天目湖流域氮磷面源污染現(xiàn)狀分析

劉同巖，楊馳浩，周宇澄，李翔，王圣森，王小治

(揚州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，以及點源污染的治理[1]，面源污染逐漸成為水質(zhì)污染、惡化的主要原因之一[2]。農(nóng)業(yè)面源污染中，水體污染的主要來源是氮和磷[3-4]。近年來，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對面源污染進(jìn)行模擬和估算已成為相關(guān)研究的重要手段[5-6]，但我國這方面的基礎(chǔ)研究仍相對薄弱，缺乏相關(guān)資料，模型參數(shù)選取困難[7]。而且，經(jīng)驗?zāi)Ｐ投鄻O具地方特色，泛化能力差，很難適用于其他區(qū)域的負(fù)荷估算[8]。與之不同，排污系數(shù)法所需參數(shù)少，操作簡便易行，具有一定的精度，且不考慮面源污染發(fā)生和發(fā)展的復(fù)雜過程；因此，該方法在面源污染負(fù)荷估算方面也得到了一定的應(yīng)用[9-10]。近幾年，溧陽市經(jīng)濟高速發(fā)展，加之人類活動對水庫范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境干預(yù)加重，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮畮斓⒘椎臐舛忍幱谳^高水平[11-12]。為此，本文特采用排污系數(shù)法估算天目湖沙河水庫流域農(nóng)業(yè)種植地表徑流，以及畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖和生活旅游污染中氮、磷污染物的貢獻(xiàn)量，為天目湖流域面源污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天目湖沙河水庫是溧陽市重要的飲用水水源地，地理坐標(biāo)為119°20′～119°29′E、31°11′～31°24′N，屬于亞熱帶季風(fēng)型氣候，全年平均溫度17.5 ℃，年均降水量1 181 mm。水庫庫容1.09億m3，主要入庫河流有平橋河、下宋河和中田河。水庫區(qū)域內(nèi)常住總?cè)丝?.88萬人，年旅游人數(shù)480萬人次，水庫區(qū)域土地面積181.85 km2，水源區(qū)經(jīng)濟以種植業(yè)和旅游業(yè)為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源

通過查閱統(tǒng)計年鑒和實地調(diào)查獲得當(dāng)?shù)厝丝凇⑸蟆⑼恋仡愋兔娣e等基本數(shù)據(jù)。茶園排放污染系數(shù)通過1 a的小區(qū)徑流試驗獲得，其他類型污染來源的污染排放系數(shù)參考第一次全國污染普查資料和相關(guān)文獻(xiàn)獲取[13-14]。1—12月茶園徑流總氮(TN)濃度分別為8.45、3.87、1.27、8.75、7.00、7.09、6.63、6.70、7.99、4.80、2.85、8.51 mg·L-1，平均值為6.16 mg·L-1；1—12月茶園徑流總磷(TP)濃度分別為0.11、0.36、0.60、0.26、0.27、0.27、0.19、0.23、0.24、0.17、0.05、0.08 mg·L-1，平均值為0.24 mg·L-1。總氮、總磷的農(nóng)田污染系數(shù)分別為2.85、0.20 mg·L-1，茶園污染系數(shù)分別為6.16、0.24 mg·L-1，林地污染系數(shù)分別為0.78、0.02 mg·L-1，畜禽(豬)糞尿排污系數(shù)分別為29.0、5.21 g·d-1·頭-1，畜禽(雞)糞尿排污系數(shù)分別為1.35、0.36 g·d-1·只-1，水產(chǎn)排污系數(shù)分別為7.00、0.82 g·kg-1，城鎮(zhèn)居民生活污染物排放系數(shù)分別為7.29、0.71 g·人-1，農(nóng)村居民生活污染物排放系數(shù)分別為5.83、0.57 g，旅游污染排放系數(shù)分別為3.65、0.36 g·人-1。

1.3 污染源排放計算方法

根據(jù)當(dāng)?shù)卣块T提供的土地、人口等相關(guān)資料，應(yīng)用式(1)～(6)計算得出相關(guān)污染物排放量。

1.3.1 徑流污染排放量

Q=C·S·P·α/103。

(1)

式(1)中：Q為年污染負(fù)荷(t)，C為污染物平均濃度(mg·L-1)，S為土地面積(km2)，P為年均降水量(mm)，α為徑流系數(shù)。

α=R/Pm。

(2)

式(2)中：R為某時段徑流深(mm)，Pm為形成該徑流深相應(yīng)的流域平均降水量(mm)。

1.3.2 畜禽污染排放量

G1=N1·F1·d/106。

(3)

式(3)中：G1為畜禽、養(yǎng)殖污染物年排放量(t)，N1為畜禽養(yǎng)殖數(shù)量(只或頭)，F(xiàn)1為畜禽糞尿排污系數(shù)[g·d-1·只(頭)-1]，d為畜禽飼養(yǎng)周期(365 d)。

1.3.3 水產(chǎn)污染排放量

G2=N2·F2/103。

(4)

式(4)中：G2為水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物年排放量(t)，N2為水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量(t)，F(xiàn)2為水產(chǎn)養(yǎng)殖排污系數(shù)(g·kg-1)。

1.3.4 居民生活污染排放量

G3=3.65N3·F3。

(5)

式(5)中：G3為城鎮(zhèn)居民生活污染物年排放量(t)，N3為常住居民人口(萬人)，F(xiàn)3為居民生活污染物排放系數(shù)(g·人-1)。

1.3.5 旅游污染排放量

G4=N·F4·d。

(6)

式(6)中：G4為旅游污染排放量(t)，N4為旅游人數(shù)(萬人)，F(xiàn)4為旅游污染排放系數(shù)(g·d-1·人-1)，d為旅游時間(d)。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流排污分析

當(dāng)?shù)啬杲邓繛? 181 mm，根據(jù)氣候和土壤等實際情況，結(jié)合系數(shù)公式與農(nóng)田徑流系數(shù)文獻(xiàn)[15-16]，選取徑流系數(shù)如下：農(nóng)田徑流系數(shù)0.7，茶園徑流系數(shù)0.5，林地徑流系數(shù)0.35。已知農(nóng)田面積為47.68 km2，茶園面積為28.75 km2，林地面積為105.42 km2。依據(jù)對應(yīng)公式，估算水庫區(qū)域內(nèi)徑流污染氮、磷排放量，結(jié)果見表1。徑流排放的總氮、總磷分別為250.82、12.88 t·a-1。在農(nóng)業(yè)面源污染徑流排污中，氮、磷負(fù)荷貢獻(xiàn)排序均為農(nóng)田排放>茶園排放>林地排放，農(nóng)田排放的總氮、總磷占比分別為44.79%和61.18%。沙河水庫流域內(nèi)茶園土壤面積僅為28.75 km2，在全部土壤中占比僅為15.8%，但其排放的總氮、總磷占比卻分別為41.70%和31.68%，可見茶園徑流是水庫區(qū)域內(nèi)徑流排污的主要貢獻(xiàn)者。

2.2 養(yǎng)殖排污分析

當(dāng)?shù)匦笄菽甏鏅诹控i200頭、雞50 550只，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量為3 012 t。根據(jù)污染系數(shù)，基于相應(yīng)公式，估算水庫范圍內(nèi)養(yǎng)殖的氮、磷排放量，結(jié)果見表2。畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖的總氮、總磷排放分別為48.45、9.50 t·a-1，以畜禽養(yǎng)殖(特別是家禽類)為主。養(yǎng)殖排污在總量上少于徑流排污，特別是在總氮方面，排污量僅為徑流排污量的19.32%。

表2 畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖的氮、磷排放量 單位：t·a-1

2.3 生活排污分析

天目湖沙河水庫流域內(nèi)常住人口為4.88萬，年旅游人數(shù)中1日游120萬人，2日游360萬人。根據(jù)流域人口和旅游人數(shù)，計算得到生活污染源的氮、磷排放量，結(jié)果如表3所示。區(qū)域內(nèi)生活污水的總氮、總磷排放分別為150.66、14.61 t·a-1。其中，常住人口的總氮、總磷排放分別為103.88、10.12 t·a-1，分別占總生活排污的68.95%和69.27%。由此可見，常住人口生活排污是居民生活污染排放的主要貢獻(xiàn)者。

表3 生活污染的氮、磷排放量 單位：t·a-1

2.4 水庫面源污染負(fù)荷分析

匯總各類型面源污染氮、磷排放情況，結(jié)果如表4。沙河水庫流域面源污染總氮、總磷排放分別為449.93、36.99 t·a-1。農(nóng)田排放、茶園排放和生活排污是總氮的主要貢獻(xiàn)源，分別占比24.97%、23.24%和23.09%；生活排污和農(nóng)田排放是總磷的主要貢獻(xiàn)源，分別占比27.36%和21.30%。

表4 面源污染的氮、磷排放量 單位：t·a-1

3 小結(jié)

沙河水庫流域面源污染中總氮、總磷排放分別為449.93、36.99 t·a-1，農(nóng)業(yè)面源污染和生活排污為主要污染來源。農(nóng)業(yè)面源污染以茶園和農(nóng)田為主，其中茶園的貢獻(xiàn)更為突出，流域內(nèi)15.8%的茶園土壤排放的總氮和總磷占據(jù)徑流污染的41.70%和31.68%，應(yīng)作為控制的重點。