大型城市淺水湖泊水環(huán)境綜合治理
——以武漢市東湖為例

彭 軍,桂 梓 玲,岳 克 棟,張 楓,鄒 俊 波

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010; 2.湖北省長江流域水環(huán)境綜合治理工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430010; 3.水利部長江治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430010; 4.中國長江三峽集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430010)

0 引 言

東湖是長江中下游典型的淺水型內(nèi)陸湖泊,20世紀(jì)60年代以前,東湖處于人為干擾較少的自然狀態(tài),水質(zhì)狀況良好。進(jìn)入80年代后,隨著城市化及工業(yè)化的快速推進(jìn),入湖廢污水量急劇上升,水生態(tài)環(huán)境快速惡化,東湖曾面臨著污染嚴(yán)重、生態(tài)退化、管理權(quán)分散等城中湖普遍性問題[1-5]。從20世紀(jì)80年代至今,東湖經(jīng)歷了多年、多階段治理[6-7],針對武漢市東湖水環(huán)境治理的研究與實(shí)踐眾多:周新萌[8]、陳威等[9]分別從污染源和污染物方面分析了東湖水質(zhì)惡化成因;陶新園[10]、甘義群等[11]研究了東湖水質(zhì)與富營養(yǎng)化關(guān)系;鐘愛文[12]、吳振斌[13]、嚴(yán)國安等[14]對東湖濕地生物多樣性的現(xiàn)狀及演變趨勢進(jìn)行了分析;謝宏[15]、向浩等[16]分別對大東湖生態(tài)水網(wǎng)的引水調(diào)度數(shù)值模型和引水水質(zhì)處理方案進(jìn)行了研究;鄭暉等[6]從示范河湖建設(shè)角度,闡述了出臺完善的管理制度、嚴(yán)格強(qiáng)化河湖空間管控、積極推進(jìn)河湖專項(xiàng)整治、大力推進(jìn)水污染治理、全面建設(shè)河湖智慧平臺、深入開展文化體育活動(dòng)等東湖建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。以上研究大多聚焦于東湖水質(zhì)、水生態(tài)、水系連通等的某一方面的問題或措施,而較少從流域統(tǒng)籌的角度分析總結(jié)東湖問題及治理體系。

隨著復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境、母親河復(fù)蘇行動(dòng)等陸續(xù)開展,持續(xù)深化河湖水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與治理刻不容緩。因此,本文結(jié)合東湖治理歷程,針對東湖流域水環(huán)境突出問題,從技術(shù)措施和管護(hù)制度兩方面提出了一套行之有效且易于延續(xù)的流域水環(huán)境治理“東湖模式”,并提出下一步治理建議,對持續(xù)改善東湖水質(zhì)、重建優(yōu)良水生態(tài)十分必要,對于長江流域其他城市淺水河湖水環(huán)境治理也具一定參考示范作用。

1 工程概況

東湖流域位于武漢市東南部,流域總面積128.74 km2,涵蓋東湖生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)大部分區(qū)域、武昌區(qū)、洪山區(qū)、青山區(qū)和東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)的部分區(qū)域,流域范圍如圖1所示。東湖由10個(gè)子湖組成,現(xiàn)狀水域面積33.63 km2,為全國最大的城中湖之一,為景觀娛樂用水區(qū)和集中式生活飲用水水源地二級保護(hù)區(qū),具備雨水調(diào)蓄、生態(tài)調(diào)節(jié)、景觀娛樂等多重功能。

圖1 東湖流域范圍Fig.1 Sketch of East Lake basin

1.1 東湖水環(huán)境治理歷史回顧

20世紀(jì)80年代初,東湖污染問題得到了社會(huì)各界的高度關(guān)注,國家科委和建設(shè)部將東湖污染防治技術(shù)研究列為“八五”國家科技攻關(guān)項(xiàng)目,武漢市也將東湖治理納入“八五”建設(shè)計(jì)劃,1985年東湖治理工程正式啟動(dòng)。按照各時(shí)期治理重點(diǎn),治理歷史可分為4個(gè)階段:① 生活污水收集處理系統(tǒng)建設(shè)階段(1985～2002年);② 沿湖截污及內(nèi)源污染治理階段(2002～2014年);③ 水系連通及面源污染治理階段(2010～2018年);④ 流域系統(tǒng)治理階段(2017年至今)。

1.2 東湖水環(huán)境特征

(1) 城市內(nèi)湖水域面積大、子湖多,水體污染程度不一。東湖由郭鄭湖、湯菱湖、菱角湖、小潭湖、筲箕湖、團(tuán)湖、后湖等10個(gè)子湖組成,各子湖匯水區(qū)內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)及人為活動(dòng)強(qiáng)度不同,入湖污染物來源和污染物量有所差異,各子湖水質(zhì)問題、超標(biāo)污染物和富營養(yǎng)化程度各有特點(diǎn)。因此,有必要對各湖充分診斷并進(jìn)行分區(qū)治理。

(2) 承擔(dān)服務(wù)功能多,綜合治理協(xié)調(diào)難度大。東湖作為武漢最大的城市內(nèi)湖,具有雨水調(diào)蓄、生態(tài)調(diào)節(jié)、景觀娛樂等多種功能,對武漢市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有著重要影響。同時(shí),東湖也承受著周邊區(qū)域帶來的巨大環(huán)境擾動(dòng)和壓力,大量的生活污水(包括餐飲)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)退水以及城市人流、車流經(jīng)由大氣污染帶來的間接輸入。因此,東湖承擔(dān)的各項(xiàng)服務(wù)功能,尤其是雨水調(diào)蓄與水質(zhì)提升之間的矛盾凸顯。

(3) 水系連通條件較差,水質(zhì)改善的水動(dòng)力條件不足。東湖是由長江淤塞而形成的。歷史上,東湖各子湖之間、東湖同周邊的嚴(yán)東湖與嚴(yán)西湖以及長江互連互通。100多年前,武金堤和武青堤的修建以及隨后建成的武泰閘和武豐閘,把東湖與長江分離。20世紀(jì)50年代末,武鋼為把青山港用作供水渠道,建設(shè)了青山江心泵站和落步嘴閘,導(dǎo)致東湖與長江完全隔絕。解放初期,東湖還是一片連通的廣闊水域。但隨著城市化推進(jìn)、旅游開發(fā)及漁業(yè)養(yǎng)殖發(fā)展,東湖逐漸被堤壩分成諸多子湖,各子湖水體分割嚴(yán)重,僅以少量橋涵溝通,水體缺乏有效交換[8-9]。

(4) 湖泊水生態(tài)基礎(chǔ)弱,水質(zhì)提升的水生物條件匱乏。20世紀(jì)80年代之后,東湖的水生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵功能類群凸顯不足或缺失。首先,東湖水生植被覆蓋面積相對較小。一般認(rèn)為,在淺水湖泊中,水生植被覆蓋率要達(dá)到30%才能發(fā)揮其應(yīng)有的生態(tài)功能,維持湖泊的清水穩(wěn)態(tài)[17-19]。但東湖水生植被覆蓋率遠(yuǎn)低于30%,且水生植被的物種多樣性程度很低,普遍以耐污種為優(yōu)勢的單優(yōu)群落。其次,東湖缺乏大面積沉水植被,無法達(dá)到抑制藻類的生態(tài)功能。第三,水質(zhì)短期內(nèi)難以顯著提升,嚴(yán)重影響生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。第四,藻類密度大且水華時(shí)有發(fā)生,東湖已經(jīng)成為“藻型濁水”湖泊。第五,東湖湖泊生境已經(jīng)嚴(yán)重退化,難以實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)。

2 研究方法

研究采用如下技術(shù)路線:在東湖水環(huán)境問題分析的基礎(chǔ)上,通過水環(huán)境容量計(jì)算和入湖污染負(fù)荷預(yù)測,分析比較水環(huán)境容量與入湖污染負(fù)荷之間的關(guān)系,確定不同水平年和水質(zhì)管理目標(biāo)下點(diǎn)源、面源、內(nèi)源污染物削減量及分配方案,倒逼治理措施布局。通過比較各治理措施對污染物的削減量與水環(huán)境容量所要求的削減量,進(jìn)行治理效果目標(biāo)可達(dá)性分析,反復(fù)優(yōu)化治理措施(見圖2)。

圖2 研究技術(shù)路線Fig.2 Technology road map of the study

3 東湖水環(huán)境存在的問題

(1) 污水處理廠尾水入湖量大。東湖流域點(diǎn)源污染來源于污水處理廠和分散式污水處理站尾水,以及由于雨污分流不徹底、雨污混錯(cuò)接現(xiàn)象形成的混流排口[20-21]。其中,污水處理廠入湖尾水是東湖點(diǎn)源污染的重要來源。截至2017年,尾水年污水入湖量占比達(dá)90%以上(見表1)。另外,東湖沿線尚有混流排口(包括湖溪河、森林渠等明渠排口),部分排口存在晴天污水入湖問題。

表1 污水處理廠尾水入東湖污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)(2017年)Tab.1 Statistics of pollution load of tail water from sewage treatment plants entering East Lake (2017)

(2) 暴雨期間溢流污染嚴(yán)重。流域面源污染主要來源于混流排口的暴雨溢流污染、雨水排口的初期雨水徑流以及景中村徑流。截至2017年,東湖流域社區(qū)雨污分流面積不到一半,混流現(xiàn)象突出;且早期截污工程截流倍數(shù)偏小,導(dǎo)致雨季溢流污染突出。此外,東湖流域雨水排口數(shù)量眾多,部分景中村環(huán)?；A(chǔ)設(shè)施薄弱,降雨徑流污染對水環(huán)境產(chǎn)生的影響不容忽視。由東湖水質(zhì)監(jiān)測分析可知,TP、COD等主要污染物濃度均表現(xiàn)出年初較低、雨季顯著升高的規(guī)律(見圖3),說明以暴雨溢流為主的面源污染嚴(yán)重影響湖泊雨季水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況。

圖3 東湖全湖水質(zhì)逐月變化趨勢Fig.3 Monthly trend of water quality of East Lake

(3) 湖泊底泥污染不容忽視。長期以來受沿湖排污影響,污染物沉積造成湖泊底泥污染嚴(yán)重,尤其是建成區(qū)和景中村密集或有入湖明渠匯入的局部湖區(qū)。受溢流、混流外源污染影響,加之水體流動(dòng)性較差,污染物不易擴(kuò)散,進(jìn)一步加劇了底泥淤泥厚度及受污染程度(見圖4)。經(jīng)計(jì)算,東湖內(nèi)源污染對NH3-N、TN和TP等負(fù)荷的貢獻(xiàn)比例基本超過30%,底泥污染對東湖水質(zhì)達(dá)標(biāo)的影響不容忽視。

圖4 東湖底泥總厚度分布狀況Fig.4 Distribution of total sediment thickness in East Lake

(4) 湖泊水生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重。東湖水生態(tài)系統(tǒng)退化主要表現(xiàn)在水質(zhì)較差、水生植被衰退和物種多樣性降低3個(gè)方面。如圖5～6所示,與20世紀(jì)60年代相比,隨著水質(zhì)惡化,水生植物群落急劇衰退,物種多樣性降低,水生植被覆蓋率從原有的70%左右減少到2010年極值0.7%;東湖水生植物種類由峰值時(shí)期70余種降至2014年不到20種,沉水植物近乎消亡;食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)也由原來的復(fù)雜結(jié)構(gòu)趨于簡單直接的結(jié)構(gòu)[21]。

圖5 東湖水生植物覆蓋度年際變化情況Fig.5 Interannual changes of aquatic plant coverage in East Lake

圖6 東湖水生植物物種數(shù)年際變化情況Fig.6 Interannual change of specis number of aquatic plant in East Lake

東湖藻型濁水穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)固,水體透明度、水質(zhì)、魚類結(jié)構(gòu)等穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力條件不足,湖泊難以向清水草型穩(wěn)態(tài)自然轉(zhuǎn)換。另外,經(jīng)過多年富營養(yǎng)化及人類活動(dòng)影響,大部分沉水植物種子庫已消失殆盡,東湖沉水植物自然恢復(fù)潛力低下。

(5) 流域水環(huán)境監(jiān)管力度不足。流域綜合管理機(jī)制不完善,一是多區(qū)、多部門溝通協(xié)調(diào)機(jī)制不健全、考核體制不完善。東湖流域不僅涵蓋東湖生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)絕大部分區(qū)域,同時(shí)涉及武昌區(qū)、洪水區(qū)、青山區(qū)和東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)等地區(qū),水環(huán)境保護(hù)涉及環(huán)保、水務(wù)、市政等多個(gè)職能部門,尚無聯(lián)動(dòng)機(jī)制保障治理工作。二是東湖水環(huán)境治理資金保障不足,融資渠道較為單一,切實(shí)影響工程建設(shè)落實(shí)與方案實(shí)施進(jìn)度。

另外,東湖水環(huán)境監(jiān)測設(shè)施覆蓋率低,水環(huán)境監(jiān)控能力弱。截至2017年,全湖僅有2處自動(dòng)監(jiān)測站,對全湖水質(zhì)變化掌控及突發(fā)污染事件預(yù)警能力較弱;且監(jiān)測尚未“上岸”,重要污染物入湖通道(大型溢流口、入湖港渠)無監(jiān)控,難以為污染溯源預(yù)警提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐,污染溯源困難;通過各部門間的信息共享以實(shí)現(xiàn)水循環(huán)全過程精細(xì)化管控,其相關(guān)科學(xué)研究還有待加強(qiáng)。

4 東湖水環(huán)境治理經(jīng)驗(yàn)

針對東湖水環(huán)境突出問題,結(jié)合東湖治理實(shí)踐,從技術(shù)措施和管護(hù)機(jī)制兩方面總結(jié)經(jīng)驗(yàn)及亮點(diǎn)如下。

4.1 關(guān)鍵技術(shù)措施

4.1.1流域規(guī)劃頂層設(shè)計(jì)

東湖水環(huán)境治理是一項(xiàng)綜合性、系統(tǒng)性工程,按照“流域統(tǒng)籌、系統(tǒng)治理,雨污分流、正本清源,海綿城市、立體治水”的治水思路,長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司于2016年?duì)款^編制《東湖水環(huán)境綜合治理規(guī)劃》(以下簡稱《規(guī)劃》)。

《規(guī)劃》在兩方面作出探索:一方面,治水路線由“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的碎片化治理,轉(zhuǎn)向兼顧水陸的“流域統(tǒng)籌、系統(tǒng)治理”。以《規(guī)劃》為指南,武漢市于2018年啟動(dòng)?xùn)|湖水環(huán)境提升工程,對東湖匯水區(qū)內(nèi)東湖風(fēng)景區(qū)托管范圍這一流域“核心區(qū)”進(jìn)行治理;流域范圍內(nèi)其他區(qū)域,則由所屬各區(qū)自行籌資治理。另一方面,目標(biāo)制定不拘泥于單一項(xiàng)目的排放標(biāo)準(zhǔn),而是因水施策、設(shè)立水環(huán)境容量倒逼機(jī)制。規(guī)劃以納污能力限制與水質(zhì)目標(biāo)控制為核心目標(biāo),以污染負(fù)荷削減量化和規(guī)劃水平年水質(zhì)模擬兩種方法為手段,反復(fù)優(yōu)化布局東湖流域內(nèi)水環(huán)境治理措施,驗(yàn)證水環(huán)境治理目標(biāo)可達(dá)性[22-23]。

根據(jù)東湖規(guī)劃年(2025年)污染入湖負(fù)荷預(yù)測以及水環(huán)境容量計(jì)算,可得各子湖污染物削減量目標(biāo)如表2所示。而根據(jù)各湖污染削減目標(biāo),從“截污控污、湖內(nèi)清淤、水系連通、生態(tài)修復(fù)、監(jiān)控監(jiān)管”五大板塊進(jìn)行措施布局。最終,通過在東湖構(gòu)建MIKE21二維水動(dòng)力水質(zhì)模型,湖心區(qū)域采用邊長200 m三角形網(wǎng)格,貼岸區(qū)域采用邊長50 m三角形網(wǎng)格,共計(jì)劃分網(wǎng)格12 608個(gè),對全湖進(jìn)行水質(zhì)模擬驗(yàn)證。

表2 2025年東湖各子湖污染物削減量目標(biāo)Tab.2 Pollutant reduction in each sub lake in 2025

4.1.2水岸同治的灰綠藍(lán)體系

應(yīng)對東湖全流域存在的通性與個(gè)性問題,充分結(jié)合各分區(qū)規(guī)劃定位、城市密度、現(xiàn)狀排水、排污系統(tǒng)特點(diǎn),東湖水環(huán)境治理靈活構(gòu)建與完善了灰、綠、藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施體系。

灰色設(shè)施,其一為建設(shè)污水處理廠系統(tǒng),按照“清水入湖”及“三清”(清源、清管、清流)等要求完善污水收集管網(wǎng)及處理廠系統(tǒng),并對環(huán)湖排口進(jìn)行細(xì)致排查與登記造冊,以排口問題逆向溯源,進(jìn)一步核查完善上游管線缺陷。其二為實(shí)施國內(nèi)首條湖底排污深隧——武漢大東湖深隧工程,主隧道全長17.5 km,橫跨4個(gè)行政區(qū),建成后可收集東湖周邊污水并由地下污水高速公路轉(zhuǎn)輸北湖污水廠集中處理,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的沙湖、二郞廟、落步嘴等3座污水處理廠和在建的北湖污水處理廠“四廠合一”,成功化解污水處理廠鄰避效應(yīng)。其三為應(yīng)對環(huán)湖五處大型溢流排口,先后啟動(dòng)建設(shè)總?cè)萘窟_(dá)19余萬m3的調(diào)蓄設(shè)施,控制初期雨水及溢流污染。

通過采取完善集中污水處理系統(tǒng)及建設(shè)分散污水處理設(shè)施等灰色設(shè)施,基本實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有排污口的截污。經(jīng)測算,2025年各點(diǎn)源工程措施對應(yīng)的污染物削減量如表3所列。

表3 2025年東湖各子湖點(diǎn)源工程措施污染物削減量Tab.3 Pollutant reduction by point source pollution engineering measures in each sub lake in 2025 t/a

綠色設(shè)施功能以控制地表徑流、防治面源污染為主,著力構(gòu)建了東湖綠道與青山海綿城市示范區(qū)兩片“大海綿”。首先,結(jié)合武漢兩期環(huán)湖綠道建設(shè),打造了總長達(dá)約102 km的環(huán)湖生態(tài)屏障,產(chǎn)生3個(gè)方面生態(tài)效益:一是規(guī)整岸線,將岸線形勢由硬改軟,提升整體景觀;二是構(gòu)建海綿化濱湖綠地,促使城市建設(shè)邊界后退和濱湖污染源遷移;三是構(gòu)建濱湖綠地與湖濱塘交錯(cuò)的生態(tài)屏障,打造雨水先經(jīng)綠地過濾、入湖邊塘緩沖、再進(jìn)入大湖的層層過濾模式,有效提升入湖面源污染阻控能力。另外,在青山海綿城市示范區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)上,按照《武漢市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃(2016～2030年)》,各區(qū)組織實(shí)施東湖流域八大片區(qū)的海綿城市建設(shè)。按照“以滯促滲、以滲促凈、以凈促蓄、以蓄促用和以蓄保排”的技術(shù)路線,以“小海綿保水質(zhì)、大海綿保安全”布局,小海綿著力源頭削減面源污染,大海綿聯(lián)動(dòng)藍(lán)色設(shè)施著力解決區(qū)域排澇問題,以年徑流總量控制率為綜合目標(biāo),實(shí)現(xiàn)面源污染削減及排澇標(biāo)準(zhǔn)保障的雙重功能。

通過面源治理,有效儲存和消納了降雨徑流,減少了城市地表徑流污染源。經(jīng)測算,2025年各面源工程措施對應(yīng)的污染物削減量如表4所示。

表4 2025年東湖各子湖面源工程措施污染物削減量Tab.4 Pollutant reduction by non-point source pollution engineering measures in each sub lake in 2025 t/a

藍(lán)色設(shè)施則以管控與連通并舉,強(qiáng)化藍(lán)色空間管控,實(shí)施水系連通,破除調(diào)蓄瓶頸。東湖藍(lán)色設(shè)施總體布局如圖7所示,其一為通過湖泊藍(lán)線與綠道建設(shè)鎖定湖泊岸線,杜絕侵湖占湖;其二為退漁還湖,近年基本實(shí)現(xiàn)子湖管理權(quán)全回收,漁業(yè)養(yǎng)殖由以高污染的經(jīng)濟(jì)養(yǎng)殖轉(zhuǎn)為調(diào)控水生生態(tài)系統(tǒng)為目的的生態(tài)養(yǎng)殖,破解漁業(yè)污染、湖湖阻隔問題,東湖養(yǎng)殖環(huán)境影響由“負(fù)”轉(zhuǎn)“正”;其三為構(gòu)建大東湖水網(wǎng),引江入湖,湖湖連通,小循環(huán)連通東沙湖水系,大循環(huán)連通東湖、北湖水系,促進(jìn)區(qū)域湖泊的水質(zhì)、水量聯(lián)合調(diào)度。

圖7 東湖治理藍(lán)色設(shè)施總體布局Fig.7 Layout of blue facilities in East Lake

4.1.3底泥精準(zhǔn)化環(huán)保清淤

遵循“先治岸上、后治水里”的原則,在實(shí)施外源控源截污、減輕入湖污染負(fù)荷后,實(shí)施湖泊內(nèi)源治理。湖泊內(nèi)源污染治理方面,為避免過量清淤對湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的影響,東湖內(nèi)源治理采取了精細(xì)化的調(diào)研、監(jiān)測與設(shè)計(jì)。

綜合底泥污染物分層含量、各層底泥污染物釋放速率和釋放風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)評估,確立底泥污染物含量高、釋放速率高、水體污染物含量高的“三高”區(qū)域。為進(jìn)一步確認(rèn)各片區(qū)清淤的必要性,以子湖為單位,依據(jù)子湖水環(huán)境容量確立污染負(fù)荷削減目標(biāo),并分析內(nèi)源治理所需承擔(dān)的污染負(fù)荷削減量,進(jìn)而結(jié)合各區(qū)域底泥釋放速率,逐片精準(zhǔn)確認(rèn)是否清淤及清淤深度。東湖各子湖底泥污染物含量分布見圖8,靜態(tài)釋放風(fēng)險(xiǎn)下底泥清淤深度分布見圖9,水體污染物含量分布見圖10。大部分子湖水質(zhì)與底泥污染分布趨勢較為一致,尤其廟湖、菱角湖、喻家湖及郭鄭湖和后湖的部分湖區(qū);團(tuán)湖雖底泥TN、TP含量較高,但因周邊外源污染入湖量較少,水質(zhì)情況相對較好。經(jīng)綜合評估,廟湖、菱角湖、喻家湖3個(gè)子湖全湖呈現(xiàn)“三高”特點(diǎn),即底泥氮磷含量及釋放量高,水體TN、TP含量高,實(shí)施全面清淤;郭鄭湖“三高”湖區(qū)主要集中于廟湖、菱角湖交界帶、茶港湖叉及西北部局部岸線帶,考慮子湖整體水質(zhì)較好,實(shí)施局部清淤;后湖“三高”湖區(qū)主要集中于東南側(cè)森林渠入湖口片區(qū),規(guī)避部分現(xiàn)狀水生植物生長較好區(qū)域,實(shí)施局部清淤;團(tuán)湖、湯菱湖現(xiàn)狀水質(zhì)較好,局部呈“兩高”區(qū)域(底泥氮磷含量及釋放量)不作清理。遵循慎重清淤原則,確立對歷史排污高度契合的“三高”區(qū)域及對應(yīng)深度的底泥層清淤,最終建議清淤范圍及深度分布如圖11及表5所示,清淤面積3.9 km2,清淤量216萬m3。

表5 東湖清淤面積、深度及方量Tab.5 Sediment dredging area,depth,and quantity in East Lake

圖8 東湖底泥污染物含量分布Fig.8 Distribution of pollutants in sediment in East Lake

圖9 東湖靜態(tài)釋放風(fēng)險(xiǎn)下底泥清淤深度分布Fig.9 Distribution of sediment dredging depth under static release risk in East Lake

圖10 東湖水體污染物含量分布Fig.10 Distribution of pollutants in East Lake

圖11 東湖清淤范圍Fig.11 Distribution of sediment dredging area in East Lake

同時(shí),對清淤過程中二次污染進(jìn)行嚴(yán)格管控。除對清淤作業(yè)面實(shí)施隔離外,針對清淤脫水工藝產(chǎn)生余水水量大、污染物含量高的問題,采用底泥脫水工藝(見圖12)對余水新增磁混凝+曝氣生物濾池處理工藝,且處理尾水直接接入排江港渠,有效避免了治理過程造成的二次污染。通過對湖泊底泥清淤,有效消減了內(nèi)源釋放。經(jīng)測算,2025年內(nèi)源工程措施對應(yīng)的污染物削減量如表6所列。

表6 2025年東湖各子湖內(nèi)源工程措施污染物削減量Tab.6 Pollutant reduction by internal pollution engineering measures in each sub lake in 2025 t/a

圖12 東湖底泥清淤脫水工藝示意Fig.12 Sediment dredging and dewatering process of East Lake

4.1.4水生態(tài)修復(fù)初期生境調(diào)控

在實(shí)施污染源治理的基礎(chǔ)上,開展東湖水生態(tài)修復(fù)。如圖13所示,從水生植物修復(fù)、水生動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)調(diào)整兩方面入手,并選取示范區(qū)探索和完善水生態(tài)技術(shù)體系。

圖13 東湖水生態(tài)修復(fù)措施體系Fig.13 Water ecological restoration measure system of East Lake

水生植物修復(fù)方面,通過水生維管束植物群落重構(gòu)與恢復(fù),提高水生植物覆蓋率和物種多樣性,抑制藻類生長,最終形成自我維持的草型清水穩(wěn)態(tài)。其中,針對東湖藻型穩(wěn)態(tài)向草型穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)力不足的問題,長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司聯(lián)合中國科學(xué)院水生生物研究所,以恢復(fù)東湖沉水植物群落為核心目標(biāo),探索了一套初期生境調(diào)控技術(shù)體系。如圖14所示,針對營養(yǎng)鹽、水體透明度、風(fēng)浪、水生生物結(jié)構(gòu)以及浮游植物等關(guān)鍵因素進(jìn)行人工干預(yù)。而在經(jīng)初期干預(yù)形成水生植物的穩(wěn)定群落后,草型穩(wěn)態(tài)湖區(qū)的自我恢復(fù)力可顯著增強(qiáng)對上述因素干擾的抗性,并且對透明度、風(fēng)浪引起的底質(zhì)懸浮、浮游植物密度有正向影響。

圖14 東湖初期生境調(diào)控技術(shù)體系示意Fig.14 Habitat control technology system at the initial stage of East Lake

水生動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)調(diào)整方面,通過以控藻及提升生物多樣性為目的水生動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)調(diào)控,有效控制藻類水華、減少底質(zhì)擾動(dòng)、提高透明度,降低有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽釋放,最終形成“肉食性魚類-濾食性魚類-鲴類”的混養(yǎng)漁業(yè)結(jié)構(gòu)模式。

全國大面積水體沉水植物修復(fù)的成功經(jīng)驗(yàn)較少,且東湖水環(huán)境條件較為復(fù)雜,因此采取“示范區(qū)-先行區(qū)-全湖實(shí)施”逐步推進(jìn)。2020年5月,首先啟動(dòng)郭鄭湖鵝咀水生態(tài)修復(fù)示范區(qū),進(jìn)行沉水植物修復(fù)示范與探索;近年內(nèi),陸續(xù)在截污成效較好的湖區(qū)開展了局部試點(diǎn)工作。實(shí)踐證明,湖泊水生態(tài)修復(fù),對改善湖泊水質(zhì)、抑制湖泊底質(zhì)再懸浮、抑制藻類生長、促使湖泊水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)具有良好的作用。在水生態(tài)修復(fù)示范區(qū)的基礎(chǔ)上,根據(jù)東湖各子湖水質(zhì)、水生態(tài)狀況,優(yōu)先修復(fù)中北部水質(zhì)較好的子湖,逐步推進(jìn)除天鵝湖外的所有9個(gè)子湖的水生態(tài)修復(fù)工作。

污染源得到控制后,實(shí)施水生生物多樣性構(gòu)建,修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng),可進(jìn)一步凈化湖泊水體。經(jīng)測算,2025年水生態(tài)修復(fù)措施對應(yīng)的污染物削減量如表7所列。

表7 2025年東湖各子湖水生態(tài)修復(fù)措施污染削減量Tab.7 Pollutant reduction by ecological restoration measures in each sub lake in 2025 t/a

經(jīng)測算,經(jīng)過以上點(diǎn)源工程、面源工程、內(nèi)源工程及水生態(tài)修復(fù)工程等聯(lián)合措施,2025年東湖污染物削減達(dá)標(biāo)分析如表8所列。分析可知,以上各項(xiàng)工程措施實(shí)施后,東湖入湖污染負(fù)荷的削減量可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表8 2025年東湖各子湖工程措施污染物削減量Tab.8 Pollutant reduction by joint engineering measures in each sub lake in 2025 t/a

4.2 重要管護(hù)制度

“三分建設(shè),七分管理”,東湖水環(huán)境治理建管并重,兼顧流域綜合管理制度體系建設(shè)與一體化智能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)。

4.2.1體制保障

(1) 以湖立區(qū),實(shí)現(xiàn)高度統(tǒng)籌管理。從“郭鄭湖河泊所”到“東湖風(fēng)景區(qū)”再到“東湖生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)管理委員會(huì)”,為東湖流域統(tǒng)籌治理保護(hù)工作提供了強(qiáng)有力的體制保證,為探索“制度治水、法治治水”提供了體制保障。

(2) 三長聯(lián)動(dòng),推行河湖治理新舉措。依托河湖長制建設(shè),按官方河湖長、民間河湖長、數(shù)據(jù)河湖長“三長聯(lián)動(dòng)”推行要求,積極開展巡湖工作,廣泛激發(fā)民間湖長參與熱情,建設(shè)數(shù)據(jù)河湖長智慧服務(wù)系統(tǒng),湖長制工作落地見效,充分體現(xiàn)了制度保障優(yōu)勢。

(3) 堅(jiān)持“四治”,全面推進(jìn)水環(huán)境治理工作。堅(jiān)持“水岸同治、湖塘并治、流域齊治、社會(huì)共治”治湖思路,落實(shí)流域統(tǒng)籌治理。

(4) 長治久清,注重湖泊管護(hù)體制機(jī)制創(chuàng)新。以流域綜合治理為依托,探索研究制定4項(xiàng)“最嚴(yán)格制度標(biāo)準(zhǔn)”,即最嚴(yán)格水污染排放標(biāo)準(zhǔn)、湖泊巡查制度、水域空間管控制度和排口管理制度;探索建立東湖生態(tài)補(bǔ)償制度等“兩山”理論轉(zhuǎn)化路徑,提升東湖自身發(fā)展活力與造血能力,并拓展融資渠道,落實(shí)湖泊治理資金保障。

4.2.2智慧監(jiān)管

積極推動(dòng)?xùn)|湖智慧湖泊信息平臺建設(shè),以強(qiáng)化河湖長制建設(shè)為目標(biāo),以提升湖泊智慧化監(jiān)管水平為重點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)湖泊精準(zhǔn)化自動(dòng)監(jiān)測為基礎(chǔ),打造大感知、大數(shù)據(jù)、泛在應(yīng)用的智慧中樞大腦,實(shí)現(xiàn)湖泊“污染源-廠網(wǎng)-排口-水體”全鏈條智能化管理。

東湖智慧監(jiān)管系統(tǒng)如圖15所示,建立多層次、多角度、全天候的一體化的信息化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)東湖水環(huán)境的精準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測;構(gòu)建智慧中樞大腦,通過智慧監(jiān)管大模型大數(shù)據(jù)技術(shù)算清污染負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)預(yù)測預(yù)警與污染溯源;依據(jù)精準(zhǔn)監(jiān)測和計(jì)算結(jié)果,實(shí)施靶向性監(jiān)管;根據(jù)監(jiān)管問題持續(xù)優(yōu)化、改進(jìn)流域系統(tǒng)治理措施,實(shí)現(xiàn)“污染源-廠網(wǎng)-排口-水體”全鏈條管理,實(shí)現(xiàn)東湖水環(huán)境的長治久清。

圖15 東湖智慧監(jiān)管系統(tǒng)示意Fig.15 Intelligent supervision system of East Lake

在充分應(yīng)用現(xiàn)有水利信息化資源的基礎(chǔ)上,根據(jù)東湖建設(shè)實(shí)際需要,完善軟硬件環(huán)境,整合共享相關(guān)信息系統(tǒng)成果,構(gòu)建“四個(gè)一”(一套體系、一張網(wǎng)、一張圖、一個(gè)平臺)為核心的信息平臺體系架構(gòu),建立了覆蓋宣傳展示、東湖一張圖、業(yè)務(wù)管理、監(jiān)督考核、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、預(yù)警分析、移動(dòng)服務(wù)等各方面功能。2020年9月,東湖智慧湖泊信息平臺建成后開始試運(yùn)行,成為東湖風(fēng)景區(qū)水務(wù)工作者的“管湖神器”。東湖邁向“智慧治水”時(shí)代,對長江加快推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)具有重要意義。

5 結(jié)果分析

自“十三五”東湖啟動(dòng)流域系統(tǒng)以來,經(jīng)多年治理,東湖水環(huán)境工作成效顯著,湖泊整體水質(zhì)提升明顯,水生態(tài)逐步恢復(fù),如圖16所示。2022年,根據(jù)水利部河長辦印發(fā)的《河湖健康評價(jià)指南(試行)》,東湖自評等級為“健康”。

圖16 東湖水質(zhì)類別及水生植被覆蓋率變化趨勢Fig.16 Change trend of the water quality category and aquatic vegetation coverage rate in East Lake

水質(zhì)方面,東湖整體平均水質(zhì)由“十二五”末的Ⅳ類提升至2019年的Ⅲ～Ⅳ類,到2020年后基本穩(wěn)定至Ⅲ類。郭鄭湖、湯菱湖、團(tuán)湖等大湖的綜合水質(zhì)提升尤其明顯,子湖水質(zhì)由“十二五”末的Ⅴ類～劣Ⅴ類提升至2019年后的Ⅲ類,且部分月份郭鄭湖、湯菱湖的水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類,為近40 a來最好水平;各污染物指標(biāo)超標(biāo)水平也呈逐年遞減趨勢。

水生態(tài)方面,經(jīng)過10多年的自然恢復(fù),湖泊水生植物覆蓋率由“十二五”末的2%提高至2020年的3.5%,2022年底提高至10%(面積約320萬m2),東湖水生態(tài)逐漸好轉(zhuǎn)。

6 結(jié)論與展望

武漢東湖是全國較大的城中湖之一,也是長江中下游典型的淺水型內(nèi)陸湖泊,結(jié)合東湖水環(huán)境治理歷程,總結(jié)歸納出一套行之有效且易于延續(xù)的水環(huán)境治理經(jīng)驗(yàn),對于持續(xù)改善東湖及長江流域其他城市淺水河湖的水環(huán)境具有重要意義。針對東湖水環(huán)境面臨的污水處理廠尾水入湖量大、暴雨期間溢流污染嚴(yán)重、局部湖區(qū)底泥污染嚴(yán)重、水生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重、綜合管理機(jī)制不完善和水環(huán)境監(jiān)控監(jiān)管力度不足等突出問題,本文從關(guān)鍵技術(shù)措施和重要管護(hù)制度兩方面總結(jié)東湖水環(huán)境綜合治理經(jīng)驗(yàn):以流域統(tǒng)籌為前提、控源截污為核心、水陸修復(fù)為基礎(chǔ)、活水暢流為輔助、智慧建管為保障。通過長歷時(shí)、多階段治理,東湖整體水質(zhì)提升明顯,水生態(tài)逐步恢復(fù)。此外,為持續(xù)推進(jìn)東湖水質(zhì)穩(wěn)步提升、實(shí)現(xiàn)湖泊長治久清,下一階段需加強(qiáng)推進(jìn)以下4個(gè)方面工作:

(1) 建立流域治理協(xié)同與協(xié)調(diào)機(jī)制,不斷強(qiáng)化區(qū)域聯(lián)動(dòng)工作機(jī)制;

(2) 探索全流域全過程規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)模式,積極嘗試構(gòu)建政府、企業(yè)、新聞媒體、環(huán)保組織、公眾、科研院校的六元主體模式;

(3) 完善流域水陸水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),提高水質(zhì)監(jiān)管能力與反應(yīng)速率;

(4) 加強(qiáng)水環(huán)境治理效果后評估,指導(dǎo)運(yùn)維與持續(xù)改進(jìn)。