李慧菁,賈爾恒·阿哈提,程艷新疆環境保護科學研究院,新疆烏魯木齊830011
烏倫古湖流域污染負荷估算
李慧菁,賈爾恒·阿哈提*,程艷
新疆環境保護科學研究院,新疆烏魯木齊830011
根據2012年烏倫古湖流域污染源的調查結果,結合不同類型污染源的產污系數,采用排污系數法估算流域內點源、面源和內源的CODCr、氨氮、TN、TP的污染負荷,分析污染源的貢獻率和分區排放特征。結果表明,烏倫古湖流域CODCr、氨氮、TN、TP等污染物的排放量分別為56 383.00、6 821.63、20 453.64和2 538.18 t/a;污染物主要來自面源,且以畜禽養殖、農田徑流及水土流失污染為主,特別是畜禽養殖的CODCr和TP的貢獻率均超過60%,今后應將畜禽養殖、農田徑流及水土流失污染作為重點控制的污染源;污染物排放的主要區域在福海縣,該縣對流域污染負荷貢獻率達45%以上,是污染防治的重點區域。
污染源;污染負荷;估算方法;烏倫古湖流域
李慧菁,賈爾恒·阿哈提,程艷.烏倫古湖流域污染負荷估算[J].環境工程技術學報,2015,5(2):121-128.
LI H J,JIAERHENG A,CHENG Y.Estimation of pollution load in Ulungur Lake Basin[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2015,5(2):121-128.
烏倫古湖流域農牧業發達,是北疆地區重要的商品糧、畜產品生產基地之一[1]。隨著人口的增長、城市規模的擴大和農牧業的迅速發展,烏倫古湖水質受到了不同程度的影響,加之烏倫古湖水循環緩慢[2],在一定程度上導致了水質的惡化[3-6]。新疆維吾爾自治區人民政府高度重視良好湖泊生態保育試點工作,于2012年設立了新疆湖泊生態環境保護試點專項,首批啟動了博斯騰湖、賽里木湖、喀納斯湖和烏倫古湖4個湖泊的生態試點工作。識別流域主要污染源和重點污染控制區域[7],是開展烏倫古湖流域生態環境保護工作的基礎。
近年來,國內外對河流、湖泊流域污染負荷的研究大多集中于非點源污染負荷的研究[8-10],對流域內各類污染源全面的研究分析比較缺乏。筆者在參考當前污染負荷估算方法相關研究成果的基礎上,結合烏倫古湖流域污染源調查結果,采用排污系數法估算了流域內點源、面源和內源的污染負荷,將其作為新疆天山北坡經濟帶的污染負荷計算方法,以期為烏倫古湖流域污染物的總量控制與削減分配提供科學依據,為流域污染的綜合管理提供技術支撐。
烏倫古湖位于新疆準噶爾盆地北部,阿勒泰地區的福海縣境內,47°01'N~47°25'N,87°01'E~87°34'E,由布倫托海(又名大湖或大海子)和吉力湖(又名拷勒湖或小湖)組成,為我國西北內陸干旱地區典型的平原盆地斷陷湖泊,也是我國十大淡水湖之一。水域總面積1 027.6 km2,其中布倫托海水面為858.9 km2,蓄水量為68.7億m3;吉力湖水面為168.7 km2,蓄水量為16.7億m3。兩湖由7 km長的庫依爾尕河連通。發源于阿爾泰山的烏倫古河為該湖主要補給水源。烏倫古河全長821 km,是一條內陸河流,流經青河縣、富蘊縣、福海縣,最終匯入烏倫古湖。1988年建成的引額濟海渠道工程,每年可從額爾齊斯河引1.85億m3水注入布倫托海。烏倫古湖流域包含青河、富蘊、福海3個縣級行政單位,涉及17個鄉鎮、2個農場和1個兵團,總面積2.68萬km2,流域地理位置見圖1。烏倫古湖是北疆唯一的沙漠湖泊,對干旱地區的氣候調節起著至關重要的作用,為人類提供了大量的生物資源、飲用和灌溉水源、休閑旅游等多種服務功能,是多種鳥類和濕地動物的棲息地。

圖1 烏倫古湖流域地理位置及入湖河流分布Fig.1Location map of Ulungur Lake basin and its main inflow rivers
2.1數據來源
以2012年為基準年,收集流域內3個縣的社會經濟、水質監測、生態環境等現狀資料,包括《2013年阿勒泰地區統計年鑒》,《2013年福海縣統計年鑒》,《新疆生態環境十年變化(2000—2010年)遙感調查與評估》,水質監測數據,阿勒泰地區環境統計、污染源普查數據,《福海縣漁業發展基本情況》,《福海縣旅游發展總體規劃》,《富蘊縣旅游業發展規劃(2008—2020年)》,《新疆青河縣三道海子旅游景區概念性總體規劃》和相關文獻的試驗數據。
2.2計算方法
烏倫古湖流域包括點源、面源及內源污染3類污染源。點源污染主要包括工業、城鎮生活以及規模化養殖等污染;面源污染主要包括農村生活、分散畜禽養殖、農田徑流、水土流失、旅游、湖面干濕沉降等污染[11-12];內源污染主要是湖泊水產養殖污染。分別估算流域內各類污染源中CODCr、氨氮、TN、TP的污染負荷。
工業污染源。根據流域內工業、企業污染源現狀調查,整理分析阿勒泰地區環境統計、污染源普查數據得到。
城鎮生活和農村生活污染源。包括污水污染物產生量和垃圾污染物產生量。
污水污染物產生量Gp=3 650×N×Fp式中:Gp為生活源水污染物年產生量,kg/a;N為人口,萬人;Fp為生活源水污染物產生系數,g/(d·人)。垃圾污染物產生量Wp=0.365×N×Fw
式中:Wp為居民生活垃圾年產生量,104t/a;Fw為居民生活垃圾產生系數,kg/(人·d)。
畜禽養殖污染源。在養殖業方面,主要考慮畜禽排泄的糞尿及其他廢棄物對水環境的影響。從烏倫古湖流域目前的情況來看,養殖業主要包括牛、馬、羊、豬、駱駝等牲畜。畜禽養殖活動包括規模化養殖和分散養殖,其中規模化養殖占總養殖量的40%。根據統計年流域內三縣的牲畜存欄量和草場面積比例,估算畜禽養殖量。通過畜禽量與產污系數相乘計算畜禽養殖污染物產生量[13]。計算公式:式中:Gb為畜禽年污染物排放量,t/a;n為養殖數量,頭;t為飼養周期,d;Fi為個體糞尿排泄系數,kg/(d·頭);Ci為糞尿中污染物平均濃度,kg/t。

農田徑流污染源。根據流域內農作物總播種面積和農田的污染源強系數估算。農田徑流污染負荷=農田面積×標準農田源強系數。
水土流失污染源。根據水土流失面積和土壤中總氮、總磷濃度進行估算。水土流失污染負荷=水土流失面積×土壤中污染物濃度×流失率。
湖面干濕沉降污染源。污染物可通過降水、降塵和湍流直接進入水體。大氣降塵帶來的營養物多為溶解態,易被生物吸收,因此水面降塵的污染負荷也是烏倫古湖的污染源之一。大氣沉降中氮、磷污染負荷W=P×A×10-3。式中:W為湖面年降水(或降塵)污染負荷,t/a;P為單位面積氮、磷負荷量,kg/(km2·a);A為湖面面積,km2。
旅游污染源。統計流域內旅游人數,計算游客實際用水總量,排放量按用水量的80%計算。首先計算2012年末3個縣所需床位數。住宿需求的測算公式:E=(N×η×L/T×K)×R。其中:E為總住宿床位數;N為年游客量;η為游客過夜率;L為平均住宿天數;T為年可游天數;K為床位平均利用率;R為調整系數,為滿足高峰需求而根據實際情況做的小幅調整。其次,2012年確定過夜游客的平均游覽時間為1.5 d,平均住宿天數取1.2 d,全年游覽天數以6個月(180 d)計算,床位平均利用率為70%,調整系數取1.3。再次,計算游客和賓館的用水量。采用賓館床位綜合用水指標法,即旅游散客(不住宿的游客)、賓館等旅游設施及旅游服務人員的用水均攤在賓館的每個床位的用水量上,2012年賓館的床位綜合用水指標為350 L/(床·d),按照年接待天數180 d計算。
坑塘養殖污染源。福海縣作為北疆最大的漁業生產縣,擁有豐富的水域資源和魚類資源。縣境內有水產養殖水庫、池塘128口,主要分布在一農場、烏倫古湖東部沿線、中線干渠及阿克達拉,總面積達9 600萬m2,主要包括“兩庫”(福海水庫、哈拉霍英水庫,養殖面積2 866萬m2)、坑塘35口(養殖面積5 867萬m2)、養殖秋片魚種的人工池塘91口(面積867萬m2)。境內自然坑塘主要由漁業養殖戶承包經營,引流烏倫古河和烏倫古湖蓄水進行漁業養殖。各類漁業養殖方式的平均排水量為:人工秋片魚養殖2.25 t/m2、人工坑塘養殖0.26 t/m2、自然坑塘養殖0.015 t/m2、水庫養殖0.015 t/m2。各類漁業養殖污染物排放量=平均排水量×水中污染物濃度。
湖泊水產養殖污染源。烏倫古湖流域內湖泊水產養殖集中在烏倫古湖。目前魚類資源主要包括白斑狗魚、河鱸(五道黑)、梭鱸(十道黑)、東方歐鳊、貝加爾雅羅魚、青魚、草魚、鰱魚、鳙魚和池沼公魚十大類,其中尤以四大家魚和池沼公魚數量居多,河鱸和梭鱸較少。根據《2013年福海縣統計年鑒》和《福海縣漁業發展基本情況》可知,2012年水產品產量為5 362 t,年均增加量為720.7 t,以及主要魚類所占比例(白斑狗魚3.75%;河鱸0.7%;梭鱸1.1%;東方歐鳊4.7%;貝加爾雅羅魚0%;青魚、草魚、鰱魚、鳙魚和池沼公魚各占17.95%)。按照《第一次全國污染源普查水產養殖業污染源產排污系數手冊》規定計算湖泊水產養殖內源污染物排放量:污染物排放量=排污系數×養殖增產量。
2.3產污系數
2.3.1農村與城鎮生活污染源產污系數
農村與城鎮生活污染源產污系數見表1。其中,城鎮生活污水排放量和污水污染物產污系數根據《生活源產排污系數及使用說明》確定;農村居民生活污水排放量和污水污染物產污系數參考《江西省飲用水水源地環境保護規劃》確定;農村與城鎮生活垃圾產污系數根據《第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊》確定;垃圾中污染物產污系數參考相關文獻確定。生活污水排放量數據和污水污染物產污系數見文獻[14-15],生活垃圾產生系數和垃圾中污染物產污系數見文獻[16-17]。

表1 農村與城鎮生活污染源產污系數Table 1Excretion coefficient of rural and urban life
2.3.2畜禽養殖產污系數
畜禽污染物產污系數參考相關文獻[15]確定,糞尿產污系數見表2。

表2 畜禽糞尿產污系數Table 2Excretion coefficient of livestock manure
2.3.3農田徑流產污系數
標準農田[15]指的是平原,種植作物為小麥,土壤類型為壤土,化肥施用量為0.037~0.052 kg/(m2·a),降水量為400~800 mm的農田;標準農田源強系數為CODCr0.015 kg/(m2·a),氨氮0.003 kg/(m2·a),總氮0.005 kg/(m2·a),總磷0.001 kg/(m2·a)。烏倫古湖流域的農業種植結構以小麥、旱地為主,流域內耕地單位面積化肥的使用量[18]為0.038 kg/(m2·a),基本達到全國化肥農田氮肥推薦的安全施用量(0.037 kg/(m2·a)),源強系數采用標準農田源強系數。
2.3.4水土流失產污系數
烏倫古湖流域水土流失程度達中度及其以上的流失量為1 632.95萬t[19]。其中,單位質量的土壤中總氮所占比例為0.079%,總磷濃度為6 mg/kg,土壤中氮磷流失率以0.5計[18]。
2.3.5大氣沉降產污系數[18]
烏倫古湖流域耕地較多,農田化肥施用量較高,植被遭到一定破壞,降水年際變化比較大,夏季多、春秋少,屬于干旱區,空氣相對濕度小,年降雨量僅為400~800 mm。因此,大氣沉降強度TN為510 kg/(km2·a),TP為12 kg/(km2·a)。由此計算得到大氣沉降的污染負荷。
2.3.6旅游污染源產污系數[18]
烏倫古湖流域內景區的生活污水水質按CODCr為400.0 mg/L、氨氮濃度為30.0 mg/L、TN濃度為50.0 mg/L、TP濃度為9.0 mg/L估算旅游污染物產生量。
2.3.7湖泊水產養殖污染負荷
根據《第一次全國污染源普查水產養殖業污染源產排污系數手冊》確定不同魚種的產污系數,結果見表3。

表3 不同魚種產污系數Table 3Excretion coefficient of different fish speciesg/kg
3.1各類污染負荷及污染源的貢獻率
通過計算流域內點源、面源和內源的污染負荷,得出烏倫古湖流域各類污染負荷排放結果(表4),不同類型污染負荷排放比例見表5。
由表4和表5可見,烏倫古湖流域污染負荷CODCr、氨氮、TN、TP排放量分別為56 383.00、6 821.63、20 453.64和2 538.18 t/a。分析污染負荷排放現狀可知,烏倫古湖流域各類污染物負荷的排放量的70%以上來自面源。其中,CODCr主要來自分散畜禽養殖、農田徑流和規模化畜禽養殖,三者占CODCr總排放量的91.15%,氨氮主要來自農田徑流、分散畜禽養殖和規模化畜禽養殖,占總排放量的94.14%;TN主要來自農田徑流、水土流失、分散畜禽養殖和規模化畜禽養殖等;TP主要來自分散及規模化畜禽養殖和農田徑流。在其他的排放源中,坑塘養殖、城鎮生活污水、農村生活污水等污染源排放的CODCr、TN、TP氨氮等污染負荷量相對較大。綜上所述,烏倫古湖流域污染主要由面源污染所致。從污染源類型來看,畜禽養殖、農田徑流及水土流失污染是烏倫古湖流域污染的主要來源,需要重點控制。畜禽養殖污染貢獻率最大,其中,CODCr、TP的貢獻率超過60%,主要由分散養殖畜禽糞尿的隨意排放以及規模化養殖場的畜禽糞尿不經過無害化處理而直接隨意排放所致。這與流域內的生產方式和生態環境密切相關[20],計算結果基本反映了烏倫古湖流域污染排放的實際狀況。

表4 2012年烏倫古湖流域污染負荷計算結果Table 4Calculation of pollution load of the Ulungur Lake basin in 2012t/a

表5 烏倫古湖流域不同類型污染負荷所占比例Table 5Load percentage of various pollution in the Ulungur Lake basin%
3.2污染源分區排放特征
根據烏倫古湖流域內的污染源分布與入湖河流的位置,結合所轄縣域的行政邊界,將流域污染源劃分為6個區(圖2),分別是Ⅰ-青河區;Ⅱ-富蘊區;Ⅲ-福海1區、Ⅲ-福海2區、Ⅲ-福海3區、Ⅲ-福海4區。各區污染負荷所占比例見圖3。

圖2 烏倫古湖流域入湖污染源分布Fig.2Distribution of inflow pollution in Ulungur Lake basin

圖3 烏倫古湖流域不同區域污染負荷所占比例Fig.3Different regions of the pollution load proportion in Ulungur Lake basin
從來源分布來看,烏倫古湖流域約有45%~50%的污染物主要在福海縣境內產生,說明污染物排放的主要區域在福海縣,且集中在人類活動較劇烈的福海4區及距離湖泊較近的福海2區、福海3區優先開展面源污染防治能起到更好的污染負荷削減效果。
通過分析污染負荷的排放特征,可知烏倫古湖流域經濟發展和環境污染的矛盾依然尖銳,湖泊流域生態環境的壓力依然巨大。分析原因,主要基于以下幾個方面:從烏倫古湖流域產業結構看經濟發展方式粗放,第一產業比重較大,且以種植業和畜牧業為主,水資源利用矛盾加劇,烏倫古河出現斷流[21],局部水土流失;流域內長期超載放牧,導致烏倫古河沿岸、環湖周邊大量天然林草退化,致使湖泊流域生態屏障受損;隨著烏倫古湖流域畜禽養殖規模和耕地數量的不斷增加,相應的畜禽廢物排放量和農業污染負荷必將持續增大,也必將導致入湖污染物的不斷增加;流域內農業徑流、畜禽養殖污染的防治程度均不高,治理水平較低,大多數小型規模的養殖場沒有科學合理的處理手段,畜禽糞尿不經過無害化處理而直接隨意排放;分散養殖的畜禽糞尿不容易收集,利用率更低。有機物和氮素營養污染負荷高,湖泊長期處于中營養水平。
因此,畜禽養殖、農田徑流及水土流失污染成為烏倫古湖流域污染控制的重點。污染防治應從2個方面著手:1)從污染物來源上控制,一控畜禽養殖污染,調整養殖結構,積極推進適度規模的養殖場和養殖小區建設,逐步取締分散養殖,推廣畜禽養殖業糞便綜合利用和處理技術,鼓勵建設養殖業和種植業緊密結合的生態工程,積極發展農村沼氣、有機肥制造,使畜禽糞便減量化、無害化和資源化;二控農田徑流污染,積極引導和鼓勵農民使用測土配方施肥和精準農業等技術來降低化肥施用量,推廣使用生物農藥或高效、低毒、低殘留農藥,采取灌排分離等措施控制農田氮磷流失;三控水土流失,如優化流域產業結構,減少高耗水農業生產比例,發展有機生態農業、休閑觀光農業,加大植樹造林力度。2)降低污染物遷移轉化過程對湖泊造成的污染,增強對面源污染物的攔截凈化功能。對入湖河流沿線保護區以及環湖周邊保護區,實施退化草地以及湖濱帶修復工程,增加河水入湖前攔蓄泥沙、過濾污水的凈化功能,大大降低氮磷等營養物質進入水體。
(1)給出了烏倫古湖流域各類污染源的產污系數,采用排污系數法計算了污染負荷排放量,該方法和污染源的產污系數可為新疆天山北坡經濟帶河流、湖泊流域的污染負荷估算提供參考。
(2)烏倫古湖流域CODCr、氨氮、TN、TP的排放量分別為56 383.00、6 821.63、20 453.64和2 538.18 t/a。從污染源類型來看,烏倫古湖流域各類污染物負荷的70%以上來自面源,主要是畜禽養殖、農田徑流及水土流失污染。從來源分布來看,約有45%~50%的污染物主要在福海縣境內產生,說明福海縣是污染物排放的主要區域,需要重點防治。
(3)造成流域污染負荷增加的主要原因包括2個方面:1)流域內以種植業和畜牧業為主,相應的農田徑流污染和畜禽廢物排放量較大,且污染物治理水平較低,畜禽糞尿大部分未經無害化處理而直接隨意排放;2)流域內長期存在超載放牧,且水資源利用矛盾不斷加劇,烏倫古河中下游經常發生斷流,水土流失加劇,湖濱帶對污染物的攔截凈化功能降低。污染防治可以從2個方面著手:1)調整養殖結構,推廣畜禽養殖業糞便綜合利用和處理技術,使畜禽糞便減量化、無害化和資源化;采用測土施肥和精準農業等技術來降低化肥施用量,控制農田氮磷流失;優化流域產業結構,減少高耗水農業生產比例,保持入湖水量,遏制土地沙化,降低水土流失。2)對入湖河流沿線保護區以及環湖周邊保護區,開展流域退化草地以及湖濱帶修復工程,降低氮磷等營養物進入水體。
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Estimation of Pollution Load in Ulungur Lake Basin
LI Hui-jing,JIAERHENG Ahati,CHENG Yan
Xinjiang Academy of Environmental Protection Science,Urumqi 830011,China
According to 2012 pollution sources survey results in Ulungur Lake basin,in combination of pollution generation coefficients of different types of polluting sources,and using the discharge coefficient method,the pollution loads of chemical oxygen demand(CODCr),ammonia nitrogen,TN and TP of point sources,non-point sources and endogenous sources were estimated,and the contribution rates and the partition discharge characteristics of the polluting sources analyzed.Results show that the discharge of CODCr,ammonia nitrogen,TN and TP was 56 383.00 t/a,6 821.63 t/a,20 453.64 t/a and 2 538.18 t/a,respectively.In Ulungur Lake basin,the pollutants mainly came from non-point sources,with soil erosion,agricultural runoff and livestock and poultry breeding being the major sources.The contribution rates of CODCr,TP from livestock and poultry breeding were both over 60%.From now on,soil erosion,agricultural runoff and livestock farming industry should become key elements to control pollution.The main area of pollutant discharge was Fuhai County,which contribution rate was more than 45%,and thus the county was the key area of pollution prevention.
pollution source;pollution load;assessment methods;Ulungur Lake basin
X821
1674-991X(2015)02-0121-08doi:10.3969/j.issn.1674-991X.2015.02.018
2014-12-02
烏倫古湖生態環境保護試點實施方案
李慧菁(1986—),女,工程師,碩士,研究方向為環境水力學,xjlhjing@163.com
賈爾恒·阿哈提(1962—),男,高級工程師,主要從事水環境管理工作,jiaerheng@vip.sohu.com