巢湖流域氮磷污染研究分析

文/錢 華 馮嘉申 陳希子（.安徽省巢湖管理局湖泊生態(tài)環(huán)境研究院；.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院）

巢湖流域?qū)匍L江下游重要水系，是我國重點(diǎn)關(guān)注的“三河三湖”之一。自20 世紀(jì)70 年代以來，巢湖的富營養(yǎng)化問題逐漸引起國家和地方政府的關(guān)注。經(jīng)過持續(xù)不斷的研究治理，20 世紀(jì)90 年代后巢湖水體的氮、磷濃度開始逐步下降。2022 年，巢湖湖體平均水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類，水質(zhì)狀況為輕度污染，水環(huán)境狀況進(jìn)一步好轉(zhuǎn)，但營養(yǎng)鹽濃度仍處于較高水平，仍有藍(lán)藻暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

一、流域概述

巢湖流域位于東經(jīng)116°44′至118°36′，北緯30°99′至32°10′之間，總面積為13544.7 平方千米，占安徽省總面積的9.7%。流域涉及合肥、蕪湖、馬鞍山、六安、安慶5 市共17 個(gè)縣（市、區(qū)）。

2021 年，巢湖流域人口約1093 萬，GDP 約為1.08萬億元。其中，合肥市境內(nèi)流域面積為7347.14 平方千米、人口726.33 萬、GDP 0.9215 萬億元，分別占流域總數(shù)的54%、66%和88%。入湖的大小河流共39 條。據(jù)統(tǒng)計(jì)，環(huán)湖年均入湖氨氮、總氮、總磷的數(shù)量分別達(dá)到5316 噸、14075 噸和714 噸，湖區(qū)氮磷污染狀況將更加突出。

巢湖流域多年平均降水量為1032 毫米，具有年際變化大、年內(nèi)分配不均的特點(diǎn)。同時(shí)，巢湖北岸分布有500 平方千米的富磷地層，巢湖的東部和南部沿岸地區(qū)遺有大量廢棄礦山，巖石富磷層暴露、破碎、風(fēng)化進(jìn)而發(fā)生淋濾。整體來看，巢湖流域本底氮磷污染潛在風(fēng)險(xiǎn)較大，會(huì)對(duì)水體富營養(yǎng)化有所影響。

二、巢湖流域氮磷研究文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析

以來源于中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫（中國知網(wǎng)）的收錄文獻(xiàn)作為數(shù)據(jù)來源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取發(fā)表發(fā)表時(shí)間為1998—2020 年的巢湖流域氮磷相關(guān)研究，檢索條件為精確，檢索范圍為“篇名&關(guān)鍵詞&摘要”。分別搜索關(guān)鍵詞為“巢湖&氮”，“巢湖&磷”，得到的文獻(xiàn)搜索情況如圖1 所示，巢湖氮磷相關(guān)的研究數(shù)量逐年上升，近幾年略有波動(dòng)。1998—2007 年為持續(xù)增長階段，2007—2012 年為高速增長階段，2012—2020年為保持較高量階段。

圖1 國內(nèi)巢湖氮磷相關(guān)研究文獻(xiàn)年度分布

分不同關(guān)鍵詞看，對(duì)巢湖流域氮和磷的相關(guān)研究，趨勢(shì)基本一致，針對(duì)巢湖氮磷污染，進(jìn)而擴(kuò)展到全流域的研究已經(jīng)相當(dāng)普遍，富營養(yǎng)化是研究氮磷的較直接原因，而氮磷研究的側(cè)重點(diǎn)略有不同，磷關(guān)于沉積物研究較多，氮關(guān)于流失的研究較多。相關(guān)主題包括從污染過程分析的“氮磷流失、面源污染、分布特征、徑流流失”，從污染狀況分析的“時(shí)空變化、分布、污染特征、富營養(yǎng)化”，從管理角度分析的“生態(tài)修復(fù)、污染評(píng)價(jià)、環(huán)境因子”等，基本覆蓋了研究的各個(gè)方面。相關(guān)性如圖2 所示。

圖2 巢湖氮磷研究相關(guān)主題共現(xiàn)矩陣分析

三、主要研究主題及評(píng)析

1.巢湖流域水體氮磷污染來源分析

治湖先治河，治河先治污，對(duì)污染源的分析一直是巢湖流域氮磷研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。有些研究從宏觀出發(fā)，分析巢湖流域的自然及社會(huì)情況和水質(zhì)現(xiàn)狀，總結(jié)致污原因，大致包括自然本底受洪水侵蝕、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、管理體系不夠完善、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)壓力大、生活工礦污水排放大、巢湖閘導(dǎo)致的水系低流通等。水體污染源多種多樣，可分為點(diǎn)源污染、非點(diǎn)源污染和內(nèi)源污染。明確污染的具體來源和貢獻(xiàn)率，才便于進(jìn)一步展開污染控制。

在定量解析污染源方面，奚姍姍等對(duì)巢湖水體和其主要入湖河道進(jìn)行硝酸鹽氮、氧同位素樣品分季節(jié)的采集和分析。汪方兵從巢湖農(nóng)業(yè)面源角度出發(fā)，估算出了種植業(yè)的氮磷流失量，以及養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活污染物中的氮磷排放量；HaoCheng 等以巢湖流域林地類型、流域森林覆蓋率和森林離河距離為指標(biāo)，對(duì)巢湖流域林地特征進(jìn)行了定量描述；甘曼琴等分析環(huán)巢湖農(nóng)田氮磷流失時(shí)發(fā)現(xiàn)，2018 年較前兩年總氮流失濃度有所提高，同時(shí)總氮和硝氮濃度在夏季較高。從以上研究可以看出，河道污染受農(nóng)業(yè)源及工業(yè)生活源的影響較大，流經(jīng)城市的南淝河、十五里河和派河受工業(yè)生活源的影響比重接近90%，巢湖南邊的杭埠河、白石天河和兆河主要流經(jīng)農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，受農(nóng)業(yè)面源的影響比重分別達(dá)到62%、59%、64%，巢湖湖體的污染來源主要為農(nóng)業(yè)源、工業(yè)生活源和雨水，比重分別為53%、44%、1.7%，在農(nóng)業(yè)源中又以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)貢獻(xiàn)最大，為巢湖氮磷污染的重要來源。在對(duì)巢湖水體氮磷污染來源的解析中，內(nèi)源氮磷釋放是不容忽視的重要環(huán)節(jié)，有關(guān)研究表明，2010 年巢湖淤積底泥約205 億立方米，釋放的氮磷貢獻(xiàn)量可高達(dá)全湖總負(fù)荷的10%左右。目前，西湖區(qū)表層沉積物總磷為重度污染，會(huì)在一定條件下對(duì)水體污染構(gòu)成很大的富營養(yǎng)化影響，同時(shí)溫度和水體流動(dòng)對(duì)底泥釋放有一定影響。

2.巢湖流域氮磷非點(diǎn)源污染研究現(xiàn)狀

非點(diǎn)源污染來源于非特定的、分散的地區(qū)，具有隨機(jī)性強(qiáng)、成因復(fù)雜、潛伏周期長等特征。通過非點(diǎn)源污染通量的計(jì)算，可定量識(shí)別陸域不同污染源對(duì)地表水體的污染貢獻(xiàn)份額。

在我國，非點(diǎn)源污染未被納入常規(guī)監(jiān)測(cè)范圍，因而缺乏長時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)資料。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國研究人員提出了很多適用于有限資料的非點(diǎn)源污染負(fù)荷定量化的估算方法，包括平均濃度法、水量水質(zhì)相關(guān)法、輸出系數(shù)法和現(xiàn)代分析技術(shù)的非點(diǎn)源負(fù)荷估算方法（如利用偏最小二乘法、自記憶模型、支持向量機(jī)、灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷）等。流域非點(diǎn)源污染模型是進(jìn)行流域氮磷污染分布及入河負(fù)荷貢獻(xiàn)份額研究的有效工具。主要是通過對(duì)整個(gè)流域系統(tǒng)及其內(nèi)部污染過程進(jìn)行定量描述，分析非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的時(shí)空分布特征，識(shí)別其主要來源和遷移路徑，預(yù)報(bào)污染產(chǎn)生的負(fù)荷及其對(duì)水體的影響，為流域管理和規(guī)劃提供決策依據(jù)。

針對(duì)巢湖流域，陳健等運(yùn)用GIS 和SWAT 模型相結(jié)合的方式，開展了杭埠- 豐樂河子流域在2001—2008 不同土地利用情景下非點(diǎn)源污染的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)所有土地類型中，耕地面積影響最大。王趙飛等構(gòu)建了集傳統(tǒng)的修正通用土壤流失方程（RUSLE）、泥沙輸移比、土壤磷含量等因子于一體的泥沙輸移分布模型SEDD，定量估算了巢湖流域不同土地利用類型的面源污染負(fù)荷。Chen Lei 等通過結(jié)合SWMM、SWAT和MIKE11 三種模型，評(píng)估了城市和農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源在響應(yīng)降雨事件中的差異性，發(fā)現(xiàn)在巢湖典型城鄉(xiāng)集水區(qū)內(nèi)，城市受降雨前干旱的影響較大，對(duì)降雨響應(yīng)快，農(nóng)業(yè)源受土壤含水量等影響，對(duì)降雨響應(yīng)相對(duì)滯后。Lin Chen 等建立巢湖流域的總氮（TN）和總磷（TP）的SWAT 非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型，識(shí)別出了對(duì)巢湖湖區(qū)氮磷污染有較大貢獻(xiàn)的主要源區(qū)，TN 的關(guān)鍵源區(qū)主要集中分布在南淝河子流域的城市建成區(qū)，TP 的關(guān)鍵源區(qū)主要分布在杭埠河和南淝河。還有一些研究從土地利用演變、降雨強(qiáng)度、地形因子的影響，進(jìn)一步闡述非點(diǎn)源的污染過程合理估算流域各非點(diǎn)源污染狀況。

從以上研究可以看出，非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖流域有較大影響，不同形態(tài)氮磷在非點(diǎn)源污染中表現(xiàn)不同；西側(cè)流域是非點(diǎn)源污染的主要來源，非點(diǎn)源污染受到多種不同因子的影響；多種非點(diǎn)源模型均在巢湖流域模擬中取得了較好效果等，但現(xiàn)有研究中仍然缺乏部分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，比如流域非點(diǎn)源污染物在陸域遷移過程中的滯留和滯留的氮磷在后續(xù)釋放進(jìn)入水體的時(shí)間和負(fù)荷量等的估算；氮磷在從陸域遷移進(jìn)入水體之前，在土壤微生物的作用下的轉(zhuǎn)化分析也是一個(gè)重要的方面。從污染物形態(tài)方面看，巢湖流域氮磷非點(diǎn)源污染的研究較多關(guān)注總氮、總磷、顆粒態(tài)氮的研究，對(duì)其他形態(tài)氮磷的研究較少。

3.河-湖響應(yīng)規(guī)律研究現(xiàn)狀

巢湖水體氮磷污染及富營養(yǎng)化是由多種因素導(dǎo)致的，主要有外源污染負(fù)荷的長期輸入、環(huán)湖生態(tài)結(jié)構(gòu)的衰退、內(nèi)源釋放等，其中工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)長期排放和不斷聚集的外源污染輸入是導(dǎo)致巢湖湖體污染的根本原因。外源污染的主要輸入途徑是與巢湖湖體連接的入湖河道，因此，通過對(duì)河- 湖系統(tǒng)響應(yīng)規(guī)律的研究，識(shí)別不同入湖河道對(duì)湖區(qū)水質(zhì)的污染貢獻(xiàn)份額，對(duì)巢湖湖體污染防治具有重要指導(dǎo)作用。

流域河湖水質(zhì)關(guān)聯(lián)性分析研究的方法有統(tǒng)計(jì)數(shù)值分析方法和數(shù)值模型模擬法。統(tǒng)計(jì)數(shù)值分析方法，需要依靠大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量有一定的要求。數(shù)值模擬法，即利用模型，在實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)資料獲取的基礎(chǔ)上，設(shè)置驅(qū)動(dòng)因素和邊界條件，分析湖區(qū)水質(zhì)、水量與入湖河流水質(zhì)、水量間的響應(yīng)規(guī)律。數(shù)值模型同時(shí)具有預(yù)測(cè)的能力，可依據(jù)水體治理目標(biāo)進(jìn)行多情景的模擬預(yù)測(cè)，為湖區(qū)污染防治提供依據(jù)。

針對(duì)巢湖流域，唐曉先等通過回歸分析探究了流域降水量與各入湖河流流量的關(guān)系。高芮等基于三維水動(dòng)力模型ELCOM建模，模擬分析巢湖水源地水質(zhì)對(duì)入湖河流負(fù)荷響應(yīng)關(guān)系，以及從白石天河進(jìn)行引水時(shí)調(diào)水量不同帶來的不同水質(zhì)改善效果。Huang Jiacong 等利用新安江模型和EFDC 模型耦合，分析了巢湖流域藍(lán)藻暴發(fā)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。ChenLin 等通過SWAT 模型模擬了巢湖流域2008—2017 年TN 和TP非點(diǎn)源負(fù)荷，并探討子流域氮磷非點(diǎn)源負(fù)荷與巢湖湖體氮磷濃度之間的相關(guān)性。這些研究均闡述了入湖河流的污染負(fù)荷對(duì)湖泊水質(zhì)的影響，得出的結(jié)論包括“西半湖河道對(duì)湖體水質(zhì)影響顯著同時(shí)也會(huì)影響東半湖水質(zhì)，杭埠河和南淝河對(duì)湖區(qū)的影響尤為明顯”等。但是，對(duì)于關(guān)于湖區(qū)水質(zhì)達(dá)到既定目標(biāo)（如地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）需要削減的外源污染負(fù)荷量及需要削減的外源負(fù)荷量具體如何分配到各入湖河道的研究還比較缺乏。

此外，湖泊是一個(gè)較為復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，“營養(yǎng)物質(zhì)- 浮游植物- 浮游動(dòng)物”過程涵蓋了浮游植物、浮游動(dòng)物、魚類、沉水植物、底棲生物、無脊椎動(dòng)物、微生物、細(xì)菌等水生態(tài)子系統(tǒng)過程，以及生源要素生物地球化學(xué)變化過程與湖泊內(nèi)源釋放的各類形態(tài)碳、氮、磷的輸移與轉(zhuǎn)化過程。關(guān)于巢湖湖區(qū)的環(huán)湖河流氮磷輸入量需要進(jìn)行核算，涉及的很多關(guān)鍵參數(shù)需要進(jìn)行率定，目前的數(shù)值模型研究中，很多關(guān)鍵參數(shù)的取值是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算的，因此在河湖水質(zhì)水量模擬過程中，如何選擇模型以及進(jìn)行模型參數(shù)的有效率定是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要配合一定數(shù)量的野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以保證模擬結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。另外，針對(duì)巢湖流域，在河湖響應(yīng)關(guān)系中，需要考慮“引江濟(jì)巢”工程對(duì)巢湖水質(zhì)水量的影響。

4.巢湖流域水環(huán)境管理研究現(xiàn)狀

流域是一個(gè)自然- 經(jīng)濟(jì)- 社會(huì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，流域管理必須從整個(gè)流域全局出發(fā)，統(tǒng)籌安排，合理利用和保護(hù)流域內(nèi)各種資源和環(huán)境要素之間的關(guān)聯(lián)。關(guān)于巢湖流域水環(huán)境管理的研究多從政策解讀，從管理學(xué)的角度，提出建議性的巢湖水污染防治對(duì)策。包括回顧巢湖水環(huán)境治理政策變化、分析藍(lán)藻暴發(fā)的治理及對(duì)策、分析農(nóng)業(yè)面源的治理對(duì)策、從最佳管理措施（BMPs）角度分析流域措施等。陳偉從管理角度分析和闡述了巢湖流域水環(huán)境保護(hù)績效管理的現(xiàn)狀和需要改進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)，提出了優(yōu)化的績效管理模式；江海基于綜合生態(tài)系統(tǒng)管理理念，指出建立跨區(qū)域、跨部門的管理聯(lián)動(dòng)機(jī)制有助于管理效率的提高；黃治平等討論了巢湖流域農(nóng)村排水設(shè)施的管理，提出科學(xué)合理的用水排水規(guī)劃、因地制宜的工藝設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的施工管理、保障的運(yùn)行費(fèi)用、有效的運(yùn)行監(jiān)管及明晰的產(chǎn)權(quán)是設(shè)施運(yùn)行的保障。針對(duì)具體的工程效果，Cao 等分析過巢湖沿岸河岸緩沖帶對(duì)磷的吸附情況，發(fā)現(xiàn)吸附能力和季節(jié)變化關(guān)系不大，但距離湖岸線越遠(yuǎn)吸附效果越好，并提出人工濕地和有草森林類型緩沖帶吸附效果較優(yōu)。岳俊奎等分析針對(duì)杭埠河流域模擬了施肥管理措施效果，發(fā)現(xiàn)秸稈還田相比優(yōu)化施肥對(duì)溶解態(tài)氮的削減效果更好。

從研究分析來看，雖然針對(duì)巢湖流域已經(jīng)開展了大量水環(huán)境管理相關(guān)的研究，但無論是宏觀的管理現(xiàn)狀討論分析還是具體措施的效果評(píng)估，都缺乏整體化、系統(tǒng)化、統(tǒng)一化地的對(duì)巢湖流域全域措施的系統(tǒng)分析、治理效果的量化分析及針對(duì)水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性的定量化設(shè)計(jì)等。

四、結(jié)論

總體來看，目前巢湖流域氮磷控制相關(guān)的研究已經(jīng)比較豐富。已有研究顯示，近年來巢湖流域水質(zhì)整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)，但仍有較多問題需要解決；氮、磷兩種物質(zhì)不能完全一概而論，需要有針對(duì)性地分別探討；巢湖流域污染來源問題復(fù)雜，不同子流域污染源貢獻(xiàn)比例不同，且污染源貢獻(xiàn)率受多種因素影響，年際和年內(nèi)均呈現(xiàn)波動(dòng)；非點(diǎn)源污染對(duì)巢湖流域水質(zhì)影響較大，多種模型模擬均在巢湖流域非點(diǎn)源污染模擬分析中取得一定效果，但非點(diǎn)源污染受較多環(huán)境因子影響，需深入探討；河流污染對(duì)湖區(qū)水質(zhì)影響很大，尤其是西半湖的入湖河流，會(huì)影響全湖水質(zhì)；巢湖流域已經(jīng)開展了較多的水環(huán)境管理研究工作，包括自然社會(huì)環(huán)境分析、管理體系分析、工程措施分析等多個(gè)方面。

巢湖流域氮磷控制研究在部分方向仍有空白待補(bǔ)充完善。在氮磷污染來源方面，還需對(duì)全流域不同污染來源的產(chǎn)生量、排放量和最終進(jìn)入湖體的量進(jìn)行深入分析，明確進(jìn)入湖體氮磷總量偏高的產(chǎn)業(yè)及區(qū)域。在非點(diǎn)源污染方面，還需結(jié)合多種地理因素、氣象因素、遷移轉(zhuǎn)化過程原理，充分考慮不同水文年情況，對(duì)全流域的各類非點(diǎn)源污染進(jìn)行合理的量化估算。在河- 湖響應(yīng)規(guī)律方面，在掌握湖體受河流的影響情況外，還需推演湖區(qū)不同水質(zhì)目標(biāo)下，河流如何進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)荷削減。在氮磷污染控制管理方面，對(duì)于現(xiàn)有控制措施的研究，還可以進(jìn)行整體化、系統(tǒng)化、定量化的綜合評(píng)估。對(duì)于控制措施的研究，還可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)不同的情境方案。

因此，以巢湖水環(huán)境改善為目標(biāo)，以湖泊水環(huán)境承載力為基礎(chǔ)，以實(shí)施污染物源頭減排、流域面源污染控制等為主要任務(wù)，設(shè)置不同削減方案、不同控制措施，獲得全流域、入湖一級(jí)河流、重要區(qū)域或單元的氮磷控制優(yōu)化方案，提出巢湖水體氮磷污染防治對(duì)策及其保障機(jī)制，將為巢湖流域的氮磷控制提供科學(xué)依據(jù)。