南湖污染源解析与污染负荷核算

秦柳，朱江龙，龚汇泉，王敏，陈默

(湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062)

0 引言

随着中国经济的高速发展，环境污染问题日益凸显，人们的生态环境保护理念也逐渐增强，水生态作为生态系统的重要组成部分，是生态文明建设的重要内容[1-2]，在我国“十三五”规划中提出了明确的要求和期望.水污染源主要分为点源污染和非点源污染，准确识别污染源，开展污染负荷调查有利于有效根治水环境[3-5].武汉作为“百湖之市”，近年来，高度重视湖泊保护工作，提出要通过系统治水、科学治水、依法治水，变城市水优势为发展优势和竞争优势，让武汉人民共享治水发展成果，打造滨水生态绿城.2017年3月，武汉市市委市政府发布《武汉市“四水共治”工作方案(2017—2021年)》[6]，明确指出南湖是武汉市“四水共治”行动计划中需要优先实施水环境提升的水体，其水环境功能区划目标为地表水Ⅳ类.然而《武汉市环境质量公报》显示，2007—2018年，南湖水质监测结果为劣Ⅴ类，COD、氨氮、总磷等指标均有超标现象，亟需改善.然而南湖面积广，岸线长，污染源种类多，成分复杂，有必要对南湖进行污染源解析，找出主要污染来源，确定优先治理目标，从而为南湖水环境保护与污染物排放总量控制提供科学依据和治理方向.

1 区域概况

南湖位于武汉市武昌南部，为武汉市中心城区的主要湖泊之一，介于东经114°20′～114°23′，北纬30°28′～30°30′之间，横跨武汉市洪山区和东湖新技术开发区，属于汤逊湖水系.南湖常水位18.65 m，最高水位19.65 m，湖泊水域面积767.4 hm2，岸线长度约23 km，容积约2.052×106m3，汇水范围37.44 km2(图1).按照地表水环境功能类别，南湖执行地表水Ⅳ类水标准，但是据武汉市环境监测中心的监测数据，南湖水质常年处于Ⅴ类或劣Ⅴ类.

图1 南湖汇水区范围示意图

2 污染源解析与污染负荷核算

2.1 点源入湖污染量核算南湖沿线排口一共212个，根据排口规模和排水来源归为9类，分别为大流量重点排口(15个)、小流量排口(41个)、水产养殖废水排口(5个)、水下排水管(1个)、半淹没管排口(17个)、入湖支流水体排口(3个)、常水位以下污水渗漏处(7个)、雨水排口(118个)、闸口(5个)，详见图2.

图2 各排口点位分布图

由于雨水排口和闸口并不是用来排放污水的，所以本文中只考虑其余7种排口的污染物排放量.为便于核算污染物入湖量，根据各排口的排水特点，又将排水分为3类，即生活污水、水产养殖废水、景观湖交换水.为尽可能真实囊括南湖各排口的实际排放量，本文中采用4种核算污染物入湖量的方法，然后将核算结果进行比选.

具体各排口水质的确定方法如下.

1)监测-平均值法：有监测数据的采用监测数据，无监测数据的采用同类型排口监测数据的平均值；

2)平均值法：排水浓度均采用同类型排口监测数据的平均值；

3)类比法：排水浓度均采用南湖已有文献资料同类型污水的浓度值；

4)监测-类比法：有监测数据的采用监测数据，无监测数据的采用南湖已有文献资料的同类型污水的浓度值.

基于南湖流域的具体情况，参照国内外相关研究[7-10]，选取化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)3种主要污染物对南湖污染物入湖量进行核算.监测数据采用2018年武汉市环境监测中心对南湖14 个排污口的实际监测数据，具体见表1，无监测数据的排口水质参照以下标准：

大流量排口入湖浓度取值：COD 241.75 mg/L，NH3-N 29.12 mg/L，TP 2.96 mg/L.

小流量排口入湖浓度取值：COD 127.6 mg/L，NH3-N 15.8 mg/L，TP 1.81 mg/L.

入湖水体排口入湖浓度取值：COD 21.00 mg/L，NH3-N 0.75 mg/L，TP 0.11 mg/L.

参考已有文献资料[11-14]中生活污水的数据：COD 120 mg/L，NH3-N 15 mg/L，TP 1.5 mg/L.

水产养殖废水参考同类数据，入湖浓度取值：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质监测数据

2.1.1 监测-平均值法 采用监测-平均值法对南湖点源污染进行核算，核算结果见表2.

表2 主要污染物的年入湖量(监测-平均值法)

按照监测-平均值法，南湖沿线各排口每日直排污水量达12 849 t，年污水排放量达4.69×106t，相应的COD污染负荷达769 t/a，氨氮污染负荷达86 t/a，TP污染负荷达10 t/a.

2.1.2 平均值法 排口来水具有一定的波动性，因此根据武汉市环境监测中心对南湖14 个排污口的监测数据，将其进行分类，全部按平均值计算.具体结果见表3.按照平均值法，南湖沿线各排口每日直排污水量达12 849 t/a，年污水排放量达4.69×106t，相应的COD污染负荷达1 098 t，氨氮污染负荷达132 t/a，TP污染负荷达13 t/a.

2.1.3 类比法 参考南湖已有文献资料中同类型污水的数据，即：生活污水排放浓度为：COD 120 mg/L、NH3-N 15 mg/L、TP 1.5 mg/L.结合各排口的污水排放量，算出主要污染物的年入湖量，具体见表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(类比法)

按照类比法，南湖沿线各排口每日直排污水量达12 849 t，年污水排放量达4.69×106t，相应的COD污染负荷达557 t/a，氨氮污染负荷达69 t/a，TP污染负荷达7 t/a.

2.1.4 监测-类比法 将监测数据与类比数据结合起来对南湖点源污染进行核算，具体结果见表5.

表5 主要污染物的年入湖量(监测-类比法)

采用监测-类比法，南湖沿线各排口每日直排污水量达12 849 t，年污水排放量达4.69×106t，相应的COD污染负荷达550 t/a，氨氮污染负荷达60 t/a，TP污染负荷达8 t/a.

2.1.5 核算结果比选 表6为以上4种方法核算的南湖沿线排口污染物排放量对比.从中可以看出，采用平均值法得到的污染物入湖量最大，COD污染负荷达1 098 t/a，氨氮污染负荷达132 t/a，TP污染负荷达13 t/a.其原因是有些流量大的排口的监测数据较小，如果采用平均值，其值偏大，因此导致结果偏大.

值得注意的是，部分排口水质数据明显高于正常值，参照已有南湖文献资料，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，但某些排口的实际COD检测值高达500 mg/L，也就是说，这个检测值只能代表该排口的特殊情况，不能代表其他排口.在实际计算过程中，推荐采用监测-类比法，有监测数据的用监测数据，没有监测数据参照已有资料里的排水浓度.其结果与类比法接近，也说明了其合理性.

按照监测-类比法计算，南湖各排口的COD入湖量达550 t/a，NH3-N入湖量达60 t/a，TP入湖量达8 t/a.

表6 4种核算结果对比

2.2 面源入湖污染量核算南湖的面源污染主要为城市径流污染、农田种植污染和降尘污染，各污染源的入湖污染量如下：

2.2.1 城市径流污染 参考《全国水环境容量核定技术指南》[15]中推荐的标准城市法计算城市径流污染量.标准源强系数为COD 50 t/(a·km2)，NH3-N 5 t/(a·km2)，TP 1 t/(a·km2).

城市地表径流污染负荷计算方法见式(1)：

P=A·μ·λ·10-3

(1)

式中：P为污染物年负荷，t/a；A为城镇用地面积，km2；μ为标准源强系数，kg/(a·km2)；λ为修正系数；

根据调查收集的相关数据可知，武汉市地形以平原为主，南湖汇水区城镇人口为47.32万人，汇水面积为37.44 km2，城镇用地面积30.36 km2，年平均降水量1 250 mm，雨水收集管网普及率在80%左右.经计算，南湖汇水区范围内，城市径流产生的主要污染物年产生量为：COD 382.53 t/a、NH3-N 38.25 t/a、TP 7.65 t/a.因城市硬质地面，根据相关文献污染物入湖系数取0.4，计算得出，南湖汇水区内，城市径流最终入湖的污染物排放量为：153.01 t/a、NH3-N 15.30 t/a、TP 3.06 t/a(表7).

表7 城市径流污染物排放量和入湖量

2.2.2 农田种植污染 参照《全国水环境容量核定技术指南》中推荐的“标准农田法”进行估算.农田径流污染的COD及NH3-N的负荷计算方法见式(2)和式(3)：

PCOD=A·μCOD·λ·10-3

(2)

PNH3=A·μNH3·λ·10-3

(3)

式中：PCOD为年COD负荷，t/a；PNH3为年NH3-N负荷，t/a；A为农田面积，亩；μCOD为标准农田COD源强系数，10 kg/(667 m2·a)；μNH3为标准农田NH3-N源强系数，2 kg/(667 m2·a)；λ为修正系数.

此外，TP计算公式与上述公式类似，标准农田的TP的源强系数取0.5 kg/(667 m2·a).由于南湖汇水区范围内大多为粘土，并且耕地坡度大多小于25°，多年平均降雨量超过800 mm，非标准农田产污修正系数选择：坡度修正系数取1.0，土壤类型修正系数0.8，化肥使用量修正系数1.2，降水量修正系数1.2，入湖系数取0.4.南湖汇水区农业用地面积为9.23 hm2.计算结果显示，南湖汇水区内因种植业产生的农田径流入湖污染物总量分别为：COD 0.63 t，NH3-N 0.13 t，TP 0.03 t(表8).

表8 农田种植污染物排放量和入湖量

2.2.3 降尘污染 武汉市年均降雨量为1 250 mm，湖面承雨量按年降雨量×南湖水域面积计算，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.经核算，南湖湖面承雨量为9.588×106t/a，湖区降雨负荷为COD 112.4 t/a、NH3-N 8.72 t/a、TP 0.20 t/a.

2.2.4 面源入湖污染总量 由表9可知，在各面源污染中，城市径流污染为主要的面源污染，其次为降尘污染，农田种植污染相对较轻.面源污染COD入湖总量为266.04 t/a，NH3-N 为24.15 t/a，TP为3.29 t/a.

表9 各面源污染入湖量

2.3 污染源结构分析对南湖各类污染源主要污染物入湖量及其占比进行分析，见表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，约占南湖入湖总量一半以上，具体占比为67.4%、71.4%和70.3%；其次，是城市径流，其COD、NH3-N、TP排放量占比分别为18.8%、18.1%和27.6%；再次，是沉降的排放量占比，其COD、NH3-N、TP排放量占比分别为13.8%、10.3%和1.8%；此外，还有少量的农业种植面源导致的入湖污染，占比相对较小，均不到1%.总体来看，排口治理是南湖水污染整治和水质提升的重中之重.

表10 南湖入湖污染物负荷总量

3 结论与建议

3.1 主要结论

1)按照监测-类比法计算，南湖各排口的COD入湖量达550.2 t/a，NH3-N入湖量达60.3 t/a，TP入湖量达78 t/a.

2)面源污染COD入湖总量为266.04 t/a，NH3-N 为24.15 t/a，TP为3.29 t/a.其中城市径流污染为主要的面源污染.

3)排口是南湖最大的污染源，COD、NH3-N、TP排放量占比均最高，约占南湖入湖总量一半以上，具体占比为67.4%、71.4%和70.3%；其次是城市径流；再次是沉降的排放量；此外，还有少量的农业种植面源导致的入湖污染.

3.2 建议针对南湖的污染现状，提出以下建议：

1)尽快开展排口清查以及来水溯源工作，查清排口对应的管网、排污单位，排水类型，从源头上控制污染，这样不仅可以减少污染物的入湖量，而且也可以减轻后续末端处理的难度和成本.

2)对大流量排口进行治理，可采取应急一体化污水处理设施对排口的污水进行处理后排放，但为从根本上解决污水入湖问题，应尽早启动截污工程.

3)对雨水排口进行生态景观化改造，对于合流制现状区域加紧雨、污水支管的建设，有效收集初期雨水和污水.并在南湖沿线建立生态缓冲带，不仅能快速截留并净化初期雨水，同时也能提升岸线景观、创建优美的人居环境.

4)进行市政管网检测修复，对南湖流域范围内的市政管网进行管内CCTV专业检测工作，全面排查管网的破损、沉降、错位等问题，及时修复.对雨水管、污水管混接、错接等现象进行整改.

5)加强南湖水体水质的监测管理，开展水体水生态修复工程，建议选择性开展水生态修复工程，如生境营造工程、沉水群落带构建、挺水植物群落构建、浮叶植物群落构建、鱼类群落构建以及底栖动物群落构建等，以改善湖泊整体水体质量.