南湖污染源解析與污染負(fù)荷核算

秦柳，朱江龍，龔匯泉，王敏，陳默

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益凸顯，人們的生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念也逐漸增強(qiáng)，水生態(tài)作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容[1-2]，在我國“十三五”規(guī)劃中提出了明確的要求和期望.水污染源主要分為點源污染和非點源污染，準(zhǔn)確識別污染源，開展污染負(fù)荷調(diào)查有利于有效根治水環(huán)境[3-5].武漢作為“百湖之市”，近年來，高度重視湖泊保護(hù)工作，提出要通過系統(tǒng)治水、科學(xué)治水、依法治水，變城市水優(yōu)勢為發(fā)展優(yōu)勢和競爭優(yōu)勢，讓武漢人民共享治水發(fā)展成果，打造濱水生態(tài)綠城.2017年3月，武漢市市委市政府發(fā)布《武漢市“四水共治”工作方案(2017—2021年)》[6]，明確指出南湖是武漢市“四水共治”行動計劃中需要優(yōu)先實施水環(huán)境提升的水體，其水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)為地表水Ⅳ類.然而《武漢市環(huán)境質(zhì)量公報》顯示，2007—2018年，南湖水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果為劣Ⅴ類，COD、氨氮、總磷等指標(biāo)均有超標(biāo)現(xiàn)象，亟需改善.然而南湖面積廣，岸線長，污染源種類多，成分復(fù)雜，有必要對南湖進(jìn)行污染源解析，找出主要污染來源，確定優(yōu)先治理目標(biāo)，從而為南湖水環(huán)境保護(hù)與污染物排放總量控制提供科學(xué)依據(jù)和治理方向.

1 區(qū)域概況

南湖位于武漢市武昌南部，為武漢市中心城區(qū)的主要湖泊之一，介于東經(jīng)114°20′～114°23′，北緯30°28′～30°30′之間，橫跨武漢市洪山區(qū)和東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)，屬于湯遜湖水系.南湖常水位18.65 m，最高水位19.65 m，湖泊水域面積767.4 hm2，岸線長度約23 km，容積約2.052×106m3，匯水范圍37.44 km2(圖1).按照地表水環(huán)境功能類別，南湖執(zhí)行地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，但是據(jù)武漢市環(huán)境監(jiān)測中心的監(jiān)測數(shù)據(jù)，南湖水質(zhì)常年處于Ⅴ類或劣Ⅴ類.

圖1 南湖匯水區(qū)范圍示意圖

2 污染源解析與污染負(fù)荷核算

2.1 點源入湖污染量核算南湖沿線排口一共212個，根據(jù)排口規(guī)模和排水來源歸為9類，分別為大流量重點排口(15個)、小流量排口(41個)、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水排口(5個)、水下排水管(1個)、半淹沒管排口(17個)、入湖支流水體排口(3個)、常水位以下污水滲漏處(7個)、雨水排口(118個)、閘口(5個)，詳見圖2.

圖2 各排口點位分布圖

由于雨水排口和閘口并不是用來排放污水的，所以本文中只考慮其余7種排口的污染物排放量.為便于核算污染物入湖量，根據(jù)各排口的排水特點，又將排水分為3類，即生活污水、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水、景觀湖交換水.為盡可能真實囊括南湖各排口的實際排放量，本文中采用4種核算污染物入湖量的方法，然后將核算結(jié)果進(jìn)行比選.

具體各排口水質(zhì)的確定方法如下.

1)監(jiān)測-平均值法：有監(jiān)測數(shù)據(jù)的采用監(jiān)測數(shù)據(jù)，無監(jiān)測數(shù)據(jù)的采用同類型排口監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值；

2)平均值法：排水濃度均采用同類型排口監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值；

3)類比法：排水濃度均采用南湖已有文獻(xiàn)資料同類型污水的濃度值；

4)監(jiān)測-類比法：有監(jiān)測數(shù)據(jù)的采用監(jiān)測數(shù)據(jù)，無監(jiān)測數(shù)據(jù)的采用南湖已有文獻(xiàn)資料的同類型污水的濃度值.

基于南湖流域的具體情況，參照國內(nèi)外相關(guān)研究[7-10]，選取化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)3種主要污染物對南湖污染物入湖量進(jìn)行核算.監(jiān)測數(shù)據(jù)采用2018年武漢市環(huán)境監(jiān)測中心對南湖14 個排污口的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，具體見表1，無監(jiān)測數(shù)據(jù)的排口水質(zhì)參照以下標(biāo)準(zhǔn)：

大流量排口入湖濃度取值：COD 241.75 mg/L，NH3-N 29.12 mg/L，TP 2.96 mg/L.

小流量排口入湖濃度取值：COD 127.6 mg/L，NH3-N 15.8 mg/L，TP 1.81 mg/L.

入湖水體排口入湖濃度取值：COD 21.00 mg/L，NH3-N 0.75 mg/L，TP 0.11 mg/L.

參考已有文獻(xiàn)資料[11-14]中生活污水的數(shù)據(jù)：COD 120 mg/L，NH3-N 15 mg/L，TP 1.5 mg/L.

水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水參考同類數(shù)據(jù)，入湖濃度取值：COD 40 mg/L，NH3-N 2 mg/L，TP 0.4 mg/L.

表1 南湖部分入湖排口水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.1.1 監(jiān)測-平均值法 采用監(jiān)測-平均值法對南湖點源污染進(jìn)行核算，核算結(jié)果見表2.

表2 主要污染物的年入湖量(監(jiān)測-平均值法)

按照監(jiān)測-平均值法，南湖沿線各排口每日直排污水量達(dá)12 849 t，年污水排放量達(dá)4.69×106t，相應(yīng)的COD污染負(fù)荷達(dá)769 t/a，氨氮污染負(fù)荷達(dá)86 t/a，TP污染負(fù)荷達(dá)10 t/a.

2.1.2 平均值法 排口來水具有一定的波動性，因此根據(jù)武漢市環(huán)境監(jiān)測中心對南湖14 個排污口的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行分類，全部按平均值計算.具體結(jié)果見表3.按照平均值法，南湖沿線各排口每日直排污水量達(dá)12 849 t/a，年污水排放量達(dá)4.69×106t，相應(yīng)的COD污染負(fù)荷達(dá)1 098 t，氨氮污染負(fù)荷達(dá)132 t/a，TP污染負(fù)荷達(dá)13 t/a.

2.1.3 類比法 參考南湖已有文獻(xiàn)資料中同類型污水的數(shù)據(jù)，即：生活污水排放濃度為：COD 120 mg/L、NH3-N 15 mg/L、TP 1.5 mg/L.結(jié)合各排口的污水排放量，算出主要污染物的年入湖量，具體見表4.

表3 主要污染物的年入湖量(平均值法)

表4 主要污染物的年入湖量(類比法)

按照類比法，南湖沿線各排口每日直排污水量達(dá)12 849 t，年污水排放量達(dá)4.69×106t，相應(yīng)的COD污染負(fù)荷達(dá)557 t/a，氨氮污染負(fù)荷達(dá)69 t/a，TP污染負(fù)荷達(dá)7 t/a.

2.1.4 監(jiān)測-類比法 將監(jiān)測數(shù)據(jù)與類比數(shù)據(jù)結(jié)合起來對南湖點源污染進(jìn)行核算，具體結(jié)果見表5.

表5 主要污染物的年入湖量(監(jiān)測-類比法)

采用監(jiān)測-類比法，南湖沿線各排口每日直排污水量達(dá)12 849 t，年污水排放量達(dá)4.69×106t，相應(yīng)的COD污染負(fù)荷達(dá)550 t/a，氨氮污染負(fù)荷達(dá)60 t/a，TP污染負(fù)荷達(dá)8 t/a.

2.1.5 核算結(jié)果比選 表6為以上4種方法核算的南湖沿線排口污染物排放量對比.從中可以看出，采用平均值法得到的污染物入湖量最大，COD污染負(fù)荷達(dá)1 098 t/a，氨氮污染負(fù)荷達(dá)132 t/a，TP污染負(fù)荷達(dá)13 t/a.其原因是有些流量大的排口的監(jiān)測數(shù)據(jù)較小，如果采用平均值，其值偏大，因此導(dǎo)致結(jié)果偏大.

值得注意的是，部分排口水質(zhì)數(shù)據(jù)明顯高于正常值，參照已有南湖文獻(xiàn)資料，正常生活污水的COD、NH3-N、TP一般在 120 mg/L、15 mg/L、1.5 mg/L左右，但某些排口的實際COD檢測值高達(dá)500 mg/L，也就是說，這個檢測值只能代表該排口的特殊情況，不能代表其他排口.在實際計算過程中，推薦采用監(jiān)測-類比法，有監(jiān)測數(shù)據(jù)的用監(jiān)測數(shù)據(jù)，沒有監(jiān)測數(shù)據(jù)參照已有資料里的排水濃度.其結(jié)果與類比法接近，也說明了其合理性.

按照監(jiān)測-類比法計算，南湖各排口的COD入湖量達(dá)550 t/a，NH3-N入湖量達(dá)60 t/a，TP入湖量達(dá)8 t/a.

表6 4種核算結(jié)果對比

2.2 面源入湖污染量核算南湖的面源污染主要為城市徑流污染、農(nóng)田種植污染和降塵污染，各污染源的入湖污染量如下：

2.2.1 城市徑流污染 參考《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》[15]中推薦的標(biāo)準(zhǔn)城市法計算城市徑流污染量.標(biāo)準(zhǔn)源強(qiáng)系數(shù)為COD 50 t/(a·km2)，NH3-N 5 t/(a·km2)，TP 1 t/(a·km2).

城市地表徑流污染負(fù)荷計算方法見式(1)：

P=A·μ·λ·10-3

(1)

式中：P為污染物年負(fù)荷，t/a；A為城鎮(zhèn)用地面積，km2；μ為標(biāo)準(zhǔn)源強(qiáng)系數(shù)，kg/(a·km2)；λ為修正系數(shù)；

根據(jù)調(diào)查收集的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，武漢市地形以平原為主，南湖匯水區(qū)城鎮(zhèn)人口為47.32萬人，匯水面積為37.44 km2，城鎮(zhèn)用地面積30.36 km2，年平均降水量1 250 mm，雨水收集管網(wǎng)普及率在80%左右.經(jīng)計算，南湖匯水區(qū)范圍內(nèi)，城市徑流產(chǎn)生的主要污染物年產(chǎn)生量為：COD 382.53 t/a、NH3-N 38.25 t/a、TP 7.65 t/a.因城市硬質(zhì)地面，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)污染物入湖系數(shù)取0.4，計算得出，南湖匯水區(qū)內(nèi)，城市徑流最終入湖的污染物排放量為：153.01 t/a、NH3-N 15.30 t/a、TP 3.06 t/a(表7).

表7 城市徑流污染物排放量和入湖量

2.2.2 農(nóng)田種植污染 參照《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中推薦的“標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田法”進(jìn)行估算.農(nóng)田徑流污染的COD及NH3-N的負(fù)荷計算方法見式(2)和式(3)：

PCOD=A·μCOD·λ·10-3

(2)

PNH3=A·μNH3·λ·10-3

(3)

式中：PCOD為年COD負(fù)荷，t/a；PNH3為年NH3-N負(fù)荷，t/a；A為農(nóng)田面積，畝；μCOD為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田COD源強(qiáng)系數(shù)，10 kg/(667 m2·a)；μNH3為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田NH3-N源強(qiáng)系數(shù)，2 kg/(667 m2·a)；λ為修正系數(shù).

此外，TP計算公式與上述公式類似，標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的TP的源強(qiáng)系數(shù)取0.5 kg/(667 m2·a).由于南湖匯水區(qū)范圍內(nèi)大多為粘土，并且耕地坡度大多小于25°，多年平均降雨量超過800 mm，非標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田產(chǎn)污修正系數(shù)選擇：坡度修正系數(shù)取1.0，土壤類型修正系數(shù)0.8，化肥使用量修正系數(shù)1.2，降水量修正系數(shù)1.2，入湖系數(shù)取0.4.南湖匯水區(qū)農(nóng)業(yè)用地面積為9.23 hm2.計算結(jié)果顯示，南湖匯水區(qū)內(nèi)因種植業(yè)產(chǎn)生的農(nóng)田徑流入湖污染物總量分別為：COD 0.63 t，NH3-N 0.13 t，TP 0.03 t(表8).

表8 農(nóng)田種植污染物排放量和入湖量

2.2.3 降塵污染 武漢市年均降雨量為1 250 mm，湖面承雨量按年降雨量×南湖水域面積計算，取降水中COD年均含量11.72 mg/L、NH3-N含量0.91 mg/L、TP含量0.03 mg/L.經(jīng)核算，南湖湖面承雨量為9.588×106t/a，湖區(qū)降雨負(fù)荷為COD 112.4 t/a、NH3-N 8.72 t/a、TP 0.20 t/a.

2.2.4 面源入湖污染總量 由表9可知，在各面源污染中，城市徑流污染為主要的面源污染，其次為降塵污染，農(nóng)田種植污染相對較輕.面源污染COD入湖總量為266.04 t/a，NH3-N 為24.15 t/a，TP為3.29 t/a.

表9 各面源污染入湖量

2.3 污染源結(jié)構(gòu)分析對南湖各類污染源主要污染物入湖量及其占比進(jìn)行分析，見表10，得出：排口是南湖最大的污染源，COD、NH3-N、TP排放量占比均最高，約占南湖入湖總量一半以上，具體占比為67.4%、71.4%和70.3%；其次，是城市徑流，其COD、NH3-N、TP排放量占比分別為18.8%、18.1%和27.6%；再次，是沉降的排放量占比，其COD、NH3-N、TP排放量占比分別為13.8%、10.3%和1.8%；此外，還有少量的農(nóng)業(yè)種植面源導(dǎo)致的入湖污染，占比相對較小，均不到1%.總體來看，排口治理是南湖水污染整治和水質(zhì)提升的重中之重.

表10 南湖入湖污染物負(fù)荷總量

3 結(jié)論與建議

3.1 主要結(jié)論

1)按照監(jiān)測-類比法計算，南湖各排口的COD入湖量達(dá)550.2 t/a，NH3-N入湖量達(dá)60.3 t/a，TP入湖量達(dá)78 t/a.

2)面源污染COD入湖總量為266.04 t/a，NH3-N 為24.15 t/a，TP為3.29 t/a.其中城市徑流污染為主要的面源污染.

3)排口是南湖最大的污染源，COD、NH3-N、TP排放量占比均最高，約占南湖入湖總量一半以上，具體占比為67.4%、71.4%和70.3%；其次是城市徑流；再次是沉降的排放量；此外，還有少量的農(nóng)業(yè)種植面源導(dǎo)致的入湖污染.

3.2 建議針對南湖的污染現(xiàn)狀，提出以下建議：

1)盡快開展排口清查以及來水溯源工作，查清排口對應(yīng)的管網(wǎng)、排污單位，排水類型，從源頭上控制污染，這樣不僅可以減少污染物的入湖量，而且也可以減輕后續(xù)末端處理的難度和成本.

2)對大流量排口進(jìn)行治理，可采取應(yīng)急一體化污水處理設(shè)施對排口的污水進(jìn)行處理后排放，但為從根本上解決污水入湖問題，應(yīng)盡早啟動截污工程.

3)對雨水排口進(jìn)行生態(tài)景觀化改造，對于合流制現(xiàn)狀區(qū)域加緊雨、污水支管的建設(shè)，有效收集初期雨水和污水.并在南湖沿線建立生態(tài)緩沖帶，不僅能快速截留并凈化初期雨水，同時也能提升岸線景觀、創(chuàng)建優(yōu)美的人居環(huán)境.

4)進(jìn)行市政管網(wǎng)檢測修復(fù)，對南湖流域范圍內(nèi)的市政管網(wǎng)進(jìn)行管內(nèi)CCTV專業(yè)檢測工作，全面排查管網(wǎng)的破損、沉降、錯位等問題，及時修復(fù).對雨水管、污水管混接、錯接等現(xiàn)象進(jìn)行整改.

5)加強(qiáng)南湖水體水質(zhì)的監(jiān)測管理，開展水體水生態(tài)修復(fù)工程，建議選擇性開展水生態(tài)修復(fù)工程，如生境營造工程、沉水群落帶構(gòu)建、挺水植物群落構(gòu)建、浮葉植物群落構(gòu)建、魚類群落構(gòu)建以及底棲動物群落構(gòu)建等，以改善湖泊整體水體質(zhì)量.