基于磷足跡的河流磷污染負荷評估

鐘朋叡，董 梁

(1.中水北方勘測設計研究有限公司，天津 300222;2.大連理工大學建設工程學部，遼寧 大連 116024)

由氮磷過度排放引起的水體富營養化問題在我國眾多河流與湖泊中普遍存在[1]，在河流氮元素充足的情況下，磷元素一旦增加到一定的閾值，就會發生水體富營養化，在磷循環過程中，通常只能涉及陸地與水體的交換，且磷化物在水體中常以顆粒態存在，形成大量不溶性磷沉于底部，因此防治水體富營養化，消減或限制磷元素的流失是關鍵問題[2]。

科學合理地評估河流磷污染情況是解決水體富營養化的重要前提。河流磷污染評估也受到許多學者的關注，林少華等[3]利用總氮、總磷指標對水池養殖系統氮磷污染進行了評估；謝曉天等[4]核算了黃河三角洲地區的農業面源磷污染負荷；金亞楠等[5]采用LOADEST模型來反映總磷動態變化；王穎[6]分析了遼寧省大凌河磷元素的輸出變化特征；韓偉[7]的研究表明磷是遼寧省水環境污染的主要因子。然而很多學者只關注河流內部的磷元素，對總磷、磷酸鹽等指標進行檢測，或將流域面源污染與河流磷污染割裂，忽略了流域內的污染源產生的磷循環對河流水質的影響。

磷足跡定義為某一產品或過程在全生命周期內直接或間接流入河流中的總磷量，這為污染評價提出了一種新思路。磷足跡從流域整體出發對河流磷污染進行評價，考慮流域內未來時間段內磷元素循環過程，使得磷污染評價更加立體全面。

1 研究區域

復州河發源于普蘭店市同益鄉老帽山南麓，海拔高程為848.0m，水系流域面積為1645.98km2，流經大連市普蘭店市與瓦房店市，于瓦房店三臺子鄉西蘭旗的老羊頭注入渤海。本次研究選擇松樹水庫出水口為復州河起點，地理坐標為北緯39°47′，東經121°6′，選擇入海口為復州河終點，地理坐標為北緯39°37′，東經121°31′。河流污染源主要來自河流流域，本次研究選取復州河流域內11個鄉鎮作為污染來源區域，分別為松樹鎮、趙屯鄉、得利寺鎮、瓦房店市區、太陽街道、瓦窩鎮、老虎屯鎮、復州城鎮、楊家滿族鄉、九龍街道、三臺滿族鄉，地理坐標為北緯39°28′～39°57′、東經121°34′～122°12′。復州河流域是大連地區重要的果品生產區和出口區，另外上游流域是大連瓦房店等地區的主要飲用水水源地，同時各個鄉鎮存在畜牧養殖、果品種植等產業。近年來，隨著流域內工農業的迅速發展，以及人口的增加，污水排放嚴重影響著復州河的水質，根據滕昱[8]對大連市水功能區的研究與長期的現場采樣分析，表明復州河的水質污染嚴重，磷污染居高不下。

2 研究方法

2.1 河流磷足跡核算方法

根據“足跡家族”的理念[9-10]，本次研究中將河流磷足跡定義為某一產品或過程在全生命周期內直接或間接流入河流的總磷量。本次研究同時核算居民生活污水排放、種植業、養殖業三種污染過程流入河流的總磷量。計算公式為

TPF=HPF+PPF+LPF

(1)

式中，TPF—河流磷足跡，kg；HPF—居民生活磷足跡，kg；PPF—種植業磷足跡；LPF—養殖業磷足跡，kg。

2.1.1居民生活污染磷足跡

復州河流域內農村地區較多，主要城鎮為瓦房店市區，居民生活污水排放是產生居民生活磷污染的重要原因。根據實地調查，流域城鎮生活污水經過龍山等污水處理廠處理后排放，農村生活污水一般直接排放。本次研究居民生活污染磷足跡計算公式為

HPF=P×Wp×γ×n×t

(2)

式中，P—城鎮或農村區域人口數量，人；WP—城鎮或農村居民人均用水量，L/(人·d)；γ—生活污水產生系數；n—污水中總磷濃度，本次研究參考龍山污水處理廠進水指標，按照城鎮總磷4.0mg/L、農村總磷3.4mg/L估算；t—時間，d。

2.1.2種植業磷足跡

復州河流域的種植業主要為糧食作物、園林水果和經濟作物，在種植過程中，由于過度施肥產生的磷元素流失，加劇流域磷污染現狀，由于其流失過程模糊，計算復雜，本次研究采用《大連市統計年鑒2019》[11]中施肥折純量進行核算，計算公式為

PPF=φ×Ai×μi

(3)

式中，φ—磷肥的流失系數；Ai—某種作物的種植面積，hm2；μi—某種作物單位面積施肥折純量，kg/ hm2。

2.1.3養殖業磷足跡

復州河流域內各個鄉鎮均存在畜禽養殖業，以肉雞、生豬、肉牛養殖為主，奶牛、蛋雞養殖為輔。多數養殖場均無任何處理措施，直接排放入河或堆肥還田。養殖業的磷污染主要來自畜禽糞尿中的磷元素，核算養殖業磷足跡的計算公式為

LPF=n×ti×νi×η

(4)

式中，n—某種畜禽的飼養數量，頭、羽；ti—某種畜禽的飼養周期，d。根據是實地調查肉牛、奶牛、蛋雞為365d、肉雞為60d、生豬為150d；νi—畜禽養殖總磷產污系數，g/(頭·d)；η—畜禽糞尿水體流失率。

在核算養殖業磷足跡時，畜禽的飼養數量不能同時考慮存欄與出欄數量，否則計算結果偏大。對于肉雞和生豬在一年中可以完成大于一次的飼養期，應采用年末出欄量，而對于肉牛、奶牛和蛋雞在一年內無法完成大于一次的飼養期或不出欄，計算時應采用年末存欄量[12]。

2.2 參數選擇

(1)城鎮或農村居民人均用水量Wp。GB/T 50331—2002《城市居民生活用水量標準》[13]規定：復州河流域所在的遼寧省地區城市居民生活用水量應為80～135L/人·d。根據對復州河流域居民實地調研，近些年瓦房店市區城鎮化發展迅速，城鎮居民生活耗水量有所上升。文章中城鎮居民人均用水量取100～200 L/(人·d)，其中瓦房店市區取200 L/(人·d)，其余鄉鎮取100 L/(人·d)。農村居民人均用水量取60 L/(人·d)。

(2)生活污水產生系數γ。根據GB/T 50331—2002[13]及《污染源普查產排污系數手冊》[14]，本次研究中城鎮居民生活污水產生系數取0.85，農村居民生活污水產生系數取0.80。

(3)磷肥的流失系數φ。本次研究僅考慮流入河流中的磷元素含量，只考慮磷肥的徑流流失量，因此采用《第一次全國污染源普查農業污染源肥料流失系數手冊》[15]中東北地區半濕潤地區地表徑流磷肥流失系數，見表1。

表1 東北地區地表徑流磷肥流失系數 單位：%

(4)畜禽養殖總磷產污系數νi。根據《第一次全國污染源普查畜禽養殖業源產排污系數手冊》[16]與《全國規模化畜禽養殖業污染情況調查及防治對策》[17]，文章采取我國東北區域的禽養殖總磷產污系數，見表2。

表2 東北地區畜禽養殖產污系數 單位：[g/(頭·d)]

(5)畜禽糞尿水體流失率η。文章采取《全國規模化畜禽養殖業污染情況調查及防治對策》[17]中畜禽糞便總磷進入水體流失率，見表3。

表3 畜禽糞便污染物進入水體流失率 單位：%

3 數據來源

本次研究中流域內各鄉鎮農村居民人口與肉牛、肉雞、生豬等畜禽養殖數量來自《復州河流域水體達標方案》；流域內各鄉鎮糧食作物、園林水果、經濟作物種植面積與施肥量來自《大連市統計年鑒2019》[11]。

4 結果與分析

4.1 河流磷足跡量化結果

本次研究從居民生活污染、種植業和養殖業3個污染源以及流域內11個鄉鎮進行復州河磷足跡核算。由表4與圖3可知，2018年復州河河流磷足跡為395854.60kg，其中居民生活污染磷足跡為122474.29kg，占比30.94%；種植業磷足跡為12038.52kg，占比3.04%；養殖業磷足跡為261341.79kg，占比66.02%。由表4與圖1可知，瓦房店市區產生的磷足跡最大，達到了110044.03 kg；得利寺鎮和松樹鎮產生的磷足跡較小，分別為5217.99kg和9533.56kg，其余鄉鎮產生的磷足跡均處在20000～40000kg。由表4與圖2可知，流域內城鎮居民生活污染與肉雞養殖對整體磷足跡貢獻最大，分別為104008.21kg與172703.93kg；園林水果、經濟作物與奶牛養殖產生的磷足跡最少，主要由種植面積與養殖數量較少所決定。

圖1 復州河鄉鎮磷足跡量化結果

圖2 復州河污染因子磷足跡量化結果

圖3 復州河磷足跡占比

表4 復州河磷足跡量化結果 單位：kg

4.2 河流磷污染空間分布

本次研究從居民生活污染、種植業和養殖業3個污染源分析了流域磷足跡空間分布特征。圖4是復州河磷足跡空間分布圖。由圖4可知，復州河磷足跡呈現自上游向下游遞增，在入海口有所降低的趨勢，最高值出現在瓦房店市區，主要受城鎮居民生活污染影響。圖5～圖7分別是復州河流域居民生活污染、養殖業和種植業磷足跡空間分布圖。由此可知，居民生活污染磷足跡總體上呈現由中游向上下游逐漸遞減的趨勢，最高值出現在城鎮人口最多的瓦房店市區；養殖業磷足跡呈現自上游向下游逐漸遞增的趨勢，下游量值整體高于上游區域，最高值出現在楊家滿族鄉，最低值出現在得利寺鎮；種植業磷足跡整體呈現由上游向下游遞增的趨勢，同時在近河流兩側的鄉鎮種植業磷足跡量值大于遠離河流的鄉鎮。

圖4 復州河磷足跡空間分布(kg)

圖5 復州河居民生活污染磷足跡空間分布(kg)

圖6 復州河養殖業磷足跡空間分布(kg)

圖7 復州河種植業磷足跡空間分布(kg)

4.3 河流磷污染評價與建議

上述研究結果表明，復州河流域磷污染的主要來源為養殖業與居民生活污染，而種植業施肥引起的磷污染占比非常小。流域內肉雞的養殖與瓦房店市區城鎮居民生活污染對河流磷污染貢獻最大。研究區域內由城鎮居民生活污水排放引起的瓦房店市區磷污染最嚴重，由畜禽養殖業引起的楊家滿族鄉磷污染次之，地處上游的松樹鎮磷污染最少。

建議強化城鎮生活污水治理，加快城鎮污水處理設施建設與改造，同時加強畜禽養殖管理方式，從源頭控制推進糞便資源化，建設養殖場治污減排設施，從而降低河流磷污染。

5 結 論

(1)復州河磷足跡量化與空間分布結果。2018年復州河磷足跡為395.85t，其中居民生活污染122.47t，養殖業占261.34t，種植業占12.04t。瓦房店市區磷足跡最高，達到110.04t，同時肉雞養殖產生的磷足跡最大，達到172.70t。復州河磷足跡呈現自上游向下游遞增，在入海口有所降低的空間分布趨勢，最高值出現在瓦房店市區，主要受城鎮居民生活污染影響。

(2)復州河流域磷污染評價。復州河流域磷污染主要由養殖業肉雞養殖與城鎮居民生活污染引起，而種植業產生的河流磷污染較少，流域內瓦房店市區磷污染最嚴重，楊家滿族鄉、復州城鎮、九龍街道和老虎屯鎮磷污染也較為嚴重。