沙塘川流域氮磷污染源及污染特征分析

2022-01-20 08:24劉凱興巢世軍

青海環(huán)境 2021年4期

劉凱興，巢世軍

(青海省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計院有限公司，青海西寧 810007)

1 流域水體氮磷污染特征及污染源構(gòu)成

沙塘川流域水環(huán)境質(zhì)量狀況。本項目收集了沙塘川橋斷面2013～2017年逐月常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及2017年12月沙塘川橋斷面不同形態(tài)氮、磷元素監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時在2018年4月、6月、8月對沙塘川橋斷面水樣進(jìn)行了不同形態(tài)氮、磷元素監(jiān)測。沙塘川流域水體主要氮磷污染物排放狀況。收集了流域內(nèi)2008～2016年環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及2017年《湟水流域水污染防治多方位動態(tài)信息采集基礎(chǔ)建設(shè)項目》開展的湟水流域污染排放調(diào)查結(jié)果。

1.1 水體氮素污染特征分析

水體中氮素根據(jù)其化學(xué)形態(tài)，可以分為無機(jī)氮和有機(jī)氮。其中無機(jī)氮主要包括氨氮(NH4+-N)、硝酸鹽氮(NO3--N)、亞硝酸鹽氮(NO2--N)，有機(jī)氮主要包括尿素、氨基酸、蛋白質(zhì)、氨基糖等含氮有機(jī)物。

根據(jù)不同水期對沙塘川水體中不同形態(tài)氮的監(jiān)測結(jié)果(見圖1)：所有水期中硝酸鹽氮在總氮中占比均最高，達(dá)到65%～84%，亞硝酸鹽氮占比最低，僅為0.8%～1.5%，氨氮和有機(jī)氮在總氮中占比隨不同水期呈現(xiàn)較為明顯的變化?？傮w來看，從枯水期(12月)到平水期(4月、6月)再到豐水期(8月)，沙塘川水體氮素中硝酸鹽氮占比逐漸增加，從枯水期的53%一直增加到豐水期的84%，氨氮和有機(jī)氮占比逐漸降低，分別從枯水期的24%和21.5%下降到豐水期時的10.2%和4.7%。

圖1 不同水期水體氮素形態(tài)分析

水體中不同形態(tài)氮素的占比變化主要是因為不同水期水體氮素來源不同造成的，在枯水期，點源排放源成為水體中氮素的一項主要來源，而點源氮素污染源中氨氮和有機(jī)氮含量相對較高；在豐水期，除了點源排放，由于降雨所形成的地表徑流和壤中流將不同區(qū)域土壤中的氮素沖刷進(jìn)入地下水、河流，形成非點源排放，而由于土壤中硝酸鹽氮更容易流失，因此河流豐水期硝酸鹽氮所占比例顯著提高。

1.2 流域磷素污染特征分析

水體中磷素根據(jù)其物理形態(tài)可以分為溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷。其中溶解態(tài)磷主要分為可溶性活性磷和可溶性非活性磷兩種形式，可溶性活性磷主要由無機(jī)正磷酸鹽組成，正磷酸鹽是可以被藻類直接吸收利用的磷形式，可溶性非活性磷主要為有機(jī)溶解磷，無法被藻類等水生生物用作營養(yǎng)物質(zhì)；顆粒態(tài)磷主要包含無機(jī)和有機(jī)以及顆粒和膠體的磷形態(tài)，顆粒態(tài)磷短期內(nèi)在水生態(tài)系統(tǒng)中的生物利用度較低，但隨著時間的推移，可生化性逐漸提高。

根據(jù)不同水期對沙塘川水體中不同形態(tài)磷的監(jiān)測結(jié)果(見圖2)：水體中溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷占比隨著水期改變有著非常明顯的變化規(guī)律，即從枯水期到平水期再到豐水期，水體溶解態(tài)磷在總磷中占比逐漸降低，而顆粒態(tài)磷占比則逐漸提高?？菟?，溶解態(tài)磷是沙塘川水體磷的主要存在形式，其占比可達(dá)79.4%，顆粒態(tài)磷占比僅有20.6%；在平水期，沙塘川水體中溶解態(tài)磷占比逐漸降低至41.1%～49.8%左右，溶解態(tài)磷占比則升高至50.2%～58.9%左右，溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷占比基本持平；而到了豐水期，顆粒態(tài)磷則成為沙塘川水體中磷的最主要存在形式，顆粒態(tài)磷占比達(dá)到60.3%，溶解態(tài)磷占比則降低至39.7%。

圖2 不同水期水體磷素形態(tài)分析

水體中溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷的占比變化原因與不同形態(tài)氮素占比變化原因相同，也是因為不同水期水體磷素來源不同造成的。在枯水期，點源排放源成為水體中磷素的一項主要來源，而點源磷素污染源中溶解態(tài)磷含量相對較高；在豐水期，除了點源排放，由于降雨所形成的地表徑流和壤中流將不同區(qū)域土壤顆粒沖刷進(jìn)入地下水、河流，形成非點源排放，而自然界磷主要以顆粒態(tài)磷的形式存在，因此河流豐水期顆粒態(tài)磷占比顯著提高。

1.3 流域氮磷污染源構(gòu)成分析

1.3.1點源污染

沙塘川流域主要的水體點源污染源為直接向河流水體中排放污廢水的生活點源和工業(yè)點源[1]。

(1)生活點源污染

沙塘川流域農(nóng)村地區(qū)建成污水收集與處理設(shè)施的居民點很少，因此生活點源主要來自互助縣城鎮(zhèn)居民生活污水的排放[2]。沙塘川流域截至2018年底建有城鎮(zhèn)污水處理廠2座，分別為互助縣第一污水處理廠和互助縣第二污水處理廠，設(shè)計處理水量分別為10 000m3/d及30 000m3/d。其中互助縣第一污水處理廠于2010年建成投入使用，處理后排放污水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中一級A標(biāo)準(zhǔn)；互助縣第二污水處理廠于2018年建成，目前正在調(diào)試和試運行階段。因此，本項目以互助縣第一污水處理廠排放的污水作為流域生活點源污染。根據(jù)青海省2008～2016年環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)和地區(qū)統(tǒng)計年鑒，得到2008～2016年沙塘川流域城鎮(zhèn)生活污水及總氮、總磷、氨氮的入河量，如表1。

表1 沙塘川流域城鎮(zhèn)生活污水及主要污染物入河量

(2)工業(yè)點源污染

沙塘川流域向河流水體中排放廢水的行業(yè)企業(yè)主要為白酒制造企業(yè)、淀粉及淀粉制品制造企業(yè)、牲畜屠宰企業(yè)，其中白酒制造企業(yè)廢水排放量和總氮、總磷排放量占比最大。以2016年為例，3個行業(yè)中白酒制造企業(yè)工業(yè)廢水、總氮、總磷排放量分別占到了工業(yè)排放量的79%、77%和63%，淀粉及淀粉制品制造企業(yè)工業(yè)廢水、總氮、總磷排放量分別占13%、18%和14%，牲畜屠宰企業(yè)工業(yè)廢水、總氮、總磷排放量分別占8%、5%和23%。詳見圖3。

圖3 沙塘川流域不同行業(yè)工業(yè)廢水及主要污染物排放對比

根據(jù)青海省2008～2016年環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到2008～2016年沙塘川流域工業(yè)廢水及總氮、總磷、氨氮的入河量，如表2。

表2 沙塘川流域工業(yè)廢水及主要污染物入河量

1.3.2非點源污染

流域分布最為廣泛的非點源氮磷污染為流域內(nèi)土壤，在降水和融冰融雪過程，土壤內(nèi)氮磷元素會通過地表徑流、壤中流、土壤內(nèi)淋溶作用等遷移進(jìn)入地下水和周圍地表水體中。但是在人類活動的干擾下，例如農(nóng)田耕作施肥、草場放牧、集約化畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水潑灑等行為都會向局部區(qū)域內(nèi)土壤中增加額外的氮磷來源，從而導(dǎo)致區(qū)域氮磷非點源污染輸出的增加。

沙塘川流域內(nèi)耕地面積占到了流域總面積的54.71%，用于放牧的草地面積占到了流域面積的約16%，同時農(nóng)村生活污水也缺乏統(tǒng)一的收集與處理系統(tǒng)，因此流域內(nèi)的人為非點源氮磷污染主要來源于農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和生活污染。本研究采取經(jīng)驗公式并綜合以往研究成果，對沙塘川流域內(nèi)2008～2016年年均非點源污染進(jìn)行統(tǒng)計估算。

(1)種植業(yè)污染

化肥的施用大大提高了農(nóng)作物產(chǎn)量，所施用在農(nóng)田中的化肥部分被農(nóng)作物吸收利用，剩余大部分未被吸收的化肥及農(nóng)田土壤中氮磷元素隨著降水、灌溉淋溶或沖刷進(jìn)入地下水和周圍地表水體中，造成水體氮磷污染。到2015年，我國化肥綜合利用率為35.2%，其中氮肥利用率在25%～40%，磷肥利用率在20%左右。

沙塘川流域主要施用的化肥為氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥，根據(jù)互助縣統(tǒng)計年鑒，沙塘川流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年均化肥施用情況統(tǒng)計結(jié)果詳見表3和表4。可以看出，沙塘川流域西山鄉(xiāng)和東山鄉(xiāng)的化肥施用強(qiáng)度最大，達(dá)到748.8～827.7kg/(ha·a)，其他區(qū)域化肥施用強(qiáng)度也較高，達(dá)到302.9～500.6kg/(ha·a)，全區(qū)化肥施用強(qiáng)度為458.7kg/(ha·a)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過青海全省化肥施用強(qiáng)度156.6kg/(ha·a)。所有化肥中，氮肥和復(fù)合肥的施用量最大，磷肥的施用量約為前兩者的一半。

表3 沙塘川流域內(nèi)不同區(qū)域年均化肥施用量一覽表 (單位：t/a)

續(xù)表

表4 沙塘川流域內(nèi)不同區(qū)域化肥年均施用強(qiáng)度一覽表 (單位：kg/(ha·a))

(2)畜禽養(yǎng)殖污染

畜禽養(yǎng)殖造成的非點源污染主要來自畜禽的糞便和尿液。在放牧散養(yǎng)的狀態(tài)下，如牛羊在牧場內(nèi)排泄的糞便就作為生物綠肥留在了牧場內(nèi)，同時牲畜對牧場草地的過度的踐踏和啃食會增加牧場內(nèi)的水土流失強(qiáng)度，從而增加區(qū)域氮磷非點源排放強(qiáng)度[3]。在集中養(yǎng)殖的狀態(tài)下，畜禽糞便被收集起來以有機(jī)肥的形式還田利用，經(jīng)調(diào)查，沙塘川流域內(nèi)規(guī)模化養(yǎng)殖場和養(yǎng)殖專業(yè)戶所產(chǎn)生的畜禽養(yǎng)殖糞便全部作為有機(jī)肥還田。

根據(jù)互助縣統(tǒng)計年鑒和《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》以及《農(nóng)業(yè)常用數(shù)據(jù)資料》，統(tǒng)計了流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖糞、尿所貢獻(xiàn)的氮磷產(chǎn)生量，詳見表5。

通過統(tǒng)計流域內(nèi)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖情況，可以得到沙塘川流域內(nèi)不同區(qū)域畜禽糞便及氮磷產(chǎn)生量，詳見表6?？梢钥闯觯程链ㄈ饔蛐笄蒺B(yǎng)殖產(chǎn)生的總氮和總磷分別為3 935.62t/a和426.21t/a，所有區(qū)域中，南門峽鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖量最大，由此產(chǎn)生的總氮和總磷也最多，分別達(dá)到910.07t/a和92.95t/a。

表6 沙塘川流域不同區(qū)域畜禽養(yǎng)殖氮磷產(chǎn)生量

(3)農(nóng)村生活污染

農(nóng)村生活污染的氮磷來源主要包括人糞尿和其他生活污水，主要都通過潑灑或附近小溝渠直接排放，因此也是流域內(nèi)重要的氮磷非點源污染源之一[4]。沙塘川流域目前共有農(nóng)村人口共計15.07萬人，根據(jù)《青海省地方標(biāo)準(zhǔn)用水定額》(DB63/T 1429-2015)，青海省農(nóng)村居民生活用水定額在水源水量充足地區(qū)為60L/(d·人)，在水源水量缺乏地區(qū)為40L(d·人)。沙塘川流域川水地區(qū)為水源水量充足地區(qū)，淺山和腦山地區(qū)為水源水量缺乏地區(qū)，因此取綜合用水量為50L(d·人)，生活污水產(chǎn)生量按用水量的0.8(d·人)計，則沙塘川流域農(nóng)村生活污水產(chǎn)生量為220 000m3/a。根據(jù)第二次全國污染源普查專項——《青海省典型區(qū)域農(nóng)村居民生活用排水情況調(diào)查》中對互助縣農(nóng)村生活污水的調(diào)查與監(jiān)測結(jié)果，互助縣農(nóng)村生活污水中平均總氮濃度為83.63mg/L，總磷濃度為2.87mg/L。由此，計算得出沙塘川流域農(nóng)村生活污染總氮產(chǎn)生量為184t/a，總磷產(chǎn)生量為6.3t/a。

(4)土壤氮磷含量

項目采樣調(diào)查了沙塘川流域不同土壤類型和不同土地利用類型中土壤有機(jī)碳和不同形態(tài)氮磷含量，于2018年10月共在流域內(nèi)選擇了27個點位，每個點位采用梅花5點采樣法，采集了表層1cm和距地表30～40cm土層2份土樣。所有點位覆蓋了沙塘川流域內(nèi)96.2%的土壤類型，以及96.45%的土地利用類型。

①不同土壤類型氮磷含量

不同土壤類型土壤有機(jī)碳和氮磷平均含量詳見表7和圖4。從表7和圖4中可以看出：沙塘川流域黑氈土、淋溶黑鈣土、棕黑氈土和石灰性黑鈣土中總氮含量最高，表層和下層土壤總氮平均含量均超過2 000mg/kg，淡栗鈣土中氮含量最低，表層和下層土壤總氮平均含量均低于1 000mg/kg。棕黑氈土、草甸土和石灰性黑鈣土中磷含量最高，表層和下層土壤總磷平均含量均超過1 000mg/kg，淡栗鈣土和黑氈土中磷含量最低，表層和下層土壤總磷平均含量在562.3～684.2 mg/kg之間。所有土壤類型中，表層和下層土壤總氮含量差別均較小。

圖4 不同土壤類型土壤有機(jī)碳和氮磷平均含量

表7 不同土壤類型土壤有機(jī)碳和氮磷平均含量一覽表

②不同土地利用類型土壤氮磷含量

流域內(nèi)不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和氮磷含量詳見表8和圖5。從表8和圖5中可以看出：沙塘川流域不同土地利用類型土壤中氮素、磷素和有機(jī)碳平均含量從高到低依次為草地、耕地和林地，所有類型土壤中，表層和下層土壤總氮含量差別均較小。

圖5 不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和氮磷平均含量

表8 不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和氮磷平均含量一覽表

從氮的化學(xué)形態(tài)來看，沙塘川流域3種主要土地利用類型土壤中氮素主要以有機(jī)態(tài)氮形式存在，有機(jī)態(tài)氮占總氮比例為97.1%～98.3%；氨氮和硝酸鹽氮所占比例均很低，分別為1.0%～1.5%和0.6%～1.5%。所有類型土壤中，表層和下層土不同形態(tài)氮占總氮比例的差別均很小。

2 結(jié)論

(1)沙塘川流域水體氮磷污染特征

沙塘川流域水體中總氮水平整體較高，年均濃度都在3mg/L以上，氨氮和總磷的年均濃度均維持在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)III～I(xiàn)V類標(biāo)準(zhǔn)?？偟c氨氮濃度變化規(guī)律均為枯水期>平水期>豐水期，總磷濃度在枯水期和豐水期均有顯著升高趨勢。

沙塘川水體氮素最主要的形態(tài)為硝酸鹽氮，占總氮比例達(dá)65%～84%，亞硝酸鹽氮占比最低，僅為0.8%～1.5%，氨氮和有機(jī)氮在總氮中占比隨不同水期呈現(xiàn)較為明顯的變化。從枯水期到豐水期，水體硝酸鹽氮占比逐漸增加，氨氮和有機(jī)氮占比逐漸降低。沙塘川流域水體中溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷占比隨著水期也有著非常明顯的變化規(guī)律，即從枯水期到豐水期，溶解態(tài)磷在總磷中占比逐漸降低，而顆粒態(tài)磷占比則逐漸提高。沙塘川水體氮磷形態(tài)變化的主要原因是枯水期水體中氮磷主要來源為點源排放，而點源污染源中氨氮、有機(jī)氮和溶解態(tài)磷含量相對較高，豐水期則有更多的硝酸鹽氮和顆粒態(tài)磷以非點源污染的形式進(jìn)入河流。

(2)沙塘川流域氮磷污染源構(gòu)成

沙塘川流域氮磷點源污染源主要為城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水，2016年全流域城鎮(zhèn)生活污水總氮、總磷排放量分別為96.46t和4.70t，工業(yè)廢水總氮、總磷排放量分別為49.89t和1.61t。