太湖流域河網地區湖泊氮磷污染負荷研究
——以江蘇常熟南湖蕩為例

張丹蓉,邵廣文,管儀慶,張其成,冒甘泉 ,葉　彬

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098; 2.卡爾斯魯厄理工學院氣象與氣候研究所,德國 卡爾斯魯厄　82467;3.大唐觀音巖水電開發有限公司,湖北 攀枝花　617012)

太湖流域河網地區湖泊氮磷污染負荷研究

——以江蘇常熟南湖蕩為例

張丹蓉1,邵廣文1,管儀慶1,張其成1,冒甘泉2,葉彬3

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098; 2.卡爾斯魯厄理工學院氣象與氣候研究所,德國 卡爾斯魯厄82467;3.大唐觀音巖水電開發有限公司,湖北 攀枝花617012)

摘要：以江蘇常熟市南湖蕩為例,對當地主要的農業面源、水產養殖面源、畜禽養殖面源、居民生活面源的污染物排放量及南湖蕩水體的TN、TP允許納污量進行估算,并對南湖蕩水體的富營養化現狀進行評價。結果表明:南湖蕩的TN、TP排放量分別為113.8 t/a和18.3 t/a,水體的TN、TP允許納污量分別為134.4 t/a和6.4 t/a。TN排放量已經十分接近水體TN允許納污量的上限值,TP排放量已經遠遠超出水體TP允許納污量。因此,南湖蕩水質已經處在從Ⅲ類水向Ⅳ類水過渡階段。依據計算得到的富營養化參數,可認為南湖蕩處于中度富營養化狀態。研究結果可為南湖蕩的污染控制和管理提供依據,研究思路和方法可為同類湖泊治理與保護工作提供參考。

關鍵詞：污染負荷;允許納污量；富營養化;總氮;總磷;南湖蕩

湖泊在陸地表層系統中發揮著十分重要的調節作用,是人類重要的淡水來源、洪水調蓄庫和物種基因庫,與人類生產與生活息息相關。湖泊濕地對人地關系和生態環境變化有很強的響應關系。同時,湖泊濕地也是最具有生態調節和改善功能的一種濕地類型。近年來,化肥、農藥、禽畜養殖業及城市污水排放等嚴重加劇了湖泊的污染[1]。根據中國的第2次湖泊現狀調查顯示,在全國138個面積大于10 km2的湖泊中,有85.4%的湖泊超過了富營養化標準,其中達到重富營養化標準的更是達到了40.1%左右[2]。2007年,太湖藍藻水華暴發,水體發生富營養化現象,居民的飲用水水源地受到污染,造成了重大經濟損失和嚴重社會影響。滇池草海中TP質量濃度也由1980年的0.20 mg/L上升到21世紀的2.4 mg/L,平均年增長率大于11%,內湖有機污染嚴重,外湖部分水體已受有機物污染[3]。

為了治理湖泊水體污染,人們進行了大量湖泊污染和富營養化的研究。錢寶等[4]為全面了解江蘇里下河地區重要湖泊水體富營養化狀況,選取了烏巾蕩、九龍口、大縱湖3個典型湖泊作為研究對象,并進行以TOC、COD、BOD等為主要有機質污染綜合指標的測定;胡開明等[5]結合2007年至2010年環太湖水文監測及水文調查,對太湖的TN收支進行分析,預測太湖流域不同的功能區內的TN指標,為太湖的污染防治提供了科學的依據;鐘振宇等[6]分析了洞庭湖的主要污染源,入湖污染物特征,并在此基礎上提出污染防治對策,為洞庭湖區的進行綜合開發和污染治理提供依據和參考。

平原河網地區是城市發達、人口眾多的地區,同時又是湖泊密布、易于發生水體污染的地區。太湖流域蘇南河網地區經濟發達,湖泊眾多,湖泊的水質狀況和生態調節和改善功能與當地人們的生產、生活密切相關。近年來該地區湖泊的水產養殖業發達,對湖泊水質、生態環境產生影響。本文選取具有代表性的江蘇常熟南湖蕩進行污染負荷和富營養化研究,可以為當地水環境管理和污染控制提供依據,對河網地區同類湖泊水生態功能保護具有一定的參考價值。

1研究區概況

1.1自然地理

南湖蕩位于江蘇省常熟市區西南部陽澄片區內,是常熟市第3大湖泊,湖身狹長,目前湖面面積大約為2.29 km2,東連元和塘,西通望虞河,中間有蘇虞張高速公路及沙桐公路穿過(圖1)。南湖蕩地勢低洼,地面高程約2.5～4.0 m,湖體總體呈現殘月形,蜿蜒曲折,成鋸齒狀。南湖蕩所處南湖蕩圩區地形由西北向東南傾斜,河網水流因地形和水系的限制,都為由西向東單向排水,本文研究區以南湖蕩圩區為界。南湖蕩地處亞熱帶季風氣候區,氣候溫和,四季分明,多年平均降雨量大約為1 052.7 mm,雨量豐富。

圖1　南湖蕩地理位置

1.2土地利用現狀

研究區陸域土地利用類型主要為農田、魚塘及部分農村居民點,其中,農田主要以水稻田、苗圃(紅花繼木球、羅漢松、紅楓、金邊黃楊、桂花、杜英、紫薇、棕櫚樹、香樟等)、草坪等為主;魚塘水面約3.98 km2,養殖戶100多戶,漁業養殖主要以四大家魚、蟹及珍珠等為主,據統計,研究區內水產養殖有:魚1 134 t,蝦183 t,蟹128 t。

南湖蕩沿岸有一些規模較小的畜禽養殖場,養殖奶牛、羊、豬、雞、鴨等。具體養殖情況如下:蛋禽現存欄量為2.7萬羽,出欄量為16.8萬羽;生豬現存欄量近2 700余頭,出欄量為6 500余頭,其中種豬為400余頭;乳牛現存欄量為80頭,出欄量為18頭;羊現存欄量為2 300余只,出欄量為2 400余只。研究區內畜禽與水產養殖、農業生產、磚瓦廠、生活垃圾填埋場以及垃圾焚燒發電廠均對圩區內的湖泊生態環境造成了一定的影響[7]。

2污染量估算

2.1點源污染估算

點源污染有固定的排污口,像城市污水和工礦企業與船舶等廢水排放口均可認定為點污染源。為了控制點源污染,南湖農場工業集中區建有一個初級污水處理廠,南湖蕩周邊的大型高污染化工企業污水均經過該廠處理后輸送到市污水處理廠進行進一步的精細處理,然后進行污水排放。因此,在本研究中點源污染可以不予考慮。

2.2面源污染估算

面源污染又稱非點源污染,其污染的嚴重性及防治的重要性已經為國內外所認識。當前,許多水域的非點源污染程度超過了點源污染,面源污染正逐步成為水體污染的一個主要來源,嚴重威脅人民的生活用水安全。不同于點源污染,面源污染主要是氮、磷以及農藥等污染物,在某一塊區域通過地表徑流、土壤滲濾等方式進入水體,對水體造成污染[8]。南湖蕩地區水產養殖業豐富,因此,除常規的農業面源、畜禽養殖面源和生活污染面源之外,本文同時對水產養殖面源污染進行了估算。

2.2.1農業面源污染估算

農業面源污染主要指農業生產活動中,農田中的土粒、氮、磷及其他形式的有機或無機污染物質,在降水或灌溉過程中,通過農田地表徑流、農田排水和地下滲流進入水體。雖然在輸移過程中自身降解了一部分,但仍有很大一部分的污染物質進入水體,造成污染[9]。

朱建國等[10]于2000年6月到2000年11月在江蘇省武進區雪堰鎮進行了農田氮素負荷試驗,經計算,在其實驗水田中,TN排放凈負荷量約為19.77 kg/(hm2·a)。由于南湖蕩圩區的水文、氣候特征與該負荷試驗非常類似。因此,本文參照該實驗的結果數據,對南湖蕩地區的水體面源污染負荷進行估算。旱地TN排放凈負荷量則參考馬立珊[11]1987—1988年的研究結果,約為水田的1/3，即6.6 kg/(hm2·a)。折純后磷肥的用量大概為氮肥使用量的1/10,故TP排放凈負荷按各耕地類型TN排放凈負荷的1/10計。因此,可計算出南湖蕩的農田TN、TP排放量分別為14.3 t/a和1.43 t/a。

2.2.2水產養殖面源污染估算

南湖蕩水產養殖業十分發達,養殖規模龐大,除魚塘精養外,南湖湖面幾乎被圍網養殖占用。養殖密度高,投放飼料過多,而水體不足以將污染物質完全分解處理,必將導致水體富營養化。由于資料有限,水產養殖產生的TN、TP負荷用竹內俊郎法[12]估算。該方法認為,從給餌料的營養成分中扣除蓄積在養殖生物體內的量,剩余的即是環境的負荷量,詳見式(1)。

(1)

式中：WTN、WTP分別為TN負荷和TP負荷,kg/t;C為餌料系數(增肉系數);Nf,Pf分別為餌料中氮和磷的質量分數,%;Nb,Pb分別為養殖生物體內氮和磷的質量分數,%。

針對南湖蕩地區,竹內君郎法相應的各參數取值情況及其污染負荷計算結果詳見表1～2。經計算,水產養殖面源中TN、TP的排放量分別為84.1 t/a和13.1 t/a。

表1　不同養殖品種竹內君郎法參數取值情況

2.2.3畜禽養殖面源污染估算

經調查,南湖蕩地區的畜禽養殖主要為牛、豬、羊、雞、鴨等。因此,本文通過分析上述畜禽的產糞尿量,計算進入水環境中的糞尿量及其污染物量。畜禽污染負荷的估算,主要綜合參考國內外有關研究結果[13-14],尤其是太湖地區研究結果。最終,選取如下系數(表3),對畜禽養殖面源污染進行估算。通過估算,研究區內畜禽養殖TN、TP排放量分別為4.84 t/a和0.87 t/a。

表2　水產養殖面源污染負荷及排放量

表3　畜禽的糞尿排污情況

注:①括號中為尿的排放量；②括號中為尿進入水體的百分比。

2.2.4居民生活面源污染估算

居民生活污染主要由生活污水與人糞尿兩大部分組成。據統計,圩區內人口數10 553人,由于該區內居民生活水平較高,均按鎮居民排污系數計算,排放系數采用張大弟等[15]的研究結果(表4),人糞尿的產生量以每人每天平均排糞0.25 kg,排尿1.0 kg 計算,以人糞尿排放量的10%進入水體進行計算。

表4　居民生活污染排放情況

通過以上計算可得到各類型的污染排放量,計算各類型的污染物排放量總和,可得到南湖蕩的TN、TP排放量為113.8 t/a、18.3 t/a。其中,水產養殖面源污染占了總量的70%左右,其次,農業面源污染和居民生活源污染占了20%左右,最后,家禽養殖源污染占了4%左右(詳見圖2)。

圖2　各類型污染負荷比例統計結果

3水體允許納污量與富營養化分析

3.1氮、磷允許納污量分析

水體氮、磷允許納污量是指水體環境在滿足一定的功能、設計水文條件和水環境目標下,即在水域使用功能不受破壞的條件下,水體可以承受氮、磷污染物的最大數量。它反映了水體在滿足特定環境功能條件下對污染物的承受能力[13]。針對湖泊水體,氮、磷污染物排入湖水后,在湖泊水流和風浪的作用下,湖泊中污染物分布基本均勻。采用沃倫威德爾模型計算湖體營養物質容量。模型簡化后得水體TN、TP納污能力計算公式:

(2)

式中:W為水體中TN、TP的允許納污量,t/a;ΔT為枯水時段,a;K為TN、TP降解系數[14],d-1;ρ0、ρs分別為水體中TN、TP的背景質量濃度和目標控制質量濃度,mg/L;V為湖泊的體積,萬m3;Q為湖泊的穩定出流量,m3/s。

南湖蕩水面面積為3.23 km2,平均水深4 m,估計湖泊形狀系數為0.6～0.7之間,取0.65,估算得到湖水體積為863.2萬m3。水平年中,南湖蕩總體水量收支平衡,入湖、出湖水量基本相等,約430萬m3/a。參考王良軍[16]研究,TN降解系數估算為0.001 d-1,TP降解系數為0.001 5 d-1。蘇州市在2004年對南湖蕩的水質進行了檢測,結果表明,南湖蕩的水質達到了Ⅱ類標準。隨著社會和經濟的發展,南湖蕩現狀水質明顯下降,除少數區域能達到Ⅱ類水質標準,多數水域為Ⅲ類、Ⅳ類,現假定湖水水質的背景濃度為Ⅳ類水標準,要使目標水質達Ⅲ類的環境容量,一些相關參數與標準詳見表5。

表5　南湖蕩相關參數與標準

將有關參數代入(2)式,通過計算可求得湖泊中TN、TP允許納污量及其剩余納污量,具體數據見表6。由此估算可以認為,當南湖蕩水質目標設為Ⅲ類水標準時,TN的質量濃度已經十分接近該目標下的上限值,TP的質量濃度已經遠遠超出該目標下的水體允許納污能力。

表6　南湖蕩主要污染物水體允許納污能力估算　t/a

3.2水體富營養化分析

富營養化是指營養物質在湖泊、水庫水體中的累積過多,導致該水體中生物的生產能力異常增多的過程。針對湖泊而言,富營養化現象會導致浮游生物的過量繁殖,不僅惡化了水體的感官形態,而且會由于缺氧造成魚類的大面積死亡。魚類的排泄物及浮游植物的殘骸連同泥沙一起不斷堆積于湖底,會加速湖泊向沼澤轉化的進程。水體的富營養化現象形成的主要限制物質便是氮與磷,而湖泊水體中的營養物氮主要來自于農業排水,營養物磷主要來自于生活污水與水產養殖,因此磷的污染源控制比氮容易。因為一般湖體中的磷質量分數會比氮的質量分數小,故本研究以磷作為水體富營養化的主要限制物質。國內外的研究結果顯示,采用狄龍模型可以很好地對湖體的富營養狀態進行分析模擬[17]。

(3)

式中：qs為單位面積水量負荷,m/a;A為湖泊面積。

當TP的質量濃度介于0.1～0.2 mg/L之間處于輕度富營養,當TP的質量濃度介于0.2～0.6 mg/L之間處于中度富營養化,當TP的質量濃度大于0.6 mg/L時則處于重度富營養化。通過公式(3)可以求出ρ=0.39 mg/L,因此,可以判定南湖蕩在當前排污狀態下,已處于中度富營養化狀態。

4 結論

根據計算結果可知,當南湖蕩水質目標設為Ⅲ類水標準時,TN的質量濃度已經十分接近該目標下的上限值,TP的質量濃度已經遠遠超出該目標下的水體納污能力。所以在當前的TN、TP排放量下,南湖蕩水體已經處在從Ⅲ類水向Ⅳ類水過渡階段。南湖蕩的富營養化程度已經達到了中度富營養化狀態。為了治理南湖蕩的水體污染,我們提出以下兩個方面建議:

a. 必須采取有效措施提高水體納污能力或者控制污染物質進入量。從本研究的分析可以看出,進入湖泊的水量對水體納污能力影響很大,而物質降解對水體納污能力影響較小,因此建議引水改善南湖蕩水質,或者通過生態修復方法改善水質,并且嚴格控制污染物的進入。

b. 各種污染負荷中,水產養殖所產生的磷污染所占比重最大,所以為了有效緩解水質的富營養化現象,應當加強水產養殖污染防治,實現水質持續好轉,減緩南湖蕩湖泊的衰亡過程,促進自然生態系統的良性循環,推動當地經濟和環境和諧發展。

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Study of pollution load of nitrogen and phosphorus in lake of Taihu Basin river-net area:a case study of Nanhudang Lake in Changshu City, Jiangsu Province

ZHANG Danrong1, SHAO Guangwen1, GUAN Yiqing1, ZHANG Qicheng1, MAO Ganquan2, YE Bin3

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.InstituteofMeteorologyandClimateResearch,KarlsruheInstituteofTechnology,Karlsruhe82467,Germany;3.DatangGuanyinyanHydropowerDevelopmentCo.Ltd.,Panzhihua617012,China)

Abstract：Taking Nanhudang Lake in Changshu City, Jiangsu Province as an example, the pollution discharge of non-point pollution sources, including agriculture, aquaculture, livestock, poultry breeding, and resident living sewage, was estimated. The allowable discharge of TN and TP in Nanhudang Lake was estimated and the eutrophication status in Nanhudang Lake was assessed. The results show that the current discharge of TN and TP are 113.8 tons per year and 18.3 tons per year, respectively, and the allowable discharge of TN and TP are 134.4 tons per year and 6.4 tons per year, respectively. The discharge of TN is close to the allowable discharge of TN and the discharge of TP goes far beyond the allowable discharge of TP. The water quality of Nanhudang Lake is in the transition phase from the water standard Ⅲ to water standard Ⅳ. According to the calculated eutrophication parameters, Nanhudang Lake is in the moderate eutrophication phase. The results can provide supports for the pollution control and management of Nanhudang Lake, and the research strategies and methods can provide reference for similar lakes.

Key words：pollution load; allowable discharge of pollution; eutrophication; TN; TP; Nanhudang Lake

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.022

作者簡介:張丹蓉(1972—),女,教授,主要從事流域水文及水環境研究。E-mail:danrong_zhang@hhu.edu.cn

中圖分類號：X52

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0106-05

(收稿日期：2015-12-28編輯：王芳)