海河流域农村非点源污染现状及空间特征分析

邱 斌,李萍萍,钟晨宇,陈 胜,孙德智 (北京林业大学环境科学与工程学院,北京 100083)

海河流域农村非点源污染现状及空间特征分析

邱 斌,李萍萍,钟晨宇,陈 胜*,孙德智 (北京林业大学环境科学与工程学院,北京 100083)

采用污染排放系数法估算了2008年海河流域农村生活源、畜禽分散养殖、农田化肥流失3个主要农村非点源COD、TN、TP和NH3-N 4种污染物的排放量,并对其排放强度和空间分布特征进行了分析.结果表明,海河流域农村非点源污染源排放 COD、TN、TP和NH3-N总量分别为2435826, 3042079, 540568, 1798760t/a,平均排放强度分别为11.10, 13.97, 2.98, 8.28t/(km2·a).海河流域内河北省的3个农村非点源的4种污染物排放量均居首位,农村居民生活源对海河流域非点源污染贡献最大,是流域非点源污染控制最主要的对象;子牙河水系农村非点源污染物排放总量最大,而徒骇马颊河水系排放强度最大,是海河流域内污染最严重的水系,其首要非点源污染源是山东省的农村生活源.流域内非点源污染排放量和排放强度均呈现区域性分布,山区和平原区分别呈现出低污染等级和高污染等级.

海河流域；农村非点源；空间分布特征

海河流域跨8省区市,包括北京、天津、河北绝大部分、河南北部、山西东部、山东北部、内蒙古东部及辽宁小部分,共 232个县,总面积3.18×105km2.海河流域在国家经济社会发展过程中具有重要战略地位,其中的京津冀都市圈是我国的政治文化中心和经济发达地区.随着经济社会的发展,环境污染问题日益突显,成为全国污染最严重的流域之一[1].“十一五”期间,通过对点源污染进行结构减排、工程减排、管理减排来实现流域的减排目标,而结构减排和工程减排在“十二五”期间的空间已较小,因此实现减排目标的重要措施聚焦在对流域面源的有效管理,尤其是农村非点源污染,已成为水环境污染主要来源和控制关键,严重影响了生态环境和制约社会经济发展

[1-2],成为不少地区水环境恶化的主要原因[3].

针对海河流域农村非点源污染研究主要集中在某单一非点源,比如对农村居民生活源[4]、畜禽养殖业[5]和种植业[6-7]等污染排放负荷估算的研究,缺少从整体上对海河流域农村非点源排放特征识别和排放强度空间分布的综合研究.本研究结合全国第一次污染源普查,采用排污系数法估算海河流域2008年农村非点源污染排放量,诊断流域中 9个水系的农村非点源污染程度,并通过各区域污染排放总量和排污强度空间分布特征分析,识别农村污染控制的优先区域,为海河流域农村非点源污染源有效管理和控制提供依据.

1 海河流域农村非点源基本情况

非点源污染是造成海河流域水体污染的一个重要因素.农村非点源污染是指农村生活和进行农业生产的过程中产生的污染物,在降水或灌溉过程中,通过农田地表径流和农田排水等途径汇入地表水体引起的有机物、氮和磷污染[8],主要包括农村生活源污染、农村畜禽养殖、农田化肥等[9].

通过查阅《中国统计年鉴》(2008)、《中国农村统计年鉴》(2008)和《中国人口统计年鉴》(2008)等资料中关于海河流域基本情况,确定海河流域农村非点源污染源调查的主要项目为农村人口数量、农村畜禽养殖情况(猪、牛、羊、家禽存栏/出栏量)、农田化肥使用情况(氮肥、磷肥和复合肥料施用量).通过现场调研、实地监测和查阅资料,得到海河流域农村非点源排污单元基本情况,见表1.

表1 2008年海河流域各行政区农村非点源基本数据Table 1 Elemental data of rural NPS of different administrative divisions in Haihe River Basin in 2008

2 海河流域农村非点源污染排污量估算方法

采用排污系数法对海河流域农村非点源污染排放量进行估算.首先将海河流域按照水系划分为9个二级区域.因为农村非点源排放受地形等因素影响较大,因此再将各水系划分为山区和平原区2个3级区域,在每个3级区利用集总模型[10]进行计算,考虑各个分区之间的相互关系,进行区域加和[11-13].本文以县为基本排放单元,处于相同3级区域的各县市排放量直接相加即得到3级区域总排放量.在3级区域污染排放量估算时,选择适宜的排污系数是正确计算的关键.参考第一次全国污染源普查产排污系数手册及相关文献[4-7],考虑到各区域地理和气候条件及经济发展水平等因素,依照分类原则确定排污系数.农村生活源考察了农村生活污水、生活垃圾和尿粪的排放,生活污水排放系数见表2,海河流域垃圾产生量为0.29kg/d[14],生活垃圾中污染物含量为:TN 26.6g/kg, TP 9.1g/kg,人粪排污为 0.25kg/(人·d),尿 1.0kg/(人·d),人粪尿的排污系数为:TN 30.60kg/a, TP 5.24kg/a, COD 19.80kg/a;畜禽养殖考察了北方地区主要畜禽种类(猪、牛、羊、家禽)的排污情况;北方地区以玉米和小麦一年2熟的作物种植为主,因此农田化肥流失主要考察了该种种植模式下农田化肥随地表径流和地下渗透流失系数,各污染源排放系数见表2～表5.

表2 海河流域农村生活污水排放系数 [g/(人·d)]Table 2 The emission coefficient of rural sewage in Haihe River Basin [g/(person·d)]

表3 海河流域畜禽养殖源污染排放系数 [g/(头·d)]Table 3 The emission coefficient of livestock in Haihe River Basin [g/(tou·d)]

表4 海河流域农田化肥污染流失系数 (%)Table 4 The emission coefficient of fertilizer in Haihe River Basin (%)

表5 海河流域农村非点源污染排放量计算Table 5 Calculation method of rural NPS pollutant emission in Haihe River Basin

3 结果与讨论

3.1 海河流域农村非点源污染排放清单

2008年海河流域共接纳流域7省区市农村非点源排放COD, TN, TP, NH3-N分别为2435826, 3042079, 540568, 1798760t,与文献[4-7]估算量接近.其中COD和NH3-N排放是流域点源排放量的1.9倍和14倍(2008年海河流域点源排放COD和NH3-N分别为1292374t和123610t[15],可见NH3-N是流域农村非点源控制最主要的指标.如表6所示,河北省3种污染源的各项指标排放量均为流域最大,4项指标分别占流域总排放量的 55.34%、56.96%、56.98%和57.02%.

海河流域中农村居民生活源排放占农村非点源放污染物量的比例最大, COD, TN, TP, NH3-N排放量分别占流域排放总量的85.60%、96.12%、98.08%和97.93%,是海河流域农村非点源污染最主要的来源和控制对象.海河流域地处华北地区,水资源匮乏,人均用水量仅为81 L/d.海河流域污水产生系数仅为 27.5%[16],部分水留用浇地、畜禽用水、冲厕等用途,因此生活用水污染产生系数较小;但海河流域农村人体粪尿主要以旱厕和简易厕存储,仅北京和天津农村水冲厕所占比例较大,而有沼气池的村占比很少,农村80%以上的粪便被作为农肥还田,随着雨季农田地表径流和水土流失会造成较为严重非点源污染;而流域内农村缺乏垃圾处理设施,除北京和天津外大部分区域农村垃圾是直接露天排放,增加了农村居民非点源污染排放.随着流域内经济水平的增长、农村生活水平的提高,居民生活源排放污染物量将呈现增长趋势.

据调查,海河流域农村畜禽散养排放的污染物质大部分被当作肥料还田,由于畜禽粪便在土壤中停留时间较长,不被充分利用而产生污染.海河流域畜禽分散养殖排放COD, TN, TP, NH3-N分别占流域总量的14.4%, 1.53%, 0.66%, 1.68% (表 6).研究表明,中国畜禽产品的收入弹性为正,这意味着随着中国人口和居民收入的增加,畜禽养殖将继续发展[17],养殖规模的扩大导致畜禽粪尿排泄量日益增多,未经处理的畜禽粪便被随意堆放,造成大量养分流失,带来严重的环境污染隐患和巨大的环境压力.

表6 2008年海河流域非点源污染物排放清单(t)Table 6 Pollutants emission of NPS in Haihe River Basin in 2008 (t)

农田化肥TN、TP和NH3-N流失量分别占流域总量的2.35%、1.26%和0.39%,这主要包括农田化肥随着地表径流和地下渗流方式的流失量.由 2008农村统计年鉴可知,海河流域耕种面积共 1.6×107hm2,海河流域主要粮食作物是玉米和小麦,分别占粮食作物总播种面积的46.60%和38.11%,都属于一熟作物,且海河流域大部分处于以旱地为主的华北平原,所以农田化肥流失系数较小.旱地土壤中硝化作用强烈,残留在土壤中的无机氮主要以硝态氮的形式存在,极易在土壤中发生迁移,被淋溶到作物根区以下;磷易被土壤吸附固定,但在雨季地表营养物质会随地表径流和渗流而流失.

综上所述,在整个海河流域非点源污染源的构成上,农村生活源是海河流域的主要非点源污染源,其对流域污染物排放贡献率最大;在整个海河流域非点源污染源的空间分布上,河北省对海河流域农村非点源污染贡献最大.

3.2 海河流域各水系农村非点源污染诊断

海河流域共包括滦河、北三河、永定河、大清河、子牙河、漳卫河、黑龙港运东、徒骇马颊河和海河干流9大水系.由图1a可知,子牙河水系是海河流域内农村非点源排放COD总量最大的水系,其次是漳卫河水系、徒骇马颊河水系、大清河水系、滦河水系、黑龙港运东水系、永定河水系、北三河水系和海河干流,分别占流域排放总量的23.28%、17.73%、16.28%、13.87%、8.14%、6.75%、5. 71%、4.59%和3.65%.同时从图1也可看出,各水系TN、TP和NH3-N排放量分布情况和COD分布基本一致.

海河流域内除了海河干流单独流经天津市外,其他各水系均流经2个或者3个省市,从图1可知,子牙河水系农村污染源排放污染物最多,COD, TN, TP, NH3-N受纳分别占流域总量的23.28%, 24.51%, 24.54%, 24.55%,是海河流域污染排放量最大的水系.子牙河水系主要流经山西省和河北省,流经河北省的大部分区域处于平原地区,河北省各指标排放量均高于总排放量的90%,对子牙河污染贡献最大.从表6可知,河北省农村生活源排放污染物占该水系总量的比重最大,因此河北省农村生活源是该水系农村非点源污染排放最主要的来源.

图1 2008年海河流域各省市向九大水系排污情况Fig.1 Pollutants emission to the nine major river systems from the seven provinces in Haihe River Basin in 2008

3.3 海河流域非点源污染空间分布特征

海河流域内农村非点源污染(COD、TN、TP和NH3-N)排放总量、排放强度的最大值(maxE、maxEI)、最小值(minE、minEI)、平均值(µE、µEI)以及统计频率分布,根据均值和频率将海河流域各非点源污染源物排放划分为4个等级,其中排放量 I, II, III, IV级划分区间为[minE,1/2µE], [1/2µE,µE], [µE,2µE], [2µE,maxE],排放强度I, II, III, IV 级划分区间[minEI,1/5µEI], [1/5µEI, µEI],[ µEI, 2µEI] [2µEI,maxEI],海河流域 COD、TN、TP和NH3-N排放总量、排放强度分布如图2和图3所示.

从图2可以看出,海河流域各地市农村非点源污染排放总量在空间上呈现较强的区域性分布,说明海河流域农村非点源污染是一个区域性的问题.从总体来看,流域内西部和北部山区污染物排放均处于较低的等级,而平原区域污染物排放量均较大,处于较高的污染等级.

海河流域各排放单元排放强度跨度较大, COD, TN, TP, NH3-N排放强度范围分别为0.49～39.32, 0.71～48.88, 0.12～26.09, 0.42～28.73 t/km2.由图3可知,海河流域西部北部山区排放强度明显小于东部平原区,海河流域山地区域COD, TN, TP, NH3-N排放强度分别8.33, 10.61, 1.89, 6.40t/km2,而平原区域 4个指标排放强度分别为12.45, 15.57, 2.84, 9.34t/km2,均为山区排放强度的 1.5倍左右.大城市周边县市污染排放强度较大,其中河南省新乡市周边县市排污强度最高,新乡县COD, TN, TP, NH3-N分别高达39.3, 48.88, 8.68, 28.74t/km2.海河流域山区除了大同市、忻州市、张家口和承德市市区外,其周围县市排放强度处于Ⅱ级,其他区域均处于Ⅰ级区域.华北平原污染排放强度绝大部分处于第III和IV级,是海河流域农村非点源控制的主要区域,该区域中北京市和天津市虽然农业比重小,但是由于农业高度集约化等因素的影响,两市的非点源污染排放强度均处于第Ⅱ和 IV级.从各水系区域看,徒骇马颊河水系从起源到入海流经的区域都属于污染强度较高的区域,该水系COD, TP, NH3-N分别为14.59, 3.33, 10.90t/km2,均高于流域其他水系平均排放强度.因此徒骇马颊河水系为流域内污染最严重的水系,是流域内农村非点源污染控制最主要的水系.其次是漳卫河水系,该水系 TN排放强度为 18.35t/km2,为流域最高值,COD, TP, NH3-N 平均排放强度分别为 14.46, 3.27, 10.80t/km2.而滦河和永定河水系因大部分处于污染排放强度较低的山区,为流域内农村非点源污染最小的区域.

图2 2008年海河流域农村非点源排放总量分布Fig.2 The spatial distribution of rural NPS pollution emission in Haihe River Basin in 2008

图3 2008年海河流域农村非点源污染排放强度分布Fig.3 The spatial distribution of rural NPS emission intensity in Haihe River Basin in 2008

如图 4所示,除滦河水系外,各水系平原区农业非点源排放量均大于山区排放量.平原地区人口密度大、经济水平高,农村居民生活源排放高,加之该区域畜禽养殖密度高和农业相对发达,导致平原区农业非点源污染排放量大.海河干流、黑龙港运东和徒骇马颊河水系大部分流经平原区,所以其排放量均较大.滦河水系90%以上是山区,所以该水系山区 COD、TN、TP和NH3-N排放占总量的61.59%、60.29%、60.42%和60.51%.

4 结论

4.1 海河流域农村非点源污染排放总量大, COD, TN, TP, NH3-N 总量分别为 2435826, 3042079, 540568, 1798760t/a,NH3-N是海河流域农村非点源污染控制最主要的指标;居民生活源占流域农村非点源污染排放总量比重最大,是流域非点源污染控制最主要的对象.

4.2 河北省农村非点源污染排放最多, COD, TN, TP, NH3-N分别占流域总排放量的55.34%, 56.96%, 56.98%, 57.02%;子牙河水系污染物排放总量最大,而徒骇马颊河水系污染排放强度最大,是流域内农村非点源污染控制最主要的水系.

4.3 流域农村非点源污染排放强度呈现区域性分布,西部和北部山区COD, TN, TP, NH3-N排放强度分别8.33, 10.61, 1.89, 6.40t/km2,平原区域4个指标排放强度分别为 12.45, 15.57, 2.84, 9.34t/km2,均为山区排放强度的1.5倍左右.

图4 各水系3级区域污染物排放情况Fig.4 Pollutants discharge of NPS in each district

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Characteristics and spatial distribution of the rural non-point source pollution in Haihe River Basin.

QIU Bin, LI Ping-ping, ZHONG Chen-yu, CHEN Sheng*, SUN De-zhi (College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：564～570

The emission characteristics of COD, TN, TP and NH3-N in Haihe River Basin which were discharged from three main kinds of rural non-point sources (NPS) including rural sewage, livestock and fertilizer loss were evaluated using pollution emission coefficient based on the national and provincial statistics in 2008, and the emission intensities and spatial distribution were analyzed. Total COD, TN, TP and NH3-N emission were 2435826, 3042079, 540568, 1798760 t/a, and emission intensities were 11.10, 13.97, 2.98, 8.28 t/(km2·a), respectively. The maximum NPS emission was from Hebei Province among the seven provinces in Haihe River Basin, and the rural sewage became the largest and top-priority controlling pollution sources among three kinds of NPS. Ziya River System was the largest receiving water of NPS pollutants among the nine river systems in Haihe River Basin. Tuhaimajia River System suffered from the largest NPS emission intensity and became the most heavily polluted river system, which was mainly resulted from the rural sewage discharged from Shandong Province. Moreover, the NPS pollutants emissions and emissions intensity were significantly regional distribution, the mountainous area presented a low pollution level and the plain area presented a high pollution levels.

Haihe River Basin；non-point source (NPS)；spatial distribution

X32

A

1000-6923(2012)03-0564-07

2011-06-03

国家科技重大专项“水体污染控制与治理”资助(2008ZX07209－010)

* 责任作者, 副教授, hitchensheng@126.com

邱 斌(1988-),男,羌族,四川阿坝州人,北京林业大学硕士研究生,主要从事污水生物处理技术研究.发表论文2篇.