景觀水體是城市水環(huán)境的重要組成部分，目前我國(guó)城市景觀水體普遍面臨污染負(fù)荷高、水體自凈能力差的問題，水體富營(yíng)養(yǎng)化和黑臭現(xiàn)象嚴(yán)重，而補(bǔ)水來源不足是造成這一問題的主要原因之一.采用城市污水廠處理出水作為水體補(bǔ)水水源成為不少城市解決景觀水體補(bǔ)水不足問題的重要舉措，尤其在干旱缺水地區(qū)，污水廠尾水成為一些景觀水體的唯一補(bǔ)水來源.然而，從水質(zhì)的角度來看，尾水的污染強(qiáng)度對(duì)水體水質(zhì)變化具有重要的影響，尾水水質(zhì)能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)A或一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，但作為水體的補(bǔ)水，這一水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》之間存在很大差異，以污水一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)與地表水V類水體標(biāo)準(zhǔn)相比，前者的TN和TP濃度分別是后者的7.5倍和2.5倍，也就是說，尾水補(bǔ)水很可能導(dǎo)致水體中營(yíng)養(yǎng)物的富集，造成水體藻類的過度繁殖（fán zhí）和富營(yíng)養(yǎng)化.因此，針對(duì)以尾水為補(bǔ)水的城市景觀水體，開展污染物的收支平衡分析(Analyse)，有利于理清水體污染物的輸入輸出關(guān)系和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，對(duì)開展水體水質(zhì)預(yù)測(cè)和富營(yíng)養(yǎng)化控制具有重要的意義.
翠湖位于昆明市中心，是昆明市重要的景觀水體，該湖歷史上曾是滇池的連通水體，后因水位下降成為獨(dú)立水面.翠湖水面面積為150000 m2，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，平均水深約1.2 m，蓄水量約為170000 m3.目前，翠湖補(bǔ)水來源包括尾水、降雨和公園地表徑流3個(gè)方面，其中，尾水補(bǔ)水量占總補(bǔ)水量的90%以上，該尾水來自于昆明市第四污水廠出水.現(xiàn)階段，翠湖呈現(xiàn)嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，初步分析，水中污染物來源于尾水補(bǔ)水、地表徑流和底泥釋放;另外，每年冬天到來年春天，都有大量的西伯利亞海鷗飛抵昆明過冬，主要棲息在翠湖公園內(nèi)，因此，海鷗的排泄物也是翠湖污染物的一個(gè)重要來源.本研究從物料平衡的角度，提出城市水體污染物凈積累模型并應(yīng)用于昆明翠湖的污染解析，在對(duì)污染物輸入輸出途徑進(jìn)行清單(detailed list)分析的基礎(chǔ)上，揭示不同途徑對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)率及主要污染物的凈積累特性，以此為基礎(chǔ)，提出翠湖水體污染控制的優(yōu)化策略(strategy)，以期為城市景觀水體的富營(yíng)養(yǎng)化控制提供新的分析方法和典型案例.
圖 1 昆明翠湖及采樣點(diǎn)示意圖
2 材料與方法
2.1 NPA模型的提出
為研究水體污染物的輸入輸出關(guān)系，提出如式所示的污染物凈積累評(píng)價(jià)指標(biāo).
式中，∑Mi為輸入感染物總量，∑Ni為輸出污染物總量，∑Si為自凈能力對(duì)污染物的降解總量，所有指標(biāo)的計(jì)算均以年為單位(unit).對(duì)于某個(gè)水體，如果計(jì)算得到NPA>0，說明該水體正處于污染物不斷富集的過程，NPA越大，污染物的富集程度越高;如果計(jì)算得到NPA≤0，說明污染物在該水體內(nèi)不存在富集現(xiàn)象，水體自凈能力發(fā)揮(表現(xiàn)出內(nèi)在的能力)了重要的污染物降解作用.
翠湖的污染物輸入途徑包括4個(gè)方面，其中，通過補(bǔ)水輸入污染物的途徑有：尾水補(bǔ)水、降雨補(bǔ)水和降雨在翠湖公園形成的徑流補(bǔ)水，與此同時(shí)，每年大量的海鷗排泄物也給翠湖貢獻(xiàn)了一定量的污染物.污染物輸出途徑也包括4個(gè)方面，都是通過水量的輸出途徑實(shí)現(xiàn)的，分別為水體排水、水面蒸發(fā)、灌溉用水、湖底滲漏.水體自凈包括3個(gè)方面，分別為物理自凈作用、化學(xué)自凈作用和生物化學(xué)自凈作用.
2.2 水量平衡
水量平衡是湖泊保持穩(wěn)定庫(kù)容的基本原則，除海鷗的排泄物輸入外，感染物的輸入和輸出都是通過水量的進(jìn)入和排出來實(shí)現(xiàn)的.因此，進(jìn)行污染物的輸入和輸出量計(jì)算之前，首先需要確定水量的輸入和輸出量.依據(jù)水量平衡原則，湖泊的輸入總水量和輸出總水量之間應(yīng)該滿足式的計(jì)算關(guān)系.
式中，∑Qi為輸入總水量，∑Ei為輸出總水量.其中，∑Qi可以通過式進(jìn)行計(jì)算，ΣEi可以通過式進(jìn)行計(jì)算.
式中，Q1為尾水補(bǔ)水量，Q2為降雨補(bǔ)水量，Q3為徑流補(bǔ)水量，q為尾水日補(bǔ)水量，T1為一年內(nèi)補(bǔ)水的天數(shù)，h為當(dāng)?shù)啬杲涤晟疃龋琖1為水面面積;λ為公園的徑流系數(shù)，W2為形成徑流的面積.
式中，E1為水體排水量，E2為水面蒸發(fā)量，E3灌溉用水量，E4湖底滲漏(seepage)水量，p為日排水量，T2為一年內(nèi)排水的天數(shù)，k為當(dāng)?shù)啬暾舭l(fā)系數(shù)，δ為公園澆灌定額，T3為一年內(nèi)澆灌的天數(shù)，ω為滲漏系數(shù).
2.3 污染物輸入輸出量計(jì)算
在水量平衡的基礎(chǔ)上，本文提出了如式和式所示的污染物輸入總量和輸出總量計(jì)算模型.
式中，c1為尾水中污染物濃度，c2為降雨中污染物濃度，c3為降雨徑流中污染物濃度，c為紅嘴鷗排泄物中相關(guān)污染物的含量，m為紅嘴鷗數(shù)量，t為每年紅嘴鷗的滯留時(shí)長(zhǎng).
式中，d1為排水中污染物濃度，d2為蒸發(fā)水中污染物濃度，d3為灌溉用水中污染物濃度，d4為滲漏水中污染物濃度.
2.4 水體自凈能力計(jì)算
通常來講，水體的自凈主要是由物理作用、化學(xué)作用和生物作用3種作用來實(shí)現(xiàn)的.本文研究的是翠湖整體，邊界是翠湖的物理邊界，因此，水體稀釋、沉淀等物理凈化屬于研究對(duì)象的內(nèi)部轉(zhuǎn)化.通過對(duì)水體中p
H、D
O、氧化還原電位的24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)這些指標(biāo)（target aim)值有明顯變化，因此，對(duì)于以氧化還原為主的化學(xué)凈化和要求厭氧條件的氮、磷微生物轉(zhuǎn)化作用可以認(rèn)為反應(yīng)速率很低.綜上，翠湖的自凈過程將主要通過水生動(dòng)、植物的吸收轉(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn).
經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，翠湖的水生植物主要為荷花，且每年冬天會(huì)定期對(duì)凋謝的荷花進(jìn)行打撈.而對(duì)于藻類而言，由于缺乏人工打撈，因此，藻類無法有效地去除，會(huì)繼續(xù)停留在湖體中;對(duì)于浮游動(dòng)物，由于數(shù)量很少，因此，凈化效果可忽略.翠湖的主要?jiǎng)游餅榫坝^鯉魚，而不是通常對(duì)水體凈化有明顯改善作用的鰱魚和鳙魚等濾食性魚類，且數(shù)量稀少，因此，魚類的凈化作用也很微小.所以本研究主要考慮水生植物對(duì)水體的自凈能力，式為自凈能力的計(jì)算模型.
式中，∑Si為通過生物自凈的感染物量，γi為第i種水生植物對(duì)水中污染物的凈化率，δi為第i種水生植物的種植面積，Hi為第i種植物的生長(zhǎng)周期，∑Mi為污染物年入湖總量.
2.5 污染物濃度分析檢測(cè)
選取CO
D、T
N、TP作為3個(gè)代表性污染物，其中，水樣中的COD采用重鉻酸鉀(Potassium)消解法檢測(cè)，TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法檢測(cè)，TP采用鉬銻抗分光光度法檢測(cè).針對(duì)海鷗排泄物中污染物濃度c的檢測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)采集具有代表性的海鷗糞便，將樣品混勻后置于烘箱內(nèi)干燥24 h，取適量樣品于研缽中進(jìn)行研磨，稱取一定量樣品，進(jìn)行CO
D、T
N、TP的檢測(cè).
按照每月1次的采樣頻率，在湖面選擇10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行代表性污染物的連續(xù)監(jiān)測(cè)，包括進(jìn)水點(diǎn)1個(gè)、排水點(diǎn)2個(gè)、湖心點(diǎn)3個(gè)、湖岸點(diǎn)2個(gè)、水生植物區(qū)2個(gè).由于翠湖屬于淺水湖泊，因此，每個(gè)采樣點(diǎn)均只采集水面及水面下0.5 m處水樣，取二者平均值（The average value)作為這一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染物濃度.
式和式中的c1采用進(jìn)水點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的年平均值，d1采用2個(gè)排水點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的年平均值;由于公園灌溉取水的分散性和水體下滲分布的均勻性，d3和d4采用湖水污染物年平均濃度，即水面其他7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的年平均值.此外，降雨中污染物濃度c2的測(cè)定，選擇不同場(chǎng)次降雨初期、中期和末期3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)代表性降水過程進(jìn)行采樣分析，取平均值作為降雨污染物濃度值.針對(duì)c3的確定，在雨季連續(xù)采集地表徑流水樣進(jìn)行主要污染物的檢測(cè).最后，自凈能力計(jì)算中，H1、δ1通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得出，γi則參照已有的關(guān)于荷花對(duì)污染物去除的相關(guān)文獻(xiàn)中的結(jié)果.
3 結(jié)果及分析
3.1 水量平衡結(jié)果
如前所述，污染物的輸入和輸出主要是通過水量的輸入和輸出來實(shí)現(xiàn)的，且輸入總量和輸出總量應(yīng)該滿足水量平衡關(guān)系，因此，首先需要利用式和式進(jìn)行輸入和輸出總水量的分析和計(jì)算.表 1為計(jì)算依據(jù)和計(jì)算結(jié)果，可以看出，在水量輸入中，尾水補(bǔ)水是翠湖水量輸入的主要途徑，占輸入總量的92%，徑流補(bǔ)水對(duì)水量輸入的貢獻(xiàn)率最小，僅為1.7%;在水量輸出中，水體排水和湖底滲漏是水量輸出的主要途徑，分別占輸出總水量的49%和41%，灌溉用水比例較小，僅占3%.另一方面，從水量平衡的結(jié)果看，輸入總水量和輸出總水量的差值為2857 m3 ? a-1，僅相當(dāng)于輸入和輸出總水量的0.2%，滿足了式的平衡關(guān)系，也就是說，在全年時(shí)間范圍內(nèi)，水量的輸入總量與輸出總量基本接近，這與翠湖水體庫(kù)容和水位多年保持不變的實(shí)際情況相符.同時(shí)也表明，水量計(jì)算中各變量的取值都是合理的，這為污染物的輸入和輸出總量的分析和計(jì)算奠定了基礎(chǔ).
表1 輸入和輸出水量計(jì)算與平衡分析結(jié)果
3.2 污染物收支計(jì)算結(jié)果
在水量平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)的不同污染源中3種代表性污染物的濃度和含量數(shù)據(jù)，利用式和式開展污染物輸入和輸出總量的計(jì)算，利用式進(jìn)行水體污染物自凈量的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表 2.
表2 污染物輸入和輸出計(jì)算及自凈量與積累分析結(jié)果
從結(jié)果可以看出，不同輸入途徑對(duì)水體污染物輸入的貢獻(xiàn)率不同，與此相對(duì)應(yīng)，不同輸出途徑對(duì)水體污染物輸出的貢獻(xiàn)率也不同.如圖 2所示，對(duì)于COD，在3種輸入途徑中，尾水補(bǔ)水的貢獻(xiàn)率最大，輸入COD量占輸入總量的96.1%，徑流補(bǔ)水和海鷗排泄的貢獻(xiàn)率相比很小;在4種輸出途徑中，水體排水和湖底滲漏的貢獻(xiàn)率較高，輸出COD量分別占輸出總量的57.0%和40.4%，灌溉用水的貢獻(xiàn)率相比很小.對(duì)于TN，在3種輸入途徑中，尾水補(bǔ)水的貢獻(xiàn)率最大，輸入TN量占輸入總量的94.3%，徑流補(bǔ)水和海鷗排泄的貢獻(xiàn)率相比很小;在4種輸出途徑中，水體排水和湖底滲漏的貢獻(xiàn)率較高，輸出TN量分別占輸出總量的52.2%和44.9%，灌溉用水的貢獻(xiàn)率相比很小.對(duì)于TP，在3種輸入途徑中，尾水補(bǔ)水并不是TP的唯一主要來源，尾水補(bǔ)水、徑流補(bǔ)水和海鷗排泄輸入TP量分別占輸入總量的39.7%、21.9%、38.4%;在4種輸出途徑中，水體排水和湖底滲漏的貢獻(xiàn)率較高，輸出TP量分別占輸出總量的51.4%和45.7%，灌溉用水的貢獻(xiàn)率相比很小.
圖 2 不同輸入輸出途徑對(duì)水中代表性污染物的貢獻(xiàn)
3.3 NPA計(jì)算結(jié)果
從表 2中污染物凈積累的計(jì)算結(jié)果可以看出，COD在水體內(nèi)的積累程度不嚴(yán)重，積累量為4027 kg ? a-1，僅占COD輸入總量的4.8%;TN在水體內(nèi)的積累程度最嚴(yán)重，積累量為8267 kg ? a-1，占TN輸入總量的42.9%，與輸出總量基本相當(dāng);TP在水體內(nèi)的積累程度也很嚴(yán)重，積累量為206 kg ? a-1，占TP輸入總量的39.0%.NPA的計(jì)算結(jié)果表明，翠湖水體中TN和TP的積累程度很高，這為水體中營(yíng)養(yǎng)物的富集和藻類的過度繁殖提供了條件，對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的控制非常不利.
圖 3 代表性污染物積累程度
3.4 優(yōu)化管理策略
基于以上分析結(jié)果，研究認(rèn)為，通過改變部分輸入輸出水量的方式來優(yōu)化（optimalize）湖泊的管理，從而減少感染物在水體中的積累，尤其是T
N、TP的積累.從污染物的輸入和輸出途徑來看，海鷗排泄和湖底滲漏是難以通過人為方式改變的途徑，尾水補(bǔ)水、徑流補(bǔ)水、水體排水和灌溉用水是可以人為調(diào)整的，但水量的調(diào)整需要滿足水量的平衡關(guān)系，而且為了保證水體的良好循環(huán)條件，不應(yīng)該大幅度改變水體現(xiàn)有的換水周期.從輸入和輸出途徑中污染濃度對(duì)NPA的貢獻(xiàn)分析，COD值在所有途徑中基本相同，在海鷗排泄物中的總量很小，因此，只要輸入總水量和輸出總水量保持平衡關(guān)系，COD的積累就能有效控制;尾水補(bǔ)水和徑流補(bǔ)水中的TN濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他途徑，且由于尾水補(bǔ)水總量大，導(dǎo)致了TN的大量積累;徑流補(bǔ)水中的TP濃度和海鷗排泄物TP含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他途徑，導(dǎo)致了TP的大量積累.
基于以上分析，本研究提出可通過3個(gè)方面的調(diào)整來進(jìn)行管理的優(yōu)化：
①截流雨季徑流直接用于公園灌溉澆灑，徑流雨水不再進(jìn)入水體;
②旱季公園灌溉改由尾水直接供應(yīng)，不再?gòu)暮腥∷?
③適當(dāng)調(diào)整尾水補(bǔ)水量.經(jīng)過優(yōu)化（optimalize）后，NPA計(jì)算結(jié)果見表 3.
表3 優(yōu)化管理后污染物的積累計(jì)算結(jié)果
從結(jié)果可以看出，采用優(yōu)化管理模式后，湖泊的換水周期經(jīng)過計(jì)算為38 d，與原有的36 d沒有明顯的變化，輸入和輸出總水量的平衡差值僅占輸入總水量的2%，基本符合水量平衡要求.與此相比，污染物的削減卻有顯著變化，COD減少了2587 kg ? a-1，減少64.2%，積累量占輸入量的1.8%;TN的NPA值減少了1093 kg ? a-1，且與輸入總量相比的積累比例降低到40.2%;TP積累現(xiàn)象得到明顯改善，NPA值減少了112 kg ? a-1，減少54.4%，與輸入總量相比的積累比例也大幅下降(descend)到23.1%.由此可見，通過優(yōu)化管理，能夠有效地緩解營(yíng)養(yǎng)物在水體的富集，減緩水體富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展趨勢(shì).具體參見污水寶商城資料或
4 結(jié)論
本研究選取具有代表性的昆明翠湖為研究對(duì)象，針對(duì)該湖泊尾水補(bǔ)水量大的典型特點(diǎn)，提出了以污染物凈積累為評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染物收支平衡分析方法，該方法將水量平衡作為基本原則，建立了污染物輸入和輸出總量的計(jì)算模型.計(jì)算結(jié)果表明，不同輸入和輸出途徑對(duì)水中污染物輸入和輸出的貢獻(xiàn)權(quán)重，顯示了代表性污染物在湖泊中的凈積累量和積累程度，揭示了TN和TP在翠湖水體嚴(yán)重積累的現(xiàn)象.基于計(jì)算結(jié)果，研究提出了翠湖水體的優(yōu)化管理策略，包括(bāo kuò)截流污染負(fù)荷高的降雨徑流、尾水直接用于公園灌溉和適度調(diào)整尾水補(bǔ)水總量，經(jīng)驗(yàn)證(Experimental)，該優(yōu)化策略可以實(shí)現(xiàn)代表性污染物NPA的大幅度削減，有效緩解水體的富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì).本研究為城市景觀水體的污染物積累分析提供了可操作性強(qiáng)的方法，為缺水城市景觀水體以污水廠尾水為補(bǔ)水條件下的污染物積累控制和優(yōu)化調(diào)控提供了典型案例.
