宋 嘉，李懷恩，李家科，郝改瑞

(西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048)

隨著水環(huán)境污染管控力度加強(qiáng)，非點(diǎn)源污染的嚴(yán)重性及其防治的必要性已被列入環(huán)保戰(zhàn)略核心計(jì)劃中。2015年國務(wù)院提出的“水十條”和2016年印發(fā)的《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》中明確要求加強(qiáng)水生態(tài)保護(hù)及農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染治理研究；2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合印發(fā)《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》；2019年生態(tài)環(huán)境部提出“開展藍(lán)天、碧水、凈土保衛(wèi)戰(zhàn)”。估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷，搞清主要來源是管控污染源頭、提高水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)污染防治工作的重中之重。

污染負(fù)荷估算方法包括輸出系數(shù)法、平均濃度法[1]及源強(qiáng)系數(shù)法[2]等，污染負(fù)荷評價(jià)通常使用等標(biāo)污染負(fù)荷法[3]。輸出系數(shù)法最初由Omernik提出，Johnes在以往模型的基礎(chǔ)上綜合考慮了土地利用類型、人口和牲畜數(shù)量等因素對非點(diǎn)源污染的影響進(jìn)行改善。國內(nèi)學(xué)者們基于實(shí)際情況對污染負(fù)荷進(jìn)行估算，盧少勇等[4]明確了洞庭湖區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷；龍?zhí)煊宓萚5]以輸出系數(shù)法為基礎(chǔ)，建立了三峽庫區(qū)上游非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷模型；陸建忠等[6]則對鄱陽湖農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物進(jìn)行估算。

伴隨“秦嶺生態(tài)環(huán)境大保護(hù)”的深入與“南水北調(diào)”工程建設(shè)，丹江流域水質(zhì)優(yōu)劣及周圍生態(tài)環(huán)境情況與沿線受水區(qū)域的國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值和人民群眾生活密切相關(guān)[7]。水質(zhì)安全是自工程建設(shè)至今研究的核心問題之一[8]。為長期穩(wěn)定達(dá)到水源地水質(zhì)要求，必須要有針對性的對不同污染物及主要污染源提出相對應(yīng)的治理措施，消減水源區(qū)的非點(diǎn)源污染。目前丹江流域陜西段農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染種類、來源不明，缺乏對流域污染的現(xiàn)狀分析，而以縣區(qū)為單元的污染物空間分布特點(diǎn)尚未明確。

本文以流域范圍內(nèi)的5個(gè)縣區(qū)為研究對象，采用輸出系數(shù)法估算2017年丹江流域陜西段內(nèi)TN、TP、NH4-N 、COD的負(fù)荷量，運(yùn)用等標(biāo)污染負(fù)荷法進(jìn)行評價(jià)。對比分析不同污染源的貢獻(xiàn)度及各縣區(qū)各種污染物的主要來源，旨在為丹江流域陜西段非點(diǎn)源污染有的放矢地防治與管控提供強(qiáng)有力的科學(xué)支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

丹江，長江水系支流漢江的支流，發(fā)源于商州秦嶺南麓鳳凰山，途徑陜西省商洛市的商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣、河南省南陽市的淅川縣后匯入湖北丹江口水庫。全長443 km，總流域面積16 812 km2，在陜西省境內(nèi)全長249.6 km，流域面積7 510 km2。

流域受氣候和地形影響，降水分布極不均勻，年降水量隨地形高度增加而遞增。中上游為暴雨多發(fā)區(qū)，河谷及附近川道為少雨區(qū)。丹江流域多年平均降雨量750～850 mm，徑流量年際變化大。由于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的治理一般以行政區(qū)劃為單位分區(qū)治理，故參照丹江陜西段流域的縣區(qū)劃分，選擇陜西省商洛市的商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣、山陽縣(流域內(nèi)面積占全縣19.7%)、洛南縣(流域內(nèi)面積占全縣3.3%)5個(gè)行政區(qū)為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 污染負(fù)荷估算方法

輸出系數(shù)法估算污染負(fù)荷公式為[9]：

(1)

式中：Li為污染物i負(fù)荷量，kg/a；Eij為在第j種土地利用類型中第i種污染物的輸出系數(shù)，kg/(hm2·a)或第j種畜禽養(yǎng)殖中第i種污染物的輸出系數(shù)，kg/(只·a)或農(nóng)業(yè)人口生活中第i種污染物的輸出系數(shù)，kg/(人·a)；Aj為第j種土地利用類型面積(hm2)或第j種畜禽養(yǎng)殖數(shù)量(只)或人口數(shù)量(人)；P為降雨輸入的污染物總量，kg/a，可忽略不計(jì)。

輸出系數(shù)的合理確定可通過現(xiàn)場監(jiān)測法和查閱文獻(xiàn)法[10]。本文主要通過查閱文獻(xiàn)確定各項(xiàng)輸出系數(shù)。農(nóng)業(yè)污染源主要分為農(nóng)業(yè)農(nóng)地源、農(nóng)村生活源及畜禽養(yǎng)殖源。

為了提高估算精度，將農(nóng)地利用類型進(jìn)一步細(xì)分為: 耕地、園林、林地、草地。畜禽養(yǎng)殖則主要考慮牛、豬、羊和家禽。綜合考慮文獻(xiàn)中研究區(qū)域與年份因素的相似性后，結(jié)合實(shí)際情況，得出部分輸出系數(shù)取值，如表1所示。

表1 不同區(qū)域及年份輸出系數(shù)的分類及取值Tab.1 Classification and value of output coefficients in different regions and years

區(qū)域內(nèi)耕地化肥施用量多，而林地、草地多以天然形成為主，化肥施用量較少。園地則主要包括果園、桑園及茶園，其單位面積施肥量與耕地相當(dāng)[14]。所確定的輸出系數(shù)值在空間、時(shí)間等方面均具有合理性。牛、豬、羊的排泄物中TN含量為61.10、4.51、2.28 kg/(只·a)[9]，輸出比例分別為16.71%、16.43%、17.68%[15]，則輸出系數(shù)分別為 10.21、0.74、0.40 kg/(只·a)。人的排泄物中氮輸出系數(shù)為2.14 kg/(人·a)。綜上，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)農(nóng)地源、農(nóng)村生活源及畜禽養(yǎng)殖源的輸出系數(shù)取值如表2所示。

表2 4種污染物輸出系數(shù)取值Tab.2 Values of four pollutant output coefficients

1.2.2 污染負(fù)荷評價(jià)方法

為使不同種污染物能在同一標(biāo)準(zhǔn)上比較，即采用等標(biāo)污染負(fù)荷法進(jìn)行評價(jià)。某污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷量是指單位時(shí)間內(nèi)排放的含該污染物的廢水的等標(biāo)體積，計(jì)算公式[16]為：

Pi=Li/Ci

(2)

式中：Pi為污染物i的等標(biāo)污染負(fù)荷，m3/a；Li為污染物i的污染負(fù)荷，t/a；Ci為污染物i的閾質(zhì)量濃度，mg/L。

丹江流域水質(zhì)以Ⅱ類為主，結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)系列的閾濃度的下限值進(jìn)行核算。其中，Ⅱ類水限值TN為0.5 mg/L；TP為0.1 mg/L；NH4-N為0.5 mg/L；COD為15 mg/L。

1.2.3 數(shù)據(jù)來源分析

丹江流域陜西段五個(gè)縣區(qū)的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷量的估算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括耕地、林地、草地及園地面積，牛、豬、羊、家禽及農(nóng)村人口數(shù)量。以上數(shù)據(jù)均來源于《2018年陜西統(tǒng)計(jì)年鑒》及2017年各縣區(qū)的統(tǒng)計(jì)年鑒或者國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，各種土地利用面積數(shù)據(jù)利用2017年陜西省土地利用GIS導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷量估算

采用輸出系數(shù)法估算2017年丹江流域陜西段5個(gè)縣區(qū)的農(nóng)業(yè)農(nóng)地、農(nóng)村生活及畜禽養(yǎng)殖3大類主要污染源產(chǎn)生的4種非點(diǎn)源污染負(fù)荷量。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 2017年丹江流域非點(diǎn)源污染各污染物負(fù)荷量Tab.3 Loads of Non-point Source Pollution by Danjiang River Basin in 2017

2017 年流域內(nèi)總氮負(fù)荷量為6 209.22 t，總磷負(fù)荷量為369.56 t，氨氮負(fù)荷量為2 187.88 t，化學(xué)需氧量負(fù)荷量為22 681.14 t。從上表中數(shù)據(jù)可以看出，商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣的污染負(fù)荷量較高。主要原因是這3個(gè)縣區(qū)為丹江流域陜西段的主要涵養(yǎng)區(qū)。農(nóng)業(yè)土地利用面積大、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)、農(nóng)村人口多。相比之下，洛南縣在流域段內(nèi)管控面積小，從而各種污染負(fù)荷量都較低。

2.2 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷評價(jià)

2.2.1 等標(biāo)污染負(fù)荷量空間分布特征

2017 年丹江流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染TN、TP、NH4-N 、COD等標(biāo)污染負(fù)荷分別為1 241.844、369.560、437.576、150.832 億m3。如圖1所示，空間分布上污染物負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大的區(qū)域是商州區(qū)，洛南縣對各種污染物負(fù)荷貢獻(xiàn)率最小。

其主要原因是商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣大量的化肥施用和規(guī)?；B(yǎng)殖導(dǎo)致對 TN、TP 的貢獻(xiàn)率都比較高。雖然山陽縣在流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用地面積很小，但畜禽養(yǎng)殖數(shù)量大，因此對NH4-N的貢獻(xiàn)率最大。在空間分布上，各種等標(biāo)污染負(fù)荷空間分布有很強(qiáng)的一致性。這與唐肖陽[17]在漢江流域的研究結(jié)果十分吻合，即其空間分布特征是：農(nóng)業(yè)土地利用面積大、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)、農(nóng)村人口多的區(qū)域，等標(biāo)污染負(fù)荷較大，反之亦然。

圖1 2017年各縣區(qū)不同等標(biāo)負(fù)荷污染物的空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of pollutants with different equal load in each county in 2017

2.2.2 不同污染源等標(biāo)污染負(fù)荷總量特征

丹江流域陜西段各縣區(qū)農(nóng)地農(nóng)業(yè)源和畜禽養(yǎng)殖源的等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率均相對較高。相比之下，農(nóng)村生活源的等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率則較低。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染等標(biāo)污染負(fù)荷總量為227 579 億m3。在各污染源中，等標(biāo)污染負(fù)荷總量分別為：農(nóng)地農(nóng)業(yè)源量100 082.7 億m3，畜禽養(yǎng)殖源量752.283 億m3，農(nóng)村生活源量44 670.2 億m3。

圖2 不同污染源對非點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)率占比圖Fig.2 Proportion of contribution rate of different pollution sources to non-point source pollution

由圖2可見，TN污染主要來源是農(nóng)業(yè)農(nóng)地；TP、NH4-N污染主要來源是畜禽養(yǎng)殖；COD污染主要來源是農(nóng)村生活。農(nóng)地農(nóng)業(yè)污染對TN的貢獻(xiàn)率超過總量的一半以上，畜禽養(yǎng)殖對TP、NH4-N貢獻(xiàn)率的影響明顯大于農(nóng)業(yè)農(nóng)地和農(nóng)村生活，各污染源對COD的貢獻(xiàn)度較為平均。

綜合識(shí)別出重點(diǎn)防治對象為農(nóng)地農(nóng)業(yè)污染和畜禽養(yǎng)殖污染。為控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，減少化肥的施用量、改變土地利用類型，提高畜禽糞便的有效處理則顯得尤為重要。

2.2.3 不同污染源對各縣區(qū)等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)特征

利用Arc GIS軟件，以縣區(qū)為基本單位分別表示出農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染源、農(nóng)村生活污染源及畜禽養(yǎng)殖污染源的量值。

如圖3所示，在流域內(nèi)，商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣、洛南縣的TN 等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大的為農(nóng)業(yè)農(nóng)地，而山陽縣則為畜禽養(yǎng)殖；商州區(qū)、洛南縣、商南縣的TP 等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大的為農(nóng)業(yè)農(nóng)地，而山陽縣和丹鳳縣為畜禽養(yǎng)殖。各縣區(qū)的NH4-N等標(biāo)污染負(fù)荷則表現(xiàn)出明顯的規(guī)律特征，均以畜禽養(yǎng)殖為主。丹鳳縣、商南縣和洛南縣的COD 等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大的為農(nóng)業(yè)農(nóng)地，而山陽縣為畜禽養(yǎng)殖，商州區(qū)為農(nóng)村生活。

圖3 2017年各縣區(qū)不同污染源對各種污染物的貢獻(xiàn)度占比圖Fig.3 Contributions of different pollution sources to various pollutants in each county in 2017

各縣區(qū)的各種污染源排放強(qiáng)度相差較大，其主要受自然環(huán)境等外部影響。丹江流域陜西段各縣區(qū)的污染負(fù)荷均以農(nóng)業(yè)農(nóng)地和畜禽養(yǎng)殖為主。其中，商州區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染對本區(qū)的TN負(fù)荷貢獻(xiàn)率為65.1%，山陽縣的畜禽養(yǎng)殖污染貢獻(xiàn)為58.55%。洛南縣的農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染對該區(qū)TP負(fù)荷貢獻(xiàn)率為61.03%，山陽縣的畜禽養(yǎng)殖污染對該地區(qū)的TP負(fù)荷貢獻(xiàn)率為80.28%。鑒于此，丹江流域陜西段農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染治理方案應(yīng)根據(jù)各縣區(qū)污染源情況因地制宜。

2.3 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷合理性分析及防治方法

2.3.1 丹江流域陜西段農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷合理性分析

商州區(qū)耕地、林地面積占比大，且農(nóng)業(yè)人口數(shù)量大；丹鳳縣由于其“九山半水半分田” 的特殊地理分布，全縣森林覆蓋率高達(dá)70%；商南縣林地、園地面積最大，茶園眾多；山陽縣則特色發(fā)展畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。綜合各縣區(qū)的自然地理?xiàng)l件，農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)發(fā)展方式和人口數(shù)量分布等等，可見丹江流域陜西段的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷量、空間分布特征、總量特征及不同污染源對各種污染物貢獻(xiàn)等具有合理性。

2.3.2 丹江流域陜西段非點(diǎn)污染防治方法

各種污染物的負(fù)荷量都與各縣區(qū)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式密切相關(guān)，則非點(diǎn)源污染防治方法也應(yīng)具有針對性。商州區(qū)將重點(diǎn)放在農(nóng)業(yè)農(nóng)地和農(nóng)村生活污染上；丹鳳縣及商南縣應(yīng)關(guān)注農(nóng)業(yè)農(nóng)地和畜禽養(yǎng)殖污染；山陽縣著重管控畜禽養(yǎng)殖污染；洛南縣應(yīng)集中精力在農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染上。

(1)農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染防治方法。區(qū)域地處土石山區(qū)，水土流失產(chǎn)生大量泥沙作為載體，吸附攜帶化肥和農(nóng)藥等直接排入河流，導(dǎo)致土地肥力不斷降低，迫使增加施用量，造成嚴(yán)重的惡性循環(huán)[18]。農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染防治應(yīng)從農(nóng)業(yè)用水和化肥農(nóng)藥使用兩方面入手。商州區(qū)及洛南縣應(yīng)大力建設(shè)節(jié)水型農(nóng)業(yè)；提高化肥有效利用率，測土配方施肥，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，牢固土壤肥力；丹鳳縣及商南縣可結(jié)合生物綠肥等技術(shù)減少化肥使用量。

(2)農(nóng)村生活污染防治方法 。流域內(nèi)水系發(fā)達(dá)，支流眾多，農(nóng)戶多沿自然水體居住。農(nóng)村生活垃圾及污水未經(jīng)處理直接排入水體，排放時(shí)間、地點(diǎn)均較為隨意。應(yīng)積極鼓勵(lì)各縣區(qū)進(jìn)行政策及技術(shù)的宣傳，將工作重點(diǎn)放在農(nóng)村人口數(shù)量大的商州區(qū)。生活污水在自家經(jīng)簡單處理后定時(shí)排入指定地點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)在各村修建小型垃圾場，避免生活垃圾進(jìn)入水體或是私自焚燒填埋，每家每戶對垃圾資源進(jìn)行分類，政府定時(shí)回收利用處理。

(3)畜禽養(yǎng)殖污染防治方法。畜禽養(yǎng)殖污染源于養(yǎng)殖模式低效，數(shù)量大且多為傳統(tǒng)粗放式，由此產(chǎn)生大量的牲畜糞便直接排入水中污染環(huán)境。近年來，養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模一直處于上升趨勢，但達(dá)到污水處理標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)殖場只占調(diào)查總量的7.41%[19]。應(yīng)依據(jù)畜禽種類劃分不同級別養(yǎng)殖區(qū)。對于山陽縣的集中養(yǎng)殖場開展規(guī)?；託?、生物天然氣，創(chuàng)新生態(tài)養(yǎng)殖。各縣區(qū)應(yīng)將農(nóng)牧業(yè)有機(jī)結(jié)合，發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)[20]。

3 結(jié) 語

本文采用輸出系數(shù)法等標(biāo)污染負(fù)荷法及Arc GIS，估算了2017年丹江流域陜西段各縣區(qū)的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的污染負(fù)荷量等標(biāo)污染負(fù)荷量及空間分布情況，結(jié)果表明：

(1)2017年丹江流域陜西段的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量分別：總氮6 209.22 t，總磷369.56 t，氨氮2 187.88 t，化學(xué)需氧量22 681.14 t。相應(yīng)的等標(biāo)污染負(fù)荷量分別為620.922、184.780、218.788、113.407 億m3。污染物負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大的區(qū)域是商州區(qū)，其次是丹鳳縣和商南縣，洛南縣對各種污染物負(fù)荷貢獻(xiàn)率最小。

(2)等標(biāo)污染負(fù)荷量貢獻(xiàn)率順序分別如下，TN為：農(nóng)業(yè)農(nóng)地(60.11%)>畜禽養(yǎng)殖(22.54%)>農(nóng)村生活(17.36%)；TP為：畜禽養(yǎng)殖(41.62%)>農(nóng)業(yè)農(nóng)地(35.21%)>農(nóng)村生活(23.16%)；NH4-N為：畜禽養(yǎng)殖(61.36%)>農(nóng)村生活(20.72%)>農(nóng)業(yè)農(nóng)地(17.92%)；COD為：農(nóng)村生活(36.41%)>畜禽養(yǎng)殖(33.23%)>農(nóng)業(yè)農(nóng)地(30.35%)。農(nóng)業(yè)農(nóng)地和畜禽養(yǎng)殖是丹江流域陜西段農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的重點(diǎn)源。

(3)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷空間分布特征明顯：農(nóng)業(yè)土地利用面積大、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)、農(nóng)村人口多的縣區(qū)，其等標(biāo)污染負(fù)荷較大，反之亦然。表明了農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷對空間分布及環(huán)境影響的一致性。

(4)應(yīng)因地制宜選擇相對應(yīng)的治理調(diào)控手段。合理安排土地利用占比結(jié)構(gòu)，加大農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的管理措施，最大程度的降低負(fù)荷污染。