基于產排污系數法的鄱陽湖濱湖區總磷排放量測算研究

陳武權 楊慶榜 楊 斌

(1.江西省生態環境科學研究與規劃院,江西 南昌 330029；2.中國環境科學研究院,北京 100012；3.江西省生態環境監測中心,江西 南昌 330029)

湖泊污染治理一直是水環境治理的重要一環，而對于湖泊污染的現狀及成因的研究是政府污染治理決策的重要依據。關于湖泊污染情況的研究方法主要有直接監測法和經驗系數法兩種。其中，直接監測法需要長期廣泛的布點監測，且往往只針對單個點源，不適用于區域污染排放量測算。經驗系數法是利用行業規律數據以及質量守恒原理計算污染物排放量的方法，長期以來廣泛運用在各類點源和面源的污染物排放量計算中[1]，如工業源、農業源、生活源、機動車源等[2-8]，由此衍生出一系列計算模型，如SWAT模型[9]和SPARROW模型[10-12]等。

鄱陽湖是我國最大的淡水湖，位于江西省北部，水系水資源十分豐富，是江西省乃至南方水污染研究的重點湖泊之一。鄱陽湖入湖河流水質長期優于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的湖庫Ⅲ類水質標準[13]，突出水環境問題為總磷污染。為有效支撐鄱陽湖流域總磷污染防控工作，我國學者開展過多次針對入湖磷污染源排放的研究。涂安國等[14]基于監測資料對鄱陽湖入湖河流的磷污染物進行了定量分析；馬廣文等[15]基于分布式流域模型開展了鄱陽湖流域面源污染負荷模擬和時空特征分析；趙爽等[16]開展了基于綜合水質標識指數(WQI)法的鄱陽湖水質演變趨勢及驅動因素研究。然而，由于上述研究周期較長，研究結果滯后性嚴重，往往無法及時提供宏觀生態環境形勢分析，無法為當地政府的環境綜合決策提供依據。為此，本研究參考最新發布的《排放源統計調查產排污核算方法和系數手冊》(以下簡稱《手冊》)[17]，通過合理的參數設置測算湖泊區域環境污染源排放，從而及時掌握鄱陽湖區域污染排放情況，可大大提高相關部門在鄱陽湖乃至其他湖泊污染治理決策上的準確性和時效性。

1 測算對象與方法

湖泊流域的水體污染物來源較多，有自然界的大氣沉降、候鳥糞便、船舶航行和水體直接排入[18-25]，其中水體直接排入包括濱湖地區的排入、主要支流和匯水區的排入，是水體污染物最主要的來源。本次測算針對鄱陽湖濱湖地區，污染源統計口徑分為點源(集中式污染處理設施、工業源等)和面源(生活源、農業源等)，采用的數據為地方生態環境部門以及統計部門2019年公布的基礎數據，運用《手冊》中的方法開展磷負荷精細化核算，力求得出鄱陽湖濱湖區入湖總磷排污量。

1.1 點源測算

本次測算的點源數據主要包括工業源和集中式污染處理設施，利用監測數據法和產排污系數法核算污染物排放量。

1.1.1 監測數據法

監測數據法依據實際監測的調查單位產生和外排廢水及其污染物濃度，計算廢水排放量及各種污染物的產生量或排放量的方法。

1.1.2 產排污系數法

產排污系數法是依據調查對象的產品或原料類型、生產工藝、生產規模以及污染治理技術等，根據《手冊》中對應的“影響因素”組合確定產污系數及污染物去除效率，核算污染物產生量和排放量。

1.2 面源測算

1.2.1 生活源

(1) 城鎮生活源

利用城鎮常住人口、城鎮人均生活用水量、折污系數等參數核算城鎮生活污水產生量；再根據江西省城鎮生活污水總磷折污系數、污水處理廠的總磷去除量等核算城鎮生活污水中總磷的排放量，計算公式見式(1)、式(2)：

Qw=Pc×Wg×ec×T×10-3

(1)

Qcp=Qw×[ep-(Jj-Jc)]×10-2

(2)

式中：Qw為城鎮生活污水產生量，萬t，默認城鎮生活污水收集率為100%，則生活污水產生量也就是生活污水排放量；Pc為當地城鎮常住人口，萬人；Wg為城鎮人口綜合生活用水系數，L/(人·d)；T為每年用水時間，d；ec為城鎮生活污水產污系數；Qcp為城鎮生活源總磷排放量，t；ep為城鎮生活污水總磷的產污系數，mg/L；Jj、Jc分別為當地城鎮生活污水處理廠加權平均進口、出口總磷質量濃度，mg/L。根據《手冊》推薦的參數，江西省城鎮人口綜合生活用水系數取203 L/(人·d)，城鎮生活污水產污系數為0.85，城鎮生活污水總磷的產污系數為4.27 mg/L。

(2) 農村生活源

根據農村常住人口、農村人均生活用水量以及廁所類型、糞尿處理情況和生活污水排放去向等信息，利用農村常住人口與產排污系數等參數核算農村生活源中總磷的排放量。計算公式見式(3)、式(4)：

Qv=Pv×ev×T×10-2

(3)

Qvp=Qv×(1-C×evp)

(4)

式中：Qv為農村生活污水總磷產生量，t；Pv為當地農村常住人口，萬人；ev為農村生活污水總磷產污強度，g/(人·d)；Qvp為農村生活污水總磷排放量,t；C為對生活污水進行處理的行政村占總行政村數量的比例，相關數據來源于城建部門的統計數據，以市為單位進行統計；evp為農村生活污水總磷綜合去除率，%。根據《手冊》推薦參數，江西省農村生活污水總磷產污強度為0.24 g/(人·d)，總磷綜合去除率為48%。

1.2.2 農業源

農業源核算范圍包括種植業、畜禽養殖業和水產養殖業。

(1) 種植業

種植業總磷排放(流失)量采用產排污系數法核算，根據農作物(谷物、水稻等)播種面積、園地(果園、茶園、桑地)面積與相應污染物排放系數，以調查年度種植業含磷化肥單位面積使用量與種植業多年含磷化肥單位面積使用量的比值作為矯正系數，計算種植業總磷排放(流失)量，計算公式見式(5):

Qzp=(Ag×eg+Ay×ey)×qj/q0×10-3

(5)

式中:Qzp為種植業總磷排放(流失)量，t；Ag為農作物播種面積，hm2；eg為農作物種植過程中總磷流失系數，kg/hm2；Ay為園地面積，hm2；ey為園地總磷流失系數，kg/hm2；qj為調查年度用于種植業的含磷化肥單位面積使用量，kg/hm2；q0為種植業多年含磷化肥單位面積使用量，kg/hm2。

根據《手冊》推薦參數，江西省eg、ey分別為0.563、0.860 kg/hm2，qj根據當地統計數據計算得到，q0根據2017年第二次污染源普查結果計算得到，為0.019 456 kg/hm2。

(2) 畜禽養殖業

畜禽養殖業包括規模化畜禽養殖場以及分散養殖戶，不同養殖方式的總磷排污系數并不相同(見表1)，總磷排放量計算見式(6)、式(7):

Qi=(qiz-qig)×fi1×10-3+qig×fi2×10-3

(6)

Qxp= ∑Qi

(7)

式中:Qi為第i類畜禽養殖總磷排放量，t；qiz為當地第i類畜禽養殖總出欄量，頭或羽；qig為當地規模化養殖場第i類畜禽養殖出欄量，頭或羽；fi1為分散養殖第i類畜禽養殖的總磷排污系數，kg/頭或kg/羽；fi2為規模化養殖場第i類畜禽養殖的總磷排污系數，kg/頭或kg/羽；Qxp為畜禽養殖總磷排放量，t。

表1 畜禽養殖總磷排污系數Table 1 Total phosphorus emission coefficient of livestock and poultry breeding industry

(3) 水產養殖業

水產養殖業水污染物總磷排放量采用產排污系數法核算，通過人工水產養殖的水產品產量與排放系數相乘計算獲得，計算公式見式(8):

Qfp=qf×efp×10-3

(8)

式中:Qfp為水產養殖總磷排放量，t；qf為水產養殖的水產品產量，t；efp為水產養殖總磷排放系數，參考《手冊》推薦參數，本次測算取0.543 kg/t。

1.3 測算對象

本研究總磷排放測算區域為《鄱陽湖生態經濟區規劃》定義的鄱陽湖濱湖區，根據“五河七口”和水環境國控監測斷面的分布，結合行政邊界，建立“五河七口”和水環境監測斷面的對應關系(見表2)。以此為基礎，確定南昌市、九江市和上饒市下轄的18個縣(市、區)為鄱陽湖濱湖區，分別為南昌市東湖區、西湖區、青山湖區、青云譜區、灣里區、南昌縣、新建區、進賢縣，九江市永修縣、德安縣、共青城市、廬山市、濂溪區、都昌縣、湖口縣，上饒市鄱陽縣、余干縣、萬年縣。

2 結果與討論

2.1 測算結果

根據《排放源統計調查產排污核算方法》中的排污核算方法，分別計算鄱陽湖濱湖區18個縣(市、區)點源總磷排放量，結果見圖1。研究區點源總磷排放量為48.88 t，其中工業源總磷排放量遠高于集中式污染處理設施，除部分區縣集中式垃圾處理廠存在老舊設施未改造導致排放量異常外，其他大部分縣(市、區)不存在納入統計口徑的集中式污染處理設施，總磷排放量可忽略不計。

生活源由城鎮生活源和農村生活源兩部分組成，鄱陽湖濱湖區各縣(市、區)城鎮生活源和農村生活源總磷測算結果分別見圖2、圖3。經計算，研究區城鎮生活源和農村生活源總磷排放量分別為833.48、358.07 t，雖然兩種生活源的總磷排放量計算方法存在差異，但總磷排放量均與常住人口數量顯著相關。青山湖區、鄱陽縣等城鎮人口多，其總磷排放也偏大。灣里區等地城鎮人口較少，其生活源總磷排放偏小。

表2 鄱陽湖水系與水環境監測斷面對應關系Table 2 Correspondence between river system of Poyang Lake and water environment monitoring section

圖1 點源總磷排放量Fig.1 Total phosphorus emission from point sources

圖2 城鎮人口與城鎮生活源總磷排放量Fig.2 Urban population and total phosphorus emission from urban living sources

注：西湖區、青云譜區無農村人口。圖3 農村人口與農村生活源總磷排放量Fig.3 Rural population and total phosphorus emission from rural living sources

農業源分種植業和養殖業兩個口徑進行統計，鄱陽湖濱湖區18個縣(市、區)中西湖區、青云譜區為南昌市的中心城區、老城區，區內沒有農業源，因此對其余16個縣(市、區)種植業和養殖業總磷排放進行測算，結果分別見圖4、圖5。16個縣(市、區)中，種植業總磷排放量在0.77～305.54 t，差異較大，其中南昌縣種植業總磷排放量最高，為305.54 t，其次為永修縣和鄱陽縣，種植業總磷排放量分別為220.30、214.87 t，從圖4可以看出，種植面積與總磷排放明顯相關，但并不是影響排放量的決定性因素,這是不同作物的磷肥需求量不同所致。鄱陽湖濱湖區種植業總磷排放量合計1 441.68 t,是區域總磷排放貢獻最大的來源。

注：種植面積為農作物播種面積與園地面積之和。圖4 種植面積與種植業總磷排放量Fig.4 Planting area and total phosphorus emission from planting

圖5 畜禽養殖和水產養殖總磷排放量Fig.5 Total phosphorus emission from livestock and poultry breeding and aquaculture

養殖業分畜禽養殖業和水產養殖兩種，研究區域位于鄱陽湖濱湖區，適合養殖經濟魚類的水域較多，大部分區縣都有龐大的水產養殖基礎，16個縣(市、區)水產養殖總磷排放量在0.19～82.64 t，合計總磷排放量483.48 t，其中水域面積最大的鄱陽縣水產養殖總磷排放量最大，為82.64 t，其次為余干縣、南昌縣、進賢縣，水產養殖總磷排放量分別為73.61、70.92、70.59 t。研究區域畜禽養殖以養豬為主，除建成區外，江西省農村均有大規模的養殖場和小型的散養戶，16個縣(市、區)畜禽養殖總磷排放量在0.22～108.88 t，合計總磷排放量568.98 t，南昌縣畜禽養殖總磷排放量最大，為108.88 t，其次為進賢縣、新建區，畜禽養殖總磷排放量分別為91.91、86.23 t。鄱陽湖濱湖區養殖業總磷排放量合計1 052.46 t。

2.2 地區分析

從鄱陽湖濱湖區18個縣(市、區)各污染源總磷排放情況(見表3)可以看出，總磷排放主要集中鄱陽湖濱湖區東北部的鄱陽縣和南部的南昌縣，其主要原因是總磷排放貢獻最大的農業源主要集中在鄱陽縣和南昌縣。生活源總磷排放主要集中在濱湖區東北部的鄱陽縣和西南中部的青山湖區，點源總磷排放量以濱湖區北部湖口縣和西南中部青山湖區兩個地區最大，其次是東北部的鄱陽縣和南部的南昌縣。

表3 鄱陽湖濱湖區各污染源總磷排放量Table 3 Total phosphorus emission quantity of different pollution sources in lakeside area of Poyang Lake t

2.3 與相關數據的比較分析

目前已掌握的最全面的鄱陽湖濱湖區總磷排放資料為2017年江西省第二次全國污染源普查(以下簡稱2017年普查)數據，該資料顯示鄱陽湖濱湖區總磷排放量為3 495.79 t，其中農業源總磷排放量為2 375.81 t，為各類源總磷排放量之首，占鄱陽湖濱湖區總磷排放量的67.96%；生活源、工業源、集中式污染處理設施的總磷排放量分別為1 055.01、63.25、1.72 t，分別占鄱陽湖濱湖區總磷排放量的30.18%、1.81%、0.05%。

本次測算鄱陽湖濱湖區總磷排放量為3 734.57 t，其中農業源總磷排放量為2 494.14 t，占鄱陽湖濱湖區總磷排放量的66.79%；生活源、點源的總磷排放量分別為1 191.55、48.88 t，分別占鄱陽湖濱湖區總磷排放量的31.91%、1.31%(見表4)。與2017年普查數據進行比較發現，本次鄱陽湖濱湖區總磷測算結果與其基本接近，總磷排放量相對誤差為6.83%，生活源相對誤差為12.94%，農業源相對誤差為4.98%，點源相對誤差為-24.77%，各類污染源排放量占比的誤差均未超過2百分點。在考慮到兩年經濟和社會發展變化的情況下，本次總磷測算和污染分析的結果，無論在總磷排放量還是各污染源及地區分布方面，基本與2017年鄱陽湖總磷入湖量研究結果吻合。

2.4 不確定性分析

從總磷各類排放源占比看，本次測算結果與2017年普查結果相差不大，僅有1百分點左右的誤差，但從總磷排放量核算上看，本算法與2017年普查結果仍存在一定差異，參數取值存在一定的不確定性，主要體現在以下3點：(1)未能全部獲取計算所需參數，如無法獲取上饒市余干縣、鄱陽縣、萬年縣的磷肥施用量，從而無法準確統計相應的磷流失量，只能按種植業面積計算磷肥流失量；(2)計算方法的選擇有差異，總磷排放量的計算有排放系數和產生系數乘以綜合去除率兩種方法，本次測算由于個別污染源無法獲取綜合去除率，因此使用排放系數法進行總磷排放量測算，不同污染源計算方法的差異將導致測算結果產生不確定性；(3)無法統計污水處理廠的具體處理水量，目前從生態環境部門獲取的生活污水處理量與本次用于測算的排放量存在差異，部分污水處理廠存在處理本地區以外的生活污水的情況，或無法分清工業和生活污水，導致測算結果存在差異。

3 結 語

基于產排污系數建立了湖區排污測算和污染分析的方法，并用于鄱陽湖濱湖區的總磷排放量核算。該方法首次脫離大規模實地調查，僅運用相關資料，通過合理設置經驗參數快速計算得到湖區總磷排放量，且與實地大規模調查結果相差不大，該方法可以運用在大型湖區更新年排放數據計算分析中，計算結果可作為其他調查排放結果的對比參照樣本。

表4 鄱陽湖濱湖區各類污染源總磷排放比較Table 4 Comparison of total phosphorus emission from different sources in the lakeside area of Poyang Lake

基于產排污系數的排污測算方法尚在初步探索階段，后期視情況將繼續對鄱陽湖其他年度、其他污染物進行測算，待方法成熟后可以拓展應用到其他類似大型湖泊中，作為生態環境部門對于湖泊濱湖區，乃至更大區域污染物排放量的快速計算和污染原因分析的備選方法之一。針對此次測算中的不確定性，后期將會做進一步精細化改進，補充部分地區的磷肥施用量，調研污水處理廠中本地區和外來水量的比例，理清工業廢水和生活污水構成，進一步分析生態環境部門獲取的實測生活污水去除量與本研究中測算量存在差異的具體原因，以期提高湖泊總磷等污染物排放量的計算效率與質量。