基于溯源的長江大保護小微水體治理效果評估

摘要：長江流域小微水體眾多，承納流域大量點面源污染負荷，水質惡化影響流域水環境情勢，有礙新階段流域高質量發展進程。以長江大保護工程治理的一小微水體為例，通過污染特征調查及污染溯源分析，探尋長江大保護水環境整治工程薄弱節點。結果表明：該水體治理后部分區段NH₃-N濃度仍未達標；經保守離子與氫氧同位素示蹤溯源，發現NH₃-N不達標與區段初雨調蓄池箱涵封堵不徹底、污水泵站管理粗放等密切相關，由此提出水環境整治工程改進優化建議。研究結果可為長江大保護水環境治理工程優化提供參考。

關 鍵 詞：小微水體治理；溯源；氫氧同位素；保守離子；長江大保護

中圖法分類號：X52

文獻標志碼：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）。國內學者認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工作指南（試行）》《河南省推動河長制“有名”到“有實”實施方案》《黑龍江省在小微水體實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］。參考相關研究^［3-4］，小微水體確定為持續存在且有一定水面面積、未納入河湖長制管理體系的城鄉溝渠、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、流動性較差且生態結構較為單一、自凈能力弱、受外界污染物影響大等特點^［5］。整治小微水體對江河水體凈化有著重要意義。雖經一系列綜合治理，小微水體基本可實現水質提升和生態改善，但受實際情況影響，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“反復治，治反復”的現象^［6］。

長江流域河湖眾多，小微水體是長江的“毛細血管”^［7］，雖然面積小，但數量眾多，其承納流域污染負荷累積作用顯著。2016年，國務院印發《長江經濟帶發展規劃綱要》，將長江流域生態環境保護與修復擺在首要位置。“共抓大保護、不搞大開發”，是推進流域高質量發展的客觀要求^［8-9］。為貫徹落實黨中央、國務院對推動長江經濟帶發展的重要戰略部署，中國長江三峽集團有限公司自2018年以來，在長江流域沿江城市投入2千多億元，實施系列長江大保護工程，對沿江城市水環境保護做出了重要貢獻^［10-11］，也為長江流域生態環境保護提供有力支撐^［12］。本文以長江大保護工程治理的一小微水體為例，通過污染特征調查及污染溯源分析，探尋長江大保護整治工程薄弱節點，由此提出改進優化建議，可為水體治理精準施策提供依據，對支撐長江大保護具有顯著意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域

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標排放出水補水口，入湖口附近有污水泵站排口。2018年實施長江大保護系列工程，包括雨污水管網、泵站、調蓄池、排水閘修復及新建、污水處理廠新建、城區段河道治理與生態補水等城市水環境治理工程^［13］。工程整治之前，該河水質較差，整治后水環境得到改善，但還存在一定問題。

1.2 采樣點位及分析指標

在水體干流上布設10個點位，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3個點位，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，冰袋保存寄回實驗室，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；同步采樣測定常規水質指標化學需氧量（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驗室，以ICS3000離子色譜儀測定。穩定同位素δ²D和δ¹⁸O使用液態水同位素分析儀（liquid water isotope analyzer，DLT-100）測定，測試結果以相對標準海水（VSMOW）千分差值顯示^［14］，δ²D和δ¹⁸O測試精度分別為±1‰和±0.1‰。其他指標測定參考相關文獻［15］。

在污染溯源分析中，基于同位素質量平衡，采用二元線性混合模型計算水體貢獻率，在此基礎上進行主要污染溯源^［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，F₁、F₂分別為支流對干流水體貢獻率。

2 結果與分析

2.1 治理前水質狀況

根據收集資料，該小微水體治理目標為地表水環境質量標準Ⅳ類。在實施長江大保護工程以前，水質存在一定問題，各指標誤差線圖如圖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。該水體水質在大部分時段未能達標，主要是NH₃-N超標比較明顯，對城市社會經濟發展帶來一定負面影響。

2.2 治理后水質狀況

2018年該城市實施長江大保護系列項目，該小微水體作為試點工程之一，于2020年8月完成綜合治理。根據收集資料（見圖3），2018年6月連續一周13個斷面水質監測結果顯示，水體COD、TP均實現達標，但NH₃-N仍有斷面未滿足要求，主要表現為入湖河口附近及濂溪河的斷面；2020年10月、2021年10月各連續一周13個斷面水質監測結果顯示水質進一步提高，濂溪河的斷面水質達標，但入湖河口附近斷面仍存在NH₃-N不達標問題。

2023年4月對該小微水體13個斷面開展采樣與監測（圖1）。完成治理兩年多后水體水質空間分布見圖4。從圖4可知，12號點位氮、磷含量顯著高于其他點位，2～4號、12號點位的COD含量較高，1號點位的COD、NH₃-N、TP含量低于檢出限，TN與其他點位差異不大。12號點位位于污水泵站排口下游且距離較近，而1號位于自山區發源至下游平原地區的首段，水質優良，污染物含量極低。

根據長江大保護城市水環境治理PPP合同要求，該河經工程整治后主要水質指標滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的Ⅳ類水質要求，其中NH₃-N在穿城高速以南的河段執行Ⅳ類水質要求，以北的河段執行V類。由結果可知，河道水質COD和TP滿足合同要求，但高速北12號的NH₃-N超標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性矩陣如圖5所示。由圖5可知，常量離子之間線性相關性較強，Cl^-與其他離子高度線性相關，相關系數最高為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Piper分布如圖6所示。由圖6可知，該水體水化學類型以HCO₃-Ca-Mg型為主，總溶解性固體（total dissolved solids，TDS）含量較低，呈現典型的降雨來源水化學特征。不同點位之間，1號點位的Mg²⁺含量高于其他點位，Ca²⁺含量稍低于其他點位;11號、13號的Cl^-含量高于其他點位，HCO^-₃含量低于其他點位。表明這幾個點位水體來源與其他點位有明顯差別，即受小流域內水環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作用而引起同位素分餾，降水中同位素值相應地會因蒸發而偏離全球大氣降水線/全國大氣降水線，從而表現為斜率及截距變小的當地大氣降水線。空氣相對濕度越低的地區，不平衡蒸發作用越強烈，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作用強烈有關，其氘剩余值普遍高于全球平均值10‰。此外，不同點位周邊環境差異會導致氫氧同位素豐度有差別。由圖7水體氫氧同位素關系可知，6號、12號、13號與其他點位的同位素豐度有一定差別，其中6號位于支流源頭，受周邊土地開發利用活動影響，12號與污水泵站排放污水有關，而13號位于入湖口，可能受湖水上溯影響。

該水體水質指標與同位素及常量離子的相關性分析結果見表1。由表1可知，TN和NH₃-N與δ²D、δ¹⁸O同位素豐度顯著性相關，TP除了與δ¹⁸O顯著性相關外，還與常量離子Ca²⁺、K⁺、Na⁺、Cl^-、SO^2-₄顯著正相關，與其化學循環特性有關。

基于相關性分析，以8號代表濂溪河，5號代表干流上段，根據式（1）～（3），通過δ¹⁸O示蹤，計算濂溪河和干流上段對干流下I段（入匯點9號）的水量貢獻率；以9號代表干流下I段，10號代表小楊河，計算兩者對干流下Ⅱ段（11號）的水量貢獻率；如此逐段分析，計算小楊河（10號）和干流下 Ⅱ 段（11號）對下Ⅲ段（12號）的水量貢獻率，結果如表2所示。由表2可知，干流上段對 Ⅰ 段入匯點的水量貢獻為76.1%，遠高于濂溪河的23.9%；但9號、10號對11號，以及10號、11號對12號的水量貢獻率結果無法表達。從該

結果可知，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2.3節分析，以保守離子Cl^-進行溯源示蹤，其濃度空間差異如圖8所示。從圖8可知，點位11號和12號的Cl^-濃度顯著高于其他點位。現場踏勘可知，10號與11號之間有一個初雨調蓄池箱涵排口，11號與12號之間有污水泵站排口。根據長江大保護城市水環境治理工程資料記載，該初雨調蓄池箱涵排口已封堵，污水泵站排口無排污。然而，據δ²D、δ¹⁸O、Cl^-示蹤結果可知，這兩個排口應仍有水量排入，故而影響下段河水水質，尤其是污水泵站排口，其污水主要來自城市生活污水管網，即使排河水量很小，但其較高的NH₃-N濃度嚴重影響12號水質。因此，該水體整治薄弱段集中于下游Ⅱ、Ⅲ段，與初雨調蓄池箱涵封堵不徹底或出現溢流、污水泵站管理粗放等密切相關。

建議長江大保護治理工程復查初雨調蓄池箱涵封堵，強化污水泵站管理，由此避免初雨或污水入河、影響河流水質，實現通過小微河湖輸入長江干流的污染負荷削減。未來結合“城市水管家”系統建設，將城市水環境治理工程涉及的水體納入云平臺，通過終端實時監測、邊緣節點分流、云端統籌計算，實現污水自源—網—廠—泵蓄閘至河湖的一體化模擬與預測^［17］，為治理工程綜合效益提升奠定基礎，為長江大保護提供支撐。

3 結 論

以長江流域一城市小微水體為案例，針對長江大保護城市水環境治理工程，通過污染特征調查以及污染溯源分析，探尋整治工程薄弱節點。結論如下：

（1）該小微水體治理前水質在大部分時段未能達標，主要超標因子為NH₃-N，治理后初期水質逐漸提高，但部分斷面仍存在NH₃-N不達標問題；治理2 a多后河道水質COD和TP滿足合同要求，但高速北斷面12號的NH₃-N超標0.58倍。

（2）污染溯源探查結果發現該小微水體受小流域內水環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δ²D、δ¹⁸O、Cl^-示蹤結果，斷面12號的NH₃-N不達標與區段初雨調蓄池箱涵封堵不徹底或出現溢流、污水泵站管理粗放等密切相關。

（4）建議長江大保護治理工程復查初雨調蓄池箱涵封堵，強化污水泵站管理，由此避免初雨或污水入河、影響河流水質，實現通過小微河湖輸入長江干流的污染負荷削減。

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（編輯：劉 媛）