洪湖水质问题核心及水质综合提升途径思考

2023-07-28林莉,潘雄

长江科学院院报 2023年6期

林莉, 潘雄

(1.长江科学院流域水环境研究所,武汉 430010;2.长江科学院流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室,武汉 430010)

1 研究背景

湖泊是人类活动与发展的热点区域,但不断强化的人类活动往往也造成湖泊生态系统的“突变”,是目前我国众多湖泊生物多样性下降、藻类暴发、水质恶化等生态环境问题产生的主要原因[1]。长江中下游地区是我国淡水湖泊资源最为集中的区域,其水生态环境问题也最为突出与普遍,要根本解决这些水问题具有相当的复杂性、艰巨性和长期性,已成为制约地区经济可持续发展和人民安居乐业的关键[2-3]。

洪湖是长江中下游内陆淡水湖泊湿地与生物多样性的代表区域之一,可承接上游多方来水,对于调节长江、汉水水量平衡,维系长江流域生态系统健康与区域生态安全具有重要地位和作用[4]。这种特殊的水利、水文特征导致流域内农业面源、养殖尾水以及城镇生活污水等通过不同途径进入洪湖,加剧了洪湖水体富营养化。历史上洪湖先后经历了3次大规模围垦,水域面积下降,江湖连通受阻以及长达30余年的围网养殖等加重了洪湖水体的污染和生态系统的退化[5-6]。

作为长江中游重要的生态敏感区域和节点区,洪湖水生态环境的保护与治理在长江大保护中具有重要作用,是实施长江保护修复攻坚战行动的重点。鉴于洪湖是全国闻名的鱼米之乡和旅游风景区,2008年被列入《国际重要湿地名录》,2014年晋升为国家级自然保护区,流域人民群众也期盼洪湖重现一汪清水,恢复美好的生态环境。

本文详细总结了洪湖水生态环境现状,分析了新时代洪湖水质提升面临的关键问题,探讨了未来洪湖水质提升方向,为进一步修复长江生态环境、深入打好长江生态环境修复攻坚战提供借鉴。

2 洪湖水污染现状

2.1 入湖水质状况

洪湖是一个半封闭湖泊,主要进出湖港渠有8条,包括四湖总干渠(四湖东干渠、四湖西干渠)、螺山干渠、老内荆河、下内荆河、洪排河、蔡家河、下新河、子贝渊河[7],其中四湖总干渠和螺山干渠是最主要的入湖河流,并以四湖总干渠来水对洪湖水质影响最大。四湖流域水系如图1所示。虽然近些年四湖总干渠上游区域不断开展的污染治理工作取得一定成效,但水体整体污染依然严重,氮磷浓度仍然偏高,水质常年超标[8]。根据湖北省生态环境厅公布的2014—2018年环境质量状况,四湖总干渠水质类别为地表水环境质量标准Ⅳ类或更差。《湖北洪湖国际重要湿地监测报告(2020年)》同样指出洪湖主要入湖河流四湖总干渠与螺山干渠水体氮磷浓度较高,其中总氮、总磷、氨氮质量浓度分别为1.42～3.13、0.09～0.35、0.34～1.86 mg/L,按地表水环境质量标准整体为V类或劣V类水体。四湖总干渠沿线覆盖约300万人,传统种植业、水产养殖业以及流域内农村与城镇居民生活污水等均是造成四湖总干渠水质状况较差的重要原因[9]。

2.2 湖区水质状况

洪湖湖区先后设立有4个国控水质监测点位与4个省控水质监测点位。近10 a来洪湖湖区水质总体呈现变差趋势。依据荆州市生态环境局公布的数据并参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002),2017—2021年,洪湖湖区水质为Ⅳ—Ⅴ类,主要超标因子为总磷和化学需氧量,重金属指标则一直稳定达标,符合Ⅲ类水标准。其中,2017年湖区水质全年均值为Ⅳ类,少数月份可为Ⅲ类,但大部分月份水质仍为Ⅳ—Ⅴ类;2018年湖区水质全年Ⅳ—Ⅴ类,均值为Ⅴ类;2019年湖区水质全年均值同样为Ⅴ类,部分月份出现劣Ⅴ类;2020年,因疫情原因周边工农业生产大幅减少,洪湖水质短暂回升为Ⅲ类,随后恶化,在Ⅳ类和Ⅴ类间波动;2021年洪湖水体化学需氧量、氨氮和高锰酸盐指数明显下降,但总磷浓度明显上升,水质全年Ⅳ—Ⅴ类。总体而言,洪湖湖区水质近些年并未得到有效改善。尽管当前地方政府和民众在大力保护洪湖,大量资金的投入虽然减缓了洪湖污染速度,但并未根本扭转洪湖水质恶化的大趋势,洪湖水质目前仍未达标[10-11]。

2.3 底泥污染状况

对洪湖底泥的表层污染状况认识近几年开始逐渐深入。2019年,长江科学院对洪湖底泥污染研究显示湖区总氮、总磷和有机质含量均较高,其中总氮质量浓度均值2 167.0 mg/kg,总磷质量浓度均值693.8 mg/kg,有机质含量均值9.6%,总氮含量高于太湖、巢湖等长江中下游地区典型富营养化湖泊,总磷略低于太湖,与巢湖、鄱阳湖等含量水平相当[12]。2020年,长江流域生态环境监督管理局调查洪湖表层底泥总氮、总磷和有机质含量的平均值分别为4 407.4 mg/kg、1 421.0 mg/kg与19.0%[13]。2021年9月,长江科学院对洪湖底泥进行了一次加密监测,结果显示洪湖0～10 cm的表层底泥总氮质量浓度范围为407.2～8 079.8 mg/kg,总磷质量浓度范围为449.7～1 723.3 mg/kg,有机质含量范围为4.6%～25.2%,氮、磷污染处于中度—重度污染。

2.4 水生态现状

洪湖被誉为长江中游华中地区湿地物种的“基因库”,流域地势低洼,最低生态水位为23.5 m(吴淞高程),2000年及以后洪湖月平均水位低于最低生态水位仅出现2次,分别为2000年5月与2011年5月。在退垸还湖之前,洪湖曾经拥有内垸面积156.3 km2。

历史上洪湖大面积的围栏和网箱养鱼兴起,渔民和沿湖农民“铁耙打草”,对水生植物进行掠夺性开发,使群落退化,鱼类资源有小型化和单一化的趋势。《湖北洪湖国家级自然保护区总体规划》(2020—2029年)指出洪湖水生高等植物由建国初期的472种下降到158种,水禽种类由20世纪50年代的167种减少到现在的138种,两栖、爬行、兽类共31种,浮游动物和底栖动物共计477种,鱼类由144种减少到仅62种,种群数量下降,个体小型化。到2004年冬季仅记录到鸟类30余种,水生植物有6个物种消失[7]。

2016年以前,洪湖沉水植被丰茂,全湖植被覆盖率达到60%以上,2016年、2018年和2020年3次大洪水造成洪湖水生植物大量死亡[4]。2021年洪湖沉水植物基本消失,仅少部分湖区有零星分布。对洪湖水生植物的调查研究结果显示,洪湖现有种子库有沉水植物11种,植物总丰度均<500个/m2,自然恢复潜力较低,恢复其种群需要人工干预。2019年调查显示洪湖浮游植物与动物生物多样性指数H′均指示为中度污染,其中浮游植物检出6门57属74种,浮游动物61种,洪湖生物多样性进一步下降[14]。水生植物大量消亡,鱼类与贝、虾、蟹类多样性在汉江湖群中最低[15],水生态系统受损是当前洪湖水生态环境面临的主要问题之一[5]。

3 洪湖水质提升关键问题分析

当前,长江保护修复攻坚战行动的推进对洪湖水生态环境的治理、尤其是水质提升工作提出了新的更高要求。在气候变化与长江经济带发展背景下,洪湖的水问题已经演变为一个集水环境治理、水生态修复、水资源配置、水灾害防治等交织并存的复杂问题,这也决定了洪湖水质提升必须坚持系统治理思维,围绕洪湖水环境状况和流域生态特点,抓住关键科学问题,因地制宜精准治理[16]。当前,洪湖水质提升亟待解决入湖水质不达标、内源污染较重、水生态受损严重三大关键问题。

3.1 入湖水质不达标

近10 a来洪湖湖区水质监测结果整体呈变差趋势,其中外源污染输入是洪湖水质不达标最主要的原因。根据湖北省政府批复的《湖北省水功能区划》,洪湖湿地自然保护区、长湖保留区、四湖总干渠保留区的水质管理目标均为Ⅲ类。

随着经济社会发展和城市化的推进,大量的工业废水、生活污染物以及农业面源污染物等超标排入洪湖主要入湖河流,加之农业结构不够合理,流域水产养殖的无序过度发展等诸多因素,导致河湖水质整体下降,局部水域污染严重[17]。四湖流域污水排放量每年高达数千万吨,特别是豉湖渠流域、西干渠流域、总干渠流域及螺山干渠流域,污水排放较多,导致水体受到严重污染,而这些干渠都是洪湖的主要入湖水源。外源污染输入是洪湖水质不达标最主要的原因之一。

3.2 内源污染较重

参照加拿大安略省环境和能源部(1992)发布的指南以及综合污染指数评价标准,洪湖底泥氮、磷污染已处于中度—重度污染水平。洪湖底泥总氮和总磷均存在明显的表层积累现象,浓度随底泥深度的增加而降低。

洪湖是浅水型湖泊,湖面宽广,再加上近几年沉水植物大面积死亡消失,洪湖湖面风浪扰动频繁,故相较长江中下游其他大中型浅水湖泊,洪湖底泥总氮、总磷释放速率同样处于中高水平,这一点也可以从汛期和非汛期洪湖底泥总氮浓度变化侧面反映出来。同时,洪湖底泥总氮、总磷释放速率、释放风险与水体中氮、磷浓度分布区域具有空间一致性,显示内源污染是洪湖局部水质恶化的重要原因[18]。

3.3 水生态受损严重

水生植物在湖泊生态系统中通常具有降低水体和底质营养盐浓度,同时抑制浮游植物生长的作用[19],在湖泊生态系统构建中扮演着不可或缺的角色。洪湖水生植物群落近年来发生了明显演替,退化趋势明显。2019—2020年洪湖沉水植物分别以菹草、穗状狐尾藻为优势种群,主要分布于湖区东北和中南部;2021年沉水植物基本消失。沉水植被大量消失后,其对底泥的固定作用随之减弱,而死亡腐解的沉水植物也导致植物体内的氮磷重新释放进入水体,加重洪湖内源污染释放[20]。

洪湖已由历史通江湖泊转变为阻隔性湖泊数十年,鱼类、浮游、底栖生物物种多样性下降趋势十分明显[14,21]。当前洪湖洄游型鱼类基本消失,湖泊定居型鱼类已成为优势物种[22]。如不采取恢复措施,洪湖生物多样性下降难以遏制,将可能转变为以浮游植物占优势、水质浑浊的“藻型浊水态”,鱼类索饵场进一步压缩,阻碍长江十年禁渔成效,破坏湖区鱼类群落的稳定性和生态系统功能的完整性。湖泊生态修复通常指恢复生态系统合理的结构、高效的功能和协调的关系以重建受损生态系统的功能,以及相关的物理、化学和生物特性[22-23]。要解决洪湖水质提升问题,洪湖的水生态修复也将是重点之一。

4 洪湖水质提升综合途径思考

洪湖水生态环境治理与修复首先需开展好外源控污截污工作,在此基础上,做好内源污染治理和生态修复,同时可开展水系连通、科学引水调度等相关研究,并加强流域综合性管理。

4.1 外源控污截污

4.1.1 点源污染治理

洪湖流域已建大小污水处理厂20余座,多数因资金和技术问题处理能力较低,需强化各乡镇污水处理厂建设与运营,做好污水收集管网建设。在农村污水处理工艺的选择上,一切以能长效运行为前提,制定农村生活污水处理设施运行管理制度和考核方案。针对洪湖农村污水处理设施没有专门技术人员管理的实际情况,可考虑政府购买并委托第三方企业负责,统一管理运营[24]。对洪湖流域河道沿线排污口开展全面整治工作,强化入河湖排污口监督管理,建立完善的水质监测体系,严格控制入河排污总量。

4.1.2 种植业污染治理

洪湖流域耕地面积占70%以上,由于化肥施用技术差,肥料利用率低,氮磷流失严重。需开展化肥农药减量增效行动,优化生产布局,推广普及测土配方施肥技术,提高肥料利用率[25];持续推广秸秆还田利用技术。鉴于洪湖农业面源污染主要通过四湖总干渠汇入,可采用生态沟渠拦截技术,对现有农灌沟渠进行生态改造,消减污染物;推广前置库技术,将洪湖周边废弃鱼塘或低涝洼地改成稳定塘,对农田排水、初期雨水等进行拦截和处理[26]。

4.1.3 畜禽养殖污染治理

四湖流域规模化畜禽养殖场污染防治整改工作已启动多年,但现有养殖场的粪污处理设施装备仍不配套、不完善。可考虑采用干式清粪、固液分离、雨污分流和节水等技术,对散养密集区实行畜禽粪便污水分户收集、集中处理沼化利用[27]。针对养殖主体和第三方投入积极性不高的问题,从政府层面推动畜禽养殖产业转型升级。调整优化畜禽养殖产业布局,增强养殖户绿色发展意识和主体责任意识,发展集中养殖、种植配套的生态循环农业产业体系[28]。

4.1.4 水产养殖污染治理

洪湖流域水产养殖大都实行精养方式,养鱼投肥、投饵较为常见[8]。水产养殖污染问题的解决一方面需要规范湖泊养殖行为,加强水产养殖集中区域监管,对水体严重污染的养殖场进行清理整顿,控制养殖规模、结构和方式,控制河湖投饵量和投肥量;另一方面则需要研究推广池塘绿色生态高产高效养殖模式,使养殖尾水符合当地养殖尾水达标排放标准[29]。

4.2 底泥清淤

底泥清淤是减少洪湖底泥氮、磷等污染物向水体释放最好的方法[24]。洪湖淤积物以淤泥为主,粒径较细,适用绞吸式、耙吸式、链斗式等环保清淤方式开挖。但洪湖底泥污染重,清淤量与清淤范围大,以往没有大规模清淤实践经验,为不破坏洪湖重要的生态保护价值,清淤工作宜分区域、分阶段进行,可优先选择入湖口和重污染区开展试点,清淤后立即开展水生植物恢复工作。时间宜选择每年水位适宜、沉水植物凋亡的10—11月份实施[30]。清理出的底泥有机质和营养盐含量较高,重金属含量较低,建议以就地处置和综合利用为原则,满足附近种植土、湖滨带修复、滩涂和湿地构建、堤防加固等需求,以资源化带动洪湖相关产业发展。

4.3 水生态修复

4.3.1 清淤区水生植物恢复

基于洪湖沉水植物的生境特征和影响因子等,结合湖区底质和水体生境特征,筛选先锋种,确定最优定植方式;通过不同种植方式、植物种类组合等研究,形成沉水植物斑块镶嵌格局优化与稳定技术,筛选持续稳定的沉水植物群落组合,并基于洪湖沉水植物生境的关键限制因子,放养适宜的底栖生物和土著鱼类,构建物种多样和持续稳定的水生态系统[20]。

4.3.2 水生植物保护区水生植物恢复

利用洪湖现有种子库,充分利用冬春季窗口期,降低洪湖水位,结合适当管护,促进洪湖水生植被尤其是沉水植被的恢复。综合考虑洪湖生态水位、保护湿地、农业用水等需求,在每年2—4月份通过闸坝和泵站调控,将洪湖水位控制在23.7～24.0 m,此时水体透明度较高,可促进沉水植被自然恢复,实现植被盖度的扩大和群落稳定[31]。

4.3.3 鱼类多样性恢复

选择合适的时间和闸口,加强洪湖与长江干流的水系连通,在为长江洄游、半洄游型鱼类进入洪湖创造更好条件的同时促进洪湖与长江之间的生物及物质交流,从而增加洪湖生物多样性,强化湖区鱼类群落的稳定性和生态系统功能的完整性。针对洪湖当前具体的鱼类群落结构特征,向湖区投放江湖洄游型鱼类,调整鱼类群落结构,增加物种多样性[22]。洪湖整体水环境质量的提升改善,也将为鱼类群落的生长繁殖创造良好的生物栖息地。

4.3.4 湖滨带生态构建

四湖总干渠、螺山干渠、螺山电排河等河流或渠道污染物的输入是洪湖主要的入湖污染源。建议建设生态化入湖口湖滨带湿地,提高入湖口湖滨带的生态性,实施入湖口湿地构建等措施,以入湖口为依托,结合耐污型的湿生、水生植物恢复,构建前置库+表面流湿地的强化型湿地系统,削减入湖污染负荷和提升洪湖水质[32]。

4.4 水资源管理与保护

改善洪湖水质、促进生态修复,还可从水系连通和科学引水调度等方面开展相关工作[33]。通过加强四湖流域水系与长江干流、沮漳河、东荆河等水系的连通,借助流域外部水资源的合理优化调度,达到改善水环境的目的。比如四湖总干渠来水水质较差,可探索从监利或何王庙引江水入洪湖的可行性,有利于持续改善洪湖水质。结合洪湖与周边水系水动力、水质迁移转化、水生植物演替等规律,考虑不同的引水流量、引水水质、引水时段,比选不同引水调度方案对洪湖水生态环境的改善效果。

4.5 流域水质提升综合管理措施

洪湖水质保护是一个系统过程,需强调“多水共治”,统筹考虑水资源保护、水污染治理、水生态修复等,从系统性的角度出发,实现标本兼治,有效推进洪湖水质提升。同时,治理洪湖也不能“就洪湖论洪湖”,不能仅关注洪湖本身,需要坚持流域视角,将洪湖治理纳入整个四湖流域综合治理中,加强流域治理顶层设计。建立洪湖及其支流流域河湖长制联防联控联治机制,开展联合规划、联合监测监控、联合巡查监管等行动,探索洪湖治理和保护激励机制、生态补偿机制,统筹推进洪湖、出入湖河道和周边陆域的综合治理和管理保护工作。共同加强信息互通和推进信息化建设,促进流域内各地方各部门统筹考虑洪湖环境承载能力及污染防治措施,提升洪湖流域管理保护水平[34]。