巢湖流域氮磷污染研究分析

文/錢 華 馮嘉申 陳希子（.安徽省巢湖管理局湖泊生態(tài)環(huán)境研究院；.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院）

巢湖流域?qū)匍L江下游重要水系，是我國重點關(guān)注的“三河三湖”之一。自20 世紀(jì)70 年代以來，巢湖的富營養(yǎng)化問題逐漸引起國家和地方政府的關(guān)注。經(jīng)過持續(xù)不斷的研究治理，20 世紀(jì)90 年代后巢湖水體的氮、磷濃度開始逐步下降。2022 年，巢湖湖體平均水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類，水質(zhì)狀況為輕度污染，水環(huán)境狀況進一步好轉(zhuǎn)，但營養(yǎng)鹽濃度仍處于較高水平，仍有藍(lán)藻暴發(fā)的風(fēng)險。

一、流域概述

巢湖流域位于東經(jīng)116°44′至118°36′，北緯30°99′至32°10′之間，總面積為13544.7 平方千米，占安徽省總面積的9.7%。流域涉及合肥、蕪湖、馬鞍山、六安、安慶5 市共17 個縣（市、區(qū)）。

2021 年，巢湖流域人口約1093 萬，GDP 約為1.08萬億元。其中，合肥市境內(nèi)流域面積為7347.14 平方千米、人口726.33 萬、GDP 0.9215 萬億元，分別占流域總數(shù)的54%、66%和88%。入湖的大小河流共39 條。據(jù)統(tǒng)計，環(huán)湖年均入湖氨氮、總氮、總磷的數(shù)量分別達(dá)到5316 噸、14075 噸和714 噸，湖區(qū)氮磷污染狀況將更加突出。

巢湖流域多年平均降水量為1032 毫米，具有年際變化大、年內(nèi)分配不均的特點。同時，巢湖北岸分布有500 平方千米的富磷地層，巢湖的東部和南部沿岸地區(qū)遺有大量廢棄礦山，巖石富磷層暴露、破碎、風(fēng)化進而發(fā)生淋濾。整體來看，巢湖流域本底氮磷污染潛在風(fēng)險較大，會對水體富營養(yǎng)化有所影響。

二、巢湖流域氮磷研究文獻(xiàn)統(tǒng)計分析

以來源于中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫（中國知網(wǎng)）的收錄文獻(xiàn)作為數(shù)據(jù)來源進行統(tǒng)計分析，選取發(fā)表發(fā)表時間為1998—2020 年的巢湖流域氮磷相關(guān)研究，檢索條件為精確，檢索范圍為“篇名&關(guān)鍵詞&摘要”。分別搜索關(guān)鍵詞為“巢湖&氮”，“巢湖&磷”，得到的文獻(xiàn)搜索情況如圖1 所示，巢湖氮磷相關(guān)的研究數(shù)量逐年上升，近幾年略有波動。1998—2007 年為持續(xù)增長階段，2007—2012 年為高速增長階段，2012—2020年為保持較高量階段。

圖1 國內(nèi)巢湖氮磷相關(guān)研究文獻(xiàn)年度分布

分不同關(guān)鍵詞看，對巢湖流域氮和磷的相關(guān)研究，趨勢基本一致，針對巢湖氮磷污染，進而擴展到全流域的研究已經(jīng)相當(dāng)普遍，富營養(yǎng)化是研究氮磷的較直接原因，而氮磷研究的側(cè)重點略有不同，磷關(guān)于沉積物研究較多，氮關(guān)于流失的研究較多。相關(guān)主題包括從污染過程分析的“氮磷流失、面源污染、分布特征、徑流流失”，從污染狀況分析的“時空變化、分布、污染特征、富營養(yǎng)化”，從管理角度分析的“生態(tài)修復(fù)、污染評價、環(huán)境因子”等，基本覆蓋了研究的各個方面。相關(guān)性如圖2 所示。

圖2 巢湖氮磷研究相關(guān)主題共現(xiàn)矩陣分析

三、主要研究主題及評析

1.巢湖流域水體氮磷污染來源分析

治湖先治河，治河先治污，對污染源的分析一直是巢湖流域氮磷研究的重點領(lǐng)域。有些研究從宏觀出發(fā)，分析巢湖流域的自然及社會情況和水質(zhì)現(xiàn)狀，總結(jié)致污原因，大致包括自然本底受洪水侵蝕、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、管理體系不夠完善、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)壓力大、生活工礦污水排放大、巢湖閘導(dǎo)致的水系低流通等。水體污染源多種多樣，可分為點源污染、非點源污染和內(nèi)源污染。明確污染的具體來源和貢獻(xiàn)率，才便于進一步展開污染控制。

在定量解析污染源方面，奚姍姍等對巢湖水體和其主要入湖河道進行硝酸鹽氮、氧同位素樣品分季節(jié)的采集和分析。汪方兵從巢湖農(nóng)業(yè)面源角度出發(fā)，估算出了種植業(yè)的氮磷流失量，以及養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活污染物中的氮磷排放量；HaoCheng 等以巢湖流域林地類型、流域森林覆蓋率和森林離河距離為指標(biāo)，對巢湖流域林地特征進行了定量描述；甘曼琴等分析環(huán)巢湖農(nóng)田氮磷流失時發(fā)現(xiàn)，2018 年較前兩年總氮流失濃度有所提高，同時總氮和硝氮濃度在夏季較高。從以上研究可以看出，河道污染受農(nóng)業(yè)源及工業(yè)生活源的影響較大，流經(jīng)城市的南淝河、十五里河和派河受工業(yè)生活源的影響比重接近90%，巢湖南邊的杭埠河、白石天河和兆河主要流經(jīng)農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，受農(nóng)業(yè)面源的影響比重分別達(dá)到62%、59%、64%，巢湖湖體的污染來源主要為農(nóng)業(yè)源、工業(yè)生活源和雨水，比重分別為53%、44%、1.7%，在農(nóng)業(yè)源中又以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)貢獻(xiàn)最大，為巢湖氮磷污染的重要來源。在對巢湖水體氮磷污染來源的解析中，內(nèi)源氮磷釋放是不容忽視的重要環(huán)節(jié)，有關(guān)研究表明，2010 年巢湖淤積底泥約205 億立方米，釋放的氮磷貢獻(xiàn)量可高達(dá)全湖總負(fù)荷的10%左右。目前，西湖區(qū)表層沉積物總磷為重度污染，會在一定條件下對水體污染構(gòu)成很大的富營養(yǎng)化影響，同時溫度和水體流動對底泥釋放有一定影響。

2.巢湖流域氮磷非點源污染研究現(xiàn)狀

非點源污染來源于非特定的、分散的地區(qū)，具有隨機性強、成因復(fù)雜、潛伏周期長等特征。通過非點源污染通量的計算，可定量識別陸域不同污染源對地表水體的污染貢獻(xiàn)份額。

在我國，非點源污染未被納入常規(guī)監(jiān)測范圍，因而缺乏長時間序列的監(jiān)測資料。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國研究人員提出了很多適用于有限資料的非點源污染負(fù)荷定量化的估算方法，包括平均濃度法、水量水質(zhì)相關(guān)法、輸出系數(shù)法和現(xiàn)代分析技術(shù)的非點源負(fù)荷估算方法（如利用偏最小二乘法、自記憶模型、支持向量機、灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算非點源污染負(fù)荷）等。流域非點源污染模型是進行流域氮磷污染分布及入河負(fù)荷貢獻(xiàn)份額研究的有效工具。主要是通過對整個流域系統(tǒng)及其內(nèi)部污染過程進行定量描述，分析非點源污染產(chǎn)生的時空分布特征，識別其主要來源和遷移路徑，預(yù)報污染產(chǎn)生的負(fù)荷及其對水體的影響，為流域管理和規(guī)劃提供決策依據(jù)。

針對巢湖流域，陳健等運用GIS 和SWAT 模型相結(jié)合的方式，開展了杭埠- 豐樂河子流域在2001—2008 不同土地利用情景下非點源污染的時空分布特征，發(fā)現(xiàn)所有土地類型中，耕地面積影響最大。王趙飛等構(gòu)建了集傳統(tǒng)的修正通用土壤流失方程（RUSLE）、泥沙輸移比、土壤磷含量等因子于一體的泥沙輸移分布模型SEDD，定量估算了巢湖流域不同土地利用類型的面源污染負(fù)荷。Chen Lei 等通過結(jié)合SWMM、SWAT和MIKE11 三種模型，評估了城市和農(nóng)業(yè)非點源在響應(yīng)降雨事件中的差異性，發(fā)現(xiàn)在巢湖典型城鄉(xiāng)集水區(qū)內(nèi)，城市受降雨前干旱的影響較大，對降雨響應(yīng)快，農(nóng)業(yè)源受土壤含水量等影響，對降雨響應(yīng)相對滯后。Lin Chen 等建立巢湖流域的總氮（TN）和總磷（TP）的SWAT 非點源污染負(fù)荷模型，識別出了對巢湖湖區(qū)氮磷污染有較大貢獻(xiàn)的主要源區(qū)，TN 的關(guān)鍵源區(qū)主要集中分布在南淝河子流域的城市建成區(qū)，TP 的關(guān)鍵源區(qū)主要分布在杭埠河和南淝河。還有一些研究從土地利用演變、降雨強度、地形因子的影響，進一步闡述非點源的污染過程合理估算流域各非點源污染狀況。

從以上研究可以看出，非點源污染對巢湖流域有較大影響，不同形態(tài)氮磷在非點源污染中表現(xiàn)不同；西側(cè)流域是非點源污染的主要來源，非點源污染受到多種不同因子的影響；多種非點源模型均在巢湖流域模擬中取得了較好效果等，但現(xiàn)有研究中仍然缺乏部分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，比如流域非點源污染物在陸域遷移過程中的滯留和滯留的氮磷在后續(xù)釋放進入水體的時間和負(fù)荷量等的估算；氮磷在從陸域遷移進入水體之前，在土壤微生物的作用下的轉(zhuǎn)化分析也是一個重要的方面。從污染物形態(tài)方面看，巢湖流域氮磷非點源污染的研究較多關(guān)注總氮、總磷、顆粒態(tài)氮的研究，對其他形態(tài)氮磷的研究較少。

3.河-湖響應(yīng)規(guī)律研究現(xiàn)狀

巢湖水體氮磷污染及富營養(yǎng)化是由多種因素導(dǎo)致的，主要有外源污染負(fù)荷的長期輸入、環(huán)湖生態(tài)結(jié)構(gòu)的衰退、內(nèi)源釋放等，其中工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)長期排放和不斷聚集的外源污染輸入是導(dǎo)致巢湖湖體污染的根本原因。外源污染的主要輸入途徑是與巢湖湖體連接的入湖河道，因此，通過對河- 湖系統(tǒng)響應(yīng)規(guī)律的研究，識別不同入湖河道對湖區(qū)水質(zhì)的污染貢獻(xiàn)份額，對巢湖湖體污染防治具有重要指導(dǎo)作用。

流域河湖水質(zhì)關(guān)聯(lián)性分析研究的方法有統(tǒng)計數(shù)值分析方法和數(shù)值模型模擬法。統(tǒng)計數(shù)值分析方法，需要依靠大量的實測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量有一定的要求。數(shù)值模擬法，即利用模型，在實測監(jiān)測資料獲取的基礎(chǔ)上，設(shè)置驅(qū)動因素和邊界條件，分析湖區(qū)水質(zhì)、水量與入湖河流水質(zhì)、水量間的響應(yīng)規(guī)律。數(shù)值模型同時具有預(yù)測的能力，可依據(jù)水體治理目標(biāo)進行多情景的模擬預(yù)測，為湖區(qū)污染防治提供依據(jù)。

針對巢湖流域，唐曉先等通過回歸分析探究了流域降水量與各入湖河流流量的關(guān)系。高芮等基于三維水動力模型ELCOM建模，模擬分析巢湖水源地水質(zhì)對入湖河流負(fù)荷響應(yīng)關(guān)系，以及從白石天河進行引水時調(diào)水量不同帶來的不同水質(zhì)改善效果。Huang Jiacong 等利用新安江模型和EFDC 模型耦合，分析了巢湖流域藍(lán)藻暴發(fā)的關(guān)鍵驅(qū)動因素。ChenLin 等通過SWAT 模型模擬了巢湖流域2008—2017 年TN 和TP非點源負(fù)荷，并探討子流域氮磷非點源負(fù)荷與巢湖湖體氮磷濃度之間的相關(guān)性。這些研究均闡述了入湖河流的污染負(fù)荷對湖泊水質(zhì)的影響，得出的結(jié)論包括“西半湖河道對湖體水質(zhì)影響顯著同時也會影響東半湖水質(zhì)，杭埠河和南淝河對湖區(qū)的影響尤為明顯”等。但是，對于關(guān)于湖區(qū)水質(zhì)達(dá)到既定目標(biāo)（如地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）需要削減的外源污染負(fù)荷量及需要削減的外源負(fù)荷量具體如何分配到各入湖河道的研究還比較缺乏。

此外，湖泊是一個較為復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，“營養(yǎng)物質(zhì)- 浮游植物- 浮游動物”過程涵蓋了浮游植物、浮游動物、魚類、沉水植物、底棲生物、無脊椎動物、微生物、細(xì)菌等水生態(tài)子系統(tǒng)過程，以及生源要素生物地球化學(xué)變化過程與湖泊內(nèi)源釋放的各類形態(tài)碳、氮、磷的輸移與轉(zhuǎn)化過程。關(guān)于巢湖湖區(qū)的環(huán)湖河流氮磷輸入量需要進行核算，涉及的很多關(guān)鍵參數(shù)需要進行率定，目前的數(shù)值模型研究中，很多關(guān)鍵參數(shù)的取值是依據(jù)經(jīng)驗估算的，因此在河湖水質(zhì)水量模擬過程中，如何選擇模型以及進行模型參數(shù)的有效率定是研究的重點和難點，需要配合一定數(shù)量的野外監(jiān)測數(shù)據(jù)，以保證模擬結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。另外，針對巢湖流域，在河湖響應(yīng)關(guān)系中，需要考慮“引江濟巢”工程對巢湖水質(zhì)水量的影響。

4.巢湖流域水環(huán)境管理研究現(xiàn)狀

流域是一個自然- 經(jīng)濟- 社會復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，流域管理必須從整個流域全局出發(fā)，統(tǒng)籌安排，合理利用和保護流域內(nèi)各種資源和環(huán)境要素之間的關(guān)聯(lián)。關(guān)于巢湖流域水環(huán)境管理的研究多從政策解讀，從管理學(xué)的角度，提出建議性的巢湖水污染防治對策。包括回顧巢湖水環(huán)境治理政策變化、分析藍(lán)藻暴發(fā)的治理及對策、分析農(nóng)業(yè)面源的治理對策、從最佳管理措施（BMPs）角度分析流域措施等。陳偉從管理角度分析和闡述了巢湖流域水環(huán)境保護績效管理的現(xiàn)狀和需要改進的關(guān)鍵點，提出了優(yōu)化的績效管理模式；江海基于綜合生態(tài)系統(tǒng)管理理念，指出建立跨區(qū)域、跨部門的管理聯(lián)動機制有助于管理效率的提高；黃治平等討論了巢湖流域農(nóng)村排水設(shè)施的管理，提出科學(xué)合理的用水排水規(guī)劃、因地制宜的工藝設(shè)計、嚴(yán)格的施工管理、保障的運行費用、有效的運行監(jiān)管及明晰的產(chǎn)權(quán)是設(shè)施運行的保障。針對具體的工程效果，Cao 等分析過巢湖沿岸河岸緩沖帶對磷的吸附情況，發(fā)現(xiàn)吸附能力和季節(jié)變化關(guān)系不大，但距離湖岸線越遠(yuǎn)吸附效果越好，并提出人工濕地和有草森林類型緩沖帶吸附效果較優(yōu)。岳俊奎等分析針對杭埠河流域模擬了施肥管理措施效果，發(fā)現(xiàn)秸稈還田相比優(yōu)化施肥對溶解態(tài)氮的削減效果更好。

從研究分析來看，雖然針對巢湖流域已經(jīng)開展了大量水環(huán)境管理相關(guān)的研究，但無論是宏觀的管理現(xiàn)狀討論分析還是具體措施的效果評估，都缺乏整體化、系統(tǒng)化、統(tǒng)一化地的對巢湖流域全域措施的系統(tǒng)分析、治理效果的量化分析及針對水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性的定量化設(shè)計等。

四、結(jié)論

總體來看，目前巢湖流域氮磷控制相關(guān)的研究已經(jīng)比較豐富。已有研究顯示，近年來巢湖流域水質(zhì)整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)，但仍有較多問題需要解決；氮、磷兩種物質(zhì)不能完全一概而論，需要有針對性地分別探討；巢湖流域污染來源問題復(fù)雜，不同子流域污染源貢獻(xiàn)比例不同，且污染源貢獻(xiàn)率受多種因素影響，年際和年內(nèi)均呈現(xiàn)波動；非點源污染對巢湖流域水質(zhì)影響較大，多種模型模擬均在巢湖流域非點源污染模擬分析中取得一定效果，但非點源污染受較多環(huán)境因子影響，需深入探討；河流污染對湖區(qū)水質(zhì)影響很大，尤其是西半湖的入湖河流，會影響全湖水質(zhì)；巢湖流域已經(jīng)開展了較多的水環(huán)境管理研究工作，包括自然社會環(huán)境分析、管理體系分析、工程措施分析等多個方面。

巢湖流域氮磷控制研究在部分方向仍有空白待補充完善。在氮磷污染來源方面，還需對全流域不同污染來源的產(chǎn)生量、排放量和最終進入湖體的量進行深入分析，明確進入湖體氮磷總量偏高的產(chǎn)業(yè)及區(qū)域。在非點源污染方面，還需結(jié)合多種地理因素、氣象因素、遷移轉(zhuǎn)化過程原理，充分考慮不同水文年情況，對全流域的各類非點源污染進行合理的量化估算。在河- 湖響應(yīng)規(guī)律方面，在掌握湖體受河流的影響情況外，還需推演湖區(qū)不同水質(zhì)目標(biāo)下，河流如何進行相應(yīng)的負(fù)荷削減。在氮磷污染控制管理方面，對于現(xiàn)有控制措施的研究，還可以進行整體化、系統(tǒng)化、定量化的綜合評估。對于控制措施的研究，還可以根據(jù)實際情況設(shè)計不同的情境方案。

因此，以巢湖水環(huán)境改善為目標(biāo)，以湖泊水環(huán)境承載力為基礎(chǔ)，以實施污染物源頭減排、流域面源污染控制等為主要任務(wù)，設(shè)置不同削減方案、不同控制措施，獲得全流域、入湖一級河流、重要區(qū)域或單元的氮磷控制優(yōu)化方案，提出巢湖水體氮磷污染防治對策及其保障機制，將為巢湖流域的氮磷控制提供科學(xué)依據(jù)。