長江流域湖北片區典型城市水生態環境問題解析及整治對策

張妍妍，王崢，邱斌，孫德智*

1.北京林業大學, 水體污染源控制技術北京市重點實驗室

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

近年來長江流域湖北片區水生態環境質量大幅改善，主要表現在長江干流水質逐年向好，但片區內城市水生態環境形勢依然嚴峻，流經城市的中小河流及城市內湖污染普遍嚴重。這主要是由于城市化進程的加快，不透水地面面積增加，城鎮人口不斷增長，工業發展迅猛等，導致城市生活源、工業源和面源的污染負荷逐漸加大，從而直接影響城市水體生態環境質量。張海濤等[1]的研究表明，長江流域湖北段城市水環境質量保穩定、促改善壓力大，在有效統籌水環境、水資源、水生態和水安全方面存在差距；張曉京[2]的研究表明，經過多年的水污染防治，長江經濟帶湖北段地表水環境質量總體良好，但城市內水環境狀況并不樂觀，長江、漢江沿江城市近岸存在大段污染帶，城市內湖污染較嚴重；張中旺等[3]的研究表明，隨著城市化進程的不斷加快，漢江湖北段水質污染問題越來越突出，流域水華現象頻發，水體流速減慢，自我修復功能下降。綜上，湖北片區內城市水生態環境質量不容樂觀，需要采取有效的解決措施。因此，筆者以片區內城市建成區為研究對象，從水環境質量、水資源、水生態和水安全4個方面解析水生態環境問題成因，并提出綜合整治對策建議，以期為片區內城市水體污染防治提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

長江流域湖北片區內江河縱橫，湖泊密布，集水面積50 km2以上的河流有千余條，10 km2以上的湖泊有近40個。研究區內主要水系包括長江干流、漢江支流和府河支流（圖1）。長江干流在湖北片區自西向東流經宜昌市、荊州市、咸寧市、武漢市、鄂州市、黃石市和黃岡市7個城市，流程為1 061 km，面積達18.47萬km2（占長江流域總面積的10.2%），共有112個國控和省控斷面；漢江支流在片區內由西北向東南經過十堰市、襄陽市和荊門市，在武漢市匯入長江，流程為 652 km，面積為6.3萬km2，共有67個國控和省控斷面；府河支流全長 115 km，流域面積為2 090 km2，自隨州市流經孝感市，在武漢市與長江干流匯合。片區內的湖泊主要有武漢市的西梁子湖、湯遜湖、武昌東湖、漲渡湖和魯湖，荊州市的洪湖和長湖，鄂州市的東梁子湖，咸寧市的西梁湖，跨武漢市和咸寧市的斧頭湖，黃石市的大冶湖、保安湖和網湖等。

圖1 研究區行政區劃與水系Fig.1 Administrative division and water system in the study area

2019年，長江干流流經的7個城市共有常住人口3 333.28萬人，占整個片區總人口的56.24%，生產總值為30 025.48億元，約占湖北省生產總值的65.52%，是全省經濟中心所在；位于漢江和府河支流上的5個城市共有常住人口1 911.75萬人，生產總值為12 312.7億元，主導產業為汽車工業、磷化工等。

1.2 數據來源

長江流域湖北片區2016——2020年河湖省控及以上斷面數據從湖北省生態環境公報獲取；水資源相關數據主要來自湖北省水資源公報；城市工業源污染負荷數據主要由國家長江生態環境保護修復聯合研究中心運管部提供；城市生活源污染負荷估算所用到的各市城鎮人口、人均日生活用水量、污水集中處理率數據主要來自《2019年中國城市建設統計年鑒》，污水處理廠各項污染指標的進出水濃度參考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》，生活污水的折污系數參考《生活污染源產排污核算系數手冊》；核算城市面源污染負荷所用到的下墊面面積來自《2019年中國城市建設統計年鑒》，下墊面徑流系數來自GB 50014——2021《室外排水設計標準》。

1.3 研究方法

生活源污染負荷采用下式進行估算[4]：

式中：W為城鎮生活源污染負荷，t/a；N為城鎮人口數，萬人；Q為人均日生活用水量，L/（人 ·d）；F為折污系數，指城鎮生活污水排放量與城鎮生活用水量的比值，一般取0.8～0.9；R為生活污水收集率，%；C0為城鎮污水處理廠進水濃度，mg/L；C1為城鎮污水處理廠出水濃度，mg/L。

城市面源污染負荷采用降雨徑流污染物平均濃度（EMC）系數法估算，首先獲取各城市的城區道路、公共建筑、綠地、居住區、工業企業和商業6種典型下墊面[5]，再依據文獻[6]給出不同下墊面的EMC。根據EMC、徑流系數、降水量，利用下式計算污染物排放量[7]：

式中：Ly為城鎮面源污染負荷，t/a；EMCi為i下墊面的污染物平均濃度，mg/L；Ri為i下墊面的徑流系數；P為各城市的降水量，mm；Ai為不同類型用地面積，km2；Cf為地表徑流的校正因子，通常取0.9。

2 湖北片區城市水生態環境特征及問題解析

2.1 水環境質量特征及問題解析

從長江流域湖北片區179個省控及以上斷面來看〔圖2（a）〕，2016——2020年水環境質量穩中有升，GB 3838——2002《地表水環境質量標準》Ⅰ類水質斷面數量占比從1.7%增至10.1%，Ⅱ類水質斷面數量占比從48.0%增至60.9%，劣Ⅴ類水質斷面則被全面消除。但上述斷面并不能完全反映出該片區城市內水生態環境狀況，城市內的水體仍存在不同程度的污染，水質明顯低于省控及以上斷面。例如，2019年武漢市倒水河的馮集、龍口斷面水質為Ⅳ類～Ⅴ類，主要污染因子為氨氮和化學需氧量（COD）[8]；通順河水質為Ⅴ類，黃陵大橋斷面常年不達標[9]；荊州市區內水體水質較差，選取的41個斷面中有22個只滿足Ⅴ類水質要求，其余斷面部分指標均超標，其中劣Ⅴ類水體以總磷（TP）濃度超標為主[10]；宜昌市內黃柏河大橋斷面TP和氨氮濃度超標。

自2016年以來，片區內城市主要湖泊水質一直為輕度污染；到2020年，Ⅲ類水質湖泊占比為42.9%，Ⅳ類為42.9%，Ⅴ類為14.2%〔圖2（b）〕。在17個主要湖泊的21個水域中，有5個水域營養狀態級別為中營養，15個水域為輕度富營養，1個水域為中度富營養[11]。部分湖泊存在不達標現象，例如武漢市的湯遜湖和后湖、黃石市的大冶湖和網湖、荊州市的長湖和洪湖、黃岡市的龍感湖等，主要污染指標為TP和COD。

圖2 2016——2020年研究區內河流和湖泊省控及以上斷面水質類別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，城鎮化率較高，隨著城鎮人口的增加，生活污水排放量逐年增加，從2015年的12.4億t增至2019年的13.3億t。由于城市基礎設施普遍薄弱，導致部分生活污水未經處理直接排入水體，加上工業源和降雨徑流產生的面源，對城市水體帶來較大的污染。解析片區內城市的生活源、工業源和面源污染具體情況如下。

2.1.1 城鎮生活源污染負荷大

片區內城市的生活源、工業源和面源COD、氨氮、總氮（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，是片區內城市的第一大污染源，其對片區COD、氨氮、TN、TP的貢獻率分別為68.75%、76.58%、75.82%和80.46%。對COD和TP來說，降雨徑流帶來的面源污染是第二大污染源，貢獻率分別為17.17%和10.83%。對氨氮和TN來說，工業源是第二大污染源，貢獻率分別為15.57%和14.41%。從長江干流和漢江支流片區內10個城市的污染源負荷占比來看（圖3），生活源依舊是各城市的主要污染源，對COD、氨氮、TN和TP的貢獻率均為最高。

表1 研究區內城市3類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

圖3 研究區內各城市3類污染源負荷占比Fig.3 Load proportion of three types of pollution sources in each city in the study area

2.1.2 城市管網建設滯后，污水處理廠超負荷運行

片區內城市基礎設施建設普遍滯后，排水管網建設欠賬多。2020年全國城市排水管網建設密度平均為 11.11 km/km2〔圖4(a)）〕，片區內城市排水管網建設密度平均值為10.29 km/km2。其中，武漢市、十堰市、宜昌市、襄陽市、荊州市和隨州市未達到全國平均水平，特別是荊州市和隨州市管網密度僅為7.92和5.73 km/km2。所有城市幾乎都存在管網建設空白區，尤其是城中村、老舊城區、城鄉接合部等地區，導致污水收集率低，存在生活污水直排入河現象。一些老城區的管網覆蓋率低且排水體制多以合流制為主，雨污合流改造壓力較大，在降雨后容易出現溢流污染。

圖4 2020年研究區內各城市管網密度及污水處理廠運行負荷率Fig.4 Density of pipe networks and operating load rate of sewage treatment plants in each city in the study area in 2020

2020年全國污水處理廠平均運行負荷率為77.81%，片區內城市平均運行負荷率為83.63%，高于全國平均水平。其中，片區內有5個城市污水處理廠的運行負荷率接近甚至超過100%，特別是荊門市達到111.01%〔圖4（b）〕。多個城市污水處理廠由于處理能力不能滿足實際需求，超負荷運行現象嚴重，從而導致出水水質不穩定達標和雨天污水直排問題。此外，還存在部分污水處理廠為了降低成本減少藥劑投放、污水處理廠在建成后沒有真正投入使用等問題，使大量未經處理的廢水直接排放，從而影響城市內水體水質。

2.1.3 工業企業密集，廢水排放量較大

片區內城市產業結構復雜，工業園區密集，很多工業企業沿河湖修建，以化工為主導的部分工業園區選址不當，污染防治水平差，直接造成局部城市江段水污染嚴重[12]。2019年片區工業廢水排放量為210 543萬t[13]，工業源對COD、氨氮、TN和TP的貢獻率分別為14.08%、15.57%、15.41%和8.72%。片區內城市工業企業以化工、機械制造等重污染行業為主，工業廢水處理難度大、污水處理廠處理設施不完善，導致部分工業廢水不達標排放，且偷排現象時有發生。各城市工業廢水排放量及主要工業類型如表2所示。武漢市工業園區較多，主要污染物排放量最多的行業為光電子制造業和建筑材料制造業等。

表2 2019年研究區內各城市工業廢水排放量及主要行業類型Table 2 Industrial wastewater discharge and main types of industries of each city in the study area in 2019 萬t/a

2.1.4 “三磷”污染問題突出

片區內城市礦產資源種類多且總量豐富，主要分布在宜昌、荊門和襄陽。片區內210家磷化工、磷礦、磷石膏（“三磷”）企業中，有磷肥企業82家、磷礦企業81家，其是磷污染排放的重要來源。磷礦開采和加工生產過程中產生數量巨大的磷石膏，部分磷石膏庫監測井建設不規范或未按規定進行監測、防滲措施不到位、礦井水超標排放，管理粗放，污染治理和綜合利用水平有限，從而帶來了環境污染和生態惡化等一系列問題[14]。

2.1.5 降雨徑流帶來的面源污染不容忽視

2019年片區內城市平均降水量為895.3 mm，降水主要集中在4——9月（圖5）。從圖5可見，隨著降水量的增多，城市水體污染加劇，優于Ⅲ類水質斷面數量占比下降，其中4——9月各斷面水質較差。降雨徑流導致的面源污染對城市COD、氨氮、TN、TP的貢獻率分別為17.17%、7.85%、8.77%和10.83%，說明降雨徑流導致的面源污染不容忽視。主要原因是城市區域內土地利用強度大，不透水地面的面積占比較高，加之排水體系不完善，存在錯接混接和管道沉積等問題，導致降水期間雨水沖刷地表和排水管道中的污染物并進入水體，從而影響水體生態環境質量。

圖5 2019年研究區內降水量及優于Ⅲ類水質斷面數量占比Fig.5 Precipitation and proportion of water quality sections superior to Class Ⅲ in the study area in 2019

2.2 水資源特征及問題解析

片區內城市水資源總量較豐富，但水資源分布不均。2019年宜昌市、黃岡市和咸寧市水資源量均超過65億m3，而鄂州市和隨州市水資源量卻不足10億m3，加之部分城市水環境質量差，存在不同程度的水量型缺水和水質型缺水問題。從以下2個方面解析片區內各城市的水資源問題。

2.2.1 人均水資源量不足，水量型缺水較嚴重

2019年全國人均水資源量為2 077.7 m3，而片區內城市人均水資源量為1 035 m3，僅是全國平均水平的1/2左右。圖6是片區內12個城市的人均水資源量情況，其中有11個城市未達到全國平均水平，有8個城市人均水資源量低于1 000 m3，屬于重度缺水城市；武漢市、襄陽市、孝感市和隨州市人均水資源量甚至還不足500 m3，處于極度缺水狀態。人均水資源量不足主要有2種情況：一是像武漢市水資源總量相對豐富，達到31.07億m3，但城鎮人口超千萬，導致人均水資源量嚴重不足；二是像隨州市水資源總量僅為6.97億m3，城鎮人口為222.1萬人，由于水資源總量本身匱乏導致城市處于極度缺水狀態。

圖6 2019年研究區內各城市人均水資源量Fig.6 Per capita water resources of each city in the study area in 2019

2.2.2 水資源浪費嚴重

片區內各城市水資源利用效率低，水資源浪費嚴重。在片區12個城市中，有7個城市的人均日生活用水量已超過用水定額〔圖7（a）〕；在工業用水方面，有8個城市的萬元工業產值用水量已超過全國平均水平（38.4 m3），其中黃石市、鄂州市和孝感市分別達到 149、241 和 95 m3〔圖7（b）〕，長期形成的工業企業高耗水等傳統用水方式，導致水資源浪費嚴重。

圖7 2020年研究區內各城市人均日生活用水量及萬元工業增加值用水量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 水生態特征及問題解析

片區內城市水生態狀況不佳，水生植被覆蓋面積明顯減少、生物多樣性降低，生態功能減弱。漢江干支流河道的污染負荷輸入增加，水生生物大量死亡，水體富營養化嚴重[15]。“千湖之城”武漢市水域面積萎縮，市區的倒水河水生動植物種類、數量及分布面積下降，豐水期水體呈中度富營養化[16]。宜昌市主城區由于港口對河岸的占用，河段內水生植物種類和數量減少，生境遭到破壞[17]。咸寧市黃蓋湖生物多樣性受到一定程度的威脅，湖泊水質目標已經從Ⅱ類調整為Ⅲ類。造成片區內城市河流和湖泊水生態狀況不佳的主要原因如下。

2.3.1 水體連通性受阻

長江的江-湖復合生態系統遭受了嚴重的人為干擾，沿江大部分湖泊修建了閘壩，致使這些湖泊與長江的自然水文連通及生物連通性受阻，導致水生棲息地生境碎片化，水生生態系統受到嚴重影響[18]。

2.3.2 江湖、濕地面積萎縮

由于城市發展速度快，導致土地資源緊張，城市區域侵占湖庫的現象越來越普遍，造成湖庫水域面積日益減少；河湖岸區圍湖造田、筑堤、高密度的圍欄圍網養殖等人為活動，使部分湖汊被圍并與大湖水體分割，造成湖泊面積萎縮、原有生態岸線被破壞。流域內濕地、河湖等自然生態空間整體呈減少趨勢，自然岸線保有率大幅降低，湖濱濕地生態系統受到破壞和干擾。如武漢市湖泊面積在近30年間減少了將近2.3 hm2，其中東湖在近20年間減少了73.9 hm2，市區內環線的沙湖面積從原來的85 hm2縮小到了如今的約8 hm2[19]。

2.3.3 動植物死亡和外源輸入

水生動植物死亡后沉入水體，其腐爛會造成大量污染物釋放到水體中，使水質惡化，水體生態平衡受到破壞。漁業投餌養殖過程中，會帶來大量有機碎屑沉入湖底淤泥中，引起水生態惡化。長期外源輸入和內源釋放使水體處于富營養化狀態[20]。

2.4 水安全特征及問題解析

水安全風險是片區城市的一大問題，沿江的工業企業和發達的航運給飲用水水源地和水生態安全帶來一定的威脅：1）片區內城市是“三磷”企業的集中區和環境問題的多發區[21]，在全省200多家“三磷”企業中，長江和漢江的化工企業占40%以上，這些企業大多沿江分布。其中，宜昌市與荊門市分別有72家，襄陽市有37家，荊州市有9家，黃岡市有6家。長期的礦產資源開發中，由于礦渣不合理堆放，使污染物極易隨地表水通過裂隙、落水洞等直接進入地下含水層或地下河；流域內磷礦開采及磷石膏綜合利用率低，導致部分月份水體磷超標現象時有發生，威脅水體安全[22]。2）岸線港口碼頭眾多，危險化學品船舶通航密度大，與飲用水水源地的交叉布局矛盾突出，給水環境帶來一定的風險[23]。特別是武漢市和宜昌市航運帶來的風險較為顯著。宜昌市的港口泊位達到420個，碼頭泊位160個，主要運輸礦石、煤炭、油品、化學品和建材等，到港船舶的污水排放、油類污染物泄漏給區域水生態帶來風險。3）多數城市主要飲用水源是長江，水源結構單一，同時備用水源地建設相對滯后，已劃定的備用水源地大多無完善的配套建設設施，取水口與排水口相互交錯，一旦長江取水口被污染或發生安全風險事件，將嚴重危及飲用水水源地環境安全。

3 湖北片區城市水生態環境整治對策

3.1 水環境質量提升對策

片區內城市主要污染源是生活源，因此應著重在生活源方面進行污染控制，具體措施：1）加強污水收集管網的建設，提高管網覆蓋率。對荊州、隨州、武漢、宜昌等建成區污水管網密度偏低的城市，加大管網設施建設力度；加快城中村、老舊城區、城鄉接合部等污水收集管網的建設，消除收集管網的空白區，到2025年實現城市建成區排水管網全覆蓋，污水全收集。對于老舊城區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）污水處理廠提質增效。針對荊門、黃岡和咸寧等城市因污水處理廠設計處理能力不足而導致的運行負荷率高的問題，新建高標準城市污水處理廠，或對已有污水處理廠進行改造擴建，保障污水處理設施全面、穩定運行，到2025年實現污水全處理。

片區內城市工業發達，“三磷”等重污染企業較多，針對該問題需采取的具體措施包括：1）加快工業企業入園。對于申請加入的工業企業進行嚴格的選擇，在園區內部，堅決關停污染環境、設備落后、產能低下的企業；加強園區內管網建設，提高污水處理設施除磷、除重金屬、除難降解有機污染物效能，深入推進清潔生產與節能減排[24]。2）重點解決“三磷”污染問題。對宜昌、荊門、襄陽等磷礦資源豐富的城市進行行業整治，提升精細化管理，嚴格礦產資源開發生態空間管控，形成綠色礦業開發格局。對尾礦庫實施整改和生態修復，加強對露天散堆、尾礦庫、廢渣場的監管，推進渣場防滲、截洪、防揚散設施建設和磷石膏的資源化利用等。

城市降水徑流面源污染控制對策：總結武漢市海綿城市試點建設的經驗，并在區域內推廣；治理老城區合流制溢流污染問題，加快建設初期雨水分散調蓄設施，減少汛期溢流污水和初期雨水直接入河；建設運行能耗低、管理方便的人工濕地。

3.2 水資源保護對策

對于片區內嚴重缺水的城市，諸如武漢、襄陽、孝感和隨州等，堅持以水定城、量水發展。各城市根據其水資源量，協調城市經濟發展，制定水資源優化配置方案，完善水量分配和用水調度制度。

堅持節水優先。片區內各城市水資源浪費嚴重，在節水方面尚有很大的提升空間。在生活方面，由于多數城市人均日生活用水量均超過用水定額，著重生活節水，推廣使用節水型生活用具，調整水價促進節水等；在工業方面，調整優化高耗水行業結構和布局，推廣一批先進成熟的節水工藝、技術和裝備，提高工業用水重復利用率；同時，推進非常規水資源用設施的建設和利用效率。

3.3 水生態修復對策

強化外源負荷控制措施，削減入湖氮磷負荷，加強河湖緩沖帶的構建與修復；恢復河湖連通性，加強江湖生態系統間整體性和系統性的修復，有效改善河湖水質和水生態系統，在水質凈化的基礎上恢復生物多樣性，構建穩定的水生態系統。

3.4 水安全保障對策

加強飲用水水源地的保護。對水源地保護區進行劃分，設置隔離、警示設施；對于水質不達標的飲用水水源，因地制宜采取水源置換；對于不能遷址的水源地要采取多級屏障工程措施；建立健全應急預警機制，對水污染問題早發現、早處理。

加強航運碼頭的控制。加快推進沿江城市范圍內非法碼頭整治，建設改造船舶生活污水收集裝置和船舶港口碼頭環境基礎設施，淘汰老舊落后船舶，加強風險管控。

4 結論

（1）在水環境方面，長江流域湖北片區內城市仍然存在水體水質不穩定達標，生活源污染負荷高，管網建設滯后，污水處理廠超負荷運行和“三磷”污染問題；在水資源方面，存在水資源分布不均和浪費嚴重的問題；在水生態方面，存在河湖富營養化、水體連通性受阻等問題。

（2）長江流域湖北片區城市水生態環境問題的主要成因：生活源污染負荷高，管網建設滯后，污水處理廠超負荷運行現象嚴重；“三磷”問題突出；季節性降雨徑流帶來的面源污染問題；水資源浪費嚴重；城市化進程使水體連通性受阻、河湖面積萎縮；水源地單一、港口碼頭眾多，給水環境帶來一定的風險。

（3）片區內城市水生態環境整治對策包括：污水管網的收集處理與污水處理廠的提質增效；工業重點解決“三磷”問題；水資源方面堅持以水定城、量水發展，節水優先，構建節水型城市；水生態方面加強河湖緩沖帶建設，恢復生物多樣性；水安全方面，加強風險管控，建立健全應急預警機制。