天目湖流域氮磷面源污染现状分析

2020-12-07刘同岩杨驰浩周宇澄李翔王圣森王小治

浙江农业科学 2020年12期

刘同岩，杨驰浩，周宇澄，李翔，王圣森，王小治

(扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州 225127)

随着经济的发展，以及点源污染的治理[1]，面源污染逐渐成为水质污染、恶化的主要原因之一[2]。农业面源污染中，水体污染的主要来源是氮和磷[3-4]。近年来，应用数学模型对面源污染进行模拟和估算已成为相关研究的重要手段[5-6]，但我国这方面的基础研究仍相对薄弱，缺乏相关资料，模型参数选取困难[7]。而且，经验模型多极具地方特色，泛化能力差，很难适用于其他区域的负荷估算[8]。与之不同，排污系数法所需参数少，操作简便易行，具有一定的精度，且不考虑面源污染发生和发展的复杂过程；因此，该方法在面源污染负荷估算方面也得到了一定的应用[9-10]。近几年，溧阳市经济高速发展，加之人类活动对水库范围内的生态环境干预加重，导致当地水库氮、磷的浓度处于较高水平[11-12]。为此，本文特采用排污系数法估算天目湖沙河水库流域农业种植地表径流，以及畜禽养殖、水产养殖和生活旅游污染中氮、磷污染物的贡献量，为天目湖流域面源污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

天目湖沙河水库是溧阳市重要的饮用水水源地，地理坐标为119°20′～119°29′E、31°11′～31°24′N，属于亚热带季风型气候，全年平均温度17.5 ℃，年均降水量1 181 mm。水库库容1.09亿m3，主要入库河流有平桥河、下宋河和中田河。水库区域内常住总人口4.88万人，年旅游人数480万人次，水库区域土地面积181.85 km2，水源区经济以种植业和旅游业为主。

1.2 数据来源

通过查阅统计年鉴和实地调查获得当地人口、牲畜、土地类型面积等基本数据。茶园排放污染系数通过1 a的小区径流试验获得，其他类型污染来源的污染排放系数参考第一次全国污染普查资料和相关文献获取[13-14]。1—12月茶园径流总氮(TN)浓度分别为8.45、3.87、1.27、8.75、7.00、7.09、6.63、6.70、7.99、4.80、2.85、8.51 mg·L-1，平均值为6.16 mg·L-1；1—12月茶园径流总磷(TP)浓度分别为0.11、0.36、0.60、0.26、0.27、0.27、0.19、0.23、0.24、0.17、0.05、0.08 mg·L-1，平均值为0.24 mg·L-1。总氮、总磷的农田污染系数分别为2.85、0.20 mg·L-1，茶园污染系数分别为6.16、0.24 mg·L-1，林地污染系数分别为0.78、0.02 mg·L-1，畜禽(猪)粪尿排污系数分别为29.0、5.21 g·d-1·头-1，畜禽(鸡)粪尿排污系数分别为1.35、0.36 g·d-1·只-1，水产排污系数分别为7.00、0.82 g·kg-1，城镇居民生活污染物排放系数分别为7.29、0.71 g·人-1，农村居民生活污染物排放系数分别为5.83、0.57 g，旅游污染排放系数分别为3.65、0.36 g·人-1。

1.3 污染源排放计算方法

根据当地政府部门提供的土地、人口等相关资料，应用式(1)～(6)计算得出相关污染物排放量。

1.3.1 径流污染排放量

Q=C·S·P·α/103。

(1)

式(1)中：Q为年污染负荷(t)，C为污染物平均浓度(mg·L-1)，S为土地面积(km2)，P为年均降水量(mm)，α为径流系数。

α=R/Pm。

(2)

式(2)中：R为某时段径流深(mm)，Pm为形成该径流深相应的流域平均降水量(mm)。

1.3.2 畜禽污染排放量

G1=N1·F1·d/106。

(3)

式(3)中：G1为畜禽、养殖污染物年排放量(t)，N1为畜禽养殖数量(只或头)，F1为畜禽粪尿排污系数[g·d-1·只(头)-1]，d为畜禽饲养周期(365 d)。

1.3.3 水产污染排放量

G2=N2·F2/103。

(4)

式(4)中：G2为水产养殖污染物年排放量(t)，N2为水产养殖产量(t)，F2为水产养殖排污系数(g·kg-1)。

1.3.4 居民生活污染排放量

G3=3.65N3·F3。

(5)

式(5)中：G3为城镇居民生活污染物年排放量(t)，N3为常住居民人口(万人)，F3为居民生活污染物排放系数(g·人-1)。

1.3.5 旅游污染排放量

G4=N·F4·d。

(6)

式(6)中：G4为旅游污染排放量(t)，N4为旅游人数(万人)，F4为旅游污染排放系数(g·d-1·人-1)，d为旅游时间(d)。

2 结果与分析

2.1 径流排污分析

当地年降水量为1 181 mm，根据气候和土壤等实际情况，结合系数公式与农田径流系数文献[15-16]，选取径流系数如下：农田径流系数0.7，茶园径流系数0.5，林地径流系数0.35。已知农田面积为47.68 km2，茶园面积为28.75 km2，林地面积为105.42 km2。依据对应公式，估算水库区域内径流污染氮、磷排放量，结果见表1。径流排放的总氮、总磷分别为250.82、12.88 t·a-1。在农业面源污染径流排污中，氮、磷负荷贡献排序均为农田排放>茶园排放>林地排放，农田排放的总氮、总磷占比分别为44.79%和61.18%。沙河水库流域内茶园土壤面积仅为28.75 km2，在全部土壤中占比仅为15.8%，但其排放的总氮、总磷占比却分别为41.70%和31.68%，可见茶园径流是水库区域内径流排污的主要贡献者。

2.2 养殖排污分析

当地畜禽年存栏量猪200头、鸡50 550只，水产养殖产量为3 012 t。根据污染系数，基于相应公式，估算水库范围内养殖的氮、磷排放量，结果见表2。畜禽、水产养殖的总氮、总磷排放分别为48.45、9.50 t·a-1，以畜禽养殖(特别是家禽类)为主。养殖排污在总量上少于径流排污，特别是在总氮方面，排污量仅为径流排污量的19.32%。

表2 畜禽、水产养殖的氮、磷排放量单位：t·a-1

2.3 生活排污分析

天目湖沙河水库流域内常住人口为4.88万，年旅游人数中1日游120万人，2日游360万人。根据流域人口和旅游人数，计算得到生活污染源的氮、磷排放量，结果如表3所示。区域内生活污水的总氮、总磷排放分别为150.66、14.61 t·a-1。其中，常住人口的总氮、总磷排放分别为103.88、10.12 t·a-1，分别占总生活排污的68.95%和69.27%。由此可见，常住人口生活排污是居民生活污染排放的主要贡献者。