秦柳，朱江龍，龔匯泉，王敏，陳默

(湖北大學資源環(huán)境學院，湖北 武漢 430062)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益凸顯，人們的生態(tài)環(huán)境保護理念也逐漸增強，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，準確識別污染源，開展污染負荷調(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，高度重視湖泊保護工作，提出要通過系統(tǒng)治水、科學治水、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)測結果為劣Ⅴ類，COD、氨氮、總磷等指標均有超標現(xiàn)象，亟需改善.然而南湖面積廣，岸線長，污染源種類多，成分復雜，有必要對南湖進行污染源解析，找出主要污染來源，確定優(yōu)先治理目標，從而為南湖水環(huán)境保護與污染物排放總量控制提供科學依據(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類水標準，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，然后將核算結果進行比選.

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)外相關研究[7-10]，選取化學需氧量(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)參照以下標準：

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行核算，核算結果見表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12 849 t，年污水排放量達4.69×106t，相應的COD污染負荷達769 t/a，氨氮污染負荷達86 t/a，TP污染負荷達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)，將其進行分類，全部按平均值計算.具體結果見表3.按照平均值法，南湖沿線各排口每日直排污水量達12 849 t/a，年污水排放量達4.69×106t，相應的COD污染負荷達1 098 t，氨氮污染負荷達132 t/a，TP污染負荷達13 t/a.

2.1.3 類比法 參考南湖已有文獻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12 849 t，年污水排放量達4.69×106t，相應的COD污染負荷達557 t/a，氨氮污染負荷達69 t/a，TP污染負荷達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)結合起來對南湖點源污染進行核算，具體結果見表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12 849 t，年污水排放量達4.69×106t，相應的COD污染負荷達550 t/a，氨氮污染負荷達60 t/a，TP污染負荷達8 t/a.

2.1.5 核算結果比選 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污染負荷達1 098 t/a，氨氮污染負荷達132 t/a，TP污染負荷達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，因此導致結果偏大.

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550 t/a，NH3-N入湖量達60 t/a，TP入湖量達8 t/a.

表6 4種核算結果對比

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)境容量核定技術指南》[15]中推薦的標準城市法計算城市徑流污染量.標準源強系數(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荷計算方法見式(1)：

P=A·μ·λ·10-3

(1)

式中：P為污染物年負荷，t/a；A為城鎮(zhèn)用地面積，km2；μ為標準源強系數(shù)，kg/(a·km2)；λ為修正系數(shù)；

根據(jù)調(diào)查收集的相關數(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)相關文獻污染物入湖系數(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)境容量核定技術指南》中推薦的“標準農(nóng)田法”進行估算.農(nóng)田徑流污染的COD及NH3-N的負荷計算方法見式(2)和式(3)：

PCOD=A·μCOD·λ·10-3

(2)

PNH3=A·μNH3·λ·10-3

(3)

式中：PCOD為年COD負荷，t/a；PNH3為年NH3-N負荷，t/a；A為農(nóng)田面積，畝；μCOD為標準農(nóng)田COD源強系數(shù)，10 kg/(667 m2·a)；μNH3為標準農(nóng)田NH3-N源強系數(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，標準農(nóng)田的TP的源強系數(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，非標準農(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 污染源結構分析對南湖各類污染源主要污染物入湖量及其占比進行分析，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 南湖入湖污染物負荷總量

3 結論與建議

3.1 主要結論

1)按照監(jiān)測-類比法計算，南湖各排口的COD入湖量達550.2 t/a，NH3-N入湖量達60.3 t/a，TP入湖量達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)對大流量排口進行治理，可采取應急一體化污水處理設施對排口的污水進行處理后排放，但為從根本上解決污水入湖問題，應盡早啟動截污工程.

3)對雨水排口進行生態(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，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)進行市政管網(wǎng)檢測修復，對南湖流域范圍內(nèi)的市政管網(wǎng)進行管內(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.對雨水管、污水管混接、錯接等現(xiàn)象進行整改.

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