昆明市云龍水庫徑流區氮磷非點源污染負荷分析

郝 旭，張乃明，史 靜

（云南農業大學 資源與環境學院，云南 昆明650201）

非點源污染的危害性隨點源污染控制能力的提高而逐漸表現出來，特別是當點源污染控制水平達到一定程度后，非點源污染勢必成為水環境污染的主要來源［1］。從世界范圍來看，非點源污染已成為水環境污染的重要方式。美國60%的水環境污染起源于非點源［2］，據計算奧地利北部地區進入水環境的非點源氮量比點源多，丹麥270條河流94%的氮負荷，52%的磷負荷是由非點源污染引起的［3］，荷蘭農業非點源提供的總氮、總磷分別占水環境污染總量的60%和40%～50%［4］。在我國，長江流域、云南洱海、北京密云水庫等許多水域，非點源污染比例均超過點源污染。在此背景下，進行非點源污染的量化研究對水質管理及飲用水源地保護顯得愈發重要。

應用數學模型對非點源污染進行模擬和估算是研究非點源污染的重要手段。已有的非點源模型大都是針對小區域的精細模擬，率定出的參數和結果帶有較大的區域性，很難適用于大中尺度流域的負荷估算。而輸出系數模型法所需參數少，操作簡便易行，又具有一定的精度，且不考慮非點源污染發生和發展的復雜過程，因此，該模型在非點源污染負荷估算方面得到了一定的應用［5－12］。

近幾年，西南地區水資源緊缺，該區連續3a大旱，加之人類活動對昆明市云龍水庫匯水范圍內的生態環境的干預逐步加重，導致水庫匯水區內生態和水環境狀況日益惡化。但就目前情況而言，對云龍水庫庫區的基本狀況、基礎數據的調查與收集還遠遠不夠，對水庫水質變化原因，污染來源與貢獻，水環境容量及庫區農業面源污染控制技術等都缺乏系統研究。因此，本研究利用輸出系數模型，針對云龍水庫水源保護區的氮、磷非點源污染負荷進行分析，為進一步掌握研究區的氮磷負荷特征和合理調整農業結構提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

云龍水庫是昆明市最重要也是云南省最大的集中式飲用水源地。水庫位于金沙江水系二級支流掌鳩河中上游祿勸縣云龍鄉，距昆明市約86km，位于東經102°16′—102°35′，北緯25°43′—26°07′，屬于北亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫10.2～13.8℃。云龍水庫控制徑流面積為745km2，流域呈矩形狀，地勢北高南低，流域平均海拔高程約為2 406m。水庫總庫容4.84×108m3，正常蓄水量3.97×108m3，主要入庫河流有石板河、老木河、水城河。云龍水庫水源區總人口約53 601人，經濟以農業為主。水源區實際耕地面積約2.27×104hm2，林地面積4.82×104hm2。全年牛、豬、羊、家禽等存欄數約21萬頭。水源區經濟以農業為主，產業結構單一。

1.2 非點源輸出模型及參數取值

輸出系數模型是利用半分布式途徑來計算某流域年均污染（總氮、總磷）總負荷的數學加權公式，其實質上是一種集總模型。根據非點源污染負荷產生量和土地利用類型之間的聯系，利用流域相關數據直接建立流與非點源污染產出量的關系［13］，然后通過對不同來源污染負荷量求和，得到研究區域污染物總負荷。

Johnes等的輸出系數模型方程為:

式中:L——營養物質的總流失量；Ei——第i種營養源的輸出系數；Ai——Ii第i類土地利用類型的面積或畜禽數量或人口數量；Ii——第i類營養源的營養物質輸入量。

1.2.1 不同土地利用類型非點源負荷 不同土地利用類型產生的氮、磷非點源負荷計算式為:

式中:j——土地利用類型，共n種；Eij——第i種污染物在第j種土地利用類型單位面積的輸出系數〔kg/（km2·a）〕；Mij——第i種污染物在第j種土地利用類型中的營養物輸入量（kg）；Aj——第j種土地利用類型的面積（km2）。

1.2.2 農村生活非點源負荷 農村生活污染源中，氮、磷非點源負荷的計算方法為:

式中:L（生活）i——第i種農村生活污染物年輸出量（kg/a）；Di——第i種污染物的日輸出系數〔kg/（人·d）〕；H——區域內人口數量（人）；M——污水處理過程中的機械去除營養物質系數；B——污水處理過程中的生物去除營養物質系數。

1.2.3 畜牧養殖非點源負荷 畜禽污染源中氮、磷非點源負荷計算方法為:

式 中:L（畜牧）i——第i種污染物年輸出量（kg/a）；Dij——第j種牲畜第i種污染物日輸出系數〔kg/（頭·d）〕；Hj——區 域 內 第j種 牲 畜 的 數 量（頭）；M——污水處理過程中的機械去除營養物質系數；B——污水處理過程中的生物去除營養物質系數。1.2.4 輸出系數取值的確定 大量的試驗研究［14］表明，影響輸出系數的因素有地形、氣候、水文、土地利用類型、植被覆蓋率等，都會對輸出系數產生較大的影響。輸出系數多采用單位時間、單位面積上的負荷量表示。一般確定非點源污染物輸出系數值可采用試驗或調研的方法［15］。鑒于無云南地區的輸出系數試驗數據，本研究計算所需的輸出系數值，參考國外不同土地利用方式下的氮和磷輸出系數的變化范圍的研究成果和參照國內［1，11，16－23］相似 自然、氣候 條件下的其他地區研究結果并取其平均值作為云龍水庫徑流區的輸出系數值。不同土地利用類型的參考輸出系數值和本文的具體取值結果（表1）；畜禽糞尿和農村生活部分的非點源污染物輸出系數值均參照國家環保總局推薦的排泄系數和人口輸出系數［24］，并參考前人研究成果得到農村生活及畜禽糞尿輸出系數（表2）。畜禽糞尿的氮磷輸出系數分別取為各自排泄系數的12%［24］。而農村生活的輸出系數則反映了當地農村人口對生活污水及垃圾的利用和處理水平。

估算非源污染負荷產生量所需的其它數據包括研究時段的土地利用或植被覆蓋數據、人口數量以及大牲畜、豬、羊和家禽數量，可通過查閱云南省昆明市祿勸統計年鑒、云南省數字鄉村網［25］以及文獻資料得到或實地調查獲得。

表1 不同土地利用類型的輸出系數 （kg/（hm2·a）

表2 農村生活及畜禽糞便輸出系數 kg/（只·a）

2 結果與分析

2.1 水源區各鄉鎮非點源氮、磷負荷產生量分析

根據云龍水庫自然和社會條件，應用適用于大區域尺度非點源估算的輸出系數模型方法，估算云龍水庫徑流區氮磷非點源污染產生量、入庫量等。昆明市云龍水庫非點源污染物總氮和總磷負荷產生量計算結果詳見表3—4。

表3 2010年昆明市云龍水庫非點源污染物總氮負荷產生量

表4 2010年昆明市云龍水庫非點源污染物總磷負荷產生量

由表3—4可知，云龍水庫徑流區總氮和總磷的非點源負荷產生量分別為2 079.8和454.32t/a，且總氮負荷量是總磷負荷量的4.6倍。從空間分布上分析，撒營盤鎮、馬鹿塘鄉、皎平渡鎮、團街鎮、插甸鄉5個鄉鎮的非點源污染物總氮、總磷負荷量都較高。其中，撒營盤鎮的最高，總氮、總磷年均負荷量達到了444.89和85.28t/a。因為這些鄉鎮的耕地面積、農村人口、禽畜數量較多，均是產業結構單一，經濟以農業為主，第二、三產業發展相對滯后的鄉鎮。相比之下，云龍鄉和茂山鎮的農村人口和禽畜數量較少，因此非點源污染負荷產出總量較低。按其對水源區污染物總氮負荷產生總量貢獻率排序為:撒營盤鎮＞插甸鄉＞皎平渡鎮＞團街鄉＞馬鹿塘鄉＞云龍鄉＞茂山鎮。各鄉鎮對于總磷負荷量的有所變動，其排列順序為:撒營盤鎮＞插甸鄉＞團街鄉＞皎平渡鎮＞馬鹿塘鄉＞云龍鄉＞茂山鎮。綜合分析可知，撒營盤鎮的氮、磷污染產生量是水源庫區非點源污染物總氮和總磷負荷量的主要影響因素。

2.2 不同污染源類型對總氮和總磷負荷產生量的貢獻分析

由表3可以發現，農村生活污染源對非點源污染物總氮負荷量貢獻率最高33.84%。不同污染源類型產生的總氮負荷量以及對總氮負荷量的貢獻率的大小順序為:農村生活區＞畜禽糞便（其中，豬＞牛＞羊＞家禽）＞耕地＞林地。不同土地利用方式對流域非點源污染物總氮負荷產出量的影響，以農村生活區污染最大，畜禽養殖業和耕地的次之，林地的最小。表4的數據顯示，污染源類型對總磷負荷貢獻率的影響與對總氮污染負荷的影響規律基本相似，但畜禽糞便污染對總磷負荷的貢獻明顯大于農村生活區污染和耕地的貢獻。不同污染源類型對總磷負荷貢獻率的大小順序為:畜禽糞便（其中，豬＞家禽＞牛＞羊）＞農村生活區＞耕地＞林地。這些表明，在各種土地利用類型中，目前水源的畜禽養殖和農村居民生活用地對非點源污染物總氮和總磷的貢獻最大，因此為減少環境污染，農村地區污水、生活垃圾及禽畜糞便的日常處理顯得非常重要。除此之外，大量畜禽養殖是造成該區非點源污染物總氮和總磷負荷量較高的直接原因。但不同鄉鎮畜禽的年存欄量和年出欄數量是不固定的，而且數量變動隨機性大。因此，由于畜禽養殖業的發展引起環境質量的不利影響需要引起足夠的重視，并且對各鄉鎮畜禽種類、年存欄量、年出欄數量定時統計上報，為研究工作提供基礎數據。

2.3 水源區入庫氮磷污染負荷

入庫污染物是影響水庫水質的根本原因。根據《全國水環境容量核算指南》中提供的技術參數，結合云龍水庫的實際情況，分別確定各污染源的入庫系數:耕地和林地的氮磷流失根據相關文獻分析可取入庫系數為0.1；而農村生活和畜禽糞便產生的污染負荷大部分通過河道匯集后進入水庫，取這類污染源的氮、磷入庫系數分別0.1和0.05。從而計算得到云龍水庫非點源總氮、總磷入庫量見圖1—2。

圖1 昆明市云龍水庫入庫總氮負荷

從圖1—2可以看出，由不同污染源產生的總氮和總磷的入庫負荷量分別為207.98和24.73t/a，總氮入庫總量是總磷入庫總量的8.4倍。入庫的總氮負荷的主要污染來源是農村生活區污染和畜禽糞便污染，其入庫總氮負荷量分別為70.38和70.90t/a，占總入庫總氮負荷量的33.84%～34.09%。水庫周邊村落是水庫水環境的重要污染源之一，周邊村落污水目前均未治理。村落污水非汛期常以氮磷污染物高濃度狀態的聚集于村落洼地及溝渠之中，汛期暴雨將其一起攜帶入庫，直接污染庫區水體。

圖2 昆明市云龍水庫入庫總磷負荷

根據不同污染源入庫的總氮負荷貢獻率的順序為:農村生活＞畜禽糞便（其中大牲畜＞家禽）＞耕地＞林地。從圖2可看出，入庫總磷負荷的主要污染源為畜禽糞便污染和農村生活污染，其入庫總磷負荷為12.50 和 8.21t/a，分 別 占 總 負 荷 的 50.54% 和33.21%，而林地產生的入庫總磷負荷為1.05t/a，占總入庫量的百分比也最低，為4.23%。根據不同污染源的入庫總磷負荷貢獻率的順序為:畜禽糞便（其中，大牲畜＞家禽）＞農村生活＞耕地＞林地。

3 結論

（1）云龍水庫徑流區氮磷負荷總的產生量分別為2 079.8和454.32t/a，按其對水源區污染物負荷產生總量貢獻率總氮排序為:撒營盤鎮＞插甸鄉＞皎平渡鎮＞團街鄉＞馬鹿塘鄉＞云龍鄉＞茂山鎮；總磷負荷貢獻排列順序為:撒營盤鎮＞插甸鄉＞團街鄉＞皎平渡鎮＞馬鹿塘鄉＞云龍鄉＞茂山鎮。

（2）不同污染源類型產生的總氮負荷及對總氮負荷的貢獻率大小順序為:農村生活區＞畜禽糞便（其中，豬＞牛＞羊＞家禽）＞耕地＞林地。其中農村生活污染對非點源污染物總氮負荷貢獻率最高33.84%。林地貢獻率最小為11.74%。不同污染源類型對總磷負荷貢獻率的大小順序為:畜禽糞便（其中，豬＞家禽＞牛＞羊）＞農村生活區＞耕地＞林地。其中畜禽糞便污染對總磷負荷的貢獻明顯大于農村生活區和耕地的貢獻。

（3）水庫徑流區不同污染來源產生的總氮和總磷的入庫負荷量分別為207.98和24.73t/a，總氮入庫總量是總磷入庫總量的8.4倍。入庫總氮負荷的主要污染來源是農村生活區污染和畜禽糞便污染，其入庫總氮負荷分別為70.38和70.90t/a，占總入庫總氮負的33.84%～34.09%。入庫總氮負荷貢獻率的順序為:農村生活＞畜禽糞便（其中，大牲畜＞家禽）＞耕地 ＞林地。按入庫總磷負荷貢獻率的大小順序為:畜禽糞便（其中，豬＞家禽＞牛＞羊）＞農村生活區＞耕地＞林地。

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