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    水产养殖清塘过程污染排放特征及对周边水体影响：以太湖下游典型鱼类集约化养殖区为例*

    时间：2023-06-28 12:50:12来源：百花范文网本文已影响人

    梁利权,郭春霞,陈小华,李金文,陈 诚,杨林沛,沈根祥

    (1:华东理工大学资源与环境工程学院,上海 200237) (2:上海市环境科学研究院，国家环境保护新型污染物环境健康影响评价重点实验室,上海 200233)

    近年来，随着水产养殖行业的快速发展，水产养殖引发的水环境污染问题也日益突出[1-3]。根据2020年《第二次全国污染源普查公报》[4]，水产养殖业产生的COD、NH3-N、TN、TP排放量分别占农业源总排放量的6.24%、10.31%、7.00%和7.59%，对比《第一次全国污染源普查公报》[5]结果，水产养殖业产生的污染物在排放量和排放占比上均有增加。

    太湖流域以池塘养殖为主，其中鱼类混养是主要的养殖模式之一。为提高养殖产量，养殖户往往采用高密度、高投入、高产出的养殖模式[6]，投入品过量极易造成氮磷污染物的超标排放，造成周边水体的富营养化和水质恶化[7-8]。2007年太湖蓝藻暴发后，水体污染严重影响了区域社会经济的可持续发展[9]。为了减小水产养殖对流域水质的影响，自2009年起先后启动了“中国水产养殖业可持续发展战略研究”和“水产养殖业‘十三五’规划战略研究”等课题。目前已有大量学者针对太湖流域养殖池塘的水质变化特征、污染物排放通量估算、对生态系统的影响等开展研究工作。彭凌云等[10]通过监测养殖塘换水量及污染物浓度测算鱼虾蟹养殖塘污染物排放系数，估算太湖流域水产养殖的污染负荷及分布特征。高月香等[11]采用现场实测法结合物料平衡法研究测算不同养殖品种的排污系数。何肖微等[12]通过研究不同养殖条件下沉积物的理化指标数据来分析传统水产养殖模式对生态系统的影响。然而，在整个养殖周期，清塘过程的排水量占排水总量的主要份额，集中排水对局部区域的水环境影响明显，亟需开展深入研究。

    国内外对养殖池塘清塘过程中的排水研究多围绕水质的分层及悬浮物的变化状况[13-15]，如Dominique等[13]通过现场实测研究了养殖鱼塘清塘排水期悬浮物的变化特征及其污染负荷；
    陈东兴等[15]通过对清塘过程中的排水水深分层，监测不同阶段出水口的水质变化，研究污染物表观排放强度和实际排放强度的差异。针对水产养殖排水全过程主要污染物变化特征的研究相对较少。因此，为科学地分析连片集约化养殖水体清塘排水期间污染物的排放特征及对水环境的影响，本研究选取上海青浦区典型混养鱼塘养殖区，采用高频在线监测及人工采样实测相结合的方式测算清塘过程中的排水污染物浓度，确定污染物的排放特征及实际排放负荷，为推进太湖流域水产养殖污染治理、减缓湖泊富营养化提供科学依据和数据支撑。

    1.1 研究区概况

    研究区位于上海市青浦区金泽镇(31°2′N，120°58′E)，道断面监测点(D1～D5)、排水口、在线监测装置、鱼塘塘面见图1。青浦区为上海市水产养殖大区之一，以常规鱼及经济鱼类养殖为主。该地区是典型的亚热带季风气候，年平均气温为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。监测点池塘总面积约为0.70 hm2，水深由浅至深处为2.00～2.50 m，以经济鱼类翘嘴红鲌和黄颡鱼混养为主要养殖模式，塘内还混养少量的甲鱼，其中主养的翘嘴红鲌和黄颡鱼放养密度分别为35000和96000尾/hm2，最终产量分别为11500和8500 kg/hm2，属于高密度养殖池塘。养殖期间每天按鱼体重5%的饲料量进行喂食，期间一共投放饲料约22000 kg。养殖塘的进水和出水均为塘东侧河涌(图1)，河道宽为15～20 m，深度为0.50～1.50 m，水流流速为0.30～2.00 m/s，水流流向受潮汐影响每天涨潮两次，涨潮时水流自南向北。养殖期间养殖塘为半封闭管理，排水集中在暴雨导致水位暴涨、夏季高温水质变差以及捕捞清塘后进行，换排水量占年总排水量的36.50%；
    塘内装有曝气装置，每天曝气12 h左右，具体根据实际天气情况进行调节。

    图1 监测点示意图Fig.1 Schematic diagram of monitoring points

    2021年11月7日-17日期间对该养殖塘清塘过程中的排水全过程水质进行跟踪监测，并对其受纳河道的不同断面进行监测。在研究期间，养殖户根据塘内剩余鱼体重5%的比例投喂饲料，11月15日(216 h)之后不再投喂饲料。

    1.2 研究方法

    1.2.1 水文在线监测 在养殖鱼塘边缘处安装超声波水位计，每10 min记录水位高度(mm)。在养殖鱼塘排水口安装三角堰结构的槽体监测装置，配备浮子式水位传感器(Unidata，澳大利亚)监测流量。监测数据均通过CR300数据收集器(Campbell，美国)收集并传输到云数据库。

    1.2.2 样品采集 清塘期排水水样通过自动采样和人工采样结合的方式采集。自动采样装置(图1)的采水器安装于排水管道三角堰内部，当水位高度高于堰顶角5 mm时触发采样程序，程序启动期间每2 h采一次水样，每次采集1000 mL水样，采样器共有24个储水瓶，可连续采水48 h。自动采样装置内置冰箱温度设置为4℃，便于保存样品。在排水口进行人工采样，根据自动采样器的采样时间并结合尾水的浑浊情况调整采样频率。自动采样便于采集夜间连续排水的水样，人工采样主要在最后一天排水期间，采样频次从2 h逐渐调整至0.5 h。采集水样分装于2个500 mL的聚乙烯瓶中，一瓶加浓硫酸调节至pH<2，另一瓶不添加任何保存剂，放于保温箱内低温保存，48 h内尽快检测。

    本研究设置了5个河道断面监测点(图1)，D1为尾水排放口上游约30 m，D2～D5分别为排放口下游约50、200、400和1000 m(支流入河口)。分别在排水的第2、5和9天的落潮期间对河道不同断面采用4 L的不锈钢水质采样器采集水样，每次采集1000 mL，保存及监测方法同上。

    1.3 分析方法

    1.4 污染负荷核算方法

    各污染物的实际排放强度(MP)、分段实际排放强度(DP)和表观排放强度(AP)计算方程如下：

    (1)

    (2)

    APX=C0×V÷1000

    (3)

    1.5 数据处理

    利用Excel 2019和SPSS 25.0软件进行数据处理和分析，采用Origin 2019软件进行绘图。

    2.1 池塘清塘排水水量变化

    鱼塘捕捞和清塘同步进行，使用潜水泵进行排水，清塘工作于2021年11月6日11:00开始，于2021年11月17日9:00结束(历时262 h)。图2a标注3次捕捞时间，分别为2021年11月9日、14日和17日的上午。整个清塘过程中的排水分为4个阶段：前期(0～66 h)，排水至第1次捕鱼前，水深降至约1.70 m时暂停排水，捕捞上层的翘嘴红鲌；
    中期(72～150 h)，第1次捕鱼结束至第2次捕鱼前，排水至水位为约1.00 m时，捕捞下层的黄颡鱼；
    后期(192～254 h)，第2次捕鱼结束至第3次捕鱼前，继续排水至水位在0.50 m以下，此时地势高处池底显露；
    末期(257～262 h)，第3次捕鱼期间至排水结束，捕捞剩余部分随后排干鱼塘。图2b为排水流量曲线，清塘排水总量为13680 m3。

    图2 尾水排放单位流量及累积流量变化特征(图2a处箭头表示捕捞时间点)Fig.2 Variation characteristics of the unit and cumulative discharges of the tail water

    2.2 池塘尾水水质

    图3 尾水中污染物的浓度变化过程曲线Fig.3 The variation process curves of the pollutant concentration in tail water

    表1 不同阶段的水深和出口水质参数*Tab.1 Water depth and outlet water quality parameters at different stages

    TSS浓度主要受内源性污染物影响，在排水中期降低，在后期和末期快速上升。首先，该鱼塘使用潜水泵进行排水，排水初期水泵附近的表层沉积物容易被水流剪切力扰动[16]，TSS浓度较高，随水泵附近被侵蚀的沉积物面积扩大，水流对沉积物的剪切力减弱，尾水中的TSS浓度逐渐降低；
    其次，由于排水初期冷锋通过后风速升高而造成的沉积物再悬浮[17]，也增加了初期的TSS浓度，而前期饲料投入量大，未充分吸收利用的饲料易造成养殖水体浑浊，增加TSS浓度。后期和末期TSS浓度快速上升的原因在于前期大量未被利用的饲料沉积于底部，随着池塘水位降低，水流对沉积物的剪切力增加，且鱼类活动相比水位高时对沉积物的扰动作用加剧，造成TSS浓度增加，最后捕捞时采用边排水边捕捞的方式进行，拉网捕鱼过程中鱼类扰动造成大量底层淤泥翻涌至水体，形成泥水混合物，使TSS快速上升。从图3a中看出在排水254 h之后，TSS浓度出现了短暂的较大幅度降低，是因为254～257 h时因后续捕捞需要而停止排水，使部分悬浮固体重新沉淀，故在重新开启时(257 h)TSS浓度低于254 h的浓度。

    从污染物浓度与排水深度和总悬浮物浓度之间的相关性系数(表2)可以看出，营养盐浓度的变化以内源性污染物的释放为主，但同时又受颗粒饲料、降雨等外源性污染物输入的控制[18]。各营养盐浓度与排水深度和总悬浮物浓度表现出极为显著的相关性，从表1和图3b、c、e可见，CODMn、TP和TN的浓度在整个排水过程中一直呈现上升的趋势，前中期的上升可能与饲料的投入有关，鱼饲料中主要成分为粗蛋白质、粗脂肪、碳水化合物及无机盐，含大量有机物及氮、磷等营养物质[19]，而这些饲料仅25%～35%通过形成鱼体成分而被利用[20]，同阶段每日投入量不变，而水量随排水持续减少，出现前中期浓度逐渐升高的现象；
    后期和末期浓度快速升高主要是底部沉积物向上翻涌导致的，富集于底泥中的污染物重新释放，使其浓度升高数倍[21]，并随扰动程度的加剧而增加[22]。CODMn、TP、TN浓度在254 h后出现了降低，造成这一现象的原因与TSS一致。

    表2 污染物浓度与排水深度和总悬浮物浓度间的相关系数Tab.2 Correlation coefficients between pollutant concentration and discharge depth and suspended sediment concentration

    2.2.2 水质排放达标率 根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)[30]中的水域分类划分，尾水排入的河道属于Ⅲ类标准，执行《淡水池塘养殖水排放要求》(SC/T 9101-2007)[31]中的二级标准，水产养殖尾水的监测结果见表3，混养鱼塘尾水排放中TN超标，TSS达标率仅为40.39%。TN和TSS的超标倍数分别为1.72～4.70和0.51～206.90。CODMn和TP的达标率分别高达99.40%和96.37%，超标倍数分别为0.30～1.42和0.17～6.66。可见，混养鱼塘尾水排放过程中的污染因子主要是TSS和TN。达标率较低的原因主要包括，1)水产养殖饲料中的粗蛋白含量高，饲料利用率低，残留饲料和粪便中的一些不溶物和营养物质增加了悬浮物和氮的浓度[32]；
    2)养殖尾水未经处理直接排放也是重要原因，在排放中、后期水位下降，鱼类的活动及水流的冲刷增加了对底泥的扰动，大大地增加了尾水中悬浮物浓度的同时释放大量氮、磷营养元素[22]，造成污染物超标倍数过高。

    表3 养殖池溏尾水排放达标率Tab.3 Compliance rate of tailwater discharge from the pond

    研究结果表明，末期含大量底泥的尾水造成了水质的高超标倍数，从图3可知，大部分污染物浓度快速上升的时间为240～250 h，此时塘内水位为20～30 cm(表1，图3)，为减少池塘向环境中的污染物排放量，可通过禁止或限制池塘最后20～30 cm水深的尾水未经处理直接排入附近河道，这与Lin等[33]的研究结果相一致。

    2.3 尾水排放的污染强度

    表4 养殖池溏污染物指标排放强度对比分析Tab.4 Comparative analysis of emission intensity of pollutant indicators in the pond

    结果表明，高频率、全过程采样的方式测算得到的各污染物的排放强度普遍高于其他研究方法[15,34]，表观排放强度代表了混养鱼塘在非排水状态下鱼塘水中的污染物，并未考虑到排水过程中沉积在池塘底泥中的污染物会释放到水体[35]。分段排放强度相对提高了估算的准确度，但没有发现排水末期的变化，仍存在一定不足，而高频率的监测更准确地掌握了整个排水过程中污染物的变化规律。

    图4 不同阶段排水比例与污染负荷比例的关系Fig.4 Relationship between the drainage ratio and pollution load ratio at different stages

    2.4 受纳河道水质变化

    图5 池塘养殖尾水对河道水质的影响 (不同小写字母表示差异性显著(P<0.05)，相同小写字母表示差异性不显著(P>0.05))Fig.5 Influence of pond culture tailwater on river water quality

    2)高频采样监测方法测算的污染物排放强度高于表观排放强度和分段监测排放强度。采样测算得出底层排水量仅占2.50%，污染物TSS污染负荷占比高达44.70%，TP在31.80%的排水量中污染负荷比为60.90%。结合《淡水池塘养殖水排放要求》二级标准，加强对排水末期养殖尾水治理，提升治理设施运行监管能力，可有效减少集约化养殖区域污染负荷。

    3)尾水流量与河流量约以1/200的比例排入河道后，仅TSS、CODMn、TN和NH3-N对该河道400 m内的水质产生显著性影响；
    单个池塘的尾水排放对流量较大的河流的水质影响不显著。

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