宁夏引黄灌区水体污染现状和成因分析及对策

宁夏引黄灌区水体污染现状和成因分析及对策_责任与使命——宁夏博士研究成果集萃

宁夏引黄灌区水体污染现状和成因分析及对策

张学军

宁夏农林科学院农业资源与环境研究所

摘　要:本文借鉴近几年统计资料，对宁夏引黄灌区黄河、浅层地下水、主要排水沟污染状况进行分析，结果表明:黄河宁夏段的水体污染物的污染指数呈现下降趋势。总体看来，近年黄河宁夏段水体呈现好转趋势；灌区排水沟水质为劣Ⅴ类重度污染水质，主要污染物NH₃⁺-N、CODCr和BOD5呈现上升趋势；灌区浅层地下水已受到不同程度的污染，主要超标项目是氨氮、硝酸盐氮、氟化物、锰等，局部地区挥发酚和重金属也略有超标。系统阐述分析宁夏引黄灌区水体污染原因，化肥与规模养殖是宁夏引黄灌区水体全氮和全磷的主要污染源，N的主要污染源是化肥，在污染负荷中占到2/3左右，养殖业对N的贡献份额在15%～20%。COD的主要污染源是养殖业。工业废水和城市生活污水对水体质量仍然具有重要影响，农村生活对灌区水体的污染效应尚未突显。并提出相关措施与对策。

关键词:引黄灌区　水体污染　成因分析　对策

宁夏引黄灌区享引黄灌溉之利，水土光热资源充足，农业发达，素有“塞上江南”之称誉，灌溉历史悠久，是全国四大古老灌区之一，区内灌排渠系十分丰富，纵横交错，土地面积6573km²，灌溉面积41.7hm²；也是西北地区重要的商品粮基地，据统计资料分析，宁夏引黄灌区粮食总产量由1949年的1.6亿公斤增加到1999年的21.5亿公斤，增长了13倍，以占全区1/4的土地生产出全区3/4的粮食，灌区的农业产值占全区农业总产值的87%。2002～2007年，农作物播种面积处于缓慢增长趋势，年均增长3%，稻谷年均增长7%。养殖业也是宁夏引黄灌区近年发展较快的农业部门，大中型养殖场几乎全部集中在该区域。2002年，畜禽（大牲畜、猪、羊、家禽）存栏数1733.9万头（只）；2007年，畜禽存栏数为1631万头（只）；2002～2007年，大家畜存栏年均增长10%，羊存栏年均增长4%，猪和家禽存栏2003和2004年有所降低，2007年又有所回升。2007年，大家畜存栏占全区48%，猪存栏占全区的72%，羊存栏占全区的56%，家禽占全区的79%。

近半个世纪以来，引黄灌区农业发展无疑极大地促进了宁夏农业的发展，但是据资料显示:40年来宁夏灌区段黄河水质的黄河水无机氮（N、NO₂-N和NO₃-N）含量呈上升趋势（于涛，2004）。“十五”期间，宁夏黄河出境断面的水质呈常年Ⅳ类中度污染水质，境内沿程污染逐渐增加。宁夏河套灌区定点干沟监测结果表明水质均劣于Ⅴ类，主要污染物为化学需氧量、生化需氧量和氨氮，排入量已超过水体所能承受的环境容量（2008年环境公报）。因此，要改善宁夏境内的黄河水质，首先要弄清楚宁夏灌区水体污染现状及成因的问题。本文借鉴近几年来灌区农业和环境部门提供资料，系统分析了宁夏引黄灌区水体污染现状与成因并提出相应对策，为相关决策部门和从事这方面研究技术人员提供参考。

1　灌区水体污染现状

1.1　黄河水体污染

黄河在宁夏境内397km，目前国家分配给宁夏黄河水量为40m³/年，其中，农业用水量占全区用水量的90%～95%。宁夏引黄灌区现有西干渠、唐徕渠、汉延渠、惠农渠、秦渠、汉渠等17条干渠从黄河取水，年引水量约34亿m³；卫宁灌区115万亩（含南山台子扬水），主要涉及宁夏中北部中卫和中宁2县（市），主要灌溉渠系为跃进渠、七星渠、美利渠、北干渠、羚羊寿渠等干渠，年引水量约8.8亿m³；扬黄灌区分为陶乐灌区、盐池灌区、红寺堡灌区、固海灌区和南山台子灌区，主要涉及平罗县河东地区、盐池县、红寺堡开发区、同心县、中宁县、中卫及海原县和原州区，年引水量约12.2亿m³。因此，没有黄河就没有宁夏黄灌区，但随着工业化、城镇化建设进程加速，人口增加，化肥农药用量、畜牧养殖等排放废弃物量的持续增加，农业污染对黄河水体的影响越来越严重。

宁夏引黄黄灌区农业污染中，水体污染是重要污染。黄河宁夏段水质受农田退水、工业废水和生活污水的影响较大，境内沿程断面水质污染逐渐加剧。“十五”期间，宁夏黄河出境断面的水质呈常年Ⅳ类中度污染水质（见表1），境内沿程污染逐渐增加，主要污染物是挥发酚、NH₃-N、CODMn和BOD5 （宁夏环境公报，2007年）^[1]。

表1　宁夏2000～2007年黄河宁夏段监测断面水质变化

注: （宁夏环境公报，2007年）

在“十五”期间，黄河宁夏段水体污染指标CODMn值在4～4.5mg/L之间，2002年处于最高值，之前呈上升趋势，之后呈下降趋势，2006年升至4.5mg/L左右，2007年降低至3.52mg/L。2000～2007年，CODMn呈现下降趋势（见图1）。BOD5的变化趋势与CODMn相似，指标值低于CODMn。NH₃-N处于1mg/L上下波动，下降趋势比较明显。黄河宁夏段的水体污染物的污染指数呈现下降趋势，总体看来，近年黄河宁夏段水体呈现好转趋势（见图2）。

图1　2000～2007年黄河宁夏段主要污染指标的年度变化

图2　2001～2007年黄河宁夏段平均污染指数年度变化

1.2　各排水沟污染

在黄河宁夏段自流灌区内部，有大小排水沟近200条，主要排水干沟32条、电排站170多座、机井5000多眼，排水总量约25亿m³，形成了沟、井、站相结合的排水系统污染最为严重的是银新沟、四二干沟、第三排水沟、东排水沟、清水沟、中卫第四排水沟、中干沟、金南干沟。

宁夏引黄灌区各排水沟主要是用于农田排水或降低浅层地下水位，但近些年许多排水沟同时变成了排污沟，接纳了大量城市、工厂废污水和农田退水，而且纳污量呈增长趋势，污染物的种类和浓度也呈增加趋势，污染物排入量超过水体自净能力，灌区排水沟水质为劣Ⅴ类重度污染水质，主要污染物NH₃⁺-N、CODCr和BOD5呈现上升趋势。

2006年，各排水沟水质为劣Ⅴ类重度污染水质，断面超标率100%，主要污染物CODCr、BOD5和N，呈现有机污染类型，严重威胁到黄河宁夏段水质。从2006年宁夏引黄灌区排水沟水质监测主要指标来看（见表2），CODCr浓度在银新干沟、吴忠清水沟和吴忠南干沟在700mg/L以上，四二干沟较低；N浓度四二干沟和吴忠南干沟较高，灵武东沟较低。每个排水沟的单项污染指标排序多在第一、二位，污染分担率也是比较靠前，同时具有较高的超标率（宁夏环境公报，2007年）。^[1]

表2　2006年宁夏引黄灌区排水沟水质监测主要指标情况

注: （宁夏环境公报，2007年）

表3　2007年宁夏引黄灌区排水沟水质监测主要指标情况

注:括号中数字代表在所有检测指标中的排序位置。

2007年的排水沟水质监测指标的结果基本相似与上一年。2007年，各排水沟均为劣Ⅴ类轻度污染水质，断面超标率100%，主要污染物CODCr、BOD5和N，与上年相比没有明显变化，污染十分严重（见表3） （宁夏环境公报，2008年）。^[2]

1.3　浅层地下水污染

宁夏引黄灌区浅层地下水埋深的深度浅，矿化度高。浅层地下水埋深与矿化度随灌溉变幅较大。曹学明等对宁夏灌区银川、石嘴山、吴忠和固海扩灌区4个地区地下水资源水质进行了监测评价表明:100个浅层地下水监测点仅有2%符合地下水Ⅲ类标准，98%的地下水不能直接饮用（曹学明，2004年）^[3]；根据2006年引黄灌区浅层地下水污染项目检测结果显示，引黄灌区浅层地下水已受到不同程度的污染，主要超标项目是氨氮、硝酸盐氮、氟化物、锰等，局部地区挥发酚和重金属也略有超标（宁夏回族自治区水资源公报，2006）^[4]。另外有研究表明，设施蔬菜地浅层地下水硝态氮大幅度增加，超过饮用水硝态氮含量二级标准。^[5]据专家推测，设施蔬菜大量投入氮素和频繁灌水，必然引起硝态氮的淋洗。按氮素投入量的30%淋失到2m以下计算，银川市有795.13hm²大棚蔬菜，可能淋失的氮素为128.81 t，所带来的环境风险是可使地下水硝态氮含量提高10mg/L，可见，对地下水的威胁是非常大的^[6]。

2　宁夏引黄灌区水体污染源解析

2.1　污染负荷

2.1.1　工业废水及城市生活污水

图3　宁夏引黄灌区工业废水及城市生活废水排放量

从图3可以看出，宁夏引黄灌区工业废水和城市生活污水排放量在2000～2007年处于增长趋势。2001年生活废水迅速增长，从2005年之后，工业废水增长迅速。2007年与“十五”第一年相比，工业废水增长了将近1倍，生活污水增长了将近4倍。2007年，宁夏引黄灌区人均工业废水65 t左右，生活废水50 t左右。

2.1.2　黄河引水带入

2001～2007年，黄河平均引用黄河水量为72.84亿m³。引水带来的COD占总量的10%左右（18544 t），N占总量的4%左右（2798 t），全氮占总量的3%左右（2798 t），全磷占总量的1% （121 t）左右（见图4）。

图4　2001～2007年宁夏引黄灌区黄河引水量

2.1.3　化肥

宁夏引黄灌区农田化肥投入量处于较高水平，2007年灌区农田化肥每亩氮肥施用量68kg，与2002年相比，该年氮肥增长了21%，磷肥增长了17%，化肥施用量年均增长率在3.3%～4.5% （见表4）。

表4　宁夏引黄灌区化肥施用量状况单位:t

2.1.4　畜禽粪便

近年宁夏引黄灌区养殖业发展较快，特别是规模化养殖奶牛、猪和家禽增长较快，随之而来的问题是养殖业粪便增加，对周边环境和灌区水体已经产生了污染。2002～2007年，家畜家禽的粪便年均增长率:大家畜26.7%、猪16.3%、羊16%和家禽16.9% （见表5）。

表5　宁夏引黄灌区家畜粪便排泄量单位:t

2.1.5　农村生活垃圾

宁夏引黄灌区农村人口基本保持稳定，2000～2007年8年间，生活污水量、粪便排泄量和固体垃圾排放量均变化不大（见表6）。

表6　宁夏引黄灌区农村人口生活垃圾单位:万t

2.2　污染物排放量与发展趋势

依据宁夏引黄灌区农业生产特点、点上监测数据和区内外专家综合分析，估计了宁夏引黄灌区典型污染物的产物系数，计算了工业、养殖业、种植业、黄河取水和农村生活产生COD、N、全氮和全磷等典型污染物的排放量，本报告采用的大家畜粪便的产污系数为0.3，猪粪便的产污系数为0.3，羊粪便的产污系数为0.2，家禽粪便的产污系数为0.2，农田氮肥流失的产污系数为0.2，磷肥流失的产污系数为0.1。

图5　2002～2007年污染排放量变化趋势

图6　2002～2007年污染排放量比例变化趋势

结果计算与分析表明（图5、图6），2002～2007年，污染排放量以2004年为转折点，2004年之前呈现下降，之后呈现上升趋势。“十一五”初期与“十五”初期相比，COD总量呈现下降，但2004～2007年后出现上升趋势；NH₃-N和全氮呈现比较明显的上升趋势；全磷处于缓慢上升趋势。2007年与2002年相比，COD年均减少7.4%，NH₃-N、全氮和全磷均有增加，年均增长率分别为8.0%、7.8%、8.4%，污染排放量年均增加2.4%。从污染物的比例结构看，主要污染物为COD，其次是全氮，再其次是全磷。总污染排放量中COD的比例在57%～79%之间，全氮的比例为20%～40%，全磷的比例在3%～4%。N占全氮中的比例为80%～82%，在总污染排放量中占14%～25%。

2.3　污染负荷结构分析

宁夏引黄灌区污染物结构分析涉及工业、种植业、养殖业、黄河取水和农村生活五个方面。通过对黄灌区2002～2007年污染物结构变化分析，表现出以下特征。

2.3.1　养殖业已经成为COD的主要来源

2004年，养殖业的COD贡献份额在23%～25%，2004年以后在65%～67%；工业源COD贡献份额在2004年之前超过养殖业，在62%～64%，2004年之后由于污水治理效果显著，工业COD排放显著降低，2004年的贡献份额仅为9%左右，2005～2007年没有超过10%。2004年之后，黄河取水带来的COD比例呈逐年下降趋势，在8%～25%，表明黄河上游水质有一定改善。2002～2007年COD年均排放结构比例见图7。

图7　2002～2007年宁夏引黄灌区COD结构及变化趋势

2.3.2　全氮、N污染主要来自种植业，其次是养殖业和黄河取水

全氮污染负荷主要来自于种植业，养殖业次之。2002～2007年种植业贡献份额高达61%～66%，养殖业的贡献份额27%～30%，工业的贡献份额很低，在1%～3%。过去6年全氮年均排放结构比例见图8。

图8　2002～2007年宁夏引黄灌区全氮结构及变化趋势

图9　2002～2007年宁夏引黄灌区 N结构及变化趋势

2.3.3　全磷污染主要来自于种植业与养殖业

图10　2002～2007年宁夏引黄灌区全磷结构及变化趋势

全磷污染负荷主要来自农业，种植业和养殖业占了绝对份额。2002～2007年，来自种植业的污染份额48%～56%，养殖业的份额在43%～50%，黄河取水0.9%～3%。过去6年全磷年均排放结构比例见图10。

2.4　主要结论

2.4.1　化肥与规模养殖是宁夏引黄灌区水体全氮和全磷的主要污染源

通过上面的分析可以反映了全氮和全磷的主要污染源是化肥和养殖业，其中种植业对全氮的贡献份额高于养殖业，养殖业对全磷的贡献份额高于种植业。种植业和养殖业在面源污染负荷中占有绝对的比例。

宁夏引黄灌区，N的主要污染源是化肥，在污染负荷中占到2/3左右，养殖业对N的贡献份额在15%～20%。COD的主要污染源是养殖业，特别在2004年后，由于工业废水和城市生活污水实行治理排放后，养殖业排放的COD已经占到污染负荷的65%～67%。

2.4.2　工业废水和城市生活污水对水体质量仍然具有重要影响

由于宁夏地处黄河上游，加上农田退水量很大，对下游水质有决定性影响作用，因此工业废水和生活废水治理相当重要。在2004年之前工业源COD贡献份额占有绝对比例，在62%～64%，2004年之后由于工业污水治理效果显著，工业源COD排放量有所降低，2005～2007年没有超过10%。尽管国家加大了环境治理的力度，但工业废水对水体的贡献仍然不允忽视。在2000～2007年，宁夏引黄灌区工业废水和城市生活污水排放量仍然处于增长趋势。2007年，宁夏引黄灌区人均工业废水65 t左右，生活废水50 t左右，与“十五”第一年相比，2007年，工业废水增长了将近1倍，生活污水增长了将近4倍。

2.4.3　农村生活对灌区水体的污染效应尚未突显

农村生活污染源对宁蒙灌区面源水体污染有一定的影响。宁夏引黄灌区农村生活产生的COD为72 t，产生的N为8.5 t，产生的全氮为12 t，产生的全磷为1 t。农村生活污染源的排放过程缓慢，自然分解过程较长。农村生活产生的粪便通过传统堆积处理回田，家庭生活垃圾作为畜禽饲料，作物秸秆作为工业原料，塑料垃圾还有少量回收，因此生活垃圾对水体污染相对较小，但农村生活污染源对自然景观的影响较大。

3　水体污染原因分析

3.1　农田肥药投入持续增长，而效率较低

黄河上游灌区农业生产过程中化肥、农药用量呈逐年加大的趋势。2007年，灌区农田化肥施用量达72.4万t，比2002年的54.6万t增长了30%，其中氮肥施用量44.4万t，按灌区农作物播种面积43.3万公顷计算，单位面积化肥平均施用量为1746kg/hm²，是全国平均用量的1.6倍。河套灌区农田化肥用量由1978年的7万t迅速上升到1997年的43.8万t，至2002年化肥用量己经超过52万t，但化肥利用率低于30%。根据已有研究，氮肥当季作物利用率为20%～35%，由此估算2007年宁夏氮肥流失量在28万吨以上，每年随农田退水排入黄河的纯氮有7万多公斤；内蒙古灌区2007年氮肥流失量在15万吨以上，每年随农田退水排入黄河的纯氮有4万多公斤，农田退水污染造成水资源浪费，导致排水沟、湖泊、黄河水体污染。

3.2　养殖规模不断扩大，废弃物处理与利用水平低

由于集约化养殖的快速发展，养殖场对动物粪便的处理方法不当和处理能力有限，导致家畜粪便进入地表径流，加剧了河流湖泊的污染。近年来，随着“菜篮子”工程的实施，农业产业结构的调整，城乡畜牧业规模发展迅速，畜牧业已成为农村的支柱产业之一，成为农民收入的重要来源。但由于畜禽养殖方式和养殖规模的变化，畜禽养殖业带来的环境污染亦成为宁夏主要的环境问题。2007年，宁夏灌区畜禽（大牲畜、猪、羊、家禽）存栏数1631万头（只），产生畜禽粪966万t；内蒙古灌区畜禽（大牲畜、猪、羊、家禽）存栏数778万头（只），产生畜禽粪999万t，80 %以上的畜禽养殖场没有任何综合利用和污水处理设施，固体废物随意堆置，养殖废水随意排放。由污染复合结构特征分析，养殖业已经成为COD的主要来源，虽然全氮、NH₃-N污染主要来自种植业，但养殖业的贡献也不容忽视，而全磷污染主要来自养殖业。造成畜禽养殖污染的原因一是养殖场选址不当。由于城市城镇化步伐的加快，城区外延不断扩大，一些养殖场逐渐进入城市范围。许多畜禽养殖场地建在人口密集的居民区内，与当地居民水源地的距离太近，居民饮水安全得不到保障。畜禽养殖过程中产生大量的恶臭气体，严重影响城市环境质量，加大了城市环境压力。宁夏吴忠市利通区一些奶牛养殖场建在城市周边地区，畜禽粪便和养殖污水对当地环境造成污染，一些养殖场与周围群众关系紧张。中卫市迎水镇养鸡户已形成规模，一年产生禽粪便近2万t，鸡粪未经处理随意堆放，影响了中卫市形象，增加了沙坡头国家级自然保护区周边地区综合治理难度；宣和镇鸡粪堆置在居民区周边，夏日蚊蝇四起，严重影响群众生活。二是管理粗放。绝大多数养殖场没有相应的配套设施处理畜禽粪便，未经处理的粪便随地堆积，污水任意直接排放。三是治污不力。规模化养殖宏观环境管理水平滞后，未经过环境影响评价，缺少必要的污染治理投入。四是农牧脱节。规模化畜禽场建设没有配套耕地消纳和粪便无害化处理，难以形成具有多环节链接和实现粪便—肥料综合效应的良性循环，无法有效吸纳与降解废污排放，实现变废为利之目的。

4　对策与措施

农业面源污染分散、面广，污染负荷定量化测算及污染控制难度大，涉及到各个领域及千家万户，是一个全社会的系统工程。因此，农业面源污染的控制就必须坚持全面、综合科学整治的原则，实施从政策、法规、环境意识、科学技术、管理及规划等全方位的防治及控制，形成全社会、多学科、各部门通力合作的社会工程。

为了摸清国家主要水体污染现状，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2008～2020年） 》中水体污染控制与治理是16个科技重大专项之一，旨在为我国水体污染控制与治理提供科技支撑的科技工程。自2007年以来，在国家支持和宁夏各级政府及科研单位努力下，将我区列入全国“水体污染控制与治理”科技重大专项中的河流主题，主要研究内容是黄河上游灌区农田退水污染控制关键技术研究与示范。通过10～15年的研究，选择黄河上游灌区河流为研究对象，综合分析河流水污染类型与成因，研究制定特殊河流水污染综合防治方案和管理支撑体系；研发河流污染控制的负荷削减、水质水量调控、生态治理与修复等关键技术，为我国特殊污染类型的河流污染控制与治理提供技术基础。建立黄河上游段农灌区水系污染防治综合示范区1个以上，综合示范区面积不少于5平方公里，灌区用水量下降15%，药、肥投入量下降20%，养殖与生活废水处理回用率60%，示范区主要污染物COD、氨氮和总磷负荷输出削减30%以上。

2008年10月，在国家和自治区各级部门和相关科研部门努力下，课题《实施方案》通过国家水专项办组织的有关专家论证。 《实施方案》根据国家要求，确定了宁夏水污染控制与治理的总体目标、“十一五”阶段目标、考核指标，确定了灵武农场综合示范区。针对黄河上游河套灌区氮、磷、COD等典型污染物对灌区水体和黄河水质的影响，遵循宁夏引黄灌区农村经济可持续发展的原则和退水污染“减量化、无害化、资源化”的理念，围绕灌区农田退水污染的特征、动态和建立退水污染控制科技支撑体系的总体需求，以“源头减量、过程控制和末端治理”相结合为总体技术路线，重点攻克集约化农田减氮控磷与清洁生产，灌区水质水量调配与结构优化，规模养殖与村镇生活废弃物循环利用，退水沟渠拦截、修复与回灌，退化湿地生态恢复与人工湿地构建等关键技术；探索并建立农业退水污染控制的政策机制和管理模式，整体提高黄河上游宁蒙灌区退水污染控制的科技水平，并通过技术集成与工程示范，推进区域农业清洁生产水平与农村生活环境体系建设，全面控制农业退水污染负荷，逐步形成灌区农业可持续发展条件下的农业退水污染综合控制体系，确保农灌区退水体系和黄河水质安全，为我国其他黄河灌区农业退水污染防治提供借鉴模式和科技支撑。

参考文献

［1］宁夏环保局.宁夏环境公报［M］ . 2007

［2］宁夏环保局.宁夏环境公报［M］ . 2008

［3］曹学明，刘华.宁夏地下水水质评价分析. ［J］ .宁夏工程技术，2004，3 （4）:385～388

［4］宁夏水利厅.宁夏回族自治区水资源公报［M］ . 2006

［5］陈晓群，姚军，朱文清等.设施蔬菜地土壤NO3-N的变化及其对环境的影响. ［J］ .宁夏农林科技，2004 （5）:4～5

［6］张学军，陈晓群，王黎民等.宁夏大棚蔬菜生产现状和施肥中存在的问题及对策［J］ .宁夏农林科技，2004 （2）:44～47