，，

(1.北京师范大学水科学研究院 地下水污染控制与修复教育部工程研究中心，北京 100875；2.国华卫星应用产业基金管理有限公司，北京 100044)

1 研究背景

洞庭湖作为长江流域重要的湿地生态系统[1-3]，发挥着涵养水源[4]、保持水土、调节气候、产品供给、栖息地维护[5]、污染物消纳等多种生态服务功能[6-7]。在生态优先绿色发展理念的指导下，充分利用洞庭湖的生态环境优势促进区域经济社会科学可持续发展，将绿水青山转化为金山银山是贯彻落实长江经济带“共抓大保护、不搞大开发”战略的重要举措[8]。东洞庭湖是国际重要湿地和国家级自然保护区，是洞庭湖泊群落中面积最大、保存最完好的天然季节性湖泊。开展东洞庭湖纳污能力研究[9-10]对维护和改善洞庭湖水环境质量具有重要的现实意义。

《水域纳污能力计算规程》(GB/T 25173—2010)[11]明确了水域污染物消纳能力的基本计算方法和参数指标。水域的纳污能力随着水文水质条件的变化而动态变化[12]，不同的水文水质条件对应着不同的水域纳污能力[13]。易波琳等[14]、宋求明等[15]、赖锡军等[16-17]以洞庭湖为研究区开展了湖泊水文模型研究，完善了湖泊水文模型的理论和方法。水位-面积-湖容关系模型可测算水域纳污能力计算所需的各参数，为计算不同水文、水质条件下水域纳污能力提供支撑[18]。本研究通过东洞庭湖水位-面积-湖容关系模型，计算不同水文水质条件对应的水域纳污能力，进而提出以维护更优水质和充分利用水域纳污能力为目标的污染物排放管控机制建议。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

东洞庭湖在长江中下游荆江江段南侧，地处湖南省东北部岳阳市境内，地理坐标介于112°43′E—113°14′E，29°00′N—29°38′N之间。东洞庭湖设有国家级自然保护区(见图1)，面积约1 563 km2。城陵矶水位35 m时，东洞庭湖水面面积达到1 332 km2,约占洞庭湖水面面积的50%，湖容119亿m3，占洞庭湖湖容的71%。洞庭湖北部三口分泄的长江流量，以及湘、资、沅、澧四水灌注的流量都经东洞庭湖调蓄，由城陵矶汇入长江。

图1 东洞庭湖自然保护区Fig.1 Nature reserve of East Dongting Lake

2.2 数据来源

2.2.1 MODIS遥感数据

本研究采用MODIS数据植被指数16 d合成MOD13Q1系列产品，时间范围为2003—2016年，空间分辨率250 m，有效影像322幅。遥感影像处理软件采用ENVI+IDL 4.7。

2.2.2 东洞庭湖水文、水质及污染物排放量数据

东洞庭湖水文数据采用长江水利委员会水文局中游局监测的2003—2016年岳阳、城陵矶、鹿角3个水文站的日均水位和流量数据。水质数据采用三峡工程生态环境监测系统洞庭湖江湖生态监测重点站监测的2010—2016年入湖及湖区各断面水质数据。污染物排放量数据源自2016年岳阳市环境统计数据。

2.3 研究方法

2.3.1 建立水位-面积-湖容模型

利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感数据的MOD13Q1系列产品的归一化植被指数(NDVI)、中红外波段(MIR)、红波段(RED)、近红外波段(NIR)等波段的波谱特征，结合东洞庭湖不同类型湿地的光谱特征，设定合理的各波段地表反射率阈值，利用基于MODIS数据的东洞庭湖湿地决策树分类方法[19-20]，对2003—2016年共322个时相的MOD13Q1遥感影像数据进行批量分类处理，得到2003—2016年系列的东洞庭湖水体湿地面积统计数据。通过水体面积和水位的相关性分析及回归分析，建立水位-面积-湖容关系模型。

2.3.2 水域纳污能力的计算方法

采用《水域纳污能力计算规程》推荐的污染物非均匀混合的大型湖泊纳污能力数学模型计算。

3 结果与分析

3.1 水位-面积-湖容模型

对2003—2016年东洞庭湖逐月水体湿地面积与城陵矶、岳阳、鹿角水文站月均水位数据进行相关性分析。结果表明，水体湿地面积与城陵矶、鹿角、岳阳3个水文站的水位数据呈极显著性相关关系，相关系数分别为0.900,0.889,0.900。以相关性较高的城陵矶水文站水位(Z城陵矶)、岳阳水文站水位(Z岳阳)为自变量，以东洞庭水体面积(S)为因变量，分别开展回归分析(如式(1)、式(2))。选择拟合系数相对较高的岳阳水位为东洞庭湖的代表水位，建立东洞庭湖水位-面积关系(式(2))，进而建立东洞庭湖水位-湖容(V)关系(式(3))。

R2=0.872 1 ;

(1)

R2=0.872 3 ;

(2)

1.476 9Z3-82.555Z2+1 653.3Z。

(3)

3.2 纳污能力计算参数

根据《水域纳污能力计算规程》明确的公式(式(4))，计算不同水文条件对应的Cs，C0，K，hL，r，Φ等测算参数。

(4)

式中：M为水域纳污能力;Cs为水质目标浓度；C0为东洞庭湖入湖口处的污染物浓度；K为污染物综合衰减系数；Φ为扩散角;hL为扩展区湖平均水深；r为水域外边界到入河排污口的距离；Qp为废污水排放量。

根据《湖南省水功能区划》，洞庭湖全湖Cs按照III类标准控制，即COD浓度标准为20 mg/L、氨氮浓度标准为1.0 mg/L；C0由入湖断面水质监测数据获得；K可通过经验公式K=10.3Q-0.49计算得到，其中Q为入湖流量。不同流量对应的污染物综合衰减系数见表1。

表1 不同流量对应的污染物综合衰减系数Table 1 Comprehensive attenuation coefficient of pollutants corresponding to different flow rates

根据东洞庭湖水位-面积-湖容模型(式(2)、式(3))，计算不同水位条件下湖泊水体的面积和湖容，从而计算得到不同水位条件下的湖平均水深hL(见表2)；假设东洞庭湖为圆形水域，不同水位形成不同半径的同心圆水域，不同水位对应的水域半径可通过东洞庭湖水位-面积模型(式(2))计算得到。水域外边界到入河排污口的距离r可通过东洞庭湖最高水位(35 m)时湖泊的半径与特定水位时的湖泊半径的差值计算得到(见表2)。

表2 不同水位对应的hL和r值Table 2 Values of hL and r at different water levels

排污口在湖泊周边垂直排放时，扩散角Φ=π。通过调查岳阳市2016年环境统计数据[21]计算得到废污水排放量Qp为52.71 m3/s。

3.3 不同水文水质条件下的纳污能力

3.3.1 不同水文条件下的纳污能力系数

在不考虑入湖水质的情况下，将前文确定的各项指标的数值输入到式(5)中，计算不同水位、流量条件下东洞庭湖的水域纳污能力系数λ，如图2。

(5)

图2 东洞庭湖不同水文条件下水域纳污能力系数λFig.2 Coefficient of pollutant absorption capacity in different hydrological conditions

3.3.2 不同水文水质条件下的纳污能力

特定水位、流量、水质条件下，水域纳污能力系数λ乘以当前入湖水质浓度与水功能区目标浓度的差值(Cs-C0)即为水域的纳污能力M。东洞庭湖最不利水文(水位34 m、流量2 000 m3/s)、水质(COD浓度13.43 mg/L、氨氮浓度0.98 mg/L)条件下，COD纳污能力为14 200 g/s，大于2016年岳阳市COD排放强度1 837 g/s，不存在水质超标风险；氨氮纳污能力为43 g/s，小于氨氮排放强度275 g/s，氨氮水质超标。

在入湖氨氮浓度达标(<1 mg/L)的前提下，测算不同入湖浓度条件下湖泊的动态纳污能力，对比2016年氨氮排放强度，明确纳污能力小于排放强度的水位、流量和入湖浓度条件，绘制出导致东洞庭湖氨氮超标的水位、流量、入湖浓度汇总表(表3)。其中，空白单元格表示在对应的水位、流量条件下，东洞庭湖氨氮达标；有数字的单元格表示在对应的水位、流量条件下，若入湖氨氮浓度大于等于单元格内的数值，氨氮超标，若入湖氨氮浓度小于该数值，则氨氮达标。由表3可知，当入湖氨氮浓度<0.95 mg/L时，东洞庭湖氨氮不存在超标风险。

4 结论与建议

湖泊水位-面积-湖容关系模型可为测算不同水文水质条件下的湖泊动态纳污能力提供支撑。根据不同水文条件下湖泊的污染物综合衰减系数、平均水深、水域外边界到入河排污口的距离等参数，结合排污方式、入湖断面污染物浓度等数据，利用水域纳污能力计算公式，可计算得到不同水文水质条件下湖泊对污染物的消纳能力。

根据水文水质条件动态确定水域纳污能力，优化污染物排放机制。水域的纳污能力因水文水质条件的变化而动态变化。随着海绵城市、污水资源化等理念和技术的发展和应用，污染物的分时、定量排放已经可以实现。建议以坚守水环境质量底线为原则，根据水域纳污能力动态设定污染物排放的限制条件，科学利用水环境容量。同时，根据实时水文、水质条件及污染物排放量预测评估水域水质超标风险。

表3 导致东洞庭湖氨氮超标的水位、流量、入湖浓度Table 3 Hydrological and water quality conditions which would result in the standard-exceeding of ammonia-nitrogen

注：空白单元格为纳污能力大于排放强度，水质达标；有数字的单元格为纳污能力小于排放强度，水质超标

将入湖氨氮浓度削减至0.95 mg/L以下，以保证洞庭湖水质达标。根据计算结果，在2016年排放水平下，COD不存在水质超标风险。当入湖氨氮浓度>0.95 mg/L时，部分水文条件下的水域纳污能力小于当前氨氮排放强度，湖泊水质存在超标风险。因此，建议东洞庭湖水污染防治应重点关注氨氮排放量的削减，将入湖的氨氮浓度削减至0.95 mg/L以下。