浙江省水體富營養化特征及防治對策

王以淼，周勝利

1.浙江省環境保護廳，浙江 杭州 310012 2.浙江省環境監測中心，浙江 杭州 310012

浙江是江南水鄉，但隨著城市化和工業化的推進，水環境污染形勢嚴峻。多年以來，浙江省各屆政府以及環境保護部門持續加大環境保護的力度，特別是2013年，浙江省委省政府作出了治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節水的“五水共治、治污先行”戰略部署[1]。治污水以清理垃圾河、黑河、臭河作為重要突破口，以城鎮截污管網和農村污水處理、生活垃圾處理等環保基礎設施建設為重要抓手，推動工業轉型和農業轉型。“五水共治”建立了多元化的投資體系、科技支撐體系，并以“河長制”作為重要保障手段，通過跟蹤督導、考核倒逼，形成了污染治理的長效運行機制。“五水共治”開展以來，全省各類主要污染物排放總量均有明顯下降，2015年全省化學需氧量排放量較2013年下降9.5%，氨氮下降8.4%，石油類和氰化物分別下降47.6%和29.2%，重金屬總鉻和總砷分別下降24.9%和15.7%[2-3]。污染物排放量的削減推動了水環境質量的明顯提升，全省2016年地表水省控斷面Ⅲ類以上水質斷面比例達到了77.4%，比2013年增加了13.6個百分點；劣Ⅴ類水質斷面占2.7%，比2013年減少了9.5個百分點[4]。

通過近幾年的集中整治，浙江省水環境惡化趨勢得到了有效遏制，但環境問題尚未得到根本解決，水體富營養化問題仍較突出。水體富營養化與人民群眾日益強烈的環境質量訴求矛盾逐漸凸顯。水體富營養化易導致藻類異常增殖，破壞水生態系統，影響自然景觀，甚至危害人體健康，是當今世界面臨的重大環境問題之一[5]。科學評價和判斷水體富營養化污染特征和變化趨勢對于水體治理具有重要意義。

截至目前，關于浙江省河湖的富營養化研究已有較多報道[6-11]，但相關研究多局限于對一河一湖或小流域范圍的分析，而從全省大尺度上分析水體富營養化特征性和規律性的研究鮮有報道。筆者通過分析浙江省全部221個省控斷面監測水質和污染源等主要基礎數據，從污染態勢、源結構、過程控制機制等方面揭示當前浙江省水體富營養化區域特征和發展規律，并提出對策建議，為浙江省水體富營養化污染防治措施制定和深入研究提供參考。

1 數據來源與評價方法

1.1 數據來源

地表水環境質量數據、污染源數據和蘭江流量、營養鹽濃度數據均來源于浙江省環境監測中心。其中地表水環境質量數據涵蓋全省全部221個省控斷面(包括河流型斷面和湖庫型斷面)，監測頻次為每月1次，分析方法按照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)表4進行[12]。污染源為2015年數據測算結果，統計口徑為工業源、城鎮源、農業源和集中處理設施。其中農業源包括農業種植、畜禽養殖和水產養殖；城鎮源為城鎮生活污染物產生量減去污水處理廠的處理量得到，產生量由產污系數法測算，系數來自《第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊》[13];蘭江流量和營養鹽濃度數據來自于自動監測設備，數據經人工審核，剔除個別時段由于設備故障、校準和運維等原因所產生的無效數據。

1.2 評價方法

1.2.1 富營養化狀態評價

采用總磷濃度單參數法評價水體富營養化狀態水平。根據OECD總磷富營養化界值(0.035 mg/L)，重富營養化界值(0.1 mg/L)[14]，以及USEPA規定美國營養生態區V(與浙江緯度、生態系統類型和營養狀況較為類似)河流富營養化總磷警戒響應限值(0.067 mg/L)[15]，筆者分別以總磷濃度0.035、0.067、0.1 mg/L為界值將浙江省地表水富營養化狀態劃分為貧-中營養、輕度富營養、中度富營養和重度富營養等4個等級。

1.2.2 水質評價

地表水水質評價按照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)和《地表水環境質量評價辦法(試行)》的要求進行單因子評價[16]。

1.2.3 藻類特定生長率計算

根據LIEBIG最小生長定律和MONOD生長模型[17]，藻類特定生長率按照公式(1)計算。

式中：用戶u喜歡的物品集合(設置喜歡閥值4分);N(k)：用戶k喜歡的物品集合;user_averu：表示訓練集中用戶u對所有物品的平均評分；user_averk：表示訓練集中用戶k對所有物品的平均評分；item_averi：表示訓練集中所有用戶對物品i的平均評分；F：相似度高于0.6(閥值)的好友數目。

μ=(μmax·S)/(KS+S)

(1)

式中：μ為藻類特定生長率，S為磷濃度，μmax為最大特定生長率，KS為磷半飽和濃度。

2 結果與討論

2.1 富營養化污染現狀

近幾年來，浙江省各主要水體的富營養化狀況得到了有效改善，但大部分水體氮營養鹽仍處于較高水平。USEPA規定其境內營養生態區V的河流富營養化總氮警戒響應限值為0.88 mg/L[15]。三峽庫區富營養化研究表明，總氮濃度為0.30～1.3 mg/L區間變化時對藻類生長率的影響比較敏感[18]。2016年浙江省控斷面中，總氮年均濃度超過0.88 mg/L的斷面占比為82.8%，其中超過1.3 mg/L的斷面占比達73.8%(圖1)。

圖1 2016年地表水省控斷面總氮、總磷濃度分布Fig.1 Distribution of total nitrogen and phosphorus concentrations in provincial surface water control sections in 2016

根據LIEBIG最小生長定律及氮磷濃度特征，浙江省當前大部分水體中磷是藻類生長的營養鹽限制因子，但磷富營養化問題同樣嚴重。中國《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)規定河

流Ⅱ類和Ⅲ類水質總磷限值分別為0.1、0.2 mg/L，相較OECD富營養化評價標準定值較低[14]。如按照富營養化狀態劃分，2016年浙江省控斷面中，富營養斷面占比達78.7%，其中輕度富營養、中度富營養和重度富營養斷面分別占比為14.0%、21.7%和43.0%。表明浙江省大部分水體仍存在藻類異常增殖的營養鹽基礎。

除水體營養鹽水平總體處于高位外，浙江省部分人口密集、工農業生產發達地區的水體富營養化問題尤為突出。如省內最主要水系錢塘江，2016年監測數據顯示干流及部分支流存在嚴重富營養化現象，總氮平均濃度均超過1.3 mg/L，其中東陽江、武義江、金華江和浦陽江分別達到了2.80、4.14、3.81、2.95 mg/L，蘭江、金華江、東陽江和武義江總磷平均濃度分別達到了0.113、0.150、0.119、0.176 mg/L，富營養化治理難度很大(圖2)。

圖2 錢塘江干流及主要支流總氮和總磷濃度分布Fig.2 Distribution of total nitrogen and phosphorus concentrations in the mainstream and main tributaries of the Qiantang River

2.2 主要指標變化趨勢

近10年來，浙江省水污染主要矛盾呈從有機污染向富營養化污染轉變的趨勢。從省控斷面各指標超地表水Ⅲ類水質標準占比來看，2008年及以前浙江省地表水最主要污染超標因子為化學需氧量，其次為氮磷和重金屬，而2012年起，氮磷成為最主要超標因子，其次是化學需氧量，重金屬不再超標(圖3)。

“五水共治”開展以來，浙江省水體主要污染物濃度均呈明顯的逐年下降趨勢。2016年省控斷面化學需氧量、高錳酸鹽指數和總磷平均濃度分別為10.10、2.88、0.106 mg/L，與2012年相比降幅分別為23.6%、17.5%和27.4%(圖4)。而2016年氨氮和總氮平均濃度分別為0.480、2.28 mg/L，指標濃度降幅分列最大和最小，分別為47.6%和11.6%。這一現象與目前大部分污水處理廠均存在因反硝化工藝不足而導致污水氨氮去除率高而總氮去除率低的問題有直接關系。盡管藻類直接吸收的是氨氮和硝酸鹽氮，但有機氮(特別是溶解性有機氮)仍是可供藻類利用的重要氮源，總氮指標也更能反映可供藻類生長的氮營養鹽基礎[19]。因此，更需在總氮削減上加強措施應對。

圖3 省控斷面各指標超標情況Fig.3 Over-standard status of pollutants in provincial control sections

圖4 省控斷面主要污染物濃度下降情況Fig.4 Concentration decrease of major pollutants in provincial control sections

藻華頻發是水體富營養化的極端表現，其發生與否取決于營養鹽、水文以及氣象條件三者之間的協同作用，但營養鹽是物質基礎。銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)是浙江省夏季最常見的水華藍藻，NICKLISCH等和陳德輝等分別報道了水溫25 ℃時KS分別為0.013 6、0.012 8 mg/L[20-21]。根據公式(1)，KS取均值0.013 2 mg/L時，銅綠微囊藻特定生長率和磷濃度關系如圖6所示，磷削減對藻類生長率影響比較敏感的區域在低濃度區，特別是在濃度為0.05 mg/L以下的區域，而當磷濃度超過0.1 mg/L時，磷削減對藻類生長率的控制效果并不顯著。

圖5 部分重點水域總磷濃度下降情況Fig.5 Concentration decrease of total phosphorus in some key waters

圖6 磷濃度與銅綠微囊藻生長率的關系Fig.6 Relationship between phosphorus concentration and the growth rate of Microcystis aeruginosa

根據高錳酸鹽指數指標統計結果，浙江省地表水水質狀況自改革開放后持續20多年不斷惡化，而經過近10余年的集中整治，目前已基本恢復到20世紀80年代初的水平(圖7)。同樣，總磷指標自2000年開展系統性監測以來，省控斷面平均濃度于2004年達到峰值后也進入了明顯的下降通道。盡管水質狀況總體改善顯著，如不考慮各磷形態的生物有效性差異，根據公式(1)計算的斷面基于總磷濃度的藻類特定生長率下降卻并不明顯。特定生長率反映了藻類的生長勢能，表明浙江省水體藻華風險并未與營養鹽濃度呈同步下降趨勢。特別是對于水動力條件差、制約藻類生長的有機污染消除、透明度有所改善但富光區仍未達水體底部，以及水下植物森林未形成的河道湖泊，藻華風險甚至有增加的可能。在當前營養鹽濃度水平下，除了要更大幅度削減入河排放外，十分有必要適時通過水動力調控實現藻華防控目標。

圖7 水質和藻類生長勢能變化情況Fig.7 Variation of water quality and algae growth potential

2.3 污染來源

富營養化問題的實質是營養鹽輸入輸出失衡，是營養鹽的過多輸入所導致。浙江省城鎮生活源和農業面源氮磷排放占比突出。以2015年為例，全省工業源、城鎮生活源共計排放廢水為43.38億t，其中工業源占33.97%，城鎮生活源占66.03%。總氮排放量為217 662 t，垃圾填埋場等集中式處理設施排放較少，城鎮生活源和農業面源各占50.52%和38.75%，而工業源占比僅為10.73%。總磷排放量為17 604 t，以農業源為主，占59.23%，城鎮生活源占36.22%，工業源僅占4.50%(表1)。

2.4 過程控制機制

浙江作為人口密集、工農業生產發達地區，城鎮源以及農業面源營養鹽通過地表徑流進入水體，對河流的污染負荷影響非常顯著。

表1 浙江省2015年主要污染物排放情況Table 1 Major pollutant emissions of Zhejiang province in 2015

注：“—”表示未參與統計。

以藻華重點水域蘭江為典型，統計分析2015年12月—2016年11月蘭江逐日流量與對應水體總氮濃度關系。結果顯示，總氮濃度與流量之間不存在明顯的線性關系，盡管流量越大總氮濃度分布水平越低，特別是汛期大流量稀釋作用明顯(圖8和圖9)。但總氮通量與流量之間存在高度正相關關系(r=0.933 3)，流量越大，通量越高(圖10)。當流量從枯水期500 m3/s上升到汛期1 000 m3/s時，平均總氮通量從1.1 kg/s增加到1.9 kg/s，增幅為72.7%。但線性方程曲線斜率隨著流量增大而變小，表明流量逐步增大后，總氮通量的增幅逐漸變小。上述結果反映了地表徑流的平均總氮濃度小于河流總氮本底濃度，但地表徑流仍對總氮的入河輸送帶來非常顯著的貢獻。

圖8 蘭江汛時流量對總氮濃度的影響Fig.8 Effect of flow rate on total nitrogen concentration in Lanjiang River during flood season

圖9 蘭江流量與總氮濃度的關系Fig.9 Relationship between water flow and total nitrogen concentration in Lanjiang River

圖10 蘭江流量與總氮通量的關系Fig.10 Relationship between flow rate and total nitrogen flux in Lanjiang River

流量與總磷濃度同樣不存在明顯的線性關系，但與總氮濃度-流量關系不同，流量越大，總磷濃度分布水平越高，而汛期大流量對水體總磷濃度升高具有明顯的促進作用(圖11和圖12)。與總氮通量-流量關系相比，河流總磷通量與流量具有更為顯著的正相關關系(r=0.977 9)，當流量從500 m3/s上升到1 000 m3/s時，平均總磷通量從0.044 kg/s增加到0.098 kg/s，增幅為122.7%(圖13)。且兩者線性方程曲線斜率隨著流量增大而變大，表明流量逐步增大后，總磷通量會有更大幅度的增加。

上述結果表明，人口密集、工農業生產發達地區，河流總磷輸入主要受地表徑流的影響，地表徑流平均總磷濃度要高于河流的本底總磷濃度，特別是汛期地表徑流對河流總磷濃度的貢獻要明顯高于固定源排放。該現象與土壤等礦物質顆粒作為磷主要來源具有直接關系。

圖11 蘭江汛時流量對總磷濃度的影響Fig.11 Effect of flow rate on total phosphorus concentration in Lanjiang River during flood season

圖12 蘭江水體流量與總磷濃度的關系Fig.12 Relationship between water flow and total phosphorus concentration in Lanjiang River

圖13 蘭江水體流量與總磷通量的關系Fig.13 Relationship between flow rate and total phosphorus flux in Lanjiang River

水體富營養化是全國性的，也是全球性的重大環境問題之一。2016年《中國環境狀況公報》顯示，全國112個重要湖泊(水庫)，以及七大流域、浙閩片河流及西北和西南諸河的1 617個國考斷面，總磷為主要污染指標[22]。水體富營養化導致藻類異常增殖、水華頻發，并且在空間上有從湖泊向河流庫區擴展的趨勢。據不完全統計，中國有文獻資料記載的水華發生頻率從20世紀80年代每年2次上升到2000年后每年近10次，其中77%的水華發生在湖泊，河流庫區水華占23%[23]。當前，浙江省大部分水域仍然面臨較高的氮磷污染負荷，營養鹽水平仍處于藻類適宜生長的范圍，藻華防控將成為水環境管理最主要課題之一。盡管浙江水體富營養化治理工作取得了一些成效，但部分流域提前遭遇了瓶頸。可以預見，未來幾年浙江經濟社會發展仍將保持高速運行，城鎮化快速發展帶來的流域植被覆蓋減少、農業種養殖投入提高以及人均生產生活資料消耗增加的趨勢依舊存在，氮磷營養鹽維持高位排放的態勢短期內仍難以扭轉。浙江省氮磷污染物農業面源和城鎮源占比突出，相比工業點源污染，其涉及的范圍更廣且更為復雜。作為經濟發達地區，浙江區域人類活動范圍廣、開發強度大，土壤環境遭到的破壞和擾動嚴重，城鎮建設、城鎮可滲地面被硬化以及河岸固化等因素導致污染物的自凈、攔截能力被嚴重削弱，營養鹽通過地表徑流輸送的作用被急劇放大，地表徑流因素作用突出。

3 防治對策與建議

浙江省水體氮磷輸入工業源占比較少，其治理覆蓋度和強度均已達到了較高水平，同樣資源投入對水體營養鹽削減的貢獻將明顯減弱。除了應繼續加強其治理外，必須整合有限資源，突出城鎮源和農業面源作為今后水體富營養化防治的主要矛盾和重點。水體富營養化既是自然過程，也與社會經濟發展階段、人口空間格局以及資源環境承載力等息息相關，其治理是一項長期、艱巨而復雜的任務[24-25]。必須根據污染問題和特征，制定和實施流域水體富營養化防治目標和行動計劃，并在管理減排、源頭減量、過程控制和生態修復等多方面加強落實。

3.1 完善營養鹽總量控制制度

繼化學需氧量和氨氮后，有必要擴大水污染物排放總量控制范圍，加快推進以“保障公眾健康、維護水生態系統安全”的流域總磷、總氮環境容量研究，建立基于環境容量的總磷、總氮排放總量控制目標。將總氮與總磷一并納入行政約束考核體系，推動建立以水質改善為目標，排放總量削減為手段的水污染防治管理制度。

3.2 建立多部門統籌協調管理機制

要建立流域水質、水量和水生態系統一體化管理機制，克服多頭治水弊端，加強水域管理的跨部門聯動和上下游區域聯動，統籌協調環境資源承載量與社會經濟發展布局、水資源調度與水污染防治以及防汛建設與河流生態修復等工作。

3.3 優化水資源配置

要進一步加強流域水資源的保護與利用，劃定水資源開發利用紅線。保障流域內各河段的生態基流，增強各水體之間的連通性，促進更通暢的水流，調節河流自身的自然循環能力，提高河流自然生命力。

3.4 加強農業面源污染管理

加強水土流失預防與治理，建立和完善農業面源污染“治用保”防控體系，堅持綜合利用為核心，污染治理、生態保護相結合。發展生態循環農業，減少化肥和農藥的使用，推進農牧對接融合，嚴控禁限養區畜禽養殖和自然水體投肥水產養殖。打造農業廢棄物綜合利用體系，建設規模化沼氣工程、沼液和養殖糞污生態循環工程，大力推進有機肥加工、秸稈資源利用產業化。加強農村污染治理，建設農村生活污水、養殖糞污等污染控制工程，嚴格建成后除氮、除磷效率監督管控。

3.5 完善城鎮雨污收集管網

大力推進海綿城市建設，加強城市面源污染控制，充分利用綠地、湖濱帶、人工濕地等凈化能力，減少城市地表徑流氮磷入河通量。加強居住小區陽臺排水等雨污合流管網改造，逐步開展初期雨水收集和處理。全面推進污水零直排區創建，加快污水收集管網主干網(特別是二級、三級支線管網)建設，解決城中村、集鎮等薄弱地區截污納管問題。強化城鎮排水與污水收集管網的日常養護，解決管網滲漏、破損、錯接、混接等問題。

3.6 提升城鎮生活污水處理水平

進一步加快城鎮污水處理設施建設，增加處理容量，減少分流系統溢流水量。重點推進污水處理設施的除磷脫氮提標改造，提升反硝化、化學除磷和過濾工藝，解決總氮去除率低的問題。在條件許可下因地制宜，建造人工濕地，對出水進行生態強化處理。要進一步加強對污水處理廠的運行管理與監督考核，保持設施全效穩定運行。

3.7 開展水體生態修復

當前，從水環境質量發展趨勢看，浙江正經歷從水質持續改善過渡到水生態逐步恢復的過程。水環境管理也應與時俱進，在原有主要依靠工程治水、污染控制等方式的基礎上，提高生態治河能力。要充分重視河流物理生境恢復和生態緩沖帶建設，增加自然護岸和生態護岸組成，使河岸帶通過對營養鹽的滲透、吸收、過濾、攔截等過程，發揮涵養水源、凈化水體、提供豐富的生物棲息地和景觀游憩的生態服務功能。河道內修復沉水植物，建設水下森林，提高水體透明度，達到競爭、化感抑制藻類增殖的目的。清淤應生態化，防止過度頻繁和毀滅性清淤，減少對河流生物和生境的破壞。減少有毒有害污染物排放和非法捕撈，促進水生生物種群恢復和繁榮。