昆明市云龍水庫徑流區(qū)氮磷非點源污染負荷分析

郝 旭，張乃明，史 靜

（云南農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，云南 昆明650201）

非點源污染的危害性隨點源污染控制能力的提高而逐漸表現(xiàn)出來，特別是當點源污染控制水平達到一定程度后，非點源污染勢必成為水環(huán)境污染的主要來源［1］。從世界范圍來看，非點源污染已成為水環(huán)境污染的重要方式。美國60%的水環(huán)境污染起源于非點源［2］，據(jù)計算奧地利北部地區(qū)進入水環(huán)境的非點源氮量比點源多，丹麥270條河流94%的氮負荷，52%的磷負荷是由非點源污染引起的［3］，荷蘭農(nóng)業(yè)非點源提供的總氮、總磷分別占水環(huán)境污染總量的60%和40%～50%［4］。在我國，長江流域、云南洱海、北京密云水庫等許多水域，非點源污染比例均超過點源污染。在此背景下，進行非點源污染的量化研究對水質管理及飲用水源地保護顯得愈發(fā)重要。

應用數(shù)學模型對非點源污染進行模擬和估算是研究非點源污染的重要手段。已有的非點源模型大都是針對小區(qū)域的精細模擬，率定出的參數(shù)和結果帶有較大的區(qū)域性，很難適用于大中尺度流域的負荷估算。而輸出系數(shù)模型法所需參數(shù)少，操作簡便易行，又具有一定的精度，且不考慮非點源污染發(fā)生和發(fā)展的復雜過程，因此，該模型在非點源污染負荷估算方面得到了一定的應用［5－12］。

近幾年，西南地區(qū)水資源緊缺，該區(qū)連續(xù)3a大旱，加之人類活動對昆明市云龍水庫匯水范圍內的生態(tài)環(huán)境的干預逐步加重，導致水庫匯水區(qū)內生態(tài)和水環(huán)境狀況日益惡化。但就目前情況而言，對云龍水庫庫區(qū)的基本狀況、基礎數(shù)據(jù)的調查與收集還遠遠不夠，對水庫水質變化原因，污染來源與貢獻，水環(huán)境容量及庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制技術等都缺乏系統(tǒng)研究。因此，本研究利用輸出系數(shù)模型，針對云龍水庫水源保護區(qū)的氮、磷非點源污染負荷進行分析，為進一步掌握研究區(qū)的氮磷負荷特征和合理調整農(nóng)業(yè)結構提供科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

云龍水庫是昆明市最重要也是云南省最大的集中式飲用水源地。水庫位于金沙江水系二級支流掌鳩河中上游祿勸縣云龍鄉(xiāng)，距昆明市約86km，位于東經(jīng)102°16′—102°35′，北緯25°43′—26°07′，屬于北亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫10.2～13.8℃。云龍水庫控制徑流面積為745km2，流域呈矩形狀，地勢北高南低，流域平均海拔高程約為2 406m。水庫總庫容4.84×108m3，正常蓄水量3.97×108m3，主要入庫河流有石板河、老木河、水城河。云龍水庫水源區(qū)總人口約53 601人，經(jīng)濟以農(nóng)業(yè)為主。水源區(qū)實際耕地面積約2.27×104hm2，林地面積4.82×104hm2。全年牛、豬、羊、家禽等存欄數(shù)約21萬頭。水源區(qū)經(jīng)濟以農(nóng)業(yè)為主，產(chǎn)業(yè)結構單一。

1.2 非點源輸出模型及參數(shù)取值

輸出系數(shù)模型是利用半分布式途徑來計算某流域年均污染（總氮、總磷）總負荷的數(shù)學加權公式，其實質上是一種集總模型。根據(jù)非點源污染負荷產(chǎn)生量和土地利用類型之間的聯(lián)系，利用流域相關數(shù)據(jù)直接建立流與非點源污染產(chǎn)出量的關系［13］，然后通過對不同來源污染負荷量求和，得到研究區(qū)域污染物總負荷。

Johnes等的輸出系數(shù)模型方程為:

式中:L——營養(yǎng)物質的總流失量；Ei——第i種營養(yǎng)源的輸出系數(shù)；Ai——Ii第i類土地利用類型的面積或畜禽數(shù)量或人口數(shù)量；Ii——第i類營養(yǎng)源的營養(yǎng)物質輸入量。

1.2.1 不同土地利用類型非點源負荷 不同土地利用類型產(chǎn)生的氮、磷非點源負荷計算式為:

式中:j——土地利用類型，共n種；Eij——第i種污染物在第j種土地利用類型單位面積的輸出系數(shù)〔kg/（km2·a）〕；Mij——第i種污染物在第j種土地利用類型中的營養(yǎng)物輸入量（kg）；Aj——第j種土地利用類型的面積（km2）。

1.2.2 農(nóng)村生活非點源負荷 農(nóng)村生活污染源中，氮、磷非點源負荷的計算方法為:

式中:L（生活）i——第i種農(nóng)村生活污染物年輸出量（kg/a）；Di——第i種污染物的日輸出系數(shù)〔kg/（人·d）〕；H——區(qū)域內人口數(shù)量（人）；M——污水處理過程中的機械去除營養(yǎng)物質系數(shù)；B——污水處理過程中的生物去除營養(yǎng)物質系數(shù)。

1.2.3 畜牧養(yǎng)殖非點源負荷 畜禽污染源中氮、磷非點源負荷計算方法為:

式 中:L（畜牧）i——第i種污染物年輸出量（kg/a）；Dij——第j種牲畜第i種污染物日輸出系數(shù)〔kg/（頭·d）〕；Hj——區(qū) 域 內 第j種 牲 畜 的 數(shù) 量（頭）；M——污水處理過程中的機械去除營養(yǎng)物質系數(shù)；B——污水處理過程中的生物去除營養(yǎng)物質系數(shù)。1.2.4 輸出系數(shù)取值的確定 大量的試驗研究［14］表明，影響輸出系數(shù)的因素有地形、氣候、水文、土地利用類型、植被覆蓋率等，都會對輸出系數(shù)產(chǎn)生較大的影響。輸出系數(shù)多采用單位時間、單位面積上的負荷量表示。一般確定非點源污染物輸出系數(shù)值可采用試驗或調研的方法［15］。鑒于無云南地區(qū)的輸出系數(shù)試驗數(shù)據(jù)，本研究計算所需的輸出系數(shù)值，參考國外不同土地利用方式下的氮和磷輸出系數(shù)的變化范圍的研究成果和參照國內［1，11，16－23］相似 自然、氣候 條件下的其他地區(qū)研究結果并取其平均值作為云龍水庫徑流區(qū)的輸出系數(shù)值。不同土地利用類型的參考輸出系數(shù)值和本文的具體取值結果（表1）；畜禽糞尿和農(nóng)村生活部分的非點源污染物輸出系數(shù)值均參照國家環(huán)保總局推薦的排泄系數(shù)和人口輸出系數(shù)［24］，并參考前人研究成果得到農(nóng)村生活及畜禽糞尿輸出系數(shù)（表2）。畜禽糞尿的氮磷輸出系數(shù)分別取為各自排泄系數(shù)的12%［24］。而農(nóng)村生活的輸出系數(shù)則反映了當?shù)剞r(nóng)村人口對生活污水及垃圾的利用和處理水平。

估算非源污染負荷產(chǎn)生量所需的其它數(shù)據(jù)包括研究時段的土地利用或植被覆蓋數(shù)據(jù)、人口數(shù)量以及大牲畜、豬、羊和家禽數(shù)量，可通過查閱云南省昆明市祿勸統(tǒng)計年鑒、云南省數(shù)字鄉(xiāng)村網(wǎng)［25］以及文獻資料得到或實地調查獲得。

表1 不同土地利用類型的輸出系數(shù) （kg/（hm2·a）

表2 農(nóng)村生活及畜禽糞便輸出系數(shù) kg/（只·a）

2 結果與分析

2.1 水源區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)非點源氮、磷負荷產(chǎn)生量分析

根據(jù)云龍水庫自然和社會條件，應用適用于大區(qū)域尺度非點源估算的輸出系數(shù)模型方法，估算云龍水庫徑流區(qū)氮磷非點源污染產(chǎn)生量、入庫量等。昆明市云龍水庫非點源污染物總氮和總磷負荷產(chǎn)生量計算結果詳見表3—4。

表3 2010年昆明市云龍水庫非點源污染物總氮負荷產(chǎn)生量

表4 2010年昆明市云龍水庫非點源污染物總磷負荷產(chǎn)生量

由表3—4可知，云龍水庫徑流區(qū)總氮和總磷的非點源負荷產(chǎn)生量分別為2 079.8和454.32t/a，且總氮負荷量是總磷負荷量的4.6倍。從空間分布上分析，撒營盤鎮(zhèn)、馬鹿塘鄉(xiāng)、皎平渡鎮(zhèn)、團街鎮(zhèn)、插甸鄉(xiāng)5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的非點源污染物總氮、總磷負荷量都較高。其中，撒營盤鎮(zhèn)的最高，總氮、總磷年均負荷量達到了444.89和85.28t/a。因為這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地面積、農(nóng)村人口、禽畜數(shù)量較多，均是產(chǎn)業(yè)結構單一，經(jīng)濟以農(nóng)業(yè)為主，第二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對滯后的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。相比之下，云龍鄉(xiāng)和茂山鎮(zhèn)的農(nóng)村人口和禽畜數(shù)量較少，因此非點源污染負荷產(chǎn)出總量較低。按其對水源區(qū)污染物總氮負荷產(chǎn)生總量貢獻率排序為:撒營盤鎮(zhèn)＞插甸鄉(xiāng)＞皎平渡鎮(zhèn)＞團街鄉(xiāng)＞馬鹿塘鄉(xiāng)＞云龍鄉(xiāng)＞茂山鎮(zhèn)。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)對于總磷負荷量的有所變動，其排列順序為:撒營盤鎮(zhèn)＞插甸鄉(xiāng)＞團街鄉(xiāng)＞皎平渡鎮(zhèn)＞馬鹿塘鄉(xiāng)＞云龍鄉(xiāng)＞茂山鎮(zhèn)。綜合分析可知，撒營盤鎮(zhèn)的氮、磷污染產(chǎn)生量是水源庫區(qū)非點源污染物總氮和總磷負荷量的主要影響因素。

2.2 不同污染源類型對總氮和總磷負荷產(chǎn)生量的貢獻分析

由表3可以發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村生活污染源對非點源污染物總氮負荷量貢獻率最高33.84%。不同污染源類型產(chǎn)生的總氮負荷量以及對總氮負荷量的貢獻率的大小順序為:農(nóng)村生活區(qū)＞畜禽糞便（其中，豬＞牛＞羊＞家禽）＞耕地＞林地。不同土地利用方式對流域非點源污染物總氮負荷產(chǎn)出量的影響，以農(nóng)村生活區(qū)污染最大，畜禽養(yǎng)殖業(yè)和耕地的次之，林地的最小。表4的數(shù)據(jù)顯示，污染源類型對總磷負荷貢獻率的影響與對總氮污染負荷的影響規(guī)律基本相似，但畜禽糞便污染對總磷負荷的貢獻明顯大于農(nóng)村生活區(qū)污染和耕地的貢獻。不同污染源類型對總磷負荷貢獻率的大小順序為:畜禽糞便（其中，豬＞家禽＞牛＞羊）＞農(nóng)村生活區(qū)＞耕地＞林地。這些表明，在各種土地利用類型中，目前水源的畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村居民生活用地對非點源污染物總氮和總磷的貢獻最大，因此為減少環(huán)境污染，農(nóng)村地區(qū)污水、生活垃圾及禽畜糞便的日常處理顯得非常重要。除此之外，大量畜禽養(yǎng)殖是造成該區(qū)非點源污染物總氮和總磷負荷量較高的直接原因。但不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽的年存欄量和年出欄數(shù)量是不固定的，而且數(shù)量變動隨機性大。因此，由于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展引起環(huán)境質量的不利影響需要引起足夠的重視，并且對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽種類、年存欄量、年出欄數(shù)量定時統(tǒng)計上報，為研究工作提供基礎數(shù)據(jù)。

2.3 水源區(qū)入庫氮磷污染負荷

入庫污染物是影響水庫水質的根本原因。根據(jù)《全國水環(huán)境容量核算指南》中提供的技術參數(shù)，結合云龍水庫的實際情況，分別確定各污染源的入庫系數(shù):耕地和林地的氮磷流失根據(jù)相關文獻分析可取入庫系數(shù)為0.1；而農(nóng)村生活和畜禽糞便產(chǎn)生的污染負荷大部分通過河道匯集后進入水庫，取這類污染源的氮、磷入庫系數(shù)分別0.1和0.05。從而計算得到云龍水庫非點源總氮、總磷入庫量見圖1—2。

圖1 昆明市云龍水庫入庫總氮負荷

從圖1—2可以看出，由不同污染源產(chǎn)生的總氮和總磷的入庫負荷量分別為207.98和24.73t/a，總氮入庫總量是總磷入庫總量的8.4倍。入庫的總氮負荷的主要污染來源是農(nóng)村生活區(qū)污染和畜禽糞便污染，其入庫總氮負荷量分別為70.38和70.90t/a，占總入庫總氮負荷量的33.84%～34.09%。水庫周邊村落是水庫水環(huán)境的重要污染源之一，周邊村落污水目前均未治理。村落污水非汛期常以氮磷污染物高濃度狀態(tài)的聚集于村落洼地及溝渠之中，汛期暴雨將其一起攜帶入庫，直接污染庫區(qū)水體。

圖2 昆明市云龍水庫入庫總磷負荷

根據(jù)不同污染源入庫的總氮負荷貢獻率的順序為:農(nóng)村生活＞畜禽糞便（其中大牲畜＞家禽）＞耕地＞林地。從圖2可看出，入庫總磷負荷的主要污染源為畜禽糞便污染和農(nóng)村生活污染，其入庫總磷負荷為12.50 和 8.21t/a，分 別 占 總 負 荷 的 50.54% 和33.21%，而林地產(chǎn)生的入庫總磷負荷為1.05t/a，占總入庫量的百分比也最低，為4.23%。根據(jù)不同污染源的入庫總磷負荷貢獻率的順序為:畜禽糞便（其中，大牲畜＞家禽）＞農(nóng)村生活＞耕地＞林地。

3 結論

（1）云龍水庫徑流區(qū)氮磷負荷總的產(chǎn)生量分別為2 079.8和454.32t/a，按其對水源區(qū)污染物負荷產(chǎn)生總量貢獻率總氮排序為:撒營盤鎮(zhèn)＞插甸鄉(xiāng)＞皎平渡鎮(zhèn)＞團街鄉(xiāng)＞馬鹿塘鄉(xiāng)＞云龍鄉(xiāng)＞茂山鎮(zhèn)；總磷負荷貢獻排列順序為:撒營盤鎮(zhèn)＞插甸鄉(xiāng)＞團街鄉(xiāng)＞皎平渡鎮(zhèn)＞馬鹿塘鄉(xiāng)＞云龍鄉(xiāng)＞茂山鎮(zhèn)。

（2）不同污染源類型產(chǎn)生的總氮負荷及對總氮負荷的貢獻率大小順序為:農(nóng)村生活區(qū)＞畜禽糞便（其中，豬＞牛＞羊＞家禽）＞耕地＞林地。其中農(nóng)村生活污染對非點源污染物總氮負荷貢獻率最高33.84%。林地貢獻率最小為11.74%。不同污染源類型對總磷負荷貢獻率的大小順序為:畜禽糞便（其中，豬＞家禽＞牛＞羊）＞農(nóng)村生活區(qū)＞耕地＞林地。其中畜禽糞便污染對總磷負荷的貢獻明顯大于農(nóng)村生活區(qū)和耕地的貢獻。

（3）水庫徑流區(qū)不同污染來源產(chǎn)生的總氮和總磷的入庫負荷量分別為207.98和24.73t/a，總氮入庫總量是總磷入庫總量的8.4倍。入庫總氮負荷的主要污染來源是農(nóng)村生活區(qū)污染和畜禽糞便污染，其入庫總氮負荷分別為70.38和70.90t/a，占總入庫總氮負的33.84%～34.09%。入庫總氮負荷貢獻率的順序為:農(nóng)村生活＞畜禽糞便（其中，大牲畜＞家禽）＞耕地 ＞林地。按入庫總磷負荷貢獻率的大小順序為:畜禽糞便（其中，豬＞家禽＞牛＞羊）＞農(nóng)村生活區(qū)＞耕地＞林地。

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