海洋是陆源污染物的最终受纳水体，排放入海的污染物对海洋环境, 尤其是近岸海域环境, 造成了严重影响。联合国环境署的报告显示，80%以上的海洋污染来自陆地，并且随着人口增长和地区发展仍在增多^[1]。陆源污染对海洋环境的威胁是一个全球性的环境问题，为控制陆源污染物对海洋环境的影响，多国政府和国际组织于1995年通过了“保护海洋环境免受陆源污染全球行动计划”(GPA)，中国参与其中并积极开展陆源污染治理工作。科学评估污染物入海通量是控制污染物排放的重要依据，对制定海洋环境保护政策具有重要意义。而滨海地区是陆源污染排放入海的主要区域，也是控制污染物入海通量的关键地区，因此对该区域污染物入海通量的估算显得尤为重要。

目前国内外计算污染物入海通量的方法可分为三大类：第一类基于入海河流的水质监测资料和流域水文资料，对某时段的污染物通量进行估算，富国对几种时段通量估算方法进行了比较分析^[2]；第二类为机理模型法，通过定量描述污染物的产生机制、产生过程等细节，全面考虑各种影响因素，对污染物通量进行预测，如SWAT(soil and water assessment tool)、AGNPS(agricultural nonpoint source)等，在国内外得到大量的研究和应用，是当前研究的热点^[3-4]；第三类从与污染源相关的统计资料出发，估算各污染源的污染负荷量，结合污染物的入海过程，对统计资料对应时段的污染物通量进行估算，如王红莉等^[5]建立了水污染负荷估算预测模型并在渤海湾进行应用，Yuan等^[6]立了基于统计数据的综合模型来评估沿海水域的点源污染和非点源污染，赵晨辰等^[7]利用统计资料计算了深圳湾流域总氮和总磷入海通量。

第一类方法要求具有较为丰富的水质监测资料，监测资料的获得需要长期投入人力物力，成本较高；并且由于点源污染和非点源污染对河流流量变化的响应不同，河流流量变化对污染物通量的影响很难准确描述出来，造成了计算上的误差。第二类方法虽然考虑的因素非常全面，但是需要的数据量大，并且用到的参数多，难以精确验证，实际应用存在困难。第三类方法的数据来源主要为统计资料，比较容易获取，尤其是属于点源污染的工业废水和城市生活污水排放量，通过查阅年鉴和有关部门的公报可以准确获取；但是对于非点源污染的计算还存在很多问题，研究者们对于非点源污染的界定、污染源的分类方法等还未达成一致^[8-9]，另外，污染物从产生到排放再到入海，受沿程污染物自身降解、取用水及沿程土壤和植物吸附等影响，污染量会有折减，污染量折减的估算方法也是难点。

由于当前中国入海河流水质连续观测系统不完善，很难获取涵盖不同水期的水质连续监测资料，同时机理模型法所需的数据和参数更加难以获取和确定，所以本文旨在基于前述第三类方法，建立一种普适的滨海地区污染物入海通量计算方法。主要数据来源于统计年鉴和公报，通过对污染来源分类方法和污染量折减估算方法进行适当简化，使污染物入海通量的计算结果能够较好地符合真实情况，并以天津市为例对本方法进行应用和分析，计算的污染物是总氮(TN)和总磷(TP)。

1   材料与方法

1.1   示例研究区域概况

天津市位于华北平原东北部，东临渤海湾，是环渤海地区的经济中心。天津市水系众多，永定新河、海河、独流减河、子牙新河、北排河等在此汇流入海，素有“九河下梢”、“河海要冲”之称。天津市一二三产业均较为发达，基本包含了滨海地区产污和排污的各种类型，因此以天津市为例计算滨海地区污染物入海通量具有代表性。

1.2   污染来源分类方法

通常按陆源污染物进入环境的方式将污染源分为点源和非点源两类。点源污染有固定的污染排放点，主要包括工业废水和生活污水，经排污管网收集处理后，汇入排污河流后入海。非点源污染没有固定的污染排放点，主要来源于农用土地径流和畜禽养殖，产生的污染物在降水和冲刷作用下，通过径流汇入纳污水体。

各地污水处理能力、管理水平以及畜禽养殖方式(集约或散养)不同，生活污染和畜禽养殖污染属于点源还是非点源难以一概而论^[9]。由于本方法旨在得到污染物入海通量，详细区分各类污染源的归属将使问题复杂化，因此本方法按照点源污染计算工业废水和生活污水污染物通量，按照非点源污染计算农用土地径流和畜禽养殖污染通量，污染源归属产生的问题用经验的污染系数解决。

1.3   数据的获取和处理

天津市污染物通量计算数据来源于2001-2015年的《天津市统计年鉴》^[10]。统计数据存在统计口径变化、部分年份和地区数据缺失等问题，所以在应用本方法之前，需要对统计数据进行整理，对于缺失数据，采用插值、类推或者采用等效的其他数据进行换算，以满足使用的要求。因未进行实测，计算所需参数均来自于文献。

1.4   污染物排放量计算方法

污染物排放量是计算污染物入海量的基础。工业废水、生活污水、农用土地径流和畜禽养殖的污染物排放量计算方法如表 1所示。

表  1  污染物排放量计算方法

Tab.  1  Calculation methods for pollutant load

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以天津市为例计算，表 1中所有加*号变量的数据来源于《天津统计年鉴》。工业废水和生活污水公式中的污染物浓度按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)^[11]中一级标准的B标准进行选取，总氮浓度取20 mg/L，总磷浓度取1.5 mg/L。生活污水公式中的污染系数α根据污水转化率和污水处理率进行取值。

农用土地径流污染选用模型结构简单、应用广泛、精度也相对较高的美国农业部土壤保护局(Soil Conservation Service)提出的地表降雨径流公式^[12-13]计算。弯曲系数CN根据公报资料中的土壤和植被类型选取^[14-15]，取值如表 2所示。地表降雨径流中的污染物平均浓度需要进行实测，由于缺乏实测资料，查阅文献中天津地区的数据^[16]，总氮浓度取4.0 mg/L，总磷浓度取0.5 mg/L。

表  2  各种土地利用类型CN值选取

Tab.  2  CN value for each soil utilization type

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畜禽养殖计算公式中的饲养周期和产污系数根据文献确定，猪的饲养周期为199 d，肉鸡的饲养周期为55 d，蛋鸡的饲养周期为365 d，鸭鹅的饲养周期为210 d，役用牛、肉牛、奶牛、羊的饲养周期均大于1 a，以365 d计^[17-18]。畜禽粪便总氮总磷产污系数见表 3。

表  3  畜禽粪便总氮总磷产污系数

Tab.  3  TN and TP producing coefficient of livestock

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畜禽养殖公式中的排放系数α根据污染物产生量和国家环境保护总局自然生态保护司编写的《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策(2002)》^[19]中天津地区畜禽粪便污染物排放量的比例进行选取，总氮的排放系数取0.1，总磷的排放系数取0.04。

1.5   污染物入河区域划分

由于统计数据对应于行政区域，为了求得污染物入河量，需要根据地理信息将污染物归入相应的河流中。天津市的流域信息来自于文献[20]中由Arc Hydro tools软件提取的天津流域边界，并将子流域合并为5个区域，得到天津市河流区域划分如图 1所示，图中数字为跨区域区县的污染物通量归入相应河流的比例(由分割面积确定)。

图  1  天津市污染物入海通量计算区域划分

Fig.  1  Regional division for calculation of pollutant load into sea from Tianjin

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1.6   污染物入海通量计算

污染物从排放到入海的过程中因自身降解或者沿程吸附等会有衰减，衰减程度可用入海系数来表示。污染物排放量乘以入海系数即为污染物入海量。不同地区入海系数不同，入海系数与入海距离、土壤性质和水文条件有关。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。天津市各区县总氮和总磷入海系数取值参考文献中的结果^[20]，入海系数取值见表 4。

表  4  天津市各区县总氮总磷入海系数

Tab.  4  TN and TP attenuation coefficients for each sub-region of Tianjin

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2   结果与讨论

2.1   天津市污染物通量计算结果检验

经过计算，得到了2000-2014年天津市各区县的工业污水、生活污水、农用土地径流和畜禽养殖的总氮和总磷的排放量和入海量。对比文献中2013年天津市各区县各种污染来源的总氮和总磷的排放量和入海量的评估结果^[20](图 2和图 3)可以看出，本方法的计算结果与文献中的结果较为一致，因此本方法的计算结果是可靠的，能够代表天津市各区县污染物通量实际值。

图  2  2013年天津市各区县总氮总磷排放量检验

Fig.  2  Validation of TN and TP load for sub-regions of Tianjin in 2013

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图  3  2013年天津市各区县总氮总磷入海量检验

Fig.  3  Validation of TN and TP load into sea for sub-regions of Tianjin in 2013

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2.2   天津市主要河流污染物入海通量

2000-2014年天津市主要河流污染物入海通量如图 4所示。可以看出：(1)永定新河的总氮和总磷入海通量年际变化剧烈，并且在2004年和2012年出现了两个峰值；(2)海河和独流减河的总氮和总磷入海通量变化范围也较大，同时入海通量呈现出逐渐上升趋势；(3)子牙新河和北排河的总氮和总磷入海通量变化范围较小，并且两条河流的变化规律相似。

图  4  2000-2014年天津市主要河流污染物入海通量

Fig.  4  Pollutant load into sea through main rivers of Tianjin from 2000 to 2014

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由总计数据可得，天津市年均总氮入海量为9 940.7 t，年均总磷入海量为663.4 t；2012年总氮和总磷入海量均达到最大值，分别为12 304.1 t和830.0 t；2000年总氮和总磷入海量均为最小值，分别为7 604.1 t和494.0 t。由于永定新河污染物入海通量相对较大，总入海污染物通量年际变化与永定新河入海污染物通量年际变化一致。

将各河流15 a污染物入海通量进行平均，每条河流污染物入海通量所占比例如图 5所示。可以看出，15 a平均的污染物入海通量中永定新河占比最大，总氮和总磷的贡献都超过了50%，这种影响也反映在图 4上，全部河流总和与永定新河的污染物入海通量变化曲线基本一致。其次，海河的污染物入海通量占比也在四分之一左右，永定新河和海河加起来的贡献超过了80%。而子牙新河和北排河的占比很小。

图  5  15 a平均每条河流污染物入海通量所占比例

Fig.  5  15-year-averaged proportion of pollutant load into sea for each river

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2.3   天津市不同来源污染物入海通量

2000-2014年天津市不同来源污染物入海通量如图 6所示。可以看出：(1)工业废水污染物入海通量在2005年出现较大峰值，其余年份变化相对平稳，同时，天津市工业总产值逐年增长，但污染物通量并未随之增长，这说明天津市对工业污染控制效果显著；(2)生活污水污染物入海通量逐渐增加，15 a间几乎翻了一番，与人口增长趋势一致，反映了天津市人口的增长对生活污水污染物入海通量的影响；(3)农用土地径流污染物入海通量起伏较大，农用土地径流污染物入海通量在2003-2004年、2008年和2012年出现3个峰值，但是整体上在一定的区间内波动，与降雨量进行比较可以发现，主要影响因素为降雨量；(4)畜禽养殖污染物入海通量在2000-2005年间逐渐增加，从2006年开始快速减少，从2008年开始停止减少、缓慢增加并趋于平稳，与大牲畜(猪、牛、羊)数量进行比较可以发现，主要影响因素为大牲畜数量。

图  6  2000-2014年天津市不同来源污染物入海通量

Fig.  6  Pollutant load into sea from different sources of Tianjin from 2000 to 2014

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2000-2014年天津市各类土地面积如图 7所示。由于天津市各类土地面积年际变化不大，因此可以判断，土地面积并非农用土地径流污染物通量年际变化的主要影响因素。

图  7  2000-2014年天津市各类土地面积

Fig.  7  Land acreage of each utilization of Tianjin from 2000 to 2014

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将各来源污染物入海通量进行15 a平均，每种来源污染物入海通量所占比例如图 8所示。可以看出，4种来源的总氮入海通量占比基本相同，生活污水总氮入海通量稍多，工业废水总氮入海通量稍少；总磷入海通量方面，农用土地径流和畜禽养殖占比较大，生活污水和工业废水占比较小。

图  8  15 a平均每种来源污染物入海通量所占比例

Fig.  8  15-year-averaged proportion of pollutant load into sea from each source

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2.4   各区县污染物入海通量结构分析

各区县15 a平均的不同来源污染物入海通量如表 5所示。

表  5  天津市各个区县不同来源污染物年均入海通量

Tab.  5  Annual-mean pollutant load into sea from different resources for each sub-region of Tianjin

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可以看出工业废水污染物入海通量主要来源于塘沽区，还有少部分来源于大港区、东丽区和西青区，其他区县则几乎没有。生活污水污染物入海通量也以塘沽区为最多，较多的还有河东区、河西区、南开区、大港区、津南区和东丽区。农用土地径流和畜禽养殖污染物入海通量主要来源于武清区、宝坻区、宁河县和蓟县，其他区县则几乎没有。从总体上来看，塘沽区、武清区、宝坻区、宁河县和蓟县的污染物入海通量较大，其他区县则相对较小。

武清区、宝坻区、宁河县和蓟县都位于永定新河流域，并且这些地区的污染来源主要是农用土地径流和畜禽养殖，因此应着重控制这些区县的农用土地径流污染和畜禽养殖污染。而塘沽区是沿海地区，又是天津市工业最发达的地区，污染来源主要是工业废水和生活污水，因此应着重控制塘沽区的工业废水污染和生活污水污染。

3   结论

(1) 本文所建立的污染物入海通量计算方法很好地应用于滨海地区的多年连续计算，随着年鉴和公报数据统计越来越完善，该方法可以得到很好的推广，对科学评估陆源影响下的近岸海域环境变化具有重要的实践意义。

(2) 天津市年均总氮入海量为9 940.7 t，年均总磷入海量为663.4 t；其中2012年总氮和总磷入海量均达到最大值，2000年总氮和总磷入海量均达到最小值。天津市入海河流中永定新河污染物入海通量占比大并且变化较大，在2004年和2012年出现两个峰值；海河和独流减河的污染物入海通量变化区间相对较大，并呈现逐渐上升趋势。

(3) 天津市工业废水污染物入海通量主要来源于塘沽区(现属滨海新区)；生活污水污染物入海通量主要来源于塘沽区、河东区、河西区等海河沿线区域；农用土地径流污染和畜禽养殖污染主要来源于武清区、宝坻区、宁河县等永定新河沿线区域。因此，应该着重控制滨海新区的工业废水污染、海河区域的生活污水污染、永定新河区域的农用土地径流污染和畜禽养殖污染。