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  • ISSN 1007-6336
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天津市近岸海域氮、磷入海总量核算初探

周滨 孙丽娜 王秋莲 李艳英 柴曼 邢美楠 郭美彤

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天津市近岸海域氮、磷入海总量核算初探

    作者简介: 周 滨(1982-),男,天津人,高工,博士,主要研究方向为海洋环境科学,E-mail:zhoubin19821214@163.com;
    通讯作者: 孙丽娜,高工,硕士,E-mail:sunlina2001@126.com
  • 基金项目: 中央海岛及海域保护资金项目(Z155060010002)
  • 中图分类号: X55

Preliminary study on accounting of nitrogen and phosphorus fluxes into the sea in Tianjin coastal area

  • 摘要: 污染物入海总量准确测算对于厘清污染源排放对近岸海域环境质量的影响具有重要意义。本研究聚焦天津市陆域和海域两个氮、磷入海通道,系统开展污染源调查和入海总量核算研究。针对陆域氮、磷入海量,研究建立一套基于入海系数的污染物入海通量计算方法,即以实测数据为基础,对土壤流失方程(USLE)模型进行了改进,并通过德尔菲法确定影响因子的权重系数,最终构建一套陆域氮、磷入海系数,在此基础上得到陆域氮、磷污染物入海量。通过与实测值进行分析比较,该方法具有较高的可信度。调查估算结果显示,“十三五”期间,天津市近岸海域总氮年均入海量为14490吨,总磷年均入海量为768吨,陆域氮、磷输入量占绝对优势。天津近岸海域氮、磷污染来源主要集中在永定新河、蓟运河、海河干流、独流减河,主要来自城镇居民和畜禽养殖等方面。
  • 图 1  天津市氮磷入海量核算流域划分

    Figure 1.  River basin division for calculation of pollutant load into the sea from Tianjin

    图 2  入海系数各影响因子的空间分布

    Figure 2.  The spatial distribution of influencing factors of the coefficients of pollution fluxes into the sea

    图 3  天津市入海河流氮、磷年均入海量

    Figure 3.  Pollutant load into the sea from Tianjin’s rivers

    图 4  天津市主要入海排污口氮、磷年均入海量

    Figure 4.  Pollutant load into the sea from Tianjin’s sewage outlets

    图 5  天津市各行业氮、磷入海量占比

    Figure 5.  The proportion of Pollutant load into the sea in various industries in Tianjin

    图 6  天津市各行政区氮、磷入海量

    Figure 6.  Pollutant load into the sea in various districts of Tianjin

    图 7  天津市各流域氮、磷入海量

    Figure 7.  Pollutant load into the sea in various river basins in Tianjin

    图 8  各流域氮、磷入海量估算结果与实测计算结果比较

    Figure 8.  Comparison of the estimated results and the measured results of pollutant load into the sea in each river basin

    表 1  实测法氮磷入海量计算方法

    Table 1.  Calculation of pollution flux into the sea based on monitoring data

    污染来源计算公式
    入海及入境河流 ${Load}_{ {\text{入海} }/{\text{入境} }{\text{河流} } }=K \cdot \displaystyle\sum\limits_{j=1}^{m}\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{12}\overline{ {C}_{i,j} } \cdot \overline{ {Q}_{i,j} }{\text{或} }{Load}_{ {\text{入海} }/{\text{入境} }{\text{河流} } }=K \cdot \displaystyle\sum\limits_{j = 1}^{m} \overline{ {C}_{j} } \cdot {Q}_{j}$
      式中:${Load}_{ {\text{入海} }/{\text{入境} }{\text{河流} } }$为入海/入境河流的主要污染物入海/入境量;K为与计量单位有关的换算系数;m为河流数量;$ \overline{{C}_{i,j}} $为第j条河流第i月的水质监测浓度;$ \overline{{Q}_{i,j}} $为第j条河流第i月的监测流量;$ \overline{{C}_{j}} $为第j条河流的年平均浓度;$ {Q}_{j} $为第j条河流的年径流量
    入海排污口 ${Load}_{\text{入海排污口} }=K\cdot\displaystyle\sum\limits_{j=1}^{m}\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{4}\overline{ {C}_{i,j} } \cdot \overline{ {Q}_{i,j} }{\text{或} }{Load}_{\text{入海排污口} }=K \cdot \displaystyle\sum\limits_{j = 1}^{m} \overline{ {C}_{j} } \cdot {Q}_{j}$
      式中:$ {Load}_{\text{入海排污口}} $为入海排污口的主要污染物入海量;K为与计量单位有关的换算系数;m为入海排污口数量;$ \overline{{C}_{i,j}} $为第j个排污口第i季度的水质监测浓度;$ \overline{{Q}_{i,j}} $为第j个排污口第i季度的排放量;$ \overline{{C}_{j}} $为第j个排污口的年平均浓度;$ {Q}_{j} $为第j个排污口的年排放量
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    表 2  估算法氮磷排放量计算方法

    Table 2.  Calculation of pollution fluxes into the sea based on estimation method

    污染来源计算公式
    工业 $ {D}_{\text{工业}}={D}_{\text{间排企业}}+{D}_{\text{直排企业}}=K\left(\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{m}\overline{{C}_{i}} \cdot {Q}_{i}+\displaystyle\sum\limits_{j=1}^{n}\overline{{C}_{j}} \cdot {Q}_{\mathrm{j}}\right) $
      式中:$ {D}_{\text{工业}} $为工业企业生产废水污染物排放量;$ {D}_{\text{间排企业}} $为生产废水排入污水处理厂的企业污染物排放量;$ {D}_{\text{直排企业}} $为生产废水直接排入水体的企业污染物排放量;K为与计量单位有关的换算系数;$ \overline {{C}_{i}} $为第i个间接排放工业企业的生产废水经集中式污水处理厂处理后的年平均出水浓度;$ {Q}_{i} $为第i个间接排放的工业企业生产废水年排放量;m为间接排放的企业数量;$ \overline {{C}_{j}} $为第j个直接排放的工业企业排入水体的生产废水年平均出水浓度;$ {Q}_{j} $为第j个直接排放的工业企业生产废水年排放量;n为直接排放的企业数量
    城镇居民生活 $ {D}_{\text{城镇}}={D}_{\text{城镇污水处理厂}}-{D}_{\text{间排企业}}+{D}_{\text{生活直排}} =$
    $ K\left[\displaystyle\sum\limits_{j=1}^{n}\overline{{C}_{j}} \cdot {Q}_{j}-\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{m}\overline{{C}_{j}} \cdot {Q}_{i}+(\displaystyle\sum\limits_{j = 1}^n {Q}_{j}-\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^m{Q}_{i}) \div 92.5\%\times (1-92.5\%)\times \overline{{C}_{\text{生活}}}\right] $
      式中:$ {D}_{\text{城镇}} $为城镇居民生活污染物排放量;$ {D}_{\text{城镇污水处理厂}} $为城镇污水处理厂污染物排放量;$ {D}_{\text{间排企业}} $为进入城镇污水处理厂的工业企业废水污染物排放量;$ {D}_{\text{生活直排}} $为未经处理直排水体的城镇生活污水污染物排放量;K为与计量单位有关的换算系数;$ \overline {{C}_{j}} $为第j个城镇污水处理厂的年平均出水浓度;$ {Q}_{j} $为第j个城镇污水处理厂的年排水量;n为城镇污水处理厂数量;$ {Q}_{i} $为第i个间接排放的工业企业生产废水年排放量;m为间接排放的企业数量;92.5%为城镇污水收集处理率(参考天津统计年鉴);$ \overline {{C}_{\text{生活}}} $为直排生活污水污染物平均浓度
    种植业 $ {D}_{\text{种植}}={M}_{\text{化肥}} \cdot {\delta }_{\text{化肥}} $
      式中:$ {D}_{\text{农业种植}} $为农业化肥氮、磷排放量;$ {M}_{\text{化肥}} $为折纯后的化肥施用量,包括氮肥、磷肥及复合肥施用量;$ {\delta }_{\text{化肥}} $为肥料流失系数,参照污染源普查农业污染源肥料流失系数手册
    畜禽养殖 $ {D}_{\text{畜禽}}=K \cdot {N}_{\text{畜禽}}[{E}_{\text{畜禽}} \cdot {\delta }_{\text{畜禽}}+({R}_{\text{畜禽}}-{E}_{\text{畜禽}}) \cdot {\eta }_{\text{还田}} \cdot {\delta }_{\text{还田}}] $
      式中:$ {D}_{\text{畜禽}} $为畜禽养殖污染物排放量;K为与计量单位有关的换算系数;$ {N}_{\text{畜禽}} $为畜禽养殖量,包括生猪、肉牛、肉鸡的出栏量以及奶牛、蛋鸡的存栏量;$ {E}_{\text{畜禽}} $为各类养殖畜禽的排污系数;$ {R}_{\text{畜禽}} $为各类养殖畜禽的产污系数;$ {\delta }_{\text{畜禽}} $为畜禽排污流失系数;$ {\eta }_{\text{还田}} $为粪便还田率;$ {\delta }_{\text{还田}} $为粪便还田流失系数。产、排污系数的取值参照污染源普查产排污系数手册
    淡水养殖 $ {D}_{\text{淡水}}=K \cdot {M}_{\text{淡水}} \cdot {E}_{\text{淡水}} $
      式中:$ {D}_{\text{淡水}} $为淡水养殖污染物排放量;K为与计量单位有关的换算系数;$ {M}_{\text{淡水}} $为养殖增产量,即养殖产量与投苗量的差值;$ {E}_{\text{淡水}} $为各类养殖品种的排污系数。排污系数取值参照污染源普查产排污系数手册
    农村居民生活 $ {D}_{\text{农村}}={P}_{\text{农村}} \cdot \left(1-{\eta }_{1}\dfrac{{n}_{1}}{N}-{\eta }_{2}\dfrac{{n}_{2}}{N}-{\eta }_{3}\dfrac{{n}_{3}}{N}\right) $
      式中:$ {D}_{\text{农村}} $为农村居民生活污水污染物排放量;$ {P}_{\text{农村}} $为农村居民生活污水污染物产生量;$ N $为行政村常住户数;$ {n}_{1} $$ {n}_{2} $$ {n}_{3} $分别为行政村居民生活污水排入户用污水处理设施的户数、行政村居民生活污水进入农村集中式生活污水处理设施的户数和行政村居民生活污水进入市政管网的户数;$ {\eta }_{1} $$ {\eta }_{2} $$ {\eta }_{3} $分别为农村户用污水处理设施污染物去除率、农村集中式生活污水处理设施污染物去除率和通过城镇市政管网排入城镇集中式污水处理设施的污染物平均去除率。$ {\eta }_{1} $$ {\eta }_{2} $$ {\eta }_{3} $取值参照污染源普查集中式污染治理设施系数手册
    海上船舶 $ {Load}_{\text{海上船舶}}=K\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n({T}_{i} \cdot \alpha \cdot {a}_{i} \cdot {B}_{i} \cdot {\beta }_{i}) $
      式中:$ {Load}_{\text{海上船舶}} $为海上船舶主要污染物的入海量;K为与计量单位有关的换算系数;n为船舶污水类型数量;$ {T}_{i} $为船舶某类型污水年产生总量;$ \alpha $为排放量修正系数;$ {a}_{i} $为执行$ i $类污水排放标准的排放占比;$ {B}_{i} $$ i $类污水排放量标准值;$ {\beta }_{i} $为排放浓度值修正系数
    海水养殖 $ {Load}_{\text{海水养殖}}=K \cdot {M}_{\text{海水}} \cdot {E}_{\text{海水}} $
      式中:$ {Load}_{\text{海水养殖}} $为海水养殖尾水中主要污染物的入海量;K为与计量单位有关的换算系数;$ {M}_{\text{海水}} $为养殖增产量,即养殖产量与投苗量的差值;$ {E}_{\text{海水}} $为各类养殖品种的排污系数。排污系数取值参照污染源普查产污系数手册
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    表 3  入海系数测算的影响因子

    Table 3.  Influencing factors for the calculation of the coefficients of pollution fluxes into the sea

    影响因子测算方法
    土壤可蚀性因子 土壤可蚀性因子K是评价土壤受侵蚀力破坏难易程度的指标,K的大小与土壤质地、土壤有机质含量有很高的相关性,K值的估算公式如下:
    $\begin{array}{l}K = 0.1317 \times \left\{ {0.2 + 0.3{\rm{exp}}\left[ { - 0.0256SAD\left( {1 - \dfrac{{SIL}}{{100}}} \right)} \right]} \right\} \times \\\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\left[ {\dfrac{{SIL}}{{CLA + SIL}}} \right]^{0.3}}\left\{ {1.0 - \dfrac{{0.25C}}{{C + {\rm{exp}}\left( {3.72 - 2.95C} \right)}}} \right\} \times \left\{ 1.0- \dfrac{{0.7(1 - SAD/100)}}{{\left( {1 - \dfrac{{SAD}}{{100}}} \right) + {\rm{exp}}\left( - 5.51 + 22.9\left(1 - \dfrac{{SAD}}{{100}}\right)\right)}}\right\} \end{array}$
      式中:K为土壤可蚀性因子,t·ha·h/(ha·MJ·mm);SAD为沙粒(2~0.2 mm)百分含量;SIL为粉粒(0.2~0.002 mm)百分含量;CLA为黏粒(<0.002 mm)百分含量;C为有机碳百分含量
    高程因子 高程指的是某点沿铅垂线方向到绝对基面的距离,称绝对高程,简称高程,是水土流失中主要的作用对象,本研究采用空间分辨率30 m的数字高程图DEM
    坡度因子 坡度是指地表的倾斜程度,是土壤侵蚀中地形地貌自然地理特征分析和土壤侵蚀可视化的最基本因子,也是水土流失中集水单元最主要的作用对象。坡度值的大小直接影响着地表物质流动与能量转换的强度与规模,是影响土壤侵蚀的最直接因素。本研究采用空间分辨率为30 m的数字高程图DEM,利用Arcgis进行坡度计算
    河道侵蚀模数 河道侵蚀系数为每个单元到河网的实际距离,由于河道侵蚀的机理在大多数情况下是非线性的,利用下式河道侵蚀衰减趋势权重对河道侵蚀模型进行了改进:
    $ F\left(x\right)=\dfrac{0.6}{{e}^{0.002x}-0.4} $
      式中:$ x $是每个单元到其最近河道的距离;$ F\left(x\right) $是河道侵蚀系数的值
    水土保持因子 水土保持因子P是采用专门措施后的土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值,范围为0~1。当P为0时,表示该区域水土保持措施良好,基本上不会发生侵蚀;当P为1时,表示未采取任何水土保持措施。保持措施一般分为耕种措施和工程性措施,常见的耕种措施有带状耕作和等高耕作,工程性措施包括修建梯田、建立排水措施、退耕还林等。P值在参考已有研究的基础上结合流域土地利用情况和水土保持措施确定,水域、建设用地取0;耕地取0.4;林地、裸地、草地取1
    植被覆盖因子 植被覆盖因子(C)是指一定条件下有植被覆盖或实施田间管理的土壤流失量与同等条件下休闲地上的土壤流失量之比,它反映的是所有有关植被覆盖和变化以及经营管理对土壤侵蚀的综合作用,其值大小取决于具体的作物覆盖、轮作顺序及管理措施的综合作用等,主要与植被覆盖和土地利用类型有关。本文植被覆盖因子C的确定主要是通过归一化植被指数(NDVI)的计算并进行标准化处理得到的,NDVI是通过landsat卫星数据在ENVI软件中获取的,归一化植被指数的计算公式如下:
    $ NDVI=\dfrac{NIR-R}{NIR+R} $
      式中:NDVI为归一化植被指数;NIR为近红外波段;R为红外波段
    降雨侵蚀因子 降雨侵蚀力因子F是单位内降雨侵蚀的指标。F值的大小与降雨量、降雨强度以及雨滴情况等均有关系,反映了降雨因子引起的土壤侵蚀的潜在能力。利用月降雨量推求F值的经验公式如下:
    $F = \displaystyle\sum \limits_{i = 1}^{12} 1.735 \times {10^{\left(1.5 \times {\rm{lg} }\tfrac{ { p_i^2} }{p} - 0.8188\right)} }$
      式中:F为降雨侵蚀力因子,MJ·mm/(ha·h·a);$ {p}_{i} $为月降雨量,mm;$ p $为年降雨量,mm
    距离因子 陆源污染物在降水和冲刷作用下,通过径流汇入受纳水体后入海。一般情况下,距离入海口越远的地区,污染物的衰减程度越大,入海系数越小。距离因子T反映了污染物的衰减程度
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    表 4  天津市各行政区氮、磷入海系数

    Table 4.  Coefficients of TN and TP pollution fluxes into the sea for different districts of Tianjin

    行政区总氮总磷行政区总氮总磷
    和平区 0.48 0.36 津南区 0.69 0.51
    河西区 0.51 0.39 西青区 0.44 0.29
    南开区 0.45 0.34 北辰区 0.44 0.33
    河东区 0.52 0.39 武清区 0.12 0.10
    河北区 0.49 0.37 宝坻区 0.24 0.21
    红桥区 0.45 0.34 静海区 0.42 0.32
    滨海新区 0.73 0.56 宁河区 0.55 0.41
    东丽区 0.64 0.48 蓟州区 0.06 0.05
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    表 5  天津市各流域氮、磷入海系数

    Table 5.  Coefficients of TN and TP pollution fluxes into the sea for different river basins of Tianjin

    流域总氮总磷流域总氮总磷
    付庄排干0.470.37荒地河0.80.62
    蓟运河0.250.23独流减河0.450.35
    永定新河0.290.26青静黄排水渠0.660.51
    东排明渠0.760.59子牙新河0.720.56
    海河干流0.340.23北排水河0.740.55
    大沽排水河0.670.53沧浪渠0.810.63
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-19
  • 录用日期:  2021-09-06
  • 刊出日期:  2021-12-20

天津市近岸海域氮、磷入海总量核算初探

    作者简介:周 滨(1982-),男,天津人,高工,博士,主要研究方向为海洋环境科学,E-mail:zhoubin19821214@163.com
    通讯作者: 孙丽娜,高工,硕士,E-mail:sunlina2001@126.com
  • 1. 天津市生态环境科学研究院,天津 300191
  • 2. 天津市生态环境监测中心,天津 300191
  • 3. 天津环科环境咨询有限公司,天津 300191
基金项目: 中央海岛及海域保护资金项目(Z155060010002)

摘要: 污染物入海总量准确测算对于厘清污染源排放对近岸海域环境质量的影响具有重要意义。本研究聚焦天津市陆域和海域两个氮、磷入海通道,系统开展污染源调查和入海总量核算研究。针对陆域氮、磷入海量,研究建立一套基于入海系数的污染物入海通量计算方法,即以实测数据为基础,对土壤流失方程(USLE)模型进行了改进,并通过德尔菲法确定影响因子的权重系数,最终构建一套陆域氮、磷入海系数,在此基础上得到陆域氮、磷污染物入海量。通过与实测值进行分析比较,该方法具有较高的可信度。调查估算结果显示,“十三五”期间,天津市近岸海域总氮年均入海量为14490吨,总磷年均入海量为768吨,陆域氮、磷输入量占绝对优势。天津近岸海域氮、磷污染来源主要集中在永定新河、蓟运河、海河干流、独流减河,主要来自城镇居民和畜禽养殖等方面。

English Abstract

  • 百川归海,地球上人类活动产生的污染物大部分最终进入海洋。随着经济快速发展,工业化、城镇生活化、农业化进程不断加快,陆源污染物排海总量居高不下,近岸海域生态环境质量问题明显[1-3]。天津地处太平洋西岸,华北平原东北部,海河流域下游,东临渤海,是海河五大支流——南运河、子牙河、大清河、永定河、北运河的汇合处和入海口,素有“九河下梢”“河海要冲”之称。天津市管理海域面积2146 km2,153 km长的岸线上分布着8条跨境河流和4条境内河流以及诸多入海排污口,陆源污染物通过河流和排污口最终汇入渤海[4-5]。入海污染物除陆上输入以外,海上船舶、海水养殖等活动也是近岸海域污染来源的一部分。“十三五”期间,天津近岸海域海水水质总体呈波动向好趋势,与渤海平均水平的差距在逐步减小,但依然处于渤海三省一市中的较差水平[6-8]。海洋环境污染已成为天津市经济社会发展的主要制约因素和短板。科学评估污染物入海总量是控制污染物排放的重要依据,把总量控制作为推动污染减排、改善海洋环境质量的重要手段,逐步实现海洋污染控制与生态治理改善协调并进,对解决海洋环境问题、实现海洋生态环境质量总体改善、促进经济和社会可持续发展具有十分重要的意义[9]

    目前,国内外入海污染物通量计算方法基本分为三大类:基于监测数据的断面实测法、基于统计数据分析的直接估算法和基于机理模型的间接估算法。周增荣[10]、杨永俊等[11]及张鹏等[12]基于实测法分别对九龙江—厦门湾、辽河口及湛江湾的污染物入海通量进行了估算与研究。许自舟等[13]和刘翰林等[14]基于统计数据分析对天津市氮、磷入海通量进行了估算与研究。张皓天等[15]和王晓利等[16]分别开展了SWAT和AnnAGNPS等机理模型的流域污染模拟应用。

    天津市近岸海域影响海水水质类别的污染物主要为无机氮,其次为活性磷酸盐[6-7]。入海污染源主要包括陆域污染源、海上污染源和大气沉降源。陆域污染源主要通过入海河流和入海排污口输入近岸海域,海域污染源主要包括海水养殖、海上船舶。考虑大气沉降源暂未纳入海洋环境管控对象,入海总量控制主要针对陆域污染源和海上污染源,因此,本文重点针对陆域和海上氮、磷入海污染源进行调查。本研究分别通过实测法和基于统计数据分析的估算法核算氮、磷入海量。在陆域氮、磷入海量核算时,通过“十三五”期间实测的入海河流断面及入海排污口水质、流量数据,计算天津市入海河流及入海排污口的氮、磷年均入海量;同时,依据第二次全国污染源普查数据及近年来天津市污染物减排实效,本文通过入海系数估算了“十三五”期间陆源年均氮、磷入海量,并进行氮、磷污染构成分析;通过实测与估算的陆源氮、磷入海量核算结果的比较,对估算结果进行检验。

    • 对天津市12 条入海河流进行基础信息调查,采集入海河流入海断面的水质及水量监测数据。由于天津市位于海河流域最下游,渤海湾底部,海河流域主要河流均从天津市入海[17],所以,天津近岸海域陆源污染包括境外输入和境内输入两部分。针对境外输入部分,对天津市主要入境河流进行基础信息调查,采集入境河流省界断面的水质及水量监测数据,入海河流和入境河流的水质采集数据均为每月1次,水量采集数据均为月平均流量或年径流量。

    • 对天津市主要入海排污口进行基础信息调查,采集入海直排口的水质监测数据及水量,水质采集数据为每季度1次,水量采集数据为年排放量。选取天津市登记备案的11个主要入海排污口。

    • 对天津市海水养殖进行基础信息调查,包括养殖品种、养殖方式、尾水水质及水量等,数据主要来源于第二次全国污染源普查。

    • 对天津市海上船舶进行基础信息调查,包括海上进港船舶数量、船舶类型、船员数量、船舶排放污水水质及水量等,数据主要来源于天津海事局相关部门近年来的统计数据。

    • 对天津市各行政区各行业的污染源产排污信息进行调查,采用2017年第二次全国污染源普查统计数据,行业分类包括工业、城镇居民生活、农业种植、畜禽养殖、淡水养殖和农村居民生活。

    • 在开展天津市入境、入海河流调查及入海排污口调查的基础上,利用实测的入境、入海河流断面及入海排污口的水质数据以及收集的河流断面及入海排污口的流量数据,核算天津市入境河流、入海河流和入海排污口的入海氮、磷总量,计算方法[18]表1所示。数据主要来源于2016-2019年天津市水务、生态环境等相关部门的水量、水质监测数据。

      污染来源计算公式
      入海及入境河流 ${Load}_{ {\text{入海} }/{\text{入境} }{\text{河流} } }=K \cdot \displaystyle\sum\limits_{j=1}^{m}\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{12}\overline{ {C}_{i,j} } \cdot \overline{ {Q}_{i,j} }{\text{或} }{Load}_{ {\text{入海} }/{\text{入境} }{\text{河流} } }=K \cdot \displaystyle\sum\limits_{j = 1}^{m} \overline{ {C}_{j} } \cdot {Q}_{j}$
        式中:${Load}_{ {\text{入海} }/{\text{入境} }{\text{河流} } }$为入海/入境河流的主要污染物入海/入境量;K为与计量单位有关的换算系数;m为河流数量;$ \overline{{C}_{i,j}} $为第j条河流第i月的水质监测浓度;$ \overline{{Q}_{i,j}} $为第j条河流第i月的监测流量;$ \overline{{C}_{j}} $为第j条河流的年平均浓度;$ {Q}_{j} $为第j条河流的年径流量
      入海排污口 ${Load}_{\text{入海排污口} }=K\cdot\displaystyle\sum\limits_{j=1}^{m}\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{4}\overline{ {C}_{i,j} } \cdot \overline{ {Q}_{i,j} }{\text{或} }{Load}_{\text{入海排污口} }=K \cdot \displaystyle\sum\limits_{j = 1}^{m} \overline{ {C}_{j} } \cdot {Q}_{j}$
        式中:$ {Load}_{\text{入海排污口}} $为入海排污口的主要污染物入海量;K为与计量单位有关的换算系数;m为入海排污口数量;$ \overline{{C}_{i,j}} $为第j个排污口第i季度的水质监测浓度;$ \overline{{Q}_{i,j}} $为第j个排污口第i季度的排放量;$ \overline{{C}_{j}} $为第j个排污口的年平均浓度;$ {Q}_{j} $为第j个排污口的年排放量

      表 1  实测法氮磷入海量计算方法

      Table 1.  Calculation of pollution flux into the sea based on monitoring data

    • 依据第二次全国污染源普查数据,估算出2017年天津市陆源污染物排放量,计算方法[13, 19-20]表2所示。

      污染来源计算公式
      工业 $ {D}_{\text{工业}}={D}_{\text{间排企业}}+{D}_{\text{直排企业}}=K\left(\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{m}\overline{{C}_{i}} \cdot {Q}_{i}+\displaystyle\sum\limits_{j=1}^{n}\overline{{C}_{j}} \cdot {Q}_{\mathrm{j}}\right) $
        式中:$ {D}_{\text{工业}} $为工业企业生产废水污染物排放量;$ {D}_{\text{间排企业}} $为生产废水排入污水处理厂的企业污染物排放量;$ {D}_{\text{直排企业}} $为生产废水直接排入水体的企业污染物排放量;K为与计量单位有关的换算系数;$ \overline {{C}_{i}} $为第i个间接排放工业企业的生产废水经集中式污水处理厂处理后的年平均出水浓度;$ {Q}_{i} $为第i个间接排放的工业企业生产废水年排放量;m为间接排放的企业数量;$ \overline {{C}_{j}} $为第j个直接排放的工业企业排入水体的生产废水年平均出水浓度;$ {Q}_{j} $为第j个直接排放的工业企业生产废水年排放量;n为直接排放的企业数量
      城镇居民生活 $ {D}_{\text{城镇}}={D}_{\text{城镇污水处理厂}}-{D}_{\text{间排企业}}+{D}_{\text{生活直排}} =$
      $ K\left[\displaystyle\sum\limits_{j=1}^{n}\overline{{C}_{j}} \cdot {Q}_{j}-\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{m}\overline{{C}_{j}} \cdot {Q}_{i}+(\displaystyle\sum\limits_{j = 1}^n {Q}_{j}-\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^m{Q}_{i}) \div 92.5\%\times (1-92.5\%)\times \overline{{C}_{\text{生活}}}\right] $
        式中:$ {D}_{\text{城镇}} $为城镇居民生活污染物排放量;$ {D}_{\text{城镇污水处理厂}} $为城镇污水处理厂污染物排放量;$ {D}_{\text{间排企业}} $为进入城镇污水处理厂的工业企业废水污染物排放量;$ {D}_{\text{生活直排}} $为未经处理直排水体的城镇生活污水污染物排放量;K为与计量单位有关的换算系数;$ \overline {{C}_{j}} $为第j个城镇污水处理厂的年平均出水浓度;$ {Q}_{j} $为第j个城镇污水处理厂的年排水量;n为城镇污水处理厂数量;$ {Q}_{i} $为第i个间接排放的工业企业生产废水年排放量;m为间接排放的企业数量;92.5%为城镇污水收集处理率(参考天津统计年鉴);$ \overline {{C}_{\text{生活}}} $为直排生活污水污染物平均浓度
      种植业 $ {D}_{\text{种植}}={M}_{\text{化肥}} \cdot {\delta }_{\text{化肥}} $
        式中:$ {D}_{\text{农业种植}} $为农业化肥氮、磷排放量;$ {M}_{\text{化肥}} $为折纯后的化肥施用量,包括氮肥、磷肥及复合肥施用量;$ {\delta }_{\text{化肥}} $为肥料流失系数,参照污染源普查农业污染源肥料流失系数手册
      畜禽养殖 $ {D}_{\text{畜禽}}=K \cdot {N}_{\text{畜禽}}[{E}_{\text{畜禽}} \cdot {\delta }_{\text{畜禽}}+({R}_{\text{畜禽}}-{E}_{\text{畜禽}}) \cdot {\eta }_{\text{还田}} \cdot {\delta }_{\text{还田}}] $
        式中:$ {D}_{\text{畜禽}} $为畜禽养殖污染物排放量;K为与计量单位有关的换算系数;$ {N}_{\text{畜禽}} $为畜禽养殖量,包括生猪、肉牛、肉鸡的出栏量以及奶牛、蛋鸡的存栏量;$ {E}_{\text{畜禽}} $为各类养殖畜禽的排污系数;$ {R}_{\text{畜禽}} $为各类养殖畜禽的产污系数;$ {\delta }_{\text{畜禽}} $为畜禽排污流失系数;$ {\eta }_{\text{还田}} $为粪便还田率;$ {\delta }_{\text{还田}} $为粪便还田流失系数。产、排污系数的取值参照污染源普查产排污系数手册
      淡水养殖 $ {D}_{\text{淡水}}=K \cdot {M}_{\text{淡水}} \cdot {E}_{\text{淡水}} $
        式中:$ {D}_{\text{淡水}} $为淡水养殖污染物排放量;K为与计量单位有关的换算系数;$ {M}_{\text{淡水}} $为养殖增产量,即养殖产量与投苗量的差值;$ {E}_{\text{淡水}} $为各类养殖品种的排污系数。排污系数取值参照污染源普查产排污系数手册
      农村居民生活 $ {D}_{\text{农村}}={P}_{\text{农村}} \cdot \left(1-{\eta }_{1}\dfrac{{n}_{1}}{N}-{\eta }_{2}\dfrac{{n}_{2}}{N}-{\eta }_{3}\dfrac{{n}_{3}}{N}\right) $
        式中:$ {D}_{\text{农村}} $为农村居民生活污水污染物排放量;$ {P}_{\text{农村}} $为农村居民生活污水污染物产生量;$ N $为行政村常住户数;$ {n}_{1} $$ {n}_{2} $$ {n}_{3} $分别为行政村居民生活污水排入户用污水处理设施的户数、行政村居民生活污水进入农村集中式生活污水处理设施的户数和行政村居民生活污水进入市政管网的户数;$ {\eta }_{1} $$ {\eta }_{2} $$ {\eta }_{3} $分别为农村户用污水处理设施污染物去除率、农村集中式生活污水处理设施污染物去除率和通过城镇市政管网排入城镇集中式污水处理设施的污染物平均去除率。$ {\eta }_{1} $$ {\eta }_{2} $$ {\eta }_{3} $取值参照污染源普查集中式污染治理设施系数手册
      海上船舶 $ {Load}_{\text{海上船舶}}=K\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n({T}_{i} \cdot \alpha \cdot {a}_{i} \cdot {B}_{i} \cdot {\beta }_{i}) $
        式中:$ {Load}_{\text{海上船舶}} $为海上船舶主要污染物的入海量;K为与计量单位有关的换算系数;n为船舶污水类型数量;$ {T}_{i} $为船舶某类型污水年产生总量;$ \alpha $为排放量修正系数;$ {a}_{i} $为执行$ i $类污水排放标准的排放占比;$ {B}_{i} $$ i $类污水排放量标准值;$ {\beta }_{i} $为排放浓度值修正系数
      海水养殖 $ {Load}_{\text{海水养殖}}=K \cdot {M}_{\text{海水}} \cdot {E}_{\text{海水}} $
        式中:$ {Load}_{\text{海水养殖}} $为海水养殖尾水中主要污染物的入海量;K为与计量单位有关的换算系数;$ {M}_{\text{海水}} $为养殖增产量,即养殖产量与投苗量的差值;$ {E}_{\text{海水}} $为各类养殖品种的排污系数。排污系数取值参照污染源普查产污系数手册

      表 2  估算法氮磷排放量计算方法

      Table 2.  Calculation of pollution fluxes into the sea based on estimation method

      以2017年陆源污染物排放量为基数,根据近年来天津市水污染总量减排目标完成情况,分别估算出2016年、2018年及2019年的排放量,进而估算出“十三五”期间陆源污染物年均排放量。

      统计数据对应于各行政区,为求得入海河流的氮、磷入海量,以ArcGis为工具,结合DEM数据划分天津市范围内河流的汇水网格,再按照天津市12条入海河流划分子流域,并结合天津市“一河一策”流域划分进行修正,从而将天津市由北向南划分为12个流域,如图1所示。

      图  1  天津市氮磷入海量核算流域划分

      Figure 1.  River basin division for calculation of pollutant load into the sea from Tianjin

      陆源氮、磷污染物向河口、海湾输移过程中,会有一部分通过硝化或反硝化作用、物理化学沉降等作用损失或滞留于汇水系统中。一般离海岸越远,污染物的这种衰减程度越大,用入海系数来表示污染物的衰减程度。污染物排放量乘以入海系数,即得入海量。

      本研究认为陆源氮、磷污染物是通过土壤侵蚀形成地表径流汇入河流,再随河流传输至海。由此对土壤流失方程(USLE)模型进行了改进,并通过德尔菲法确定影响因子的权重系数,最终得到流域内污染物入海系数函数关系:

      λ=T·(0.17K+0.14D+0.11S+0.22R+0.11P+0.08C+0.17F)

      式中:λ为入海系数;T为距离因子;K为土壤可蚀性因子;D为高程因子;S为坡度因子;R为河道侵蚀系数;P为水土保持因子;C为植被覆盖因子;F为降雨侵蚀力因子。以上各影响因子及其测算方法[21-23]表3所示,测算结果见图2

      影响因子测算方法
      土壤可蚀性因子 土壤可蚀性因子K是评价土壤受侵蚀力破坏难易程度的指标,K的大小与土壤质地、土壤有机质含量有很高的相关性,K值的估算公式如下:
      $\begin{array}{l}K = 0.1317 \times \left\{ {0.2 + 0.3{\rm{exp}}\left[ { - 0.0256SAD\left( {1 - \dfrac{{SIL}}{{100}}} \right)} \right]} \right\} \times \\\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\left[ {\dfrac{{SIL}}{{CLA + SIL}}} \right]^{0.3}}\left\{ {1.0 - \dfrac{{0.25C}}{{C + {\rm{exp}}\left( {3.72 - 2.95C} \right)}}} \right\} \times \left\{ 1.0- \dfrac{{0.7(1 - SAD/100)}}{{\left( {1 - \dfrac{{SAD}}{{100}}} \right) + {\rm{exp}}\left( - 5.51 + 22.9\left(1 - \dfrac{{SAD}}{{100}}\right)\right)}}\right\} \end{array}$
        式中:K为土壤可蚀性因子,t·ha·h/(ha·MJ·mm);SAD为沙粒(2~0.2 mm)百分含量;SIL为粉粒(0.2~0.002 mm)百分含量;CLA为黏粒(<0.002 mm)百分含量;C为有机碳百分含量
      高程因子 高程指的是某点沿铅垂线方向到绝对基面的距离,称绝对高程,简称高程,是水土流失中主要的作用对象,本研究采用空间分辨率30 m的数字高程图DEM
      坡度因子 坡度是指地表的倾斜程度,是土壤侵蚀中地形地貌自然地理特征分析和土壤侵蚀可视化的最基本因子,也是水土流失中集水单元最主要的作用对象。坡度值的大小直接影响着地表物质流动与能量转换的强度与规模,是影响土壤侵蚀的最直接因素。本研究采用空间分辨率为30 m的数字高程图DEM,利用Arcgis进行坡度计算
      河道侵蚀模数 河道侵蚀系数为每个单元到河网的实际距离,由于河道侵蚀的机理在大多数情况下是非线性的,利用下式河道侵蚀衰减趋势权重对河道侵蚀模型进行了改进:
      $ F\left(x\right)=\dfrac{0.6}{{e}^{0.002x}-0.4} $
        式中:$ x $是每个单元到其最近河道的距离;$ F\left(x\right) $是河道侵蚀系数的值
      水土保持因子 水土保持因子P是采用专门措施后的土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值,范围为0~1。当P为0时,表示该区域水土保持措施良好,基本上不会发生侵蚀;当P为1时,表示未采取任何水土保持措施。保持措施一般分为耕种措施和工程性措施,常见的耕种措施有带状耕作和等高耕作,工程性措施包括修建梯田、建立排水措施、退耕还林等。P值在参考已有研究的基础上结合流域土地利用情况和水土保持措施确定,水域、建设用地取0;耕地取0.4;林地、裸地、草地取1
      植被覆盖因子 植被覆盖因子(C)是指一定条件下有植被覆盖或实施田间管理的土壤流失量与同等条件下休闲地上的土壤流失量之比,它反映的是所有有关植被覆盖和变化以及经营管理对土壤侵蚀的综合作用,其值大小取决于具体的作物覆盖、轮作顺序及管理措施的综合作用等,主要与植被覆盖和土地利用类型有关。本文植被覆盖因子C的确定主要是通过归一化植被指数(NDVI)的计算并进行标准化处理得到的,NDVI是通过landsat卫星数据在ENVI软件中获取的,归一化植被指数的计算公式如下:
      $ NDVI=\dfrac{NIR-R}{NIR+R} $
        式中:NDVI为归一化植被指数;NIR为近红外波段;R为红外波段
      降雨侵蚀因子 降雨侵蚀力因子F是单位内降雨侵蚀的指标。F值的大小与降雨量、降雨强度以及雨滴情况等均有关系,反映了降雨因子引起的土壤侵蚀的潜在能力。利用月降雨量推求F值的经验公式如下:
      $F = \displaystyle\sum \limits_{i = 1}^{12} 1.735 \times {10^{\left(1.5 \times {\rm{lg} }\tfrac{ { p_i^2} }{p} - 0.8188\right)} }$
        式中:F为降雨侵蚀力因子,MJ·mm/(ha·h·a);$ {p}_{i} $为月降雨量,mm;$ p $为年降雨量,mm
      距离因子 陆源污染物在降水和冲刷作用下,通过径流汇入受纳水体后入海。一般情况下,距离入海口越远的地区,污染物的衰减程度越大,入海系数越小。距离因子T反映了污染物的衰减程度

      表 3  入海系数测算的影响因子

      Table 3.  Influencing factors for the calculation of the coefficients of pollution fluxes into the sea

      图  2  入海系数各影响因子的空间分布

      Figure 2.  The spatial distribution of influencing factors of the coefficients of pollution fluxes into the sea

      由于各影响因子的量纲不同、数据性质各异,无论是影响因子的计量单位还是分级,都没有可比性。区分不同影响因子的等级,实现量化的统计表示,具体公式如下。

      效益性因子(数值越大越好的因子)标准化方法见下式:

      成本性因子(数值越小越好的因子)标准化方法见下式:

      式中:$ Y $为标准化后影响因子的值;$ X $为标准化前影响因子的值;$ {X}_{\mathrm{max}} $为该影响因子的最大值;$ {X}_{\mathrm{min}} $为该影响因子的最小值。

      通过入海系数函数关系式将各个因子相乘,得出天津市入海系数分布情况,氮、磷入海系数见表4表5

      行政区总氮总磷行政区总氮总磷
      和平区 0.48 0.36 津南区 0.69 0.51
      河西区 0.51 0.39 西青区 0.44 0.29
      南开区 0.45 0.34 北辰区 0.44 0.33
      河东区 0.52 0.39 武清区 0.12 0.10
      河北区 0.49 0.37 宝坻区 0.24 0.21
      红桥区 0.45 0.34 静海区 0.42 0.32
      滨海新区 0.73 0.56 宁河区 0.55 0.41
      东丽区 0.64 0.48 蓟州区 0.06 0.05

      表 4  天津市各行政区氮、磷入海系数

      Table 4.  Coefficients of TN and TP pollution fluxes into the sea for different districts of Tianjin

      流域总氮总磷流域总氮总磷
      付庄排干0.470.37荒地河0.80.62
      蓟运河0.250.23独流减河0.450.35
      永定新河0.290.26青静黄排水渠0.660.51
      东排明渠0.760.59子牙新河0.720.56
      海河干流0.340.23北排水河0.740.55
      大沽排水河0.670.53沧浪渠0.810.63

      表 5  天津市各流域氮、磷入海系数

      Table 5.  Coefficients of TN and TP pollution fluxes into the sea for different river basins of Tianjin

    • 天津市12条入海河流的总氮年均入海量为13994吨,主要来源于永定新河、蓟运河、海河干流、独流减河及大沽排水河,入海河流氮、磷入海量如图3所示。

      图  3  天津市入海河流氮、磷年均入海量

      Figure 3.  Pollutant load into the sea from Tianjin’s rivers

      调查的天津市11个主要入海排污口中,有两个是冷却排水口排放的冷却循环水,无氮、磷污染,因此,氮、磷入海量核算仅针对其余9个主要入海排污口。天津市入海排污口总氮及总磷年均入海量分别为481吨和22吨,各主要入海排污口氮、磷入海量如图4所示。

      图  4  天津市主要入海排污口氮、磷年均入海量

      Figure 4.  Pollutant load into the sea from Tianjin’s sewage outlets

      将入海河流与主要入海排污口的氮、磷入海量相加,即实测陆源总氮年均入海量为14475吨,其中,入海河流输入占比为96.7%,入海排污口输入占比为3.3%;实测陆源总磷年均入海量为765吨,其中,入海河流输入占比为97.1%,入海排污口输入占比为2.9%。

    • 经估算,天津市陆源总氮入海量为16390吨,其中,天津市境内自产和入境到天津的总氮入海量占比分别为69.4%和30.6%;总磷入海量为906吨,其中,天津市境内自产和入境到天津的总磷入海量占比分别为75.4%和24.6%。相关研究[13]的估算结果为:2013年天津市陆源总氮入海量为18553吨,境内自产和入境占比分别为54.6%和45.4%;总磷入海量为874吨,境内自产和入境占比分别为68.6%和31.4%。考虑到不同的数据来源和时间因素,本研究与其他相关研究的估算结果具备一定的一致性。

      从行业来看,入海总氮主要来自城镇居民生活,其次是畜禽养殖;入海总磷主要来自畜禽养殖,其次是城镇居民生活。各行业氮、磷入海量占比如图5所示。

      图  5  天津市各行业氮、磷入海量占比

      Figure 5.  The proportion of Pollutant load into the sea in various industries in Tianjin

      从行政区来看,总氮入海量最高的为滨海新区,其他各区差距相对较小;总磷入海量最高的前四位依次为宁河区、滨海新区、宝坻区和静海区。各行政区氮、磷入海量及构成如图6所示。

      图  6  天津市各行政区氮、磷入海量

      Figure 6.  Pollutant load into the sea in various districts of Tianjin

      从流域来看,总氮入海量较高的是永定新河和海河干流流域;总磷入海量较高的是永定新河和蓟运河流域。各流域氮、磷入海量及构成如图7所示。

      图  7  天津市各流域氮、磷入海量

      Figure 7.  Pollutant load into the sea in various river basins in Tianjin

    • 估算陆源总氮入海量16390吨,与实测总氮入海量14475吨相比较,误差率为13.2%。估算陆源总磷入海量为906吨,与实测总磷入海量765吨相比较,误差率为18.5%。各流域氮、磷入海量估算和实测数据计算结果比较如图8所示。

      图  8  各流域氮、磷入海量估算结果与实测计算结果比较

      Figure 8.  Comparison of the estimated results and the measured results of pollutant load into the sea in each river basin

    • 天津市海水养殖主要养殖品种为石斑鱼、南美白对虾(海)等,海上船舶水污染物排海通量以船舶生活污水的产生与排放量进行核算,两者氮、磷入海量总和为海域氮、磷入海量。经核算,天津市海域总氮入海量为14.63吨,总磷入海量为3.42吨。

    • 天津市近岸海域氮、磷入海量包括陆域输入量和海域输入量。总氮入海量为14490吨,陆源和海域入海量占比分别为99.9%和0.1%;总磷入海量为768吨,陆源和海域入海量占比分别为99.6%和0.4%。

    • (1)氮、磷入海量的实测计算结果和估算结果比较表明,本文建立的氮、磷入海总量估算方法具备一定的可靠性。

      (2)“十三五”期间,天津市近岸海域总氮年均入海量为14490吨,总磷年均入海量为768吨,包括陆域输入量和海域输入量两部分,其中,陆域入海量占绝对优势。

      (3)从行业看,天津市入海氮、磷主要来自城镇居民生活和畜禽养殖;从行政区看,氮、磷入海量较高的为滨海新区和宁河区;从流域看,永定新河、蓟运河、海河干流、独流减河流域的氮、磷入海量较大。

参考文献 (23)

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