長江流域洞庭湖片區典型城市水環境問題解析與治理對策

李永真，孫德智，李虹，李瑩杰，齊飛*

1.水體污染源控制技術北京市重點實驗室，北京林業大學

2.北京林業大學污染水體源控與生態修復技術北京高校工程研究中心

3.中國環境科學研究院

洞庭湖片區地處長江中游，為洞庭湖水系流經的廣大地區，覆蓋湖南省大部分城市，接納松滋河、虎渡河、藕池河三口的長江來水，并由城陵磯注入長江。2010年以來洞庭湖片區城市化進入加速發展階段，由此加重了城市水環境污染、水生態破壞和水資源短缺。“十三五”時期，片區城市水生態環境保護工作卓有成效，但還有很多問題尚未解決，環境質量改善成效不穩固，城市內依然存在Ⅴ類、劣Ⅴ類和黑臭水體，水質型缺水沒有得到有效緩解，城市重金屬污染問題嚴峻。現階段有關洞庭湖的研究主要集中在洞庭湖與其支流的水質特征及影響因子方面，如郭晶等[1]對洞庭湖區11個監測斷面的8個水質指標進行因子特征分析，結果表明洞庭湖水質受pH、溶解氧、氨氮和TN等指標影響較大，其中TN和TP為洞庭湖水質的限制性因子；尹宇瑩等[2]研究了洞庭湖流域重金屬的生態風險，結果表明區域內重金屬呈現重污染狀態，其中Cd和Hg的風險較高。這些研究結果均表明洞庭湖及長江流域存在一定程度的水生態環境問題。有研究指出，管網建設滯后導致污水處理能力不足，未經處理的生活污水直排入湖是造成水體富營養化指數升高的重要原因之一[3]，工業園區的污水集中設施建設滯后也是工業污染的主要原因[4]?，F有研究結果僅限于洞庭湖片區局部問題，缺少對洞庭湖片區內城市區域的污染源識別、水生態環境問題解析及相應解決方案的系統性研究，無法有效支撐片區城市水生態環境問題的改善。城市是人口聚集和工業活動集中的區域，其產生及排放的污染物是造成洞庭湖水生態環境問題的重要原因之一。筆者基于上述存在的問題，對該片區城市的水環境質量、水資源特征和重金屬污染現狀進行解析，并結合城市特點和發展需求提出相應的治理對策，以期為片區城市水環境治理與質量改善，解決洞庭湖片區乃至長江流域的水生態問題提供參考依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

長江流域洞庭湖片區地處長江中游。洞庭湖是長江兩大通江淡水湖泊之一，南匯湘江、資水、沅江、澧水（“四水”）來水，北納太平口、松滋口和藕池口（“三口”）分泄的長江洪水，東接汨羅江和新墻河水，在岳陽市經城陵磯注入長江。流域面積為26.28萬km2，約占長江流域面積的14%，平均年降水量為1 427 mm，年徑流量為2 016億m3，地表水資源占長江流域的21%，占比為長江流域各水系之首[5-8]。

洞庭湖是長江水系的重要組成部分，在調蓄洪水、保障供水、涵養水資源、支撐區域經濟社會可持續發展等方面發揮著重要作用，是長江經濟帶、洞庭湖生態經濟區等國家重大區域發展戰略的支撐[9]。片區城市密集，環繞著長沙、益陽、常德、湘潭、衡陽、株洲、邵陽和婁底等10余座城市。本文研究對象及區域為株洲、岳陽、郴州、常德、益陽和婁底6個城市的建成區，不包括農村區域（圖1）。

圖1 洞庭湖片區城市分布Fig.1 Cities distribution of Dongting Lake region

1.2 數據來源

依托于長江生態環境保護修復聯合研究一期項目成果集成課題，總結梳理長江生態環境保護修復聯合研究一期項目各城市駐點跟蹤研究項目成果（未發布），結合2016——2020年各地級市地表水監測月報、湖南省生態環境狀況公報、《中國城市建設統計年鑒》《中國城市統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《湖南統計年鑒》以及GB 50014——2021《室外排水設計標準》等[10-16]，開展斷面水環境質量分析，核算城市各污染源負荷，分析城市基礎設施建設概況。

1.3 計算方法

采用洞庭湖片區6個城市的城市面源事件平均濃度（EMC）對COD、氨氮、TN和TP的排放量進行評估[17]。年徑流污染負荷（Ly）計算公式如下：

式中：Ly為年降雨徑流污染負荷，t/a；EMC為事件污染物平均濃度年均值，mg/L；R為研究區域的年徑流系數；P為研究區域的年降水量，mm；A為集水區面積，km2；Cf為地表徑流的校正因子，取值為0.9。一般來說，EMC可通過現場監測獲得，也可以通過文獻獲得[18]。因缺乏洞庭湖片區城市徑流污染負荷監測數據，需結合國內相近城市的研究成果確定EMC。影響城市降雨徑流污染的主要因素為功能區類型（如工業區和住宅區等）、下墊面類型（如路面和綠地等）和地理特征[19]，長沙市位于洞庭湖片區，南寧市在地理位置上也與片區城市接近，且地形、地貌及降雨特征相似。因此，本研究中EMC參考長沙市和南寧市不同功能區和下墊面類型的研究結果取值[19-22]。表1為洞庭湖片區城市面源EMC與徑流系數。

表1 洞庭湖片區城市EMC與徑流系數Table 1 Urban EMC value and runoff coefficient in Dongting Lake region

洞庭湖片區6個城市的城市生活源排放量采用下式進行估算[23]：

式中：W為城市生活源污染物排放負荷，t/a；N為城市居民常住人口，萬人；Q為城市人均生活用水量，L/（人·d）；F為城市生活源污水折污系數，參照第二次全國污染源普查《生活污染源產排污系數手冊》取0.9[24]；Rw為城市生活污水收集率，按照傳統污水量計算方法，取70%；C0為城市生活污水中污染物濃度，取城市污水處理廠進水濃度，mg/L；C為城市生活污水經城市污水處理廠處理后排放的污染物濃度，mg/L，各城市污水處理廠進出水污染物濃度來自第二次全國污染源普查《集中式污染治理設施產排污系數手冊》，具體參考值如表2所示[25]。

表2 城市污水處理廠水污染物產排污參考值Table 2 Reference value of water pollutant generation and discharge of urban sewage treatment plant mg/L

2 洞庭湖片區城市水生態環境特征

2.1 水環境質量

為分析洞庭湖片區水環境質量，對該片區6個城市的46個國控斷面水質狀況進行統計，結果如圖2所示。由圖2可見，該片區近5年國控斷面水質整體上呈現出好轉的趨勢，如Ⅲ類及以上水質斷面由72.73%升至81.82%；Ⅴ類和劣Ⅴ類斷面由6.82%降至2.27%；片區內水質以Ⅱ類為主。據《湖南省生態環境狀況公報》顯示，Ⅳ類以下水質斷面的污染因子為氨氮和TP[10-11]。雖然近年來國控斷面水質總體向好，但仍存在Ⅴ類和劣Ⅴ類斷面，而且由于設置在建成區的國控斷面數量偏少，上述國控斷面水質尚不能整體反映6個城市的城市水體環境質量，建成區內水環境質量問題仍亟需解決。

圖2 2016——2020年洞庭湖片區國控斷面水質變化Fig.2 Water quality changes of state-controlled sections in Dongting Lake region from 2016 to 2020

2018年，株洲市共有城市黑臭水體33處；2016年，岳陽市存在32處城市黑臭水體，2017年消除了20處；2016年，常德市啟動20處城區黑臭水體綜合治理工作；2017年，益陽市存在14處城市黑臭水體，2018年完成8處黑臭水體整治。截至2020年，株洲市有15處城市黑臭水體未完成整治任務，岳陽市有7處城市黑臭水體未消除，常德市仍存在6處黑臭水體，益陽市尚有白馬山渠1處城市黑臭水體，資江流域有7處城市黑臭水體尚未得到解決[4,26-28]。

2.2 水資源特征

洞庭湖片區主要城市人均水資源量如圖3所示[13]。洞庭湖片區年降水量大，水資源較為豐富，其人均水資源量均值為2 659 m3，高于全國平均水平；但城市間水資源分布極度不均，城市間人均水資源量總體標準偏差高達1 186 m3，各城市標準差均在1 000 m3以上。如衡陽市人均水資源量僅為1 050 m3，不足永州市的1/4，瀕于重度缺水城市線，存在資源型缺水問題。城市水資源量與降水量密切相關，片區城市降雨主要集中在4——8月，占全年降水量的60%以上，導致片區城市非汛期水質差，存在季節性缺水問題[29]。此外，由于城市湖泊水庫的不合理開發和陸域污染排放問題，導致水資源不均、水生態破壞和水環境惡化，加劇了缺水城市的水資源短缺。岳陽市、常德市、益陽市和婁底市均存在不同程度的水質型缺水問題。

圖3 洞庭湖片區城市人均水資源量Fig.3 Urban per capita water resources in the cities of Dongting Lake region

2.3 重金屬污染

洞庭湖流域是著名的“有色金屬之鄉”，錳、鋅、銅、銻等多種有色金屬元素儲量豐富，在湘江、資水、沅江和澧水等流域分布有不同規模的涉重金屬企業。隨著礦產資源的開發，流域水體重金屬污染問題突出[30]，表3為洞庭湖各入湖口表層沉積物中重金屬濃度。由表3可見，“四水”入湖口的重金屬濃度明顯高于長江三口，尤以Sb、Hg、Cd和As等比較突出。由于采礦、選礦、洗礦、冶煉過程產生的廢水、廢渣未經有效處理直接排放，導致大量的金屬經“四水”攜帶入湖，進而為洞庭湖帶來重金屬污染問題[31]。

表3 洞庭湖各入湖口表層沉積物中重金屬濃度Table 3 Content of heavy metals in the surface sediments of the estuary of Dongting Lake mg/kg

3 城市水環境問題解析

3.1 污染源及負荷解析

分別對2017年洞庭湖片區6個城市的工業源、城市生活源和城市面源污染負荷進行估算，得出6個城市排放的COD、氨氮、TN和TP負荷總量分別為14.07萬、1.21萬、2.45萬和0.14萬t/a。其中，岳陽市各污染物的負荷排放量均最高。由于城市化進程的發展和居民生活水平的提高，城市生活源是片區最主要的污染源，各污染物的負荷排放量均在67%以上(圖4)。在工業源和城市面源中，工業源排放的氨氮、TN和TP負荷較高；城市面源的COD排放負荷較高。

圖4 2017年洞庭湖片區城市污染負荷來源占比Fig.4 Proportion of sources of pollution load in the cities of Dongting Lake region in 2017

圖5為片區典型城市不同污染來源占比。由圖5可知，各城市污染負荷來源略顯差異，生活源是各城市污染物主要來源。COD來源較為廣泛，主要由生活源和城市面源組成。其中，株洲市、郴州市和常德市COD負荷以城市生活源和城市面源為主，氨氮、TN和TP的主要來源是生活源和工業源。其中，岳陽市和婁底市工業源污染負荷較為突出。

圖5 洞庭湖片區城市不同污染負荷來源占比Fig.5 Proportion of different sources of pollution load in the cities of Dongting Lake region

3.2 生活源問題解析

片區城市排水體制基本為直排式合流制或截留式合流制，以雨污合流為主，管網建設情況見圖6。片區6個城市平均排水管網密度為14.18 km/km2，其中污水、雨水和合流制管網密度分別為5.29、5.50和3.39 km/km2[12]。由圖6可知，片區城市內雨污合流制管網密度占比高，雨污分流不完全，存在合流制管網溢流污染這一共性問題，導致生活污水未得到有效處理。文獻顯示，婁底市和株洲市的管網建設較為滯后，老城區、城中村和城鄉接合部污水管網建設不完善，婁底市以合流制管網為主，分流制管網密度占比不足40%，建成區未實現污水管網全覆蓋，未經處理的生活污水直排進入水體是引起城市水體水質惡化的重要原因之一[32]。

圖6 洞庭湖片區城市排水管網密度Fig.6 Density of drainage pipe network in the cities of Dongting Lake region

近年來，洞庭湖片區城市污水處理設施的總污水處理能力逐年提升，污水處理設施基本完成由分散式小規模處理方式向集中式大規模處理方式的轉變。由圖7可知，除郴州市外，片區城市污水處理率在95%以上，污水年處理總量與污水排放量大致持平，基本上解決了近年來污水處理設施滯后與污水處理需求上的矛盾[32]。但部分城市污水處理設施發展不均衡，二者矛盾依然存在。其中，郴州和益陽兩市尤為突出。郴州市污水處理設施建設不足，2019年污水處理率僅為88%，遠低于全國96.81%的平均污水處理率；益陽市生活污水處理廠規模也不能滿足現實需求。

圖7 洞庭湖片區城市污水處理率Fig.7 Treatment rate of sewage treatment plants in the cities of Dongting Lake region

3.3 城市面源問題解析

排水管網問題也是造成區域城市面源污染的重要原因之一。片區城市整體存在管網建設滯后、覆蓋率低、管網維護管理不足、混接錯接等問題，城市的快速發展帶來了不透水下墊面的增加，導致暴雨期間城市形成的雨水徑流量明顯增加，由于城市排水管網基礎設施建設不能滿足當前雨水的全收集要求，導致存在管道溢流現象。此外，降雨時污水處理廠運行負荷大大增加，部分未經收集的混合污水直接排入河道。

株洲市淥水干流沿線城市生活污水已基本采用納管處理，但老城區、城中村和城鄉接合部管網建設規模不足，改造難度大[33]，且存在排水管網錯接及管道老化失修等現象。郴州市建成區管網密度較高，但雨污分流不完全，雨天合流排水溢污嚴重。婁底管網建設滯后且以雨污合流制為主，全市雨水收集處理率和已建設施運行負荷率不高，部分地區雨污混流、污水混入雨水管道排放現象頻發。

3.4 工業源問題解析

近年來，片區工業企業發展迅速，根據《2020中國城市統計年鑒》[13]和《2020中國環境統計年鑒》[14]，常德市和婁底市企業數量漲幅顯著（表4）。但治理設施的日處理能力卻相對下降，依然存在工業廢水處理設施空白區。

工業快速發展帶來用水量增大、污染物排放量增高，由于處理能力未相應提高導致部分工業廢水不能達標排放。此外，片區小規模企業比例高，分布零散，生產工藝落后，污水收集和處理設施不健全，廢水不能達標排放，也存在偷排、超排的現象。2017年郴州市工業廢水總產生量為9 927萬t，其中3 984萬t未經處理直接排入受納水體。常德市部分化工企業沿河沿湖分布，企業排污口與取水口交錯布局，目前尚未對沿江1 km范圍內化工生產企業進行分類處置，存在水環境污染潛在風險[34]。

3.5 片區重金屬問題解析

片區城市因工業發展和部分歷史遺留問題導致流域內重金屬污染嚴重。岳陽市的工業廢渣帶來重金屬污染，松陽湖長期堆放粉煤灰，汛期經湖水浸泡，致使大量重金屬直接排入水體[35]?！逗鲜〉诙稳珖廴驹雌詹楣珗蟆穂36]數據顯示，2017年該省重金屬排放量達9.07 t，有色金屬礦采選業、有色金屬冶煉和壓延加工業和金屬制品業3個行業占工業源重金屬排放量的80.95%。郴州礦產資源粗放式開發利用，導致部分區域受到污染。《郴州市生態環境問題解析報告》（未發布）數據顯示，2017年郴州市總砷排放量高達631.33 t，有色金屬礦采選業、有色金屬冶煉及壓延加工業、煤炭開采及洗選業3個行業總砷的排放量占該市所有工業行業總砷排放量的97.31%。郴州市陶家河流域因尾砂淤積造成重金屬污染的河道長度達27.5 km，尾砂淤積量約為3 000萬m3，主要為砷、鉛和鋅污染，局部存在鎘、銅、銻等污染。銻礦山開采導致資江流域銻污染，部分企業關閉后環保治理仍未到位，遺留的礦洞涌水和廢石廢渣堆中的銻經雨水沖洗后隨地表徑流匯入資江。婁底市是片區銻礦資源分布地區，早期銻礦采選、冶煉企業發展無序，現有銻冶煉工藝能耗高、污染大，向水環境中排放了大量的砷、銻重金屬，導致婁底市各省控、縣控斷面均有不同程度的銻超標現象，部分地下水、地表水均遭受了砷、銻污染[37-38]。

4 片區城市水生態環境治理對策

為解決洞庭湖片區城市水生態環境存在的問題，結合《湖南省“十四五”生態環境保護規劃》的總體要求，以污染物排放總量持續減少，水環境質量持續改善，突出水環境問題加快解決為目標，提出以下片區城市水生態環境綜合整治對策[39]。

4.1 完善污水收集與處理系統的基礎設施建設

城市生活污水和地表徑流集中收集，本著“污水應收盡收、雨水應分盡分”的原則，加快城中村、老舊城區、建制鎮、城鄉接合部、空白區和易地扶貧搬遷安置區的收集管網的建設，提高管網的覆蓋率和收集率。改造老舊破損管網，全面排查管網錯接、混接、漏接以及雨天合流制溢流污染等問題，系統解決管網漏損問題，降低合流制管網溢流污染。到2025年實現建成區污水收集管網全覆蓋，基本消除城中村、老舊城區和城鄉接合部生活污水收集處理設施空白區。

城市污水集中處理設施實現全覆蓋，合理規劃城市污水處理廠布局和規模。現有污水處理廠開展提標改造和提質增效，保障污水處理設施全面、穩定運行并達到GB 18918——2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A排放標準，到2025年實現污水全處理。到2024年，地表水系水質控制單元穩定達到考核目標，城市建成區實現黑臭水體長制久清。

4.2 調整產業結構，工業園區升級改造

把傳統產業的改造提升作為“轉方式、調結構”的重中之重，推進工業新興優勢產業鏈和“3+3+2”重點產業領域建設，依法依規淘汰落后產能，以“高端化、高新化”為目標，構建出特色鮮明、布局合理、結構優化、競爭力強的現代產業體系，包括株洲市需推動陶瓷和花炮兩大傳統產業內涵式轉型升級。深入推進冶金、焦化、印染、造紙等行業強制性清潔生產審核，取締不符合國家產業政策的小型嚴重污染水環境的生產項目。

沿江岸線1 km范圍內嚴禁新建、擴建化工園區、化工生產項目；2025年底前完成沿江化工企業搬遷改造任務。零散企業集中園區生產，將有改造潛力的工廠搬遷至綠色化工產業園區，嚴格落實排污許可制度，規范企業污染物排放，建立園區水環境管理“一園一檔”。推進工業園區污水處理設施分類管理、分期升級改造，實現工業園區污水管網全覆蓋、污水全收集，確保工業污染源全面穩定達標排放。完善工業企業環境風險防控體系，制定環境風險應急預案，完善環境應急系統，建立環境風險監測預警平臺。

4.3 重金屬污染治理

優化產業布局，對涉重金屬產業整合升級，聚焦重有色金屬采選冶煉、電鍍等重點行業，堅持嚴控增量、削減存量，淘汰涉重金屬重點行業落后產能，加大有色金屬、電鍍等行業企業生產工藝提升改造力度。取締沿江沿河沿湖涉重金屬的不符合市場準入條件企業，符合條件的限期達到環保要求；涉重金屬企業退城入園，在工業園區內完善污水處理設施建設，加強園區含重金屬污水處理，實現廢水達標排放。加強工業園區內的涉重金屬產業清潔生產。到2025年，重點行業重點重金屬污染物排放量下降5%。

建設封閉式輸送管線，完善尾砂庫滲水收集系統，修建尾砂庫截洪溝，避免周邊雨水進入尾礦庫；提高尾礦庫廢水處理站運行管理與維護，實現廢水處理提質增效；排查廢石堆和廢棄坑，建立臺賬；分析不同類型污染源可能產生的生態環境污染，針對不同重金屬制定相應的污染控制對策；受污染水域采取相應的物理化學和生物生態修復措施，對水體進行原位處理。

5 結論

（1）洞庭湖片區水環境質量整體大幅提升，但湘資沅澧支流部分斷面仍存在水質超標問題，城市建成區仍然存在劣Ⅴ類水體，水質狀況不容樂觀。片區城市水資源總體上較豐富，但仍存在水資源短缺和水質型缺水的問題。城市生活源是主要污染源，重金屬污染問題突出。

（2）城市生活源是片區主要污染源；區域內污水處理設施發展不均衡，管網建設滯后，老城區管網改造困難，城市基礎設施建設仍是重中之重。片區歷史遺留問題和城市工業的迅猛發展帶來的重金屬污染問題突出，不容忽視。

（3）洞庭湖片區水環境問題已成為長江流域治理中迫切需要解決的問題。通過完善截排系統，實施雨污分流，協同開展產業轉型升級和流域重金屬防治等工作，采取因地制宜的治理措施和工程方案，能夠有效推進洞庭湖流域污染治理和水生態環境改善。