浙江省水体富营养化特征及防治对策

王以淼，周胜利

1.浙江省环境保护厅，浙江 杭州 310012 2.浙江省环境监测中心，浙江 杭州 310012

浙江是江南水乡，但随着城市化和工业化的推进，水环境污染形势严峻。多年以来，浙江省各届政府以及环境保护部门持续加大环境保护的力度，特别是2013年，浙江省委省政府作出了治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水的“五水共治、治污先行”战略部署[1]。治污水以清理垃圾河、黑河、臭河作为重要突破口，以城镇截污管网和农村污水处理、生活垃圾处理等环保基础设施建设为重要抓手，推动工业转型和农业转型。“五水共治”建立了多元化的投资体系、科技支撑体系，并以“河长制”作为重要保障手段，通过跟踪督导、考核倒逼，形成了污染治理的长效运行机制。“五水共治”开展以来，全省各类主要污染物排放总量均有明显下降，2015年全省化学需氧量排放量较2013年下降9.5%，氨氮下降8.4%，石油类和氰化物分别下降47.6%和29.2%，重金属总铬和总砷分别下降24.9%和15.7%[2-3]。污染物排放量的削减推动了水环境质量的明显提升，全省2016年地表水省控断面Ⅲ类以上水质断面比例达到了77.4%，比2013年增加了13.6个百分点；劣Ⅴ类水质断面占2.7%，比2013年减少了9.5个百分点[4]。

通过近几年的集中整治，浙江省水环境恶化趋势得到了有效遏制，但环境问题尚未得到根本解决，水体富营养化问题仍较突出。水体富营养化与人民群众日益强烈的环境质量诉求矛盾逐渐凸显。水体富营养化易导致藻类异常增殖，破坏水生态系统，影响自然景观，甚至危害人体健康，是当今世界面临的重大环境问题之一[5]。科学评价和判断水体富营养化污染特征和变化趋势对于水体治理具有重要意义。

截至目前，关于浙江省河湖的富营养化研究已有较多报道[6-11]，但相关研究多局限于对一河一湖或小流域范围的分析，而从全省大尺度上分析水体富营养化特征性和规律性的研究鲜有报道。笔者通过分析浙江省全部221个省控断面监测水质和污染源等主要基础数据，从污染态势、源结构、过程控制机制等方面揭示当前浙江省水体富营养化区域特征和发展规律，并提出对策建议，为浙江省水体富营养化污染防治措施制定和深入研究提供参考。

1 数据来源与评价方法

1.1 数据来源

地表水环境质量数据、污染源数据和兰江流量、营养盐浓度数据均来源于浙江省环境监测中心。其中地表水环境质量数据涵盖全省全部221个省控断面(包括河流型断面和湖库型断面)，监测频次为每月1次，分析方法按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表4进行[12]。污染源为2015年数据测算结果，统计口径为工业源、城镇源、农业源和集中处理设施。其中农业源包括农业种植、畜禽养殖和水产养殖；城镇源为城镇生活污染物产生量减去污水处理厂的处理量得到，产生量由产污系数法测算，系数来自《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》[13];兰江流量和营养盐浓度数据来自于自动监测设备，数据经人工审核，剔除个别时段由于设备故障、校准和运维等原因所产生的无效数据。

1.2 评价方法

1.2.1 富营养化状态评价

采用总磷浓度单参数法评价水体富营养化状态水平。根据OECD总磷富营养化界值(0.035 mg/L)，重富营养化界值(0.1 mg/L)[14]，以及USEPA规定美国营养生态区V(与浙江纬度、生态系统类型和营养状况较为类似)河流富营养化总磷警戒响应限值(0.067 mg/L)[15]，笔者分别以总磷浓度0.035、0.067、0.1 mg/L为界值将浙江省地表水富营养化状态划分为贫-中营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养等4个等级。

1.2.2 水质评价

地表水水质评价按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)和《地表水环境质量评价办法(试行)》的要求进行单因子评价[16]。

1.2.3 藻类特定生长率计算

根据LIEBIG最小生长定律和MONOD生长模型[17]，藻类特定生长率按照公式(1)计算。

式中：用户u喜欢的物品集合(设置喜欢阀值4分);N(k)：用户k喜欢的物品集合;user_averu：表示训练集中用户u对所有物品的平均评分；user_averk：表示训练集中用户k对所有物品的平均评分；item_averi：表示训练集中所有用户对物品i的平均评分；F：相似度高于0.6(阀值)的好友数目。

μ=(μmax·S)/(KS+S)

(1)

式中：μ为藻类特定生长率，S为磷浓度，μmax为最大特定生长率，KS为磷半饱和浓度。

2 结果与讨论

2.1 富营养化污染现状

近几年来，浙江省各主要水体的富营养化状况得到了有效改善，但大部分水体氮营养盐仍处于较高水平。USEPA规定其境内营养生态区V的河流富营养化总氮警戒响应限值为0.88 mg/L[15]。三峡库区富营养化研究表明，总氮浓度为0.30～1.3 mg/L区间变化时对藻类生长率的影响比较敏感[18]。2016年浙江省控断面中，总氮年均浓度超过0.88 mg/L的断面占比为82.8%，其中超过1.3 mg/L的断面占比达73.8%(图1)。

图1 2016年地表水省控断面总氮、总磷浓度分布Fig.1 Distribution of total nitrogen and phosphorus concentrations in provincial surface water control sections in 2016

根据LIEBIG最小生长定律及氮磷浓度特征，浙江省当前大部分水体中磷是藻类生长的营养盐限制因子，但磷富营养化问题同样严重。中国《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)规定河

流Ⅱ类和Ⅲ类水质总磷限值分别为0.1、0.2 mg/L，相较OECD富营养化评价标准定值较低[14]。如按照富营养化状态划分，2016年浙江省控断面中，富营养断面占比达78.7%，其中轻度富营养、中度富营养和重度富营养断面分别占比为14.0%、21.7%和43.0%。表明浙江省大部分水体仍存在藻类异常增殖的营养盐基础。

除水体营养盐水平总体处于高位外，浙江省部分人口密集、工农业生产发达地区的水体富营养化问题尤为突出。如省内最主要水系钱塘江，2016年监测数据显示干流及部分支流存在严重富营养化现象，总氮平均浓度均超过1.3 mg/L，其中东阳江、武义江、金华江和浦阳江分别达到了2.80、4.14、3.81、2.95 mg/L，兰江、金华江、东阳江和武义江总磷平均浓度分别达到了0.113、0.150、0.119、0.176 mg/L，富营养化治理难度很大(图2)。

图2 钱塘江干流及主要支流总氮和总磷浓度分布Fig.2 Distribution of total nitrogen and phosphorus concentrations in the mainstream and main tributaries of the Qiantang River

2.2 主要指标变化趋势

近10年来，浙江省水污染主要矛盾呈从有机污染向富营养化污染转变的趋势。从省控断面各指标超地表水Ⅲ类水质标准占比来看，2008年及以前浙江省地表水最主要污染超标因子为化学需氧量，其次为氮磷和重金属，而2012年起，氮磷成为最主要超标因子，其次是化学需氧量，重金属不再超标(图3)。

“五水共治”开展以来，浙江省水体主要污染物浓度均呈明显的逐年下降趋势。2016年省控断面化学需氧量、高锰酸盐指数和总磷平均浓度分别为10.10、2.88、0.106 mg/L，与2012年相比降幅分别为23.6%、17.5%和27.4%(图4)。而2016年氨氮和总氮平均浓度分别为0.480、2.28 mg/L，指标浓度降幅分列最大和最小，分别为47.6%和11.6%。这一现象与目前大部分污水处理厂均存在因反硝化工艺不足而导致污水氨氮去除率高而总氮去除率低的问题有直接关系。尽管藻类直接吸收的是氨氮和硝酸盐氮，但有机氮(特别是溶解性有机氮)仍是可供藻类利用的重要氮源，总氮指标也更能反映可供藻类生长的氮营养盐基础[19]。因此，更需在总氮削减上加强措施应对。

图3 省控断面各指标超标情况Fig.3 Over-standard status of pollutants in provincial control sections

图4 省控断面主要污染物浓度下降情况Fig.4 Concentration decrease of major pollutants in provincial control sections

藻华频发是水体富营养化的极端表现，其发生与否取决于营养盐、水文以及气象条件三者之间的协同作用，但营养盐是物质基础。铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)是浙江省夏季最常见的水华蓝藻，NICKLISCH等和陈德辉等分别报道了水温25 ℃时KS分别为0.013 6、0.012 8 mg/L[20-21]。根据公式(1)，KS取均值0.013 2 mg/L时，铜绿微囊藻特定生长率和磷浓度关系如图6所示，磷削减对藻类生长率影响比较敏感的区域在低浓度区，特别是在浓度为0.05 mg/L以下的区域，而当磷浓度超过0.1 mg/L时，磷削减对藻类生长率的控制效果并不显著。

图5 部分重点水域总磷浓度下降情况Fig.5 Concentration decrease of total phosphorus in some key waters

图6 磷浓度与铜绿微囊藻生长率的关系Fig.6 Relationship between phosphorus concentration and the growth rate of Microcystis aeruginosa

根据高锰酸盐指数指标统计结果，浙江省地表水水质状况自改革开放后持续20多年不断恶化，而经过近10余年的集中整治，目前已基本恢复到20世纪80年代初的水平(图7)。同样，总磷指标自2000年开展系统性监测以来，省控断面平均浓度于2004年达到峰值后也进入了明显的下降通道。尽管水质状况总体改善显著，如不考虑各磷形态的生物有效性差异，根据公式(1)计算的断面基于总磷浓度的藻类特定生长率下降却并不明显。特定生长率反映了藻类的生长势能，表明浙江省水体藻华风险并未与营养盐浓度呈同步下降趋势。特别是对于水动力条件差、制约藻类生长的有机污染消除、透明度有所改善但富光区仍未达水体底部，以及水下植物森林未形成的河道湖泊，藻华风险甚至有增加的可能。在当前营养盐浓度水平下，除了要更大幅度削减入河排放外，十分有必要适时通过水动力调控实现藻华防控目标。

图7 水质和藻类生长势能变化情况Fig.7 Variation of water quality and algae growth potential

2.3 污染来源

富营养化问题的实质是营养盐输入输出失衡，是营养盐的过多输入所导致。浙江省城镇生活源和农业面源氮磷排放占比突出。以2015年为例，全省工业源、城镇生活源共计排放废水为43.38亿t，其中工业源占33.97%，城镇生活源占66.03%。总氮排放量为217 662 t，垃圾填埋场等集中式处理设施排放较少，城镇生活源和农业面源各占50.52%和38.75%，而工业源占比仅为10.73%。总磷排放量为17 604 t，以农业源为主，占59.23%，城镇生活源占36.22%，工业源仅占4.50%(表1)。

2.4 过程控制机制

浙江作为人口密集、工农业生产发达地区，城镇源以及农业面源营养盐通过地表径流进入水体，对河流的污染负荷影响非常显著。

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

注：“—”表示未参与统计。

以藻华重点水域兰江为典型，统计分析2015年12月—2016年11月兰江逐日流量与对应水体总氮浓度关系。结果显示，总氮浓度与流量之间不存在明显的线性关系，尽管流量越大总氮浓度分布水平越低，特别是汛期大流量稀释作用明显(图8和图9)。但总氮通量与流量之间存在高度正相关关系(r=0.933 3)，流量越大，通量越高(图10)。当流量从枯水期500 m3/s上升到汛期1 000 m3/s时，平均总氮通量从1.1 kg/s增加到1.9 kg/s，增幅为72.7%。但线性方程曲线斜率随着流量增大而变小，表明流量逐步增大后，总氮通量的增幅逐渐变小。上述结果反映了地表径流的平均总氮浓度小于河流总氮本底浓度，但地表径流仍对总氮的入河输送带来非常显著的贡献。

图8 兰江汛时流量对总氮浓度的影响Fig.8 Effect of flow rate on total nitrogen concentration in Lanjiang River during flood season

图9 兰江流量与总氮浓度的关系Fig.9 Relationship between water flow and total nitrogen concentration in Lanjiang River

图10 兰江流量与总氮通量的关系Fig.10 Relationship between flow rate and total nitrogen flux in Lanjiang River

流量与总磷浓度同样不存在明显的线性关系，但与总氮浓度-流量关系不同，流量越大，总磷浓度分布水平越高，而汛期大流量对水体总磷浓度升高具有明显的促进作用(图11和图12)。与总氮通量-流量关系相比，河流总磷通量与流量具有更为显著的正相关关系(r=0.977 9)，当流量从500 m3/s上升到1 000 m3/s时，平均总磷通量从0.044 kg/s增加到0.098 kg/s，增幅为122.7%(图13)。且两者线性方程曲线斜率随着流量增大而变大，表明流量逐步增大后，总磷通量会有更大幅度的增加。

上述结果表明，人口密集、工农业生产发达地区，河流总磷输入主要受地表径流的影响，地表径流平均总磷浓度要高于河流的本底总磷浓度，特别是汛期地表径流对河流总磷浓度的贡献要明显高于固定源排放。该现象与土壤等矿物质颗粒作为磷主要来源具有直接关系。

图11 兰江汛时流量对总磷浓度的影响Fig.11 Effect of flow rate on total phosphorus concentration in Lanjiang River during flood season

图12 兰江水体流量与总磷浓度的关系Fig.12 Relationship between water flow and total phosphorus concentration in Lanjiang River

图13 兰江水体流量与总磷通量的关系Fig.13 Relationship between flow rate and total phosphorus flux in Lanjiang River

水体富营养化是全国性的，也是全球性的重大环境问题之一。2016年《中国环境状况公报》显示，全国112个重要湖泊(水库)，以及七大流域、浙闽片河流及西北和西南诸河的1 617个国考断面，总磷为主要污染指标[22]。水体富营养化导致藻类异常增殖、水华频发，并且在空间上有从湖泊向河流库区扩展的趋势。据不完全统计，中国有文献资料记载的水华发生频率从20世纪80年代每年2次上升到2000年后每年近10次，其中77%的水华发生在湖泊，河流库区水华占23%[23]。当前，浙江省大部分水域仍然面临较高的氮磷污染负荷，营养盐水平仍处于藻类适宜生长的范围，藻华防控将成为水环境管理最主要课题之一。尽管浙江水体富营养化治理工作取得了一些成效，但部分流域提前遭遇了瓶颈。可以预见，未来几年浙江经济社会发展仍将保持高速运行，城镇化快速发展带来的流域植被覆盖减少、农业种养殖投入提高以及人均生产生活资料消耗增加的趋势依旧存在，氮磷营养盐维持高位排放的态势短期内仍难以扭转。浙江省氮磷污染物农业面源和城镇源占比突出，相比工业点源污染，其涉及的范围更广且更为复杂。作为经济发达地区，浙江区域人类活动范围广、开发强度大，土壤环境遭到的破坏和扰动严重，城镇建设、城镇可渗地面被硬化以及河岸固化等因素导致污染物的自净、拦截能力被严重削弱，营养盐通过地表径流输送的作用被急剧放大，地表径流因素作用突出。

3 防治对策与建议

浙江省水体氮磷输入工业源占比较少，其治理覆盖度和强度均已达到了较高水平，同样资源投入对水体营养盐削减的贡献将明显减弱。除了应继续加强其治理外，必须整合有限资源，突出城镇源和农业面源作为今后水体富营养化防治的主要矛盾和重点。水体富营养化既是自然过程，也与社会经济发展阶段、人口空间格局以及资源环境承载力等息息相关，其治理是一项长期、艰巨而复杂的任务[24-25]。必须根据污染问题和特征，制定和实施流域水体富营养化防治目标和行动计划，并在管理减排、源头减量、过程控制和生态修复等多方面加强落实。

3.1 完善营养盐总量控制制度

继化学需氧量和氨氮后，有必要扩大水污染物排放总量控制范围，加快推进以“保障公众健康、维护水生态系统安全”的流域总磷、总氮环境容量研究，建立基于环境容量的总磷、总氮排放总量控制目标。将总氮与总磷一并纳入行政约束考核体系，推动建立以水质改善为目标，排放总量削减为手段的水污染防治管理制度。

3.2 建立多部门统筹协调管理机制

要建立流域水质、水量和水生态系统一体化管理机制，克服多头治水弊端，加强水域管理的跨部门联动和上下游区域联动，统筹协调环境资源承载量与社会经济发展布局、水资源调度与水污染防治以及防汛建设与河流生态修复等工作。

3.3 优化水资源配置

要进一步加强流域水资源的保护与利用，划定水资源开发利用红线。保障流域内各河段的生态基流，增强各水体之间的连通性，促进更通畅的水流，调节河流自身的自然循环能力，提高河流自然生命力。

3.4 加强农业面源污染管理

加强水土流失预防与治理，建立和完善农业面源污染“治用保”防控体系，坚持综合利用为核心，污染治理、生态保护相结合。发展生态循环农业，减少化肥和农药的使用，推进农牧对接融合，严控禁限养区畜禽养殖和自然水体投肥水产养殖。打造农业废弃物综合利用体系，建设规模化沼气工程、沼液和养殖粪污生态循环工程，大力推进有机肥加工、秸秆资源利用产业化。加强农村污染治理，建设农村生活污水、养殖粪污等污染控制工程，严格建成后除氮、除磷效率监督管控。

3.5 完善城镇雨污收集管网

大力推进海绵城市建设，加强城市面源污染控制，充分利用绿地、湖滨带、人工湿地等净化能力，减少城市地表径流氮磷入河通量。加强居住小区阳台排水等雨污合流管网改造，逐步开展初期雨水收集和处理。全面推进污水零直排区创建，加快污水收集管网主干网(特别是二级、三级支线管网)建设，解决城中村、集镇等薄弱地区截污纳管问题。强化城镇排水与污水收集管网的日常养护，解决管网渗漏、破损、错接、混接等问题。

3.6 提升城镇生活污水处理水平

进一步加快城镇污水处理设施建设，增加处理容量，减少分流系统溢流水量。重点推进污水处理设施的除磷脱氮提标改造，提升反硝化、化学除磷和过滤工艺，解决总氮去除率低的问题。在条件许可下因地制宜，建造人工湿地，对出水进行生态强化处理。要进一步加强对污水处理厂的运行管理与监督考核，保持设施全效稳定运行。

3.7 开展水体生态修复

当前，从水环境质量发展趋势看，浙江正经历从水质持续改善过渡到水生态逐步恢复的过程。水环境管理也应与时俱进，在原有主要依靠工程治水、污染控制等方式的基础上，提高生态治河能力。要充分重视河流物理生境恢复和生态缓冲带建设，增加自然护岸和生态护岸组成，使河岸带通过对营养盐的渗透、吸收、过滤、拦截等过程，发挥涵养水源、净化水体、提供丰富的生物栖息地和景观游憩的生态服务功能。河道内修复沉水植物，建设水下森林，提高水体透明度，达到竞争、化感抑制藻类增殖的目的。清淤应生态化，防止过度频繁和毁灭性清淤，减少对河流生物和生境的破坏。减少有毒有害污染物排放和非法捕捞，促进水生生物种群恢复和繁荣。