南四湖流域硫酸盐来源及管控措施分析

王滨勇， 刘 楠， 童 力

(①山东省生态环境监测中心，250000，济南市；②青岛理工大学环境与市政工程学院，266033，山东省青岛市)

南四湖是我国华北地区面积最大的淡水、草型湖泊，属于淮河流域沂沭泗水系，由南阳湖、独山湖、昭阳湖、微山湖4个湖泊组成[1].流域总面积34800 km2，湖面面积1266 km2，承接山东、河南、江苏、安徽4省34个县(市、区)31700 km2的来水，直接入湖河流53条，其中流域面积在1000 km2以上的大中型河道有8条.1960年在湖腰处建成二级坝枢纽工程，将其分成上、下级湖[2].

南四湖是南水北调东线工程的输水干线和重要调蓄水库，也是山东省的水生动植物宝库和重要淡水渔业基地，在促进区域生态环境健康发展方面具有重大战略意义[3-5].由于南四湖位于南水北调东线工程中的关键位置，近年来越来越多的专家对南四湖流域的水环境进行研究，分析可能存在的污染源并提出改善措施.武周虎[6]等依据平均综合污染指数法来评价水质和筛选重污染河流，将化学需氧量(CODcr)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)和总氮(TN)设为主要水质指标，通过归纳统计发现，TN是主要污染物.郭森[7]等利用ICP-OES方法并结合健康风险评价模型对南四湖水下重金属的危害程度进行测定并得出结论：Cr是首要污染物.

目前对南四湖流域污染物的研究中，水质指标大多分析化学需氧量(CODcr)、总磷(TP)和总氮(TN)，大部分文献研究的重金属为Cd、Cr、Fe、Mn、Zn等，涉及到硫酸盐的的研究甚少.作为一种化合物，硫酸盐大多溶于水，由硫酸根离子和其他金属离子构成[8].溶解性硫酸盐作为流域水体中主要的化学组成成分，也是导致矿物度增加、水质酸化的主导因素[9].湖水中的沉积物由于硫酸盐的溶入会引起蓄积的磷的释放，间接导致水体富营养化[10].湖内多种水生动植物会因水体中氧溶解量的降低而缺氧死亡，还会威胁饮用水源的安全.

基于此问题，越来越多的研究指出，水体的硫酸盐(SO42-)问题更应重视.江用彬[11]等以太平湖流域水体作为研究对象，通过研究水化学和硫酸盐硫同位素的组成，探讨人类活动的污染排放对流域地质生态环境产生影响.刘静[12]等采用硫酸盐双同位素法，通过高频率采样统计与分析，研究西江上游南、北盘江和红水河的水体，提出季风气候对流域河水中硫酸盐浓度的影响.Zhou[13]等以淄博市洪山、寨里煤矿区的生活水井的水体作为研究对象，探讨其硫酸盐来源.结果显示，大气降水是该地区硫酸盐的主要输入源.曹星星[14]等采用硫、氧同位素法分析湿地水体中的硫酸盐来源.结果表明，硫化物氧化是产生草海湿地地下水中的硫酸盐的主要原因.

本研究针对南四湖流域水体硫酸盐浓度过高现象，着重分析南四湖流域硫酸盐治理的现状，指出了南四湖流域硫酸盐的主要来源，并结合南四湖地区的发展情况，提出对南四湖流域硫酸盐管控的建议措施.

1 南四湖流域硫酸盐治理现状

近年来，在省委、省政府坚强领导下，山东省以改善水环境质量为目标，综合施策、攻坚克难，一些专家学者称为“天下治污第一难”的南四湖实现了湖区水质由劣五类向三类的跃升，为保障南水北调沿线地区生产、生活、生态用水奠定了坚实基础.为进一步提升南四湖水质保障水平，我省又采取一系列针对性措施，大力降低南四湖硫酸盐指标浓度.重点开展了以下工作.

1.1 健全地方法律法规体系

《山东省南水北调工程沿线区域水污染防治条例》将南水北调工程沿线区域划分为核心、重点和一般共3个等级的保护区，明确了各级保护区相应的不同政策措施，为保障南四湖水质提供了有力的法律武器.《山东省水污染防治条例》进一步明确了各级政府、环保部门、其他负有监管职责的部门、企事业单位、社会组织和公众、新闻媒体6个方面的水污染防治职责，创新了生态红线、生态补偿、环境约谈、区域限批等一系列制度措施，对于深入推进南四湖流域水污染防治具有重要意义.

按照流域特点和环境管理需求，《南四湖东平湖流域水污染物综合排放标准》中将硫酸盐、全盐量纳入控制因子，要求区域内重点企业外排水硫酸盐排放限值为650 mg/L，含盐量排放限值为1600 mg/L.同时，根据南四湖流域水环境管理要求，增加了禁止向核心保护区直接排放投饵养殖废水的规定；根据《山东省南水北调工程沿线区域水污染防治条例》和《山东省京杭运河航运污染防治办法》要求，增加了禁止船舶污染直排的规定.

《山东省打好黑臭水体治理攻坚战作战方案(2018-2020年)》《山东省打好饮用水水源水质保护攻坚战作战方案(2018-2020年)》明确了南四湖流域水污染防治、水生态修复、水资源管理的总体思路，主要目标、重点措施和任务分工，确保2020年底流域内国控断面全部稳定达到国家确定的水质目标要求.

1.2 扎实推进专项排查整治

原山东省环境保护厅、省住房和城乡建设厅、省水利厅联合印发《2018年重大外事活动饮用水水质(硫酸盐指标)达标保障方案》，明确要求流域内各市以硫酸盐指标为重点，组织开展辖区内影响水质安全环境隐患大排查，对排查中发现的突出环境问题及时查明原因，限期解决，做到边查边改，立查立纠，特别是对外排废水不能稳定达标且治理无望的工矿企业，果断采取停产、关停或限产限排措施.同时，突出抓好源头控制、水量调配、供水提升三大关键环节，系统提升硫酸盐指标安全保障水平.此外，山东省还以中央环保督察、省级环保督察以及城市黑臭水体整治环保专项行动、集中式饮用水水源地环保专项行动、水环境专项执法等为契机，始终保持严厉打击南四湖流域涉水环境违法行为高压态势，指导督促硫酸盐排放源实现稳定达标排放.

1.3 着力强化科技支撑水平

组织开展南水北调东线山东段特征污染物调查与防治对策研究，实施南水北调沿线全盐量污染控制情况调研监测，发布《纺织印染工业高盐废水污染控制与治理技术规范》；济宁市召开了高含盐废水治理与资源化利用技术研讨会，集中研讨硫酸盐废水治理目标、治理路径、治理措施与调控策略；泰安市开展了东平湖硫酸盐来源调查分析和修复策略研究，研究提出了针对性治理路径.

2 南四湖流域硫酸盐来源分析

依据标准HJ/T84-2001对南四湖流域硫酸盐进行现场采样测定，利用离子色谱法对无机阴离子(硫酸根)进行采样.目前，南水北调调水期间进入南四湖下级湖的硫酸盐浓度为120～160 mg/L，但从南四湖上级湖进入梁济运河和东平湖硫酸盐浓度达到220～280 mg/L，多数时段超过250 mg/L.因此，南四湖硫酸盐浓度偏高与南水北调上游来水无明显关联，主要来源是湖区外源性污染和内源性污染两个方面.

2.1 外源性污染方面

南四湖湖区外源性污染主要包括入湖河流、大气降水、滨湖地区农业种植等等.其中，入湖河流硫酸盐指标偏高是主要因素；大气降水虽然也含有少量的二氧化硫，但对湖泊水质的稀释作用更为明显；滨湖地区农业种植施用硫酸盐肥料，其排水主要通过入湖河流进入南四湖.根据生态环境监测数据，南四湖53条入湖河流硫酸盐浓度均值约为340 mg/L，其中一些主要河流硫酸盐浓度均值约为500 mg/L，这些河流年径流量大，对湖区硫酸盐浓度具有明显的抬升作用.根据《山东省水资源综合规划报告》，南四湖流域多年平均年径流量为11.5亿m3.假设南水北调每年调水入南四湖10亿m3(硫酸盐平均浓度150 mg/L)，53条入湖河流每年入湖水量10亿m3(硫酸盐平均浓度350 mg/L)，经物理混合后，硫酸盐浓度将提升到250 mg/L左右.

经调查研究，造成入湖河流硫酸盐浓度高的主要因素有2个方面.

一是地下水硫酸盐本底值高，长期开采利用地下水导致入湖河流硫酸盐浓度居高不下.根据鲁西南地质工程勘察院对济宁市鱼台县和金乡县的地下水调查数据，调查地区地下水硫酸盐超标严重，其中浅层孔隙水硫酸盐超标率为66.67%，深层孔隙水超标率为83.33%，浅层和深层孔隙水硫酸盐平均浓度分别为471 mg/L、390 mg/L.此外，有关资料显示，枣庄、菏泽部分区域地下水硫酸盐浓度也整体较高.南四湖流域内农业灌溉、居民生活、工业生产等长期取用地下水(居民生活用水、工业用水、城镇公共用水中取用地下水的比例约分别为99%、57%和86%)，导致排水中硫酸盐浓度高，进而造成入湖河流硫酸盐浓度偏高.

通过调研分析，入湖河流硫酸盐来源主要有直排企业、污水处理厂和农田面源3大类，对硫酸盐的贡献率排名为直排企业(日排放约220吨、占42%)>城镇污水处理厂(日排放约202吨、占39%)>农田面源(日排放约101吨、19%).直排企业中，重点行业为煤矿行业、造纸行业和电力行业，对硫酸盐的贡献占比排名分别为：煤矿行业(22%)>造纸行业(12%)>电力行业(8%).

二是土壤盐渍化问题长期存在，很大程度上抬高了入湖河流硫酸盐浓度.南四湖流域由黄河、淮河、海河泛滥冲积而成，地势平缓、排水不畅、地下水位较高，历史上经常遭受旱涝盐碱灾害.南水北调东线通水后，引入大量长江水，提高了原来的蓄水位，一定程度上加剧了土壤盐渍化问题.此外，入湖河流几乎都修建了控制水位的闸坝，拦河筑坝会抬高水位，进一步导致附近地区土壤盐碱化；区域内很多地区农业种植在无排水条件下大水漫灌，也大面积抬高地下水位，促使土壤返盐；流域内种植水稻由来已久，每亩稻田每年用水670 m3左右，每年引水120～140 d，大面积种稻的渠系和田间大量渗水，易破坏水盐平衡，导致稻田盐渍化程度高，并且稻田退水后携盐浓度较高，对入湖硫酸盐的贡献不容忽视.

此外，南四湖流域化肥、农药施用量较高，但主要粮食作物化肥利用率仅为35%，主要农作物农药利用率不足43%，大量未有效利用的化肥、农药在汛期随农田退水直接进入河道，也是导致入湖河流硫酸盐浓度高的因素之一.

2.2 内源性污染方面

南四湖湖区内源性污染主要包括湖底沉积物释放、湖泊蒸发、湖底地下水交换、渔业养殖等等.目前，南四湖湖区渔业养殖已被禁止.

一是湖区沉积物累积富集，造成湖体硫酸盐浓度持续升高.南四湖历史上存在大量水产养殖，在沉积物中积累了大量硫酸盐.因沉积物释放硫酸盐具有长期、缓慢的特点，所以即使湖区养殖已被严格禁止，但是沉积物中已经积累的硫酸盐还会在相当长的时间内向水体释放硫酸盐，造成湖水硫酸盐含量升高.

二是湖区水资源持续蒸发浓缩，加剧硫酸盐指标升高态势.南四湖流域年平均降水量为774.9 mm，湖区水面年蒸发量为898.7 mm，年蒸发量超出年降水量123.8 mm，折合年水量约1.57亿m3，造成硫酸盐浓度进一步升高.

三是湖区非法采砂屡禁不止，造成地表水与地下水交换频繁，地表水硫酸盐浓度因此升高.近年来，南四湖存在很多采砂活动，随着抽砂深度的增加，致使湖区出现了多处较深的砂坑，形成了地下水与地表水互通.在南水北调调水期间，受调水水流影响，加速了地下水与地表水的交换，地下水流出到地表时，岩石土壤中矿物组分的风化和溶淋以及金属硫化物的氧化形成的硫酸盐也会溶入到地表水中，从而导致地表水中硫酸盐浓度逐渐升高.

3 南四湖流域硫酸盐管控对策建议

硫酸盐指标虽不作为评价地表水环境质量的基本项目，但属于评价集中式生活饮用水地表水源地的补充项目.目前，南水北调东线一期工程鲁北段、鲁东段、胶东输水干线部分地区生活饮用水对南水北调调水依赖程度较大.根据生态环境监测数据，青岛市棘洪滩水库、德州市武城县大屯水库等南水北调沿线水库部分时段出现硫酸盐指标超标现象.对此，相关城市按照《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》要求，综合采取水源优化调度、水厂深度处理改造、掺混海水淡化水等措施，实现了自来水厂出水达到《生活饮用水卫生标准》，有效保障了人民群众饮水安全.作为南水北调输水入鲁的第一个调蓄湖泊，南四湖水环境质量特别是硫酸盐指标的持续改善，对于保障下游水环境和水生态安全具有重要意义.对此，提出以下南四湖硫酸盐指标管控措施.

3.1 坚持节水优先原则

2017年全省总供水量为209.47亿m3，其中济宁市、菏泽市实际供水量分别为21.59亿m3、20.99亿m3，居全省第一、二位.针对流域内供水、排水量居高不下的现状，应当加快节水型社会建设，积极推进工业和城镇节水，大力开展节水型农业发展.一是加快开展节水型农业.2017年，济宁、菏泽地区农业灌溉用水量分别为14.88亿m3、14.08亿m3，分别居全省第二、三位，大水漫灌现象较为普遍.对此，应当逐步减少流域内高耗水的水田面积，并加快实施灌区续建配套工程，加速实行末级渠系衬砌以及田间节水灌溉工程，切实减少农业灌溉用水量.二是全面开发工业节水.针对目标是流域工业企业，重点核心是提高流域水的利用率，全面提升南四湖流域工业用水能力.三是推进实施城镇生活节水.大力宣传推广生活节水用具的使用，对不符合节水标准的生活用具实施“零容忍”标准，及时淘汰落后产品.

3.2 坚持水资源统筹调度

坚持“先外调水、后当地水，先地表水、后地下水，先再生水、后优质水”的水资源优化配置原则[15]，合理配置、高效利用，加快置换高盐地下水.一是大力压采地下水.综合采取控采限量、节水压减、水源置换、修复补源等措施[16]，严格控制南四湖流域地下水超采，切实减少地下水中高浓度硫酸盐进入地表水.二是优先利用地表水.加强流域内地表水开发利用，推进蓄水工程建设，新建和扩建一批水库，不断加大雨洪资源开发利用力度，提高地表水供水比例.同时，因地制宜利用采矿塌陷地建设平原水库和生态湿地，集蓄雨洪水、矿井疏干排水等，综合发挥塌陷地蓄水、生态等功能.三是充分利用再生水.加强流域内煤矿、造纸、电力等高耗水行业废水深度处理回用，严格落实区域用水总量限批制度，新增取水许可优先利用矿井排水、再生水等非常规水源.2020年年底前，流域内城镇污水处理厂再生水利用率应达到25%以上，再生水利用水量与利用能力基本匹配.

3.3 坚持推进“四减四增”

以实施“四减四增”为契机，积极推进高耗水产业转型升级，推动实现绿色发展.一是停退传统过时产业.对传统易污染企业实施零容忍标准，依照相关法律法规淘汰质量不达标、产品不合格的落后产能.二是调整产业布局.遵循产业发展和市场经济运行规律，把高耗水行业转型升级作为加快新旧动能转换的重要举措和突破口，着力破除瓶颈制约，努力实现高耗水行业布局优化、质量提升.三是大力实行“四上四压”.在南四湖流域内建设项目，不能触碰环境质量标准的底线，严格落实污染物排放原则，实施上新压旧、上大压小、上高压低、上整压散“四上四压”[17].

3.4 坚持多措并举

一是科学筛选最佳治理技术.目前流域内工业企业对于硫酸盐的治理较为滞缓，主要原因是硫酸盐废水解决过程繁琐，因此要进一步提高科学技术水平，结合硫酸盐废水处理指标以及成本，选择最优废水处理方案.二是整治流域内工业企业达标排放.以硫酸盐指标为重点，对各类工业企业排污情况进行调研评估，开展流域内工业污染源全面整改计划，确保水质符合标准要求.三是控制硫酸盐总量的排放.探索建立流域内硫酸盐排放总量控制标准条例，持续加大环境综合执法力度，严厉查处超标排放、偷排漏排等环境违法行为.

3.5 坚持多手发力

一是逐步改善土壤盐渍化问题.加强农田供排水系统建设管理，因地制宜地处理好灌溉与排水的关系.对灌溉和排水设施不全又无排水出路的灌区，应鼓励实施井灌为主的井渠并用和轮用方式(适用于浅层/深层地下水盐分含量不高的地区)，逐步改良土壤.二是调整农业种植结构.大力发展节水型生态农业，逐年减少水稻的种植面积，改作旱田种植或其他经济性较高的农作物，以改善本地区稻田退水对湖区盐量的影响.三是防治渔业养殖污染.湖泊内区禁止人工围网养殖，同时外区探讨人工湿地模式，全方位削减南四湖污染问题.四是降低南四湖流域化肥、农药使用量.大力推广减肥增效技术，组织实施水肥一体化示范工程，加大复合(混)肥、水溶性肥料、缓释肥施用比例；逐步减少农药使用量，鼓励使用生物农药和采用病虫害综合防治技术.

3.6 坚持污水处理提质增效

一是开展污水管网检测评估.落实排水管网周期性检测评估制度，逐步建立以5～10年为一个排查周期的长效机制和费用保障机制；对现有管网进行更新修复，全面提升现有设施效能[18].二是推进生活污水收集处理设施建设及改造.针对硫酸盐指标不达标的城镇污水处理厂，配套建设硫酸盐治理设施，确保硫酸盐指标稳定达标排放，减少对流域水体水质的影响.

4 结论与展望

南四湖硫酸盐浓度偏高与南水北调上游来水无明显关联，主要影响因素是入湖河流硫酸盐指标偏高和湖区内部沉积物的累积.近年来通过采取一系列针对性措施，南四湖硫酸盐指标浓度大大降低.

综上，硫酸盐浓度过高会导致水体富营养化从而威胁水域生态.应高度重视削减源头硫酸盐废水排放；优化调整用水结构；坚持推进实施“四减四增”；坚持多手发力强化农业面源脱盐；坚持污水处理提质增效等方法措施，持续降低南四湖流域硫酸盐浓度，维护流域水体安全，对确保南水北调水质以及改善南四湖生态环境、发展南四湖生态旅游有十分重要的意义.