基于磷足迹的河流磷污染负荷评估

钟朋叡，董 梁

(1.中水北方勘测设计研究有限公司，天津 300222;2.大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024)

由氮磷过度排放引起的水体富营养化问题在我国众多河流与湖泊中普遍存在[1]，在河流氮元素充足的情况下，磷元素一旦增加到一定的阈值，就会发生水体富营养化，在磷循环过程中，通常只能涉及陆地与水体的交换，且磷化物在水体中常以颗粒态存在，形成大量不溶性磷沉于底部，因此防治水体富营养化，消减或限制磷元素的流失是关键问题[2]。

科学合理地评估河流磷污染情况是解决水体富营养化的重要前提。河流磷污染评估也受到许多学者的关注，林少华等[3]利用总氮、总磷指标对水池养殖系统氮磷污染进行了评估；谢晓天等[4]核算了黄河三角洲地区的农业面源磷污染负荷；金亚楠等[5]采用LOADEST模型来反映总磷动态变化；王颖[6]分析了辽宁省大凌河磷元素的输出变化特征；韩伟[7]的研究表明磷是辽宁省水环境污染的主要因子。然而很多学者只关注河流内部的磷元素，对总磷、磷酸盐等指标进行检测，或将流域面源污染与河流磷污染割裂，忽略了流域内的污染源产生的磷循环对河流水质的影响。

磷足迹定义为某一产品或过程在全生命周期内直接或间接流入河流中的总磷量，这为污染评价提出了一种新思路。磷足迹从流域整体出发对河流磷污染进行评价，考虑流域内未来时间段内磷元素循环过程，使得磷污染评价更加立体全面。

1 研究区域

复州河发源于普兰店市同益乡老帽山南麓，海拔高程为848.0m，水系流域面积为1645.98km2，流经大连市普兰店市与瓦房店市，于瓦房店三台子乡西兰旗的老羊头注入渤海。本次研究选择松树水库出水口为复州河起点，地理坐标为北纬39°47′，东经121°6′，选择入海口为复州河终点，地理坐标为北纬39°37′，东经121°31′。河流污染源主要来自河流流域，本次研究选取复州河流域内11个乡镇作为污染来源区域，分别为松树镇、赵屯乡、得利寺镇、瓦房店市区、太阳街道、瓦窝镇、老虎屯镇、复州城镇、杨家满族乡、九龙街道、三台满族乡，地理坐标为北纬39°28′～39°57′、东经121°34′～122°12′。复州河流域是大连地区重要的果品生产区和出口区，另外上游流域是大连瓦房店等地区的主要饮用水水源地，同时各个乡镇存在畜牧养殖、果品种植等产业。近年来，随着流域内工农业的迅速发展，以及人口的增加，污水排放严重影响着复州河的水质，根据滕昱[8]对大连市水功能区的研究与长期的现场采样分析，表明复州河的水质污染严重，磷污染居高不下。

2 研究方法

2.1 河流磷足迹核算方法

根据“足迹家族”的理念[9-10]，本次研究中将河流磷足迹定义为某一产品或过程在全生命周期内直接或间接流入河流的总磷量。本次研究同时核算居民生活污水排放、种植业、养殖业三种污染过程流入河流的总磷量。计算公式为

TPF=HPF+PPF+LPF

(1)

式中，TPF—河流磷足迹，kg；HPF—居民生活磷足迹，kg；PPF—种植业磷足迹；LPF—养殖业磷足迹，kg。

2.1.1居民生活污染磷足迹

复州河流域内农村地区较多，主要城镇为瓦房店市区，居民生活污水排放是产生居民生活磷污染的重要原因。根据实地调查，流域城镇生活污水经过龙山等污水处理厂处理后排放，农村生活污水一般直接排放。本次研究居民生活污染磷足迹计算公式为

HPF=P×Wp×γ×n×t

(2)

式中，P—城镇或农村区域人口数量，人；WP—城镇或农村居民人均用水量，L/(人·d)；γ—生活污水产生系数；n—污水中总磷浓度，本次研究参考龙山污水处理厂进水指标，按照城镇总磷4.0mg/L、农村总磷3.4mg/L估算；t—时间，d。

2.1.2种植业磷足迹

复州河流域的种植业主要为粮食作物、园林水果和经济作物，在种植过程中，由于过度施肥产生的磷元素流失，加剧流域磷污染现状，由于其流失过程模糊，计算复杂，本次研究采用《大连市统计年鉴2019》[11]中施肥折纯量进行核算，计算公式为

PPF=φ×Ai×μi

(3)

式中，φ—磷肥的流失系数；Ai—某种作物的种植面积，hm2；μi—某种作物单位面积施肥折纯量，kg/ hm2。

2.1.3养殖业磷足迹

复州河流域内各个乡镇均存在畜禽养殖业，以肉鸡、生猪、肉牛养殖为主，奶牛、蛋鸡养殖为辅。多数养殖场均无任何处理措施，直接排放入河或堆肥还田。养殖业的磷污染主要来自畜禽粪尿中的磷元素，核算养殖业磷足迹的计算公式为

LPF=n×ti×νi×η

(4)

式中，n—某种畜禽的饲养数量，头、羽；ti—某种畜禽的饲养周期，d。根据是实地调查肉牛、奶牛、蛋鸡为365d、肉鸡为60d、生猪为150d；νi—畜禽养殖总磷产污系数，g/(头·d)；η—畜禽粪尿水体流失率。

在核算养殖业磷足迹时，畜禽的饲养数量不能同时考虑存栏与出栏数量，否则计算结果偏大。对于肉鸡和生猪在一年中可以完成大于一次的饲养期，应采用年末出栏量，而对于肉牛、奶牛和蛋鸡在一年内无法完成大于一次的饲养期或不出栏，计算时应采用年末存栏量[12]。

2.2 参数选择

(1)城镇或农村居民人均用水量Wp。GB/T 50331—2002《城市居民生活用水量标准》[13]规定：复州河流域所在的辽宁省地区城市居民生活用水量应为80～135L/人·d。根据对复州河流域居民实地调研，近些年瓦房店市区城镇化发展迅速，城镇居民生活耗水量有所上升。文章中城镇居民人均用水量取100～200 L/(人·d)，其中瓦房店市区取200 L/(人·d)，其余乡镇取100 L/(人·d)。农村居民人均用水量取60 L/(人·d)。

(2)生活污水产生系数γ。根据GB/T 50331—2002[13]及《污染源普查产排污系数手册》[14]，本次研究中城镇居民生活污水产生系数取0.85，农村居民生活污水产生系数取0.80。

(3)磷肥的流失系数φ。本次研究仅考虑流入河流中的磷元素含量，只考虑磷肥的径流流失量，因此采用《第一次全国污染源普查农业污染源肥料流失系数手册》[15]中东北地区半湿润地区地表径流磷肥流失系数，见表1。

表1 东北地区地表径流磷肥流失系数 单位：%

(4)畜禽养殖总磷产污系数νi。根据《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》[16]与《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》[17]，文章采取我国东北区域的禽养殖总磷产污系数，见表2。

表2 东北地区畜禽养殖产污系数 单位：[g/(头·d)]

(5)畜禽粪尿水体流失率η。文章采取《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》[17]中畜禽粪便总磷进入水体流失率，见表3。

表3 畜禽粪便污染物进入水体流失率 单位：%

3 数据来源

本次研究中流域内各乡镇农村居民人口与肉牛、肉鸡、生猪等畜禽养殖数量来自《复州河流域水体达标方案》；流域内各乡镇粮食作物、园林水果、经济作物种植面积与施肥量来自《大连市统计年鉴2019》[11]。

4 结果与分析

4.1 河流磷足迹量化结果

本次研究从居民生活污染、种植业和养殖业3个污染源以及流域内11个乡镇进行复州河磷足迹核算。由表4与图3可知，2018年复州河河流磷足迹为395854.60kg，其中居民生活污染磷足迹为122474.29kg，占比30.94%；种植业磷足迹为12038.52kg，占比3.04%；养殖业磷足迹为261341.79kg，占比66.02%。由表4与图1可知，瓦房店市区产生的磷足迹最大，达到了110044.03 kg；得利寺镇和松树镇产生的磷足迹较小，分别为5217.99kg和9533.56kg，其余乡镇产生的磷足迹均处在20000～40000kg。由表4与图2可知，流域内城镇居民生活污染与肉鸡养殖对整体磷足迹贡献最大，分别为104008.21kg与172703.93kg；园林水果、经济作物与奶牛养殖产生的磷足迹最少，主要由种植面积与养殖数量较少所决定。

图1 复州河乡镇磷足迹量化结果

图2 复州河污染因子磷足迹量化结果

图3 复州河磷足迹占比

表4 复州河磷足迹量化结果 单位：kg

4.2 河流磷污染空间分布

本次研究从居民生活污染、种植业和养殖业3个污染源分析了流域磷足迹空间分布特征。图4是复州河磷足迹空间分布图。由图4可知，复州河磷足迹呈现自上游向下游递增，在入海口有所降低的趋势，最高值出现在瓦房店市区，主要受城镇居民生活污染影响。图5～图7分别是复州河流域居民生活污染、养殖业和种植业磷足迹空间分布图。由此可知，居民生活污染磷足迹总体上呈现由中游向上下游逐渐递减的趋势，最高值出现在城镇人口最多的瓦房店市区；养殖业磷足迹呈现自上游向下游逐渐递增的趋势，下游量值整体高于上游区域，最高值出现在杨家满族乡，最低值出现在得利寺镇；种植业磷足迹整体呈现由上游向下游递增的趋势，同时在近河流两侧的乡镇种植业磷足迹量值大于远离河流的乡镇。

图4 复州河磷足迹空间分布(kg)

图5 复州河居民生活污染磷足迹空间分布(kg)

图6 复州河养殖业磷足迹空间分布(kg)

图7 复州河种植业磷足迹空间分布(kg)

4.3 河流磷污染评价与建议

上述研究结果表明，复州河流域磷污染的主要来源为养殖业与居民生活污染，而种植业施肥引起的磷污染占比非常小。流域内肉鸡的养殖与瓦房店市区城镇居民生活污染对河流磷污染贡献最大。研究区域内由城镇居民生活污水排放引起的瓦房店市区磷污染最严重，由畜禽养殖业引起的杨家满族乡磷污染次之，地处上游的松树镇磷污染最少。

建议强化城镇生活污水治理，加快城镇污水处理设施建设与改造，同时加强畜禽养殖管理方式，从源头控制推进粪便资源化，建设养殖场治污减排设施，从而降低河流磷污染。

5 结 论

(1)复州河磷足迹量化与空间分布结果。2018年复州河磷足迹为395.85t，其中居民生活污染122.47t，养殖业占261.34t，种植业占12.04t。瓦房店市区磷足迹最高，达到110.04t，同时肉鸡养殖产生的磷足迹最大，达到172.70t。复州河磷足迹呈现自上游向下游递增，在入海口有所降低的空间分布趋势，最高值出现在瓦房店市区，主要受城镇居民生活污染影响。

(2)复州河流域磷污染评价。复州河流域磷污染主要由养殖业肉鸡养殖与城镇居民生活污染引起，而种植业产生的河流磷污染较少，流域内瓦房店市区磷污染最严重，杨家满族乡、复州城镇、九龙街道和老虎屯镇磷污染也较为严重。