化剂氧化1L水样中还原性物质(一般为有机物)所消耗的氧量,本文中采用CODMn来表示水体中有机污染物的纳污能力,而由于大部分关于水产养殖污染负荷的研究中都采用COD来表示有机物污染负荷,因此本文中水产养殖污染负荷估算也采用COD来定量表示有机物污染负荷。

1研究区域与研究方法

1.1研究区域

长湖位于荆州市东北郊,为跨市湖泊,跨荆州、荆门、潜江三市,地处长江、汉江之间的江汉平原腹地,为一个四周全是堤渠的独特湖泊,是四湖水系(长湖、三湖、白露湖和洪湖,其中三湖和白湖已基本消亡)上、中区交汇处的主要调蓄湖泊。长湖由庙湖、海子湖及长湖本体组成,主要承纳太湖港、龙会桥河、夏桥河、拾桥河、唐林河、龙垱河等主要支流的来水,水面面积为122～150km2,平均湖容积2.71亿m3,平均水深2.1m,属大型浅水湖泊,东西最大湖长为42.8km,南北最大湖宽8.9km,岸线长237km。长湖流域地处中纬度南部,属于亚热带季风湿润气候,具有雨热同季,四季分明,雨量丰沛,光照充足,气候温和,无霜期长的特点,流域承雨面积为2265.4km2。特定的地理位置及水文气象特点使长湖具有重要的蓄洪、灌溉、养殖、航运、旅游、湿地保护等综合功能,是江汉地区著名的平原水库,在湖北省国民经济和社会发展中起着十分重要的作用。

1.2研究方法

1.2.1CODMn、NH3-N纳污能力计算模型

长湖为大型浅水湖泊,宽深比很大,且湖汊众多,进入湖泊的污染物质很难在短时间内均匀混合,水质在空间分布上差异较大,不同区域的污染物综合降解系数等参数也不同,因此在进行长湖纳污能力计算时,需对长湖进行分区,本文根据长湖自然形态特征和污染源分布特征,将长湖划分为7个计算分区,假设每个分区湖水是均匀混合的,采用式(1)[7-8]所示模型计算各个分区的CODMn、NH3-N纳污能力,各个分区的纳污能力之和就是整个湖泊的纳污能力。由于实际上各区水质不能完全达到均匀混合，因而纳污能力计算结果值将偏大，拟采用不均匀系数对结果进行订正。

(1)

式中:W为湖泊中污染物的最高允许排放量,即纳污能力,t/a;Δt为湖泊维持其设计安全水量的天数,可按30d计;ρs为湖泊水环境质量标准,mg/L;ρ0为湖泊背景质量浓度值或起始时期实测污染物质量浓度值,mg/L;V为设计水文条件下的湖库容积,m3;Qa为年出湖水量,m3/a;k为污染物降解系数,d-1。

1.2.2TP、TN纳污能力计算模型

a. Dillon模型。长湖现状的营养程度为中度富营养化,应选择浅水湖库氮磷水质模型计算长湖总磷(氮)纳污能力。因此,长湖流域水体总磷(氮)纳污能力可以采用Dillon模型计算,该模型计算公式为

(2)

(3)

b. 合田健模型。长湖流域水体总磷(氮)环境容量也可以采用合田健模型计算,该模型计算式为

(4)

1.2.3水产养殖污染负荷计算方法

估算水产养殖污染物排放量的方法很多,目前国内外学者采用的方法主要有化学分析法、竹内俊郎法及其同类方法、物料平衡法、湖泊水库箱式模型法、污染负荷率法和排污系数法等,大部分估算方法都是针对氮磷污染。由于各种方法的计算思路不同、所考虑的因素存在差异,且估算方法本身也因参数等的选择而具有一定的误差,所以各种方法估算出的污染物负荷量也会有所偏差。在进行长湖水产养殖污染物负荷量的计算时,综合考虑所获资料的有限性和尽可能真实地反映长湖水产养殖的污染状况,本研究采用排污系数法和污染负荷率法对长湖水产养殖各项污染物指标进行计算。

a. 污染负荷率法。水产养殖污染负荷率是指生产1kg(或t)鱼产生的某元素的污染负荷。其理论计算值等于饵料中含有的某元素量减去鱼体中该元素含量。梁荫等[9]运用此法计算了黑龙滩水库网箱养鱼污染负荷量。以P为例,网箱养鱼TP负荷量WTP等于污染负荷率fP乘以水库网箱养鱼净产量Y,包括固体态和溶解态的磷污染物。其具体计算公式为

(5)

(6)

式中:Cf为饵料系数,即投饵量与产鱼量之比,无量纲;Pfood为饵料的磷质量比,kg/t;Pfish为净产鱼的磷质量比,kg/t。

b. 排污系数法。污染源排污系数指单位水产养殖面积上所产生的污染物负荷量,水产养殖污染物年排放量为排污系数与养殖面积的乘积。张伟[10]在计算昆山市养殖业污染物排放量时,考虑到目前对湖泊高密度围养的排污系数尚未找到参考资料,将湖泊养殖排污情况参照内塘精养排污系数进行计算,根据一般水产养殖排污系数及养殖面积,求得一般水产养殖污染物年排放量。熊国中等[11]在对洱海湖滨区鱼塘污染状况的研究中,通过取样调查分析得各污染指标的排污系数及污染物负荷量。

2结果与分析

2.1纳污能力计算结果

长湖分区和水质监测点分布如图1所示,各分区CODMn、NH3-N纳污能力计算参数见表1,其中水深、各污染物浓度数据来源于荆州市水文水资源勘测局提供的2012年12月长湖水体水质枯季调查与监测评价数据,采用GIS进行长湖区域划分,得各分区水域面积,进而由面积和水深推求各分区水体体积,各分区污染物降解系数k(CODMn)和k(NH3-N)依据《全国地表水水环境容量核定技术复核要点》取值,水质控制目标按地表水Ⅲ类水质标准取值,即CODMn、NH3-N水质控制目标浓度分别为6mg/L、1.0mg/L,湖泊出湖水量Qa为6.2亿m3/a。长湖CODMn、NH3-N纳污能力计算过程见表2、表3。

图1　长湖水域分区及水质监测点分布

水域面积/km2水深/m体积/万m3ρ(CODMn)/(mg·L-1)ρ(NH3-N)/(mg·L-1)k(CODMn)k(NH3-N)庙湖5.152.11081.56.30.630.050.08海子湖9.892.22175.82.850.390.10.1拾桥河口27.492.46597.63.70.330.10.1长湖中部18.712.85238.83.20.670.10.08湖心40.722.811401.63.50.460.10.1后港13.983.04194.04.30.280.080.1毛李11.193.13468.93.70.400.10.1

表2　长湖COD Mn纳污能力计算过程　t/a

表3　NH 3- N纳污能力计算过程　t/a

由表2、表3计算可得长湖CODMn、NH3-N纳污能力分别为85231.45t/a、14955.71t/a,事实上,采用均匀混合方法计算出的纳污能力结果值偏大,一般偏不保守,故为了符合实际,需引入不均匀系数进行订正,《全国地表水水环境容量核定技术复核要点》中给出了明确的不均匀系数取值方法,本文中长湖不均匀系数取0.1,因此长湖CODMn纳污能力计算结果值为8523.15t/a、NH3-N纳污能力计算结果值为1495.57t/a。

由表2、表3可知,纳污能力计算过程中的第二项,即自净容量所占比重最大,分别占CODMn、NH3-N纳污能力的84.22%和80.28%。在空间分布上,长湖不同分区的纳污能力相差较大,其中大湖湖心的纳污能力最大,其次为拾桥河口水域,庙湖水域最小。

长湖TN、TP纳污能力计算采用的设计参数见表4,TN、TP水质控制目标按地表水Ⅲ类水质标准取值,即TN、TP水质控制目标质量浓度分别为1.0mg/L、0.05mg/L,分别采用狄龙(Dillon)模型和合田健模型,由式(2)~(4)计算得出长湖不同水位条件下年允许入湖TN、TP容量(表5)。从表5可知,由Dillon模型和合田健模型两种水质模型计算出来的TN、TP纳污能力相差不大,可以认为计算结果较为可靠。正常水位与最高水位条件下TN、TP纳污能力比较接近,仅相差2.1%～2.6%,最低水位下TN、TP纳污能力与正常水位相差较大,差幅约为27.0%～37.6%,说明低水位时随着水量增大,纳污能力明显增加,高水位时随着水量增大,纳污能力增加幅度相对较小。

表4　设计参数

表5　TN、TP纳污能力　t/a

2.2水产养殖污染负荷计算结果

长湖水产养殖可分为周边精养鱼塘、子湖围栏养殖，大湖围网(栏)养殖两部分。其中,长湖周边精养鱼塘、子湖围栏养殖面积为8.67km2,湖周边养鱼水深约2 m,鱼种以四大家鱼为主,河蟹占一定比例,湖边鱼塘和子湖养鱼投肥投饵很普遍,故精养鱼塘养殖产量很高,平均产鲜鱼量为1100kg/hm2;长湖大湖围网(栏)养殖面积达56.67km2,占长湖水面面积的46.3%,主要采取人工投种、以自然饵料资源为主的增殖方式,基本上不投饵、不投化肥。在养殖过程中,鱼虾所排泄的粪便、死鱼死虾等直接排入水体,产生大量的营养元素和有机物,成为长湖有机污染的主要污染源之一。同时,长湖湖内密布的网栏、围网,也阻碍了水体的自然流动,严重影响水体正常的稀释自净功能。

a. 周边精养鱼塘及子湖养鱼污染负荷量。长湖周边精养鱼塘和子湖养鱼所产生的COD、TN、TP污染负荷计算采用排污系数法,各项污染指标的排污系数参照文献[11]中的排污系数,即COD、TN、TP的排污系数分别为281714kg/km2、22276kg/km2、2565kg/km2;由于鱼种以四大家鱼为主,NH3-N污染负荷量的计算参考文献[12]中四大家鱼的污染物排放系数,即2.63kg/t。长湖周边精养鱼塘和子湖养鱼所产生的各项污染指标的负荷量计算结果如表6所示。

表6　周边精养鱼塘和子湖养鱼污染负荷量

注:表中养殖水面面积与年产量数据参考《湖北省长湖水利综合治理规划报告》,下同。

b. 大湖围网(栏)养殖污染负荷量。关于采用污染负荷率法计算水产养殖氮、磷污染物排放量的研究中,各研究中所采用的饵料系数、饵料中氮、磷含量和鱼体中氮、磷含量等参数略有差别,但总体相差不大。黄德祥等[13]取鱼类氮、磷含量分别为3%、0.6%,饲料氮、磷含量分别为5%、1%,当饲料系数为2时,每生产1kg鱼,要消耗2kg饲料,其中氮约100g,磷约20g,而1kg鱼体沉积的氮约为30g,磷为6g,因此,每生产1kg鱼,将有约70g氮和14g磷通过各种形式进入水体。黄文钰等[14-16]也都在各自的研究中采用了不同的污染负荷率。刘静静[17]依据2011年2—11月洪湖水产养殖的水质监测数据,采用排污系数和化学分析法估算了洪湖水产养殖污染负荷。由于洪湖与长湖都为四湖地区的大型天然湖泊,两湖地理位置相邻,水文气候条件相近,且都面临水产养殖污染严重的问题,因此本研究中长湖大湖围网(栏)养殖污染负荷率参考洪湖水产养殖污染负荷率,通过洪湖水产养殖各项污染指标的排放总量与鱼类总产量反推求得长湖大湖围网(栏)养殖的COD、NH3-N、TN、TP污染负荷质量比分别为93.979kg/t、1.956kg/t、6.367kg/t、0.307kg/t,并据此计算得长湖大湖围网(栏)养殖污染负荷量(表7)。

由计算所得的长湖周边精养鱼塘、子湖养鱼污染负荷量与长湖大湖水产养殖污染负荷量可得长湖水产养殖污染负荷总量(表8)。由表8可知,大湖围网(栏)养殖面积虽远大于湖周边精养鱼塘和子湖围栏面积,但其产生的污染负荷却低于湖周边精养鱼塘和子湖精养所产生的污染负荷,这主要是由于湖周边精养鱼塘及子湖精养养殖密度大,且在养殖过程中大量投饵,未被利用的饵料以及鱼类的排泄物进入水体,使得水体中污染物负荷量大大增加,而大湖围网(栏)养殖投饵量少,且养殖密度相对较小,所产生的污染物负荷量就相对较小。此外,由表6、表7可以得出,长湖水产养殖区域主要集中在沙洋县,其鱼产量占长湖总量的54.59%,养殖水面面积占长湖水产养殖总面积的53.03%,其次为沙市区,其鱼产量与养殖水面面积所占比例分别为32.62%、33.55%,荆州区所占比例最小,仅为12.79%、13.42%。

表7　大湖围网(栏)养殖污染负荷量

表8　长湖水产养殖污染负荷总量

将长湖各项污染指标的纳污能力与水产养殖污染负荷进行对比(表9)可知,由水产养殖产生的COD、TP污染负荷量在长湖纳污能力中占据相当大的比重,水产养殖对于长湖COD、TP污染贡献较大;由水产养殖产生的TN负荷占长湖TN纳污能力的14.49%,水产养殖对长湖TN污染有一定程度的贡献;而由水产养殖产生的NH3-N污染负荷量仅占长湖NH3-N纳污能力的3.48%,说明水产养殖基本不会造成NH3-N污染。由表8可知,长湖水产养殖所产生的污染负荷中65.58%的COD、68.98%的TN、84.18%的TP来源于湖边精养鱼塘和子湖养鱼,可见投肥投饵对于COD、TN、TP污染负荷的增加有很大的影响,因此,在养殖过程中减少投肥投饵是防止长湖COD、TN、TP污染的必要且有效的措施,对于保护长湖水环境具有重要的意义。此外,还需通过降低湖内养殖密度来减少水产养殖污染负荷量,以改善长湖水体环境。

表9　长湖纳污能力与水产养殖污染负荷对比 　t/a

3结论

a. 长湖CODMn、NH3-N、TN、TP的纳污能力分别为8523.15t/a、1495.57t/a、1932.70t/a、96.64t/a,由水产养殖所产生的COD、NH3-N、TN、TP污染负荷量分别为3724.10t/a、51.98t/a、279.96t/a、26.42t/a。

b. 水产养殖对长湖COD、TP污染贡献较大,且绝大部分的水产养殖COD、TN、TP污染负荷源于投肥投饵,因此减少投肥投饵是防止长湖有机污染和富营养化的有效措施。

c. 由于数据和计算方法等的限制,文中计算所得纳污能力无法体现其在时间上的动态性,因此在纳污能力的动态变化方面仍有待进一步研究;由于不均匀系数的取值对纳污能力计算结果影响很大,因此更加精确的不均匀系数取值对于准确计算纳污能力具有重要意义。

参考文献：

[1] 秦伯强,杨柳燕,陈非洲,等.湖泊富营养化发生机制与控制技术及其应用[J].科学通报,2006,51(16):1857-1866.(QIN Boqiang,YANG Liuyan,CHEN Feizhou,et al.Lake eutrophication mechanism and control technology and its application [J].Chinese Science Bulletin,2006,51(16):1857-1866.(in Chinese))

[2] 刘臣炜,汪德爟.湖泊富营养化内源污染的机理和控制技术研究[J].农业环境科学学报,2006,25(增刊):814-818.(LIU Chenwei,WANG Deguan.Principle and control of eutrophication for lakes polluted by internal origin [J].Journal of Agro-Environment Science,2006,25(S):814-818.(in Chinese))

[3] 孙亚敏,董曼玲,汪家权.内源污染对湖泊富营养化的作用及对策[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2000,23(2):210-213.(SUN Yamin,DONG Manling,WANG Jiaquan.Effects of internal pollution sources on the eutrophic lake and countermeasure [J].Journal of Hefei University of Technology: Natural Science,2000,23(2):210-213.(in Chinese))

[4] GB/T25173—2010水域纳污能力计算规程[S].

[5] 严平川.洪湖长湖污染源现状调查及生态环境保护措施[C]//湖北省水利学会.湖北省水利学会2003年学术年会论文集[C].武汉:湖北省水利学会,2003:2.

[6] 徐华.长湖水环境状况及原因分析[J].环境科学与技术,2011,34(12H):254-255.(XU Hua.The analysis on water environment status and the driving force of Changhu Lake [J].Environmental Science & Technology,2011,34(12H):254-255.(in Chinese))

[7] 李家科.博斯腾湖水环境容量及污染物排放总量控制研究[D].西安:西安理工大学,2004.

[8] 张丽.湖泊水环境容量研究:以洱海为例[D].云南:昆明理工大学,2008.

[9] 梁荫,施为光.黑龙滩水库网箱养鱼容量的探讨[J].重庆环境科学,1997,19(6):41-47.(LIANG Yin,SHI Weiguang.An approach of capacity of fish cage culture in the Heilongtan Reservoir[J].Chongqing Environmental Science,1997,19(6):41-47.(in Chinese))

[10] 张伟.昆山市养殖业污染状况及防治对策[J].污染防治技术,2002,15(2):60-62.(ZHANG Wei.Condition of pollution and countermeasures to breeding of Kunshan City [J].Pollution Control Technology,2002,15(2):60-62.(in Chinese))

[11] 熊国中,戴自福,沈兵.洱海湖滨区鱼塘污染状况调查研究[J].云南环境科学,2000,19(3):32-34.(XIONG Guozhong,DAI Zifu,SHEN Bing.Pollution in pounds at side of the Erhai Lake[J].Yunnan Environmental Science,2000,19(3):32-34.(in Chinese))

[12] 黄欢,汪小泉,韦肖杭,等.杭嘉湖地区淡水水产养殖污染物排放总量的研究[J].中国环境监测,2007,23(2):94-97.(HUANG Huan,WANG Xiaoquan,WEI Xiaohang,et al.An research on the quantity of discharged pollutant of freshwater breed aquatics in Hangjiahu area[J].Environmental Monitoring in China,2007,23(2):94-97.(in Chinese))

[13] 黄德祥,张继凯.论水域的渔业污染与自净[J].重庆水产,2003(4):29-32.(HUANG Dexiang,ZHANG Jikai.Discussion on waters fishery pollution and self-purification [J].Chongqing Fishery,2003(4):29-32.(in Chinese))

[14] 黄文钰,许朋柱,范成新.网围养殖对骆马湖水体富营养化的影响[J].农村生态环境,2002,18(1):22-25.(HUANG Wenyu,XU Pengzhu,FAN Chengxin.Effect of cage aquiculture on eutrophication in Luoma Lake[J].Journal of Ecology and Rural Environment,2002,18(1):22-25.(in Chinese))

[15] 黄小平,温伟英.上川岛公湾海域环境对其网箱养殖容量限制的研究[J].热带海洋,1998,17(4):57-64.(HUANG Xiaoping,WEN Weiying.A study on research of marine environment on capacity of cage-culture in Gongwan Bay[J].Tropic Oceanology,1998,17(4):57-64.(in Chinese))

[16] 张玉珍,洪华生,陈能汪,等.水产养殖氮磷污染负荷估算初探[J].厦门大学学报:自然科学版,2003,42(2):223-227.(ZHANG Yuzhen,HONG Huasheng,CHEN Nengwang,et al.Discussion on estimating nitrogen and phosphorus pollution loads in aquaculture[J].Journal of Xiamen University: Natural Science,2003,42(2):223-227.(in Chinese))

[17] 刘静静.江汉平原湖泊面源污染效应及调控机制研究[D].武汉:长江大学,2012.