西山島小流域農業非點源污染負荷估算與控制

胡承婷 李建華

摘 要 為研究蘇州市西山島農業非點源污染現狀，運用優化后的輸出系數法模型，對西山島金庭鎮2018年的非點源污染進行估算。非點源污染COD、總氮、總磷的年輸出總量分別為91.65 t、20.14 t、4.66t。日常污水和果茶園是COD的主要污染源，生活垃圾和果茶園是總氮的主要污染源;總磷的主要污染物來源是生活垃圾和果茶園。并且根據污染負荷輸出量的分析，對于研究區的非點源污染控制要集中在對生活污水、生活垃圾和果茶園污染3個方面，提出了相應措施和控制方法。

關鍵詞 非點源污染;輸出系數法;污染負荷估算;西山島

中圖分類號：X52 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.32.083

面源污染，又稱非點源污染（Non-point source pollution，NSP），是指污染物在降水或徑流的沖刷作用下，隨徑流匯入湖泊河流等水體而引起的污染問題，根據發生區域和發生過程的不同，分為農業面源污染和城市面源污染，而農業污染源占主導[1]。與點源污染相比，非點源污染具有污染發生時間的隨機性、發生方式的間歇性、機理過程的復雜性、排放途徑及排放量的不確定性、污染負荷的時空變異性、監測模擬與控制的困難性等特點[2]。運用輸出系數法估算非點源污染，在國內外已有許多研究[3-4]。利用相對容易得到的土地利用情況等資料，避開了對發生機理的過程研究，所需參數較少，操作簡便可行。基于此，對蘇州市西山島的總氮（TN）、總磷（TP）和COD的污染負荷進行分析，并提出了針對性治理措施和控制方法。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區域概況

蘇州市金庭鎮是我國淡水湖泊中最大的島嶼。管轄秉場村、石公村、庭山村等12個行政村。金庭鎮總人口43 667人，陸域面積82.36 km2。主島西山島，陸地面積79.8 km2，南北寬11 km，東西長15 km，湖岸線逶迤曲折，長達50 km。金庭屬北亞熱帶濕潤性季風氣候類型，四季分明、溫暖濕潤、降水豐沛、日照充足和無霜期較長。年平均溫度在16 ℃左右，降水一般集中在4—9月，年降水量在1 000～1 500 mm。經濟以農業為主，耕地633.3 hm2，園地1 929.9 hm2，林地1 566.87 hm2。太湖流域對于金庭鎮的經濟發展有不可缺少的作用。

1.2 研究方法

1.2.1 輸出系數法

輸出系數法是利用半分布式途徑計算流域年均污染負荷量的數學模型，最早是20世紀70年代美國和加拿大在研究土地利用-營養負荷-湖泊富營養化關系的過程中提出的，也稱為單位面積負荷法。Johnes等[3]針對早期輸出系數模型的不足，進行了改進和優化。他們對種植作物不同的耕地采用了不同的輸出系數;對不同畜禽養殖根據其數量和分布采用了不同的輸出系數;對人口的輸出系數則主要根據生活污水的排放和處理情況來選定。本研究采用張敏等[5]所改進后的模型：

式中，L：營養物（污染物）的輸出負荷;α：為降雨影響系數;λi：流域損失系數（流域損失系數=污染物入河系數×降解系數）;Ei：第i種營養源（污染來源）的輸出系數;Ai：第i類土地利用類型的面積或第i種牲畜的數量、人口數量;Ei：第i種營養源的營養物（污染物）輸入量。M為流域多年平均NPS負荷量;Mi為第i年的流域非點源污染負荷量。

1.2.2 輸出系數確定

根據統計年鑒、當地農業部門統計數據以及蘇州科技學院對金庭鎮的總體規劃現狀調查報告，金庭鎮的人口數量、農林用地（水田、旱地和果茶園）面積等基本數據見表1，金庭鎮的牲畜與水產中，豬398頭、羊211頭、家禽1.93萬羽、魚類127 t、蝦蟹類762 t。通過查閱大量關于太湖流域的文獻，并結合金庭鎮太湖流域的實際狀況，確定了蘇州市金庭鎮太湖流域非點源污染負荷的估算系數（表2），并通過公式（1）計算污染物輸出量。

（1）污染物輸出系數。金庭鎮鎮區所在的西山島是太湖流域中最大的島嶼，因此旱地和桑茶果園的COD、TN、TP輸出系數參考太湖流域的研究結果[6]，畜禽糞便污染物輸出系數參考吳一鳴等[4]的研究;關于太湖東部流域的水產養殖污染物輸出系數參考第一次全國污染源普查數據;日常生活污水和人糞尿的COD、TN、TP輸出系數參考“原國家環保局確定的太湖流域污染源調查”數據[7]。降雨影響系數根據2017年和2018年同時期西山島15條河道斷面水質指標和年徑流量，通過公式（2）計算所得。

（2）入河系數。在降雨期，旱地、桑茶果園的非點源污染負荷會隨著地表徑流一起進入水體，故在各種污染負荷的入河系數視為相同[8];畜禽糞便入和畜禽污水研究區域缺少相關研究，故參考相關文獻[4];水產養殖產生的污染物一般直接留在水體中，污染負荷視為全部入河;農村生活污水入河系數參考太湖流域相關調查數據[9]。在季度采樣時對當地居民進行訪談調查，在金庭鎮農村地區生活垃圾亂堆亂扔現象較嚴重，處理率很低，因此農村生活垃圾產生的非點源污染負荷視為全部入河。污染物降解系數：COD降解系數參考《浙江省太湖流域水功能區納污能力及限制排污總量意見方案》，TN和TP降解系數參考文獻[10]。

2 結果與分析

2.1 金庭鎮非點源污染負荷輸出總量

通過模型計算得到金庭鎮非點源污染COD、TN、TP的輸出總量分別為91.65 t、20.14 t、4.66 t。由圖1可知，果茶園和日常污水的COD輸出量最大，分別可達到48.21 t·a-1和31.89 t·a-1;生活垃圾和果茶園對TN輸出量貢獻最大，分別達到8.69 t·a-1和4.68 t·a-1;TP輸出量貢獻較大的也是生活垃圾和果茶園，輸出量分別為1.88 t·a-1和1.35 t·a-1。

將以上11個污染源分為生活污水、生活垃圾、農林用地、畜禽養殖、水產養殖五大類，并分析污染負荷比。由圖2可知，農林用地和生活污水是COD的主要污染源，貢獻率分別為57.0%、35.9%;生活垃圾和農林用地是TN的主要污染源，貢獻率分別為42.3%和27.2%，生活污水中TN貢獻率占比也達到24.5%;TP的主要污染物來源是生活垃圾和農林用地以及生活污水，分別占40.3%、31.5%和20.1%。

農村生活污水中有機物含量較高，大量COD隨著生活污水進入水體。由于農村地區生活垃圾的亂堆亂放現象嚴重，降雨時垃圾中的大量氮磷營養負荷直接釋放或者隨降雨徑流進入河湖水體。因此農村生活污染是金庭鎮非點源污染COD和氮磷負荷的重要來源。

金庭鎮果園面積占耕地面積的48.7%，茶園面積占耕地面積的31.9%，在降雨集中期，不合理的施肥方式造成果茶園和農田的氮磷流失，果茶園的COD、氮磷貢獻率分別占農林用地輸出量的92.2%、83.8%和92.2%。

2.2 研究區非點源污染控制措施

根據以上污染負荷輸出量的分析可以發現，針對研究區整個小流域的非點源污染控制要集中在對生活污水、生活垃圾和果茶園污染3個方面，具體措施如下。

1）針對農村生活污染嚴重，需要因地制宜開展農村生活污水、生活垃圾治理，各村生活污水應該建設集中式污水處理措施，生活垃圾不得排入水體。較分散的農戶采用小型一體化污水處理設施處理排放，收集處理后水就地回用或達標排放，避免村莊污水以非點源的形式入河[11-12]。

2）在農林用地方面，鼓勵農民測土配方施肥、生物防止和精準施藥技術，河流周圍一定范圍內不得種植高耗肥作物[13]。對于果茶園區域，根據金庭鎮的丘陵地貌特征和農戶個人承包種植業規模小等特點，課題組目前正在開發以模塊化生態箱組合技術為主，輔之以生態溝渠往復式植物柵格水質凈化技術、退化河道濕地水文過程調控與生態恢復技術、基于面源污染攔截的河流生態護坡與緩沖帶構建技術等形成金庭鎮果園林地面源污染截留及削減的組合技術體系，實現入河氮磷污染物的有效削減。

3 結論

通過查閱大量文獻研究、統計年鑒和當地農業部門統計數據以及蘇州科技學院對金庭鎮做的總體規劃現狀調查報告的數據，對2018年西山島金庭鎮的非點源污染進行估算。非點源污染COD、TN、TP的年輸出總量分別為91.65 t、20.14 t、4.66 t。日常污水和果茶園是COD的主要污染源，生活垃圾和果茶園是TN的主要污染源;TP的主要污染物來源是生活垃圾和果茶園。并且根據污染負荷輸出量的分析，對于研究區的非點源污染控制要集中在對生活污水、生活垃圾和果茶園污染3個方面，提出了相應措施和控制方法。

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