摘要:長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,有礙新階段流域高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)程。以長江大保護(hù)工程治理的一小微水體為例,通過污染特征調(diào)查及污染溯源分析,探尋長江大保護(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;長江大保護(hù)
中圖法分類號: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?!逗笔⌒∥⑺w治理管護(hù)工作指南(試行)》《河南省推動河長制“有名”到“有實(shí)”實(shí)施方案》《黑龍江省在小微水體實(shí)施河湖長制工作方案》提到把河、溝、渠、塘等小微水體納入河長制管理水體范圍[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、未納入河湖長制管理體系的城鄉(xiāng)溝渠、坑塘、庫壩等水體。
相對于湖泊、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、溢流等問題,造成小微水體“反復(fù)治,治反復(fù)”的現(xiàn)象[6]。
長江流域河湖眾多,小微水體是長江的“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,國務(wù)院印發(fā)《長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃綱要》,將長江流域生態(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、國務(wù)院對推動長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的重要戰(zhàn)略部署,中國長江三峽集團(tuán)有限公司自2018年以來,在長江流域沿江城市投入2千多億元,實(shí)施系列長江大保護(hù)工程,對沿江城市水環(huán)境保護(hù)做出了重要貢獻(xiàn)[10-11],也為長江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有力支撐[12]。本文以長江大保護(hù)工程治理的一小微水體為例,通過污染特征調(diào)查及污染溯源分析,探尋長江大保護(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),對支撐長江大保護(hù)具有顯著意義。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)域
該小微水體位于長江流域中游,河長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,其中5號位于污水處理廠補(bǔ)水口上游,9號位于濂溪河匯入口下游10 m左右,10號位于小楊河匯入口下游10 m左右,12號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(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-、SO2-4、CO2-3及HCO-3;同步采樣測定常規(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)測定,測試結(jié)果以相對標(biāo)準(zhǔn)海水(VSMOW)千分差值顯示[14],δ2D和δ18O測試精度分別為±1‰和±0.1‰。其他指標(biāo)測定參考相關(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)施長江大保護(hù)工程以前,水質(zhì)存在一定問題,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,對城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來一定負(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(見圖3),2018年6月連續(xù)一周13個(gè)斷面水質(zhì)監(jiān)測結(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)問題。
2023年4月對該小微水體13個(gè)斷面開展采樣與監(jiān)測(圖1)。完成治理兩年多后水體水質(zhì)空間分布見圖4。從圖4可知,12號點(diǎn)位氮、磷含量顯著高于其他點(diǎn)位,2~4號、12號點(diǎn)位的COD含量較高,1號點(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號點(diǎn)位位于污水泵站排口下游且距離較近,而1號位于自山區(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)典型的降雨來源水化學(xué)特征。不同點(diǎn)位之間,1號點(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、13號的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)地會因蒸發(fā)而偏離全球大氣降水線/全國大氣降水線,從而表現(xiàn)為斜率及截距變小的當(dāng)?shù)卮髿饨邓€??諝庀鄬穸仍降偷牡貐^(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、12號、13號與其他點(diǎn)位的同位素豐度有一定差別,其中6號位于支流源頭,受周邊土地開發(fā)利用活動影響,12號與污水泵站排放污水有關(guān),而13號位于入湖口,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-、SO2-4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號代表濂溪河,5號代表干流上段,根據(jù)式(1)~(3),通過δ18O示蹤,計(jì)算濂溪河和干流上段對干流下I段(入?yún)R點(diǎn)9號)的水量貢獻(xiàn)率;以9號代表干流下I段,10號代表小楊河,計(jì)算兩者對干流下Ⅱ段(11號)的水量貢獻(xiàn)率;如此逐段分析,計(jì)算小楊河(10號)和干流下 Ⅱ 段(11號)對下Ⅲ段(12號)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 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、10號對11號,以及10號、11號對12號的水量貢獻(xiàn)率結(jié)果無法表達(dá)。從該
結(jié)果可知,干流下Ⅱ段11號的水量并不全是來自10號和9號,而干流下Ⅲ段12號的水量并不全是來自11號和10號。
2.4 水體治理問題診斷
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號和12號的Cl-濃度顯著高于其他點(diǎn)位?,F(xiàn)場踏勘可知,10號與11號之間有一個(gè)初雨調(diào)蓄池箱涵排口,11號與12號之間有污水泵站排口。根據(jù)長江大保護(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)通過小微河湖輸入長江干流的污染負(fù)荷削減。未來結(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,通過終端實(shí)時(shí)監(jiān)測、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[17],為治理工程綜合效益提升奠定基礎(chǔ),為長江大保護(hù)提供支撐。
3 結(jié) 論
以長江流域一城市小微水體為案例,針對長江大保護(hù)城市水環(huán)境治理工程,通過污染特征調(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,水量來源除上游干流來水、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)通過小微河湖輸入長江干流的污染負(fù)荷削減。
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(編輯:劉 媛)