城市富营养化湖泊的外源污染负荷与贡献解析——以武汉市后官湖为例*

杨水化，彭正洪，焦洪赞，许 静，王永桂

(1:中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院，流域关键带演化湖北省重点实验室，武汉 430074)

(2:武汉大学城市设计学院, 武汉430079)

解析湖泊污染物的主要来源及其负荷贡献, 对揭示湖泊富营养化和污染效应、开展“一湖一策”治理具有重要的作用[1]. 近年来，围绕水体污染物种类和来源、污染物产生和排放情况的调查工作大量开展[2-4]；但从湖泊流域的角度、行政区域管理的视角精细解析湖泊污染源相关工作仍少有报导.

武汉地处长江中游城市群核心，是长江经济带的重要城市，在长江流域生态安全格局、经济社会发展、长江文明传承创新中发挥着重要枢纽作用[5]. 武汉因水而兴，在武汉市诸多湖泊中，后官湖是重要的战略水源地，其在武汉市的发展中有着重要的支撑作用，但随着湖区周围人口、工农业生产的快速增长和大规模经济开发，污染物的排放量增大，导致湖泊生态环境面临着水质恶化、水体富营养化、水生态风险加剧等诸多全国湖泊所共有的生态问题[6]. 解析污染来源，是后官湖治理的关键也是难题. 部分学者采用实测的方式，核算了后官湖周边的污染物来源，提出了后官湖流域污染的控制对策，具有一定的借鉴意义[7]. 但后官湖由4个子湖组成、流域范围内水系较为复杂，且覆盖了武汉市的三区八街办，其污染来源既有来自工业和污水处理厂的点源、又有流域内农村生活生产的面源，仅通过实测方式无法全面的解析后官湖的污染来源、更无法确定不同行政区的污染贡献. 本文采用实测法与经验公式法相结合的量化方法，核算了后官湖流域的污染入湖量，并解析了不同污染源、不同行政区的污染负荷量和贡献率.

1 研究区概况与方法

1.1 后官湖流域概况

后官湖位于湖北省武汉市(30°28′～30°33′N，114°0′～114°8′E)，处于蔡甸区、武汉市三环线与绕城公路之间，是蔡甸区境内第一大湖泊，由高湖、白莲湖(皮泗海)、南湖(知音湖)、天鹅湖(后官湖)组成. 后官湖规划保护水域面积40.81 km2，岸线长度194.3 km，汇水面积约222.42 km2，区域平均气温16.5℃，降雨集中于5-8月份，年平均降雨量1236 mm. 流域范围内包括有蔡甸区、汉阳区和武汉经济技术开发区(经开区)，内辖蔡甸区的张湾街办、玉贤街办、蔡甸街办、奓山街办、大集街办，武汉经开区沌口街办和汉阳区的永丰街办等街办(图1a).

图1 后官湖区域位置和流域行政区划(a)和水质变化(2013-2017年)(b)

后官湖属于保留区，水质目标为Ⅲ类水体，是集中式生活饮用水源地二级保护区. 根据武汉市水务局的监测数据(2013-2017年)，计算并分析后官湖各湖水质监测指标的变化趋势和水质类别，结果显示. 近五年来，后官湖全湖水质由Ⅲ类转向Ⅳ类，呈现水质类别降低的趋势，主要超标因子为总氮和总磷，如图1b所示；富营养化由轻营养化向中营养化转变，局部区域为富营养化状态. 2016年是后官湖水质超标的转折年份，因此本文选择2016年调查和监测获得的相关数据进行后官湖的污染源解析，以探讨影响其水质恶化的主要因子.

1.2 研究方法

国内外常用的污染物排放核算方法有排污系数法[8-9]、输出系数法[10-11]、平均浓度法[12]和实测法等[13]. 前三者属于经验公式法，其中排污系数法和输出系数法适用于实测资料缺乏的面源核算；平均浓度法适用于有少量实测的面源核算；实测法适用于点源(排污口)排放核算. 本文中，采用实测法监测后官湖周边工业污染源、城镇污水处理厂等稳定排放口的污染物排放量；部分未经集中收集和处理的污水渠道为非稳定排放，如城市地表径流，这部分污染通过实测法测得一定时间内的污染物浓度与流量，再经平均浓度法估算全年排放量；同时，后官湖流域内，存在诸多的村庄、有一定规模的农村养殖业和农业生产，这些污染源的排放具有典型的面源性质，通过排污系数法进行核算，计算方法如图2所示.

图2 后官湖流域污染源排放量核算与贡献率计算方法

后官湖的入湖污染中，点源主要来源于工业点源和城镇生活污水处理厂排放[14]，其余未经污水处理厂收集的城镇区域生活源，通过径流管网排入入湖河道汇入后官湖；面源包括农村生活、畜禽养殖、农业生产和水产养殖. 点源与城市地表径流分别通过2016年的排污口实地调查、监测及计算获得，面源基于2016年的蔡甸区、武汉市经济开发区、汉阳区统计年鉴，采用排污系数法[15-16](表1)得到各区域的面源排放量，再利用面积比例法核算得到后官湖流域范围内的不同种类面源排放量. 公式计算获得的污染负荷量为化学需氧量(COD)、氨氮、总磷、总氮等水质指标各自的年负荷总量.

表1 排污系数法计算公式

参考全国污染源普查相关指南、手册及相关文献[19-23]，并充分考虑研究区域的地理、气候、水文和经济发展水平等因素依照不同类别确定排污系数. 如农村生活排污系数参考《村镇生活污染防治最佳可行技术指南(试行)(HJ-BAT-9)》；畜禽养殖源参照《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》中猪的排放量核定，其中30只蛋鸡折合为1头猪，60只肉鸡折合为1头猪，3只羊折合为1头猪，1头牛折合为5头猪；水产养殖源参照《第一次全国污染源普查水产养殖业污染源产排污系数手册》确定排污系数法核算其染排放量；农业种植源肥料流失系数参考《第一次全国污染源普查农业污染源肥料流失系数手册》. 在此基础上，计算得到污染物排放量；然后选择能明显区分出不同面源来源的入湖口进行污染负荷实测得到实际入河量，实际入河量除以计算污染排放量得到入河系数，再参考相关研究[24]入湖系数的研究成果，确定后官湖流域不同污染源的平均入湖系数，如表2所示.

表2 不同污染源入湖系数*

统计年鉴得到的是整个街道的人口、农业生产和社会经济等数据，但由于流域边界与行政区边界并不完全重合(图1a). 因此，计算过程中，首先通过水文分析，得到后官湖的流域范围，然后根据水文分区与行政区的空间关系，采用面积比例法获得流域内街道面积所占总街道面积的比值，再利用该比值计算得到流域内各街道办的面源排放量，再利用入湖系数，得到不同污染源的入湖总量. 本文采用的面积比例法，是在假定同一个行政区，其人口分布密度、耕地密度等平均分布的条件下进行的，该方法仅适用于乡镇、街道办等面积较小的行政区，对于人口、耕地等空间分异性较大的城市，该方法并不适用.

2 结果与分析

2.1 点源污染源解析

基于后官湖周边环保等部门的调查实测结果及国家《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)中污染物的排放浓度标准，到2015年底，后官湖蔡甸区的排污口中分别有11个污染物排放浓度未达标排口和7个已达标排口，2016年新增3个排污口；汉阳区仅1个排污口且未达标；武汉经济开发区8个排污口未接入市政污水管网，均未达标，2016年新增14个排污口. 将2016年后官湖流域周边的这些点源按照污水排口、混流排口和雨水排口进行区分，得到后官湖周边点源的空间分布(图3).

后官湖周边2016年共有44个点源排放口，其中1个位于汉阳区、21个位于蔡甸区、22个位于经开区(表3)，根据后官湖周边环保部门2016年的污染排放口实测监测数据，3个区域的污染物入湖量如表3所示.

从排污口的数量分布来看，武汉经济开发区和蔡甸区是后官湖的主要点源排放区. 但从排放量来看，后官湖流域点源污染中，3个区排口的COD排放量相差不大；氨氮、总氮和总磷，则以蔡甸区排口和汉阳区排口为主，其中，蔡甸区排口COD、氨氮、总氮和总磷的污染负荷贡献分别为33.19%、40.83%、34.57%和42.72%；汉阳区COD、氨氮、总氮和总磷的主要污染物贡献分别为30.40%、41.54%、50.02%和41.54%. 从以上区域的点源污染贡献率来看，后官湖流域治理点源污染，首先要重视汉阳区入湖排污口的治理，该排污口污染负荷大，是后官湖点源中的主要污染源；其次，经开区排污口和蔡甸区排口数量多，存在排污口叠加等多种问题. 细小排污口的混乱、不规则和叠加设定，增加了湖泊污染治理难度和成本，在后官湖的污染治理中，首先需要集中对蔡甸区和经开区的排污口进行整治，清理小排污口，建立排污口监控制度，严格杜绝周边排污口的违规排放.

图3 后官湖沿湖排污口分布

表3 后官湖流域排口入湖污染量

2.2 面源污染源解析

2.2.1 不同类型面源污染贡献率 农村生活、农业种植、畜禽养殖、水产养殖和城市地表径流是后官湖周边的主要面源来源，采用不同污染源排放量所占总面源排放量的比值，得到不同面源种类的排放贡献率(图4).

图4 面源中不同污染源排放贡献率

从图4中看出，COD和氨氮负荷最大的均为城市地表径流，分别占污染物总排放量的61%、53%. 这源于近年后官湖周边发展快，城镇建设改变了周边道路、土地利用方式，使下垫面发生变化，降低了陆地的雨污收纳控制能力，使得城市地表径流污染增加[25-26]. 此外通过分析后官湖流域土地利用格局，发现区域内人口和工农业活动多集中在湖泊周边地区，废污水收集处理率较低，给后官湖的水质带来重要的影响，因此开展雨污分流、提高雨水径流的收集和湖区周边污染物的处理，有利于后官湖COD、氨氮的消减工作. 然而，COD、氨氮污染负荷并不是后官湖最突出的问题，总磷和总氮超标才是引起后官湖水质超标的主要原因. 从图4中看出，总氮负荷最大的是城市地表径流源，占比37%，水产养殖次之(29%). 总磷负荷最大的是农业种植，占比41%，水产养殖次之(30%). 当前形势下，农田种植和养殖是大部分区域总磷负荷的主要贡献源，存在治理难度大、控源成本高等问题[27-28]. 后官湖流域的水产养殖和农业种植对总氮与总磷具有较大的贡献，成为造成后官湖水质恶化和超标的主要原因. 调查发现，湖泊局部流域仍存在集约化水产养殖，水产养殖采用直接投食投肥的养殖方式，增加了湖区的氮、磷污染负荷. 因此开展生态农业和严格执行后官湖的限养、禁养措施，显得极其迫切. 在后官湖西部，除农业种植产生的农药化肥流失外，大量莲藕、菱等水生经济作物的种植也增加了氮、磷的污染风险.

2.2.2 不同行政区污染贡献率 将面源污染分配到3个区域的不同街办，得到后官湖周边各街办面源的COD、总氮、总磷、氨氮污染贡献率(图5).

图5 不同街办不同面源污染贡献率

在后官湖周边8个街办中，COD、氨氮和总氮的主要来源是城市地表径流，对城市地表径流的贡献中，三者都表现出相同的规律，比重最大的是大集街办，其次为蔡甸街办，二者占比超过了50%. 从图1a可知，后官湖流域中，大集街办和蔡甸街办辖区范围大，地表径流受纳面积相对较大，径流污染物产生较多；再者，两街办均处于蔡甸区，近年来蔡甸区积极建设中法生态城、环湖绿道，相关建设增加了土地利用硬化程度，有利于地表汇流，但当地排水设施老旧，使得大部分污染物随径流流入湖泊. COD贡献中，农村生活源是面源的第二大污染源，对农村生活源贡献最大的街办为沌口街办、其次为大集街办和蔡甸街办，三者的占比均超过了20%. 这部分街办在农业人口上占有较大比重，人口活动密布，分散着大量农业人口，农村生活污染非常普遍，生活垃圾堆放问题也常见，产生的污染物自然增多. 氨氮的第二大污染源为农业种植，张湾街办所占比例最大，其次为大集街办. 总磷的主要来源为农业种植，以张湾街办和大集街办所占的比例最大，二者所占比例在23%以上，其次为玉贤街办. 张湾街办和大集街办的农业仍以传统农耕为主，精耕细作且大量地施用复合肥，使得未被完全吸收的肥料极易被雨水冲刷带入后官湖，成为湖区总磷的重要来源. 总氮的第二大污染源为水产养殖，以大集街办所占比例最大. 该区域湖岸线较长，养殖管理难度大，养殖人员生活废污水的直排、饵料沉降、排泄物得不到及时收集和清除，造成湖泊总氮污染.

不同街办所占不同类型污染源的贡献表明，开展后官湖面源的治理中，针对COD、氨氮、总磷、总氮应该采取不同的策略，分别以不同的街办为重点进行治理和防控.

2.3 后官湖流域污染源负荷贡献率

2.3.1 点面源总污染贡献 实测和计算得到如表4所示的入湖总量，2016年后官湖流域点、面源污染中，COD、氨氮、总氮和总磷的入湖总量分别为4397.96、429.98、694.37和89.41 t/a.

表4 后官湖污染源入湖总量

后官湖流域中，COD、氨氮和总氮的排放贡献中，点面源差别不大. 其中，点源占COD总排放的54%，大于面源；但面源的氨氮和总氮排放占比分别为54%和58%，大于点源. 而总磷则以面源贡献为主，占比达到了71%. 排放总量结果表示，进行后官湖流域的污染治理，不仅要严格控制点源污染、更要加强对面源的污染防控.

2.3.2 不同行政区总污染贡献 将点源和面源的污染排放统计到不同街办，得到如后官湖流域不同街办的COD、氨氮、总氮和总磷污染排放空间分布(图6).

图6 后官湖流域不同街办污染排放空间分布

后官湖流域的COD、氨氮、总氮和总磷的排放具有明显的空间分异性，其中COD的排放以后官湖东南角的沌口街办为主；氨氮以蔡甸街办为主，永丰街办次之. 总氮的排放，以永丰街办和大集街办为主；总磷的排放，主要集中在大集街办. 由于每个乡镇的产业不一致，产生的污染物呈现出空间异质性特征，沌口街办地表相对破碎化，随径流产生的COD较多；大集街办在农业种植和水产养殖方面具有地理优势，因此以排放含氮、磷等污染物较多，不同街办污染排放总量的贡献如表5.

表5 后官湖不同街办污染排放量和贡献率

由表5可知，在COD的主要污染排放贡献中，沌口街办、蔡甸街办和大集街办各贡献25.24%、21.77%和18.92%，三者之和占总COD排放的65.92%；汉阳区的永丰街办占COD的18.9%. 这是因为后官湖的COD主要来源于排污口、城市地表径流和农村生活污水，这些区域为后官湖周边主要的人口聚居区，土地硬化程度高、生活污染排放量大，因此控制COD需要严格开展这些街办的生活污水的治理，提高污水管网的收集率和处理率. 氨氮的污染贡献中，贡献占比排名前三的蔡甸街办、永丰街办和大集街办，占比分别为23.28%、21.82%和21.21%. 总氮的污染贡献中，贡献占比排名前三的为永丰街办、大集街办和蔡甸街办，占比分别为24.04%、22.59%和20.59%. 总磷主要来自于大集街办和蔡甸街办，各占26.15%和19.87%，其余街办总磷排放相对较为均匀. 农业种植是总磷的最大贡献污染源[14]，沿后官湖的大集街办和蔡甸街办还存在较为密集的农业种植区，在对后官湖总磷的治理中，需要重点关注大集街办和蔡甸街办的农业种植污染，从生态农业、施肥管理等方面进行整治.

3 结论和展望

3.1 结论

本文选择典型富营养化湖泊武汉市后官湖为研究对象，解析了2016年后官湖COD、氨氮、总磷和总氮的主要污染负荷来源. 结果发现，2016年，后官湖的COD和氨氮主要来自于点源污染负荷，贡献率为54%；总磷主要来自于面源，贡献率为71%，其中农业种植和水产养殖分别占比为41%和30%. 为探寻城市湖泊污染的责任主体，本文分析了不同行政区域对后官湖的污染贡献，结果表明COD、氨氮、总氮和总磷排放贡献率最大的分别为沌口街办、蔡甸街办、永丰街办和大集街办，贡献分别为25.24%、23.28%、24.04%和26.15%. 因此，开展后官湖的污染防治，需重点关注沌口街办点源排放带来的COD，以及大集街办的种植业和养殖业带来的总磷污染.

3.2 展望

本文选择的方法，简单便于操作，资料的获取相对容易，能从宏观层面揭示水体污染物的主要来源及其贡献，对同类型湖泊的源解析和污染防控有着一定的借鉴意义. 但采用排污系数法和入湖系数法进行污染负荷解析，缺乏污染源入湖的物理或生物化学机理，方法不确定性较大，系数的确定过程需要开展一定的实测以验证系数，且全流域平均化的系数取值，无法反应流域的空间异质性特点，在大型水体的应用中需要考虑不同区域的差异性，通过实测获取不同区域的排放和入湖系数；另一方面，大气沉降、降水携污等是相关湖泊的主要外部污染源，底泥释放则是造成部分湖泊污染的重要因素. 在方法的应用过程中，未来研究要充分考虑到湖泊自身的特点，对这些污染的内外源原因予以充分考虑.