基于产排污系数法的鄱阳湖滨湖区总磷排放量测算研究

陈武权 杨庆榜 杨 斌

(1.江西省生态环境科学研究与规划院,江西 南昌 330029；2.中国环境科学研究院,北京 100012；3.江西省生态环境监测中心,江西 南昌 330029)

湖泊污染治理一直是水环境治理的重要一环，而对于湖泊污染的现状及成因的研究是政府污染治理决策的重要依据。关于湖泊污染情况的研究方法主要有直接监测法和经验系数法两种。其中，直接监测法需要长期广泛的布点监测，且往往只针对单个点源，不适用于区域污染排放量测算。经验系数法是利用行业规律数据以及质量守恒原理计算污染物排放量的方法，长期以来广泛运用在各类点源和面源的污染物排放量计算中[1]，如工业源、农业源、生活源、机动车源等[2-8]，由此衍生出一系列计算模型，如SWAT模型[9]和SPARROW模型[10-12]等。

鄱阳湖是我国最大的淡水湖，位于江西省北部，水系水资源十分丰富，是江西省乃至南方水污染研究的重点湖泊之一。鄱阳湖入湖河流水质长期优于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的湖库Ⅲ类水质标准[13]，突出水环境问题为总磷污染。为有效支撑鄱阳湖流域总磷污染防控工作，我国学者开展过多次针对入湖磷污染源排放的研究。涂安国等[14]基于监测资料对鄱阳湖入湖河流的磷污染物进行了定量分析；马广文等[15]基于分布式流域模型开展了鄱阳湖流域面源污染负荷模拟和时空特征分析；赵爽等[16]开展了基于综合水质标识指数(WQI)法的鄱阳湖水质演变趋势及驱动因素研究。然而，由于上述研究周期较长，研究结果滞后性严重，往往无法及时提供宏观生态环境形势分析，无法为当地政府的环境综合决策提供依据。为此，本研究参考最新发布的《排放源统计调查产排污核算方法和系数手册》(以下简称《手册》)[17]，通过合理的参数设置测算湖泊区域环境污染源排放，从而及时掌握鄱阳湖区域污染排放情况，可大大提高相关部门在鄱阳湖乃至其他湖泊污染治理决策上的准确性和时效性。

1 测算对象与方法

湖泊流域的水体污染物来源较多，有自然界的大气沉降、候鸟粪便、船舶航行和水体直接排入[18-25]，其中水体直接排入包括滨湖地区的排入、主要支流和汇水区的排入，是水体污染物最主要的来源。本次测算针对鄱阳湖滨湖地区，污染源统计口径分为点源(集中式污染处理设施、工业源等)和面源(生活源、农业源等)，采用的数据为地方生态环境部门以及统计部门2019年公布的基础数据，运用《手册》中的方法开展磷负荷精细化核算，力求得出鄱阳湖滨湖区入湖总磷排污量。

1.1 点源测算

本次测算的点源数据主要包括工业源和集中式污染处理设施，利用监测数据法和产排污系数法核算污染物排放量。

1.1.1 监测数据法

监测数据法依据实际监测的调查单位产生和外排废水及其污染物浓度，计算废水排放量及各种污染物的产生量或排放量的方法。

1.1.2 产排污系数法

产排污系数法是依据调查对象的产品或原料类型、生产工艺、生产规模以及污染治理技术等，根据《手册》中对应的“影响因素”组合确定产污系数及污染物去除效率，核算污染物产生量和排放量。

1.2 面源测算

1.2.1 生活源

(1) 城镇生活源

利用城镇常住人口、城镇人均生活用水量、折污系数等参数核算城镇生活污水产生量；再根据江西省城镇生活污水总磷折污系数、污水处理厂的总磷去除量等核算城镇生活污水中总磷的排放量，计算公式见式(1)、式(2)：

Qw=Pc×Wg×ec×T×10-3

(1)

Qcp=Qw×[ep-(Jj-Jc)]×10-2

(2)

式中：Qw为城镇生活污水产生量，万t，默认城镇生活污水收集率为100%，则生活污水产生量也就是生活污水排放量；Pc为当地城镇常住人口，万人；Wg为城镇人口综合生活用水系数，L/(人·d)；T为每年用水时间，d；ec为城镇生活污水产污系数；Qcp为城镇生活源总磷排放量，t；ep为城镇生活污水总磷的产污系数，mg/L；Jj、Jc分别为当地城镇生活污水处理厂加权平均进口、出口总磷质量浓度，mg/L。根据《手册》推荐的参数，江西省城镇人口综合生活用水系数取203 L/(人·d)，城镇生活污水产污系数为0.85，城镇生活污水总磷的产污系数为4.27 mg/L。

(2) 农村生活源

根据农村常住人口、农村人均生活用水量以及厕所类型、粪尿处理情况和生活污水排放去向等信息，利用农村常住人口与产排污系数等参数核算农村生活源中总磷的排放量。计算公式见式(3)、式(4)：

Qv=Pv×ev×T×10-2

(3)

Qvp=Qv×(1-C×evp)

(4)

式中：Qv为农村生活污水总磷产生量，t；Pv为当地农村常住人口，万人；ev为农村生活污水总磷产污强度，g/(人·d)；Qvp为农村生活污水总磷排放量,t；C为对生活污水进行处理的行政村占总行政村数量的比例，相关数据来源于城建部门的统计数据，以市为单位进行统计；evp为农村生活污水总磷综合去除率，%。根据《手册》推荐参数，江西省农村生活污水总磷产污强度为0.24 g/(人·d)，总磷综合去除率为48%。

1.2.2 农业源

农业源核算范围包括种植业、畜禽养殖业和水产养殖业。

(1) 种植业

种植业总磷排放(流失)量采用产排污系数法核算，根据农作物(谷物、水稻等)播种面积、园地(果园、茶园、桑地)面积与相应污染物排放系数，以调查年度种植业含磷化肥单位面积使用量与种植业多年含磷化肥单位面积使用量的比值作为矫正系数，计算种植业总磷排放(流失)量，计算公式见式(5):

Qzp=(Ag×eg+Ay×ey)×qj/q0×10-3

(5)

式中:Qzp为种植业总磷排放(流失)量，t；Ag为农作物播种面积，hm2；eg为农作物种植过程中总磷流失系数，kg/hm2；Ay为园地面积，hm2；ey为园地总磷流失系数，kg/hm2；qj为调查年度用于种植业的含磷化肥单位面积使用量，kg/hm2；q0为种植业多年含磷化肥单位面积使用量，kg/hm2。

根据《手册》推荐参数，江西省eg、ey分别为0.563、0.860 kg/hm2，qj根据当地统计数据计算得到，q0根据2017年第二次污染源普查结果计算得到，为0.019 456 kg/hm2。

(2) 畜禽养殖业

畜禽养殖业包括规模化畜禽养殖场以及分散养殖户，不同养殖方式的总磷排污系数并不相同(见表1)，总磷排放量计算见式(6)、式(7):

Qi=(qiz-qig)×fi1×10-3+qig×fi2×10-3

(6)

Qxp= ∑Qi

(7)

式中:Qi为第i类畜禽养殖总磷排放量，t；qiz为当地第i类畜禽养殖总出栏量，头或羽；qig为当地规模化养殖场第i类畜禽养殖出栏量，头或羽；fi1为分散养殖第i类畜禽养殖的总磷排污系数，kg/头或kg/羽；fi2为规模化养殖场第i类畜禽养殖的总磷排污系数，kg/头或kg/羽；Qxp为畜禽养殖总磷排放量，t。

表1 畜禽养殖总磷排污系数Table 1 Total phosphorus emission coefficient of livestock and poultry breeding industry

(3) 水产养殖业

水产养殖业水污染物总磷排放量采用产排污系数法核算，通过人工水产养殖的水产品产量与排放系数相乘计算获得，计算公式见式(8):

Qfp=qf×efp×10-3

(8)

式中:Qfp为水产养殖总磷排放量，t；qf为水产养殖的水产品产量，t；efp为水产养殖总磷排放系数，参考《手册》推荐参数，本次测算取0.543 kg/t。

1.3 测算对象

本研究总磷排放测算区域为《鄱阳湖生态经济区规划》定义的鄱阳湖滨湖区，根据“五河七口”和水环境国控监测断面的分布，结合行政边界，建立“五河七口”和水环境监测断面的对应关系(见表2)。以此为基础，确定南昌市、九江市和上饶市下辖的18个县(市、区)为鄱阳湖滨湖区，分别为南昌市东湖区、西湖区、青山湖区、青云谱区、湾里区、南昌县、新建区、进贤县，九江市永修县、德安县、共青城市、庐山市、濂溪区、都昌县、湖口县，上饶市鄱阳县、余干县、万年县。

2 结果与讨论

2.1 测算结果

根据《排放源统计调查产排污核算方法》中的排污核算方法，分别计算鄱阳湖滨湖区18个县(市、区)点源总磷排放量，结果见图1。研究区点源总磷排放量为48.88 t，其中工业源总磷排放量远高于集中式污染处理设施，除部分区县集中式垃圾处理厂存在老旧设施未改造导致排放量异常外，其他大部分县(市、区)不存在纳入统计口径的集中式污染处理设施，总磷排放量可忽略不计。

生活源由城镇生活源和农村生活源两部分组成，鄱阳湖滨湖区各县(市、区)城镇生活源和农村生活源总磷测算结果分别见图2、图3。经计算，研究区城镇生活源和农村生活源总磷排放量分别为833.48、358.07 t，虽然两种生活源的总磷排放量计算方法存在差异，但总磷排放量均与常住人口数量显著相关。青山湖区、鄱阳县等城镇人口多，其总磷排放也偏大。湾里区等地城镇人口较少，其生活源总磷排放偏小。

表2 鄱阳湖水系与水环境监测断面对应关系Table 2 Correspondence between river system of Poyang Lake and water environment monitoring section

图1 点源总磷排放量Fig.1 Total phosphorus emission from point sources

图2 城镇人口与城镇生活源总磷排放量Fig.2 Urban population and total phosphorus emission from urban living sources

注：西湖区、青云谱区无农村人口。图3 农村人口与农村生活源总磷排放量Fig.3 Rural population and total phosphorus emission from rural living sources

农业源分种植业和养殖业两个口径进行统计，鄱阳湖滨湖区18个县(市、区)中西湖区、青云谱区为南昌市的中心城区、老城区，区内没有农业源，因此对其余16个县(市、区)种植业和养殖业总磷排放进行测算，结果分别见图4、图5。16个县(市、区)中，种植业总磷排放量在0.77～305.54 t，差异较大，其中南昌县种植业总磷排放量最高，为305.54 t，其次为永修县和鄱阳县，种植业总磷排放量分别为220.30、214.87 t，从图4可以看出，种植面积与总磷排放明显相关，但并不是影响排放量的决定性因素,这是不同作物的磷肥需求量不同所致。鄱阳湖滨湖区种植业总磷排放量合计1 441.68 t,是区域总磷排放贡献最大的来源。

注：种植面积为农作物播种面积与园地面积之和。图4 种植面积与种植业总磷排放量Fig.4 Planting area and total phosphorus emission from planting

图5 畜禽养殖和水产养殖总磷排放量Fig.5 Total phosphorus emission from livestock and poultry breeding and aquaculture

养殖业分畜禽养殖业和水产养殖两种，研究区域位于鄱阳湖滨湖区，适合养殖经济鱼类的水域较多，大部分区县都有庞大的水产养殖基础，16个县(市、区)水产养殖总磷排放量在0.19～82.64 t，合计总磷排放量483.48 t，其中水域面积最大的鄱阳县水产养殖总磷排放量最大，为82.64 t，其次为余干县、南昌县、进贤县，水产养殖总磷排放量分别为73.61、70.92、70.59 t。研究区域畜禽养殖以养猪为主，除建成区外，江西省农村均有大规模的养殖场和小型的散养户，16个县(市、区)畜禽养殖总磷排放量在0.22～108.88 t，合计总磷排放量568.98 t，南昌县畜禽养殖总磷排放量最大，为108.88 t，其次为进贤县、新建区，畜禽养殖总磷排放量分别为91.91、86.23 t。鄱阳湖滨湖区养殖业总磷排放量合计1 052.46 t。

2.2 地区分析

从鄱阳湖滨湖区18个县(市、区)各污染源总磷排放情况(见表3)可以看出，总磷排放主要集中鄱阳湖滨湖区东北部的鄱阳县和南部的南昌县，其主要原因是总磷排放贡献最大的农业源主要集中在鄱阳县和南昌县。生活源总磷排放主要集中在滨湖区东北部的鄱阳县和西南中部的青山湖区，点源总磷排放量以滨湖区北部湖口县和西南中部青山湖区两个地区最大，其次是东北部的鄱阳县和南部的南昌县。

表3 鄱阳湖滨湖区各污染源总磷排放量Table 3 Total phosphorus emission quantity of different pollution sources in lakeside area of Poyang Lake t

2.3 与相关数据的比较分析

目前已掌握的最全面的鄱阳湖滨湖区总磷排放资料为2017年江西省第二次全国污染源普查(以下简称2017年普查)数据，该资料显示鄱阳湖滨湖区总磷排放量为3 495.79 t，其中农业源总磷排放量为2 375.81 t，为各类源总磷排放量之首，占鄱阳湖滨湖区总磷排放量的67.96%；生活源、工业源、集中式污染处理设施的总磷排放量分别为1 055.01、63.25、1.72 t，分别占鄱阳湖滨湖区总磷排放量的30.18%、1.81%、0.05%。

本次测算鄱阳湖滨湖区总磷排放量为3 734.57 t，其中农业源总磷排放量为2 494.14 t，占鄱阳湖滨湖区总磷排放量的66.79%；生活源、点源的总磷排放量分别为1 191.55、48.88 t，分别占鄱阳湖滨湖区总磷排放量的31.91%、1.31%(见表4)。与2017年普查数据进行比较发现，本次鄱阳湖滨湖区总磷测算结果与其基本接近，总磷排放量相对误差为6.83%，生活源相对误差为12.94%，农业源相对误差为4.98%，点源相对误差为-24.77%，各类污染源排放量占比的误差均未超过2百分点。在考虑到两年经济和社会发展变化的情况下，本次总磷测算和污染分析的结果，无论在总磷排放量还是各污染源及地区分布方面，基本与2017年鄱阳湖总磷入湖量研究结果吻合。

2.4 不确定性分析

从总磷各类排放源占比看，本次测算结果与2017年普查结果相差不大，仅有1百分点左右的误差，但从总磷排放量核算上看，本算法与2017年普查结果仍存在一定差异，参数取值存在一定的不确定性，主要体现在以下3点：(1)未能全部获取计算所需参数，如无法获取上饶市余干县、鄱阳县、万年县的磷肥施用量，从而无法准确统计相应的磷流失量，只能按种植业面积计算磷肥流失量；(2)计算方法的选择有差异，总磷排放量的计算有排放系数和产生系数乘以综合去除率两种方法，本次测算由于个别污染源无法获取综合去除率，因此使用排放系数法进行总磷排放量测算，不同污染源计算方法的差异将导致测算结果产生不确定性；(3)无法统计污水处理厂的具体处理水量，目前从生态环境部门获取的生活污水处理量与本次用于测算的排放量存在差异，部分污水处理厂存在处理本地区以外的生活污水的情况，或无法分清工业和生活污水，导致测算结果存在差异。

3 结 语

基于产排污系数建立了湖区排污测算和污染分析的方法，并用于鄱阳湖滨湖区的总磷排放量核算。该方法首次脱离大规模实地调查，仅运用相关资料，通过合理设置经验参数快速计算得到湖区总磷排放量，且与实地大规模调查结果相差不大，该方法可以运用在大型湖区更新年排放数据计算分析中，计算结果可作为其他调查排放结果的对比参照样本。

表4 鄱阳湖滨湖区各类污染源总磷排放比较Table 4 Comparison of total phosphorus emission from different sources in the lakeside area of Poyang Lake

基于产排污系数的排污测算方法尚在初步探索阶段，后期视情况将继续对鄱阳湖其他年度、其他污染物进行测算，待方法成熟后可以拓展应用到其他类似大型湖泊中，作为生态环境部门对于湖泊滨湖区，乃至更大区域污染物排放量的快速计算和污染原因分析的备选方法之一。针对此次测算中的不确定性，后期将会做进一步精细化改进，补充部分地区的磷肥施用量，调研污水处理厂中本地区和外来水量的比例，理清工业废水和生活污水构成，进一步分析生态环境部门获取的实测生活污水去除量与本研究中测算量存在差异的具体原因，以期提高湖泊总磷等污染物排放量的计算效率与质量。