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文檔簡介
長湖納污能力及水產(chǎn)養(yǎng)殖污'染負梁秀;張翔瀏建峰;朱志龍【摘要】以CODMn、NH3-N、TN、TP作為污染指標,采用湖庫均勻混合模型、狄龍模型和合田健模型對長湖納污能力進行計算,并針對目前長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖污染較重的特點,采用排污系數(shù)法、污染負荷率法對長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷進行估算。結(jié)果表明:長湖CODMn、NH3-N、TN、TP的納污能力分別為8523.15t/a、1495.57t/a、1932.70t/a、96.64t/a,長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖所產(chǎn)生的COD、NH3-N、TN、TP污染負荷量分別為3724.10t/a、51.98t/a、279.96t/a、26.42t/a。水產(chǎn)養(yǎng)殖對于長湖COD、TP的污染貢獻較大是導致長湖有機污染和富營養(yǎng)化的一個重要污染源。%ChoosingCODMn,NH3-N,TNandTPasthepollutionindicators,wecalculatedthepermissiblepollutionbearingcapacityofChanghuLakebyusinguniformmixturemodel,DillionmodelandHetianjianmodel.AndinviewofthecurrentcharacteristicsoftheseriousaquaculturepollutioninChanghuLake,weevaluatedtheaquaculturepollutionloadbythemethodofpollutiondischargecoefficientandpollutionloadratio.TheresultsindicatedthatthepermissiblepollutionbearingcapacityofCODMn,NH3-N,TNandTPwere8523.15t-a-1,1495.57t?a-1,1932.70t?a-1and96.64t?a-1,respectively;TheaquaculturepollutionloadofCOD,NH3-N,TNandTPwere3724.10t-a-1,279.96t-a-1,26.42t-a-1and51.98t-a-1,respectively.AquacultureproducesignificantamountofCODandTPpollutiontoChanghuLakeandisanimportantpollutionsourceoforganicpollutionandeutrophication.【期刊名稱】《水資源保護》【年(卷),期】2015(000)003【總頁數(shù)】6頁(P78-83)【關(guān)鍵詞】納污能力;均勻混合模型;狄龍模型;水產(chǎn)養(yǎng)殖;污染負荷;長湖【作者】梁秀漲翔瀏建峰;朱志龍【作者單位】武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北武漢430072;武漢大學水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北武漢430072;武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北武漢430072;武漢大學水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北武漢430072;武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北武漢430072;武漢大學水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北武漢430072;湖北省水文水資源局,湖北武漢430070【正文語種】中文[中圖分類】X32通信作者:張翔,教授。E-mail:.cnKeywords:permissiblepollutionbearingcapacity;uniformmixturemodel;Dillionmodel;aquaculture;pollutionload;ChanghuLake中國是一個多湖泊的國家,湖泊分布廣泛、類型多樣、成因復雜。作為一種寶貴的自然資源,湖泊具有供水、調(diào)節(jié)徑流、涵養(yǎng)水源、維持生物多樣性、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、養(yǎng)殖水產(chǎn)、休閑娛樂等多方面功能與價值,在經(jīng)濟社會的發(fā)展中發(fā)揮了不可替代的重要作用,因此,湖泊的生態(tài)健康與安全是我國社會、經(jīng)濟發(fā)展的重要保障。但近年來,隨著人類活動的加劇,湖泊水環(huán)境污染問題日益突出。目前湖泊所面臨的環(huán)境問題主要有:富營養(yǎng)化、水質(zhì)惡化、淤積或萎縮、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能退化、干旱地區(qū)湖泊咸化等[1-3]。面對日益嚴峻的環(huán)境問題,2011年中央1號文件要求實施最嚴格水資源管理制度,提出了〃三條紅線”的管理目標,水功能區(qū)限制納污便是其中之一,限制納污必須要計算出水域納污能力。水域納污能力(permissiblepollutionbearingcapacityofwaterbodies)是指在設(shè)計水文條件下,滿足計算水域的水質(zhì)目標要求時,該水域所能容納的某種污染物的最大數(shù)量[4]??茖W合理地計算湖泊的納污能力,是制定湖泊水污染總量控制方案的科學依據(jù)和實現(xiàn)湖泊水環(huán)境污染防治的重要基礎(chǔ),對湖泊水資源管理和湖泊所在流域的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。本文所選研究區(qū)為湖北省第三大淡水湖——長湖,據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,長湖目前水產(chǎn)養(yǎng)殖面積超過水域面積50%,以圍網(wǎng)養(yǎng)殖為主,圍網(wǎng)養(yǎng)殖的副產(chǎn)物會導致水體有機污染,使水色變差,并產(chǎn)生惡臭,近幾年長湖水體質(zhì)量下降與湖泊養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展密切相關(guān)[5-6]。因此,本文在計算長湖CODMn、NH3-N、TN、TP等指標的納污能力的同時,還對由長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的COD、NH3-N、TN、TP污染負荷進行了估算。其中CODMn和COD均為表示水體中有機物相對含量的指標,指在一定條件下,分別以高錳酸鉀和重鉻酸鉀為氧化劑氧化1L水樣中還原性物質(zhì)(一般為有機物)所消耗的氧量,本文中采用CODMn來表示水體中有機污染物的納污能力,而由于大部分關(guān)于水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷的研究中都采用COD來表示有機物污染負荷,因此本文中水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷估算也采用COD來定量表示有機物污染負荷。1.1研究區(qū)域長湖位于荊州市東北郊,為跨市湖泊,跨荊州、荊門、潛江三市地處長江、漢江之間的江漢平原腹地,為一個四周全是堤渠的獨特湖泊,是四湖水系(長湖、三湖、白露湖和洪湖,其中三湖和白湖已基本消亡)上、中區(qū)交匯處的主要調(diào)蓄湖泊。長湖由廟湖、海子湖及長湖本體組成,主要承納太湖港、龍會橋河、夏橋河、拾橋河、唐林河、龍垱河等主要支流的來水,水面面積為122~150km平均湖容積2.71億m平均水深2.1m,屬大型淺水湖泊,東西最大湖長為42.8km,南北最大湖寬8.9km,岸線長237km。長湖流域地處中緯度南部,屬于亞熱帶季風濕潤氣候,具有雨熱同季,四季分明,雨量豐沛,光照充足,氣候溫和,無霜期長的特點,流域承雨面積為2265.4km2。特定的地理位置及水文氣象特點使長湖具有重要的蓄洪、灌溉、養(yǎng)殖、航運、旅游、濕地保護等綜合功能,是江漢地區(qū)著名的平原水庫,在湖北省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中起著十分重要的作用。1.2研究方法1.2.1CODMn、NH3-N納污能力計算模型長湖為大型淺水湖泊,寬深比很大,且湖汊眾多,進入湖泊的污染物質(zhì)很難在短時間內(nèi)均勻混合,水質(zhì)在空間分布上差異較大,不同區(qū)域的污染物綜合降解系數(shù)等參數(shù)也不同,因此在進行長湖納污能力計算時,需對長湖進行分區(qū),本文根據(jù)長湖自然形態(tài)特征和污染源分布特征,將長湖劃分為7個計算分區(qū),假設(shè)每個分區(qū)湖水是均勻混合的,采用式(1)[7-8]所示模型計算各個分區(qū)的CODMn、NH3-N納污能力,各個分區(qū)的納污能力之和就是整個湖泊的納污能力。由于實際上各區(qū)水質(zhì)不能完全達到均勻混合,因而納污能力計算結(jié)果值將偏大,擬采用不均勻系數(shù)對結(jié)果進行訂正。式中:W為湖泊中污染物的最高允許排放量,即納污能力,t/a;At為湖泊維持其設(shè)計安全水量的天數(shù),可按30d計;Ps為湖泊水環(huán)境質(zhì)量標準,mg/L;P0為湖泊背景質(zhì)量濃度值或起始時期實測污染物質(zhì)量濃度值,mg/L;V為設(shè)計水文條件下的湖庫容積,m3;Qa為年出湖水量,m3/a;k為污染物降解系數(shù),d-1。1.2.2TP、TN納污能力計算模型Dillon模型。長湖現(xiàn)狀的營養(yǎng)程度為中度富營養(yǎng)化,應選擇淺水湖庫氮磷水質(zhì)模型計算長湖總磷(氮)納污能力。因此,長湖流域水體總磷(氮)納污能力可以采用Dillon模型計算,該模型計算公式為式中:W'為湖(庫)磷(氮)的納污能力,s為磷(氮)控制目標濃度,mg/L;A為湖(庫)水面面積,m2;Rp為磷(氮)在湖(庫)中的滯留系數(shù),a-1;Z為湖(庫)平均深度,m。合田健模型。長湖流域水體總磷(氮)環(huán)境容量也可以采用合田健模型計算,該模型計算式為1.2.3水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷計算方法估算水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放量的方法很多,目前國內(nèi)外學者采用的方法主要有化學分析法、竹內(nèi)俊郎法及其同類方法、物料平衡法、湖泊水庫箱式模型法、污染負荷率法和排污系數(shù)法等,大部分估算方法都是針對氮磷污染。由于各種方法的計算思路不同、所考慮的因素存在差異,且估算方法本身也因參數(shù)等的選擇而具有一定的誤差,所以各種方法估算出的污染物負荷量也會有所偏差。在進行長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物負荷量的計算時,綜合考慮所獲資料的有限性和盡可能真實地反映長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染狀況,本研究采用排污系數(shù)法和污染負荷率法對長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖各項污染物指標進行計算。a.污染負荷率法。水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷率是指生產(chǎn)1kg(或t)魚產(chǎn)生的某元素的污染負荷。其理論計算值等于餌料中含有的某元素量減去魚體中該元素含量。梁蔭等[9]運用此法計算了黑龍灘水庫網(wǎng)箱養(yǎng)魚污染負荷量。以P為例,網(wǎng)箱養(yǎng)魚TP負荷量WTP等于污染負荷率fP乘以水庫網(wǎng)箱養(yǎng)魚凈產(chǎn)量Y,包括固體態(tài)和溶解態(tài)的磷污染物。其具體計算公式為式中:Cf為餌料系數(shù),即投餌量與產(chǎn)魚量之比,無量綱;Pfood為餌料的磷質(zhì)量比,kg/t;Pfish為凈產(chǎn)魚的磷質(zhì)量比,kg/t。b.排污系數(shù)法。污染源排污系數(shù)指單位水產(chǎn)養(yǎng)殖面積上所產(chǎn)生的污染物負荷量,水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物年排放量為排污系數(shù)與養(yǎng)殖面積的乘積。張偉[10]在計算昆山市養(yǎng)殖業(yè)污染物排放量時,考慮到目前對湖泊高密度圍養(yǎng)的排污系數(shù)尚未找到參考資料,將湖泊養(yǎng)殖排污情況參照內(nèi)塘精養(yǎng)排污系數(shù)進行計算,根據(jù)一般水產(chǎn)養(yǎng)殖排污系數(shù)及養(yǎng)殖面積,求得一般水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物年排放量。熊國中等[11]在對洱海湖濱區(qū)魚塘污染狀況的研究中,通過取樣調(diào)查分析得各污染指標的排污系數(shù)及污染物負荷量。2.1納污能力計算結(jié)果長湖分區(qū)和水質(zhì)監(jiān)測點分布如圖1所示,各分區(qū)CODMn、NH3-N納污能力計算參數(shù)見表1,其中水深、各污染物濃度數(shù)據(jù)來源于荊州市水文水資源勘測局提供的2012年12月長湖水體水質(zhì)枯季調(diào)查與監(jiān)測評價數(shù)據(jù),采用GIS進行長湖區(qū)域劃分,得各分區(qū)水域面積,進而由面積和水深推求各分區(qū)水體體積,各分區(qū)污染物降解系數(shù)k(CODMn)和k(NH3-N)依據(jù)《全國地表水水環(huán)境容量核定技術(shù)復核要點》取值,水質(zhì)控制目標按地表水B類水質(zhì)標準取值,即CODMn、NH3-N水質(zhì)控制目標濃度分別為6mg/L、1.0mg/L,湖泊出湖水量Qa為6.2億m3/a。長湖CODMn、NH3-N納污能力計算過程見表2、表3。由表2、表3計算可得長湖CODMn、NH3-N納污能力分別為85231.45t/a、14955.71t/a,事實上,采用均勻混合方法計算出的納污能力結(jié)果值偏大,一般偏不保守,故為了符合實際,需引入不均勻系數(shù)進行訂正,《全國地表水水環(huán)境容量核定技術(shù)復核要點》中給出了明確的不均勻系數(shù)取值方法,本文中長湖不均勻系數(shù)取0.1,因此長湖CODMn納污能力計算結(jié)果值為8523.15t/a、NH3-N納污能力計算結(jié)果值為1495.57t/a。由表2、表3可知,納污能力計算過程中的第二項,即自凈容量所占比重最大,分別占CODMn、NH3-N納污能力的84.22%和80.28%。在空間分布上,長湖不同分區(qū)的納污能力相差較大,其中大湖湖心的納污能力最大,其次為拾橋河口水域,廟湖水域最小。長湖TN、TP納污能力計算采用的設(shè)計參數(shù)見表4,TN、TP水質(zhì)控制目標按地表水B類水質(zhì)標準取值,即TN、TP水質(zhì)控制目標質(zhì)量濃度分別為1.0mg/L、0.05mg/L,分別采用狄龍(Dillon)模型和合田健模型,由式(2)~(4)計算得出長湖不同水位條件下年允許入湖TN、TP容量(表5)。從表5可知,由Dillon模型和合田健模型兩種水質(zhì)模型計算出來的TN、TP納污能力相差不大,可以認為計算結(jié)果較為可靠。正常水位與最高水位條件下TN、TP納污能力比較接近,僅相差2.1%-2.6%,最低水位下TN、TP納污能力與正常水位相差較大,差幅約為27.0%~37.6%,說明低水位時隨著水量增大,納污能力明顯增加,高水位時隨著水量增大,納污能力增加幅度相對較小。2.2水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷計算結(jié)果長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖可分為周邊精養(yǎng)魚塘、子湖圍欄養(yǎng)殖,大湖圍網(wǎng)(欄)養(yǎng)殖兩部分。其中,長湖周邊精養(yǎng)魚塘、子湖圍欄養(yǎng)殖面積為8.67km2,湖周邊養(yǎng)魚水深約2m,魚種以四大家魚為主,河蟹占一定比例,湖邊魚塘和子湖養(yǎng)魚投肥投餌很普遍,故精養(yǎng)魚塘養(yǎng)殖產(chǎn)量很高,平均產(chǎn)鮮魚量為1100kg/hm2;長湖大湖圍網(wǎng)(欄)養(yǎng)殖面積達56.67km2,占長湖水面面積的46.3%,主要采取人工投種、以自然餌料資源為主的增殖方式,基本上不投餌、不投化肥。在養(yǎng)殖過程中,魚蝦所排泄的糞便、死魚死蝦等直接排入水體,產(chǎn)生大量的營養(yǎng)元素和有機物,成為長湖有機污染的主要污染源之一。同時,長湖湖內(nèi)密布的網(wǎng)欄、圍網(wǎng),也阻礙了水體的自然流動,嚴重影響水體正常的稀釋自凈功能。周邊精養(yǎng)魚塘及子湖養(yǎng)魚污染負荷量。長湖周邊精養(yǎng)魚塘和子湖養(yǎng)魚所產(chǎn)生的COD、TN、TP污染負荷計算采用排污系數(shù)法,各項污染指標的排污系數(shù)參照文獻[11]中的排污系數(shù),即COD、TN、TP的排污系數(shù)分別為281714kg/km2、22276kg/km2、2565kg/km2;由于魚種以四大家魚為主,NH3-N污染負荷量的計算參考文獻[12]中四大家魚的污染物排放系數(shù),即2.63kg/t。長湖周邊精養(yǎng)魚塘和子湖養(yǎng)魚所產(chǎn)生的各項污染指標的負荷量計算結(jié)果如表6所示。大湖圍網(wǎng)(欄)養(yǎng)殖污染負荷量。關(guān)于采用污染負荷率法計算水產(chǎn)養(yǎng)殖氮、磷污染物排放量的研究中,各研究中所采用的餌料系數(shù)、餌料中氮、磷含量和魚體中氮、磷含量等參數(shù)略有差別,但總體相差不大。黃德祥等[13]取魚類氮、磷含量分別為3%、0.6%,飼料氮、磷含量分別為5%、1%,當飼料系數(shù)為2時,每生產(chǎn)1kg魚,要消耗2kg飼料,其中氮約100g,磷約20g,而1kg魚體沉積的氮約為30g,磷為6g,因此,每生產(chǎn)1kg魚,將有約70g氮和14g磷通過各種形式進入水體。黃文鈺等[14-16]也都在各自的研究中采用了不同的污染負荷率。劉靜靜[17]依據(jù)2011年2—11月洪湖水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),采用排污系數(shù)和化學分析法估算了洪湖水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷。由于洪湖與長湖都為四湖地區(qū)的大型天然湖泊,兩湖地理位置相鄰,水文氣候條件相近,且都面臨水產(chǎn)養(yǎng)殖污染嚴重的問題,因此本研究中長湖大湖圍網(wǎng)(欄)養(yǎng)殖污染負荷率參考洪湖水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷率,通過洪湖水產(chǎn)養(yǎng)殖各項污染指標的排放總量與魚類總產(chǎn)量反推求得長湖大湖圍網(wǎng)(欄)養(yǎng)殖的COD.NH3-N、TN、TP污染負荷質(zhì)量比分別為93.979kg/t、1.956kg/t、6.367kg/t、0.307kg/t,并據(jù)此計算得長湖大湖圍網(wǎng)(欄)養(yǎng)殖污染負荷量(表7)。由計算所得的長湖周邊精養(yǎng)魚塘、子湖養(yǎng)魚污染負荷量與長湖大湖水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷量可得長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷總量(表8)。由表8可知,大湖圍網(wǎng)(欄)養(yǎng)殖面積雖遠大于湖周邊精養(yǎng)魚塘和子湖圍欄面積,但其產(chǎn)生的污染負荷卻低于湖周邊精養(yǎng)魚塘和子湖精養(yǎng)所產(chǎn)生的污染負荷,這主要是由于湖周邊精養(yǎng)魚塘及子湖精養(yǎng)養(yǎng)殖密度大,且在養(yǎng)殖過程中大量投餌,未被利用的餌料以及魚類的排泄物進入水體,使得水體中污染物負荷量大大增加,而大湖圍網(wǎng)(欄)養(yǎng)殖投餌量少,且養(yǎng)殖密度相對較小,所產(chǎn)生的污染物負荷量就相對較小。此外,由表6、表7可以得出,長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域主要集中在沙洋縣,其魚產(chǎn)量占長湖總量的54.59%,養(yǎng)殖水面面積占長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖總面積的53.03%,其次為沙市區(qū),其魚產(chǎn)量與養(yǎng)殖水面面積所占比例分別為32.62%、33.55%,荊州區(qū)所占比例最小,僅為12.79%、13.42%。將長湖各項污染指標的納污能力與水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷進行對比(表9)可知,由水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的COD、TP污染負荷量在長湖納污能力中占據(jù)相當大的比重,水產(chǎn)養(yǎng)殖對于長湖COD、TP污染貢獻較大;由水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的TN負荷占長湖TN納污能力的14.49%,水產(chǎn)養(yǎng)殖對長湖TN污染有一定程度的貢獻;而由水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的NH3-N污染負荷量僅占長湖NH3-N納污能力的3.48%,說明水產(chǎn)養(yǎng)殖基本不會造成NH3-N污染。由表8可知,長湖水產(chǎn)養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污染負荷中65.58%的COD、68.98%的TN、84.18%的TP來源于湖邊精養(yǎng)魚塘和子湖養(yǎng)魚,可見投肥投餌對于COD、TN、TP污染負荷的增加有很大的影響,因此,在養(yǎng)殖過程中減少投肥投餌是防止長湖COD、TN、TP污染的必要且有效的措施,對于保護長湖水環(huán)境具有重要的意義。此外,還需通過降低湖內(nèi)養(yǎng)殖密度來減少水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷量,以改善長湖水體環(huán)境。a.長湖CODMn、NH3-N、TN、TP的納污能力分別為8523.15t/a、1495.57t/a、1932.70t/a、96.64t/a,由水產(chǎn)養(yǎng)殖所產(chǎn)生的COD、NH3-N、TN、TP污染負荷量分別為3724.10t/a、51.98t/a、279.96t/a、26.42t/a。水產(chǎn)養(yǎng)殖對長湖COD、TP污染貢獻較大,且絕大部分的水產(chǎn)養(yǎng)殖COD、TN、TP污染負荷源于投肥投餌,因此減少投肥投餌是防止長湖有機污染和富營養(yǎng)化的有效措施。由于數(shù)據(jù)和計算方法等的限制,文中計算所得納污能力無法體現(xiàn)其在時間上的動態(tài)性,因此在納污能力的動態(tài)變化方面仍有待進一步研究;由于不均勻系數(shù)的取值對納污能力計算結(jié)果影響很大,因此更加精確的不均勻系數(shù)取值對于準確計算納污能力具有重要意義。秦伯強,楊柳燕,陳非洲,等.湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生機制與控制技術(shù)及其應用[J].科學通報,2006,51(16):1857-1866.(QINBoqiang,YANGLiuyan,CHENFeizhou,etal.Lakeeutrophicationmechanismandcontroltechnologyanditsapplication[J].ChineseScienceBulletin,2006,51(16):1857-1866.(inChinese))劉臣煒,汪德爟.湖泊富營養(yǎng)化內(nèi)源污染的機理和控制技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2006,25(增刊):814-818.(LIUChenwei,WANGDeguan.Principleandcontrolofeutrophicationforlakespollutedbyinternalorigin[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2006,25(S):8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