包 立,康宏 宇,胡興鋼,張乃明,,4,趙學(xué)通,徐紅嬌(1.云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650201;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,云南 昆明650201;.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明650201;4.微生物菌種篩選與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心,云南 昆明 650217)
昆明市松華壩水庫流域氮磷非點(diǎn)源污染產(chǎn)生負(fù)荷估算
包 立1,2,康宏 宇1,3,胡興鋼3,張乃明1,2,3,4,趙學(xué)通1,3,徐紅嬌1,3
(1.云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650201;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,云南 昆明650201;3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明650201;4.微生物菌種篩選與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心,云南 昆明 650217)
以松華壩水庫為研究對象,對水庫水源區(qū)污染負(fù)荷產(chǎn)生量和入庫量進(jìn)行估算,結(jié)果表明:水源區(qū)各種污染源產(chǎn)生的負(fù)荷量為:TN=527.41t/a,TP=144.24t/a。畜禽糞便是流域氮磷非點(diǎn)源污染的最大產(chǎn)生源。各污染源產(chǎn)生的TN負(fù)荷量排列為:畜禽糞便>農(nóng)業(yè)固廢>生活垃圾>化肥流失>水土流失>生活污水;TP負(fù)荷量情況排列為:畜禽糞便>農(nóng)業(yè)固廢>化肥流失>水土流失>生活垃圾>生活污水。
氮磷污染;非點(diǎn)源污染;負(fù)荷;估算;松華壩水庫;昆明
非點(diǎn)源污染是指在較大范圍內(nèi),在降雨徑流的沖刷和淋溶作用下,大氣、地面和土壤中的污染物以分散的、微量的形式進(jìn)入地下或地表水體,并在水體中富集,從而導(dǎo)致水環(huán)境的污染[1,2]。對于城市集中式飲用水源地,非點(diǎn)源污染是影響水庫水質(zhì)的主要污染來源[3]。
昆明是我國重要的旅游、商貿(mào)城市,年人均占有水資源量301m3,僅為全國年人均占有量的11%,是全國14個(gè)嚴(yán)重缺水的城市之一[4]。松華壩水庫既是昆明市最早開辟的飲用水源地,也是一個(gè)較為理想的集中式城市飲用水水源地[5]。水庫位于昆明市北郊,盤龍江中游,屬長江流域金沙江水系。松華壩水庫每年為昆明市供水1.5~1.6億m3,保證率達(dá)95%。近年來松華壩水庫水質(zhì)下降趨勢明顯,主要污染物是非點(diǎn)源帶來的磷和氮[6]。從2013年的檢測數(shù)據(jù)看,松華壩水庫水質(zhì)為II類,但是在雨季有時(shí)會出現(xiàn)藻類“水華”現(xiàn)象。造成水庫局部水質(zhì)下降和出現(xiàn)藍(lán)藻的污染物主要來自農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染。就目前情況而言,對松華壩水庫庫區(qū)的基本狀況、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的調(diào)查與收集還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,對水庫水質(zhì)變化原因、污染來源與貢獻(xiàn)、水質(zhì)演變機(jī)理、水環(huán)境容量及庫區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制技術(shù)等都缺乏系統(tǒng)研究。松華壩水庫的水質(zhì)關(guān)系著昆明市的飲水安全,必須高度警惕并采取有效措施加強(qiáng)水源區(qū)保護(hù)。為保障水庫向昆明市供給飲用水的安全,針對松華壩水庫水源保護(hù)區(qū)的非點(diǎn)源污染負(fù)荷的解析以及水庫水環(huán)境容量的基礎(chǔ)研究就顯得極其重要。
1.1 松華壩水庫研究區(qū)域概況
1.1.1 自然環(huán)境概況
松華壩水庫位于昆明主城區(qū)東北部,南北長36km,東西寬24km,總面積約629.8km2。松華壩水庫流域?yàn)楸P龍江上游,屬滇池流域金沙江水系,發(fā)源于阿子營鄉(xiāng)的白沙坡,流入松華壩水庫后,流經(jīng)昆明市注入滇池,全長104km。松華壩水庫面積8.07km2,多年平均徑流量2.01億m3,設(shè)計(jì)正常水位1965.8m,相應(yīng)庫容1.05億m3,牧羊河與冷水河是流域內(nèi)常年流水河流,基本控制全流域地表水,牧羊河、冷水河及其支流和龍?zhí)稑?gòu)成了流域內(nèi)水系的基本形態(tài)。牧羊河與冷水河以梁王山為分界嶺,左邊是牧羊河為盤龍江正源,右支是冷水河。牧羊河發(fā)源于梁王山西北的碴啦箐,流經(jīng)牧羊壩子,經(jīng)馬軍、迤者、回龍村至黃石巖進(jìn)入盤龍區(qū)小河村匯入冷水河,始稱盤龍江,全長 57.6km,徑流面積386km2。冷水河發(fā)源于嵩明縣的白邑鄉(xiāng)秧田沖村后山,于小河村東南相交牧羊河后入盤龍江,全長28.4km,徑流面積144km2。
圖1 松花壩水庫流域地理位置水系圖
1.1.2 行政區(qū)規(guī)劃及人口
松華壩流域包括滇源鎮(zhèn)(18個(gè)村委會)、阿子營鄉(xiāng)(14個(gè)村委會)、松華鄉(xiāng)(8個(gè)村委會)、龍泉辦事處、雙龍鄉(xiāng)5個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn)),共計(jì)45個(gè)村委會,325個(gè)村小組,分屬昆明市嵩明縣和盤龍區(qū)。根據(jù)2013年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),流域共有家庭21808戶,人口82653人,其中,農(nóng)業(yè)人口占96.6%。
1.2 樣品采集方法
生活污水:在水庫徑流區(qū)選取代表性農(nóng)戶收集自家生活污水到桶中,3d后進(jìn)行污水量測量和采樣分析,共收集12次。
生活垃圾:在水庫徑流區(qū)選取代表性農(nóng)戶,每戶分發(fā)2個(gè)垃圾桶,1個(gè)垃圾桶用于收集農(nóng)戶自己的有機(jī)垃圾(包括廚房垃圾等),另一個(gè)垃圾桶用于收集農(nóng)戶自己的可回收垃圾(包括塑料、玻璃瓶、金屬等)和有害垃圾(包括廢舊電池、電路板等),共收集12次。
畜禽糞便:采集具有代表性的新鮮糞便樣品共24個(gè)。
1.3 分析項(xiàng)目與測定方法
土壤全氮:半微量開氏法;土壤全磷:NaOH熔融鉬銻抗比色法[7]。水樣全氮:過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法;水樣總磷:過硫酸鉀氧化—鉬藍(lán)比色法[8]。畜禽糞便全氮:H2SO4—H2O2消煮—靛酚藍(lán)比色法;畜禽糞便全磷:H2SO4—H2O2消煮—釩鉬黃比色法。生活垃圾全氮:凱式定氮法[9];生活垃圾全磷:鉬酸銨比色法。
1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法
本文數(shù)據(jù)采用EXCEL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。
2.1 松華壩流域農(nóng)村生活非點(diǎn)源污染氮磷產(chǎn)生量負(fù)荷量
2.1.1 生活污水
由于在水源區(qū),農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘谋壤_(dá)到了96.6%,比例非常高,所以水源區(qū)居民產(chǎn)生的生活污染可以按農(nóng)村居民產(chǎn)生的農(nóng)村生活污染來計(jì)算。通過在水源區(qū)采樣的生活污水的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),可得到農(nóng)戶污水產(chǎn)生量及污水排放量如表1。
通過人均污水排放量和氮磷污染負(fù)荷產(chǎn)生量,對農(nóng)村生活污水氮磷污染負(fù)荷進(jìn)行估算,得到水源區(qū)內(nèi)居民生活污水中TN、TP的年產(chǎn)生量,具體數(shù)據(jù)見表2。水庫水源區(qū)農(nóng)村生活污水年產(chǎn)生污染物負(fù)荷TN為25.64t,TP為4.70t。
表1 人均污水產(chǎn)生量及氮磷排污系數(shù)
表2 居民生活污水污染負(fù)荷
2.1.2 生活垃圾
通過在水源區(qū)采樣的生活垃圾的統(tǒng)計(jì),可得到農(nóng)戶垃圾產(chǎn)生系數(shù)如表3。
考慮水源區(qū)產(chǎn)生的大部分生活垃圾得到處理,取垃圾流失率20%,則水源區(qū)生活垃圾產(chǎn)生量及污染產(chǎn)生量情況見表4。水庫水源區(qū)農(nóng)村生活垃圾年產(chǎn)生污染物負(fù)荷 TN為 79.38t,TP 為4.44t。
表4 生活垃圾污染負(fù)荷產(chǎn)生量
2.2 松華壩流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非點(diǎn)源污染氮磷產(chǎn)生量、負(fù)荷量
2.2.1 農(nóng)業(yè)固廢
取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)固廢產(chǎn)生量為1000kg/畝·a,農(nóng)業(yè)廢棄物的綜合利用率為95.00%,流失量為5.00%,TN的污染排放系數(shù)為1.00%,TP的污染排放系數(shù)為0.40%??梢愿鶕?jù)水源區(qū)統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算得到水庫水源區(qū)農(nóng)業(yè)固廢年產(chǎn)生污染物負(fù)荷TN 為97.50t,TP為39.00t。
2.2.2 畜禽糞便
通過實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到每頭牛每天的糞便量為18.0kg,測得含水量為78.25%;每頭豬每天糞便量為2.5kg,測得含水量為63.71%;每只羊每天產(chǎn)生的糞便量為1.0kg,測得含水量為65.42%;每只雞每天糞便量為0.1kg,測得含水量為74.59%。通過對畜禽糞便的氮磷含量測算,以牛糞代表大牲畜糞便,雞糞代表禽類糞便,人的排放系數(shù)參照云南省近年來開展的污染源調(diào)查結(jié)果,可得到水庫徑流區(qū)畜禽糞便排放系數(shù)如表5所示。
表5 糞便氮磷含量及日排放系數(shù)
水庫周邊畜禽養(yǎng)殖主要有牛、馬、羊、豬、雞、鴨等,根據(jù)2013年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得到松華壩徑流區(qū)糞便污染負(fù)荷,見表6。水庫水源區(qū)畜禽糞便年產(chǎn)生污染物負(fù)荷TN為317.75t,TP為95.65t。糞便TN污染負(fù)荷產(chǎn)生量為大牲畜>豬>羊>禽類;糞便TP污染負(fù)荷產(chǎn)生量為大牲畜>羊>豬>禽類。由于人及禽畜糞便污染負(fù)荷產(chǎn)生量與人口及畜禽的數(shù)量有關(guān),因此人口多、畜禽數(shù)量多其產(chǎn)生的污染負(fù)荷量自然也就也大。
表6 禽畜糞便污染負(fù)荷產(chǎn)生量
2.2.3 農(nóng)田排水
松華壩水庫上游大多采取“高化肥、高農(nóng)藥”的傳統(tǒng)種植方式,其中氮肥與磷肥的施用量尤為突出,是導(dǎo)致水庫氮磷污染的重要因素。從資料中可知松華壩水庫水源區(qū)農(nóng)田的面積約為2627hm2,通過對相關(guān)資料和松華壩水庫實(shí)際情況的分析得到單位農(nóng)田排水污染負(fù)荷產(chǎn)生的總氮為2kg/畝·a,總磷為0.3kg/畝·a。農(nóng)田排水污染負(fù)荷產(chǎn)生量=單位農(nóng)田污染負(fù)荷產(chǎn)生量×農(nóng)田面積。通過計(jì)算得到農(nóng)田排水年產(chǎn)生的污染負(fù)荷TN為78.81t,TP 為11.82t。
2.2.4 水土流失
水土流失污染負(fù)荷是指在土壤侵蝕條件下,積累在土壤中的氮磷隨著水土流失過程而發(fā)生轉(zhuǎn)移,最終進(jìn)入一個(gè)水體從而產(chǎn)生污染負(fù)荷。因此它的主要過程是以土壤侵蝕過程為基礎(chǔ),并在其上耦合進(jìn)入水體的污染過程[65]。因此,在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)[66]上,采用如下負(fù)荷模型計(jì)算:
Ca=A×Qa×η×10-6
式中:Ca—吸附態(tài)非點(diǎn)源污染物流失量(t/a);A—土壤侵蝕量(t/a);Qa—流失土壤中的氮磷污染物背景含量(mg/kg);η—污染物富集比(無量綱)。
據(jù)研究,氮和磷的富積比通常在2附近變動(dòng),因此,本文選用2為富積比。
通過對水源區(qū)采集土樣的分析,得出水源區(qū)土壤中氮的背景值為86.98mg/kg,磷的背景值為17.25mg/kg。2013年統(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示松華壩水源區(qū)水土流失面積158.95km2,其中,68.75%為輕度流失;25.70%為中度流失;4.53%為強(qiáng)度流失;1.02%為極強(qiáng)度流失;松華壩水庫流域土壤侵蝕量為19.5萬t/a。根據(jù)負(fù)荷模型,得到水土流失年污染負(fù)荷產(chǎn)生量,分別為 TN33.92t、TP6.73t。
表7 各污染源氮磷年負(fù)荷匯總
圖2 送花壩水庫流域非點(diǎn)源氨磷負(fù)荷產(chǎn)生比例
2.3 松華壩水庫污染負(fù)荷解析
松華壩水庫流域每年TN的產(chǎn)生量為527.41t,TP的產(chǎn)生量為144.24t。非點(diǎn)源TN主要來源是畜禽糞便,占40.23%;生活垃圾、農(nóng)業(yè)固廢、農(nóng)田排水所占比例超過10%;生活垃圾和水土流失的貢獻(xiàn)較少。非點(diǎn)源TP的主要來源也是畜禽糞便,占53.76%,農(nóng)業(yè)固廢是第二來源,占27.04%,其余的來源較少,都在10%以下。
在水庫區(qū)研究中,國內(nèi)已經(jīng)有一些學(xué)者對區(qū)域內(nèi)非點(diǎn)源污染的宏觀特征與污染負(fù)荷量計(jì)算模型進(jìn)行了初步研究。施為光等[10]在研究四川清平水庫時(shí),把流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷分成地面徑流污染負(fù)荷、地下徑流污染負(fù)荷和壤中流污染負(fù)荷,并用水文學(xué)方法找出典型年河水中地下徑流成分,然后分割出壤中流和地面徑流,再根據(jù)實(shí)測的水質(zhì)和流量資料計(jì)算出流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷;劉瑞民等根據(jù)土地利用及覆蓋變化對長江上游非點(diǎn)源污染進(jìn)行研究[11];龍?zhí)煊宓葘θ龒{庫區(qū)非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算后做出了預(yù)測[12];劉亞瓊等對北京地區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷做出估算[13];耿潤哲等對密云水庫[14]和北運(yùn)河[15]下游非點(diǎn)源污染負(fù)荷做出估算。針對滇池流域也有部分研究[16-17]。以上研究結(jié)果與本研究一致,充分證明流域非點(diǎn)源負(fù)荷模擬計(jì)算較為準(zhǔn)確實(shí)用。
但是由于非點(diǎn)源污染具有空間上的廣泛性,時(shí)間上的不確定性、滯后性、模糊性、潛伏性,信息獲取難度大,危害規(guī)模大,研究、控制與管理難度大等特點(diǎn),所以各污染源進(jìn)入水庫的途徑錯(cuò)綜復(fù)雜,相互交織,導(dǎo)致了在負(fù)荷估算中出現(xiàn)了部分污染物的負(fù)荷被重復(fù)計(jì)算,部分污染源的污染負(fù)荷量計(jì)算存在遺漏。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上將水庫水源區(qū)的非點(diǎn)源污染分成了農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染、大氣沉降污染和水庫內(nèi)源污染三方面,然后再將農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染細(xì)分為農(nóng)村生活污水、農(nóng)業(yè)固廢、畜禽糞便、農(nóng)田排水、化肥流失和水土流失,然后通過這樣的非點(diǎn)源污染負(fù)荷構(gòu)成來估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷。雖然污染物的來源已經(jīng)分得很細(xì),但仍然有計(jì)算遺漏的污染負(fù)荷部分,如浮游動(dòng)物及魚類的排泄物、藻類以及浮游動(dòng)物殘?bào)w在一定條件下分解釋放氮磷回歸水體,這些被遺漏的污染負(fù)荷對水庫的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)與機(jī)理都有待進(jìn)一步的研究。對于各污染源的污染負(fù)荷產(chǎn)生系數(shù),在現(xiàn)階段其實(shí)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),而且這樣的問題也表現(xiàn)在污染負(fù)荷入庫系數(shù)方面,這增加了非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算的難度。但如果在一個(gè)區(qū)域?qū)λ形廴驹次廴矩?fù)荷產(chǎn)生系數(shù)和污染負(fù)荷入庫系數(shù)都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來獲得又不太現(xiàn)實(shí)。因此希望今后能在一個(gè)比較大的區(qū)域進(jìn)行污染負(fù)荷產(chǎn)生系數(shù)和污染負(fù)荷入庫系數(shù)的研究,并從中找到一些共性的東西,讓研究結(jié)果能應(yīng)用到相似地區(qū)的污染負(fù)荷估算研究課題上。
松華壩水庫水源區(qū)非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷量:TN為527.41t/a,TP為144.24t/a。
畜禽糞便的TN年污染負(fù)荷產(chǎn)生量最多為212.16t,在產(chǎn)生的TN污染負(fù)荷量中所占比例為40.23%。各污染源產(chǎn)生的TN年負(fù)荷量大小順序?yàn)椋盒笄菁S便>農(nóng)業(yè)固廢>生活垃圾>農(nóng)田排水>水土流失>生活污水。
TP年污染負(fù)荷產(chǎn)生量最大的污染源也是畜禽糞便,為77.55t,占產(chǎn)生的TP污染負(fù)荷量的53.76%,而庫區(qū)生活垃圾的TP年污染負(fù)荷量最少,為4.44t,在總的TP污染負(fù)荷產(chǎn)生量中所占比例為3.08%。各污染源產(chǎn)生的TP年負(fù)荷量順序?yàn)椋盒笄菁S便>農(nóng)業(yè)固廢>農(nóng)田排水>水土流失>生活污水>生活垃圾。
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TheLoadEstimationofNitrogenandPhosphorusfromNon-point SourcesintheSonghuabaReservoirWatershed
BAOLi1,2,KANGHong-yu1,3,HUXing-gang3,ZHANGNai-ming1,2,3,4,
ZHAOXue-tong1,3,XuHong-jiao1,3
(1.YunnanSoilFertilizerandPrepairEngineeringLaboratory,YunnanAgriculturalUniversity,KunmingYunnan650201,China)
Theloadsofnitrogenandphosphorusgeneratedfromnon-pointsourcesintheSonghuabaReservoirwatershedwereestimated.Theresultsshowedthattheloadsofnitrogenandphosphoruswere527.41tonsperyear and144.24tonsperyearrespectively.Livestockandpoultrymanurewasthemajornon-pointsourcesofnitrogen andphosphorus.Livestockandpoultrymanurecontributedthemostnitrogen,followedbytheagriculturalsolid wastesandthedomesticwastesandthefertilizerlossanddomesticwastewater.Themostcontributorofphosphorus waslivestockandpoultrymanureaswell,followedbytheagriculturalsolidwastes.Thefertilizerlossandthewater andsoillosscontributedlesstothephosphoruspollution.Thedomesticwastesandwastewaterweretheleastcontributors.
nitrogenandphosphoruspollution;non-pointsourcepollution;load;estimationSonghuabaReservoir;Kunming
X52
A
1673-9655(2015)03-0001-06
2014-11-11
云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目—松華壩水庫水源區(qū)面源污染負(fù)荷解析與控制機(jī)理研究(ZD2011001)。
張乃明,男,教授,博士生導(dǎo)師。