基于输出系数模型的1998—2016年洱海流域磷素时空变化特征分析

韦晓雪，李晓琳，郑 毅*

（1.西南林业大学湿地学院，昆明 650224；2.西南林业大学国家高原湿地研究中心，昆明 650224；3.西南林业大学生态与环境学院，昆明 650224）

洱海位于云南大理白族自治州境内，系云南省第二大高原淡水湖泊，具有供水、灌溉、渔业、航运、旅游等多种功能，在区域经济发展中发挥着重要作用[1]。但由于洱海具有入湖河流源近流短、水体交换周期长、水量少等特征，使其富营养化状况日趋严重[2]。20世纪90年代以来，洱海水质从Ⅱ类下降为Ⅲ类，主要水质指标尤其是总磷量呈增加趋势，区域经济增长与生态环境保护协调发展成为该区域可持续发展面临的重要问题[3-4]。洱海富营养化是一个长期而缓慢的过程[5]。近20年来，在国家重大水专项的支持下，地方政府制定了一系列洱海流域水环境保护治理规划（1996—2016），以期减少经济高速发展下洱海流域污染负荷，但近些年水环境污染依旧存在。因此，运用科学方法揭示长时间尺度下洱海流域磷素的时空分布规律，分析其存在的问题并提出对策，对于改善洱海水质、保护洱海流域水环境，实现洱海流域社会经济可持续发展具有现实的科学指导意义。

磷素的输入是导致洱海水质不断恶化的主要限制因子[6]。农业生产与农村生活污染是流域环境污染的主要来源，二者对流域污染负荷贡献率在60%以上[7-9]。流域内农业生产活动强度加大、化肥农药使用过量、农户散养畜禽粪便资源利用程度不高，使得农业面源污染急速增加[10-12]。加上生产过程中磷素利用效率低的矛盾，导致盈余磷素在土壤内累积，或通过径流、淋溶、侵蚀进入水体，加剧了水体富营养化[13]。富磷的农村生活污水和生活垃圾随意排放与丢弃，致使农村污染进一步加重[14-15]。流域经济社会快速发展过程中，城镇入湖磷污染负荷逐年升高是导致洱海水质下降的另一重要原因，王圣瑞等[16]研究发现洱海流域城镇污染存量大，旅游污染快速增加，导致入湖河流水质提升困难。一方面人口数量持续上升，人类活动强度加大，导致流域污染干扰性增强[17]；另一方面快速城镇化进程中洱海流域城市建筑面积加大，水泥等不透水性下垫面增加，加快污水进入水体时间[18-19]。然而目前综合考虑农村和城镇两大污染源的研究甚少，已有研究多涉及农村面源污染对洱海水环境的影响，实际上忽略了城镇与农村不同污染来源的差异性及其对水环境的影响。

有学者从空间尺度对洱海流域农业面源污染分布情况进行了研究。如杜宝汉[20]以区为单元估算了洱海流域农村非点源污染量，发现洱海西部与北部是污染重点控制区；翟玥等[21]以乡镇为单元核算了洱海流域面源污染评价，发现对入湖贡献最大的乡镇是江尾、右所、三营、玉湖、凤仪和喜洲，约占流域污染负荷的65%。但已有研究多是基于大尺度污染物研究估算，具有空间异质性结果不够细致的缺点，导致难以区分各污染来源分布格局与定位高负荷敏感区及其污染类型[22]。因此，为了保护洱海流域健康的水环境功能，有必要全面且细致地摸清洱海流域磷污染排放源，以子流域尺度估算洱海流域磷污染负荷。以子流域为单元估算洱海流域磷污染，有利于对洱海流域磷素污染提出因地制宜的精细化管理，从而实现减少流域磷素污染的目标。

本研究通过整理年鉴数据、挖掘文献资料、实地调研及监测等方式，将输出系数模型与ArcGIS相结合，精确分析洱海流域26个子流域在1998—2016近20年间总磷负荷时空分布特征，定量分析流域内农村和城镇区域的外源磷污染源结构，识别洱海流域重点污染源和污染区域，为今后洱海流域水环境保护提供科学依据和实践参考。

1 研究区概况

洱海流域位于大理白族自治州中部偏东位置，地跨大理市和洱源县两个区域（25°30′～26°00′N，100°00′～100°30′E），流域总面积为2 556.4 km2。洱海隶属澜沧江的分支水系，是云南高原上仅次于滇池的第二大高原湖泊。洱海流域主要进水河流为弥苴河、罗时江、永安江，位于洱海北部区域，唯一的出水口分布在西南地区的西洱河流域，湖水途经漾濞江最后汇入澜沧江。本文参照董利民[23]的研究，依据流量汇流区并结合GIS将洱海流域划分为26个子流域，按照县级行政单元划分，子流域18～20辖属洱源县，其余子流域辖属大理市（图1）。

图1 洱海流域及土地利用Figure 1 Watershed and land use in Erhai Lake basin

2 研究方法

本研究将洱海磷污染依照来源分为农村污染源与城镇污染源。农村污染源由农村生活、畜禽养殖粪便、林地磷淋洗以及农业面源污染组成；城镇污染源由城镇生活污水、建筑污染、工业污染和旅游污染构成。从入湖方式划分，又可分为点源和面源两种形式。农业面源污染是农业生产过程中过量施用化肥农药、畜禽粪便以及农村生活污染不合理排放等对农业以及农村环境造成的大范围污染，具有分散性、不确定性、隐蔽性和难测性的特点[24]。传统意义上的农村生活污染是通过面源方式入湖，但相关研究表明：自20世纪90年代末期起，大理市政府已着手农村生活污水收集工作，农村污水收集率已从10%上升到80%以上。因此本研究认为，农村生活产生的废弃物和污水除了以传统方式还田外，还有部分是通过管道运输经过污水厂处理后以点源方式入湖[25-26]。洱海流域内传统农户散养粪便污染与规模化养殖粪便污染并存，农户散养产生的粪便污染以面源方式入湖，规模化养殖粪便污染通过布设污水处理设施以点源方式入湖。

人口与产业集聚作为洱海城镇化经济发展的重要特征，在洱海流域经济快速发展的同时也给洱海水环境带来恶劣影响[27]。城镇居民增加和城镇面积扩张使得污水排放强度加大，加上处理设施落后，给水环境带来巨大压力[28]。因此，由城镇居民生活与建筑用地面积污染产生的污染问题是目前值得重视的环境问题。产业集聚意味着生产规模扩大，产量增加会促使污染大量排放，增加入湖负荷压力[29-30]。当前，对于洱海环境污染的研究还多集中于工业领域，忽略了由旅游产业带来的污染。人口与产业集聚带来的污染负荷在入湖形式上也有一定的差别，其中城镇居民生活、工业污染、旅游污染经过系统污水处理后以点源方式入湖，建设用地污染以面源方式入湖（图2）。

2.1 模型方法

2.1.1 输出系数模型

图2 污染负荷入湖机制Figure 2 Mechanism of contamination load into lake

输出系数模型是基于多元线性回归分析的数学模型，是借助污染物输出系数与土地利用等相关数据估算流域输出的面源污染负荷，主要用于评价土地利用和湖泊富营养之间的关系[31]。输出系数模型经过改进后可用于计算各种来源的面源污染负荷，如土地利用类型、化肥施用、人口、牲畜的污染负荷[32]。

一般的输出系数模型方程表达式为：

式中：Lj是磷污染在第j子流域总负荷量，t·a-1；i是子流域中的土地利用类型，共有n种；Ei是磷污染在第i种土地利用类型中的输出系数，t·km-2·a-1，或第i种畜禽每头的排泄系数或每人的输出系数，t·a-1；Ai是子流域中第i种土地利用类型的面积，km2，或第i种畜禽数量，头，或是人口的数量，人；Ii是指农业面源的入湖系数，或每头畜禽养殖的入湖系数，或每人的入湖系数，t；P是来自降水的输入污染物，t·a-1。

降雨负荷计算：

式中：d为研究区域单位面积上磷的沉降率，kg·km-2·a-1；a为研究区域的面积，km2；λ代表径流系数。

2.1.2 其他污染负荷计算

在现实生活中，城市居民产生的生活污染、工业污水产生的污染以及旅游人口带来的污染都经过处理由管道直接排出，计算公式如下：

（1）城市居民生活污染计算

式中：Lj·pop是磷污染在第j子流域中城市居民生活产生的总磷污染负荷，t·a-1；POPU代表城市居民人口数量，人；α1代表城市居民中每人每天磷污染物排放量，t；β1是城市居民生活污染物入湖系数。

（2）产业污染计算

式中：Lj·t是磷污染在第j子流域中第t类产业产生的总磷负荷，t·a-1；Wt是第t类不达标工业污水排放量，t·a-1，或每年旅游人口数量，人；βt是第t类每吨不达标工业污水含磷量，或旅游人均磷污染排放量，g。

2.2 数据来源

农村污染源数据：通过大理白族自治州统计年鉴、地方年鉴以及实际调查，得到洱海流域内1998、2005、2010、2016年的农村人口数量以及猪、大牲畜、羊、家禽等畜禽养殖数量[33]。

城镇污染源数据：根据大理白族自治州统计年鉴、地方年鉴以及来自于污水处理厂及工业企业的废水排放直接统计，得到洱海流域内1998、2005、2010、2016年的城镇居民数量、旅游人口数量，以及不达标工业污水排放量[34]。

土地利用数据：本文涉及的土地利用数据来源于地理空间数据云网站，共选用分辨率为30 m的洱海流域1998、2005、2010、2016年4幅遥感影像，经过人机交互目视解译得到耕地、草地、水域、建设用地、林地、未利用土地的面积。

2.3 参数选取

2.3.1 输出系数值

确定适合的输出系数是正确计算输入量的重点，近些年国内学者对输出系数已积累了大量研究。本研究通过查阅《生活源产排污系数及使用说明》以及相关文献，对比参考流域和研究流域的土地利用类型、经济发展程度，确定了洱海流域的土地利用类型及农村生活输出系数值[23，35-36]（表1）。

2.3.2 畜禽排泄系数

社会经济快速发展，人们对畜禽肉类需求量增加，畜禽养殖数量不断增加，畜禽养殖排放的大量粪便对生态环境造成严重的压力[37]。本研究通过文献分析比较[23，38-39]，得到猪、大牲畜、羊、家禽的排泄系数，见表2。

表1 土地利用类型及农村生活输出系数值（t·km-2·a-1）Table 1 The export coeffcient classification of TPin relevant basins（t·km-2·a-1）

表2 畜禽排泄系数（g·a-1）Table 2 Animal excreta parameter

2.3.3 入湖系数

入湖系数是指污染物向流域出口输入与迁移过程中出现的入湖损失[40]。结合洱海流域实际情况，本文参考相关的研究成果，确定的城镇生活、农村生活、畜禽养殖、农业面源入河系数，见表3[41]。

2.3.4 其他数值

城市每人每天磷排放量为0.82 g，该数值来源于《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》[42]。依据《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册》，得出工业不达标污水每吨含磷量为0.005 g[43]。畜禽粪便还田比例来源于农业农村部办公厅发布的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[44]。农村生活废弃物及污水还田比例来源于前人研究成果[45-47]。旅游人均磷污染排放量（0.7 g）、单位面积林地磷淋洗量（0.62 t·km-2）、单位建筑面积磷流失量（0.059 t·km-2）均参考已有文献数据[23，48-49]。

3 结果与分析

3.1 1998—2016年洱海流域总磷污染负荷分析

洱海1998、2005、2010年和2016年的总磷污染负荷分别为390.273、402.150、398.879 t和 429.451 t，污染负荷呈升高趋势（表4）；但变化不均匀、不稳定，1998—2005年变化幅度中等，增幅为3.04%，2005—2010年变化幅度最小，降幅为0.82%，2010—2016年变化幅度最大，增幅为7.66%。研究区点源污染负荷呈显著上升趋势，从1998年的115.453 t上升至2016年的184.649 t，增幅59.93%；而流域内面源污染负荷与点源污染负荷趋势相反，呈下降趋势，从1998年的274.820 t下降至2016年的244.803 t，降幅10.92%。1998—2016年研究区仍以面源污染为主，面源污染负荷占比分别为70.41%、67.31%、59.59%和57.00%，表明洱海流域面源污染逐年减少，点源污染增加。

3.2 洱海流域总磷污染源分析

由图3A可知，洱海点源污染负荷包括畜禽养殖、农村生活、城镇生活、工业污染以及旅游产业等污染负荷。1998—2016年农村生活、城镇生活、旅游产业和畜禽养殖污染负荷呈持续上升的状态，工业污染呈下降趋势。城镇生活污染是洱海点源污染最主要的来源，其中2005—2010年增长幅度最大，从54.648 t增长至71.292 t，增加了16.644 t，占城镇污染来源总增长比例的30%。与此同时，旅游产业污染在18年间也处于快速增长阶段，1998年旅游产业污染最小，对于整个洱海的影响仅为0.518 t，随着社会进步，旅游成为大众休闲活动之首，2016年旅游产业污染反超工业污水污染，成为洱海点源污染的第四大污染负荷。

图3B显示，洱海流域的面源污染负荷主要由农业面源、建筑污染、林地磷淋洗、畜禽养殖和农村生活污染等组成。农业面源占洱海面源污染负荷的75%，是洱海面源污染负荷最主要的污染源；在1998—2016年间，农业面源均值变化与林地磷淋洗均值变化趋势相同，呈先减少后增加趋势，而建筑污染与畜禽养殖污染则呈现出递增的趋势，农村生活污染出现递减趋势。总体上，农业面源从1998年的215.670 t下降至2016年的181.920 t，降幅为15.64%，说明研究区农业面源污染状况总体呈好转趋势，与耕地面积大量减少有关。

3.3 洱海流域总磷污染负荷空间分析

综合各期GIS数据的自然间断点，取150、215、285为总磷单位面积污染负荷的间断点，将子流域分为4级（图4）。由图4可知，洱源县内洱海流域总磷污染负荷贡献大，1998—2016年总磷污染负荷分别为 200.291、209.767、216.642、223.884 t，占总负荷的50%以上，主要污染源为农业面源污染、畜禽养殖污染。其次是大理市，其总磷污染负荷所占比例均在45%左右，主要污染源为农业面源污染、城镇生活污染、旅游污染以及工业污染等。依据单位面积负荷分析，洱源县单位面积总磷污染负荷多集中于0～150、150～215 kg·km-2·a-1两个等级，大理市的单位面积负荷多分布在215～285、285～545 kg·km-2·a-1两个等级，最高面积负荷集中分布在大理市北部区域。

表3 入湖系数Table 3 River load ratio

表4 洱海流域总磷污染负荷（t）Table 4 Total phosphorus pollution load in Erhai Lake basin（t）

图3 洱海流域总磷污染Figure 3 Total phosphorus pollution in Erhai Lake basin

图4 1998—2016年子流域总磷污染负荷分布以及成分图Figure 4 Distribution and composition chart of total phosphorus pollution load in sub-basin from 1998 to 2016

续图4 1998—2016年子流域总磷污染负荷分布以及成分图Continued figure 4 Distribution and composition chart of total phosphorus pollution load in sub-basin from 1998 to 2016

各个子流域的总磷单位污染负荷空间格局差异很大，最高等级的单位污染负荷主要集中在1～14号子流域，而最低等级的子流域单位污染负荷多分布于21、22号子流域。1998—2016年，子流域7、8、9、11、14是空间分布上变化最大的污染单元，其总磷单位污染负荷范围从230.264 kg·km-2·a-1变为540.519 kg·km-2·a-1，每个子流域平均增长速率约10%。此外，除20号子流域单位面积污染负荷的排名上升外，其他子流域变化幅度均不明显，而下降幅度最大的是23号子流域，从1998年的 298.329 kg·km-2·a-1下降为2016年的164.893 kg·km-2·a-1，主要原因是其农业面源污染贡献率逐年下降。

从子流域污染来源看，不同子流域间存在的污染源也各有差异。农业面源污染、畜禽养殖污染以及城镇居民带来的生活污染是洱海流域的主要污染源，三者污染负荷量之和占总污染负荷量的80%左右。以农业污染源为重点污染源的流域有18、20号子流域，占该流域总污染负荷的43%～50%；其次是畜禽养殖，主要集中在19号子流域；城镇生活污染则分布在流域内人口较多的23、24、25、26号子流域；旅游污染产生较多的子流域为7、8号；工业污染分布于24号子流域，2010—2016年子流域7、8旅游污染开始大幅上升，并出现反超农业面源污染的趋势。

4 讨论

4.1 1998—2016年洱海流域入湖总磷污染时间分异特征

洱海流域农村-城镇系统的入湖总磷污染总量从时间上呈现明显的增加趋势，排放量从1998年的390.273 t增至2016年429.451 t，增加主要来源于点源污染负荷的增长，尤其是2005—2010年期间点源磷污染增长29.746 t，其增长速率最快。该时期内流域经济社会逐步向洱海周边发展，旅游人口向坝区聚集，但流域内大部分的自然村几乎没有污水收集处理设施，排水设施尚不完善，造成富含磷的养殖废水及农村生活污水直接排入河道。面源污染负荷虽然在1998—2016年期间逐渐减少，从274.820 t下降至244.803 t，但依然是总磷污染负荷的主要组成部分。2005—2010年期间面源污染下降幅度最大，达到12%，这与洱海水环境治理“十五”规划中采取农业面源污染控制工程密切相关，通过实施农业面源污染减排技术研究与示范工程，有效减少了农田磷素的环境排放。

4.2 洱海流域入湖总磷污染源结构解析

1998、2005、2010、2016年洱海流域农业面源污染产生的入湖总磷污染总量分别为215.670、206.316、171.862、181.920 t，均占当年入湖总磷污染总量的40%以上，成为流域内最主要污染源。随着大蒜等高施肥作物市场需求量不断增长，洱海流域大蒜、蚕豆种植面积快速增长，流域内磷肥多年平均用量为6000 kg·km-2，是世界平均水平的2倍，导致化肥污染成为入湖总磷最主要的农业污染来源[47，50]。畜禽养殖污染源是流域内入湖总磷的第二大污染源，截至2016年，畜禽养殖产生的入湖总磷达到80.065 t，相比1998年增长了16.468 t，与周应良等[51]研究结果相一致。洱海流域内洱源县是主要的奶牛和生猪养殖区，但受经济条件限制，该区域畜禽养殖方式极不合理，基本为家庭散户养殖且分布于流域内广大的农村区域，增加了畜禽粪便的处理难度[52]。2016年生活污水排放带来的总磷点源污染为111.137 t，其中农村生活污水的总磷污染达36.247 t，该区域村落零星分散、房屋布局凌乱，生活过程中产生的废水很难采取城镇的管网统一收集并集中处理的方式，导致大量污水进入水体。此外城镇人口生活污染贡献了74.890 t的入湖总磷污染量，虽然当地政府部门采取“集中与分散处理相结合，以集中为主要处理手段”的原则，实施流域万吨级城镇污水收集管网、污水处理厂建设等，但是污水处理效率低的问题依然存在，导致城镇生活污水仍是入湖总磷污染的主要来源。

4.3 洱海流域入湖总磷污染空间分布特征

大理市所辖子流域总磷污染不仅负荷量大且呈现出“高负荷、多密集”的特点；而洱源县则以低等级污染负荷居多，大致为“低负荷”的特征。由污染来源看，在1998—2016年，大理市污染源以农业面源污染、城镇生活、旅游污染以及工业污染为主，其直接原因为洱海流域内湖滨缓冲区多集中于此，缓冲区内农田面积比例高、环湖旅游景点集中、城区人口密度大、污染源入湖距离短。对此，应加强收集缓冲区城镇和旅游污水，强化控制污染入湖，并修建缓冲区生态修复带，避免污染直接入湖。洱源县农业面源与畜禽养殖污染严重，应推进生态农业发展，减少农业化肥农药使用量，做到测土配方施肥，畜禽养殖污染则应加强粪便污水收集以减少入湖污染负荷。

1998—2016年单位面积磷污染负荷在不同子流域间分布有较大的差异性，其中子流域7、8、9、11、14对总磷入湖污染输入量最大，年输入均值分别为373.976、330.668、269.132、299.222、251.453 kg·km-2·a-1。西部子流域7、8旅游污染较为严重，最大的污染源是旅游业污染，而西部其他子流域则以农业面源污染为主；南部的23、24、25、26号子流域是洱海城镇化发达区，城镇人口生活是主要污染源；北部的18、20号子流域农业种植污染尤为突出，而子流域19则以畜禽粪便污染为主。流域内土地利用方式、畜禽养殖规模、人口生活方式等差异是造成各子流域污染源结构不同的主要原因。西部、北部地区地势平坦，适宜于农业发展[53]。西部与北部地区农田和草地资源丰富，以大蒜、蚕豆等高施肥量、高耗水作物种植为主并散养以奶牛为代表的大牲畜，造成该地区的农业面源污染和畜禽养殖污染问题突出。西部是流域内旅游风景集散地，截止2016年该区共产生旅游污染9 t，占洱海流域旅游总污染的85%，存在餐饮、客栈、旅游点污水难以集中处理的旅游污染问题，与翟玥等[21]的研究结果一致。南部是流域的中心城区，1998—2016年该区共产生城镇污染10.491 t，城镇化程度发展水平高，人口密度大，污水处理厂的污水处理设施配套管网老旧以及污水处理率低等问题，使得城镇生活污水成为该区域磷素环境排放的主要来源。

本研究根据入湖总磷污染空间分布特征将洱海流域划分为4个治理分区：（1）化肥污染控制区（子流域9、11、14、18、20），控制大蒜、蚕豆等高耗肥作物种植面积，依据种植业生产资料平衡施用肥料，优化化肥与有机肥结构，并提高磷肥利用效率；（2）畜禽粪便污染控制区（子流域19），提倡规模化养殖大牲畜，全面收集零星养殖户畜禽粪便污水，并大力推进有机肥施用；（3）生活污染控制区（子流域23、24、25、26），建设专业化运营污水处理厂，加强污水管网建设与改造；（4）产业治理区（子流域7、8），全面加强工业污水处理和旅游业污水集中处理，提高产业污水去污效率。

5 结论

（1）1998—2016年洱海流域总磷污染负荷呈增加趋势，其中，面源污染是洱海总磷污染的主要来源，占总污染负荷的50%以上。

（2）源结构分析表明，点源污染负荷贡献率大小为城镇生活＞畜禽养殖＞农村生活＞工业污染＞旅游污染，面源污染负荷贡献量顺序为农业面源＞畜禽养殖＞林地淋洗＞农村生活＞建筑污染。其中，农业面源污染对子流域总磷污染负荷的贡献率最高，而畜禽养殖污染与城镇生活污染贡献率次之。

（3）空间分析表明，洱海流域总磷单位面积污染负荷整体呈现大理市高于洱源县特征，其中子流域7、8、9、11、14、18、20、23、24、25、26是单位面积污染负荷变化明显的区域，以旅游污染、农业面源污染、畜禽养殖污染以及城镇生活污染为主。根据磷素时空分布特征，对洱海流域实行分区治理：化肥污染控制区，提高磷肥利用率；畜禽粪便控制区，提倡规模化养殖畜禽；生活污染控制区，优化城乡布局，加强污水管网收集建设；产业治理区，优化排污设施，提高去污效率。