郝桂珍， 宋鳳芝， 徐 利*， 朱貴有

(1.河北建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程系， 張家口 075000； 2.河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 張家口 075000；3.張家口市水務(wù)局， 張家口 075000)

當(dāng)前，流域水環(huán)境問題日益突出[1]。歐美一些發(fā)達(dá)國家通過水污染控制的實(shí)踐充分認(rèn)識(shí)到了非點(diǎn)源污染的重要性，而中國由非點(diǎn)源污染引起的水環(huán)境問題也逐漸顯現(xiàn)[2]。20世紀(jì)90年代以來，中國環(huán)境污染治理轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕廴驹搭^治理為主，但針對(duì)非點(diǎn)源污染的研究工作剛剛起步，尚未全面展開。2007年《第一次全國污染源普查公報(bào)》顯示農(nóng)業(yè)源總氮和總磷排放量分別占其排放總量的57.19%、67.27%，成為中國水環(huán)境污染的重要來源。2022年冬奧會(huì)申辦成功后，清水河作為張家口市標(biāo)志性的景觀河流擔(dān)負(fù)著展現(xiàn)國家形象的重要作用，而近年來清水河富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重，研究表明上游崇禮區(qū)農(nóng)業(yè)面源是其主要污染源[3]，因此治理農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是改善其水質(zhì)的一個(gè)重要途徑。但目前對(duì)清水河流域污染源的分析只停留在初步分析方面，沒有對(duì)污染負(fù)荷量及其分布特征展開深入研究。

對(duì)污染負(fù)荷的計(jì)算方法包括統(tǒng)計(jì)方法及建立模型的方法。王憲恩等[4]、楊鈞雯等[5]分別對(duì)東遼河、西氿流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行了估算及變化規(guī)律分析。此外，以非點(diǎn)源污染與土地利用關(guān)系為基礎(chǔ)的輸出系數(shù)法也得到了廣泛的應(yīng)用[6]。劉亞瓊等[7]利用輸出系數(shù)模型對(duì)北京市農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷進(jìn)行了估算。現(xiàn)結(jié)合清水河流域現(xiàn)狀，利用輸出系數(shù)模型對(duì)其農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行分析，從而為面源污染的削減和控制提供一定的決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

清水河發(fā)源于崇禮區(qū)北部與張北交界的樺皮嶺南麓，是永定河水系洋河干流的一條主要支流，也是張家口市境內(nèi)的主要河流，河流全長109 km，流域總面積2 380 km2。清水河上游位于崇禮區(qū)境內(nèi)，全長82 km，流域面積2 082 km2，分為東溝、正溝和西溝三大支流，東溝、正溝于朝天洼村匯入后始稱清水河(圖1)。

宏哲等[8]對(duì)張家口市工業(yè)源、生活源和農(nóng)業(yè)源的化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)、氨氮排放量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后確定農(nóng)業(yè)源是其水體污染的主要來源。而云晉等[3]對(duì)清水河31個(gè)監(jiān)測(cè)斷面9項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)后確定總氮(total nitrogen,TN)是清水河最嚴(yán)重的污染指標(biāo)，超標(biāo)率高達(dá)93.5%，且主要污染來源為上游崇禮區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染。因此，對(duì)清水河上游流域TN、總磷(total phosphorus，TP)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的研究與治理是解決清水河水污染的根本。

1.2 輸出系數(shù)模型

初期的輸出系數(shù)模型(export coefficient models，ECM)[9]來自20世紀(jì)70年代初美國、加拿大在研究“土地利用-營養(yǎng)負(fù)荷-湖泊富營養(yǎng)化關(guān)系”的過程中提出的“單位負(fù)荷測(cè)算”的研究思路。Johnes[10]改進(jìn)了初期輸出系數(shù)模型的不足，建立了更為規(guī)范的經(jīng)典輸出系數(shù)模型方程：

(1)

式(1)中：L為總污染負(fù)荷量；n為土地利用類型的種類或牲畜、人口等不同的污染來源；Ei為第i種污染物的輸出系數(shù)；Ai為第i種土地利用類型的面積或牲畜、人口的數(shù)量；Ii為第i種污染物的輸出量；p為來自降雨的污染物輸出量，不考慮此項(xiàng)的影響。

1.3 數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)

麻德明等[11]為了可視化污染物的空間分布規(guī)律和減小估算難度，將地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)空間分析技術(shù)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，提出了一種基于流域單元的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的估算方法?；跀?shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，利用Arc GIS 10.1軟件對(duì)清水河上游流域進(jìn)行水文分析，并將其劃分為40個(gè)子流域(圖1)。各項(xiàng)數(shù)據(jù)來源及說明如表1所示。

2 輸出系數(shù)取值及負(fù)荷計(jì)算

2.1 輸出系數(shù)取值

輸出系數(shù)多采用單位時(shí)間、單位面積上的負(fù)荷量表示，其取值是應(yīng)用ECM的關(guān)鍵。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及查閱文獻(xiàn)，將研究區(qū)域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染來源歸結(jié)為農(nóng)業(yè)用地、禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活三大類。

2.1.1 土地利用

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，分為2000、2005、2010、2015年四期，分辨率為1 km。應(yīng)用ArcGIS軟件對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理(圖2)，并根據(jù)土地利用/土地覆蓋變化(land-use and land-cover change，LUCC)分類體系將研究區(qū)域土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地等5個(gè)一級(jí)類型和9個(gè)二級(jí)類型(表2)。

Beaulac等[12]和Frink[13]通過調(diào)查不同土地利用方式下的氮和磷輸出系數(shù)的變化范圍，取其平均值作為所研究流域的輸出系數(shù)。鑒于缺乏研究區(qū)域的輸出系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此參考相似自然條件下的其他地區(qū)的取值，取其平均值確定。不同土地利用類型的參考輸出系數(shù)和取值結(jié)果如表3所示。

2.1.2 禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活

按照國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的污染物排放量的排污系數(shù)和物料衡算方法，研究區(qū)域禽畜養(yǎng)殖TN、TP的輸出系數(shù)分別取其推薦的排泄系數(shù)的10%，農(nóng)村生活面源污染物采用其推薦的人口輸出系數(shù)，其取值如表4、表5所示。

2.2 輸出負(fù)荷計(jì)算

崇禮區(qū)地處山地丘陵地區(qū)，禽畜養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，隨著近年來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，禽畜養(yǎng)殖數(shù)量減少，但奶牛、生豬和特種動(dòng)物養(yǎng)殖仍是其支柱產(chǎn)業(yè)[圖3(a)]。同時(shí)，研究區(qū)域所涉多為農(nóng)業(yè)人口，由于經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人口數(shù)量不斷增長，但農(nóng)業(yè)人口比例呈下降趨勢(shì)[圖3(b)]，這符合城市化發(fā)展的一般規(guī)律，而對(duì)城市化背景下非點(diǎn)源污染負(fù)荷的研究對(duì)水環(huán)境綜合治理具有重要意義。

按照選用的輸出系數(shù)，利用ECM計(jì)算研究區(qū)域TN、TP的非點(diǎn)源污染輸出負(fù)荷，結(jié)果如表6所示。

圖3 2000—2015年研究區(qū)域禽畜養(yǎng)殖及人口數(shù)量變化Fig.3 Variation of livestock breeding and population in the research area from 2000 to 2015

表6 2000—2015年研究區(qū)域TN、TP農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染輸出負(fù)荷Table 6 Export loads of TN and TP agricultural non-point source pollutants in the research area from 2000 to 2015

3 非點(diǎn)源污染負(fù)荷的時(shí)空變化特征

3.1 時(shí)間變化特征

根據(jù)Johnes經(jīng)典輸出系數(shù)模型，得出2000、2005、2010和2015年四個(gè)時(shí)期清水河上游流域3種面源污染來源(土地利用、禽畜養(yǎng)殖、農(nóng)村生活)、2個(gè)污染物指標(biāo)(TN、TP)的污染輸出負(fù)荷。如圖4所示，研究區(qū)域的污染負(fù)荷均呈明顯的下降趨勢(shì)，且TN的輸出負(fù)荷約為TP的9.2～9.8倍；從3種污染來源上看，土地利用是主要貢獻(xiàn)源，其次是農(nóng)村生活與禽畜養(yǎng)殖，且禽畜養(yǎng)殖的污染負(fù)荷呈降低趨勢(shì)。

圖4 研究區(qū)域TN、TP非點(diǎn)源污染輸出負(fù)荷Fig.4 Export loads of TN and TP non-point source pollution in the research area

圖5 研究區(qū)域TN、TP非點(diǎn)源污染來源貢獻(xiàn)率及施肥量Fig.5 The contribution rates of TN and TP non-point source pollution and the amount of fertilizer in the research area

由圖5(a)可知，不同污染源類型對(duì)TP負(fù)荷貢獻(xiàn)率的影響規(guī)律與TN基本相似，土地利用方式是影響非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵因素，且其貢獻(xiàn)率大小表現(xiàn)為耕地>草地>林地，水域及建設(shè)用地所產(chǎn)生的負(fù)荷較小。其中，耕地對(duì)TN、TP污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率分別為46.6%～47.9%、42.8%～46.8%，明顯高于其他因素，這主要是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)是該區(qū)域主要的人類活動(dòng)。由圖5(b)可知，草地、林地和耕地分別占總面積的36.8%、33.8%和28.5%，是研究區(qū)域的主要土地利用類型，因此，大面積的農(nóng)業(yè)種植是造成TN、TP非點(diǎn)源污染負(fù)荷的直接原因。分析其成因，研究區(qū)域以種植蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物為主，化肥和農(nóng)藥的高強(qiáng)度施用是影響耕地TN、TP非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的主要形式。如圖5(b)所示，研究區(qū)域化肥施用量呈增加趨勢(shì)，且氮肥、磷肥、鉀肥與施用總量的比例約為1∶0.31∶0.14，根據(jù)旱地農(nóng)作物“三要素”的最佳比例[n(N)∶n(P)∶n(K)=1∶0.32∶0.5,其中n為物質(zhì)的量]，研究區(qū)域的土地利用-化肥施用結(jié)構(gòu)總體上不合理，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)化肥成為主要的非點(diǎn)源污染來源。

其次，農(nóng)村生活和禽畜養(yǎng)殖也是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的重要來源。研究區(qū)域包括2鎮(zhèn)8鄉(xiāng)211個(gè)行政村406個(gè)自然村，且多數(shù)村莊尚未建立完善的污水處理和垃圾清運(yùn)制度，導(dǎo)致大量直接排放的生活污水和生活垃圾成為非點(diǎn)源污染的重要來源，對(duì)TN、TP的貢獻(xiàn)率分別為7.4%～10.0%、6.9%～10.0%。此外，隨著近年來畜牧業(yè)由分散養(yǎng)殖向規(guī)?；B(yǎng)殖的轉(zhuǎn)變，禽畜養(yǎng)殖量及污染輸出負(fù)荷量均呈降低趨勢(shì)，但其對(duì)TN、TP有較高的貢獻(xiàn)率11.6%～5.9%、21.0%～9.9%)，因此由傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式和觀念導(dǎo)致的禽畜糞尿污染仍應(yīng)引起重視。

3.2 空間變化特征

非點(diǎn)源污染負(fù)荷強(qiáng)度表示的是單位面積上的污染負(fù)荷，是污染分析的重要指標(biāo)之一[16]。采用Arc GIS疊加分析工具，將研究區(qū)域的非點(diǎn)源污染輸出負(fù)荷與土地利用類型關(guān)聯(lián)，繪制由土地利用造成的TN、TP非點(diǎn)源污染負(fù)荷強(qiáng)度的空間分布(圖6)。從空間分布上看，不同時(shí)段內(nèi)TN、TP的污染負(fù)荷強(qiáng)度分布特征相似，且呈現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性：整體上分布不均，負(fù)荷量局部集中，水系兩岸坡度較小的平原丘陵區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚集區(qū)負(fù)荷量較高。

污染負(fù)荷強(qiáng)度與流域面積、人口密度和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因子有關(guān)。由圖6可知，清水河上游東溝、正溝、西溝3條支流水系兩岸的平原及丘陵地區(qū)TN、TP的非點(diǎn)源污染負(fù)荷強(qiáng)度較高，且TN的負(fù)荷強(qiáng)度是TP的10倍左右；TN、TP負(fù)荷強(qiáng)度依次為耕地>水域>建設(shè)用地>草地>林地、耕地>草地>建設(shè)用地>水域>林地；低負(fù)荷強(qiáng)度區(qū)主要分布在耕地較少的水源涵養(yǎng)區(qū)?？梢?，大面積、規(guī)?；霓r(nóng)田種植業(yè)是造成研究區(qū)域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源負(fù)荷強(qiáng)度較高的直接原因。蔬菜是崇禮區(qū)的富民主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，種植面積約占總耕地面積的50%，大部分沿河種植，因此營養(yǎng)物在雨水的淋溶作用下可直接進(jìn)入河道，并且商品蔬菜的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)一步增加了農(nóng)藥化肥的施用，使其成為非點(diǎn)源負(fù)荷強(qiáng)度較高的主要原因。

除此之外，東溝、正溝、西溝三條支流的高負(fù)荷強(qiáng)度區(qū)不僅是崇禮區(qū)2鎮(zhèn)8鄉(xiāng)的聚集地，同時(shí)也是耕地、草地分布最集中的區(qū)域，農(nóng)業(yè)資源豐富，具備禽畜養(yǎng)殖所需的資源、場(chǎng)地、人力等條件，是主要的禽畜養(yǎng)殖基地分布區(qū)。因此農(nóng)村生活及禽畜養(yǎng)殖也會(huì)增加清水河支流兩岸的負(fù)荷強(qiáng)度。

3.3 污染來源分析

根據(jù)輸出系數(shù)模型估算的TN、TP污染輸出負(fù)荷量、負(fù)荷強(qiáng)度及不同污染源的貢獻(xiàn)率，分別從土地利用、禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活等角度對(duì)研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染來源進(jìn)行分析。

3.3.1 從土地利用角度

由TN、TP非點(diǎn)源污染負(fù)荷的時(shí)空分布特征和不同污染源類型的貢獻(xiàn)率可知，土地利用是影響研究區(qū)域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵因素，耕地是其主要輸出源；并且非點(diǎn)源污染高負(fù)荷區(qū)集中分布在清水河支流兩岸坡度較小的平原和丘陵區(qū)。該區(qū)是蔬菜和糧食的集中產(chǎn)區(qū)。蔬菜等高收益作物的土地利用強(qiáng)度大，肥料、耕作力等投入強(qiáng)度也相對(duì)較大，而馬鈴薯、玉米、莜麥等傳統(tǒng)作物的化肥農(nóng)藥施用量較小。近年來，隨著商品蔬菜的產(chǎn)業(yè)化，農(nóng)藥化肥施用量逐年增加，但受傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的影響，導(dǎo)致氮肥、磷肥、鉀肥的施用不合理，生產(chǎn)過程中化肥農(nóng)藥的利用率僅為20%～30%，未被利用的化肥農(nóng)藥通過地下淋溶或地表徑流等方式直接進(jìn)入河道，成為研究區(qū)域TN、TP非點(diǎn)源污染負(fù)荷的直接來源。

3.3.2 從禽畜養(yǎng)殖角度

隨著現(xiàn)代畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和旅游業(yè)的快速發(fā)展，奶牛、生豬和特種動(dòng)物養(yǎng)殖逐漸成為崇禮區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)；2009年，張家口全市畜牧業(yè)實(shí)現(xiàn)由分散養(yǎng)殖向規(guī)?；B(yǎng)殖轉(zhuǎn)變，舍飼畜牧業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。但部分養(yǎng)殖戶在擴(kuò)大規(guī)模的同時(shí)環(huán)保意識(shí)淡薄，生產(chǎn)過程污物的隨意排放導(dǎo)致糞便中的TN、TP等有機(jī)污染物隨地表徑流或儲(chǔ)糞池滲漏污染地表水和地下水，成為非點(diǎn)源污染重要來源。

圖6 研究區(qū)域TN、TP非點(diǎn)源污染負(fù)荷強(qiáng)度空間分布Fig.6 The spatial distribution of TN and TP non-point source pollution load intensity in the research area

3.3.3 從農(nóng)村生活角度

隨著“城鄉(xiāng)一體化”進(jìn)程的加快，人口數(shù)量顯著增加，大量的生活垃圾、生產(chǎn)垃圾和污水等農(nóng)村垃圾由于地區(qū)分散、人口數(shù)量大、收集難等原因成為農(nóng)村環(huán)境治理的重點(diǎn)與難點(diǎn)，并且對(duì)周圍水環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響。研究區(qū)域內(nèi)人口、牲畜等主要分布在清水河水系周圍，且大部分村莊尚未建立下水系統(tǒng)，人畜污水基本隨地勢(shì)進(jìn)入地表水或下滲到土壤中；其次，大部分村莊尚未建立完善的垃圾清運(yùn)制度，生活垃圾和牲畜糞便等產(chǎn)生的污染物被攜進(jìn)入河道，是非點(diǎn)源污染的重要組成部分[20]。

4 流域非點(diǎn)源污染控制對(duì)策

(1)改善農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，合理施用化肥農(nóng)藥。首先調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，避免或減少在河流兩岸種植化肥農(nóng)藥施用水平高的作物；其次根據(jù)種植結(jié)構(gòu)、土壤肥力、需肥水平等情況合理確定化肥農(nóng)藥的施用量、施用時(shí)間及施用方法；最后加強(qiáng)坡耕地的管理和水土保持工作，制定合理的水土保持規(guī)劃。

(2)改進(jìn)養(yǎng)殖模式，實(shí)現(xiàn)禽畜養(yǎng)殖“零排放”。一方面要解決零散養(yǎng)殖造成的污染問題，引導(dǎo)零散養(yǎng)殖戶向規(guī)?；B(yǎng)殖小區(qū)集中；另一方面要積極引導(dǎo)養(yǎng)殖戶進(jìn)行禽畜糞便等污染物的綜合利用，實(shí)現(xiàn)污染物處理“資源化、無害化、生態(tài)化”。

(3)集中收集農(nóng)村生活污水，加強(qiáng)固體廢棄物管理。一是提高農(nóng)村垃圾及污水處理等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，早日實(shí)現(xiàn)“戶分類、村收集、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))轉(zhuǎn)運(yùn)、縣處理”的城鄉(xiāng)一體化處理模式；二是針對(duì)養(yǎng)殖廢水，加強(qiáng)推廣舍飼養(yǎng)殖以改善禽畜糞便的收集與處理。

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)清水河上游流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的估算及其時(shí)空變化特征研究，得出如下主要結(jié)論。

(1)采用Johnes經(jīng)典輸出系數(shù)模型，計(jì)算2000、2005、2010和2015年4個(gè)時(shí)期清水河上游流域3種面源污染來源(土地利用、禽畜養(yǎng)殖、農(nóng)村生活)、2個(gè)污染物指標(biāo)(TN、TP)的污染輸出負(fù)荷總量，得出TN、TP的污染輸出負(fù)荷量分別為2 328.9、2 262.3、2 263.9、2 232.4 t/a和253.5、236.0、232.2、226.8 t/a。

(2)2000—2015年，TN、TP的污染輸出負(fù)荷均呈明顯的下降趨勢(shì)，且前者是后者的9.2～9.8倍；不同污染源類型對(duì)TN、TP負(fù)荷貢獻(xiàn)率的影響規(guī)律相似，土地利用方式是最關(guān)鍵的影響因素，并表現(xiàn)為耕地>草地>林地。分析其污染成因，蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物的種植和農(nóng)藥化肥施用結(jié)構(gòu)的不合理是主要原因；其次，農(nóng)村生活和禽畜養(yǎng)殖也是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的重要來源。

(3)2000—2015年，TN、TP的污染負(fù)荷強(qiáng)度分布特征相似，且呈現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性：整體上分布不均，負(fù)荷量局部集中，清水河水系兩岸坡度較小的平原丘陵區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚集區(qū)負(fù)荷量較高。TN的負(fù)荷強(qiáng)度是TP的10倍左右，其大小分別表現(xiàn)為耕地>水域>建設(shè)用地>草地>林地、耕地>草地>建設(shè)用地>水域>林地，農(nóng)業(yè)種植是造成農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源負(fù)荷強(qiáng)度較高的直接原因。

(4)分別從土地利用、禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活等角度對(duì)其污染來源進(jìn)行分析，結(jié)果表明耕地，尤其是蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物的種植是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要來源，禽畜養(yǎng)殖及農(nóng)村生活是非點(diǎn)源污染的重要組成部分。