王 亞，江立文，林 暾，關(guān)廣祿

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，330013，南昌)

瑤湖流域非點(diǎn)源氮、磷負(fù)荷估算及其控制對(duì)策

王 亞，江立文，林 暾，關(guān)廣祿

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，330013，南昌)

利用ArcGIS10.0軟件，劃分了瑤湖流域的范圍，并提取了土地利用類型及其面積，在流域調(diào)查的基礎(chǔ)上，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究方法，按照農(nóng)村與城鎮(zhèn)生活污染(A類污染)、畜禽養(yǎng)殖污染(B類污染)、村鎮(zhèn)與農(nóng)業(yè)徑流污染(C類污染)和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染(D類污染)等4種污染來(lái)源，估算了瑤湖流域的非點(diǎn)源氮、磷污染負(fù)荷。結(jié)果表明：入湖氮、磷總負(fù)荷分別為346.3 t/a和102.8 t/a；B類污染是氮和磷污染的主要來(lái)源，其污染負(fù)荷占總負(fù)荷的比例分別為73.1%和85.3%；南昌縣對(duì)B類污染的TN和TP貢獻(xiàn)率大于青山湖區(qū)；南昌縣對(duì)A類污染的TN和TP貢獻(xiàn)率稍小于青山湖區(qū)；對(duì)于C類污染，TN貢獻(xiàn)率大小為：水田>村鎮(zhèn)>水澆地，TP貢獻(xiàn)率大小為：村鎮(zhèn)>水田>水澆地。在此分析基礎(chǔ)上，提出了非點(diǎn)源N、P污染負(fù)荷控制對(duì)策。這為瑤湖流域水污染控制提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也為政府制定區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提供了決策依據(jù)。

瑤湖流域；非點(diǎn)源污染；氮、磷負(fù)荷；控制對(duì)策

0 引言

據(jù)報(bào)道，全球約30%～50%的地表水已受到了非點(diǎn)源污染的影響，而我國(guó)的河流、湖泊等地表水中，超過(guò)50%的N、P污染來(lái)自非點(diǎn)源[1-2]?，幒悄喜凶畲蟮膬?nèi)陸天然湖泊，靠天然降水和地表徑流補(bǔ)給。2010-2011年期間的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，瑤湖水體已呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，且富營(yíng)養(yǎng)化主要驅(qū)動(dòng)因子為N、P營(yíng)養(yǎng)鹽[3]。目前，國(guó)內(nèi)外通過(guò)構(gòu)建非點(diǎn)源污染模型，對(duì)污染負(fù)荷估算進(jìn)行了大量的研究[2,4]，由于國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)基礎(chǔ)資料匱乏、缺乏長(zhǎng)系列的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，非點(diǎn)源污染負(fù)荷的計(jì)算則多結(jié)合污染源的排污系數(shù)進(jìn)行估算[5]。

本文利用ArcGIS10.0軟件，劃分了瑤湖流域的范圍，提取了土地利用類型及其面積，按照A類污染、B類污染、C類污染和D類污染等4種污染來(lái)源，在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合其污染來(lái)源的排污系數(shù)和入湖系數(shù)，估算了流域的N、P污染負(fù)荷，并提出了N、P污染物的控制對(duì)策。這為瑤湖流域水污染控制提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也為政府制定區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提供了決策依據(jù)。

1 研究方法

1.1研究區(qū)域

1.1.1 流域劃分及其概況 利用ArcGIS10.0軟件，采用數(shù)字高程模型(DEM)流域邊界數(shù)據(jù)的提取方法[6]，對(duì)瑤湖流域的范圍進(jìn)行了劃分。首先，加載地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)(30 m×30 m)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所需要的地圖投影和坐標(biāo)系統(tǒng)；其次，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如地形中的洼地、平坦的地區(qū)和削峰等。在此基礎(chǔ)上，利用Arc tools中的水文分析模塊，分析水流流向，生成匯流柵格圖，計(jì)算匯流累積量，最后自動(dòng)生成河網(wǎng)，提取流域邊界?，幒饔蜻吔鐖D，見(jiàn)圖1。

圖1 瑤湖流域邊界圖

瑤湖流域位于江西省南昌市城郊，地處28°36′N ～28°46′N、116°00′E ～116°06′E，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為1 589.1 mm。流域地勢(shì)相對(duì)平坦，南高北低，由南向北呈緩慢傾斜狀?，幒饔蚩偯娣e為103.64 km2，包括南昌縣和青山湖區(qū)兩區(qū)，其流域面積分別為79.22 km2和24.42 km2。根據(jù)兩區(qū)流域面積占各自行政面積的比例，將兩區(qū)人口數(shù)量和畜禽養(yǎng)殖數(shù)量按該比例進(jìn)行分?jǐn)偅贸霈幒饔蛉丝跀?shù)量和畜禽養(yǎng)殖數(shù)量，見(jiàn)表1。

表1 瑤湖流域人口數(shù)量和畜禽養(yǎng)殖數(shù)量

注：數(shù)據(jù)來(lái)自《南昌統(tǒng)計(jì)年鑒2012》、《南昌縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)2012》和《青山湖區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)2012》。

1.1.2 土地利用類型 在圖1的基礎(chǔ)上，加載流域的遙感影像(2.5 m×2.5 m)，利用Arc tools中的柵格裁剪工具，對(duì)流域進(jìn)行數(shù)字化分析，并使用要素編輯工具提取耕地、村鎮(zhèn)居民點(diǎn)、道路和湖泊水域等各類要素的邊界及其面積。

依據(jù)《土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T21010-2007)中的二級(jí)分類方法，瑤湖流域土地利用類型主要包括農(nóng)村宅基地和城鎮(zhèn)住宅用地(簡(jiǎn)稱為村鎮(zhèn))、水澆地、水田、湖泊與坑塘水面和道路與溝渠等，瑤湖流域土地利用類型及其面積比例，見(jiàn)表2。

表2 瑤湖流域土地利用類型及其面積比例

1.2非點(diǎn)源N、P污染負(fù)荷的估算方法

假設(shè)各區(qū)域污染源分布均勻，根據(jù)污染源產(chǎn)生量，結(jié)合排污系數(shù)和入湖系數(shù)，計(jì)算并匯總不同來(lái)源的非點(diǎn)源N、P入湖負(fù)荷。

1.2.1 A類污染 采用《第一次全國(guó)污染源普查工作手冊(cè)-城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》推薦的污染量系數(shù)法[7]，即污染負(fù)荷=人口數(shù)量×生活排污系數(shù)×入湖系數(shù)。

1.2.2 B類污染 采用國(guó)家環(huán)保總局推薦的畜禽養(yǎng)殖污染量核算方法[8]，即污染負(fù)荷=畜禽養(yǎng)殖數(shù)量×畜禽個(gè)體糞、尿中污染物平均含量×畜禽排污系數(shù)×入湖系數(shù)。

1.2.3 C類污染 采用徑流系數(shù)法[9]，即污染負(fù)荷=徑流量×徑流中污染物濃度，其中，徑流量=土地利用類型的面積×徑流系數(shù)×降雨量。

1.2.4 D類污染 采用《第一次全國(guó)污染源普查工作手冊(cè)-水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》中的養(yǎng)殖排污系數(shù)法[7]，即污染負(fù)荷=養(yǎng)殖增產(chǎn)量×水產(chǎn)排污系數(shù)×入湖系數(shù)。

2 非點(diǎn)源N、P污染負(fù)荷估算

據(jù)調(diào)查，瑤湖流域非點(diǎn)源N、P污染主要有以下4種來(lái)源：1)未經(jīng)處理而直接排放進(jìn)入水體的農(nóng)村與城鎮(zhèn)生活污水；2)經(jīng)地表徑流進(jìn)入水體的畜禽糞、尿排泄物；3)經(jīng)降雨沖刷引起的村鎮(zhèn)地表徑流污染以及農(nóng)業(yè)化肥流失；4)水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中餌料的流失以及魚(yú)類等水產(chǎn)品的排泄物。

2.1排污系數(shù)

2.1.1 A類污染 目前，青山湖區(qū)城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)尚不完善，部分城鎮(zhèn)的生活污水通過(guò)溝渠直接進(jìn)入附近水體，而南昌縣的農(nóng)村地區(qū)基本無(wú)污水收集設(shè)施，污水排放幾乎處于放任自流的狀態(tài)。根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查工作手冊(cè)-城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》，城鎮(zhèn)生活排污系數(shù)按3區(qū)(江西省)、2類(南昌市)、建筑物排污系統(tǒng)為化糞池方式考慮，TN和TP分別取10.0 g/(人·d)和0.72 g/(人·d)；農(nóng)村生活排污系數(shù)則按建筑物排污系統(tǒng)為直排方式考慮，TN和TP分別取11.8 g/(人·d)和0.84 g/(人·d)。

2.1.2 B類污染 據(jù)調(diào)查，南昌縣和青山湖區(qū)的畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)(小區(qū))均存在污染防治設(shè)施不配套、污水處理率低、糞便的無(wú)害化和資源化處理工作滯后等問(wèn)題。本文以相關(guān)研究結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合南昌縣和青山湖區(qū)畜禽養(yǎng)殖實(shí)際情況，確定畜禽個(gè)體糞、尿中污染物平均含量和排污系數(shù)，見(jiàn)表3[8]。

表3畜禽個(gè)體排污系數(shù)及其糞、尿中污染物平均含量

項(xiàng)目排污系數(shù)/kg/(a·頭)或kg/(a·只)污染物平均含量/kg·t-1TNTP牛糞73004．41．2牛尿365080．4豬糞3005．93．4豬尿4953．30．5雞69．85．4

2.1.3 C類污染 徑流中污染物濃度主要受降雨、土壤、地形和植被覆蓋等自然因子以及利用方式等人為因子的影響，參考國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同土地利用類型對(duì)N、P流失影響的研究結(jié)果[10-11]，結(jié)合瑤湖流域土地利用現(xiàn)狀，確定不同土地利用類型徑流中污染物的濃度及其徑流系數(shù)，見(jiàn)表4。由于道路所占流域面積較小，本文只估算由村鎮(zhèn)、水澆地和水田產(chǎn)生的徑流污染負(fù)荷。

2.1.4 D類污染 據(jù)調(diào)查，瑤湖水面均為水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域，以鰱魚(yú)養(yǎng)殖為主，2012年養(yǎng)殖增產(chǎn)量約400萬(wàn)kg。根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查工作手冊(cè)-水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》，TN和TP的水產(chǎn)排污系數(shù)按江西省鰱魚(yú)淡水池塘養(yǎng)殖方式考慮，分別為2.605 g/kg和0.452 g/kg。

表4不同土地利用類型徑流污染物的濃度及其徑流系數(shù)

類型徑流中污染物濃度/mg·L-1TNTP徑流系數(shù)村鎮(zhèn)1．881．030．20水澆地0．800．100．10水田1．140．230．15

2.2入湖系數(shù)

相關(guān)調(diào)查表明，農(nóng)村生活污染中人糞尿約有20%～50%進(jìn)入水環(huán)境，城鎮(zhèn)生活污染中這一比例略低，約40%以下[12]；由畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞尿和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物進(jìn)入水環(huán)境的污染負(fù)荷相當(dāng)，約10%～60%[9]。本文結(jié)合瑤湖流域生活污水排放習(xí)慣和污水處理設(shè)施配套情況、畜禽糞便處置方式等，確定不同途徑污染源的入湖系數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 不同途徑污染源的入湖系數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

流域非點(diǎn)源N、P負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表6。根據(jù)非點(diǎn)源N、P的產(chǎn)生區(qū)域，A類污染中不同區(qū)(縣)貢獻(xiàn)率，見(jiàn)圖2，B類污染中不同區(qū)(縣)的貢獻(xiàn)率，見(jiàn)圖3，C類污染中土地利用類型的貢獻(xiàn)率，見(jiàn)圖4。

圖2 A類污染中不同區(qū)(縣)貢獻(xiàn)率

圖3 B類污染中不同區(qū)(縣)的貢獻(xiàn)率

圖4 C類污染中土地利用類型的貢獻(xiàn)率

4 污染控制對(duì)策

1)積極引導(dǎo)養(yǎng)殖戶采用干清糞工藝，同時(shí)，加快南昌縣和青山湖區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)(小區(qū))沼氣工程和糞便資源化利用工程建設(shè)；對(duì)于高N、P的養(yǎng)殖污(廢)水可采用生物脫N并輔助化學(xué)除P的工藝進(jìn)行處理，以減少N、P排放負(fù)荷，從源頭削減N、P的排放負(fù)荷。

2)完善青山湖區(qū)的城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)系統(tǒng)，優(yōu)化排水體制；加快南昌縣農(nóng)村地區(qū)的污水集中處理設(shè)施及配套設(shè)施建設(shè)，可以將鄰近的幾個(gè)村組作為一個(gè)聚集區(qū)，各聚集區(qū)分散建設(shè)沼氣池，經(jīng)凈化處理后的污水再進(jìn)行排放。

3)推進(jìn)村鎮(zhèn)環(huán)境綜合治理，建設(shè)秸稈、糞便和生活垃圾等有機(jī)廢棄物處理設(shè)施，推進(jìn)其向肥料、飼料和燃料轉(zhuǎn)化，以減少村鎮(zhèn)徑流污染，同時(shí)實(shí)現(xiàn)村鎮(zhèn)廢棄物再利用。

4)對(duì)于水田和水澆地N、P流失，推廣測(cè)土配方施肥技術(shù)；改變不合理的施肥習(xí)慣，提倡施用有機(jī)肥，科學(xué)種植，適量施肥，以減少污染，保護(hù)耕地。

5)重視水產(chǎn)養(yǎng)殖科學(xué)化，可在瑤湖水面分散設(shè)置自動(dòng)投餌機(jī)，依據(jù)水溫、溶解氧、季節(jié)和魚(yú)體重量等的變化情況，隨時(shí)調(diào)整投喂量以及投餌頻率與時(shí)間，以減少餌料集中投放所引起的污染。

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EstimationandControlStrategiesofNon-pointNitrogenandPhosphorusLoadinYaoLakeBasin

WANG Ya,JIANG Liwen,LIN Tun,GUAN Guanglu

(School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,330013,Nanchang,PRC)

ArcGIS was adopted to divide the range of Yao Lake basin,and extract the types and areas of land use.Based on the filed survey,according to the pollution of rural and urban life (class A),livestock and poultry breeding (class B),rural and agricultural run-off (class C) and aquaculture (class D),estimated the non-point of nitrogen and phosphorus load by referring to the relevant domestic and foreign estimation methods.The results showed that: the pollutant loads of the non-point nitrogen and phosphorus were 346.3 t/a and 102.8 t/a respectively.Class B is not only a major so-urce of non-point nitrogen for Yao Lake basin,but also the phosphorus,which accounts for the 73.1%and 85.3% of total pollution load respectively.The contribution of class B of Nanchang country is higher than Qingshanhu district,while the contribution of class A of Nanchang country is lower than Qingshanhu district.As for class C,the contribution of nitrogen in Yao Lake basin can be ordered as:paddy>villages and towns>Irrigated,while the contribution of phosphorus can be ordered as:villages and towns>paddy>Irrigated.On the basics of these analyses,control strategies of non-point source nitrogen and phosphorus was proposed.This research provides theoretical basis and data support for water pollution control in Yao Lake basin,and also decision making for the government to develop regional socio-economic development plan.

Yao Lake basin;non-point source pollution;load of TN and TP;control strategies

2014-05-26;

2014-07-02

王 亞(1989 -)，男，新疆庫(kù)車(chē)人，碩士研究生，主要從事水環(huán)境污染控制研究。

國(guó)家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)(2009ZX07106-001)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.011

P343.3

A

1001-3679(2014)04-0472-05