基于环境容量的入湖污染负荷削减分析

陈菡雯，万 帆，黄 浩，胡 辉

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院，合肥 230009；2.武汉市规划设计有限公司，武汉 430014；3.华中科技大学环境科学与工程学院，武汉 430074)

水是生命之源，是工农业生产、经济发展和生态环境改善不可替代的宝贵自然资源。水环境质量密切关系着区域内的饮水安全和人居环境[1-2]。随着社会生产力的不断发展，城市人口扩张不断加快，导致大量生产、生活的排入城市水网、水系中，使得城市集中建设区内部的湖泊受到严重污染[3-4]。中外对于水污染防治和水环境改善方面的研究都经历了漫长的探索。国外对于水环境治理的研究开展的较早：日本的琵琶湖注重从环境管理的角度开展湖泊治理，“琵琶湖综合保全整备计划”通过设立湖泊分阶段治理目标，进行分阶段治理[5]；荷兰的Veluwe湖在治理初期通过建设污水处理厂进行外源氮磷控制，后期则通过内源控制和引进清水对水质进行改善[6]；瑞典Trummen湖侧重底泥清淤和沉积物疏浚，通过恢复湖泊生态来改善水环境质量[7]。中国对于湖泊水环境改善的研究也在日趋完善：综合营养状态指数(TLI)法和浮游植多样性指数法被用于对宁夏腾格里湖的水质及富营养化现状进行分析和评价[8]；低影响开发的措施被研究用于对居住区人工湖生态系统的改善[9]；单因子指数法和潜在生态风险指数法被用于对草海湖泊沉积物中各重金属污染状况进行分析评价[10]；云南滇池通过在环湖建设截污干管对入湖污水进行高效控制，从而减轻城市建设对湖泊的污染[11]；九江市琵琶湖则通过新建污水处理厂和初雨调蓄池使水体消除黑臭[12]。然而，现有工程措施的治理效果大多无法立竿见影，需要有合理的、定量的指标来指导水污染治理措施的科学性。

水环境容量是指在一定的水文条件及水质目标下，以保证水环境功能和用途为前提，水体环境所能承纳的污染负荷量[13]。水环境容量作为水质达标的重要定量指标，是指导水污染治理工程措施对污染负荷削减的重要依据[14-15]。近年来，中国经济的快速发展伴随着严重的水环境污染，包括溢流生活污水[16]、工业点源污染[17]、地表径流污染[18-19]、底泥释放内源污染[20]和大气降尘污染[21]在内的多类型污染源对城市水环境构成严重的威胁。武汉作为中国典型的内陆城市，同样面临这水环境污染严重的问题。以武汉市南湖为例，在已有的关于南湖水质提升研究的基础上[22-23]，探索基于环境容量分析的水污染治理措施评价。南湖位于武汉市集中建设区，属于典型的城市公园湖泊，南湖地理概况如图1所示。南湖汇水面积为37.44 km2，流域总人口约为59.40×104人。南湖周边用地构成主要以居住用地和教育科研用地为主，分别占到总用地面积的28.5%、19.3%。

图1 武汉市南湖地理概况图

1 污染负荷定量化分析

1.1 入湖污染来源解析

武汉市南湖作为典型的城市集中建设区公园型湖泊，其汇水范围内已经无固定的工业污染排放源。因此，南湖的入湖污染物主要来源于溢流的生活污水和地表径流面源污染。通过现场调研及实地排口监测，得出南湖汇流区的生活污水总氮排放量约为503.9 t/a，总磷排放量约为66.69 t/a。通过南湖汇水范围内的城市下垫面用地性质及其占比情况，计算得出地表径流污染物中总氮的入湖量为276.1 t/a，总磷的入湖量为17.16 t/a。根据武汉市空气质量状况，得出南湖湖面降尘污染中总氮的入湖量为1.8 t/a，总磷的入湖量为0.32 t/a。通过对南湖底泥进行监测分析，得出底泥释放出的总氮污染量约为53.8 t/a，总磷污染量约为8.40 t/a。不同总氮、总磷污染来源占比情况如图2所示。

图2 武汉市南湖总氮、总磷污染分担率

由图2可知，武汉市南湖入湖总氮污染的主要来源为溢流生活污染，其占比高达60.30%；其次为地表径流污染，其占比为33.04%；底泥释放内源污染和湖面降尘外源污染合计占比不到7%。南湖入湖总磷污染的主要来源同样为溢流生活污染，其占比高达72.05%；其次为地表径流污染，其占比为18.53%；底泥释放内源污染和湖面降尘外源污染合计低于10%。由于南湖位于武汉市中心城区，汇水范围内总人口数高达55万人，因而每天产生的生活污水量庞大。此外，雨污排水管网混错接的情况在全国范围内普遍存在，南湖汇水范围内同样有一定的生活污水混入雨水管网后，通过雨水排口溢流进入南湖，对水体造成严重污染。地表径流面源污染则是由降水产流后通雨水排口进入南湖，初期雨水中污染物浓度偏高，同样对水体造成明显污染。由于生活污水中总磷(total phosphorus, TP)含量较高，因此污染分担率中TP占比高于总氮(total nitrogen, TN)。而地表径流中的TN不仅包括氨氮还包含硝态氮，其相对TN含量占比高于TP。

1.2 污染负荷的空间分布

入湖污染负荷空间分析的目的在于得出湖泊汇水范围内的高污染产生区域，抓住湖泊污染的主要矛盾，使提出的污染治理措施更具有针对性。本文在得出武汉市南湖TN和TP总入湖污染负荷的基础上，对南湖37.44 km2的汇水范围内进行污染负荷的空间分布分析。研究采用1 000 m×1 000 m 的网状方格对南湖入湖TN和TP空间分布进行分析，结果如图3所示。

图3 总氮、总磷污染负荷空间分布

由图3可以看出，南湖的入湖TN和TP空间分布都有3个典型的峰值点位。对TN空间分布进行分析，结果发现南湖北面峰值点位(N1)的TN强度为65.33 t/a，东面峰值点位(N2)的TN强度为63.87 t/a，南面峰值点位(N3)的TN强度为81.21 t/a。这3个典型的峰值点位总和为210.41 t/a，占TN总排放量的25.18%，而对应的总面积则仅占汇水范围的10.7%。对TP空间分布进行分析，结果发现南湖北面峰值点位(P1)的TP强度为6.64 t/a，东面峰值点位(P2)的TP强度为6.48 t/a，南面峰值点位(P3)的TP强度为9.06 t/a。这3个典型的峰值点位总和为22.18 t/a，占TP总排放量的23.97%，而对应的总面积同样仅占汇水范围的10.7%。由此可见，对3个典型的峰值区域优先进行污染物控制，可明显削减汇水范围内的TN和TP入湖量。

1.3 总氮和总磷污染来源解析

从城镇生活污染、地表径流污染、底泥释放污染和湖面降尘污染四个方面，对南湖入湖TN和TP污染进行精细化来源解析，TN源解析结果如图4所示，TP源解析结果如图5所示。

图4 武汉市南湖总氮来源解析

图5 武汉市南湖总磷来源解析

根据图4中TN不同污染来源的解析结果可知，城镇生活污染为TN污染的最主要来源，城镇生活污染源的3个典型峰值点位与TN总排放量的点位基本相同。结合汇水范围内的影像图可知，3个典型区域内居住小区密集，对比南湖汇水范围内的人口密度分布情况可知，该区域内人口总量也明显高于其他区域。而城镇生活污染中TN的产量与人口数量成正比，在污水管网收集情况相同的条件下，该区域产生的TN排放量也较大，3个典型区域TN排放量达到150.06 t/a，占总城镇生活污染排放的29.78%。同时，这三个区域内城市下垫面透水性较差，综合地表径流系数较高，因而产生的地表径流量也较大，导致TN总入湖污染负荷中的地表径流污染物的量也相应增大，3个典型区域TN产生量达到32.54 t/a，占总地表径流污染排放的21.36%。底泥释放污染和湖面降尘污染则主要分布在湖泊水域范围内，两者之和的占比较小。

根据图5中TP不同污染来源的解析结果可知，城镇生活污染依旧为TP污染的最主要来源，城镇生活污染源的3个典型峰值点位与TP总排放量的点位基本相同。3个典型区域内城镇生活污染中TP排放量达到19.86 t/a，占总城镇生活污染排放的29.8%。地表径流污染中TP排放量达到2.51 t/a，占总地表径流污染排放的20.56%。由此可见，图3中所标出的区域面积仅占总汇水范围的10.7%，但其TN和TP污染贡献率远高于平均水平。

2 基于环境容量的治理措施分析

为实现南湖水质达标，通过对南湖主要污染物进行负荷分析和来源解析，同时开展了环境容量分析，建立多种情景模式下的削减方案，以期建立更合理的工程对策。其中，情景1为城镇生活污水完全截污；情景2为在完成城镇生活污水完全截流的基础上，进一步对内源底泥污染进行完全控制；情景3为基于实际情况对城镇生活污水和底泥污染释放实施定额控制的基础上，根据污染物总量守恒原则反推面源污染物控制。

2.1 总氮控制措施

为使得南湖水质达到Ⅳ类水平，需要对总氮不同污染源产生的负荷进行削减。不同情景模式下总氮的削减情况如图6所示。

通过对南湖的污染负荷和环境容量分析可知：南湖的现状总氮入湖量高达835.6 t/a，南湖水质中总氮浓度预计为3.97 mg/L，无法满足Ⅳ类水质要求；在完成南湖城镇生活污水污染物截流工作的基础上，即削减503.9 t/a的总氮负荷，在保证其他条件不变的情况下，南湖水质中总氮浓度预计可降低至1.58 mg/L，依旧无法满足Ⅳ类水质1.5 mg/L的水质要求，如图6中情景1所示；若进一步对内源底泥污染进行完全控制，即进一步削减53.8 t/a的总氮负荷，此时南湖水质中总氮浓度预计可降低至1.32 mg/L，满足Ⅳ水质要求，如图6中情景2所示；然而实际过程中，南湖城镇生活污水污染物排放并不能完全得到100%的控制，同样底泥清淤也并不能完全消除内源总氮污染。因此，假设完成城镇生活污水污染物排放和底泥污染释放中60%的总氮控制，即其对应负荷仅有40%进入南湖，根据总氮物料守恒，反推出面源污染物入湖量控制率为67.3%时，可满足南湖TN环境容量315.2 t/a，此时水质中TN浓度预计降至1.5 mg/L水平，达到地表水Ⅳ类要求的限值，如图6中情景3所示。

图6 基于环境容量的不同情景模式下总氮削减

2.2 总磷控制措施

为使得南湖水质达到Ⅳ类水平，需要对总磷不同污染源产生的负荷进行削减。不同情景模式下总磷的削减情况如图7所示。

图7 基于环境容量的不同情景模式下总磷削减

通过对南湖的纳污能力分析可知：南湖的现状总磷入湖量高达92.56 t/a，南湖水质中总磷浓度预计为0.44 mg/L，无法满足Ⅳ类水质要求；在完成城镇生活污水污染物的截流工作的基础上，即削减66.69 t/a的总磷负荷，在保证其他条件不变的情况下，南湖水质中总磷浓度预计可进一步降低至0.12 mg/L，依旧无法满足Ⅳ类水质0.1 mg/L的水质要求，如图7中情景1所示；若进一步对内源底泥污染进行完全控制，即进一步削减8.4t/a的总磷负荷，此时南湖水质中总磷浓度预计可降低至0.083 mg/L，满足IV水质要求，如图7中情景2所示；然而实际过程中，南湖城镇生活污水污染物排放并不能完全得到100%的控制，同样底泥清淤也并不能完全消除内源总磷污染。因此，假设完成城镇生活污水污染物排放和底泥污染释放中75%的总磷控制，即其对应负荷仅有25%进入南湖，根据总磷物料守恒，反推出面源污染物入湖量控制率为87%时，可满足南湖TP环境容量21.01t/a，此时南湖水质中氨氮浓度预计刚刚降至0.1 mg/L水平，达到地表水Ⅳ类要求的限值，如图7中情景3所示。

3 结论

(1)对于城市集中建设区中的湖泊，地表径流污染已经逐渐成为其主要污染物来源。根据环境容量计算分析，在完成传统点源污染控制的情况下，依旧无法满足水体的纳污能力，必须采取有效的面源污染控制措施，对地表径流污染进行大幅削减。对于武汉市南湖而言，在完成城镇生活污水污和底泥释放中60%TN去除和75%TP去除的基础上，同时对地表径流中TN控制率达到67%、TP控制率达到87%进行控制，才可能使南湖水质总体达到地表水Ⅳ类要求。

(2)对汇水范围内污染负荷的精准空间解析，可为治理措施的合理安排提供科学依据。武汉市南湖汇水范围内污染负荷空间分布有3个典型峰值区域，其面积仅占汇水范围的10.7%，而其TN产污负荷占25.18%，总磷产污负荷占23.97%。依托环境容量分析的湖泊污染物来源的定量解析，可为水环境污染治理措施的开展深度提供参考。