水產(chǎn)養(yǎng)殖清塘過程污染排放特征及對(duì)周邊水體影響：以太湖下游典型魚類集約化養(yǎng)殖區(qū)為例*

梁利權(quán),郭春霞,陳小華,李金文,陳 誠(chéng),楊林沛,沈根祥

(1:華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,上海 200237) (2:上海市環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)新型污染物環(huán)境健康影響評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200233)

近年來，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的快速發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖引發(fā)的水環(huán)境污染問題也日益突出[1-3]。根據(jù)2020年《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》[4]，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的COD、NH3-N、TN、TP排放量分別占農(nóng)業(yè)源總排放量的6.24%、10.31%、7.00%和7.59%，對(duì)比《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》[5]結(jié)果，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的污染物在排放量和排放占比上均有增加。

太湖流域以池塘養(yǎng)殖為主，其中魚類混養(yǎng)是主要的養(yǎng)殖模式之一。為提高養(yǎng)殖產(chǎn)量，養(yǎng)殖戶往往采用高密度、高投入、高產(chǎn)出的養(yǎng)殖模式[6]，投入品過量極易造成氮磷污染物的超標(biāo)排放，造成周邊水體的富營(yíng)養(yǎng)化和水質(zhì)惡化[7-8]。2007年太湖藍(lán)藻暴發(fā)后，水體污染嚴(yán)重影響了區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[9]。為了減小水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)流域水質(zhì)的影響，自2009年起先后啟動(dòng)了“中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究”和“水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)‘十三五’規(guī)劃戰(zhàn)略研究”等課題。目前已有大量學(xué)者針對(duì)太湖流域養(yǎng)殖池塘的水質(zhì)變化特征、污染物排放通量估算、對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響等開展研究工作。彭凌云等[10]通過監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖塘換水量及污染物濃度測(cè)算魚蝦蟹養(yǎng)殖塘污染物排放系數(shù)，估算太湖流域水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染負(fù)荷及分布特征。高月香等[11]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法結(jié)合物料平衡法研究測(cè)算不同養(yǎng)殖品種的排污系數(shù)。何肖微等[12]通過研究不同養(yǎng)殖條件下沉積物的理化指標(biāo)數(shù)據(jù)來分析傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。然而，在整個(gè)養(yǎng)殖周期，清塘過程的排水量占排水總量的主要份額，集中排水對(duì)局部區(qū)域的水環(huán)境影響明顯，亟需開展深入研究。

國(guó)內(nèi)外對(duì)養(yǎng)殖池塘清塘過程中的排水研究多圍繞水質(zhì)的分層及懸浮物的變化狀況[13-15]，如Dominique等[13]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究了養(yǎng)殖魚塘清塘排水期懸浮物的變化特征及其污染負(fù)荷；陳東興等[15]通過對(duì)清塘過程中的排水水深分層，監(jiān)測(cè)不同階段出水口的水質(zhì)變化，研究污染物表觀排放強(qiáng)度和實(shí)際排放強(qiáng)度的差異。針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖排水全過程主要污染物變化特征的研究相對(duì)較少。因此，為科學(xué)地分析連片集約化養(yǎng)殖水體清塘排水期間污染物的排放特征及對(duì)水環(huán)境的影響，本研究選取上海青浦區(qū)典型混養(yǎng)魚塘養(yǎng)殖區(qū)，采用高頻在線監(jiān)測(cè)及人工采樣實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式測(cè)算清塘過程中的排水污染物濃度，確定污染物的排放特征及實(shí)際排放負(fù)荷，為推進(jìn)太湖流域水產(chǎn)養(yǎng)殖污染治理、減緩湖泊富營(yíng)養(yǎng)化提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于上海市青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)(31°2′N，120°58′E)，道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)(D1～D5)、排水口、在線監(jiān)測(cè)裝置、魚塘塘面見圖1。青浦區(qū)為上海市水產(chǎn)養(yǎng)殖大區(qū)之一，以常規(guī)魚及經(jīng)濟(jì)魚類養(yǎng)殖為主。該地區(qū)是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為15.60℃，日照充足，年均日照1973.90 h，雨水充沛，年均降水量1128.90 mm。監(jiān)測(cè)點(diǎn)池塘總面積約為0.70 hm2，水深由淺至深處為2.00～2.50 m，以經(jīng)濟(jì)魚類翹嘴紅鲌和黃顙魚混養(yǎng)為主要養(yǎng)殖模式，塘內(nèi)還混養(yǎng)少量的甲魚，其中主養(yǎng)的翹嘴紅鲌和黃顙魚放養(yǎng)密度分別為35000和96000尾/hm2，最終產(chǎn)量分別為11500和8500 kg/hm2，屬于高密度養(yǎng)殖池塘。養(yǎng)殖期間每天按魚體重5%的飼料量進(jìn)行喂食，期間一共投放飼料約22000 kg。養(yǎng)殖塘的進(jìn)水和出水均為塘東側(cè)河涌(圖1)，河道寬為15～20 m，深度為0.50～1.50 m，水流流速為0.30～2.00 m/s，水流流向受潮汐影響每天漲潮兩次，漲潮時(shí)水流自南向北。養(yǎng)殖期間養(yǎng)殖塘為半封閉管理，排水集中在暴雨導(dǎo)致水位暴漲、夏季高溫水質(zhì)變差以及捕撈清塘后進(jìn)行，換排水量占年總排水量的36.50%；塘內(nèi)裝有曝氣裝置，每天曝氣12 h左右，具體根據(jù)實(shí)際天氣情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring points

2021年11月7日-17日期間對(duì)該養(yǎng)殖塘清塘過程中的排水全過程水質(zhì)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，并對(duì)其受納河道的不同斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在研究期間，養(yǎng)殖戶根據(jù)塘內(nèi)剩余魚體重5%的比例投喂飼料，11月15日(216 h)之后不再投喂飼料。

1.2 研究方法

1.2.1 水文在線監(jiān)測(cè) 在養(yǎng)殖魚塘邊緣處安裝超聲波水位計(jì)，每10 min記錄水位高度(mm)。在養(yǎng)殖魚塘排水口安裝三角堰結(jié)構(gòu)的槽體監(jiān)測(cè)裝置，配備浮子式水位傳感器(Unidata，澳大利亞)監(jiān)測(cè)流量。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均通過CR300數(shù)據(jù)收集器(Campbell，美國(guó))收集并傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫(kù)。

1.2.2 樣品采集 清塘期排水水樣通過自動(dòng)采樣和人工采樣結(jié)合的方式采集。自動(dòng)采樣裝置(圖1)的采水器安裝于排水管道三角堰內(nèi)部，當(dāng)水位高度高于堰頂角5 mm時(shí)觸發(fā)采樣程序，程序啟動(dòng)期間每2 h采一次水樣，每次采集1000 mL水樣，采樣器共有24個(gè)儲(chǔ)水瓶，可連續(xù)采水48 h。自動(dòng)采樣裝置內(nèi)置冰箱溫度設(shè)置為4℃，便于保存樣品。在排水口進(jìn)行人工采樣，根據(jù)自動(dòng)采樣器的采樣時(shí)間并結(jié)合尾水的渾濁情況調(diào)整采樣頻率。自動(dòng)采樣便于采集夜間連續(xù)排水的水樣，人工采樣主要在最后一天排水期間，采樣頻次從2 h逐漸調(diào)整至0.5 h。采集水樣分裝于2個(gè)500 mL的聚乙烯瓶中，一瓶加濃硫酸調(diào)節(jié)至pH<2，另一瓶不添加任何保存劑，放于保溫箱內(nèi)低溫保存，48 h內(nèi)盡快檢測(cè)。

本研究設(shè)置了5個(gè)河道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖1)，D1為尾水排放口上游約30 m，D2～D5分別為排放口下游約50、200、400和1000 m(支流入河口)。分別在排水的第2、5和9天的落潮期間對(duì)河道不同斷面采用4 L的不銹鋼水質(zhì)采樣器采集水樣，每次采集1000 mL，保存及監(jiān)測(cè)方法同上。

1.3 分析方法

1.4 污染負(fù)荷核算方法

各污染物的實(shí)際排放強(qiáng)度(MP)、分段實(shí)際排放強(qiáng)度(DP)和表觀排放強(qiáng)度(AP)計(jì)算方程如下：

(1)

(2)

APX=C0×V÷1000

(3)

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2019和SPSS 25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，采用Origin 2019軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 池塘清塘排水水量變化

魚塘捕撈和清塘同步進(jìn)行，使用潛水泵進(jìn)行排水，清塘工作于2021年11月6日11:00開始，于2021年11月17日9:00結(jié)束(歷時(shí)262 h)。圖2a標(biāo)注3次捕撈時(shí)間，分別為2021年11月9日、14日和17日的上午。整個(gè)清塘過程中的排水分為4個(gè)階段：前期(0～66 h)，排水至第1次捕魚前，水深降至約1.70 m時(shí)暫停排水，捕撈上層的翹嘴紅鲌；中期(72～150 h)，第1次捕魚結(jié)束至第2次捕魚前，排水至水位為約1.00 m時(shí)，捕撈下層的黃顙魚；后期(192～254 h)，第2次捕魚結(jié)束至第3次捕魚前，繼續(xù)排水至水位在0.50 m以下，此時(shí)地勢(shì)高處池底顯露；末期(257～262 h)，第3次捕魚期間至排水結(jié)束，捕撈剩余部分隨后排干魚塘。圖2b為排水流量曲線，清塘排水總量為13680 m3。

圖2 尾水排放單位流量及累積流量變化特征(圖2a處箭頭表示捕撈時(shí)間點(diǎn))Fig.2 Variation characteristics of the unit and cumulative discharges of the tail water

2.2 池塘尾水水質(zhì)

圖3 尾水中污染物的濃度變化過程曲線Fig.3 The variation process curves of the pollutant concentration in tail water

表1 不同階段的水深和出口水質(zhì)參數(shù)*Tab.1 Water depth and outlet water quality parameters at different stages

TSS濃度主要受內(nèi)源性污染物影響，在排水中期降低，在后期和末期快速上升。首先，該魚塘使用潛水泵進(jìn)行排水，排水初期水泵附近的表層沉積物容易被水流剪切力擾動(dòng)[16]，TSS濃度較高，隨水泵附近被侵蝕的沉積物面積擴(kuò)大，水流對(duì)沉積物的剪切力減弱，尾水中的TSS濃度逐漸降低；其次，由于排水初期冷鋒通過后風(fēng)速升高而造成的沉積物再懸浮[17]，也增加了初期的TSS濃度，而前期飼料投入量大，未充分吸收利用的飼料易造成養(yǎng)殖水體渾濁，增加TSS濃度。后期和末期TSS濃度快速上升的原因在于前期大量未被利用的飼料沉積于底部，隨著池塘水位降低，水流對(duì)沉積物的剪切力增加，且魚類活動(dòng)相比水位高時(shí)對(duì)沉積物的擾動(dòng)作用加劇，造成TSS濃度增加，最后捕撈時(shí)采用邊排水邊捕撈的方式進(jìn)行，拉網(wǎng)捕魚過程中魚類擾動(dòng)造成大量底層淤泥翻涌至水體，形成泥水混合物，使TSS快速上升。從圖3a中看出在排水254 h之后，TSS濃度出現(xiàn)了短暫的較大幅度降低，是因?yàn)?54～257 h時(shí)因后續(xù)捕撈需要而停止排水，使部分懸浮固體重新沉淀，故在重新開啟時(shí)(257 h)TSS濃度低于254 h的濃度。

從污染物濃度與排水深度和總懸浮物濃度之間的相關(guān)性系數(shù)(表2)可以看出，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的變化以內(nèi)源性污染物的釋放為主，但同時(shí)又受顆粒飼料、降雨等外源性污染物輸入的控制[18]。各營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與排水深度和總懸浮物濃度表現(xiàn)出極為顯著的相關(guān)性，從表1和圖3b、c、e可見，CODMn、TP和TN的濃度在整個(gè)排水過程中一直呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，前中期的上升可能與飼料的投入有關(guān)，魚飼料中主要成分為粗蛋白質(zhì)、粗脂肪、碳水化合物及無機(jī)鹽，含大量有機(jī)物及氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[19]，而這些飼料僅25%～35%通過形成魚體成分而被利用[20]，同階段每日投入量不變，而水量隨排水持續(xù)減少，出現(xiàn)前中期濃度逐漸升高的現(xiàn)象；后期和末期濃度快速升高主要是底部沉積物向上翻涌導(dǎo)致的，富集于底泥中的污染物重新釋放，使其濃度升高數(shù)倍[21]，并隨擾動(dòng)程度的加劇而增加[22]。CODMn、TP、TN濃度在254 h后出現(xiàn)了降低，造成這一現(xiàn)象的原因與TSS一致。

表2 污染物濃度與排水深度和總懸浮物濃度間的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficients between pollutant concentration and discharge depth and suspended sediment concentration

2.2.2 水質(zhì)排放達(dá)標(biāo)率 根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)[30]中的水域分類劃分，尾水排入的河道屬于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》(SC/T 9101-2007)[31]中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3，混養(yǎng)魚塘尾水排放中TN超標(biāo)，TSS達(dá)標(biāo)率僅為40.39%。TN和TSS的超標(biāo)倍數(shù)分別為1.72～4.70和0.51～206.90。CODMn和TP的達(dá)標(biāo)率分別高達(dá)99.40%和96.37%，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.30～1.42和0.17～6.66。可見，混養(yǎng)魚塘尾水排放過程中的污染因子主要是TSS和TN。達(dá)標(biāo)率較低的原因主要包括，1)水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料中的粗蛋白含量高，飼料利用率低，殘留飼料和糞便中的一些不溶物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加了懸浮物和氮的濃度[32]；2)養(yǎng)殖尾水未經(jīng)處理直接排放也是重要原因，在排放中、后期水位下降，魚類的活動(dòng)及水流的沖刷增加了對(duì)底泥的擾動(dòng)，大大地增加了尾水中懸浮物濃度的同時(shí)釋放大量氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素[22]，造成污染物超標(biāo)倍數(shù)過高。

表3 養(yǎng)殖池溏尾水排放達(dá)標(biāo)率Tab.3 Compliance rate of tailwater discharge from the pond

研究結(jié)果表明，末期含大量底泥的尾水造成了水質(zhì)的高超標(biāo)倍數(shù)，從圖3可知，大部分污染物濃度快速上升的時(shí)間為240～250 h，此時(shí)塘內(nèi)水位為20～30 cm(表1，圖3)，為減少池塘向環(huán)境中的污染物排放量，可通過禁止或限制池塘最后20～30 cm水深的尾水未經(jīng)處理直接排入附近河道，這與Lin等[33]的研究結(jié)果相一致。

2.3 尾水排放的污染強(qiáng)度

表4 養(yǎng)殖池溏污染物指標(biāo)排放強(qiáng)度對(duì)比分析Tab.4 Comparative analysis of emission intensity of pollutant indicators in the pond

結(jié)果表明，高頻率、全過程采樣的方式測(cè)算得到的各污染物的排放強(qiáng)度普遍高于其他研究方法[15,34]，表觀排放強(qiáng)度代表了混養(yǎng)魚塘在非排水狀態(tài)下魚塘水中的污染物，并未考慮到排水過程中沉積在池塘底泥中的污染物會(huì)釋放到水體[35]。分段排放強(qiáng)度相對(duì)提高了估算的準(zhǔn)確度，但沒有發(fā)現(xiàn)排水末期的變化，仍存在一定不足，而高頻率的監(jiān)測(cè)更準(zhǔn)確地掌握了整個(gè)排水過程中污染物的變化規(guī)律。

圖4 不同階段排水比例與污染負(fù)荷比例的關(guān)系Fig.4 Relationship between the drainage ratio and pollution load ratio at different stages

2.4 受納河道水質(zhì)變化

圖5 池塘養(yǎng)殖尾水對(duì)河道水質(zhì)的影響 (不同小寫字母表示差異性顯著(P<0.05)，相同小寫字母表示差異性不顯著(P>0.05))Fig.5 Influence of pond culture tailwater on river water quality

3 結(jié)論

2)高頻采樣監(jiān)測(cè)方法測(cè)算的污染物排放強(qiáng)度高于表觀排放強(qiáng)度和分段監(jiān)測(cè)排放強(qiáng)度。采樣測(cè)算得出底層排水量?jī)H占2.50%，污染物TSS污染負(fù)荷占比高達(dá)44.70%，TP在31.80%的排水量中污染負(fù)荷比為60.90%。結(jié)合《淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對(duì)排水末期養(yǎng)殖尾水治理，提升治理設(shè)施運(yùn)行監(jiān)管能力，可有效減少集約化養(yǎng)殖區(qū)域污染負(fù)荷。

3)尾水流量與河流量約以1/200的比例排入河道后，僅TSS、CODMn、TN和NH3-N對(duì)該河道400 m內(nèi)的水質(zhì)產(chǎn)生顯著性影響；單個(gè)池塘的尾水排放對(duì)流量較大的河流的水質(zhì)影響不顯著。