陳武權(quán) 楊慶榜 楊 斌

(1.江西省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究與規(guī)劃院,江西 南昌 330029；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012；3.江西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,江西 南昌 330029)

湖泊污染治理一直是水環(huán)境治理的重要一環(huán)，而對于湖泊污染的現(xiàn)狀及成因的研究是政府污染治理決策的重要依據(jù)。關(guān)于湖泊污染情況的研究方法主要有直接監(jiān)測法和經(jīng)驗系數(shù)法兩種。其中，直接監(jiān)測法需要長期廣泛的布點監(jiān)測，且往往只針對單個點源，不適用于區(qū)域污染排放量測算。經(jīng)驗系數(shù)法是利用行業(yè)規(guī)律數(shù)據(jù)以及質(zhì)量守恒原理計算污染物排放量的方法，長期以來廣泛運(yùn)用在各類點源和面源的污染物排放量計算中[1]，如工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源、機(jī)動車源等[2-8]，由此衍生出一系列計算模型，如SWAT模型[9]和SPARROW模型[10-12]等。

鄱陽湖是我國最大的淡水湖，位于江西省北部，水系水資源十分豐富，是江西省乃至南方水污染研究的重點湖泊之一。鄱陽湖入湖河流水質(zhì)長期優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的湖庫Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[13]，突出水環(huán)境問題為總磷污染。為有效支撐鄱陽湖流域總磷污染防控工作，我國學(xué)者開展過多次針對入湖磷污染源排放的研究。涂安國等[14]基于監(jiān)測資料對鄱陽湖入湖河流的磷污染物進(jìn)行了定量分析；馬廣文等[15]基于分布式流域模型開展了鄱陽湖流域面源污染負(fù)荷模擬和時空特征分析；趙爽等[16]開展了基于綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(WQI)法的鄱陽湖水質(zhì)演變趨勢及驅(qū)動因素研究。然而，由于上述研究周期較長，研究結(jié)果滯后性嚴(yán)重，往往無法及時提供宏觀生態(tài)環(huán)境形勢分析，無法為當(dāng)?shù)卣沫h(huán)境綜合決策提供依據(jù)。為此，本研究參考最新發(fā)布的《排放源統(tǒng)計調(diào)查產(chǎn)排污核算方法和系數(shù)手冊》(以下簡稱《手冊》)[17]，通過合理的參數(shù)設(shè)置測算湖泊區(qū)域環(huán)境污染源排放，從而及時掌握鄱陽湖區(qū)域污染排放情況，可大大提高相關(guān)部門在鄱陽湖乃至其他湖泊污染治理決策上的準(zhǔn)確性和時效性。

1 測算對象與方法

湖泊流域的水體污染物來源較多，有自然界的大氣沉降、候鳥糞便、船舶航行和水體直接排入[18-25]，其中水體直接排入包括濱湖地區(qū)的排入、主要支流和匯水區(qū)的排入，是水體污染物最主要的來源。本次測算針對鄱陽湖濱湖地區(qū)，污染源統(tǒng)計口徑分為點源(集中式污染處理設(shè)施、工業(yè)源等)和面源(生活源、農(nóng)業(yè)源等)，采用的數(shù)據(jù)為地方生態(tài)環(huán)境部門以及統(tǒng)計部門2019年公布的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用《手冊》中的方法開展磷負(fù)荷精細(xì)化核算，力求得出鄱陽湖濱湖區(qū)入湖總磷排污量。

1.1 點源測算

本次測算的點源數(shù)據(jù)主要包括工業(yè)源和集中式污染處理設(shè)施，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)法和產(chǎn)排污系數(shù)法核算污染物排放量。

1.1.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)法

監(jiān)測數(shù)據(jù)法依據(jù)實際監(jiān)測的調(diào)查單位產(chǎn)生和外排廢水及其污染物濃度，計算廢水排放量及各種污染物的產(chǎn)生量或排放量的方法。

1.1.2 產(chǎn)排污系數(shù)法

產(chǎn)排污系數(shù)法是依據(jù)調(diào)查對象的產(chǎn)品或原料類型、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)規(guī)模以及污染治理技術(shù)等，根據(jù)《手冊》中對應(yīng)的“影響因素”組合確定產(chǎn)污系數(shù)及污染物去除效率，核算污染物產(chǎn)生量和排放量。

1.2 面源測算

1.2.1 生活源

(1) 城鎮(zhèn)生活源

利用城鎮(zhèn)常住人口、城鎮(zhèn)人均生活用水量、折污系數(shù)等參數(shù)核算城鎮(zhèn)生活污水產(chǎn)生量；再根據(jù)江西省城鎮(zhèn)生活污水總磷折污系數(shù)、污水處理廠的總磷去除量等核算城鎮(zhèn)生活污水中總磷的排放量，計算公式見式(1)、式(2)：

Qw=Pc×Wg×ec×T×10-3

(1)

Qcp=Qw×[ep-(Jj-Jc)]×10-2

(2)

式中：Qw為城鎮(zhèn)生活污水產(chǎn)生量，萬t，默認(rèn)城鎮(zhèn)生活污水收集率為100%，則生活污水產(chǎn)生量也就是生活污水排放量；Pc為當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)常住人口，萬人；Wg為城鎮(zhèn)人口綜合生活用水系數(shù)，L/(人·d)；T為每年用水時間，d；ec為城鎮(zhèn)生活污水產(chǎn)污系數(shù)；Qcp為城鎮(zhèn)生活源總磷排放量，t；ep為城鎮(zhèn)生活污水總磷的產(chǎn)污系數(shù)，mg/L；Jj、Jc分別為當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)生活污水處理廠加權(quán)平均進(jìn)口、出口總磷質(zhì)量濃度，mg/L。根據(jù)《手冊》推薦的參數(shù)，江西省城鎮(zhèn)人口綜合生活用水系數(shù)取203 L/(人·d)，城鎮(zhèn)生活污水產(chǎn)污系數(shù)為0.85，城鎮(zhèn)生活污水總磷的產(chǎn)污系數(shù)為4.27 mg/L。

(2) 農(nóng)村生活源

根據(jù)農(nóng)村常住人口、農(nóng)村人均生活用水量以及廁所類型、糞尿處理情況和生活污水排放去向等信息，利用農(nóng)村常住人口與產(chǎn)排污系數(shù)等參數(shù)核算農(nóng)村生活源中總磷的排放量。計算公式見式(3)、式(4)：

Qv=Pv×ev×T×10-2

(3)

Qvp=Qv×(1-C×evp)

(4)

式中：Qv為農(nóng)村生活污水總磷產(chǎn)生量，t；Pv為當(dāng)?shù)剞r(nóng)村常住人口，萬人；ev為農(nóng)村生活污水總磷產(chǎn)污強(qiáng)度，g/(人·d)；Qvp為農(nóng)村生活污水總磷排放量,t；C為對生活污水進(jìn)行處理的行政村占總行政村數(shù)量的比例，相關(guān)數(shù)據(jù)來源于城建部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以市為單位進(jìn)行統(tǒng)計；evp為農(nóng)村生活污水總磷綜合去除率，%。根據(jù)《手冊》推薦參數(shù)，江西省農(nóng)村生活污水總磷產(chǎn)污強(qiáng)度為0.24 g/(人·d)，總磷綜合去除率為48%。

1.2.2 農(nóng)業(yè)源

農(nóng)業(yè)源核算范圍包括種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。

(1) 種植業(yè)

種植業(yè)總磷排放(流失)量采用產(chǎn)排污系數(shù)法核算，根據(jù)農(nóng)作物(谷物、水稻等)播種面積、園地(果園、茶園、桑地)面積與相應(yīng)污染物排放系數(shù)，以調(diào)查年度種植業(yè)含磷化肥單位面積使用量與種植業(yè)多年含磷化肥單位面積使用量的比值作為矯正系數(shù)，計算種植業(yè)總磷排放(流失)量，計算公式見式(5):

Qzp=(Ag×eg+Ay×ey)×qj/q0×10-3

(5)

式中:Qzp為種植業(yè)總磷排放(流失)量，t；Ag為農(nóng)作物播種面積，hm2；eg為農(nóng)作物種植過程中總磷流失系數(shù)，kg/hm2；Ay為園地面積，hm2；ey為園地總磷流失系數(shù)，kg/hm2；qj為調(diào)查年度用于種植業(yè)的含磷化肥單位面積使用量，kg/hm2；q0為種植業(yè)多年含磷化肥單位面積使用量，kg/hm2。

根據(jù)《手冊》推薦參數(shù)，江西省eg、ey分別為0.563、0.860 kg/hm2，qj根據(jù)當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計數(shù)據(jù)計算得到，q0根據(jù)2017年第二次污染源普查結(jié)果計算得到，為0.019 456 kg/hm2。

(2) 畜禽養(yǎng)殖業(yè)

畜禽養(yǎng)殖業(yè)包括規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場以及分散養(yǎng)殖戶，不同養(yǎng)殖方式的總磷排污系數(shù)并不相同(見表1)，總磷排放量計算見式(6)、式(7):

Qi=(qiz-qig)×fi1×10-3+qig×fi2×10-3

(6)

Qxp= ∑Qi

(7)

式中:Qi為第i類畜禽養(yǎng)殖總磷排放量，t；qiz為當(dāng)?shù)氐趇類畜禽養(yǎng)殖總出欄量，頭或羽；qig為當(dāng)?shù)匾?guī)模化養(yǎng)殖場第i類畜禽養(yǎng)殖出欄量，頭或羽；fi1為分散養(yǎng)殖第i類畜禽養(yǎng)殖的總磷排污系數(shù)，kg/頭或kg/羽；fi2為規(guī)模化養(yǎng)殖場第i類畜禽養(yǎng)殖的總磷排污系數(shù)，kg/頭或kg/羽；Qxp為畜禽養(yǎng)殖總磷排放量，t。

表1 畜禽養(yǎng)殖總磷排污系數(shù)Table 1 Total phosphorus emission coefficient of livestock and poultry breeding industry

(3) 水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)水污染物總磷排放量采用產(chǎn)排污系數(shù)法核算，通過人工水產(chǎn)養(yǎng)殖的水產(chǎn)品產(chǎn)量與排放系數(shù)相乘計算獲得，計算公式見式(8):

Qfp=qf×efp×10-3

(8)

式中:Qfp為水產(chǎn)養(yǎng)殖總磷排放量，t；qf為水產(chǎn)養(yǎng)殖的水產(chǎn)品產(chǎn)量，t；efp為水產(chǎn)養(yǎng)殖總磷排放系數(shù)，參考《手冊》推薦參數(shù)，本次測算取0.543 kg/t。

1.3 測算對象

本研究總磷排放測算區(qū)域為《鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》定義的鄱陽湖濱湖區(qū)，根據(jù)“五河七口”和水環(huán)境國控監(jiān)測斷面的分布，結(jié)合行政邊界，建立“五河七口”和水環(huán)境監(jiān)測斷面的對應(yīng)關(guān)系(見表2)。以此為基礎(chǔ)，確定南昌市、九江市和上饒市下轄的18個縣(市、區(qū))為鄱陽湖濱湖區(qū)，分別為南昌市東湖區(qū)、西湖區(qū)、青山湖區(qū)、青云譜區(qū)、灣里區(qū)、南昌縣、新建區(qū)、進(jìn)賢縣，九江市永修縣、德安縣、共青城市、廬山市、濂溪區(qū)、都昌縣、湖口縣，上饒市鄱陽縣、余干縣、萬年縣。

2 結(jié)果與討論

2.1 測算結(jié)果

根據(jù)《排放源統(tǒng)計調(diào)查產(chǎn)排污核算方法》中的排污核算方法，分別計算鄱陽湖濱湖區(qū)18個縣(市、區(qū))點源總磷排放量，結(jié)果見圖1。研究區(qū)點源總磷排放量為48.88 t，其中工業(yè)源總磷排放量遠(yuǎn)高于集中式污染處理設(shè)施，除部分區(qū)縣集中式垃圾處理廠存在老舊設(shè)施未改造導(dǎo)致排放量異常外，其他大部分縣(市、區(qū))不存在納入統(tǒng)計口徑的集中式污染處理設(shè)施，總磷排放量可忽略不計。

生活源由城鎮(zhèn)生活源和農(nóng)村生活源兩部分組成，鄱陽湖濱湖區(qū)各縣(市、區(qū))城鎮(zhèn)生活源和農(nóng)村生活源總磷測算結(jié)果分別見圖2、圖3。經(jīng)計算，研究區(qū)城鎮(zhèn)生活源和農(nóng)村生活源總磷排放量分別為833.48、358.07 t，雖然兩種生活源的總磷排放量計算方法存在差異，但總磷排放量均與常住人口數(shù)量顯著相關(guān)。青山湖區(qū)、鄱陽縣等城鎮(zhèn)人口多，其總磷排放也偏大。灣里區(qū)等地城鎮(zhèn)人口較少，其生活源總磷排放偏小。

表2 鄱陽湖水系與水環(huán)境監(jiān)測斷面對應(yīng)關(guān)系Table 2 Correspondence between river system of Poyang Lake and water environment monitoring section

圖1 點源總磷排放量Fig.1 Total phosphorus emission from point sources

圖2 城鎮(zhèn)人口與城鎮(zhèn)生活源總磷排放量Fig.2 Urban population and total phosphorus emission from urban living sources

注：西湖區(qū)、青云譜區(qū)無農(nóng)村人口。圖3 農(nóng)村人口與農(nóng)村生活源總磷排放量Fig.3 Rural population and total phosphorus emission from rural living sources

農(nóng)業(yè)源分種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)兩個口徑進(jìn)行統(tǒng)計，鄱陽湖濱湖區(qū)18個縣(市、區(qū))中西湖區(qū)、青云譜區(qū)為南昌市的中心城區(qū)、老城區(qū)，區(qū)內(nèi)沒有農(nóng)業(yè)源，因此對其余16個縣(市、區(qū))種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)總磷排放進(jìn)行測算，結(jié)果分別見圖4、圖5。16個縣(市、區(qū))中，種植業(yè)總磷排放量在0.77～305.54 t，差異較大，其中南昌縣種植業(yè)總磷排放量最高，為305.54 t，其次為永修縣和鄱陽縣，種植業(yè)總磷排放量分別為220.30、214.87 t，從圖4可以看出，種植面積與總磷排放明顯相關(guān)，但并不是影響排放量的決定性因素,這是不同作物的磷肥需求量不同所致。鄱陽湖濱湖區(qū)種植業(yè)總磷排放量合計1 441.68 t,是區(qū)域總磷排放貢獻(xiàn)最大的來源。

注：種植面積為農(nóng)作物播種面積與園地面積之和。圖4 種植面積與種植業(yè)總磷排放量Fig.4 Planting area and total phosphorus emission from planting

圖5 畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖總磷排放量Fig.5 Total phosphorus emission from livestock and poultry breeding and aquaculture

養(yǎng)殖業(yè)分畜禽養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖兩種，研究區(qū)域位于鄱陽湖濱湖區(qū)，適合養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)魚類的水域較多，大部分區(qū)縣都有龐大的水產(chǎn)養(yǎng)殖基礎(chǔ)，16個縣(市、區(qū))水產(chǎn)養(yǎng)殖總磷排放量在0.19～82.64 t，合計總磷排放量483.48 t，其中水域面積最大的鄱陽縣水產(chǎn)養(yǎng)殖總磷排放量最大，為82.64 t，其次為余干縣、南昌縣、進(jìn)賢縣，水產(chǎn)養(yǎng)殖總磷排放量分別為73.61、70.92、70.59 t。研究區(qū)域畜禽養(yǎng)殖以養(yǎng)豬為主，除建成區(qū)外，江西省農(nóng)村均有大規(guī)模的養(yǎng)殖場和小型的散養(yǎng)戶，16個縣(市、區(qū))畜禽養(yǎng)殖總磷排放量在0.22～108.88 t，合計總磷排放量568.98 t，南昌縣畜禽養(yǎng)殖總磷排放量最大，為108.88 t，其次為進(jìn)賢縣、新建區(qū)，畜禽養(yǎng)殖總磷排放量分別為91.91、86.23 t。鄱陽湖濱湖區(qū)養(yǎng)殖業(yè)總磷排放量合計1 052.46 t。

2.2 地區(qū)分析

從鄱陽湖濱湖區(qū)18個縣(市、區(qū))各污染源總磷排放情況(見表3)可以看出，總磷排放主要集中鄱陽湖濱湖區(qū)東北部的鄱陽縣和南部的南昌縣，其主要原因是總磷排放貢獻(xiàn)最大的農(nóng)業(yè)源主要集中在鄱陽縣和南昌縣。生活源總磷排放主要集中在濱湖區(qū)東北部的鄱陽縣和西南中部的青山湖區(qū)，點源總磷排放量以濱湖區(qū)北部湖口縣和西南中部青山湖區(qū)兩個地區(qū)最大，其次是東北部的鄱陽縣和南部的南昌縣。

表3 鄱陽湖濱湖區(qū)各污染源總磷排放量Table 3 Total phosphorus emission quantity of different pollution sources in lakeside area of Poyang Lake t

2.3 與相關(guān)數(shù)據(jù)的比較分析

目前已掌握的最全面的鄱陽湖濱湖區(qū)總磷排放資料為2017年江西省第二次全國污染源普查(以下簡稱2017年普查)數(shù)據(jù)，該資料顯示鄱陽湖濱湖區(qū)總磷排放量為3 495.79 t，其中農(nóng)業(yè)源總磷排放量為2 375.81 t，為各類源總磷排放量之首，占鄱陽湖濱湖區(qū)總磷排放量的67.96%；生活源、工業(yè)源、集中式污染處理設(shè)施的總磷排放量分別為1 055.01、63.25、1.72 t，分別占鄱陽湖濱湖區(qū)總磷排放量的30.18%、1.81%、0.05%。

本次測算鄱陽湖濱湖區(qū)總磷排放量為3 734.57 t，其中農(nóng)業(yè)源總磷排放量為2 494.14 t，占鄱陽湖濱湖區(qū)總磷排放量的66.79%；生活源、點源的總磷排放量分別為1 191.55、48.88 t，分別占鄱陽湖濱湖區(qū)總磷排放量的31.91%、1.31%(見表4)。與2017年普查數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，本次鄱陽湖濱湖區(qū)總磷測算結(jié)果與其基本接近，總磷排放量相對誤差為6.83%，生活源相對誤差為12.94%，農(nóng)業(yè)源相對誤差為4.98%，點源相對誤差為-24.77%，各類污染源排放量占比的誤差均未超過2百分點。在考慮到兩年經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展變化的情況下，本次總磷測算和污染分析的結(jié)果，無論在總磷排放量還是各污染源及地區(qū)分布方面，基本與2017年鄱陽湖總磷入湖量研究結(jié)果吻合。

2.4 不確定性分析

從總磷各類排放源占比看，本次測算結(jié)果與2017年普查結(jié)果相差不大，僅有1百分點左右的誤差，但從總磷排放量核算上看，本算法與2017年普查結(jié)果仍存在一定差異，參數(shù)取值存在一定的不確定性，主要體現(xiàn)在以下3點：(1)未能全部獲取計算所需參數(shù)，如無法獲取上饒市余干縣、鄱陽縣、萬年縣的磷肥施用量，從而無法準(zhǔn)確統(tǒng)計相應(yīng)的磷流失量，只能按種植業(yè)面積計算磷肥流失量；(2)計算方法的選擇有差異，總磷排放量的計算有排放系數(shù)和產(chǎn)生系數(shù)乘以綜合去除率兩種方法，本次測算由于個別污染源無法獲取綜合去除率，因此使用排放系數(shù)法進(jìn)行總磷排放量測算，不同污染源計算方法的差異將導(dǎo)致測算結(jié)果產(chǎn)生不確定性；(3)無法統(tǒng)計污水處理廠的具體處理水量，目前從生態(tài)環(huán)境部門獲取的生活污水處理量與本次用于測算的排放量存在差異，部分污水處理廠存在處理本地區(qū)以外的生活污水的情況，或無法分清工業(yè)和生活污水，導(dǎo)致測算結(jié)果存在差異。

3 結(jié) 語

基于產(chǎn)排污系數(shù)建立了湖區(qū)排污測算和污染分析的方法，并用于鄱陽湖濱湖區(qū)的總磷排放量核算。該方法首次脫離大規(guī)模實地調(diào)查，僅運(yùn)用相關(guān)資料，通過合理設(shè)置經(jīng)驗參數(shù)快速計算得到湖區(qū)總磷排放量，且與實地大規(guī)模調(diào)查結(jié)果相差不大，該方法可以運(yùn)用在大型湖區(qū)更新年排放數(shù)據(jù)計算分析中，計算結(jié)果可作為其他調(diào)查排放結(jié)果的對比參照樣本。

表4 鄱陽湖濱湖區(qū)各類污染源總磷排放比較Table 4 Comparison of total phosphorus emission from different sources in the lakeside area of Poyang Lake

基于產(chǎn)排污系數(shù)的排污測算方法尚在初步探索階段，后期視情況將繼續(xù)對鄱陽湖其他年度、其他污染物進(jìn)行測算，待方法成熟后可以拓展應(yīng)用到其他類似大型湖泊中，作為生態(tài)環(huán)境部門對于湖泊濱湖區(qū)，乃至更大區(qū)域污染物排放量的快速計算和污染原因分析的備選方法之一。針對此次測算中的不確定性，后期將會做進(jìn)一步精細(xì)化改進(jìn)，補(bǔ)充部分地區(qū)的磷肥施用量，調(diào)研污水處理廠中本地區(qū)和外來水量的比例，理清工業(yè)廢水和生活污水構(gòu)成，進(jìn)一步分析生態(tài)環(huán)境部門獲取的實測生活污水去除量與本研究中測算量存在差異的具體原因，以期提高湖泊總磷等污染物排放量的計算效率與質(zhì)量。