水源农业面源污染风险防控区划定方法研究

2020-10-19井柳新魏明海孙宏亮

中国农村水利水电 2020年10期

井柳新，魏明海，孙宏亮

(生态环境部环境规划院，北京 100012)

0 引言

饮水安全关系到群众健康和社会稳定，强化饮用水水源地环境保护刻不容缓。近年来，农业面源污染问题日益突出，已成为我国水环境保护的一大难题。《农业农村污染治理攻坚战行动计划》要求到2020年，实现“一保两治三减四提升”，其中“一保”即保护农村饮用水水源，“四提升”第一便要求提升主要由农业面源污染造成的超标水体水质。《水污染防治行动计划》也明确提出了“保障饮用水水源安全”和“控制农业面源污染”的要求。可见，加强水源周边的农业面源污染风险防控势在必行[1,2]。

《水污染防治法》要求划定饮用水水源保护区，但一些地区饮用水水源保护区划定不清、边界不明、环境风险隐患突出[3]；全国农村“千吨万人(日供水千吨或服务万人)”规模以上饮用水水源保护区划定率仅为68.5%，长江经济带乡镇级集中式饮用水水源保护区划定率仅为71.2%，可见存在相当一部分饮用水水源地未划定水源保护区，饮水安全无法得到有效保障[4]。农业面源污染又具有随机性强、潜伏期长、影响范围广等特点，因此，划定水源农业面源污染风险防控区、及时采取有效防控措施尤为重要[5,6]。

1 水源农业面源污染风险计算方法

1.1 农业面源污染排放量计算

农业面源污染主要指农村生活污染、农业种植污染和畜禽养殖污染等[7]。基于水源周边污染源调查情况，依据相应的污染物排污系数，分别计算农村生活、农业种植及畜禽养殖污染产生的污染负荷。

1.1.1 农村生活污染

按照相关部门确定的排放系数[8]，每人每天平均排粪0.25 kg，尿液1.00 kg，农村居民以10.00%人粪尿进入水环境计算，计算公式如下：

N1=n人×0.25

(1)

M=n人×1.0

(2)

N1总=(N1+M)×10%

(3)

式中：N1为农村生活污染粪便排放量，kg/d；n人为人口数量，个；M为尿液排放量，kg/d；N1总为进入水体环境中的农村生活污染物总量，kg/d。

各项污染物所对应排污系数如表1所示。

表1 生活污染源污染物的排污系数[9] g/(人·d)

因此：

Q1COD=(n直排×63.00+n化粪池×54.00)/1 000

(4)

Q1TN=(n直排×10.60+n化粪池×9.40)/1 000

(5)

Q1TP=(n直排×0.74+n化粪池×0.65)/1 000

(6)

式中：Q1COD为农村生活污染进入水环境中COD污染物分量，kg/d；Q1TN为农村生活污染进入水环境中TN污染物分量，kg/d；Q1TP为农村生活污染进入水环境中TP污染物分量，kg/d；n直排为污染物直排人数，个；n化粪池为使用化粪池人数，个。

等标排放量P计算公式如下：

(7)

1.1.2 农业种植污染

计算水源周边农业种植产生的污染负荷。

计算公式如下：

N2=Wb

(8)

式中：N2为化肥污染排放量，kg；W为化肥施用量，kg；b为流失系数。

肥料中TN、TP流失量按照不同模式选取不同系数，具体见表2。

1.1.3 畜禽养殖污染

计算水源周边畜禽养殖产生的污染负荷，其中不同养殖类型产生的粪便量及污染物含量如表3所示。

表2 农业种植污染物流失系数[10] kg/hm2

表3 畜禽粪便排放系数及其中的污染物组分含量[11]Tab.3 Emission coefficient of livestock and poultry feces and the contents of pollutant components

畜禽粪便进入水体中的流失率可达到25.00%～30.00%，其中，TN、TP、COD进入水体流失率如表4所示。

表4 畜禽粪便污染物进入水体流失率 %

依据上述数据计算水源周边村庄畜禽养殖产生的污染物对水体造成的污染负荷。

计算公式如下：

N3=N猪×5.30+N牛×21.00+N鸡×0.10+N羊×2.38

(9)

Q3=N3×25.00%

(10)

N3TN=N猪×5.30×0.24%+N牛×21.00×0.35%+

N鸡×0.10×1.03%+N羊×2.38×1.01%

(11)

N3TP=N猪×5.30×0.07%+N牛×21.00×0.08%+

N鸡×0.10×0.41%+N羊×2.38×0.22%

(12)

N3COD=N猪×5.30×3.10%+N牛×21.00×3.80%+

N鸡×0.10×4.30%+N羊×2.38×4.20%

(13)

Q3TN=N猪×5.30×0.24%×5.34%+N牛×21.00×

0.35%×5.68%+N鸡×0.10×1.03%×8.47%+

N羊×2.38×1.01%×5.30%

(14)

Q3TP=N猪×5.30×0.07%×5.25%+N牛×21.00×

0.08%×5.50%+N鸡×0.10×0.41%×8.42%+

N羊×2.38×0.22%×5.20%

(15)

Q3COD=N猪×5.30×3.10%×5.58%+N牛×21.00×

3.80%×6.16%+N鸡×0.10×4.30%×8.59%+

N羊×2.38×4.20%×5.50%

(16)

式中：N3为畜禽养殖粪便排放量，kg/d；Q3为畜禽养殖粪便进入水体中的流失量，kg/d；N3TN为畜禽养殖TN污染物含量，kg/d；N3TP为畜禽养殖TP污染物含量，kg/d；N3COD为畜禽养殖COD污染物含量，kg/d；Q3TN为畜禽养殖TN污染物进入水体中的流失量，kg/d；Q3TP为畜禽养殖TP污染物进入水体中的流失量，kg/d；Q3COD为畜禽养殖COD污染物进入水体中的流失量，kg/d；N猪为猪的数量，头；N牛为牛的数量，头；N鸡为鸡的数量，只；N羊为羊的数量，只。

1.2 农业面源污染风险计算方法及步骤

农业面源污染风险等级划分参考《集中式地下水饮用水水源地补给区污染源强分级评价技术指南(试行)》中的指标法。污染源分级评价方法按照不同指标，从污染物存在时间、排放方式、迁移转化途径等多因素考虑[12-15]，按照不同指标的分级评价方法对污染源进行整体综合评价。

水源地污染风险分级指标包括优控污染物综合评价(B1)、排放源强(B2)、排放位置(B3)、排放路径(B4)、距离水源地的距离(B5)、防渗措施(B6)。

(1)优控污染物综合评价(B1)。优控污染物综合评价表示不同污染物对地表水环境可能造成的风险大小，采用修正的内梅罗指数法进行计算，具体计算方法如下：

首先依据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，将第i种污染物的浓度与标准值进行对比，依据表5确定第i种污染物的评分值Li。

表5 地表水质量评分Tab.5 Surface water quality scores

污染物的特征属性包括浓度、毒性、迁移性、降解性等指标，修正的内梅罗综合污染指数法是以地表水优控污染物识别结果为基础，在计算过程中引入各污染物的权重排序li，利用L加权平均代替Liave(n种污染物评分的平均值)。

L加权平均计算公式如下：

(17)

式中：L加权平均为n种污染物评分加权平均值；ai为第i种污染物的权重，其大小由该污染物在地表水优控污染物识别后的排序位置而定，可将各种污染物的地表水危害性大小排序表示为li，计算公式如下：

(18)

式中：li为第i种优控污染物的排序。

计算修正的内梅罗综合污染指数，公式如下：

(19)

式中：L综为修正的内梅罗综合污染指数，即优控污染物综合评价指数B1。

(2)排放源强(B2)。排放源强即面源污染排放量。

(3)排放位置(B3)。本研究排放位置仅限地表，评分统一设定为6。

(4)排放路径(B4)。地表水排放路径包括渗水井、直排及地表径流，分别进行不同的赋值。

(5)距离水源地的距离(B5)。按照不同污染源位置进行分类，距离水源地越近，则污染风险越高，相应评分值越高。

(6)防渗措施(B6)。按照是否有防渗措施，进行相应的评分赋值。

详细的指标评分见表6所示。

表6 地表水饮用水水源地污染源风险指标评分Tab.6 Pollution source risk index score of surface drinking water source

依据各指标风险程度对其进行权重赋值，如表7所示。

表7 地表水饮用水水源地污染源风险指标权重Tab.7 Weight of pollution source risk index of surface drinking water source

则污染源风险总指数计算方法如下：

B=0.36B1+0.17B2+0.15B3+

0.08B4+0.17B5+0.07B6

(20)

式中：B为总风险指数；Bi为各指标评分。

将B计算结果按照等间距法，取值范围(0.00～10.00)分为4个等级，B值越大，污染源风险等级越高，具体分级结果如表8所示。

表8 B值分级结果Tab.8 B value classification results

2 案例分析

2.1 研究对象概况

选择承德市双峰寺水库及其周边区域为研究范围，开展农业面源污染风险评价及分级。双峰寺水库位于武烈河干流上，水库总库容1.37 亿m3。除防洪功能外，双峰寺水库还可为承德市的城市生活和工业用水提供清洁可靠水源，保障城市供水安全。

双峰寺水库目前处于蓄水状态，还未正式运营供水，属于规划型水源地。水库周边农业面源污染风险较为突出，包括农村生活污染、农业种植污染、畜禽养殖污染等，本次研究调查范围详见图1。

2.2 农业面源污染调查

据调查，双峰寺水库周边存在8个村庄；种植作物种类主要为玉米，使用化肥类型为尿素；部分村庄还种植果树，主要使用化肥类型为磷酸氢二胺。具体调查资料详见表9。

2.3 农业面源污染负荷计算

(1)农村生活污染。根据式(1)计算P，具体如表10。

(2)农业种植污染。为确保玉米的正常生长需求，根据测土配方施肥法每公顷玉米尿素用量约为482.4 kg；果树种植磷酸氢二胺使用量一般为1.00～1.50 kg/棵，1 hm2土地通常可种植750～1 200 棵。

表10 农村生活污染源产生的污染负荷计算Tab.10 Pollution load calculation of rural household pollution sources

氮肥的流失系数根据研究地区的氮肥流失定点试验结果确定，玉米对尿素的利用率为52.00%，其余尿素流失量占到48.00%；根据对磷酸氢二胺化肥的定点试验研究，磷酸氢二胺化肥的流失量占当年施肥量的25.00%左右[16]。

计算水库周边村庄农业种植污染负荷如表11所示。

表11 农业种植污染负荷计算Tab.11 Pollution load calculation of agricultural planting

(3)畜禽养殖污染。计算水库周边畜禽养殖污染负荷，详见表12所示。

表12 畜禽养殖污染负荷计算 kg/d

2.4 风险评价结果

按照Bi计算方法，分别计算水库周边不同村庄污染风险等级，水库周边污染源风险等级计算结果如表13至表16所示。

表13 水库周边村庄污染源B1值Tab.13 values of B1 in the surrounding villages of the reservoir

以西黄土坎村为例，计算过程如下：首先依据《地表水环境质量标准》，将COD、TN、TP的浓度与标准值进行对比，依据表5确定3种污染物的评分值Li。再计算L加权平均：

其他几个村的B1数值按照上述步骤完成。

表14 水库周边风险评价指标Bi计算结果Tab.14 Bi calculation results of risk assessment indicators around the reservoir

表15 水库周边污染源风险等级评分Tab.15 Risk rating of pollution sources around the reservoir

表16 各个村庄污染源等级分级(图例)Tab.16 Classification of pollution sources in each village

综上，双峰寺水库周边，西黄土坎村、甸子村、山湾子村、下河口村、南观音堂村、下南山村、上窝铺村7个村庄为Ⅳ级风险源，该7个村庄距离水源地最近，且村庄内无统一的污水处理设施，产生的污水直排农田或河道、废弃物随意堆放在土壤表面，对入库水质产生较大的污染风险。因此，将该7个村庄分布范围划定为双峰寺水库农业面源污染风险防控区，面积为20.93 km2，详见图2。