陳曉麗，雷 勇，黃國如,3,4

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640； 2.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；3.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州 510640； 4.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510640)

針對水體污染問題，長期以來我國政府的工作重心主要放在點源污染治理上，在點源污染得到有效控制的同時忽略了非點源污染治理[1]。非點源污染的隨機性、滯后性、模糊性以及隱蔽性已使其成為我國當(dāng)前最主要的污染源[2]，對我國污染水體的貢獻(xiàn)率正逐年攀升，甚至對人類的健康造成了嚴(yán)重影響和威脅[3]。因此，必須對非點源污染進(jìn)行深入的分析研究。

目前，非點源污染的評價方法主要有等標(biāo)污染負(fù)荷法、聚類分析法和改進(jìn)的理想解法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)等。趙海萍等[4]、梁倩等[5]、陸珊等[6]和閆維鳳等[7]采用等標(biāo)污染負(fù)荷法分別對海河流域南系的漳河上游、河南鶴壁市淇河流域、廣西南流江下游流域和河北秦皇島市的非點源污染情況進(jìn)行了分區(qū)域、分來源的負(fù)荷評價，評價結(jié)果均為當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門的管理和決策提供了一定的科學(xué)依據(jù)；Li等[8]采用等標(biāo)污染負(fù)荷法對漓江的污染負(fù)荷進(jìn)行了評價，結(jié)果表明TN和TP為河道內(nèi)的主要污染物，并建議采用上游水庫補給的方式改善水質(zhì)；崔巍等[9]和李璇等[10]則在等標(biāo)污染負(fù)荷的基礎(chǔ)上，采用聚類分析法分別對黑龍江哈爾濱市和云南大理洱海流域的非點源污染進(jìn)行了區(qū)域相似度評價，從而合理科學(xué)地對研究區(qū)的非點源污染重點防治區(qū)域進(jìn)行了篩分；Lu等[11]在鄱陽湖流域應(yīng)用等標(biāo)污染負(fù)荷法進(jìn)行農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷的空間特征評價，確定了優(yōu)先控制區(qū)，并用聚類分析法將流域內(nèi)的非點源污染劃分為4類，提出了分區(qū)管理建議。張雙圣等[12]將層次聚類分析法應(yīng)用于江蘇徐州市云龍湖大尺度、多斷面、長時間的大量樣本水質(zhì)評價工作中，完整地反映了水質(zhì)樣本的總體特征；呂川等[13]采用基于模糊等價矩陣的模糊聚類分析法，得到吉林各市農(nóng)業(yè)非點源污染的動態(tài)聚類譜系圖，可為吉林非點源污染的控制管理提供定量依據(jù)；范麗麗等[14]采用灰色聚類分析法對太湖8個湖區(qū)的水質(zhì)進(jìn)行了評價，定量描述了太湖不同湖區(qū)水質(zhì)的優(yōu)劣程度。應(yīng)用TOPSIS方法，張汪壽等[15]和涂剛琴等[16]分別對北京懷柔區(qū)北宅小流域和黔中平寨水庫保護區(qū)進(jìn)行了流域非點源污染風(fēng)險評價，通過評價土地利用因子L、徑流因子Q、距離因子D，確定各因子所占權(quán)重，從而得到非點源污染風(fēng)險評價指數(shù)，并將流域劃分為相應(yīng)等級的敏感控制區(qū)域，定量地為流域內(nèi)非點源污染的分區(qū)管理提供科學(xué)方案；Li等[17]提出了一種基于TOPSIS的改進(jìn)方法，結(jié)合水質(zhì)指標(biāo)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用CRITIC方法考慮了指標(biāo)間的相關(guān)性，使得水質(zhì)評價結(jié)果更接近現(xiàn)狀，并已在石頭門口水庫和太湖流域得到了應(yīng)用。

鑒于飛來峽庫區(qū)流域非點源污染的高貢獻(xiàn)率且仍缺乏流域內(nèi)的非點源污染現(xiàn)狀評價的研究成果，本文采用等標(biāo)污染負(fù)荷和聚類分析兩種方法，對北江飛來峽庫區(qū)流域的非點源污染現(xiàn)狀進(jìn)行深入評價，以為庫區(qū)流域的非點源污染防治以及水資源保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及非點源污染現(xiàn)狀

飛來峽庫區(qū)流域地處廣東南方濕潤地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛。庫區(qū)流域控制面積為2 450 km2，橫跨英德市以及清城區(qū)兩個縣級行政區(qū)，包括飛來峽鎮(zhèn)、黎溪鎮(zhèn)、連江口鎮(zhèn)、大站鎮(zhèn)、望埠鎮(zhèn)、英紅區(qū)、英城鎮(zhèn)、石灰鋪鎮(zhèn)、西牛鎮(zhèn)以及水邊鎮(zhèn)10個鎮(zhèn)級行政區(qū)，流域內(nèi)人口約為29.5萬人。庫區(qū)流域內(nèi)年平均降水量1 853.3 mm，降水多以鋒面雨和地形雨為主，同時也受到臺風(fēng)雨影響。降水量年內(nèi)分布不均，汛期4—9月的降水量占全年降水量的70%～80%，其中4—6月約占年降水量的40%～50%。流域年均氣溫20.8℃，夏季最高氣溫超過30℃。地形地貌上分為兩段，自英德市區(qū)至盲仔峽段河谷寬闊，沿河多以沖積平原為主；盲仔峽段至飛來峽段則多為低山丘陵區(qū)。圖1為飛來峽庫區(qū)各鎮(zhèn)區(qū)區(qū)位圖。

圖1 飛來峽庫區(qū)各鎮(zhèn)區(qū)區(qū)位

2009年飛來峽庫區(qū)流域總GDP達(dá)到91.6億元，較2003年增長約3倍，流域內(nèi)總用水量亦從2000年的909.4萬m3急劇上升到2009年的7 250萬m3。自2009年以來，庫區(qū)流域經(jīng)濟持續(xù)增長，總用水量不斷攀升。伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，庫區(qū)水質(zhì)呈現(xiàn)逐年惡化趨勢，非點源污染的潛在威脅日趨嚴(yán)重。據(jù)廣東省水利水電科學(xué)研究院2010年編制的《廣東省飛來峽水利樞紐庫區(qū)污染源普查報告》顯示，飛來峽庫區(qū)接納的污染物主要由兩部分構(gòu)成，即上游流域進(jìn)入庫區(qū)流域的污染物以及庫區(qū)流域自身產(chǎn)生的污染物。庫區(qū)流域內(nèi)產(chǎn)生的污染物70%以上由非點源污染貢獻(xiàn)，且非點源污染所占比例呈現(xiàn)逐年增大的態(tài)勢，說明非點源是飛來峽流域內(nèi)的重點污染源。此外，林文婧等[18]的研究結(jié)果顯示，飛來峽庫區(qū)流域85%的COD、71%的BOD5、80%的TN、84%的TP、72%的油脂以及全部的銅和鋅均由非點源污染貢獻(xiàn)，也表明庫區(qū)流域的非點源污染貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于點源污染。因此必須對庫區(qū)流域內(nèi)的非點源污染現(xiàn)狀進(jìn)行深入的分析評價研究。

2 研究資料和分析方法

本文所涉及的飛來峽庫區(qū)內(nèi)各鎮(zhèn)區(qū)非點源污染數(shù)據(jù)均來自廣東省水利水電科學(xué)研究院2009年的普查數(shù)據(jù)，包括10個鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)的生活污水、種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及畜禽養(yǎng)殖業(yè)所產(chǎn)生的污染物，即COD、BOD5、TN、TP、NH3-N、動植物油、銅和鋅，共8種。

采用等標(biāo)污染負(fù)荷法和聚類分析法對飛來峽庫區(qū)內(nèi)各鎮(zhèn)區(qū)非點源污染現(xiàn)狀進(jìn)行分析。等標(biāo)污染負(fù)荷法基本思想是把污染源各種污染物的排放總量分別與對應(yīng)的環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，將排放總量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的具有相同環(huán)境意義的定量數(shù)值，從而可以在同一尺度上進(jìn)行比較和度量，這一過程也稱之為參數(shù)的等標(biāo)化。等標(biāo)污染負(fù)荷法操作簡單，具有明顯的地域區(qū)分度，綜合性強，適用于非點源污染中各類污染物和污染源的分析比較，以確定重點污染源。等標(biāo)污染負(fù)荷法的基本計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：i為污染物種類，共8種；j為污染來源，共4種；k為鎮(zhèn)區(qū)，共10個；Ci為i污染物的排放量，t/a；ρ0為該污染物的排放限值(評價標(biāo)準(zhǔn))，mg/L，參考GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》及廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB441597—2015《電鍍水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》綜合確定各污染物排放限值如下：COD為100 mg/L，BOD5為30 mg/L，TN為20 mg/L，TP為1 mg/L，NH3-N為15 mg/L，動植物油為20 mg/L，銅為0.5 mg/L，鋅為2 mg/L；Pi為i污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷量,m3/a；Pj為j污染來源的等標(biāo)污染負(fù)荷量,m3/a；Pk為k鎮(zhèn)區(qū)的等標(biāo)污染負(fù)荷量,m3/a；Pik|j為j污染來源下，k鎮(zhèn)區(qū)i污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷量,m3/a；Pij|k為k鎮(zhèn)區(qū)j污染來源中i污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷量,m3/a；P為整個區(qū)域的等標(biāo)污染負(fù)荷量,m3/a；Kik為i污染物在k鎮(zhèn)區(qū)的污染負(fù)荷比；Kij為i污染物在j污染來源中的污染負(fù)荷比；Kj為j污染來源負(fù)荷占總區(qū)域污染的負(fù)荷比；Kk為k鎮(zhèn)區(qū)污染負(fù)荷占總區(qū)域污染的負(fù)荷比。

聚類分析法是將數(shù)據(jù)分到不同的類或者簇的一個過程，同一個類(簇)中的對象有很大的相似性，而不同類(簇)間的對象有很大的相異性，通常分為樣品聚類和變量聚類。樣品聚類中，首先將n個樣品看成n類，采用歐式平方距離(squared euclidean distance)，將距離最近的兩類合并為一個新類，樣品減為n-1類，再從中找出最接近的兩類加以合并，成為n-2類，不斷重復(fù)此過程直到所有樣品均歸為一類。歐式平方距離計算公式為

(9)

式中xik、xjk分別為第i、j個樣品第k個指標(biāo)的值。

將飛來峽庫區(qū)10個鎮(zhèn)區(qū)作為樣本，4種污染源的等標(biāo)污染負(fù)荷量作為計算指標(biāo)，進(jìn)行飛來峽庫區(qū)流域非點源污染中同種類型鎮(zhèn)區(qū)的劃分，以便對流域內(nèi)非點源污染情況相似的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一防控。

3 結(jié)果分析

3.1 等標(biāo)負(fù)荷分析

采用式(5)計算飛來峽庫區(qū)10個鎮(zhèn)區(qū)中的各類污染物的負(fù)荷比，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，飛來峽鎮(zhèn)污染物中TP約占80%，TN約占10%，其原因是飛來峽鎮(zhèn)主要以水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)為主，TN、TP等污染物的產(chǎn)生大多來源于此。英城鎮(zhèn)主要以TP、COD和TN污染為主，由于英城鎮(zhèn)建有污水處理廠，生活污水均經(jīng)過處理之后再排放，不直接散排入河道溝渠，其污染物來源主要為畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的TN、COD以及TP。其余8個鎮(zhèn)區(qū)均較為相似，均以COD、TP污染為主，還有少部分的TN、BOD5和NH3-N。

圖2 飛來峽庫區(qū)10個鎮(zhèn)區(qū)中各類污染物負(fù)荷比

利用式(6)可計算得到各類污染物在各污染來源中的負(fù)荷比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 飛來峽庫區(qū)4種污染來源中各類污染物負(fù)荷比

由圖3可知，生活污水中主要有TP、BOD5、COD、TN和NH3-N等5種主要污染物，還包含少量的動植物油，生活污水所產(chǎn)生的污染物成分復(fù)雜多樣，需引起廣泛關(guān)注。而種植業(yè)的污染物中，只有TP和TN兩種，占比約分別為75%和25%，均來自于庫區(qū)流域磷肥和氮肥的過度施用。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)主要以TP污染為主，其負(fù)荷比為77.78%，還有17.16%的TN污染，另外值得關(guān)注的是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中還有少量的重金屬銅、鋅污染。由于銅、鋅等微量元素廣泛存在于魚餌中，因此重金屬銅、鋅污染主要來自于飼料的投放和魚藥的施用等養(yǎng)殖行為。畜禽養(yǎng)殖業(yè)中，主要以COD、TP和TN為主，以及微量的重金屬污染。清遠(yuǎn)飛來峽庫區(qū)流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)較發(fā)達(dá)，主要以走地雞特色產(chǎn)業(yè)為主，還有少部分的生豬養(yǎng)殖，其污染主要來源于走地雞與生豬的糞便、尿液以及各種廢棄物等。從整體來看，BOD5、NH3-N以及動植物油這3類污染物只來源于生活污水，因此，這3類污染物的治理只需針對生活污水重點進(jìn)行。

利用式(7)可計算得生活污水、種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)4種污染源負(fù)荷占總區(qū)域污染的負(fù)荷比分別為57.79%、2.38%、1.69%和38.14%。可見，整個飛來峽庫區(qū)流域一半以上的非點源污染來源于生活污水散排，還有接近40%的非點源污染來自于畜禽養(yǎng)殖業(yè)。說明生活污水和畜禽養(yǎng)殖是庫區(qū)流域的重點污染源，應(yīng)著重對這兩方面污染來源進(jìn)行源頭控制以及污染修復(fù)。

利用式(8)可計算得到飛來峽鎮(zhèn)、黎溪鎮(zhèn)、連江口鎮(zhèn)、大站鎮(zhèn)、望埠鎮(zhèn)、英紅區(qū)、英城鎮(zhèn)、石灰鋪鎮(zhèn)、西牛鎮(zhèn)以及水邊鎮(zhèn)10個鎮(zhèn)區(qū)污染負(fù)荷占總區(qū)域污染的負(fù)荷比分別為4.71%、9.33%、6.87%、18.80%、13.25%、15.30%、0.26%、19.23%、7.24%和5.01%。其中，石灰鋪鎮(zhèn)和大站鎮(zhèn)的負(fù)荷比最大，且兩者均位于流域中上游，所產(chǎn)生的污染會對流域下游河道造成嚴(yán)重影響。結(jié)合圖2進(jìn)一步分析可知，一方面，石灰鋪鎮(zhèn)和大站鎮(zhèn)均為人口重鎮(zhèn)，生活污水隨意排放，導(dǎo)致COD、TP、TN等污染物嚴(yán)重超標(biāo)，再加上污水處理設(shè)施不完善甚至沒有，直接導(dǎo)致生活污水成為這兩個鎮(zhèn)區(qū)非點源污染的重要來源；另一方面，石灰鋪鎮(zhèn)和大站鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)也較為發(fā)達(dá)，石灰鋪鎮(zhèn)的走地雞和生豬年出欄量分別為17萬只和21 522頭，大站鎮(zhèn)則分別為65萬只和20 670頭，也使得畜禽養(yǎng)殖業(yè)成為兩個鎮(zhèn)區(qū)非點源污染的重點來源。英紅區(qū)、望埠鎮(zhèn)的負(fù)荷比則分別為15.30%和13.25%，緊隨于后。英城鎮(zhèn)的負(fù)荷比則是最低的，僅為0.26%。

3.2 聚類分析

為對各鎮(zhèn)區(qū)的非點源污染進(jìn)行更進(jìn)一步的類別劃分和統(tǒng)一管理，以10個鎮(zhèn)區(qū)各污染源的單位面積等標(biāo)污染負(fù)荷為依據(jù)，采用樣品聚類中的歐式平方距離對其進(jìn)行計算分析，結(jié)果如圖4所示。以圖中豎向虛線為界，將10個鎮(zhèn)區(qū)分為4類。4類別單位面積等標(biāo)污染負(fù)荷的平均值如表1所示。

圖4 飛來峽庫區(qū)10個鎮(zhèn)區(qū)聚類分析結(jié)果

類別生活污水種植業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖畜禽養(yǎng)殖合計第1類14.370.439.624.0828.51第2類57.664.010.0319.8781.57第3類90.462.190.0071.15163.80第4類111.383.020.01103.80218.21

第1類包括飛來峽鎮(zhèn)和英城鎮(zhèn)，屬于輕度污染區(qū)，此類鎮(zhèn)區(qū)的特征是整體污染程度較低，其單位面積等標(biāo)負(fù)荷平均值僅為28.51 mm/a。其中，生活污水所占份額最大(50.41%)，可著重針對生活污水進(jìn)行深入治理。第2類包括連江口鎮(zhèn)、西牛鎮(zhèn)、水邊鎮(zhèn)和黎溪鎮(zhèn)，屬重度污染區(qū)，此類鎮(zhèn)區(qū)皆位于流域中下游，生活污水仍為主要污染源，占比70.69%，還有一部分的畜禽養(yǎng)殖污染，占比24.36%。第3類包括望埠鎮(zhèn)和英紅區(qū)，屬較重度污染區(qū)，位于流域上游區(qū)域，整體污染程度偏高，生活污水占比55.23%，畜禽養(yǎng)殖業(yè)占比43.44%。第4類包括大站鎮(zhèn)和石灰鋪鎮(zhèn)，位于流域中上游，屬特重度污染區(qū)，其單位面積等標(biāo)污染負(fù)荷平均值高達(dá)218.21 mm/a，為第1類的7.7倍，其中，生活污水占比51.04%，畜禽養(yǎng)殖業(yè)占比47.57%?？梢钥闯?，位于流域上游以及中上游的鎮(zhèn)區(qū)污染程度特別高，若不進(jìn)行整治，將對流域中下游河道乃至整個庫區(qū)流域產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，必須將中上游流域的生活污水和畜禽養(yǎng)殖作為防控重點，進(jìn)行深入治理。針對生活污水，建立污水處理廠，進(jìn)行統(tǒng)一集中處理，達(dá)標(biāo)排放；針對畜禽養(yǎng)殖，建立畜禽生態(tài)養(yǎng)殖場，集中處理畜禽糞便，建設(shè)沼氣池，提高廢物利用效率等。

4 結(jié) 論

a. 庫區(qū)4種污染來源負(fù)荷比大小排序為生活污水、畜禽養(yǎng)殖、種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖，其中，生活污水占比57.79%，畜禽養(yǎng)殖占比38.13%，應(yīng)著重對這兩方面污染來源進(jìn)行源頭控制以及污染修復(fù)。10個鎮(zhèn)區(qū)的污染負(fù)荷比大小排序為石灰鋪鎮(zhèn)、大站鎮(zhèn)、英紅區(qū)、望埠鎮(zhèn)、黎溪鎮(zhèn)、西牛鎮(zhèn)、連江口鎮(zhèn)、水邊鎮(zhèn)、飛來峽鎮(zhèn)、英城鎮(zhèn)，其中，石灰鋪鎮(zhèn)和大站鎮(zhèn)負(fù)荷比均接近20%，需要引起重視。

b. 飛來峽庫區(qū)流域10個鎮(zhèn)區(qū)分為4類，位于流域中上游的鎮(zhèn)區(qū)污染程度最高，如大站鎮(zhèn)和石灰鋪鎮(zhèn)、望埠鎮(zhèn)和英紅區(qū)等，需對所涉及鎮(zhèn)區(qū)的生活污水及畜禽養(yǎng)殖污染進(jìn)行重點防控。