永定河上游張家口地區(qū)水污染物排放負荷與貢獻*

鄭 斌 張 劍 邵志江 汪 濤#

(1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；3.中國科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室，四川 成都 610041)

水污染物排放負荷的研究可以為總量控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，有利于建立科學(xué)合理的污染減排效果評估與考核方案[1]。源強系數(shù)法和輸出系數(shù)法等方法是通過調(diào)查城市生活、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生活與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染源，確定相對應(yīng)的排污系數(shù)，從而計算相對應(yīng)的污染物排放負荷的方法，具有對數(shù)據(jù)資料要求低、操作簡單等特點，但基本能夠滿足水環(huán)境評價的實際需要[2-5]。

永定河上游流域覆蓋內(nèi)蒙古、山西和河北三省，是京津地區(qū)的生態(tài)屏障。但是，由于上游地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展需水量大[6-7]，曾一度出現(xiàn)水資源短缺的情況。而且，上游地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展帶來了大量污染物排放，導(dǎo)致流域內(nèi)水環(huán)境問題突出。據(jù)趙建國等[8]在張家口地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測的12個斷面水質(zhì)多數(shù)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅳ、Ⅴ類，未達到“十三五”規(guī)劃的地表水環(huán)境Ⅲ類水質(zhì)要求。永定河上游張家口地區(qū)是官廳水庫的重要補給水源，盡管官廳水庫由于水質(zhì)問題已經(jīng)不再作為北京市的飲用水源，但官廳水庫作為北京市的備用水源地，其水質(zhì)好壞對保障首都飲水安全具有重要戰(zhàn)略意義。近年來，學(xué)者對永定河上游張家口地區(qū)的污染狀況展開了大量研究[9-14]。但是，永定河上游張家口地區(qū)水污染物的來源與貢獻尚不清楚，水污染物排放負荷的區(qū)域差異也不清楚。因此，本研究擬運用源強系數(shù)法估算永定河上游張家口地區(qū)水污染物排放負荷與貢獻，以期為永定河上游流域的生態(tài)治理和水環(huán)境恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

永定河是海河流域七大水系之一[15]，全長747 km，流域面積4.7×104km2。該流域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂颍昶骄鶜鉁?.0 ℃，年平均降雨量為393.2 mm，降雨季節(jié)分配不均，主要集中在6—9月。該區(qū)水資源主要分布在張家口壩下的永定河水系、潮白河水系、大青河水系和壩上的內(nèi)陸河水系與灤河水系。其中永定河水系、潮白河水系與北京直接相連，永定河水系官廳水庫上游的多年平均地表水資源6.3×108m3，地下水資源6.4×108m3[16]。地形地勢條件決定了永定河上游地區(qū)是京津冀城市群水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙和水土保持[17]三大功能的交匯地帶，是維護京津冀生態(tài)安全的重要屏障，在京津冀協(xié)同發(fā)展中具有不可替代的生態(tài)地位。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要包括永定河上游張家口地區(qū)各區(qū)縣人口、耕地面積、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量等，主要來源于《河北經(jīng)濟年鑒2017》與《張家口市2017年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》。工業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)水污染物排放負荷數(shù)據(jù)來源于張家口生態(tài)環(huán)境局統(tǒng)計數(shù)據(jù)。各行業(yè)排污系數(shù)分別來自《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》《全國農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊》《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》。

1.3 研究方法

城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水污染物排放負荷計算方法見式(1)：

Gp=3.65NFp

(1)

式中：Gp為城鎮(zhèn)或農(nóng)村生活污水污染物年排放負荷，t/a；N為城鎮(zhèn)或農(nóng)村常住人口，萬人；Fp為城鎮(zhèn)或農(nóng)村生活污水污染物排放系數(shù)，g/(d·人)。城鎮(zhèn)居民生活污水污染物排放系數(shù)為：COD 54.0 g/(d·人)，氨氮7.5 g/(d·人)，總磷0.65 g/(d·人)。農(nóng)村生活污水污染物排放負荷按照COD 16.4 g/(d·人)，氨氮4.0 g/(d·人)，總磷0.44 g/(d·人)計算。

旅游業(yè)污水污染物排放負荷可采用排放系數(shù)乘以旅游業(yè)接待人數(shù)進行計算，其中COD排放系數(shù)為54.0 g/(d·人)，氨氮7.5 g/(d·人)，總磷0.65 g/(d·人)。種植業(yè)面源污染物排放負荷可采用排放系數(shù)乘以耕地面積進行計算，其中總氮排放系數(shù)為4.62 kg/(hm2·a)，總磷排放系數(shù)為0.041 kg/(hm2·a)。畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放負荷為排放系數(shù)、畜禽總數(shù)、飼養(yǎng)期的乘積，排放系數(shù)取值為：生豬COD 30.78 g/(d·頭)，氨氮1.02 g/(d·頭)，總磷0.43 g/(d·頭)；牛COD 242.575 g/(d·頭)，氨氮3.565 g/(d·頭)，總磷1.215 g/(d·頭)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同來源污染物排放負荷及其貢獻

2017年永定河上游張家口地區(qū)不同來源水污染物的排放負荷見表1。由表1可見，永定河上游張家口地區(qū)COD、氨氮、總磷排放負荷分別為97 533.43、10 596.73、1 389.11 t/a。不同來源水污染物排放負荷差異顯著。其中，畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的COD最多，達到52 331.80 t/a，其次為城鎮(zhèn)生活污水，為30 632.47 t/a。城鎮(zhèn)生活污水排放的氨氮最高，達到4 254.51 t/a。畜禽養(yǎng)殖業(yè)總磷排放負荷最高，為402.65 t/a。

COD的主要來源為畜禽養(yǎng)殖業(yè)、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水，其貢獻率分別為53.66%、31.41%、12.05%。氨氮主要來自城鎮(zhèn)生活污水，貢獻率為40.15%；其次為農(nóng)村生活污水，貢獻率為27.04%；再次為種植業(yè)，貢獻率為19.40%。總磷排放主要來自畜禽養(yǎng)殖業(yè)，貢獻率達到28.99%；其次為城鎮(zhèn)生活污水，貢獻率為26.54%；再次為農(nóng)村生活污水，貢獻率為22.69%。2017年張家口地區(qū)工業(yè)廢水COD、氨氮和總磷排放負荷貢獻率均較低，分別為0.88%、0.84%和0.37%。這可能與“十三五”以來張家口地區(qū)嚴格的污染管控有關(guān)。

2.2 不同區(qū)域污染物排放負荷及其貢獻

永定河上游張家口地區(qū)不同行政區(qū)域水污染物排放負荷差異明顯(見表2)。宣化區(qū)3種污染物排放總負荷最大，為21 120.93 t/a；經(jīng)開區(qū)污染物排放總負荷最小，為1 143.52 t/a。不同區(qū)域污染物排放負荷體現(xiàn)為宣化區(qū)>涿鹿縣>蔚縣>懷來縣>萬全區(qū)>陽原縣>橋東區(qū)>尚義縣>懷安縣>橋西區(qū)>崇禮區(qū)>下花園區(qū)>經(jīng)開區(qū)。COD排放負荷宣化區(qū)最大，達到19 024.68 t/a，其次為涿鹿縣；經(jīng)開區(qū)最小，為1 110.38 t/a。不同區(qū)域COD排放負荷體現(xiàn)為宣化區(qū)>涿鹿縣>蔚縣>懷來縣>萬全區(qū)>陽原縣>橋東區(qū)>尚義縣>懷安縣>橋西區(qū)>崇禮區(qū)>下花園區(qū)>經(jīng)開區(qū)。氨氮排放負荷宣化區(qū)最大，達到1 848.54 t/a；經(jīng)開區(qū)氨氮排放負荷最小，為23.90 t/a。不同區(qū)域氨氮排放負荷體現(xiàn)為宣化區(qū)>蔚縣>涿鹿縣>懷來縣>陽原縣>橋東區(qū)>懷安縣>尚義縣>萬全區(qū)>橋西區(qū)>崇禮區(qū)>下花園區(qū)>經(jīng)開區(qū)。宣化區(qū)總磷排放負荷最大，達到247.71 t/a；經(jīng)開區(qū)最小，為9.24 t/a。不同區(qū)域總磷排放負荷體現(xiàn)為宣化區(qū)>蔚縣>涿鹿縣>陽原縣>懷來縣>萬全區(qū)>尚義縣>懷安縣>橋東區(qū)>橋西區(qū)>崇禮區(qū)>下花園區(qū)>經(jīng)開區(qū)。

表1 2017年不同來源水污染物排放負荷及貢獻率1)

注：1)種植業(yè)COD因缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，排放負荷不計入核算，種植業(yè)氨氮排放負荷以總氮排放系數(shù)計算。

表2 不同區(qū)域水污染物排放負荷及貢獻率

各行政區(qū)不同污染物貢獻率存在較大差異。總體看來，3種污染物排放負荷貢獻率最高的地區(qū)為宣化區(qū)，貢獻率最小的地區(qū)為下花園區(qū)和經(jīng)開區(qū)。

3 討 論

3.1 永定河上游張家口地區(qū)水污染物排放負荷空間差異的原因

永定河上游張家口地區(qū)水污染物排放空間差異顯著。3種污染物排放負荷與耕地面積、人口數(shù)量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素存在一定的相關(guān)性(見表3)。由表3可知，COD排放負荷與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、總?cè)丝诤娃r(nóng)用化肥施用量(折純)極顯著相關(guān)，與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和耕地面積顯著相關(guān)。氨氮排放負荷與總?cè)丝诔蕵O顯著相關(guān)，與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、耕地面積和農(nóng)用化肥施用量(折純)呈顯著相關(guān)。總磷排放負荷與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、總?cè)丝凇⒏孛娣e和農(nóng)用化肥施用量(折純)呈極顯著相關(guān)。這與于淼等[18]的研究結(jié)果一致。因此，要加快永定河上游地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，發(fā)展新型綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)，以期減少污染物的排放負荷。

表3 不同污染物排放負荷與各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)1)

注：1)**表示在 0.01 水平(單側(cè))上極顯著相關(guān)；*表示在 0.05 水平(單側(cè))上顯著相關(guān)。

3.2 永定河上游張家口地區(qū)水污染控制對策分析

從不同行業(yè)水污染物排放負荷來看，永定河上游張家口地區(qū)COD排放負荷主要集中在畜禽養(yǎng)殖業(yè)[19]、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水，氨氮排放負荷主要集中在城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活污水和種植業(yè)，總磷排放負荷主要在畜禽養(yǎng)殖業(yè)、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水以及種植業(yè)。因此，要加大對畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)范化管理力度，提高畜禽排泄物的利用率[20]。對城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活污水的收集與處理力度也應(yīng)加強，使污染物排放負荷減小。種植業(yè)方面，應(yīng)加強推廣養(yǎng)分利用率高的種植方法，使用有機肥來替代化肥[21]等。

從不同區(qū)域水污染物排放負荷來看，永定河上游張家口地區(qū)水污染物排放負荷主要集中在宣化區(qū)和蔚縣，這主要與兩個地區(qū)人口總量大、農(nóng)藥化肥消耗量大有關(guān)。因此，水污染防控的重點區(qū)域應(yīng)主要在宣化區(qū)、蔚縣等污染物排放貢獻率高的區(qū)域，加大對這些區(qū)域廢水的集中收集與處理力度，提升污水處理廠的處理效率。同時，在這些地區(qū)加強相關(guān)環(huán)保知識的宣傳普及，培育良好的水資源保護意識。

從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上來看，COD、氨氮、總磷排放負荷與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)都有一定的關(guān)系。因此，永定河上游張家口地區(qū)應(yīng)加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，合理分配產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例。提高第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)比例，加大對高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和綠色產(chǎn)業(yè)的投資建設(shè)。張家口地區(qū)作為京津外圍城市，具有豐富的土地與人力資源[22]，可以與京津地區(qū)優(yōu)勢互補，形成相應(yīng)的生產(chǎn)中心，促進“科研創(chuàng)新—加工制造—配套服務(wù)”產(chǎn)業(yè)格局的形成[23]。

4 結(jié) 論

(1)永定河上游地區(qū)COD排放負荷為97 533.43 t/a，氨氮排放負荷為10 596.73 t/a，總磷排放負荷為1 389.11 t/a。3種污染物主要來自城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)。

(2)COD排放負荷主要來自宣化區(qū)和涿鹿縣，氨氮排放負荷主要來自宣化區(qū)和蔚縣，總磷排放負荷主要來自宣化區(qū)和蔚縣。這主要與相關(guān)地區(qū)的人口數(shù)量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)藥化肥消耗量有關(guān)。

(3)永定河上游張家口地區(qū)今后應(yīng)進一步嚴控城鎮(zhèn)生活污水排放，并加強對農(nóng)村生活廢水的處理，加大對畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)范化管理力度，同時也不能忽視種植業(yè)面源污染的防控。在區(qū)域上，應(yīng)加強對宣化區(qū)、蔚縣等污染物貢獻率大的地區(qū)的水污染治理，提升污水處理廠的處理效率。