天目湖流域氮磷面源污染現狀分析

劉同巖，楊馳浩，周宇澄，李翔，王圣森，王小治

(揚州大學 環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

隨著經濟的發展，以及點源污染的治理[1]，面源污染逐漸成為水質污染、惡化的主要原因之一[2]。農業面源污染中，水體污染的主要來源是氮和磷[3-4]。近年來，應用數學模型對面源污染進行模擬和估算已成為相關研究的重要手段[5-6]，但我國這方面的基礎研究仍相對薄弱，缺乏相關資料，模型參數選取困難[7]。而且，經驗模型多極具地方特色，泛化能力差，很難適用于其他區域的負荷估算[8]。與之不同，排污系數法所需參數少，操作簡便易行，具有一定的精度，且不考慮面源污染發生和發展的復雜過程；因此，該方法在面源污染負荷估算方面也得到了一定的應用[9-10]。近幾年，溧陽市經濟高速發展，加之人類活動對水庫范圍內的生態環境干預加重，導致當地水庫氮、磷的濃度處于較高水平[11-12]。為此，本文特采用排污系數法估算天目湖沙河水庫流域農業種植地表徑流，以及畜禽養殖、水產養殖和生活旅游污染中氮、磷污染物的貢獻量，為天目湖流域面源污染防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天目湖沙河水庫是溧陽市重要的飲用水水源地，地理坐標為119°20′～119°29′E、31°11′～31°24′N，屬于亞熱帶季風型氣候，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。水庫區域內常住總人口4.88萬人，年旅游人數480萬人次，水庫區域土地面積181.85 km2，水源區經濟以種植業和旅游業為主。

1.2 數據來源

通過查閱統計年鑒和實地調查獲得當地人口、牲畜、土地類型面積等基本數據。茶園排放污染系數通過1 a的小區徑流試驗獲得，其他類型污染來源的污染排放系數參考第一次全國污染普查資料和相關文獻獲取[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、總磷的農田污染系數分別為2.85、0.20 mg·L-1，茶園污染系數分別為6.16、0.24 mg·L-1，林地污染系數分別為0.78、0.02 mg·L-1，畜禽(豬)糞尿排污系數分別為29.0、5.21 g·d-1·頭-1，畜禽(雞)糞尿排污系數分別為1.35、0.36 g·d-1·只-1，水產排污系數分別為7.00、0.82 g·kg-1，城鎮居民生活污染物排放系數分別為7.29、0.71 g·人-1，農村居民生活污染物排放系數分別為5.83、0.57 g，旅游污染排放系數分別為3.65、0.36 g·人-1。

1.3 污染源排放計算方法

根據當地政府部門提供的土地、人口等相關資料，應用式(1)～(6)計算得出相關污染物排放量。

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。

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、養殖污染物年排放量(t)，N1為畜禽養殖數量(只或頭)，F1為畜禽糞尿排污系數[g·d-1·只(頭)-1]，d為畜禽飼養周期(365 d)。

1.3.3 水產污染排放量

G2=N2·F2/103。

(4)

式(4)中：G2為水產養殖污染物年排放量(t)，N2為水產養殖產量(t)，F2為水產養殖排污系數(g·kg-1)。

1.3.4 居民生活污染排放量

G3=3.65N3·F3。

(5)

式(5)中：G3為城鎮居民生活污染物年排放量(t)，N3為常住居民人口(萬人)，F3為居民生活污染物排放系數(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(萬人)，F4為旅游污染排放系數(g·d-1·人-1)，d為旅游時間(d)。

2 結果與分析

2.1 徑流排污分析

當地年降水量為1 181 mm，根據氣候和土壤等實際情況，結合系數公式與農田徑流系數文獻[15-16]，選取徑流系數如下：農田徑流系數0.7，茶園徑流系數0.5，林地徑流系數0.35。已知農田面積為47.68 km2，茶園面積為28.75 km2，林地面積為105.42 km2。依據對應公式，估算水庫區域內徑流污染氮、磷排放量，結果見表1。徑流排放的總氮、總磷分別為250.82、12.88 t·a-1。在農業面源污染徑流排污中，氮、磷負荷貢獻排序均為農田排放>茶園排放>林地排放，農田排放的總氮、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域內徑流排污的主要貢獻者。

2.2 養殖排污分析

當地畜禽年存欄量豬200頭、雞50 550只，水產養殖產量為3 012 t。根據污染系數，基于相應公式，估算水庫范圍內養殖的氮、磷排放量，結果見表2。畜禽、水產養殖的總氮、總磷排放分別為48.45、9.50 t·a-1，以畜禽養殖(特別是家禽類)為主。養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、水產養殖的氮、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常住人口為4.88萬，年旅游人數中1日游120萬人，2日游360萬人。根據流域人口和旅游人數，計算得到生活污染源的氮、磷排放量，結果如表3所示。區域內生活污水的總氮、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 水庫面源污染負荷分析

匯總各類型面源污染氮、磷排放情況，結果如表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。農田排放、茶園排放和生活排污是總氮的主要貢獻源，分別占比24.97%、23.24%和23.09%；生活排污和農田排放是總磷的主要貢獻源，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

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，農業面源污染和生活排污為主要污染來源。農業面源污染以茶園和農田為主，其中茶園的貢獻更為突出，流域內15.8%的茶園土壤排放的總氮和總磷占據徑流污染的41.70%和31.68%，應作為控制的重點。