基于灰水足跡的氮磷大氣沉降污染評價模型研究

摘要：基于灰水足跡理論，構建了氮磷大氣沉降污染評價模型，從灰水足跡數值、灰水足跡指數和灰水足跡結構3個方面，評估了總氮、總磷大氣沉降對太湖水環境的影響。結果表明：（1）太湖2011年的總氮灰水足跡為10489億m3，主要受濕沉降的影響；總磷灰水足跡為18114m3，主要受干沉降的影響。總氮灰水足跡指數為054，屬于“中”級；總磷灰水足跡指數為093，屬于“高”級。（2）太湖2018年的總氮灰水足跡為6418億m3，總磷灰水足跡為666m3，均主要受濕沉降的影響?？偟宜阚E指數為028，總磷灰水足跡指數為029，均屬于“中”級。（3）總體來看，總磷的灰水足跡指數高于總氮，表明大氣沉降中總磷對太湖水環境的影響高于總氮。相比于2011年，2018年氮磷的大氣沉降灰水足跡指數都有顯著下降；但截至2018年，總氮和總磷的灰水足跡指數仍為“中”級。這表明雖然大氣沉降負荷雖然沒有超出水體的自凈能力，但是其對于水生生態系統的威脅不可忽視。

關鍵詞：灰水足跡；大氣沉降；太湖；總氮；總磷

中圖分類號：TB"""""""文獻標識碼：A""""""doi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.12.078

0"引言

大氣沉降是指污染物通過降水、擴散等各種途徑，從大氣返回地表的過程［1］。其中污染物隨降水、降雪回到地表的過程被稱為濕沉降；污染物隨湍流擴散、分子擴散和重力沉降的形式回到地表的過程被稱為干沉降［2］。大氣沉降有助于降低空氣污染，是大氣自然凈化的重要途徑；而另一方面，大量的污染物從大氣返回到地表，也會進一步加重水體污染［3］。

太湖是我國富營養化最為嚴重的湖泊之一，經過長期的水環境治理，太湖流域的電源污染和農業面源污染已經得到了一定的遏制［4］。然而近年來的環境調查表明，大氣沉降已成為太湖氮磷負荷的另一項重要來源［5］。如TI和等學者的研究表明，在太湖流域的總氮和總磷負荷中，大氣沉降的百分比高達33.3%和16.7%［67］。

值得注意的是，雖然國內外對太湖流域的氮磷沉降已經進行了一定的調查，并積累了較為詳實的污染通量數據。但是在大氣沉降對太湖水環境的影響方面，學術界至今仍側重定性分析，而缺乏定量化的評估模型。為解決這一問題，本研究將基于灰水足跡理論，建立氮磷負荷大氣沉降影響評估模型，以科學評估大氣沉降對太湖富營養化的影響。

1"基于灰水足跡的大氣沉降污染評價模型

灰水足跡是由荷蘭著名學者Hoekstra于2008年提出的一種水環境評價方法，它是指以自然本底濃度和環境水質標準為基準，將污染負荷吸收同化所需的淡水的體積。由于灰水足跡能夠從水量的角度簡潔而直觀地污染物對水環境的影響，因此它在世界各地的水資源管理與水環境保護中均得到了廣泛的應用［89］。

設第i種污染物的容許值和本底值分別為ci（mg/L）和bi（mg/L），且來自第j個污染源的負荷為xij（t），"則該污染源第i種污染物灰水足跡Gij（億m3）的計算方法為［89］：

Gij=xijci－bi·102（1）

將總氮的干沉降量、濕沉降量分別記為x氮干（t）、x氮濕（t），將總磷的干沉降量、濕沉降量分別記為x磷干（t）、x磷濕（t）。根據國務院頒布的《太湖流域水環境綜合治理總體方案》，太湖湖體總氮、總磷的容許值分別為2.0mg/L和0.07mg/L。根據閆峰等學者的研究，與人為污染負荷相比，太湖的氮磷本底值極低，在灰水足跡評價時可以近似為0［10］。因此，根據式（1）可知，太湖氮磷負荷大氣沉降的灰水足跡為：

總氮干沉降灰水足跡：G氮=x氮干200總氮濕沉降灰水足跡：G氮=x氮濕200總磷干沉降灰水足跡：G磷=x磷干7總磷濕沉降灰水足跡：G磷=x磷濕7"（2）

設污染源總數為m，Hoekstra將第i種污染物的總灰水足跡與區域水資源總量W（億m3）的比值被定義為灰水足跡指數P［89］i：

Pi=∑mj=1GijW（3）

因此氮磷負荷大氣沉降的灰水足跡指數為：

總氮灰水足跡指數：P氮=G氮干+G氮濕W總磷灰水足跡指數：P磷=G磷干+G磷濕W"（4）

早期研究中，通常以Pigt;1作為污染負荷超標的判斷條件。近年來，Yan等學者基于復雜環境過程和不確定性分析，進一步提出了更詳細的評價標準（如表1所示）［11］。

2"評價結果

根據水利部太湖流域管理局發布的水資源公報，太湖2011年和2018年的水資源分別為195億m3和231.3億m3。根據劉濤和許志波等學者對太湖2011年和2018年的大氣沉降調查數據［1213］，結合第2節的評價模型，計算太湖2011年和2018年的氮磷大氣干濕沉降灰水足跡分別如表2和表3所示。

如表3所示，從灰水足跡的數值來看，太湖2011年的總氮灰水足跡為10489億m3，其中干沉降占37%，濕沉降占63%。總磷灰水足跡為18114m3，其中干沉降占75%，濕沉降占25%。

從灰水足跡指數來看，太湖2011年的總氮灰水足跡指數為054，屬于“中”級；這表明總氮的大氣沉降負荷雖然沒有超出水體的自凈能力，但是其對于水生生態系統的威脅不可忽視。太湖2011年的總磷灰水足跡指數為093，屬于“高”級；這表明總磷的大氣沉降負荷具有超過水體自凈能力的可能，對于水生生態系統具有較大威脅。

如表3所示，從灰水足跡的數值來看，太湖2018年的總氮灰水足跡為6418億m3，其中干沉降占41%，濕沉降占59%?？偭谆宜阚E為666m3，其中干沉降占39%，濕沉降占61%。

從灰水足跡指數來看，太湖2018年總氮和總磷的灰水足跡指數分別為028和029，均屬于“中”級。這表明該年度氮磷的大氣沉降負荷雖然沒有超出水體的自凈能力，但是其對于水生生態系統的威脅不可忽視。

總體來看，相比于2011年，2018年氮磷的大氣沉降灰水足跡都有顯著下降。其中總氮的干沉降灰水足跡降低了33%，濕沉降灰水足跡降低了42%，總灰水足跡降低了39%；總磷的干沉降灰水足跡降低了81%，濕沉降灰水足跡降低了10%，總灰水足跡降低了63%。

從灰水足跡的結構來看，相比于2011年，2018年總氮的大氣沉降灰水足跡結構未發生明顯變化，均主要受濕沉降的影響。而總磷的大氣沉降灰水足跡結構發生了你明顯變化，主要影響要素則由干沉降轉變為濕沉降。

從灰水足跡指數來看，總磷的灰水足跡指數高于總氮，這表明大氣沉降中總磷對太湖水環境的影響高于總氮。相比于2011年，2018年氮磷的大氣沉降灰水足跡指數都有顯著下降，這表明大氣沉降造成的污染呈明顯好轉趨勢。但需要指出的是，截至2018年，總氮和總磷的灰水足跡指數仍為“中”級。這表明雖然大氣沉降負荷雖然沒有超出水體的自凈能力，但是其對于水生生態系統的威脅不可忽視。

3"結論

太湖2011年的總氮灰水足跡為10489億m3，主要受濕沉降的影響；總磷灰水足跡為18114m3，主要受干沉降的影響。總氮灰水足跡指數為054，屬于“中”級；總磷灰水足跡指數為093，屬于“高”級。

太湖2018年的總氮灰水足跡為6418億m3，總磷灰水足跡為666m3，均主要受濕沉降的影響。總氮灰水足跡指數為028，總磷灰水足跡指數為029，均屬于“中”級。

總體來看，總磷的灰水足跡指數高于總氮，表明大氣沉降中總磷對太湖水環境的影響高于總氮。相比于2011年，2018年氮磷的大氣沉降灰水足跡指數都有顯著下降；但截至2018年，總氮和總磷的灰水足跡指數仍為“中”級。這表明雖然大氣沉降負荷雖然沒有超出水體的自凈能力，但是其對于水生生態系統的威脅不可忽視。

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