基于溯源的長(zhǎng)江大保護(hù)小微水體治理效果評(píng)估

摘要：長(zhǎng)江流域小微水體眾多，承納流域大量點(diǎn)面源污染負(fù)荷，水質(zhì)惡化影響流域水環(huán)境情勢(shì)，有礙新階段流域高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)程。以長(zhǎng)江大保護(hù)工程治理的一小微水體為例，通過(guò)污染特征調(diào)查及污染溯源分析，探尋長(zhǎng)江大保護(hù)水環(huán)境整治工程薄弱節(jié)點(diǎn)。結(jié)果表明：該水體治理后部分區(qū)段NH₃-N濃度仍未達(dá)標(biāo)；經(jīng)保守離子與氫氧同位素示蹤溯源，發(fā)現(xiàn)NH₃-N不達(dá)標(biāo)與區(qū)段初雨調(diào)蓄池箱涵封堵不徹底、污水泵站管理粗放等密切相關(guān)，由此提出水環(huán)境整治工程改進(jìn)優(yōu)化建議。研究結(jié)果可為長(zhǎng)江大保護(hù)水環(huán)境治理工程優(yōu)化提供參考。

關(guān) 鍵 詞：小微水體治理；溯源；氫氧同位素；保守離子；長(zhǎng)江大保護(hù)

中圖法分類號(hào)：X52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.003

0 引 言

小微水體作為地球水資源的重要組成部分，缺乏統(tǒng)一定義。國(guó)外小微水體多被稱為“池塘”（pond）、“水塘”（pool）或小微濕地（small and micro wetlands）。國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為小微水體不僅包括池塘和水塘，還包括河、溝、渠等。《湖北省小微水體治理管護(hù)工作指南（試行）》《河南省推動(dòng)河長(zhǎng)制“有名”到“有實(shí)”實(shí)施方案》《黑龍江省在小微水體實(shí)施河湖長(zhǎng)制工作方案》提到把河、溝、渠、塘等小微水體納入河長(zhǎng)制管理水體范圍^［1-2］。參考相關(guān)研究^［3-4］，小微水體確定為持續(xù)存在且有一定水面面積、未納入河湖長(zhǎng)制管理體系的城鄉(xiāng)溝渠、坑塘、庫(kù)壩等水體。

相對(duì)于湖泊、河流等大型水體，小微水體具有水域面積較小、封閉性較強(qiáng)、流動(dòng)性較差且生態(tài)結(jié)構(gòu)較為單一、自凈能力弱、受外界污染物影響大等特點(diǎn)^［5］。整治小微水體對(duì)江河水體凈化有著重要意義。雖經(jīng)一系列綜合治理，小微水體基本可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)提升和生態(tài)改善，但受實(shí)際情況影響，小微水體周邊的生活污水治理很難一步到位，即使排口已全部排查改造或封堵，也存在一定的滲漏、溢流等問(wèn)題，造成小微水體“反復(fù)治，治反復(fù)”的現(xiàn)象^［6］。

長(zhǎng)江流域河湖眾多，小微水體是長(zhǎng)江的“毛細(xì)血管”^［7］，雖然面積小，但數(shù)量眾多，其承納流域污染負(fù)荷累積作用顯著。2016年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃綱要》，將長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)擺在首要位置?！肮沧ゴ蟊Ｗo(hù)、不搞大開(kāi)發(fā)”，是推進(jìn)流域高質(zhì)量發(fā)展的客觀要求^［8-9］。為貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院對(duì)推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的重要戰(zhàn)略部署，中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司自2018年以來(lái)，在長(zhǎng)江流域沿江城市投入2千多億元，實(shí)施系列長(zhǎng)江大保護(hù)工程，對(duì)沿江城市水環(huán)境保護(hù)做出了重要貢獻(xiàn)^［10-11］，也為長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有力支撐^［12］。本文以長(zhǎng)江大保護(hù)工程治理的一小微水體為例，通過(guò)污染特征調(diào)查及污染溯源分析，探尋長(zhǎng)江大保護(hù)整治工程薄弱節(jié)點(diǎn)，由此提出改進(jìn)優(yōu)化建議，可為水體治理精準(zhǔn)施策提供依據(jù)，對(duì)支撐長(zhǎng)江大保護(hù)具有顯著意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

該小微水體位于長(zhǎng)江流域中游，河長(zhǎng)12.9 km，河道平均坡降為29.34%。河流自南向北匯入城市湖泊后，經(jīng)閘控匯入長(zhǎng)江，沿途接納濂溪河和小楊河，其中小楊河以地下暗河形式匯入該河。此外，河道沿岸有污水處理廠達(dá)標(biāo)排放出水補(bǔ)水口，入湖口附近有污水泵站排口。2018年實(shí)施長(zhǎng)江大保護(hù)系列工程，包括雨污水管網(wǎng)、泵站、調(diào)蓄池、排水閘修復(fù)及新建、污水處理廠新建、城區(qū)段河道治理與生態(tài)補(bǔ)水等城市水環(huán)境治理工程^［13］。工程整治之前，該河水質(zhì)較差，整治后水環(huán)境得到改善，但還存在一定問(wèn)題。

1.2 采樣點(diǎn)位及分析指標(biāo)

在水體干流上布設(shè)10個(gè)點(diǎn)位，由上游至下游分別記為1，2，3，4，5，9，10，11，12，13號(hào)，其中5號(hào)位于污水處理廠補(bǔ)水口上游，9號(hào)位于濂溪河匯入口下游10 m左右，10號(hào)位于小楊河匯入口下游10 m左右，12號(hào)位于污水泵站排口下游10 m左右；濂溪河上布設(shè)3個(gè)點(diǎn)位，分別為6，7，8號(hào)（圖1）。

以100 mL聚乙烯水樣瓶采集水樣，水樣瓶口注滿排出空氣，用封口膜密封，冰袋保存寄回實(shí)驗(yàn)室，分析水體δ²D、δ¹⁸O同位素和常量離子Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、Cl^-、SO^2-₄、CO^2-₃及HCO^-₃；同步采樣測(cè)定常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH₃-N）、總氮（TN）和總磷（TP）。

1.3 分析方法

常量離子經(jīng)醋酸纖維濾膜（孔徑0.45 μm）抽濾，抽濾后的水樣4℃左右低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室，以ICS3000離子色譜儀測(cè)定。穩(wěn)定同位素δ²D和δ¹⁸O使用液態(tài)水同位素分析儀（liquid water isotope analyzer，DLT-100）測(cè)定，測(cè)試結(jié)果以相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)海水（VSMOW）千分差值顯示^［14］，δ²D和δ¹⁸O測(cè)試精度分別為±1‰和±0.1‰。其他指標(biāo)測(cè)定參考相關(guān)文獻(xiàn)［15］。

在污染溯源分析中，基于同位素質(zhì)量平衡，采用二元線性混合模型計(jì)算水體貢獻(xiàn)率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行主要污染溯源^［14］。二元線性混合模型如下：

δ²D=F₁·δ²D₁+F₂·δ²D₂（1）

δ¹⁸O=F₁·δ¹⁸O₁+F₂·δ¹⁸O₂（2）

F₁+F₂=1（3）

式中：δ²D和δ¹⁸O分別為干流的氫、氧同位素豐度，δ²D₁、δ²D₂分別為支流的氫同位素豐度，δ¹⁸O₁、δ¹⁸O₂分別為支流的氧同位素豐度，F(xiàn)₁、F₂分別為支流對(duì)干流水體貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 治理前水質(zhì)狀況

根據(jù)收集資料，該小微水體治理目標(biāo)為地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類。在實(shí)施長(zhǎng)江大保護(hù)工程以前，水質(zhì)存在一定問(wèn)題，各指標(biāo)誤差線圖如圖2所示，其中COD濃度范圍為4.63～125.75 mg/L，NH₃-N濃度約0.02～5.32 mg/L，TP濃度約0.03～0.47 mg/L。該水體水質(zhì)在大部分時(shí)段未能達(dá)標(biāo)，主要是NH₃-N超標(biāo)比較明顯，對(duì)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)一定負(fù)面影響。

2.2 治理后水質(zhì)狀況

2018年該城市實(shí)施長(zhǎng)江大保護(hù)系列項(xiàng)目，該小微水體作為試點(diǎn)工程之一，于2020年8月完成綜合治理。根據(jù)收集資料（見(jiàn)圖3），2018年6月連續(xù)一周13個(gè)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，水體COD、TP均實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)，但NH₃-N仍有斷面未滿足要求，主要表現(xiàn)為入湖河口附近及濂溪河的斷面；2020年10月、2021年10月各連續(xù)一周13個(gè)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示水質(zhì)進(jìn)一步提高，濂溪河的斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，但入湖河口附近斷面仍存在NH₃-N不達(dá)標(biāo)問(wèn)題。

2023年4月對(duì)該小微水體13個(gè)斷面開(kāi)展采樣與監(jiān)測(cè)（圖1）。完成治理兩年多后水體水質(zhì)空間分布見(jiàn)圖4。從圖4可知，12號(hào)點(diǎn)位氮、磷含量顯著高于其他點(diǎn)位，2～4號(hào)、12號(hào)點(diǎn)位的COD含量較高，1號(hào)點(diǎn)位的COD、NH₃-N、TP含量低于檢出限，TN與其他點(diǎn)位差異不大。12號(hào)點(diǎn)位位于污水泵站排口下游且距離較近，而1號(hào)位于自山區(qū)發(fā)源至下游平原地區(qū)的首段，水質(zhì)優(yōu)良，污染物含量極低。

根據(jù)長(zhǎng)江大保護(hù)城市水環(huán)境治理PPP合同要求，該河經(jīng)工程整治后主要水質(zhì)指標(biāo)滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅳ類水質(zhì)要求，其中NH₃-N在穿城高速以南的河段執(zhí)行Ⅳ類水質(zhì)要求，以北的河段執(zhí)行V類。由結(jié)果可知，河道水質(zhì)COD和TP滿足合同要求，但高速北12號(hào)的NH₃-N超標(biāo)0.58倍，仍不滿足要求。

2.3 水體污染溯源探查

水體常量離子之間的相關(guān)性矩陣如圖5所示。由圖5可知，常量離子之間線性相關(guān)性較強(qiáng)，Cl^-與其他離子高度線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最高為0.991。Cl^-一般保守性較好，不被膠體吸附，不被生物積累，也不形成難溶礦物，且在水中的行為與水分子十分相似，可作為示蹤離子^［16］。

水體水化學(xué)Piper分布如圖6所示。由圖6可知，該水體水化學(xué)類型以HCO₃-Ca-Mg型為主，總?cè)芙庑怨腆w（total dissolved solids，TDS）含量較低，呈現(xiàn)典型的降雨來(lái)源水化學(xué)特征。不同點(diǎn)位之間，1號(hào)點(diǎn)位的Mg²⁺含量高于其他點(diǎn)位，Ca²⁺含量稍低于其他點(diǎn)位;11號(hào)、13號(hào)的Cl^-含量高于其他點(diǎn)位，HCO^-₃含量低于其他點(diǎn)位。表明這幾個(gè)點(diǎn)位水體來(lái)源與其他點(diǎn)位有明顯差別，即受小流域內(nèi)水環(huán)境整治工程作用明顯。

由于雨滴在降落過(guò)程中受到不平衡的二次蒸發(fā)作用而引起同位素分餾，降水中同位素值相應(yīng)地會(huì)因蒸發(fā)而偏離全球大氣降水線/全國(guó)大氣降水線，從而表現(xiàn)為斜率及截距變小的當(dāng)?shù)卮髿饨邓€?？諝庀鄬?duì)濕度越低的地區(qū)，不平衡蒸發(fā)作用越強(qiáng)烈，則大氣降水線的斜率和截距越小。本次研究中大氣降水線的斜率和截距均低于全球大氣降水線/全國(guó)大氣降水線，可能與其不平衡蒸發(fā)作用強(qiáng)烈有關(guān)，其氘剩余值普遍高于全球平均值10‰。此外，不同點(diǎn)位周邊環(huán)境差異會(huì)導(dǎo)致氫氧同位素豐度有差別。由圖7水體氫氧同位素關(guān)系可知，6號(hào)、12號(hào)、13號(hào)與其他點(diǎn)位的同位素豐度有一定差別，其中6號(hào)位于支流源頭，受周邊土地開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)影響，12號(hào)與污水泵站排放污水有關(guān)，而13號(hào)位于入湖口，可能受湖水上溯影響。

該水體水質(zhì)指標(biāo)與同位素及常量離子的相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，TN和NH₃-N與δ²D、δ¹⁸O同位素豐度顯著性相關(guān)，TP除了與δ¹⁸O顯著性相關(guān)外，還與常量離子Ca²⁺、K⁺、Na⁺、Cl^-、SO^2-₄顯著正相關(guān)，與其化學(xué)循環(huán)特性有關(guān)。

基于相關(guān)性分析，以8號(hào)代表濂溪河，5號(hào)代表干流上段，根據(jù)式（1）～（3），通過(guò)δ¹⁸O示蹤，計(jì)算濂溪河和干流上段對(duì)干流下I段（入?yún)R點(diǎn)9號(hào)）的水量貢獻(xiàn)率；以9號(hào)代表干流下I段，10號(hào)代表小楊河，計(jì)算兩者對(duì)干流下Ⅱ段（11號(hào)）的水量貢獻(xiàn)率；如此逐段分析，計(jì)算小楊河（10號(hào)）和干流下 Ⅱ 段（11號(hào)）對(duì)下Ⅲ段（12號(hào)）的水量貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表2所示。由表2可知，干流上段對(duì) Ⅰ 段入?yún)R點(diǎn)的水量貢獻(xiàn)為76.1%，遠(yuǎn)高于濂溪河的23.9%；但9號(hào)、10號(hào)對(duì)11號(hào)，以及10號(hào)、11號(hào)對(duì)12號(hào)的水量貢獻(xiàn)率結(jié)果無(wú)法表達(dá)。從該

結(jié)果可知，干流下Ⅱ段11號(hào)的水量并不全是來(lái)自10號(hào)和9號(hào)，而干流下Ⅲ段12號(hào)的水量并不全是來(lái)自11號(hào)和10號(hào)。

2.4 水體治理問(wèn)題診斷

根據(jù)2.3節(jié)分析，以保守離子Cl^-進(jìn)行溯源示蹤，其濃度空間差異如圖8所示。從圖8可知，點(diǎn)位11號(hào)和12號(hào)的Cl^-濃度顯著高于其他點(diǎn)位?，F(xiàn)場(chǎng)踏勘可知，10號(hào)與11號(hào)之間有一個(gè)初雨調(diào)蓄池箱涵排口，11號(hào)與12號(hào)之間有污水泵站排口。根據(jù)長(zhǎng)江大保護(hù)城市水環(huán)境治理工程資料記載，該初雨調(diào)蓄池箱涵排口已封堵，污水泵站排口無(wú)排污。然而，據(jù)δ²D、δ¹⁸O、Cl^-示蹤結(jié)果可知，這兩個(gè)排口應(yīng)仍有水量排入，故而影響下段河水水質(zhì)，尤其是污水泵站排口，其污水主要來(lái)自城市生活污水管網(wǎng)，即使排河水量很小，但其較高的NH₃-N濃度嚴(yán)重影響12號(hào)水質(zhì)。因此，該水體整治薄弱段集中于下游Ⅱ、Ⅲ段，與初雨調(diào)蓄池箱涵封堵不徹底或出現(xiàn)溢流、污水泵站管理粗放等密切相關(guān)。

建議長(zhǎng)江大保護(hù)治理工程復(fù)查初雨調(diào)蓄池箱涵封堵，強(qiáng)化污水泵站管理，由此避免初雨或污水入河、影響河流水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)小微河湖輸入長(zhǎng)江干流的污染負(fù)荷削減。未來(lái)結(jié)合“城市水管家”系統(tǒng)建設(shè)，將城市水環(huán)境治理工程涉及的水體納入云平臺(tái)，通過(guò)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、邊緣節(jié)點(diǎn)分流、云端統(tǒng)籌計(jì)算，實(shí)現(xiàn)污水自源—網(wǎng)—廠—泵蓄閘至河湖的一體化模擬與預(yù)測(cè)^［17］，為治理工程綜合效益提升奠定基礎(chǔ)，為長(zhǎng)江大保護(hù)提供支撐。

3 結(jié) 論

以長(zhǎng)江流域一城市小微水體為案例，針對(duì)長(zhǎng)江大保護(hù)城市水環(huán)境治理工程，通過(guò)污染特征調(diào)查以及污染溯源分析，探尋整治工程薄弱節(jié)點(diǎn)。結(jié)論如下：

（1）該小微水體治理前水質(zhì)在大部分時(shí)段未能達(dá)標(biāo)，主要超標(biāo)因子為NH₃-N，治理后初期水質(zhì)逐漸提高，但部分?jǐn)嗝嫒源嬖贜H₃-N不達(dá)標(biāo)問(wèn)題；治理2 a多后河道水質(zhì)COD和TP滿足合同要求，但高速北斷面12號(hào)的NH₃-N超標(biāo)0.58倍。

（2）污染溯源探查結(jié)果發(fā)現(xiàn)該小微水體受小流域內(nèi)水環(huán)境整治工程作用明顯，水量來(lái)源除上游干流來(lái)水、支流匯入外，還有沿岸污水泵站、箱涵排口等。

（3）據(jù)δ²D、δ¹⁸O、Cl^-示蹤結(jié)果，斷面12號(hào)的NH₃-N不達(dá)標(biāo)與區(qū)段初雨調(diào)蓄池箱涵封堵不徹底或出現(xiàn)溢流、污水泵站管理粗放等密切相關(guān)。

（4）建議長(zhǎng)江大保護(hù)治理工程復(fù)查初雨調(diào)蓄池箱涵封堵，強(qiáng)化污水泵站管理，由此避免初雨或污水入河、影響河流水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)小微河湖輸入長(zhǎng)江干流的污染負(fù)荷削減。

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（編輯：劉 媛）