基于输出系数法的苕溪流域面源污染负荷估算

罗 娜，樊 霆，郭 彬，李凝玉，傅庆林，李 华

(1.安徽农业大学 资源与环境学院，合肥 230036；2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，杭州 310021)

0 引 言

太湖流域作为我国比较发达的地区，由于人口密集，工农业生产强度大，导致经济环境之间的矛盾日益加深，湖泊富营养化加重，威胁当地居民的日常生活，环境治理也耗费了大量的资源，对流域的经济社会发展产生制约。[1]作为太湖流域内重要水域部分，苕溪流域水质与太湖地区水环境息息相关。[2]为进一步研究苕溪流域水体污染状况，赵欣对流域内农业面源污染情况进行了调查研究。[3]因农业面源污染成因机理的复杂性、时间的滞后性、污染产生的随机性、污染治理工作的长期性等特点使得面源污染的监测难度颇大。对面源污染进行的定量化的评估核算是一直以来面源污染工作的重要内容。[4]

本研究采用农业面源污染负荷估算方法中的输出系数法，输出系数法是20世纪70年代初欧美研究者在对湖泊营养物质与土地利用关系探讨中提出的，亦称单位面积负荷法，后在我国也多有应用。经过多年来不断的发展完善，除土地利用这一影响因素外，同时考虑了畜禽养殖、居民人口等输出系数。本研究调查了苕溪流域包括6大区县人口、农田面积、蔬菜面积、茶园地面积、种植结构、施肥情况、产量情况和畜禽养殖和水产养殖业的情况等。利用相关统计数据，对流域内主要氮磷污染物负荷进行研究探讨，以确定苕溪流域面源污染主要污染源、主要污染物，为评估农业面源污染对苕溪流域水体污染的影响程度，为苕溪流域和各级政府确定水污染防治重点，采取有效控制措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 面源污染负荷估算方法选择

自20世纪60年代以来，研究者提出了多种面源污染负荷核算方法。目前农业面源污染负荷估算方法主要分为经验统计法、机理模型法两种。[5]经验统计法是在流域自然地理特征与污染物关系的基础上产生，与污染物的转化机理过程无关，与污染源的输入有关的统计方法。[6-9]经验系数法中的两种计算方法中，一种是输出系数法，另一种是源强系数法。机理模型法在考虑了降雨、径流、蒸发等水循环过程影响下，描述了在不同土地利用条件下流域内面源污染物的迁移转化、最终入河的一系列过程[10-12]，定量分析了农业面源污染物的迁移流失机理过程，通过模型追溯各类污染源的来源，其中主要包括SWAT模型、HSPF模型、AnnAGNPS模型等。[13]

在经验模型与机理模型的对比中，因模型应用对基础数据要求颇高，如降水、蒸发、日照、气温等，同时也需相应的连续水文水质监测数据来校正模型，而我国各地区的资料相对短缺，且研究时间跨度不足，机理模型无法在资料尚不完全收集之处应用，造成研究误差颇大，不具有较高准确度。[14]而经验统计法最优处在于对流域数据获取要求较低[15]，利用土地利用、施肥量、牲畜、人口等数据等少量易获取的基础数据计算出流域负荷总量及水系出水口的负荷量，可操作性更强，数据获取难度较低，同时具有极高的准确度。[16]

本研究拟采用输出系数法对苕溪流域农业面源污染负荷进行核算，从农村生活、畜禽养殖、农业种植、水产养殖四大来源进行了流域内的农业面源负荷的统计估算。

1.2 输出系数法

输出系数模型具体输出系数公式为：

其中公式左边j为流域内某种污染物的类型，m为土地利用的类型或畜禽种类或人口，Enj为流域内某种污染物类型在n种土地利用类型或畜禽或人口中的输出系数，Fj为第n种土地利用类型或畜禽或人口的总数量，公式右边的Aj为流域内某种污染物j的总污染负荷量。

本文对苕溪流域相关基础数据来源于2017年杭州、湖州、浙江统计年鉴数据及相关统计文献资料。各类产污系数的选取是根据近年来国内外关于输出系数的相关研究结果。畜禽、种植、生活、水产等相关流失系数均来自国内外学术资料库以及相关调查报告，标准手册等，其中有《2016江苏省太湖流域污染源调查报告》《农业技术经济手册》[17]和《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596—2001)等。[18]以2016年为基准年，采用综合调查法统计了苕溪流域农业面源污染现状，调查结果运用输出系数法估算其污染负荷并进行综合分析。

1.3 研究区概况

苕溪流域位于浙江省西北部，流域地跨杭州、湖州两地级市，流经临安、余杭、安吉、德清、吴兴区及长兴县6个县市(区)，根据2016年统计资料显示，苕溪流域内农村人口321.88万人，城镇人口65.84万人。苕溪流域面积共计5 918km2，主流长度共157.8km，包括了东西苕溪两大源流，流域水系图见图1。

数据来源：中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)

苕溪流域地处亚热带季风气候区，雨量丰沛，热量充足。苕溪流域内植被种类复杂，整体为亚热带典型地带性植被类型为常绿阔叶林。苕溪流域研究区内面积最大的土地利用类型是林地，森林覆盖率达90%以上，面积为3295.6km2，其次是水田，面积第三的是农村居民点。流域土地利用图见图2。

数据来源：美国地质勘探局网站提供的Landsat遥感影像(空间分辨率为30米)解译结果(https://glovis.usgs.gov/)

2 结果与讨论

2.1 苕溪流域种植业氮磷负荷统计

研究调查了苕溪流域内四大种植业：水稻、蔬菜、茶园、花卉苗木的播种面积、产量及施肥量状况。苕溪流域水稻、茶园施肥量调查[19]，水稻每年种植早晚两季，年平均施用尿素450kg·hm-2，复合肥150kg·hm-2。茶园每年春季、夏季、秋季施肥3次，年平均施尿素525kg·hm-2，施复合肥300kg·hm-2。[20]对于苕溪流域苗木施肥量调查，以红叶石楠为例[21]，最终计算整理出苕溪流域农作物面积、产量及农作物施肥量，并根据资料数据确定苕溪流域农田污染物流失状况。氮磷流失负荷由稻田流失强度系数与种植面积可得，根据化肥流失量=化肥施用量×流失系数，其中化肥施用量=耕地面积×单位面积施肥当量。综上苕溪流域内农田种植径流污染物氮磷流失总量整理如下表。

表1 苕溪流域种植业氮磷流失量

2.2 苕溪流域畜禽养殖业氮磷负荷统计

苕溪流域内畜禽养殖业发达，但养殖总量分布不平衡，部分乡镇较为突出[22-23]，养殖种类主要包括猪、牛、羊以及鸡、鸭、鹅等家禽，畜禽的总量既要考虑年末的存栏量, 也要考虑其出栏量，按照公式：畜禽总量=存栏量+出栏量[24]，计算畜禽的总量，最终得出苕溪流域2016年不同区县内畜禽养殖业总量概况。[25-27]畜禽的排泄系数与畜禽的品种以及家禽的生长期、天气条件等有关。[2]据资料可得出生猪、牛、羊、家禽的养殖周期分别为199天，365天，365天，210天[28]，经查阅资料可得，最终确定畜禽粪便污染物进入水体流失率(%)。[29-31]并根据公式：畜禽养殖产污量=畜禽排泄系数×饲养量；畜禽养殖排入水体量=畜禽养殖产污量×入河系数。[2]最终计算得出苕溪流域畜禽养殖的污水产生量与污染物入河量如表2。

表2 苕溪流域畜禽养殖产污量与污染物入河量

2.3 苕溪流域水产养殖业氮磷负荷统计

随着水产养殖业的快速发展，养殖面积和生产规模的不断大[28]，由于养殖过程中是饲料质量参差不齐、利用率低，从而引起水体富营养化进而对流域水环境造成负面影响。[32]根据相关数据，苕溪流域水产养殖主要来源于淡水池塘养殖[33-35]，本研究重点估算池塘养殖中的污染物排放量。苕溪流域内水产养殖主要有鱼类、虾蟹类、贝类以及龟鳖类。其中龟类产量最大，约为238 240t，贝类产量最少，约为5 486t。根据年鉴所得，可得苕溪流域水产养殖面积总计为26 300hm2，总计约为39.45万亩。

根据全国第一次污染源调查的相关数据得出苕溪流域水产养殖不同种类排放系数[36]，其中贝类的总氮总磷因水体中的溶解氧及食物结构的关系导致其出现负值的情况，因2017年鉴中杭州地区虾蟹类具体数目缺乏，即取虾蟹系数均值来计算。[37-38]故根据水产养殖产量估算法得出水产养殖污染物含量计算公式：污染物年排放量=年产量×产污系数。由此得出不同水产养殖产品的污染物负荷计算结果如表3。

表3 不同区域水产养殖品的污染物年排放量 t

2.4 苕溪流域农村生活氮磷负荷统计

农村生活污染包括生活污水和人粪便。根据2017年年鉴可得苕溪流域农业人口总共为321.88万人。并根据第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册资料确定污染物排放系数，计算农村生活污染物排放量。根据生活污水总氮产污系数为0.584kg/(人·a)，总磷为0.146kg/(人·a)，人粪尿总氮系数为4.4kg/(人·a)，总磷为0.44kg/(人·a)计算苕溪流域农村生活污水及人粪尿产污量。按照查阅资料显示，太湖、苕溪流域生活污水流失率的研究结果表示，生活污水的75.5%流失到水体中；农村居民人粪尿的10.5%进入水体。根据农村生活污水及人粪尿入河计算方法最终得出苕溪流域农村生活污水及人粪尿污染物进入水体总量如表4所示。

表4 苕溪流域农村生活污水及人粪尿污染物入河量

2.5 苕溪流域农业面源污染总量

利用污染系数法统计调查了流域内突出污染源影响因素，对生活污染、畜禽养殖、水产养殖、农田径流等面源污染源进行计算，根据以上统计数据得出苕溪流域农业面源污染氮磷污染物负荷总量及各自的比重如下表5。

表5 苕溪流域农业面源污染总量及比例

由统计数据及比例分布得出，苕溪流域主要面源污染源构成中畜禽养殖业是其主要污染贡献来源，总排放量为4 498t·a-1，占总排放量的30%，其次为农村生活氮磷污染负荷，占总污染负荷比重的26%，种植业与水产养殖业分别总量达3 299t·a-1、3 442t·a-1，二者总占比为49%。畜禽养殖及农村生活是造成苕溪流域氮磷面源污染的主要来源。其中总氮与总磷来源侧重有所区别。就各自指标来看，在总氮污染来源中，畜禽养殖是最大的污染来源，占总贡献量的27%，其次是种植业，占总污染来源的25%，农村生活污染及水产养殖的污染总量较低。在总磷的污染负荷来源中，畜禽养殖是最主要污染来源，总量达1 210t·a-1，比例达49%，其次农村污水与水产养殖差距不大，二者共同产生量达1 006t·a-1，比例占有41%。

3 结 论

本论文选择苕溪流域作为研究对象，通过资料收集和基础数据的整理统计分类，利用污染系数法统计计算流域内面源污染负荷状况，分析河道内水质状况得出重点污染来源。结果得出，在总氮污染来源中，畜禽养殖是最大的污染来源，其次是种植业，农村生活污染及水产养殖的污染总量较低。在总磷的污染负荷来源中，畜禽养殖是最主要污染来源，其次农村污水与水产养殖差距不大，总结来看，苕溪流域面源污染氮磷来源主要为畜禽养殖>农村生活污水>种植业>水产养殖，研究明确了水体氮污染的主要来源和控制重点，认为该流域水体农业氮磷污染的原因主要在于城镇、农村生活污水、工业和禽畜养殖排放废水。

本研究采用污染系数负荷调查统过程中，污染系数确定具有差异性，不同研究者对所调查流域的划分，调查信息掌握程度的差异，降雨径流等各类因素的影响都将对流域内种植业污染负荷调查产生影响，鉴于本研究中所用到的数据大多来自于浙江省统计年鉴，杭州市统计年鉴及湖州市统计年鉴，在数据收集及录用过程中存在人为干预较大，将会对数据计算的氮平衡结果与实际情况存在一定区别，针对这一数据核算过程中的不确定性研究，可作为今后研究方向。