海河流域農村非點源污染現狀及空間特征分析

邱 斌,李萍萍,鐘晨宇,陳 勝,孫德智 (北京林業大學環境科學與工程學院,北京 100083)

海河流域農村非點源污染現狀及空間特征分析

邱 斌,李萍萍,鐘晨宇,陳 勝*,孫德智 (北京林業大學環境科學與工程學院,北京 100083)

采用污染排放系數法估算了2008年海河流域農村生活源、畜禽分散養殖、農田化肥流失3個主要農村非點源COD、TN、TP和NH3-N 4種污染物的排放量,并對其排放強度和空間分布特征進行了分析.結果表明,海河流域農村非點源污染源排放 COD、TN、TP和NH3-N總量分別為2435826, 3042079, 540568, 1798760t/a,平均排放強度分別為11.10, 13.97, 2.98, 8.28t/(km2·a).海河流域內河北省的3個農村非點源的4種污染物排放量均居首位,農村居民生活源對海河流域非點源污染貢獻最大,是流域非點源污染控制最主要的對象;子牙河水系農村非點源污染物排放總量最大,而徒駭馬頰河水系排放強度最大,是海河流域內污染最嚴重的水系,其首要非點源污染源是山東省的農村生活源.流域內非點源污染排放量和排放強度均呈現區域性分布,山區和平原區分別呈現出低污染等級和高污染等級.

海河流域；農村非點源；空間分布特征

海河流域跨8省區市,包括北京、天津、河北絕大部分、河南北部、山西東部、山東北部、內蒙古東部及遼寧小部分,共 232個縣,總面積3.18×105km2.海河流域在國家經濟社會發展過程中具有重要戰略地位,其中的京津冀都市圈是我國的政治文化中心和經濟發達地區.隨著經濟社會的發展,環境污染問題日益突顯,成為全國污染最嚴重的流域之一[1].“十一五”期間,通過對點源污染進行結構減排、工程減排、管理減排來實現流域的減排目標,而結構減排和工程減排在“十二五”期間的空間已較小,因此實現減排目標的重要措施聚焦在對流域面源的有效管理,尤其是農村非點源污染,已成為水環境污染主要來源和控制關鍵,嚴重影響了生態環境和制約社會經濟發展

[1-2],成為不少地區水環境惡化的主要原因[3].

針對海河流域農村非點源污染研究主要集中在某單一非點源,比如對農村居民生活源[4]、畜禽養殖業[5]和種植業[6-7]等污染排放負荷估算的研究,缺少從整體上對海河流域農村非點源排放特征識別和排放強度空間分布的綜合研究.本研究結合全國第一次污染源普查,采用排污系數法估算海河流域2008年農村非點源污染排放量,診斷流域中 9個水系的農村非點源污染程度,并通過各區域污染排放總量和排污強度空間分布特征分析,識別農村污染控制的優先區域,為海河流域農村非點源污染源有效管理和控制提供依據.

1 海河流域農村非點源基本情況

非點源污染是造成海河流域水體污染的一個重要因素.農村非點源污染是指農村生活和進行農業生產的過程中產生的污染物,在降水或灌溉過程中,通過農田地表徑流和農田排水等途徑匯入地表水體引起的有機物、氮和磷污染[8],主要包括農村生活源污染、農村畜禽養殖、農田化肥等[9].

通過查閱《中國統計年鑒》(2008)、《中國農村統計年鑒》(2008)和《中國人口統計年鑒》(2008)等資料中關于海河流域基本情況,確定海河流域農村非點源污染源調查的主要項目為農村人口數量、農村畜禽養殖情況(豬、牛、羊、家禽存欄/出欄量)、農田化肥使用情況(氮肥、磷肥和復合肥料施用量).通過現場調研、實地監測和查閱資料,得到海河流域農村非點源排污單元基本情況,見表1.

表1 2008年海河流域各行政區農村非點源基本數據Table 1 Elemental data of rural NPS of different administrative divisions in Haihe River Basin in 2008

2 海河流域農村非點源污染排污量估算方法

采用排污系數法對海河流域農村非點源污染排放量進行估算.首先將海河流域按照水系劃分為9個二級區域.因為農村非點源排放受地形等因素影響較大,因此再將各水系劃分為山區和平原區2個3級區域,在每個3級區利用集總模型[10]進行計算,考慮各個分區之間的相互關系,進行區域加和[11-13].本文以縣為基本排放單元,處于相同3級區域的各縣市排放量直接相加即得到3級區域總排放量.在3級區域污染排放量估算時,選擇適宜的排污系數是正確計算的關鍵.參考第一次全國污染源普查產排污系數手冊及相關文獻[4-7],考慮到各區域地理和氣候條件及經濟發展水平等因素,依照分類原則確定排污系數.農村生活源考察了農村生活污水、生活垃圾和尿糞的排放,生活污水排放系數見表2,海河流域垃圾產生量為0.29kg/d[14],生活垃圾中污染物含量為:TN 26.6g/kg, TP 9.1g/kg,人糞排污為 0.25kg/(人·d),尿 1.0kg/(人·d),人糞尿的排污系數為:TN 30.60kg/a, TP 5.24kg/a, COD 19.80kg/a;畜禽養殖考察了北方地區主要畜禽種類(豬、牛、羊、家禽)的排污情況;北方地區以玉米和小麥一年2熟的作物種植為主,因此農田化肥流失主要考察了該種種植模式下農田化肥隨地表徑流和地下滲透流失系數,各污染源排放系數見表2～表5.

表2 海河流域農村生活污水排放系數 [g/(人·d)]Table 2 The emission coefficient of rural sewage in Haihe River Basin [g/(person·d)]

表3 海河流域畜禽養殖源污染排放系數 [g/(頭·d)]Table 3 The emission coefficient of livestock in Haihe River Basin [g/(tou·d)]

表4 海河流域農田化肥污染流失系數 (%)Table 4 The emission coefficient of fertilizer in Haihe River Basin (%)

表5 海河流域農村非點源污染排放量計算Table 5 Calculation method of rural NPS pollutant emission in Haihe River Basin

3 結果與討論

3.1 海河流域農村非點源污染排放清單

2008年海河流域共接納流域7省區市農村非點源排放COD, TN, TP, NH3-N分別為2435826, 3042079, 540568, 1798760t,與文獻[4-7]估算量接近.其中COD和NH3-N排放是流域點源排放量的1.9倍和14倍(2008年海河流域點源排放COD和NH3-N分別為1292374t和123610t[15],可見NH3-N是流域農村非點源控制最主要的指標.如表6所示,河北省3種污染源的各項指標排放量均為流域最大,4項指標分別占流域總排放量的 55.34%、56.96%、56.98%和57.02%.

海河流域中農村居民生活源排放占農村非點源放污染物量的比例最大, COD, TN, TP, NH3-N排放量分別占流域排放總量的85.60%、96.12%、98.08%和97.93%,是海河流域農村非點源污染最主要的來源和控制對象.海河流域地處華北地區,水資源匱乏,人均用水量僅為81 L/d.海河流域污水產生系數僅為 27.5%[16],部分水留用澆地、畜禽用水、沖廁等用途,因此生活用水污染產生系數較小;但海河流域農村人體糞尿主要以旱廁和簡易廁存儲,僅北京和天津農村水沖廁所占比例較大,而有沼氣池的村占比很少,農村80%以上的糞便被作為農肥還田,隨著雨季農田地表徑流和水土流失會造成較為嚴重非點源污染;而流域內農村缺乏垃圾處理設施,除北京和天津外大部分區域農村垃圾是直接露天排放,增加了農村居民非點源污染排放.隨著流域內經濟水平的增長、農村生活水平的提高,居民生活源排放污染物量將呈現增長趨勢.

據調查,海河流域農村畜禽散養排放的污染物質大部分被當作肥料還田,由于畜禽糞便在土壤中停留時間較長,不被充分利用而產生污染.海河流域畜禽分散養殖排放COD, TN, TP, NH3-N分別占流域總量的14.4%, 1.53%, 0.66%, 1.68% (表 6).研究表明,中國畜禽產品的收入彈性為正,這意味著隨著中國人口和居民收入的增加,畜禽養殖將繼續發展[17],養殖規模的擴大導致畜禽糞尿排泄量日益增多,未經處理的畜禽糞便被隨意堆放,造成大量養分流失,帶來嚴重的環境污染隱患和巨大的環境壓力.

表6 2008年海河流域非點源污染物排放清單(t)Table 6 Pollutants emission of NPS in Haihe River Basin in 2008 (t)

農田化肥TN、TP和NH3-N流失量分別占流域總量的2.35%、1.26%和0.39%,這主要包括農田化肥隨著地表徑流和地下滲流方式的流失量.由 2008農村統計年鑒可知,海河流域耕種面積共 1.6×107hm2,海河流域主要糧食作物是玉米和小麥,分別占糧食作物總播種面積的46.60%和38.11%,都屬于一熟作物,且海河流域大部分處于以旱地為主的華北平原,所以農田化肥流失系數較小.旱地土壤中硝化作用強烈,殘留在土壤中的無機氮主要以硝態氮的形式存在,極易在土壤中發生遷移,被淋溶到作物根區以下;磷易被土壤吸附固定,但在雨季地表營養物質會隨地表徑流和滲流而流失.

綜上所述,在整個海河流域非點源污染源的構成上,農村生活源是海河流域的主要非點源污染源,其對流域污染物排放貢獻率最大;在整個海河流域非點源污染源的空間分布上,河北省對海河流域農村非點源污染貢獻最大.

3.2 海河流域各水系農村非點源污染診斷

海河流域共包括灤河、北三河、永定河、大清河、子牙河、漳衛河、黑龍港運東、徒駭馬頰河和海河干流9大水系.由圖1a可知,子牙河水系是海河流域內農村非點源排放COD總量最大的水系,其次是漳衛河水系、徒駭馬頰河水系、大清河水系、灤河水系、黑龍港運東水系、永定河水系、北三河水系和海河干流,分別占流域排放總量的23.28%、17.73%、16.28%、13.87%、8.14%、6.75%、5. 71%、4.59%和3.65%.同時從圖1也可看出,各水系TN、TP和NH3-N排放量分布情況和COD分布基本一致.

海河流域內除了海河干流單獨流經天津市外,其他各水系均流經2個或者3個省市,從圖1可知,子牙河水系農村污染源排放污染物最多,COD, TN, TP, NH3-N受納分別占流域總量的23.28%, 24.51%, 24.54%, 24.55%,是海河流域污染排放量最大的水系.子牙河水系主要流經山西省和河北省,流經河北省的大部分區域處于平原地區,河北省各指標排放量均高于總排放量的90%,對子牙河污染貢獻最大.從表6可知,河北省農村生活源排放污染物占該水系總量的比重最大,因此河北省農村生活源是該水系農村非點源污染排放最主要的來源.

圖1 2008年海河流域各省市向九大水系排污情況Fig.1 Pollutants emission to the nine major river systems from the seven provinces in Haihe River Basin in 2008

3.3 海河流域非點源污染空間分布特征

海河流域內農村非點源污染(COD、TN、TP和NH3-N)排放總量、排放強度的最大值(maxE、maxEI)、最小值(minE、minEI)、平均值(μE、μEI)以及統計頻率分布,根據均值和頻率將海河流域各非點源污染源物排放劃分為4個等級,其中排放量 I, II, III, IV級劃分區間為[minE,1/2μE], [1/2μE,μE], [μE,2μE], [2μE,maxE],排放強度I, II, III, IV 級劃分區間[minEI,1/5μEI], [1/5μEI, μEI],[ μEI, 2μEI] [2μEI,maxEI],海河流域 COD、TN、TP和NH3-N排放總量、排放強度分布如圖2和圖3所示.

從圖2可以看出,海河流域各地市農村非點源污染排放總量在空間上呈現較強的區域性分布,說明海河流域農村非點源污染是一個區域性的問題.從總體來看,流域內西部和北部山區污染物排放均處于較低的等級,而平原區域污染物排放量均較大,處于較高的污染等級.

海河流域各排放單元排放強度跨度較大, COD, TN, TP, NH3-N排放強度范圍分別為0.49～39.32, 0.71～48.88, 0.12～26.09, 0.42～28.73 t/km2.由圖3可知,海河流域西部北部山區排放強度明顯小于東部平原區,海河流域山地區域COD, TN, TP, NH3-N排放強度分別8.33, 10.61, 1.89, 6.40t/km2,而平原區域 4個指標排放強度分別為12.45, 15.57, 2.84, 9.34t/km2,均為山區排放強度的 1.5倍左右.大城市周邊縣市污染排放強度較大,其中河南省新鄉市周邊縣市排污強度最高,新鄉縣COD, TN, TP, NH3-N分別高達39.3, 48.88, 8.68, 28.74t/km2.海河流域山區除了大同市、忻州市、張家口和承德市市區外,其周圍縣市排放強度處于Ⅱ級,其他區域均處于Ⅰ級區域.華北平原污染排放強度絕大部分處于第III和IV級,是海河流域農村非點源控制的主要區域,該區域中北京市和天津市雖然農業比重小,但是由于農業高度集約化等因素的影響,兩市的非點源污染排放強度均處于第Ⅱ和 IV級.從各水系區域看,徒駭馬頰河水系從起源到入海流經的區域都屬于污染強度較高的區域,該水系COD, TP, NH3-N分別為14.59, 3.33, 10.90t/km2,均高于流域其他水系平均排放強度.因此徒駭馬頰河水系為流域內污染最嚴重的水系,是流域內農村非點源污染控制最主要的水系.其次是漳衛河水系,該水系 TN排放強度為 18.35t/km2,為流域最高值,COD, TP, NH3-N 平均排放強度分別為 14.46, 3.27, 10.80t/km2.而灤河和永定河水系因大部分處于污染排放強度較低的山區,為流域內農村非點源污染最小的區域.

圖2 2008年海河流域農村非點源排放總量分布Fig.2 The spatial distribution of rural NPS pollution emission in Haihe River Basin in 2008

圖3 2008年海河流域農村非點源污染排放強度分布Fig.3 The spatial distribution of rural NPS emission intensity in Haihe River Basin in 2008

如圖 4所示,除灤河水系外,各水系平原區農業非點源排放量均大于山區排放量.平原地區人口密度大、經濟水平高,農村居民生活源排放高,加之該區域畜禽養殖密度高和農業相對發達,導致平原區農業非點源污染排放量大.海河干流、黑龍港運東和徒駭馬頰河水系大部分流經平原區,所以其排放量均較大.灤河水系90%以上是山區,所以該水系山區 COD、TN、TP和NH3-N排放占總量的61.59%、60.29%、60.42%和60.51%.

4 結論

4.1 海河流域農村非點源污染排放總量大, COD, TN, TP, NH3-N 總量分別為 2435826, 3042079, 540568, 1798760t/a,NH3-N是海河流域農村非點源污染控制最主要的指標;居民生活源占流域農村非點源污染排放總量比重最大,是流域非點源污染控制最主要的對象.

4.2 河北省農村非點源污染排放最多, COD, TN, TP, NH3-N分別占流域總排放量的55.34%, 56.96%, 56.98%, 57.02%;子牙河水系污染物排放總量最大,而徒駭馬頰河水系污染排放強度最大,是流域內農村非點源污染控制最主要的水系.

4.3 流域農村非點源污染排放強度呈現區域性分布,西部和北部山區COD, TN, TP, NH3-N排放強度分別8.33, 10.61, 1.89, 6.40t/km2,平原區域4個指標排放強度分別為 12.45, 15.57, 2.84, 9.34t/km2,均為山區排放強度的1.5倍左右.

圖4 各水系3級區域污染物排放情況Fig.4 Pollutants discharge of NPS in each district

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Characteristics and spatial distribution of the rural non-point source pollution in Haihe River Basin.

QIU Bin, LI Ping-ping, ZHONG Chen-yu, CHEN Sheng*, SUN De-zhi (College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：564～570

The emission characteristics of COD, TN, TP and NH3-N in Haihe River Basin which were discharged from three main kinds of rural non-point sources (NPS) including rural sewage, livestock and fertilizer loss were evaluated using pollution emission coefficient based on the national and provincial statistics in 2008, and the emission intensities and spatial distribution were analyzed. Total COD, TN, TP and NH3-N emission were 2435826, 3042079, 540568, 1798760 t/a, and emission intensities were 11.10, 13.97, 2.98, 8.28 t/(km2·a), respectively. The maximum NPS emission was from Hebei Province among the seven provinces in Haihe River Basin, and the rural sewage became the largest and top-priority controlling pollution sources among three kinds of NPS. Ziya River System was the largest receiving water of NPS pollutants among the nine river systems in Haihe River Basin. Tuhaimajia River System suffered from the largest NPS emission intensity and became the most heavily polluted river system, which was mainly resulted from the rural sewage discharged from Shandong Province. Moreover, the NPS pollutants emissions and emissions intensity were significantly regional distribution, the mountainous area presented a low pollution level and the plain area presented a high pollution levels.

Haihe River Basin；non-point source (NPS)；spatial distribution

X32

A

1000-6923(2012)03-0564-07

2011-06-03

國家科技重大專項“水體污染控制與治理”資助(2008ZX07209－010)

* 責任作者, 副教授, hitchensheng@126.com

邱 斌(1988-),男,羌族,四川阿壩州人,北京林業大學碩士研究生,主要從事污水生物處理技術研究.發表論文2篇.