长江流域洞庭湖片区典型城市水环境问题解析与治理对策

2023-02-07李永真孙德智李虹李莹杰齐飞

环境工程技术学报 2023年1期

李永真，孙德智，李虹，李莹杰，齐飞*

1.水体污染源控制技术北京市重点实验室，北京林业大学

2.北京林业大学污染水体源控与生态修复技术北京高校工程研究中心

3.中国环境科学研究院

洞庭湖片区地处长江中游，为洞庭湖水系流经的广大地区，覆盖湖南省大部分城市，接纳松滋河、虎渡河、藕池河三口的长江来水，并由城陵矶注入长江。2010年以来洞庭湖片区城市化进入加速发展阶段，由此加重了城市水环境污染、水生态破坏和水资源短缺。“十三五”时期，片区城市水生态环境保护工作卓有成效，但还有很多问题尚未解决，环境质量改善成效不稳固，城市内依然存在Ⅴ类、劣Ⅴ类和黑臭水体，水质型缺水没有得到有效缓解，城市重金属污染问题严峻。现阶段有关洞庭湖的研究主要集中在洞庭湖与其支流的水质特征及影响因子方面，如郭晶等[1]对洞庭湖区11个监测断面的8个水质指标进行因子特征分析，结果表明洞庭湖水质受pH、溶解氧、氨氮和TN等指标影响较大，其中TN和TP为洞庭湖水质的限制性因子；尹宇莹等[2]研究了洞庭湖流域重金属的生态风险，结果表明区域内重金属呈现重污染状态，其中Cd和Hg的风险较高。这些研究结果均表明洞庭湖及长江流域存在一定程度的水生态环境问题。有研究指出，管网建设滞后导致污水处理能力不足，未经处理的生活污水直排入湖是造成水体富营养化指数升高的重要原因之一[3]，工业园区的污水集中设施建设滞后也是工业污染的主要原因[4]。现有研究结果仅限于洞庭湖片区局部问题，缺少对洞庭湖片区内城市区域的污染源识别、水生态环境问题解析及相应解决方案的系统性研究，无法有效支撑片区城市水生态环境问题的改善。城市是人口聚集和工业活动集中的区域，其产生及排放的污染物是造成洞庭湖水生态环境问题的重要原因之一。笔者基于上述存在的问题，对该片区城市的水环境质量、水资源特征和重金属污染现状进行解析，并结合城市特点和发展需求提出相应的治理对策，以期为片区城市水环境治理与质量改善，解决洞庭湖片区乃至长江流域的水生态问题提供参考依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

长江流域洞庭湖片区地处长江中游。洞庭湖是长江两大通江淡水湖泊之一，南汇湘江、资水、沅江、澧水（“四水”）来水，北纳太平口、松滋口和藕池口（“三口”）分泄的长江洪水，东接汨罗江和新墙河水，在岳阳市经城陵矶注入长江。流域面积为26.28万km2，约占长江流域面积的14%，平均年降水量为1 427 mm，年径流量为2 016亿m3，地表水资源占长江流域的21%，占比为长江流域各水系之首[5-8]。

洞庭湖是长江水系的重要组成部分，在调蓄洪水、保障供水、涵养水资源、支撑区域经济社会可持续发展等方面发挥着重要作用，是长江经济带、洞庭湖生态经济区等国家重大区域发展战略的支撑[9]。片区城市密集，环绕着长沙、益阳、常德、湘潭、衡阳、株洲、邵阳和娄底等10余座城市。本文研究对象及区域为株洲、岳阳、郴州、常德、益阳和娄底6个城市的建成区，不包括农村区域（图1）。

图1 洞庭湖片区城市分布Fig.1 Cities distribution of Dongting Lake region

1.2 数据来源

依托于长江生态环境保护修复联合研究一期项目成果集成课题，总结梳理长江生态环境保护修复联合研究一期项目各城市驻点跟踪研究项目成果（未发布），结合2016——2020年各地级市地表水监测月报、湖南省生态环境状况公报、《中国城市建设统计年鉴》《中国城市统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《湖南统计年鉴》以及GB 50014——2021《室外排水设计标准》等[10-16]，开展断面水环境质量分析，核算城市各污染源负荷，分析城市基础设施建设概况。

1.3 计算方法

采用洞庭湖片区6个城市的城市面源事件平均浓度（EMC）对COD、氨氮、TN和TP的排放量进行评估[17]。年径流污染负荷（Ly）计算公式如下：

式中：Ly为年降雨径流污染负荷，t/a；EMC为事件污染物平均浓度年均值，mg/L；R为研究区域的年径流系数；P为研究区域的年降水量，mm；A为集水区面积，km2；Cf为地表径流的校正因子，取值为0.9。一般来说，EMC可通过现场监测获得，也可以通过文献获得[18]。因缺乏洞庭湖片区城市径流污染负荷监测数据，需结合国内相近城市的研究成果确定EMC。影响城市降雨径流污染的主要因素为功能区类型（如工业区和住宅区等）、下垫面类型（如路面和绿地等）和地理特征[19]，长沙市位于洞庭湖片区，南宁市在地理位置上也与片区城市接近，且地形、地貌及降雨特征相似。因此，本研究中EMC参考长沙市和南宁市不同功能区和下垫面类型的研究结果取值[19-22]。表1为洞庭湖片区城市面源EMC与径流系数。

表1 洞庭湖片区城市EMC与径流系数Table 1 Urban EMC value and runoff coefficient in Dongting Lake region

洞庭湖片区6个城市的城市生活源排放量采用下式进行估算[23]：

式中：W为城市生活源污染物排放负荷，t/a；N为城市居民常住人口，万人；Q为城市人均生活用水量，L/（人·d）；F为城市生活源污水折污系数，参照第二次全国污染源普查《生活污染源产排污系数手册》取0.9[24]；Rw为城市生活污水收集率，按照传统污水量计算方法，取70%；C0为城市生活污水中污染物浓度，取城市污水处理厂进水浓度，mg/L；C为城市生活污水经城市污水处理厂处理后排放的污染物浓度，mg/L，各城市污水处理厂进出水污染物浓度来自第二次全国污染源普查《集中式污染治理设施产排污系数手册》，具体参考值如表2所示[25]。

表2 城市污水处理厂水污染物产排污参考值Table 2 Reference value of water pollutant generation and discharge of urban sewage treatment plant mg/L

2 洞庭湖片区城市水生态环境特征

2.1 水环境质量

为分析洞庭湖片区水环境质量，对该片区6个城市的46个国控断面水质状况进行统计，结果如图2所示。由图2可见，该片区近5年国控断面水质整体上呈现出好转的趋势，如Ⅲ类及以上水质断面由72.73%升至81.82%；Ⅴ类和劣Ⅴ类断面由6.82%降至2.27%；片区内水质以Ⅱ类为主。据《湖南省生态环境状况公报》显示，Ⅳ类以下水质断面的污染因子为氨氮和TP[10-11]。虽然近年来国控断面水质总体向好，但仍存在Ⅴ类和劣Ⅴ类断面，而且由于设置在建成区的国控断面数量偏少，上述国控断面水质尚不能整体反映6个城市的城市水体环境质量，建成区内水环境质量问题仍亟需解决。

图2 2016——2020年洞庭湖片区国控断面水质变化Fig.2 Water quality changes of state-controlled sections in Dongting Lake region from 2016 to 2020

2018年，株洲市共有城市黑臭水体33处；2016年，岳阳市存在32处城市黑臭水体，2017年消除了20处；2016年，常德市启动20处城区黑臭水体综合治理工作；2017年，益阳市存在14处城市黑臭水体，2018年完成8处黑臭水体整治。截至2020年，株洲市有15处城市黑臭水体未完成整治任务，岳阳市有7处城市黑臭水体未消除，常德市仍存在6处黑臭水体，益阳市尚有白马山渠1处城市黑臭水体，资江流域有7处城市黑臭水体尚未得到解决[4,26-28]。

2.2 水资源特征

洞庭湖片区主要城市人均水资源量如图3所示[13]。洞庭湖片区年降水量大，水资源较为丰富，其人均水资源量均值为2 659 m3，高于全国平均水平；但城市间水资源分布极度不均，城市间人均水资源量总体标准偏差高达1 186 m3，各城市标准差均在1 000 m3以上。如衡阳市人均水资源量仅为1 050 m3，不足永州市的1/4，濒于重度缺水城市线，存在资源型缺水问题。城市水资源量与降水量密切相关，片区城市降雨主要集中在4——8月，占全年降水量的60%以上，导致片区城市非汛期水质差，存在季节性缺水问题[29]。此外，由于城市湖泊水库的不合理开发和陆域污染排放问题，导致水资源不均、水生态破坏和水环境恶化，加剧了缺水城市的水资源短缺。岳阳市、常德市、益阳市和娄底市均存在不同程度的水质型缺水问题。

图3 洞庭湖片区城市人均水资源量Fig.3 Urban per capita water resources in the cities of Dongting Lake region

2.3 重金属污染

洞庭湖流域是著名的“有色金属之乡”，锰、锌、铜、锑等多种有色金属元素储量丰富，在湘江、资水、沅江和澧水等流域分布有不同规模的涉重金属企业。随着矿产资源的开发，流域水体重金属污染问题突出[30]，表3为洞庭湖各入湖口表层沉积物中重金属浓度。由表3可见，“四水”入湖口的重金属浓度明显高于长江三口，尤以Sb、Hg、Cd和As等比较突出。由于采矿、选矿、洗矿、冶炼过程产生的废水、废渣未经有效处理直接排放，导致大量的金属经“四水”携带入湖，进而为洞庭湖带来重金属污染问题[31]。

表3 洞庭湖各入湖口表层沉积物中重金属浓度Table 3 Content of heavy metals in the surface sediments of the estuary of Dongting Lake mg/kg

3 城市水环境问题解析

3.1 污染源及负荷解析

分别对2017年洞庭湖片区6个城市的工业源、城市生活源和城市面源污染负荷进行估算，得出6个城市排放的COD、氨氮、TN和TP负荷总量分别为14.07万、1.21万、2.45万和0.14万t/a。其中，岳阳市各污染物的负荷排放量均最高。由于城市化进程的发展和居民生活水平的提高，城市生活源是片区最主要的污染源，各污染物的负荷排放量均在67%以上(图4)。在工业源和城市面源中，工业源排放的氨氮、TN和TP负荷较高；城市面源的COD排放负荷较高。

图4 2017年洞庭湖片区城市污染负荷来源占比Fig.4 Proportion of sources of pollution load in the cities of Dongting Lake region in 2017

图5为片区典型城市不同污染来源占比。由图5可知，各城市污染负荷来源略显差异，生活源是各城市污染物主要来源。COD来源较为广泛，主要由生活源和城市面源组成。其中，株洲市、郴州市和常德市COD负荷以城市生活源和城市面源为主，氨氮、TN和TP的主要来源是生活源和工业源。其中，岳阳市和娄底市工业源污染负荷较为突出。

图5 洞庭湖片区城市不同污染负荷来源占比Fig.5 Proportion of different sources of pollution load in the cities of Dongting Lake region

3.2 生活源问题解析

片区城市排水体制基本为直排式合流制或截留式合流制，以雨污合流为主，管网建设情况见图6。片区6个城市平均排水管网密度为14.18 km/km2，其中污水、雨水和合流制管网密度分别为5.29、5.50和3.39 km/km2[12]。由图6可知，片区城市内雨污合流制管网密度占比高，雨污分流不完全，存在合流制管网溢流污染这一共性问题，导致生活污水未得到有效处理。文献显示，娄底市和株洲市的管网建设较为滞后，老城区、城中村和城乡接合部污水管网建设不完善，娄底市以合流制管网为主，分流制管网密度占比不足40%，建成区未实现污水管网全覆盖，未经处理的生活污水直排进入水体是引起城市水体水质恶化的重要原因之一[32]。

图6 洞庭湖片区城市排水管网密度Fig.6 Density of drainage pipe network in the cities of Dongting Lake region

近年来，洞庭湖片区城市污水处理设施的总污水处理能力逐年提升，污水处理设施基本完成由分散式小规模处理方式向集中式大规模处理方式的转变。由图7可知，除郴州市外，片区城市污水处理率在95%以上，污水年处理总量与污水排放量大致持平，基本上解决了近年来污水处理设施滞后与污水处理需求上的矛盾[32]。但部分城市污水处理设施发展不均衡，二者矛盾依然存在。其中，郴州和益阳两市尤为突出。郴州市污水处理设施建设不足，2019年污水处理率仅为88%，远低于全国96.81%的平均污水处理率；益阳市生活污水处理厂规模也不能满足现实需求。

图7 洞庭湖片区城市污水处理率Fig.7 Treatment rate of sewage treatment plants in the cities of Dongting Lake region

3.3 城市面源问题解析

排水管网问题也是造成区域城市面源污染的重要原因之一。片区城市整体存在管网建设滞后、覆盖率低、管网维护管理不足、混接错接等问题，城市的快速发展带来了不透水下垫面的增加，导致暴雨期间城市形成的雨水径流量明显增加，由于城市排水管网基础设施建设不能满足当前雨水的全收集要求，导致存在管道溢流现象。此外，降雨时污水处理厂运行负荷大大增加，部分未经收集的混合污水直接排入河道。

株洲市渌水干流沿线城市生活污水已基本采用纳管处理，但老城区、城中村和城乡接合部管网建设规模不足，改造难度大[33]，且存在排水管网错接及管道老化失修等现象。郴州市建成区管网密度较高，但雨污分流不完全，雨天合流排水溢污严重。娄底管网建设滞后且以雨污合流制为主，全市雨水收集处理率和已建设施运行负荷率不高，部分地区雨污混流、污水混入雨水管道排放现象频发。

3.4 工业源问题解析

近年来，片区工业企业发展迅速，根据《2020中国城市统计年鉴》[13]和《2020中国环境统计年鉴》[14]，常德市和娄底市企业数量涨幅显著（表4）。但治理设施的日处理能力却相对下降，依然存在工业废水处理设施空白区。

工业快速发展带来用水量增大、污染物排放量增高，由于处理能力未相应提高导致部分工业废水不能达标排放。此外，片区小规模企业比例高，分布零散，生产工艺落后，污水收集和处理设施不健全，废水不能达标排放，也存在偷排、超排的现象。2017年郴州市工业废水总产生量为9 927万t，其中3 984万t未经处理直接排入受纳水体。常德市部分化工企业沿河沿湖分布，企业排污口与取水口交错布局，目前尚未对沿江1 km范围内化工生产企业进行分类处置，存在水环境污染潜在风险[34]。

3.5 片区重金属问题解析

片区城市因工业发展和部分历史遗留问题导致流域内重金属污染严重。岳阳市的工业废渣带来重金属污染，松阳湖长期堆放粉煤灰，汛期经湖水浸泡，致使大量重金属直接排入水体[35]。《湖南省第二次全国污染源普查公报》[36]数据显示，2017年该省重金属排放量达9.07 t，有色金属矿采选业、有色金属冶炼和压延加工业和金属制品业3个行业占工业源重金属排放量的80.95%。郴州矿产资源粗放式开发利用，导致部分区域受到污染。《郴州市生态环境问题解析报告》（未发布）数据显示，2017年郴州市总砷排放量高达631.33 t，有色金属矿采选业、有色金属冶炼及压延加工业、煤炭开采及洗选业3个行业总砷的排放量占该市所有工业行业总砷排放量的97.31%。郴州市陶家河流域因尾砂淤积造成重金属污染的河道长度达27.5 km，尾砂淤积量约为3 000万m3，主要为砷、铅和锌污染，局部存在镉、铜、锑等污染。锑矿山开采导致资江流域锑污染，部分企业关闭后环保治理仍未到位，遗留的矿洞涌水和废石废渣堆中的锑经雨水冲洗后随地表径流汇入资江。娄底市是片区锑矿资源分布地区，早期锑矿采选、冶炼企业发展无序，现有锑冶炼工艺能耗高、污染大，向水环境中排放了大量的砷、锑重金属，导致娄底市各省控、县控断面均有不同程度的锑超标现象，部分地下水、地表水均遭受了砷、锑污染[37-38]。

4 片区城市水生态环境治理对策

为解决洞庭湖片区城市水生态环境存在的问题，结合《湖南省“十四五”生态环境保护规划》的总体要求，以污染物排放总量持续减少，水环境质量持续改善，突出水环境问题加快解决为目标，提出以下片区城市水生态环境综合整治对策[39]。

4.1 完善污水收集与处理系统的基础设施建设

城市生活污水和地表径流集中收集，本着“污水应收尽收、雨水应分尽分”的原则，加快城中村、老旧城区、建制镇、城乡接合部、空白区和易地扶贫搬迁安置区的收集管网的建设，提高管网的覆盖率和收集率。改造老旧破损管网，全面排查管网错接、混接、漏接以及雨天合流制溢流污染等问题，系统解决管网漏损问题，降低合流制管网溢流污染。到2025年实现建成区污水收集管网全覆盖，基本消除城中村、老旧城区和城乡接合部生活污水收集处理设施空白区。

城市污水集中处理设施实现全覆盖，合理规划城市污水处理厂布局和规模。现有污水处理厂开展提标改造和提质增效，保障污水处理设施全面、稳定运行并达到GB 18918——2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准，到2025年实现污水全处理。到2024年，地表水系水质控制单元稳定达到考核目标，城市建成区实现黑臭水体长制久清。

4.2 调整产业结构，工业园区升级改造

把传统产业的改造提升作为“转方式、调结构”的重中之重，推进工业新兴优势产业链和“3+3+2”重点产业领域建设，依法依规淘汰落后产能，以“高端化、高新化”为目标，构建出特色鲜明、布局合理、结构优化、竞争力强的现代产业体系，包括株洲市需推动陶瓷和花炮两大传统产业内涵式转型升级。深入推进冶金、焦化、印染、造纸等行业强制性清洁生产审核，取缔不符合国家产业政策的小型严重污染水环境的生产项目。

沿江岸线1 km范围内严禁新建、扩建化工园区、化工生产项目；2025年底前完成沿江化工企业搬迁改造任务。零散企业集中园区生产，将有改造潜力的工厂搬迁至绿色化工产业园区，严格落实排污许可制度，规范企业污染物排放，建立园区水环境管理“一园一档”。推进工业园区污水处理设施分类管理、分期升级改造，实现工业园区污水管网全覆盖、污水全收集，确保工业污染源全面稳定达标排放。完善工业企业环境风险防控体系，制定环境风险应急预案，完善环境应急系统，建立环境风险监测预警平台。

4.3 重金属污染治理

优化产业布局，对涉重金属产业整合升级，聚焦重有色金属采选冶炼、电镀等重点行业，坚持严控增量、削减存量，淘汰涉重金属重点行业落后产能，加大有色金属、电镀等行业企业生产工艺提升改造力度。取缔沿江沿河沿湖涉重金属的不符合市场准入条件企业，符合条件的限期达到环保要求；涉重金属企业退城入园，在工业园区内完善污水处理设施建设，加强园区含重金属污水处理，实现废水达标排放。加强工业园区内的涉重金属产业清洁生产。到2025年，重点行业重点重金属污染物排放量下降5%。

建设封闭式输送管线，完善尾砂库渗水收集系统，修建尾砂库截洪沟，避免周边雨水进入尾矿库；提高尾矿库废水处理站运行管理与维护，实现废水处理提质增效；排查废石堆和废弃坑，建立台账；分析不同类型污染源可能产生的生态环境污染，针对不同重金属制定相应的污染控制对策；受污染水域采取相应的物理化学和生物生态修复措施，对水体进行原位处理。