基于輸出系數(shù)法的苕溪流域面源污染負(fù)荷估算

羅 娜，樊 霆，郭 彬，李凝玉，傅慶林，李 華

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021)

0 引 言

太湖流域作為我國比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，由于人口密集，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度大，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)環(huán)境之間的矛盾日益加深，湖泊富營養(yǎng)化加重，威脅當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘Ｉ?，環(huán)境治理也耗費(fèi)了大量的資源，對流域的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生制約。[1]作為太湖流域內(nèi)重要水域部分，苕溪流域水質(zhì)與太湖地區(qū)水環(huán)境息息相關(guān)。[2]為進(jìn)一步研究苕溪流域水體污染狀況，趙欣對流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染情況進(jìn)行了調(diào)查研究。[3]因農(nóng)業(yè)面源污染成因機(jī)理的復(fù)雜性、時間的滯后性、污染產(chǎn)生的隨機(jī)性、污染治理工作的長期性等特點(diǎn)使得面源污染的監(jiān)測難度頗大。對面源污染進(jìn)行的定量化的評估核算是一直以來面源污染工作的重要內(nèi)容。[4]

本研究采用農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷估算方法中的輸出系數(shù)法，輸出系數(shù)法是20世紀(jì)70年代初歐美研究者在對湖泊營養(yǎng)物質(zhì)與土地利用關(guān)系探討中提出的，亦稱單位面積負(fù)荷法，后在我國也多有應(yīng)用。經(jīng)過多年來不斷的發(fā)展完善，除土地利用這一影響因素外，同時考慮了畜禽養(yǎng)殖、居民人口等輸出系數(shù)。本研究調(diào)查了苕溪流域包括6大區(qū)縣人口、農(nóng)田面積、蔬菜面積、茶園地面積、種植結(jié)構(gòu)、施肥情況、產(chǎn)量情況和畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的情況等。利用相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對流域內(nèi)主要氮磷污染物負(fù)荷進(jìn)行研究探討，以確定苕溪流域面源污染主要污染源、主要污染物，為評估農(nóng)業(yè)面源污染對苕溪流域水體污染的影響程度，為苕溪流域和各級政府確定水污染防治重點(diǎn)，采取有效控制措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 面源污染負(fù)荷估算方法選擇

自20世紀(jì)60年代以來，研究者提出了多種面源污染負(fù)荷核算方法。目前農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷估算方法主要分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法、機(jī)理模型法兩種。[5]經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法是在流域自然地理特征與污染物關(guān)系的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，與污染物的轉(zhuǎn)化機(jī)理過程無關(guān)，與污染源的輸入有關(guān)的統(tǒng)計(jì)方法。[6-9]經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法中的兩種計(jì)算方法中，一種是輸出系數(shù)法，另一種是源強(qiáng)系數(shù)法。機(jī)理模型法在考慮了降雨、徑流、蒸發(fā)等水循環(huán)過程影響下，描述了在不同土地利用條件下流域內(nèi)面源污染物的遷移轉(zhuǎn)化、最終入河的一系列過程[10-12]，定量分析了農(nóng)業(yè)面源污染物的遷移流失機(jī)理過程，通過模型追溯各類污染源的來源，其中主要包括SWAT模型、HSPF模型、AnnAGNPS模型等。[13]

在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c機(jī)理模型的對比中，因模型應(yīng)用對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求頗高，如降水、蒸發(fā)、日照、氣溫等，同時也需相應(yīng)的連續(xù)水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來校正模型，而我國各地區(qū)的資料相對短缺，且研究時間跨度不足，機(jī)理模型無法在資料尚不完全收集之處應(yīng)用，造成研究誤差頗大，不具有較高準(zhǔn)確度。[14]而經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法最優(yōu)處在于對流域數(shù)據(jù)獲取要求較低[15]，利用土地利用、施肥量、牲畜、人口等數(shù)據(jù)等少量易獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算出流域負(fù)荷總量及水系出水口的負(fù)荷量，可操作性更強(qiáng)，數(shù)據(jù)獲取難度較低，同時具有極高的準(zhǔn)確度。[16]

本研究擬采用輸出系數(shù)法對苕溪流域農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷進(jìn)行核算，從農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖四大來源進(jìn)行了流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)估算。

1.2 輸出系數(shù)法

輸出系數(shù)模型具體輸出系數(shù)公式為：

其中公式左邊j為流域內(nèi)某種污染物的類型，m為土地利用的類型或畜禽種類或人口，Enj為流域內(nèi)某種污染物類型在n種土地利用類型或畜禽或人口中的輸出系數(shù)，F(xiàn)j為第n種土地利用類型或畜禽或人口的總數(shù)量，公式右邊的Aj為流域內(nèi)某種污染物j的總污染負(fù)荷量。

本文對苕溪流域相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于2017年杭州、湖州、浙江統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)及相關(guān)統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)資料。各類產(chǎn)污系數(shù)的選取是根據(jù)近年來國內(nèi)外關(guān)于輸出系數(shù)的相關(guān)研究結(jié)果。畜禽、種植、生活、水產(chǎn)等相關(guān)流失系數(shù)均來自國內(nèi)外學(xué)術(shù)資料庫以及相關(guān)調(diào)查報告，標(biāo)準(zhǔn)手冊等，其中有《2016江蘇省太湖流域污染源調(diào)查報告》《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)手冊》[17]和《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596—2001)等。[18]以2016年為基準(zhǔn)年，采用綜合調(diào)查法統(tǒng)計(jì)了苕溪流域農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀，調(diào)查結(jié)果運(yùn)用輸出系數(shù)法估算其污染負(fù)荷并進(jìn)行綜合分析。

1.3 研究區(qū)概況

苕溪流域位于浙江省西北部，流域地跨杭州、湖州兩地級市，流經(jīng)臨安、余杭、安吉、德清、吳興區(qū)及長興縣6個縣市(區(qū))，根據(jù)2016年統(tǒng)計(jì)資料顯示，苕溪流域內(nèi)農(nóng)村人口321.88萬人，城鎮(zhèn)人口65.84萬人。苕溪流域面積共計(jì)5 918km2，主流長度共157.8km，包括了東西苕溪兩大源流，流域水系圖見圖1。

數(shù)據(jù)來源：中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)

苕溪流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量豐沛，熱量充足。苕溪流域內(nèi)植被種類復(fù)雜，整體為亞熱帶典型地帶性植被類型為常綠闊葉林。苕溪流域研究區(qū)內(nèi)面積最大的土地利用類型是林地，森林覆蓋率達(dá)90%以上，面積為3295.6km2，其次是水田，面積第三的是農(nóng)村居民點(diǎn)。流域土地利用圖見圖2。

數(shù)據(jù)來源：美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站提供的Landsat遙感影像(空間分辨率為30米)解譯結(jié)果(https://glovis.usgs.gov/)

2 結(jié)果與討論

2.1 苕溪流域種植業(yè)氮磷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

研究調(diào)查了苕溪流域內(nèi)四大種植業(yè)：水稻、蔬菜、茶園、花卉苗木的播種面積、產(chǎn)量及施肥量狀況。苕溪流域水稻、茶園施肥量調(diào)查[19]，水稻每年種植早晚兩季，年平均施用尿素450kg·hm-2，復(fù)合肥150kg·hm-2。茶園每年春季、夏季、秋季施肥3次，年平均施尿素525kg·hm-2，施復(fù)合肥300kg·hm-2。[20]對于苕溪流域苗木施肥量調(diào)查，以紅葉石楠為例[21]，最終計(jì)算整理出苕溪流域農(nóng)作物面積、產(chǎn)量及農(nóng)作物施肥量，并根據(jù)資料數(shù)據(jù)確定苕溪流域農(nóng)田污染物流失狀況。氮磷流失負(fù)荷由稻田流失強(qiáng)度系數(shù)與種植面積可得，根據(jù)化肥流失量=化肥施用量×流失系數(shù)，其中化肥施用量=耕地面積×單位面積施肥當(dāng)量。綜上苕溪流域內(nèi)農(nóng)田種植徑流污染物氮磷流失總量整理如下表。

表1 苕溪流域種植業(yè)氮磷流失量

2.2 苕溪流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮磷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

苕溪流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，但養(yǎng)殖總量分布不平衡，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)較為突出[22-23]，養(yǎng)殖種類主要包括豬、牛、羊以及雞、鴨、鵝等家禽，畜禽的總量既要考慮年末的存欄量, 也要考慮其出欄量，按照公式：畜禽總量=存欄量+出欄量[24]，計(jì)算畜禽的總量，最終得出苕溪流域2016年不同區(qū)縣內(nèi)畜禽養(yǎng)殖業(yè)總量概況。[25-27]畜禽的排泄系數(shù)與畜禽的品種以及家禽的生長期、天氣條件等有關(guān)。[2]據(jù)資料可得出生豬、牛、羊、家禽的養(yǎng)殖周期分別為199天，365天，365天，210天[28]，經(jīng)查閱資料可得，最終確定畜禽糞便污染物進(jìn)入水體流失率(%)。[29-31]并根據(jù)公式：畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污量=畜禽排泄系數(shù)×飼養(yǎng)量；畜禽養(yǎng)殖排入水體量=畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污量×入河系數(shù)。[2]最終計(jì)算得出苕溪流域畜禽養(yǎng)殖的污水產(chǎn)生量與污染物入河量如表2。

表2 苕溪流域畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污量與污染物入河量

2.3 苕溪流域水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)氮磷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，養(yǎng)殖面積和生產(chǎn)規(guī)模的不斷大[28]，由于養(yǎng)殖過程中是飼料質(zhì)量參差不齊、利用率低，從而引起水體富營養(yǎng)化進(jìn)而對流域水環(huán)境造成負(fù)面影響。[32]根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，苕溪流域水產(chǎn)養(yǎng)殖主要來源于淡水池塘養(yǎng)殖[33-35]，本研究重點(diǎn)估算池塘養(yǎng)殖中的污染物排放量。苕溪流域內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖主要有魚類、蝦蟹類、貝類以及龜鱉類。其中龜類產(chǎn)量最大，約為238 240t，貝類產(chǎn)量最少，約為5 486t。根據(jù)年鑒所得，可得苕溪流域水產(chǎn)養(yǎng)殖面積總計(jì)為26 300hm2，總計(jì)約為39.45萬畝。

根據(jù)全國第一次污染源調(diào)查的相關(guān)數(shù)據(jù)得出苕溪流域水產(chǎn)養(yǎng)殖不同種類排放系數(shù)[36]，其中貝類的總氮總磷因水體中的溶解氧及食物結(jié)構(gòu)的關(guān)系導(dǎo)致其出現(xiàn)負(fù)值的情況，因2017年鑒中杭州地區(qū)蝦蟹類具體數(shù)目缺乏，即取蝦蟹系數(shù)均值來計(jì)算。[37-38]故根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量估算法得出水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物含量計(jì)算公式：污染物年排放量=年產(chǎn)量×產(chǎn)污系數(shù)。由此得出不同水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品的污染物負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 不同區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖品的污染物年排放量 t

2.4 苕溪流域農(nóng)村生活氮磷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

農(nóng)村生活污染包括生活污水和人糞便。根據(jù)2017年年鑒可得苕溪流域農(nóng)業(yè)人口總共為321.88萬人。并根據(jù)第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊資料確定污染物排放系數(shù)，計(jì)算農(nóng)村生活污染物排放量。根據(jù)生活污水總氮產(chǎn)污系數(shù)為0.584kg/(人·a)，總磷為0.146kg/(人·a)，人糞尿總氮系數(shù)為4.4kg/(人·a)，總磷為0.44kg/(人·a)計(jì)算苕溪流域農(nóng)村生活污水及人糞尿產(chǎn)污量。按照查閱資料顯示，太湖、苕溪流域生活污水流失率的研究結(jié)果表示，生活污水的75.5%流失到水體中；農(nóng)村居民人糞尿的10.5%進(jìn)入水體。根據(jù)農(nóng)村生活污水及人糞尿入河計(jì)算方法最終得出苕溪流域農(nóng)村生活污水及人糞尿污染物進(jìn)入水體總量如表4所示。

表4 苕溪流域農(nóng)村生活污水及人糞尿污染物入河量

2.5 苕溪流域農(nóng)業(yè)面源污染總量

利用污染系數(shù)法統(tǒng)計(jì)調(diào)查了流域內(nèi)突出污染源影響因素，對生活污染、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流等面源污染源進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出苕溪流域農(nóng)業(yè)面源污染氮磷污染物負(fù)荷總量及各自的比重如下表5。

表5 苕溪流域農(nóng)業(yè)面源污染總量及比例

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及比例分布得出，苕溪流域主要面源污染源構(gòu)成中畜禽養(yǎng)殖業(yè)是其主要污染貢獻(xiàn)來源，總排放量為4 498t·a-1，占總排放量的30%，其次為農(nóng)村生活氮磷污染負(fù)荷，占總污染負(fù)荷比重的26%，種植業(yè)與水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)分別總量達(dá)3 299t·a-1、3 442t·a-1，二者總占比為49%。畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)村生活是造成苕溪流域氮磷面源污染的主要來源。其中總氮與總磷來源側(cè)重有所區(qū)別。就各自指標(biāo)來看，在總氮污染來源中，畜禽養(yǎng)殖是最大的污染來源，占總貢獻(xiàn)量的27%，其次是種植業(yè)，占總污染來源的25%，農(nóng)村生活污染及水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染總量較低。在總磷的污染負(fù)荷來源中，畜禽養(yǎng)殖是最主要污染來源，總量達(dá)1 210t·a-1，比例達(dá)49%，其次農(nóng)村污水與水產(chǎn)養(yǎng)殖差距不大，二者共同產(chǎn)生量達(dá)1 006t·a-1，比例占有41%。

3 結(jié) 論

本論文選擇苕溪流域作為研究對象，通過資料收集和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理統(tǒng)計(jì)分類，利用污染系數(shù)法統(tǒng)計(jì)計(jì)算流域內(nèi)面源污染負(fù)荷狀況，分析河道內(nèi)水質(zhì)狀況得出重點(diǎn)污染來源。結(jié)果得出，在總氮污染來源中，畜禽養(yǎng)殖是最大的污染來源，其次是種植業(yè)，農(nóng)村生活污染及水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染總量較低。在總磷的污染負(fù)荷來源中，畜禽養(yǎng)殖是最主要污染來源，其次農(nóng)村污水與水產(chǎn)養(yǎng)殖差距不大，總結(jié)來看，苕溪流域面源污染氮磷來源主要為畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活污水>種植業(yè)>水產(chǎn)養(yǎng)殖，研究明確了水體氮污染的主要來源和控制重點(diǎn)，認(rèn)為該流域水體農(nóng)業(yè)氮磷污染的原因主要在于城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活污水、工業(yè)和禽畜養(yǎng)殖排放廢水。

本研究采用污染系數(shù)負(fù)荷調(diào)查統(tǒng)過程中，污染系數(shù)確定具有差異性，不同研究者對所調(diào)查流域的劃分，調(diào)查信息掌握程度的差異，降雨徑流等各類因素的影響都將對流域內(nèi)種植業(yè)污染負(fù)荷調(diào)查產(chǎn)生影響，鑒于本研究中所用到的數(shù)據(jù)大多來自于浙江省統(tǒng)計(jì)年鑒，杭州市統(tǒng)計(jì)年鑒及湖州市統(tǒng)計(jì)年鑒，在數(shù)據(jù)收集及錄用過程中存在人為干預(yù)較大，將會對數(shù)據(jù)計(jì)算的氮平衡結(jié)果與實(shí)際情況存在一定區(qū)別，針對這一數(shù)據(jù)核算過程中的不確定性研究，可作為今后研究方向。