基于磷足跡的河流磷污染負(fù)荷評(píng)估

鐘朋叡，董 梁

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，天津 300222;2.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

由氮磷過(guò)度排放引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題在我國(guó)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(huì)發(fā)生水體富營(yíng)養(yǎng)化，在磷循環(huán)過(guò)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(tài)存在，形成大量不溶性磷沉于底部，因此防治水體富營(yíng)養(yǎng)化，消減或限制磷元素的流失是關(guān)鍵問(wèn)題[2]。

科學(xué)合理地評(píng)估河流磷污染情況是解決水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要前提。河流磷污染評(píng)估也受到許多學(xué)者的關(guān)注，林少華等[3]利用總氮、總磷指標(biāo)對(duì)水池養(yǎng)殖系統(tǒng)氮磷污染進(jìn)行了評(píng)估；謝曉天等[4]核算了黃河三角洲地區(qū)的農(nóng)業(yè)面源磷污染負(fù)荷；金亞楠等[5]采用LOADEST模型來(lái)反映總磷動(dòng)態(tài)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(huán)境污染的主要因子。然而很多學(xué)者只關(guān)注河流內(nèi)部的磷元素，對(duì)總磷、磷酸鹽等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，或?qū)⒘饔蛎嬖次廴九c河流磷污染割裂，忽略了流域內(nèi)的污染源產(chǎn)生的磷循環(huán)對(duì)河流水質(zhì)的影響。

磷足跡定義為某一產(chǎn)品或過(guò)程在全生命周期內(nèi)直接或間接流入河流中的總磷量，這為污染評(píng)價(jià)提出了一種新思路。磷足跡從流域整體出發(fā)對(duì)河流磷污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，考慮流域內(nèi)未來(lái)時(shí)間段內(nèi)磷元素循環(huán)過(guò)程，使得磷污染評(píng)價(jià)更加立體全面。

1 研究區(qū)域

復(fù)州河發(fā)源于普蘭店市同益鄉(xiāng)老帽山南麓，海拔高程為848.0m，水系流域面積為1645.98km2，流經(jīng)大連市普蘭店市與瓦房店市，于瓦房店三臺(tái)子鄉(xiāng)西蘭旗的老羊頭注入渤海。本次研究選擇松樹(shù)水庫(kù)出水口為復(fù)州河起點(diǎn)，地理坐標(biāo)為北緯39°47′，東經(jīng)121°6′，選擇入?？跒閺?fù)州河終點(diǎn)，地理坐標(biāo)為北緯39°37′，東經(jīng)121°31′。河流污染源主要來(lái)自河流流域，本次研究選取復(fù)州河流域內(nèi)11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為污染來(lái)源區(qū)域，分別為松樹(shù)鎮(zhèn)、趙屯鄉(xiāng)、得利寺鎮(zhèn)、瓦房店市區(qū)、太陽(yáng)街道、瓦窩鎮(zhèn)、老虎屯鎮(zhèn)、復(fù)州城鎮(zhèn)、楊家滿族鄉(xiāng)、九龍街道、三臺(tái)滿族鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)為北緯39°28′～39°57′、東經(jīng)121°34′～122°12′。復(fù)州河流域是大連地區(qū)重要的果品生產(chǎn)區(qū)和出口區(qū)，另外上游流域是大連瓦房店等地區(qū)的主要飲用水水源地，同時(shí)各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在畜牧養(yǎng)殖、果品種植等產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，隨著流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，以及人口的增加，污水排放嚴(yán)重影響著復(fù)州河的水質(zhì)，根據(jù)滕昱[8]對(duì)大連市水功能區(qū)的研究與長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)采樣分析，表明復(fù)州河的水質(zhì)污染嚴(yán)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(jù)“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(chǎn)品或過(guò)程在全生命周期內(nèi)直接或間接流入河流的總磷量。本次研究同時(shí)核算居民生活污水排放、種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)三種污染過(guò)程流入河流的總磷量。計(jì)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(yè)磷足跡；LPF—養(yǎng)殖業(yè)磷足跡，kg。

2.1.1居民生活污染磷足跡

復(fù)州河流域內(nèi)農(nóng)村地區(qū)較多，主要城鎮(zhèn)為瓦房店市區(qū)，居民生活污水排放是產(chǎn)生居民生活磷污染的重要原因。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，流域城鎮(zhèn)生活污水經(jīng)過(guò)龍山等污水處理廠處理后排放，農(nóng)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(jì)算公式為

HPF=P×Wp×γ×n×t

(2)

式中，P—城鎮(zhèn)或農(nóng)村區(qū)域人口數(shù)量，人；WP—城鎮(zhèn)或農(nóng)村居民人均用水量，L/(人·d)；γ—生活污水產(chǎn)生系數(shù)；n—污水中總磷濃度，本次研究參考龍山污水處理廠進(jìn)水指標(biāo)，按照城鎮(zhèn)總磷4.0mg/L、農(nóng)村總磷3.4mg/L估算；t—時(shí)間，d。

2.1.2種植業(yè)磷足跡

復(fù)州河流域的種植業(yè)主要為糧食作物、園林水果和經(jīng)濟(jì)作物，在種植過(guò)程中，由于過(guò)度施肥產(chǎn)生的磷元素流失，加劇流域磷污染現(xiàn)狀，由于其流失過(guò)程模糊，計(jì)算復(fù)雜，本次研究采用《大連市統(tǒng)計(jì)年鑒2019》[11]中施肥折純量進(jìn)行核算，計(jì)算公式為

PPF=φ×Ai×μi

(3)

式中，φ—磷肥的流失系數(shù)；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(yǎng)殖業(yè)磷足跡

復(fù)州河流域內(nèi)各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均存在畜禽養(yǎng)殖業(yè)，以肉雞、生豬、肉牛養(yǎng)殖為主，奶牛、蛋雞養(yǎng)殖為輔。多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)均無(wú)任何處理措施，直接排放入河或堆肥還田。養(yǎng)殖業(yè)的磷污染主要來(lái)自畜禽糞尿中的磷元素，核算養(yǎng)殖業(yè)磷足跡的計(jì)算公式為

LPF=n×ti×νi×η

(4)

式中，n—某種畜禽的飼養(yǎng)數(shù)量，頭、羽；ti—某種畜禽的飼養(yǎng)周期，d。根據(jù)是實(shí)地調(diào)查肉牛、奶牛、蛋雞為365d、肉雞為60d、生豬為150d；νi—畜禽養(yǎng)殖總磷產(chǎn)污系數(shù)，g/(頭·d)；η—畜禽糞尿水體流失率。

在核算養(yǎng)殖業(yè)磷足跡時(shí)，畜禽的飼養(yǎng)數(shù)量不能同時(shí)考慮存欄與出欄數(shù)量，否則計(jì)算結(jié)果偏大。對(duì)于肉雞和生豬在一年中可以完成大于一次的飼養(yǎng)期，應(yīng)采用年末出欄量，而對(duì)于肉牛、奶牛和蛋雞在一年內(nèi)無(wú)法完成大于一次的飼養(yǎng)期或不出欄，計(jì)算時(shí)應(yīng)采用年末存欄量[12]。

2.2 參數(shù)選擇

(1)城鎮(zhèn)或農(nóng)村居民人均用水量Wp。GB/T 50331—2002《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)》[13]規(guī)定：復(fù)州河流域所在的遼寧省地區(qū)城市居民生活用水量應(yīng)為80～135L/人·d。根據(jù)對(duì)復(fù)州河流域居民實(shí)地調(diào)研，近些年瓦房店市區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)居民生活耗水量有所上升。文章中城鎮(zhèn)居民人均用水量取100～200 L/(人·d)，其中瓦房店市區(qū)取200 L/(人·d)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)取100 L/(人·d)。農(nóng)村居民人均用水量取60 L/(人·d)。

(2)生活污水產(chǎn)生系數(shù)γ。根據(jù)GB/T 50331—2002[13]及《污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[14]，本次研究中城鎮(zhèn)居民生活污水產(chǎn)生系數(shù)取0.85，農(nóng)村居民生活污水產(chǎn)生系數(shù)取0.80。

(3)磷肥的流失系數(shù)φ。本次研究?jī)H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(guó)污染源普查農(nóng)業(yè)污染源肥料流失系數(shù)手冊(cè)》[15]中東北地區(qū)半濕潤(rùn)地區(qū)地表徑流磷肥流失系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 東北地區(qū)地表徑流磷肥流失系數(shù) 單位：%

(4)畜禽養(yǎng)殖總磷產(chǎn)污系數(shù)νi。根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[16]與《全國(guó)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對(duì)策》[17]，文章采取我國(guó)東北區(qū)域的禽養(yǎng)殖總磷產(chǎn)污系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 東北地區(qū)畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù) 單位：[g/(頭·d)]

(5)畜禽糞尿水體流失率η。文章采取《全國(guó)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對(duì)策》[17]中畜禽糞便總磷進(jìn)入水體流失率，見(jiàn)表3。

表3 畜禽糞便污染物進(jìn)入水體流失率 單位：%

3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究中流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民人口與肉牛、肉雞、生豬等畜禽養(yǎng)殖數(shù)量來(lái)自《復(fù)州河流域水體達(dá)標(biāo)方案》；流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)糧食作物、園林水果、經(jīng)濟(jì)作物種植面積與施肥量來(lái)自《大連市統(tǒng)計(jì)年鑒2019》[11]。

4 結(jié)果與分析

4.1 河流磷足跡量化結(jié)果

本次研究從居民生活污染、種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)3個(gè)污染源以及流域內(nèi)11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行復(fù)州河磷足跡核算。由表4與圖3可知，2018年復(fù)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(yè)磷足跡為12038.52kg，占比3.04%；養(yǎng)殖業(yè)磷足跡為261341.79kg，占比66.02%。由表4與圖1可知，瓦房店市區(qū)產(chǎn)生的磷足跡最大，達(dá)到了110044.03 kg；得利寺鎮(zhèn)和松樹(shù)鎮(zhèn)產(chǎn)生的磷足跡較小，分別為5217.99kg和9533.56kg，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)生的磷足跡均處在20000～40000kg。由表4與圖2可知，流域內(nèi)城鎮(zhèn)居民生活污染與肉雞養(yǎng)殖對(duì)整體磷足跡貢獻(xiàn)最大，分別為104008.21kg與172703.93kg；園林水果、經(jīng)濟(jì)作物與奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)生的磷足跡最少，主要由種植面積與養(yǎng)殖數(shù)量較少所決定。

圖1 復(fù)州河鄉(xiāng)鎮(zhèn)磷足跡量化結(jié)果

圖2 復(fù)州河污染因子磷足跡量化結(jié)果

圖3 復(fù)州河磷足跡占比

表4 復(fù)州河磷足跡量化結(jié)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(yè)和養(yǎng)殖業(yè)3個(gè)污染源分析了流域磷足跡空間分布特征。圖4是復(fù)州河磷足跡空間分布圖。由圖4可知，復(fù)州河磷足跡呈現(xiàn)自上游向下游遞增，在入海口有所降低的趨勢(shì)，最高值出現(xiàn)在瓦房店市區(qū)，主要受城鎮(zhèn)居民生活污染影響。圖5～圖7分別是復(fù)州河流域居民生活污染、養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)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(xiàn)由中游向上下游逐漸遞減的趨勢(shì)，最高值出現(xiàn)在城鎮(zhèn)人口最多的瓦房店市區(qū)；養(yǎng)殖業(yè)磷足跡呈現(xiàn)自上游向下游逐漸遞增的趨勢(shì)，下游量值整體高于上游區(qū)域，最高值出現(xiàn)在楊家滿族鄉(xiāng)，最低值出現(xiàn)在得利寺鎮(zhèn)；種植業(yè)磷足跡整體呈現(xiàn)由上游向下游遞增的趨勢(shì)，同時(shí)在近河流兩側(cè)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植業(yè)磷足跡量值大于遠(yuǎn)離河流的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

圖4 復(fù)州河磷足跡空間分布(kg)

圖5 復(fù)州河居民生活污染磷足跡空間分布(kg)

圖6 復(fù)州河養(yǎng)殖業(yè)磷足跡空間分布(kg)

圖7 復(fù)州河種植業(yè)磷足跡空間分布(kg)

4.3 河流磷污染評(píng)價(jià)與建議

上述研究結(jié)果表明，復(fù)州河流域磷污染的主要來(lái)源為養(yǎng)殖業(yè)與居民生活污染，而種植業(yè)施肥引起的磷污染占比非常小。流域內(nèi)肉雞的養(yǎng)殖與瓦房店市區(qū)城鎮(zhèn)居民生活污染對(duì)河流磷污染貢獻(xiàn)最大。研究區(qū)域內(nèi)由城鎮(zhèn)居民生活污水排放引起的瓦房店市區(qū)磷污染最嚴(yán)重，由畜禽養(yǎng)殖業(yè)引起的楊家滿族鄉(xiāng)磷污染次之，地處上游的松樹(shù)鎮(zhèn)磷污染最少。

建議強(qiáng)化城鎮(zhèn)生活污水治理，加快城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)與改造，同時(shí)加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖管理方式，從源頭控制推進(jìn)糞便資源化，建設(shè)養(yǎng)殖場(chǎng)治污減排設(shè)施，從而降低河流磷污染。

5 結(jié) 論

(1)復(fù)州河磷足跡量化與空間分布結(jié)果。2018年復(fù)州河磷足跡為395.85t，其中居民生活污染122.47t，養(yǎng)殖業(yè)占261.34t，種植業(yè)占12.04t。瓦房店市區(qū)磷足跡最高，達(dá)到110.04t，同時(shí)肉雞養(yǎng)殖產(chǎn)生的磷足跡最大，達(dá)到172.70t。復(fù)州河磷足跡呈現(xiàn)自上游向下游遞增，在入?？谟兴档偷目臻g分布趨勢(shì)，最高值出現(xiàn)在瓦房店市區(qū)，主要受城鎮(zhèn)居民生活污染影響。

(2)復(fù)州河流域磷污染評(píng)價(jià)。復(fù)州河流域磷污染主要由養(yǎng)殖業(yè)肉雞養(yǎng)殖與城鎮(zhèn)居民生活污染引起，而種植業(yè)產(chǎn)生的河流磷污染較少，流域內(nèi)瓦房店市區(qū)磷污染最嚴(yán)重，楊家滿族鄉(xiāng)、復(fù)州城鎮(zhèn)、九龍街道和老虎屯鎮(zhèn)磷污染也較為嚴(yán)重。