昆明市云龙水库径流区氮磷非点源污染负荷分析

郝 旭，张乃明，史 静

（云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明650201）

非点源污染的危害性随点源污染控制能力的提高而逐渐表现出来，特别是当点源污染控制水平达到一定程度后，非点源污染势必成为水环境污染的主要来源［1］。从世界范围来看，非点源污染已成为水环境污染的重要方式。美国60%的水环境污染起源于非点源［2］，据计算奥地利北部地区进入水环境的非点源氮量比点源多，丹麦270条河流94%的氮负荷，52%的磷负荷是由非点源污染引起的［3］，荷兰农业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染总量的60%和40%～50%［4］。在我国，长江流域、云南洱海、北京密云水库等许多水域，非点源污染比例均超过点源污染。在此背景下，进行非点源污染的量化研究对水质管理及饮用水源地保护显得愈发重要。

应用数学模型对非点源污染进行模拟和估算是研究非点源污染的重要手段。已有的非点源模型大都是针对小区域的精细模拟，率定出的参数和结果带有较大的区域性，很难适用于大中尺度流域的负荷估算。而输出系数模型法所需参数少，操作简便易行，又具有一定的精度，且不考虑非点源污染发生和发展的复杂过程，因此，该模型在非点源污染负荷估算方面得到了一定的应用［5－12］。

近几年，西南地区水资源紧缺，该区连续3a大旱，加之人类活动对昆明市云龙水库汇水范围内的生态环境的干预逐步加重，导致水库汇水区内生态和水环境状况日益恶化。但就目前情况而言，对云龙水库库区的基本状况、基础数据的调查与收集还远远不够，对水库水质变化原因，污染来源与贡献，水环境容量及库区农业面源污染控制技术等都缺乏系统研究。因此，本研究利用输出系数模型，针对云龙水库水源保护区的氮、磷非点源污染负荷进行分析，为进一步掌握研究区的氮磷负荷特征和合理调整农业结构提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

云龙水库是昆明市最重要也是云南省最大的集中式饮用水源地。水库位于金沙江水系二级支流掌鸠河中上游禄劝县云龙乡，距昆明市约86km，位于东经102°16′—102°35′，北纬25°43′—26°07′，属于北亚热带季风气候，多年平均气温10.2～13.8℃。云龙水库控制径流面积为745km2，流域呈矩形状，地势北高南低，流域平均海拔高程约为2 406m。水库总库容4.84×108m3，正常蓄水量3.97×108m3，主要入库河流有石板河、老木河、水城河。云龙水库水源区总人口约53 601人，经济以农业为主。水源区实际耕地面积约2.27×104hm2，林地面积4.82×104hm2。全年牛、猪、羊、家禽等存栏数约21万头。水源区经济以农业为主，产业结构单一。

1.2 非点源输出模型及参数取值

输出系数模型是利用半分布式途径来计算某流域年均污染（总氮、总磷）总负荷的数学加权公式，其实质上是一种集总模型。根据非点源污染负荷产生量和土地利用类型之间的联系，利用流域相关数据直接建立流与非点源污染产出量的关系［13］，然后通过对不同来源污染负荷量求和，得到研究区域污染物总负荷。

Johnes等的输出系数模型方程为:

式中:L——营养物质的总流失量；Ei——第i种营养源的输出系数；Ai——Ii第i类土地利用类型的面积或畜禽数量或人口数量；Ii——第i类营养源的营养物质输入量。

1.2.1 不同土地利用类型非点源负荷 不同土地利用类型产生的氮、磷非点源负荷计算式为:

式中:j——土地利用类型，共n种；Eij——第i种污染物在第j种土地利用类型单位面积的输出系数〔kg/（km2·a）〕；Mij——第i种污染物在第j种土地利用类型中的营养物输入量（kg）；Aj——第j种土地利用类型的面积（km2）。

1.2.2 农村生活非点源负荷 农村生活污染源中，氮、磷非点源负荷的计算方法为:

式中:L（生活）i——第i种农村生活污染物年输出量（kg/a）；Di——第i种污染物的日输出系数〔kg/（人·d）〕；H——区域内人口数量（人）；M——污水处理过程中的机械去除营养物质系数；B——污水处理过程中的生物去除营养物质系数。

1.2.3 畜牧养殖非点源负荷 畜禽污染源中氮、磷非点源负荷计算方法为:

式 中:L（畜牧）i——第i种污染物年输出量（kg/a）；Dij——第j种牲畜第i种污染物日输出系数〔kg/（头·d）〕；Hj——区 域 内 第j种 牲 畜 的 数 量（头）；M——污水处理过程中的机械去除营养物质系数；B——污水处理过程中的生物去除营养物质系数。1.2.4 输出系数取值的确定 大量的试验研究［14］表明，影响输出系数的因素有地形、气候、水文、土地利用类型、植被覆盖率等，都会对输出系数产生较大的影响。输出系数多采用单位时间、单位面积上的负荷量表示。一般确定非点源污染物输出系数值可采用试验或调研的方法［15］。鉴于无云南地区的输出系数试验数据，本研究计算所需的输出系数值，参考国外不同土地利用方式下的氮和磷输出系数的变化范围的研究成果和参照国内［1，11，16－23］相似 自然、气候 条件下的其他地区研究结果并取其平均值作为云龙水库径流区的输出系数值。不同土地利用类型的参考输出系数值和本文的具体取值结果（表1）；畜禽粪尿和农村生活部分的非点源污染物输出系数值均参照国家环保总局推荐的排泄系数和人口输出系数［24］，并参考前人研究成果得到农村生活及畜禽粪尿输出系数（表2）。畜禽粪尿的氮磷输出系数分别取为各自排泄系数的12%［24］。而农村生活的输出系数则反映了当地农村人口对生活污水及垃圾的利用和处理水平。

估算非源污染负荷产生量所需的其它数据包括研究时段的土地利用或植被覆盖数据、人口数量以及大牲畜、猪、羊和家禽数量，可通过查阅云南省昆明市禄劝统计年鉴、云南省数字乡村网［25］以及文献资料得到或实地调查获得。

表1 不同土地利用类型的输出系数 （kg/（hm2·a）

表2 农村生活及畜禽粪便输出系数 kg/（只·a）

2 结果与分析

2.1 水源区各乡镇非点源氮、磷负荷产生量分析

根据云龙水库自然和社会条件，应用适用于大区域尺度非点源估算的输出系数模型方法，估算云龙水库径流区氮磷非点源污染产生量、入库量等。昆明市云龙水库非点源污染物总氮和总磷负荷产生量计算结果详见表3—4。

表3 2010年昆明市云龙水库非点源污染物总氮负荷产生量

表4 2010年昆明市云龙水库非点源污染物总磷负荷产生量

由表3—4可知，云龙水库径流区总氮和总磷的非点源负荷产生量分别为2 079.8和454.32t/a，且总氮负荷量是总磷负荷量的4.6倍。从空间分布上分析，撒营盘镇、马鹿塘乡、皎平渡镇、团街镇、插甸乡5个乡镇的非点源污染物总氮、总磷负荷量都较高。其中，撒营盘镇的最高，总氮、总磷年均负荷量达到了444.89和85.28t/a。因为这些乡镇的耕地面积、农村人口、禽畜数量较多，均是产业结构单一，经济以农业为主，第二、三产业发展相对滞后的乡镇。相比之下，云龙乡和茂山镇的农村人口和禽畜数量较少，因此非点源污染负荷产出总量较低。按其对水源区污染物总氮负荷产生总量贡献率排序为:撒营盘镇＞插甸乡＞皎平渡镇＞团街乡＞马鹿塘乡＞云龙乡＞茂山镇。各乡镇对于总磷负荷量的有所变动，其排列顺序为:撒营盘镇＞插甸乡＞团街乡＞皎平渡镇＞马鹿塘乡＞云龙乡＞茂山镇。综合分析可知，撒营盘镇的氮、磷污染产生量是水源库区非点源污染物总氮和总磷负荷量的主要影响因素。

2.2 不同污染源类型对总氮和总磷负荷产生量的贡献分析

由表3可以发现，农村生活污染源对非点源污染物总氮负荷量贡献率最高33.84%。不同污染源类型产生的总氮负荷量以及对总氮负荷量的贡献率的大小顺序为:农村生活区＞畜禽粪便（其中，猪＞牛＞羊＞家禽）＞耕地＞林地。不同土地利用方式对流域非点源污染物总氮负荷产出量的影响，以农村生活区污染最大，畜禽养殖业和耕地的次之，林地的最小。表4的数据显示，污染源类型对总磷负荷贡献率的影响与对总氮污染负荷的影响规律基本相似，但畜禽粪便污染对总磷负荷的贡献明显大于农村生活区污染和耕地的贡献。不同污染源类型对总磷负荷贡献率的大小顺序为:畜禽粪便（其中，猪＞家禽＞牛＞羊）＞农村生活区＞耕地＞林地。这些表明，在各种土地利用类型中，目前水源的畜禽养殖和农村居民生活用地对非点源污染物总氮和总磷的贡献最大，因此为减少环境污染，农村地区污水、生活垃圾及禽畜粪便的日常处理显得非常重要。除此之外，大量畜禽养殖是造成该区非点源污染物总氮和总磷负荷量较高的直接原因。但不同乡镇畜禽的年存栏量和年出栏数量是不固定的，而且数量变动随机性大。因此，由于畜禽养殖业的发展引起环境质量的不利影响需要引起足够的重视，并且对各乡镇畜禽种类、年存栏量、年出栏数量定时统计上报，为研究工作提供基础数据。

2.3 水源区入库氮磷污染负荷

入库污染物是影响水库水质的根本原因。根据《全国水环境容量核算指南》中提供的技术参数，结合云龙水库的实际情况，分别确定各污染源的入库系数:耕地和林地的氮磷流失根据相关文献分析可取入库系数为0.1；而农村生活和畜禽粪便产生的污染负荷大部分通过河道汇集后进入水库，取这类污染源的氮、磷入库系数分别0.1和0.05。从而计算得到云龙水库非点源总氮、总磷入库量见图1—2。

图1 昆明市云龙水库入库总氮负荷

从图1—2可以看出，由不同污染源产生的总氮和总磷的入库负荷量分别为207.98和24.73t/a，总氮入库总量是总磷入库总量的8.4倍。入库的总氮负荷的主要污染来源是农村生活区污染和畜禽粪便污染，其入库总氮负荷量分别为70.38和70.90t/a，占总入库总氮负荷量的33.84%～34.09%。水库周边村落是水库水环境的重要污染源之一，周边村落污水目前均未治理。村落污水非汛期常以氮磷污染物高浓度状态的聚集于村落洼地及沟渠之中，汛期暴雨将其一起携带入库，直接污染库区水体。

图2 昆明市云龙水库入库总磷负荷

根据不同污染源入库的总氮负荷贡献率的顺序为:农村生活＞畜禽粪便（其中大牲畜＞家禽）＞耕地＞林地。从图2可看出，入库总磷负荷的主要污染源为畜禽粪便污染和农村生活污染，其入库总磷负荷为12.50 和 8.21t/a，分 别 占 总 负 荷 的 50.54% 和33.21%，而林地产生的入库总磷负荷为1.05t/a，占总入库量的百分比也最低，为4.23%。根据不同污染源的入库总磷负荷贡献率的顺序为:畜禽粪便（其中，大牲畜＞家禽）＞农村生活＞耕地＞林地。

3 结论

（1）云龙水库径流区氮磷负荷总的产生量分别为2 079.8和454.32t/a，按其对水源区污染物负荷产生总量贡献率总氮排序为:撒营盘镇＞插甸乡＞皎平渡镇＞团街乡＞马鹿塘乡＞云龙乡＞茂山镇；总磷负荷贡献排列顺序为:撒营盘镇＞插甸乡＞团街乡＞皎平渡镇＞马鹿塘乡＞云龙乡＞茂山镇。

（2）不同污染源类型产生的总氮负荷及对总氮负荷的贡献率大小顺序为:农村生活区＞畜禽粪便（其中，猪＞牛＞羊＞家禽）＞耕地＞林地。其中农村生活污染对非点源污染物总氮负荷贡献率最高33.84%。林地贡献率最小为11.74%。不同污染源类型对总磷负荷贡献率的大小顺序为:畜禽粪便（其中，猪＞家禽＞牛＞羊）＞农村生活区＞耕地＞林地。其中畜禽粪便污染对总磷负荷的贡献明显大于农村生活区和耕地的贡献。

（3）水库径流区不同污染来源产生的总氮和总磷的入库负荷量分别为207.98和24.73t/a，总氮入库总量是总磷入库总量的8.4倍。入库总氮负荷的主要污染来源是农村生活区污染和畜禽粪便污染，其入库总氮负荷分别为70.38和70.90t/a，占总入库总氮负的33.84%～34.09%。入库总氮负荷贡献率的顺序为:农村生活＞畜禽粪便（其中，大牲畜＞家禽）＞耕地 ＞林地。按入库总磷负荷贡献率的大小顺序为:畜禽粪便（其中，猪＞家禽＞牛＞羊）＞农村生活区＞耕地＞林地。

［1］邱凉，罗小勇，程红光.长江流域大尺度空间非点源污染负荷研究［J］.人民长江，2011，42（18）:81.

［2］贺缠生，傅伯杰.非点源污染的管理及控制［J］.环境科学，1998，19（5）:15－18.

［3］Kronvang B.Diffusenutrient losses in Denmark［J］.Water Sci.Techno.，1996，133（1）:81－88.

［4］Boersp C M.Nutriente missions from agriculture in the Nether lands:Causes and remedies［J］.Water Sci.Techno.，1996，33（1）:183－191.

［5］ClesceriN L，Curran S J，Sedlak R I.Nutrient loads in Wiscons in lakes（Part 1）:Nitrogen and phosphorous export coefficients［J］.Water Resources Bulletin，1986，22（6）:983－989.

［6］Dickerh D，Haith D A.Loading functions for predicting nutrient losses from complex watersheds［J］.Water Resources Bulletin，1983，19（6）:951－959.

［7］Reckhow K H，Beaulac M N，Simpson J T.Modeling Phosphorus Loading and Lake Response Under Uncertainty:A Manual and Compilation of Export Coefficient［S］. U.S.EPA Report No.EPA－440/5－80－011，Washington D C:Office of Water Regulations，Criteria and Standards Division，U.S.Environmental Protection Agency，1980.

［8］Ierodiaconou D，Laurenson L，Leblanc M，et al.The consequences of land use change on nutrient exports:A regional scale assessment in South－west Victoria，Australia［J］.J.Environ Manage.，2005，74（4）:305－316.

［9］刘瑞民，杨志峰，丁晓雯，等.土地利用/覆盖变化对长江上游非点源污染影响研究［J］.环境科学，2006，27（12）:2407－2414.

［10］龙天渝，梁常德，李继承，等.基于SLURP模型和输出系数法的三峡库区非点源氮磷负荷预测［J］.环境科学学报，2008，28（3）:574－581.

［11］刘亚琼，杨玉林，李法虎.基于输出系数模型的北京地区农业面源污染负荷估算［J］.农业工程学报，2011，27（7）:7－12.

［12］耿润哲，王晓燕，吴在兴，等.北运河下游不同土地利用非点源污染负荷估算［J］.农业环境科学学报，2012，31（7）:1412－1420.

［13］Johnes P J，Heathwaite A L.Modeling the impact of land use change on water quality in agricultural catchments［J］.Hydrological Proeesses，1997，11（3）:269－286.

［14］庄永涛.渭河临潼断面以上流域非点源总氮负荷研究［D］.陕西 西安:西安理工大学，2002.

［15］薛利红，杨林章.面源污染物输出系数模型的研究进展［J］.生态学杂志，2009，28（4）:755－761.

［16］梁常德，龙天渝，李继承，等.三峡库区非点源氮磷负荷研究［J］.长江流域资源与环境，2001，16（1）:26－30.

［17］段亮，段增强，夏四清.太湖旱地非点源污染定量化研究［J］.水土保持通报，2006，26（6）:40－43.

［18］李根，毛峰.我国水土流失型非点源污染负荷及其经济损失评估［J］.中国水土保持，2008（2）:9－11.

［19］Beaulac M N，Reckhow K H.An examination of land use nutrient export relationships［J］.Water Resources Bulletin，1982，18（6）:1013－1024.

［20］Frink C R.Estimating nutrient exports to estuaries［J］.Journal of Environmental Quality，1991，20（4）:717－724.

［21］陆建忠，陈晓玲，肖靖靖，等.改进的输出系数法在农业污染源估算中的应用［J］.华中师范大学学报，2012，46（3）:374.

［22］焦艳平，马香玲，艾万祥，等.岗南、黄壁庄水库上游流域非点源污染负荷估算［J］.南水北调与水利科技，2010，8（2）:96.

［23］曹彦龙，李崇明，郭劲松，等.重庆三峡库区非点源污染来源分析及负荷计算［J］.重庆建筑大学，2007，29（4）:2.

［24］沈珍瑶，刘瑞民，叶闽，等.长江上游非点源污染特征及其变化规律［M］.北京:科学出版社，2008:348－358.

［25］韩明明.云南省昆明禄劝彝族苗族自治县［OL］.（2011－01－25）［2013－05－26］.云南:www.ynszxc.gov.cn，2009.