长江流域湖北片区典型城市水生态环境问题解析及整治对策

张妍妍，王峥，邱斌，孙德智*

1.北京林业大学, 水体污染源控制技术北京市重点实验室

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

近年来长江流域湖北片区水生态环境质量大幅改善，主要表现在长江干流水质逐年向好，但片区内城市水生态环境形势依然严峻，流经城市的中小河流及城市内湖污染普遍严重。这主要是由于城市化进程的加快，不透水地面面积增加，城镇人口不断增长，工业发展迅猛等，导致城市生活源、工业源和面源的污染负荷逐渐加大，从而直接影响城市水体生态环境质量。张海涛等[1]的研究表明，长江流域湖北段城市水环境质量保稳定、促改善压力大，在有效统筹水环境、水资源、水生态和水安全方面存在差距；张晓京[2]的研究表明，经过多年的水污染防治，长江经济带湖北段地表水环境质量总体良好，但城市内水环境状况并不乐观，长江、汉江沿江城市近岸存在大段污染带，城市内湖污染较严重；张中旺等[3]的研究表明，随着城市化进程的不断加快，汉江湖北段水质污染问题越来越突出，流域水华现象频发，水体流速减慢，自我修复功能下降。综上，湖北片区内城市水生态环境质量不容乐观，需要采取有效的解决措施。因此，笔者以片区内城市建成区为研究对象，从水环境质量、水资源、水生态和水安全4个方面解析水生态环境问题成因，并提出综合整治对策建议，以期为片区内城市水体污染防治提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

长江流域湖北片区内江河纵横，湖泊密布，集水面积50 km2以上的河流有千余条，10 km2以上的湖泊有近40个。研究区内主要水系包括长江干流、汉江支流和府河支流（图1）。长江干流在湖北片区自西向东流经宜昌市、荆州市、咸宁市、武汉市、鄂州市、黄石市和黄冈市7个城市，流程为1 061 km，面积达18.47万km2（占长江流域总面积的10.2%），共有112个国控和省控断面；汉江支流在片区内由西北向东南经过十堰市、襄阳市和荆门市，在武汉市汇入长江，流程为 652 km，面积为6.3万km2，共有67个国控和省控断面；府河支流全长 115 km，流域面积为2 090 km2，自随州市流经孝感市，在武汉市与长江干流汇合。片区内的湖泊主要有武汉市的西梁子湖、汤逊湖、武昌东湖、涨渡湖和鲁湖，荆州市的洪湖和长湖，鄂州市的东梁子湖，咸宁市的西梁湖，跨武汉市和咸宁市的斧头湖，黄石市的大冶湖、保安湖和网湖等。

图1 研究区行政区划与水系Fig.1 Administrative division and water system in the study area

2019年，长江干流流经的7个城市共有常住人口3 333.28万人，占整个片区总人口的56.24%，生产总值为30 025.48亿元，约占湖北省生产总值的65.52%，是全省经济中心所在；位于汉江和府河支流上的5个城市共有常住人口1 911.75万人，生产总值为12 312.7亿元，主导产业为汽车工业、磷化工等。

1.2 数据来源

长江流域湖北片区2016——2020年河湖省控及以上断面数据从湖北省生态环境公报获取；水资源相关数据主要来自湖北省水资源公报；城市工业源污染负荷数据主要由国家长江生态环境保护修复联合研究中心运管部提供；城市生活源污染负荷估算所用到的各市城镇人口、人均日生活用水量、污水集中处理率数据主要来自《2019年中国城市建设统计年鉴》，污水处理厂各项污染指标的进出水浓度参考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》，生活污水的折污系数参考《生活污染源产排污核算系数手册》；核算城市面源污染负荷所用到的下垫面面积来自《2019年中国城市建设统计年鉴》，下垫面径流系数来自GB 50014——2021《室外排水设计标准》。

1.3 研究方法

生活源污染负荷采用下式进行估算[4]：

式中：W为城镇生活源污染负荷，t/a；N为城镇人口数，万人；Q为人均日生活用水量，L/（人 ·d）；F为折污系数，指城镇生活污水排放量与城镇生活用水量的比值，一般取0.8～0.9；R为生活污水收集率，%；C0为城镇污水处理厂进水浓度，mg/L；C1为城镇污水处理厂出水浓度，mg/L。

城市面源污染负荷采用降雨径流污染物平均浓度（EMC）系数法估算，首先获取各城市的城区道路、公共建筑、绿地、居住区、工业企业和商业6种典型下垫面[5]，再依据文献[6]给出不同下垫面的EMC。根据EMC、径流系数、降水量，利用下式计算污染物排放量[7]：

式中：Ly为城镇面源污染负荷，t/a；EMCi为i下垫面的污染物平均浓度，mg/L；Ri为i下垫面的径流系数；P为各城市的降水量，mm；Ai为不同类型用地面积，km2；Cf为地表径流的校正因子，通常取0.9。

2 湖北片区城市水生态环境特征及问题解析

2.1 水环境质量特征及问题解析

从长江流域湖北片区179个省控及以上断面来看〔图2（a）〕，2016——2020年水环境质量稳中有升，GB 3838——2002《地表水环境质量标准》Ⅰ类水质断面数量占比从1.7%增至10.1%，Ⅱ类水质断面数量占比从48.0%增至60.9%，劣Ⅴ类水质断面则被全面消除。但上述断面并不能完全反映出该片区城市内水生态环境状况，城市内的水体仍存在不同程度的污染，水质明显低于省控及以上断面。例如，2019年武汉市倒水河的冯集、龙口断面水质为Ⅳ类～Ⅴ类，主要污染因子为氨氮和化学需氧量（COD）[8]；通顺河水质为Ⅴ类，黄陵大桥断面常年不达标[9]；荆州市区内水体水质较差，选取的41个断面中有22个只满足Ⅴ类水质要求，其余断面部分指标均超标，其中劣Ⅴ类水体以总磷（TP）浓度超标为主[10]；宜昌市内黄柏河大桥断面TP和氨氮浓度超标。

自2016年以来，片区内城市主要湖泊水质一直为轻度污染；到2020年，Ⅲ类水质湖泊占比为42.9%，Ⅳ类为42.9%，Ⅴ类为14.2%〔图2（b）〕。在17个主要湖泊的21个水域中，有5个水域营养状态级别为中营养，15个水域为轻度富营养，1个水域为中度富营养[11]。部分湖泊存在不达标现象，例如武汉市的汤逊湖和后湖、黄石市的大冶湖和网湖、荆州市的长湖和洪湖、黄冈市的龙感湖等，主要污染指标为TP和COD。

图2 2016——2020年研究区内河流和湖泊省控及以上断面水质类别Fig.2 Water quality category of rivers and lakes under provincial control and above sections in the study area from 2016 to 2020

湖北省是人口大省，城镇化率较高，随着城镇人口的增加，生活污水排放量逐年增加，从2015年的12.4亿t增至2019年的13.3亿t。由于城市基础设施普遍薄弱，导致部分生活污水未经处理直接排入水体，加上工业源和降雨径流产生的面源，对城市水体带来较大的污染。解析片区内城市的生活源、工业源和面源污染具体情况如下。

2.1.1 城镇生活源污染负荷大

片区内城市的生活源、工业源和面源COD、氨氮、总氮（TN）和TP排放量如表1所示。其中城市生活源污染物排放量最大，是片区内城市的第一大污染源，其对片区COD、氨氮、TN、TP的贡献率分别为68.75%、76.58%、75.82%和80.46%。对COD和TP来说，降雨径流带来的面源污染是第二大污染源，贡献率分别为17.17%和10.83%。对氨氮和TN来说，工业源是第二大污染源，贡献率分别为15.57%和14.41%。从长江干流和汉江支流片区内10个城市的污染源负荷占比来看（图3），生活源依旧是各城市的主要污染源，对COD、氨氮、TN和TP的贡献率均为最高。

表1 研究区内城市3类污染源的污染物排放量Table 1 Pollutant discharge of three types of urban pollution sources in the study area t/a

图3 研究区内各城市3类污染源负荷占比Fig.3 Load proportion of three types of pollution sources in each city in the study area

2.1.2 城市管网建设滞后，污水处理厂超负荷运行

片区内城市基础设施建设普遍滞后，排水管网建设欠账多。2020年全国城市排水管网建设密度平均为 11.11 km/km2〔图4(a)）〕，片区内城市排水管网建设密度平均值为10.29 km/km2。其中，武汉市、十堰市、宜昌市、襄阳市、荆州市和随州市未达到全国平均水平，特别是荆州市和随州市管网密度仅为7.92和5.73 km/km2。所有城市几乎都存在管网建设空白区，尤其是城中村、老旧城区、城乡接合部等地区，导致污水收集率低，存在生活污水直排入河现象。一些老城区的管网覆盖率低且排水体制多以合流制为主，雨污合流改造压力较大，在降雨后容易出现溢流污染。

图4 2020年研究区内各城市管网密度及污水处理厂运行负荷率Fig.4 Density of pipe networks and operating load rate of sewage treatment plants in each city in the study area in 2020

2020年全国污水处理厂平均运行负荷率为77.81%，片区内城市平均运行负荷率为83.63%，高于全国平均水平。其中，片区内有5个城市污水处理厂的运行负荷率接近甚至超过100%，特别是荆门市达到111.01%〔图4（b）〕。多个城市污水处理厂由于处理能力不能满足实际需求，超负荷运行现象严重，从而导致出水水质不稳定达标和雨天污水直排问题。此外，还存在部分污水处理厂为了降低成本减少药剂投放、污水处理厂在建成后没有真正投入使用等问题，使大量未经处理的废水直接排放，从而影响城市内水体水质。

2.1.3 工业企业密集，废水排放量较大

片区内城市产业结构复杂，工业园区密集，很多工业企业沿河湖修建，以化工为主导的部分工业园区选址不当，污染防治水平差，直接造成局部城市江段水污染严重[12]。2019年片区工业废水排放量为210 543万t[13]，工业源对COD、氨氮、TN和TP的贡献率分别为14.08%、15.57%、15.41%和8.72%。片区内城市工业企业以化工、机械制造等重污染行业为主，工业废水处理难度大、污水处理厂处理设施不完善，导致部分工业废水不达标排放，且偷排现象时有发生。各城市工业废水排放量及主要工业类型如表2所示。武汉市工业园区较多，主要污染物排放量最多的行业为光电子制造业和建筑材料制造业等。

表2 2019年研究区内各城市工业废水排放量及主要行业类型Table 2 Industrial wastewater discharge and main types of industries of each city in the study area in 2019 万t/a

2.1.4 “三磷”污染问题突出

片区内城市矿产资源种类多且总量丰富，主要分布在宜昌、荆门和襄阳。片区内210家磷化工、磷矿、磷石膏（“三磷”）企业中，有磷肥企业82家、磷矿企业81家，其是磷污染排放的重要来源。磷矿开采和加工生产过程中产生数量巨大的磷石膏，部分磷石膏库监测井建设不规范或未按规定进行监测、防渗措施不到位、矿井水超标排放，管理粗放，污染治理和综合利用水平有限，从而带来了环境污染和生态恶化等一系列问题[14]。

2.1.5 降雨径流带来的面源污染不容忽视

2019年片区内城市平均降水量为895.3 mm，降水主要集中在4——9月（图5）。从图5可见，随着降水量的增多，城市水体污染加剧，优于Ⅲ类水质断面数量占比下降，其中4——9月各断面水质较差。降雨径流导致的面源污染对城市COD、氨氮、TN、TP的贡献率分别为17.17%、7.85%、8.77%和10.83%，说明降雨径流导致的面源污染不容忽视。主要原因是城市区域内土地利用强度大，不透水地面的面积占比较高，加之排水体系不完善，存在错接混接和管道沉积等问题，导致降水期间雨水冲刷地表和排水管道中的污染物并进入水体，从而影响水体生态环境质量。

图5 2019年研究区内降水量及优于Ⅲ类水质断面数量占比Fig.5 Precipitation and proportion of water quality sections superior to Class Ⅲ in the study area in 2019

2.2 水资源特征及问题解析

片区内城市水资源总量较丰富，但水资源分布不均。2019年宜昌市、黄冈市和咸宁市水资源量均超过65亿m3，而鄂州市和随州市水资源量却不足10亿m3，加之部分城市水环境质量差，存在不同程度的水量型缺水和水质型缺水问题。从以下2个方面解析片区内各城市的水资源问题。

2.2.1 人均水资源量不足，水量型缺水较严重

2019年全国人均水资源量为2 077.7 m3，而片区内城市人均水资源量为1 035 m3，仅是全国平均水平的1/2左右。图6是片区内12个城市的人均水资源量情况，其中有11个城市未达到全国平均水平，有8个城市人均水资源量低于1 000 m3，属于重度缺水城市；武汉市、襄阳市、孝感市和随州市人均水资源量甚至还不足500 m3，处于极度缺水状态。人均水资源量不足主要有2种情况：一是像武汉市水资源总量相对丰富，达到31.07亿m3，但城镇人口超千万，导致人均水资源量严重不足；二是像随州市水资源总量仅为6.97亿m3，城镇人口为222.1万人，由于水资源总量本身匮乏导致城市处于极度缺水状态。

图6 2019年研究区内各城市人均水资源量Fig.6 Per capita water resources of each city in the study area in 2019

2.2.2 水资源浪费严重

片区内各城市水资源利用效率低，水资源浪费严重。在片区12个城市中，有7个城市的人均日生活用水量已超过用水定额〔图7（a）〕；在工业用水方面，有8个城市的万元工业产值用水量已超过全国平均水平（38.4 m3），其中黄石市、鄂州市和孝感市分别达到 149、241 和 95 m3〔图7（b）〕，长期形成的工业企业高耗水等传统用水方式，导致水资源浪费严重。

图7 2020年研究区内各城市人均日生活用水量及万元工业增加值用水量Fig.7 Per capita domestic water consumption and water consumption per 10 000 yuan of industrial added value in the study area in 2020

2.3 水生态特征及问题解析

片区内城市水生态状况不佳，水生植被覆盖面积明显减少、生物多样性降低，生态功能减弱。汉江干支流河道的污染负荷输入增加，水生生物大量死亡，水体富营养化严重[15]。“千湖之城”武汉市水域面积萎缩，市区的倒水河水生动植物种类、数量及分布面积下降，丰水期水体呈中度富营养化[16]。宜昌市主城区由于港口对河岸的占用，河段内水生植物种类和数量减少，生境遭到破坏[17]。咸宁市黄盖湖生物多样性受到一定程度的威胁，湖泊水质目标已经从Ⅱ类调整为Ⅲ类。造成片区内城市河流和湖泊水生态状况不佳的主要原因如下。

2.3.1 水体连通性受阻

长江的江-湖复合生态系统遭受了严重的人为干扰，沿江大部分湖泊修建了闸坝，致使这些湖泊与长江的自然水文连通及生物连通性受阻，导致水生栖息地生境碎片化，水生生态系统受到严重影响[18]。

2.3.2 江湖、湿地面积萎缩

由于城市发展速度快，导致土地资源紧张，城市区域侵占湖库的现象越来越普遍，造成湖库水域面积日益减少；河湖岸区围湖造田、筑堤、高密度的围栏围网养殖等人为活动，使部分湖汊被围并与大湖水体分割，造成湖泊面积萎缩、原有生态岸线被破坏。流域内湿地、河湖等自然生态空间整体呈减少趋势，自然岸线保有率大幅降低，湖滨湿地生态系统受到破坏和干扰。如武汉市湖泊面积在近30年间减少了将近2.3 hm2，其中东湖在近20年间减少了73.9 hm2，市区内环线的沙湖面积从原来的85 hm2缩小到了如今的约8 hm2[19]。

2.3.3 动植物死亡和外源输入

水生动植物死亡后沉入水体，其腐烂会造成大量污染物释放到水体中，使水质恶化，水体生态平衡受到破坏。渔业投饵养殖过程中，会带来大量有机碎屑沉入湖底淤泥中，引起水生态恶化。长期外源输入和内源释放使水体处于富营养化状态[20]。

2.4 水安全特征及问题解析

水安全风险是片区城市的一大问题，沿江的工业企业和发达的航运给饮用水水源地和水生态安全带来一定的威胁：1）片区内城市是“三磷”企业的集中区和环境问题的多发区[21]，在全省200多家“三磷”企业中，长江和汉江的化工企业占40%以上，这些企业大多沿江分布。其中，宜昌市与荆门市分别有72家，襄阳市有37家，荆州市有9家，黄冈市有6家。长期的矿产资源开发中，由于矿渣不合理堆放，使污染物极易随地表水通过裂隙、落水洞等直接进入地下含水层或地下河；流域内磷矿开采及磷石膏综合利用率低，导致部分月份水体磷超标现象时有发生，威胁水体安全[22]。2）岸线港口码头众多，危险化学品船舶通航密度大，与饮用水水源地的交叉布局矛盾突出，给水环境带来一定的风险[23]。特别是武汉市和宜昌市航运带来的风险较为显著。宜昌市的港口泊位达到420个，码头泊位160个，主要运输矿石、煤炭、油品、化学品和建材等，到港船舶的污水排放、油类污染物泄漏给区域水生态带来风险。3）多数城市主要饮用水源是长江，水源结构单一，同时备用水源地建设相对滞后，已划定的备用水源地大多无完善的配套建设设施，取水口与排水口相互交错，一旦长江取水口被污染或发生安全风险事件，将严重危及饮用水水源地环境安全。

3 湖北片区城市水生态环境整治对策

3.1 水环境质量提升对策

片区内城市主要污染源是生活源，因此应着重在生活源方面进行污染控制，具体措施：1）加强污水收集管网的建设，提高管网覆盖率。对荆州、随州、武汉、宜昌等建成区污水管网密度偏低的城市，加大管网设施建设力度；加快城中村、老旧城区、城乡接合部等污水收集管网的建设，消除收集管网的空白区，到2025年实现城市建成区排水管网全覆盖，污水全收集。对于老旧城区因地制宜地采取溢流口改造、雨污分流改造等工程措施，降低合流制溢流污染。2）污水处理厂提质增效。针对荆门、黄冈和咸宁等城市因污水处理厂设计处理能力不足而导致的运行负荷率高的问题，新建高标准城市污水处理厂，或对已有污水处理厂进行改造扩建，保障污水处理设施全面、稳定运行，到2025年实现污水全处理。

片区内城市工业发达，“三磷”等重污染企业较多，针对该问题需采取的具体措施包括：1）加快工业企业入园。对于申请加入的工业企业进行严格的选择，在园区内部，坚决关停污染环境、设备落后、产能低下的企业；加强园区内管网建设，提高污水处理设施除磷、除重金属、除难降解有机污染物效能，深入推进清洁生产与节能减排[24]。2）重点解决“三磷”污染问题。对宜昌、荆门、襄阳等磷矿资源丰富的城市进行行业整治，提升精细化管理，严格矿产资源开发生态空间管控，形成绿色矿业开发格局。对尾矿库实施整改和生态修复，加强对露天散堆、尾矿库、废渣场的监管，推进渣场防渗、截洪、防扬散设施建设和磷石膏的资源化利用等。

城市降水径流面源污染控制对策：总结武汉市海绵城市试点建设的经验，并在区域内推广；治理老城区合流制溢流污染问题，加快建设初期雨水分散调蓄设施，减少汛期溢流污水和初期雨水直接入河；建设运行能耗低、管理方便的人工湿地。

3.2 水资源保护对策

对于片区内严重缺水的城市，诸如武汉、襄阳、孝感和随州等，坚持以水定城、量水发展。各城市根据其水资源量，协调城市经济发展，制定水资源优化配置方案，完善水量分配和用水调度制度。

坚持节水优先。片区内各城市水资源浪费严重，在节水方面尚有很大的提升空间。在生活方面，由于多数城市人均日生活用水量均超过用水定额，着重生活节水，推广使用节水型生活用具，调整水价促进节水等；在工业方面，调整优化高耗水行业结构和布局，推广一批先进成熟的节水工艺、技术和装备，提高工业用水重复利用率；同时，推进非常规水资源用设施的建设和利用效率。

3.3 水生态修复对策

强化外源负荷控制措施，削减入湖氮磷负荷，加强河湖缓冲带的构建与修复；恢复河湖连通性，加强江湖生态系统间整体性和系统性的修复，有效改善河湖水质和水生态系统，在水质净化的基础上恢复生物多样性，构建稳定的水生态系统。

3.4 水安全保障对策

加强饮用水水源地的保护。对水源地保护区进行划分，设置隔离、警示设施；对于水质不达标的饮用水水源，因地制宜采取水源置换；对于不能迁址的水源地要采取多级屏障工程措施；建立健全应急预警机制，对水污染问题早发现、早处理。

加强航运码头的控制。加快推进沿江城市范围内非法码头整治，建设改造船舶生活污水收集装置和船舶港口码头环境基础设施，淘汰老旧落后船舶，加强风险管控。

4 结论

（1）在水环境方面，长江流域湖北片区内城市仍然存在水体水质不稳定达标，生活源污染负荷高，管网建设滞后，污水处理厂超负荷运行和“三磷”污染问题；在水资源方面，存在水资源分布不均和浪费严重的问题；在水生态方面，存在河湖富营养化、水体连通性受阻等问题。

（2）长江流域湖北片区城市水生态环境问题的主要成因：生活源污染负荷高，管网建设滞后，污水处理厂超负荷运行现象严重；“三磷”问题突出；季节性降雨径流带来的面源污染问题；水资源浪费严重；城市化进程使水体连通性受阻、河湖面积萎缩；水源地单一、港口码头众多，给水环境带来一定的风险。

（3）片区内城市水生态环境整治对策包括：污水管网的收集处理与污水处理厂的提质增效；工业重点解决“三磷”问题；水资源方面坚持以水定城、量水发展，节水优先，构建节水型城市；水生态方面加强河湖缓冲带建设，恢复生物多样性；水安全方面，加强风险管控，建立健全应急预警机制。