贵州省开阳县洋水河流域磷污染特征及来源解析

潘丽波，关 潇，陈彦君，钟丽娟，刘 博，齐 月，郎 涛

（1. 中国环境科学研究院国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012；2. 贵阳市开阳县环境监测站，贵州贵阳 550300）

近年来，磷污染已成为影响我国水环境质量总体安全的一个重要因素，特别是在长江上游，经过多年治理，流域内化学需氧量、氨氮等水污染物指标持续下降，磷已成为主要污染物。乌江流域作为长江水系面积超过8万km2的8条主要支流之一，是长江上游重要的生态屏障，同时也是贵州省第一大河。贵州省有“亚洲磷仓”之称，磷矿储量26.95亿t，居全国第3位，其中富矿储量占全国总量的44%，是我国主要的磷矿资源地和磷化工基地之一［1-2］。贵州省磷矿资源分布较集中，主要有4个矿集区：开阳-息烽矿集区、瓮安-福泉矿集区、织金-清镇矿集区、铜仁-松桃矿集区。4个矿集区全部位于乌江流域，累计查明矿石量占全省磷矿资源的99%。目前开发强度较大的矿集区为开阳-息烽矿集区和瓮安-福泉矿集区，开发区域大部分位于乌江六广断面与沿江渡断面之间，沿江磷矿和磷化工企业都是乌江水体磷污染的贡献大户［3］。深入研究乌江流域磷污染及其治理策略，对于做好长江流域磷污染防治有着重要意义。

开阳县洋水河为乌江一级支流，该流域是我国三大磷矿区之一。流域内磷矿自1958 年建矿至今已有60 余年的开采历史，2017 年新探明的磷矿资源量高达8.01 亿t［4］，是贵州省乃至全国最重要的磷化工基地之一。该流域化工产业在为地方经济发展做出贡献的同时，也对自然生态和水环境造成严重破坏，区域磷污染成为困扰当地政府、群众60多年的“老大难”问题。调查开阳县洋水河流域磷污染物浓度总体水平，研究其变化规律和趋势，为磷污染控制提供技术支撑和决策依据，对进一步保障乌江水质安全和生态环境质量具有重要意义。

1 数据收集与分析

1.1 研究区域

洋水河是长江三级支流，流域面积225.2 km2，跨贵阳市开阳、息烽两县，位于开阳县西北部，在开阳县境内流域面积为159.85 km2，约占开阳县总面积的7.89%，流域内总人口约3.79万人。流域位于云贵高原中高山区，地势总体南高北低，最高海拔1 664 m，最低海拔612 m，高度差达1 052 m，属亚热带高原季风气候区，总体特点是冬无严寒、夏无酷暑，气候温和，降水充沛，全年湿润，雨热同期。由于风化强烈，流水侵蚀、溶蚀严重，岩溶较为发育，区域内地形复杂多样，洋水河干流上共有大小支流数十条，其中风岩小河、永温小河和息烽小河为主要支流。

1.2 数据收集

洋水河流域数据来自贵阳市开阳县环境监测站及开阳县水利局，其中水质数据包含2015—2019年沿洋水河W1、W2、W3、W4、W5、W6 6 个断面总磷逐月监测数据（见图1），W1为背景监测断面，W6为出境监测断面，W2至W5依次为中下游监测断面。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），采用单因子评价方法对2015—2019年洋水河流域总磷变化趋势进行评价。流域内城镇生活垃圾无填埋，无渗滤液产生，故其排放量忽略不计。

图1 洋水河监测点位及沿岸涉磷企业分布

1.2.1 涉磷企业排放数据

洋水河沿岸分布有7 家磷矿企业、1 家磷肥企业和1家磷化工企业（见图1）。涉磷企业排放数据来源于2018年开阳县内工业企业在线数据。

1.2.2 种植业面源排放核算数据

根据各乡镇统计年鉴中耕地面积，结合《全国饮用水水源地环境保护规划》［5］相关计算参数和生态环境部公布的农田径流污染物流失源相关系数，核算洋水河流域内种植业污染物排放。

1.2.3 畜禽面源排放核算数据

根据各乡镇统计年鉴中畜禽养殖数量及《第一次全国污染源普查 畜禽养殖业源产排污系数手册》［6］对流域内畜禽养殖散养污染物排放情况进行核算。经现场调研，流域内畜禽散养废弃物大多通过还田、还林的方式加以利用，对畜禽废渣以回收等方式进行处理的污染源，按产生量的12%计算污染物流失量。

1.2.4 农村生活污水排放数据

以2018 年洋水河流域人口为基数，采用产污系数法计算流域内农村居民生活污水的产生量。农村居民的生活污水产污系数取自《第一次全国污染源普查 城镇生活源产排污系数手册》［7］中4 区5类城市的对应值。

1.2.5 农村生活垃圾排放数据

流域内农村生活垃圾基本均未处理，生活垃圾污染物排放系数参考城镇生活垃圾简易填埋场湿润区产排污系数表。

1.2.6 道路面源污染负荷数据

实验方法：在磷矿运输沿线典型区域，选取具有一定坡度、易收集地面水的路面进行喷淋模拟降雨实验。采用喷水装置对实验道路区域均匀、充分喷洒，以模拟雨水对运输路面的冲刷效果，在下坡出口处沿路面收集汇集的水。喷淋面积2 m×1 m，喷淋水量3 L，记录喷淋时间和实验位置经纬度。将收集水样沉淀后，提取上清液，检测总磷浓度。

面源污染负荷模拟公式：mi=ρi×S×h×λ。式中mi为入河污染物总量；ρi为实验点水样污染物质量浓度；S 为道路面积；h 为降雨量；λ 为入河系数。按照降雨强度选择入河系数：降雨量10 mm以内，入河系数λ选取0.5；降雨量10 ～20 mm，入河系数λ选取0.6；降雨量大于20 mm，入河系数λ选取0.7［8］。

面源污染负荷模拟计算：测量洋水河流域内道路长度和道路宽度，计算道路面积，代入水样总磷检测结果和洋水河流域降水情况，计算道路面源污染负荷。

1.3 数据分析

采用Excel 2010软件和Origin 9.0软件进行相关数据的统计分析和绘图，采用ArcGIS 10.3 软件进行研究区域监测点位及沿岸涉磷企业分布图的绘制。

2 结果与分析

2.1 流域降水特征分析

开阳县降雨主要受季风影响，春夏季风时，暖湿多雨。据开阳县气象站1968—2018年的实测资料统计，流域多年平均降雨量为1 161.6 mm，平均气温为13.06 ℃。西部、南部降雨较多，年降雨量在1 120 mm以上，年降雨中心在西部的双流和南部的龙冈；东部、北部降雨量较少，年降雨量在1 100 mm 以下，东北部龙水为低值区。最大和最小年降雨量分别为1 656.4 mm和910.1 mm，丰水期和枯水期多年月平均降雨量分别为148.9 mm 和35.77 mm。日最大暴雨降雨量大于100 mm的有4年，日最大暴雨降雨量大于150 mm的有1 年，日最大暴雨降雨量为174.6 mm（2002 年6 月17 日），其次为116.9 mm（1996 年7 月3 日），日最小暴雨降雨量为51.3 mm（1992年5月16日）。年内降雨分布不均，4—9月降雨量占全年降雨的77%，枯水期半年降雨量约占23%。

基于1968—2018 年流域降雨变化趋势分析（见图2）和距平分析（见图3），1968—2018 年洋水河流域降雨变化呈微弱下降趋势。流域年均降雨量在1978 年前后发生突变下降，1995 年后降雨量突变上升。降雨距平变化结果表明，洋水河流域在不同年度降雨变化波动较大，其中1970—1980 年年均降雨量呈上升趋势，1980—1990年年均降雨量呈下降趋势，1990—2000 年年均降雨量呈上升趋势，2000—2010 年呈下降趋势；近10 年流域降雨平均变化幅度不大，但于2015 年有较大幅度升高；近10年平均降雨量相比历史时期多年平均降雨量增加了50 mm，增加了4.2%。

图2 洋水河流域1968—2018年降雨变化趋势

图3 洋水河流域1968—2018年降雨距平变化

2.2 洋水河流域磷污染时空特征分析

2015 年5 月—2019 年12 月洋水河总磷浓度变化趋势见表1。由表1 可以看出，除去背景断面W1，监测断面W2至W6总磷年均值均呈现逐渐下降趋势。总磷下降程度最明显的断面是W3至W6断面。

根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），流域背景断面W1 在2018 年以前可维持Ⅱ类～Ⅲ类水体，2018 年4 月后总磷质量浓度急剧上升，水质呈现劣Ⅴ类。原因是2018年4月受上游孙家湾渣场发生坍塌泄漏影响，W1 背景断面总磷质量浓度由0.11 mg/L 上升至3.66 mg/L，相较泄漏前上升32倍。W2监测断面位于贵州开阳县双流镇丰源磷矿有限公司（简称丰源磷矿）、贵州开阳双阳磷矿有限公司（简称双阳磷矿）及开阳县金钟镇平安磷矿一矿等下游，2015—2018年，水质总体呈现Ⅴ类和劣Ⅴ类，2019年断面总磷浓度有所下降，呈现Ⅲ类水体。W3监测断面位于W2断面及贵州开磷集团矿肥有限责任公司（简称开磷矿肥）下游，虽然2015—2018年总磷质量浓度由4.14 mg/L降至0.69 mg/L，但水质总体仍呈现劣Ⅴ类，2019年水质呈现Ⅲ类。

表1 洋水河主要监测断面总磷年均质量浓度及水质类别

W4监测断面位于W3监测断面下游，附近分布有永温乡明泥湾磷矿（简称明泥湾磷矿）；W5监测断面位于贵州省开阳县天缘矿业有限公司永温乡小河磷矿（简称天缘矿业）下游，贵阳开阳金河矿业开发公司两岔河磷矿及开阳县钙镁磷肥厂（简称钙镁磷肥厂）附近。W4和W5监测断面2015—2018年水质均为劣Ⅴ类，2019 年总磷质量浓度均有所下降，呈现Ⅲ类水体。流域出境断面W6总磷质量浓度呈现持续下降趋势，水质由2015年的劣Ⅴ类转变为2019年的Ⅲ类。

洋水河上、中、下游水质变化趋势较为相似，从背景监测断面开始经过企业密集区和镇区之后，总磷质量浓度持续升高，经W4断面后，企业总磷排放量降低，断面总磷浓度也相应降低。2015年是洋水河治理的起步阶段，工程措施尚未到位，河道实际总磷呈现超标状态。2018年年底洋水河全面实行流域环境治理与生态修复工程，通过沿线矿井水处理设施自动化改造、企业道路面源污染治理工程、运输道路面源污染治理工程及磷石膏渣场整改与风险控制工程，2019 年河道中下游监测断面总磷质量浓度均有不同程度下降，均能达到Ⅲ类水质要求，说明工程措施发挥了重要作用。

2.3 洋水河磷污染来源解析

根据2018 年洋水河流域工业企业在线数据计算洋水河流域涉磷企业及各污染源总磷排放量，分别见表2、表3。由表2可知，总磷排放量最高的涉磷企业为明泥湾磷矿（7.33 t），总磷排放占比61.08%，废水排放占比52.19%，年平均总磷排放质量浓度为0.33 mg/L；其次为开磷矿肥、双阳磷矿及钙镁磷肥厂，总磷排放量分别为2.22 t、1.45 t 及0.41 t，总磷排放占比分别为18.50%、12.08%及3.42%，废水排放占比分别为25.18%、13.39%及2.41%。开磷矿肥年平均总磷排放质量浓度为0.21 mg/L，双阳磷矿年平均总磷排放质量浓度为0.26 mg/L。由表3可知，洋水河流域各污染源总磷排放量为19.54 t；除涉磷企业外，种植业的总磷排放量贡献最大，总磷排放量为3.55 t，占各污染源总磷排放量的18.17%，其次为畜禽养殖、道路面源、农村生活污水及农村生活垃圾，总磷排放量分别为2.54、1.14、0.30、0.01 t，占各污染源总磷排放量的比例分别为13.00%、5.83%、1.54%及0.05%。

表2 洋水河流域2018年涉磷企业废水及总磷排放量统计

表3 2018年洋水河流域各污染源总磷排放量统计

流域对应的陆域范围内污染源排放的污染物只有一部分能最终流入水体，因此污染物入河量需结合入河系数（进入水体的污染物量占污染物排放总量的比例）计算。污染源排放的污染物进入水体的数量有众多影响因素，情况十分复杂，区域差异很大。根据《全国水环境容量核算指南》中提供的技术参数，结合洋水河流域的实际情况，确定各污染源入河系数（见表4）。

表4 洋水河流域各污染源入河系数

根据各污染源入河量计算结果（见图4），涉磷企业总磷入河量最高，为9.6 t，占总入河量的78.79%，其次为种植业、道路面源、畜禽养殖，总磷入河量分别为1.065 t、0.798 t及0.508 t，占比分别为8.85%、6.63%及4.22%。

图4 洋水河流域总磷各污染源入河量

3 结论

（1）近50 年洋水河流域气温呈较为显著的上升趋势，降雨变化总体趋势不明显，但近10 年极端降雨事件发生较为频繁。高温条件和暴雨对流域水环境质量可能造成一定影响。

（2）洋水河上、中、下游水质变化趋势较为相似，从背景监测断面开始经过企业密集区和镇区之后，总磷浓度持续升高，经W4断面后，企业总磷排放量明显降低，断面总磷浓度也相应降低。2018年年底前河道基本呈现Ⅴ类和劣Ⅴ类水质，2018年年底洋水河流域全面实行环境治理与生态修复工程后，河道中下游监测断面总磷浓度均有不同程度下降，均能达到Ⅲ类水体标准。

（3）涉磷企业总磷入河量贡献最高，其次为种植业、道路面源、畜禽养殖、农村生活污水及农村生活垃圾。