基于環境容量的入湖污染負荷削減分析

陳菡雯，萬 帆，黃 浩，胡 輝

(1.合肥工業大學資源與環境工程學院，合肥 230009；2.武漢市規劃設計有限公司，武漢 430014；3.華中科技大學環境科學與工程學院，武漢 430074)

水是生命之源，是工農業生產、經濟發展和生態環境改善不可替代的寶貴自然資源。水環境質量密切關系著區域內的飲水安全和人居環境[1-2]。隨著社會生產力的不斷發展，城市人口擴張不斷加快，導致大量生產、生活的排入城市水網、水系中，使得城市集中建設區內部的湖泊受到嚴重污染[3-4]。中外對于水污染防治和水環境改善方面的研究都經歷了漫長的探索。國外對于水環境治理的研究開展的較早：日本的琵琶湖注重從環境管理的角度開展湖泊治理，“琵琶湖綜合保全整備計劃”通過設立湖泊分階段治理目標，進行分階段治理[5]；荷蘭的Veluwe湖在治理初期通過建設污水處理廠進行外源氮磷控制，后期則通過內源控制和引進清水對水質進行改善[6]；瑞典Trummen湖側重底泥清淤和沉積物疏浚，通過恢復湖泊生態來改善水環境質量[7]。中國對于湖泊水環境改善的研究也在日趨完善：綜合營養狀態指數(TLI)法和浮游植多樣性指數法被用于對寧夏騰格里湖的水質及富營養化現狀進行分析和評價[8]；低影響開發的措施被研究用于對居住區人工湖生態系統的改善[9]；單因子指數法和潛在生態風險指數法被用于對草海湖泊沉積物中各重金屬污染狀況進行分析評價[10]；云南滇池通過在環湖建設截污干管對入湖污水進行高效控制，從而減輕城市建設對湖泊的污染[11]；九江市琵琶湖則通過新建污水處理廠和初雨調蓄池使水體消除黑臭[12]。然而，現有工程措施的治理效果大多無法立竿見影，需要有合理的、定量的指標來指導水污染治理措施的科學性。

水環境容量是指在一定的水文條件及水質目標下，以保證水環境功能和用途為前提，水體環境所能承納的污染負荷量[13]。水環境容量作為水質達標的重要定量指標，是指導水污染治理工程措施對污染負荷削減的重要依據[14-15]。近年來，中國經濟的快速發展伴隨著嚴重的水環境污染，包括溢流生活污水[16]、工業點源污染[17]、地表徑流污染[18-19]、底泥釋放內源污染[20]和大氣降塵污染[21]在內的多類型污染源對城市水環境構成嚴重的威脅。武漢作為中國典型的內陸城市，同樣面臨這水環境污染嚴重的問題。以武漢市南湖為例，在已有的關于南湖水質提升研究的基礎上[22-23]，探索基于環境容量分析的水污染治理措施評價。南湖位于武漢市集中建設區，屬于典型的城市公園湖泊，南湖地理概況如圖1所示。南湖匯水面積為37.44 km2，流域總人口約為59.40×104人。南湖周邊用地構成主要以居住用地和教育科研用地為主，分別占到總用地面積的28.5%、19.3%。

圖1 武漢市南湖地理概況圖

1 污染負荷定量化分析

1.1 入湖污染來源解析

武漢市南湖作為典型的城市集中建設區公園型湖泊，其匯水范圍內已經無固定的工業污染排放源。因此，南湖的入湖污染物主要來源于溢流的生活污水和地表徑流面源污染。通過現場調研及實地排口監測，得出南湖匯流區的生活污水總氮排放量約為503.9 t/a，總磷排放量約為66.69 t/a。通過南湖匯水范圍內的城市下墊面用地性質及其占比情況，計算得出地表徑流污染物中總氮的入湖量為276.1 t/a，總磷的入湖量為17.16 t/a。根據武漢市空氣質量狀況，得出南湖湖面降塵污染中總氮的入湖量為1.8 t/a，總磷的入湖量為0.32 t/a。通過對南湖底泥進行監測分析，得出底泥釋放出的總氮污染量約為53.8 t/a，總磷污染量約為8.40 t/a。不同總氮、總磷污染來源占比情況如圖2所示。

圖2 武漢市南湖總氮、總磷污染分擔率

由圖2可知，武漢市南湖入湖總氮污染的主要來源為溢流生活污染，其占比高達60.30%；其次為地表徑流污染，其占比為33.04%；底泥釋放內源污染和湖面降塵外源污染合計占比不到7%。南湖入湖總磷污染的主要來源同樣為溢流生活污染，其占比高達72.05%；其次為地表徑流污染，其占比為18.53%；底泥釋放內源污染和湖面降塵外源污染合計低于10%。由于南湖位于武漢市中心城區，匯水范圍內總人口數高達55萬人，因而每天產生的生活污水量龐大。此外，雨污排水管網混錯接的情況在全國范圍內普遍存在，南湖匯水范圍內同樣有一定的生活污水混入雨水管網后，通過雨水排口溢流進入南湖，對水體造成嚴重污染。地表徑流面源污染則是由降水產流后通雨水排口進入南湖，初期雨水中污染物濃度偏高，同樣對水體造成明顯污染。由于生活污水中總磷(total phosphorus, TP)含量較高，因此污染分擔率中TP占比高于總氮(total nitrogen, TN)。而地表徑流中的TN不僅包括氨氮還包含硝態氮，其相對TN含量占比高于TP。

1.2 污染負荷的空間分布

入湖污染負荷空間分析的目的在于得出湖泊匯水范圍內的高污染產生區域，抓住湖泊污染的主要矛盾，使提出的污染治理措施更具有針對性。本文在得出武漢市南湖TN和TP總入湖污染負荷的基礎上，對南湖37.44 km2的匯水范圍內進行污染負荷的空間分布分析。研究采用1 000 m×1 000 m 的網狀方格對南湖入湖TN和TP空間分布進行分析，結果如圖3所示。

圖3 總氮、總磷污染負荷空間分布

由圖3可以看出，南湖的入湖TN和TP空間分布都有3個典型的峰值點位。對TN空間分布進行分析，結果發現南湖北面峰值點位(N1)的TN強度為65.33 t/a，東面峰值點位(N2)的TN強度為63.87 t/a，南面峰值點位(N3)的TN強度為81.21 t/a。這3個典型的峰值點位總和為210.41 t/a，占TN總排放量的25.18%，而對應的總面積則僅占匯水范圍的10.7%。對TP空間分布進行分析，結果發現南湖北面峰值點位(P1)的TP強度為6.64 t/a，東面峰值點位(P2)的TP強度為6.48 t/a，南面峰值點位(P3)的TP強度為9.06 t/a。這3個典型的峰值點位總和為22.18 t/a，占TP總排放量的23.97%，而對應的總面積同樣僅占匯水范圍的10.7%。由此可見，對3個典型的峰值區域優先進行污染物控制，可明顯削減匯水范圍內的TN和TP入湖量。

1.3 總氮和總磷污染來源解析

從城鎮生活污染、地表徑流污染、底泥釋放污染和湖面降塵污染四個方面，對南湖入湖TN和TP污染進行精細化來源解析，TN源解析結果如圖4所示，TP源解析結果如圖5所示。

圖4 武漢市南湖總氮來源解析

圖5 武漢市南湖總磷來源解析

根據圖4中TN不同污染來源的解析結果可知，城鎮生活污染為TN污染的最主要來源，城鎮生活污染源的3個典型峰值點位與TN總排放量的點位基本相同。結合匯水范圍內的影像圖可知，3個典型區域內居住小區密集，對比南湖匯水范圍內的人口密度分布情況可知，該區域內人口總量也明顯高于其他區域。而城鎮生活污染中TN的產量與人口數量成正比，在污水管網收集情況相同的條件下，該區域產生的TN排放量也較大，3個典型區域TN排放量達到150.06 t/a，占總城鎮生活污染排放的29.78%。同時，這三個區域內城市下墊面透水性較差，綜合地表徑流系數較高，因而產生的地表徑流量也較大，導致TN總入湖污染負荷中的地表徑流污染物的量也相應增大，3個典型區域TN產生量達到32.54 t/a，占總地表徑流污染排放的21.36%。底泥釋放污染和湖面降塵污染則主要分布在湖泊水域范圍內，兩者之和的占比較小。

根據圖5中TP不同污染來源的解析結果可知，城鎮生活污染依舊為TP污染的最主要來源，城鎮生活污染源的3個典型峰值點位與TP總排放量的點位基本相同。3個典型區域內城鎮生活污染中TP排放量達到19.86 t/a，占總城鎮生活污染排放的29.8%。地表徑流污染中TP排放量達到2.51 t/a，占總地表徑流污染排放的20.56%。由此可見，圖3中所標出的區域面積僅占總匯水范圍的10.7%，但其TN和TP污染貢獻率遠高于平均水平。

2 基于環境容量的治理措施分析

為實現南湖水質達標，通過對南湖主要污染物進行負荷分析和來源解析，同時開展了環境容量分析，建立多種情景模式下的削減方案，以期建立更合理的工程對策。其中，情景1為城鎮生活污水完全截污；情景2為在完成城鎮生活污水完全截流的基礎上，進一步對內源底泥污染進行完全控制；情景3為基于實際情況對城鎮生活污水和底泥污染釋放實施定額控制的基礎上，根據污染物總量守恒原則反推面源污染物控制。

2.1 總氮控制措施

為使得南湖水質達到Ⅳ類水平，需要對總氮不同污染源產生的負荷進行削減。不同情景模式下總氮的削減情況如圖6所示。

通過對南湖的污染負荷和環境容量分析可知：南湖的現狀總氮入湖量高達835.6 t/a，南湖水質中總氮濃度預計為3.97 mg/L，無法滿足Ⅳ類水質要求；在完成南湖城鎮生活污水污染物截流工作的基礎上，即削減503.9 t/a的總氮負荷，在保證其他條件不變的情況下，南湖水質中總氮濃度預計可降低至1.58 mg/L，依舊無法滿足Ⅳ類水質1.5 mg/L的水質要求，如圖6中情景1所示；若進一步對內源底泥污染進行完全控制，即進一步削減53.8 t/a的總氮負荷，此時南湖水質中總氮濃度預計可降低至1.32 mg/L，滿足Ⅳ水質要求，如圖6中情景2所示；然而實際過程中，南湖城鎮生活污水污染物排放并不能完全得到100%的控制，同樣底泥清淤也并不能完全消除內源總氮污染。因此，假設完成城鎮生活污水污染物排放和底泥污染釋放中60%的總氮控制，即其對應負荷僅有40%進入南湖，根據總氮物料守恒，反推出面源污染物入湖量控制率為67.3%時，可滿足南湖TN環境容量315.2 t/a，此時水質中TN濃度預計降至1.5 mg/L水平，達到地表水Ⅳ類要求的限值，如圖6中情景3所示。

圖6 基于環境容量的不同情景模式下總氮削減

2.2 總磷控制措施

為使得南湖水質達到Ⅳ類水平，需要對總磷不同污染源產生的負荷進行削減。不同情景模式下總磷的削減情況如圖7所示。

圖7 基于環境容量的不同情景模式下總磷削減

通過對南湖的納污能力分析可知：南湖的現狀總磷入湖量高達92.56 t/a，南湖水質中總磷濃度預計為0.44 mg/L，無法滿足Ⅳ類水質要求；在完成城鎮生活污水污染物的截流工作的基礎上，即削減66.69 t/a的總磷負荷，在保證其他條件不變的情況下，南湖水質中總磷濃度預計可進一步降低至0.12 mg/L，依舊無法滿足Ⅳ類水質0.1 mg/L的水質要求，如圖7中情景1所示；若進一步對內源底泥污染進行完全控制，即進一步削減8.4t/a的總磷負荷，此時南湖水質中總磷濃度預計可降低至0.083 mg/L，滿足IV水質要求，如圖7中情景2所示；然而實際過程中，南湖城鎮生活污水污染物排放并不能完全得到100%的控制，同樣底泥清淤也并不能完全消除內源總磷污染。因此，假設完成城鎮生活污水污染物排放和底泥污染釋放中75%的總磷控制，即其對應負荷僅有25%進入南湖，根據總磷物料守恒，反推出面源污染物入湖量控制率為87%時，可滿足南湖TP環境容量21.01t/a，此時南湖水質中氨氮濃度預計剛剛降至0.1 mg/L水平，達到地表水Ⅳ類要求的限值，如圖7中情景3所示。

3 結論

(1)對于城市集中建設區中的湖泊，地表徑流污染已經逐漸成為其主要污染物來源。根據環境容量計算分析，在完成傳統點源污染控制的情況下，依舊無法滿足水體的納污能力，必須采取有效的面源污染控制措施，對地表徑流污染進行大幅削減。對于武漢市南湖而言，在完成城鎮生活污水污和底泥釋放中60%TN去除和75%TP去除的基礎上，同時對地表徑流中TN控制率達到67%、TP控制率達到87%進行控制，才可能使南湖水質總體達到地表水Ⅳ類要求。

(2)對匯水范圍內污染負荷的精準空間解析，可為治理措施的合理安排提供科學依據。武漢市南湖匯水范圍內污染負荷空間分布有3個典型峰值區域，其面積僅占匯水范圍的10.7%，而其TN產污負荷占25.18%，總磷產污負荷占23.97%。依托環境容量分析的湖泊污染物來源的定量解析，可為水環境污染治理措施的開展深度提供參考。