馬亞麗,王興繁
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院,蘭州 730070)
水環(huán)境與水生態(tài)問題一直以來備受關(guān)注,盡管自2016年提出“共抓大保護(hù)”以來,長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)已初見成效,但水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等諸多涉水問題依然紛繁復(fù)雜,水生態(tài)環(huán)境安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻[1],面源污染導(dǎo)致的河流、湖泊等水質(zhì)惡化問題凸顯?!笆濉逼陂g長(zhǎng)江流域工業(yè)源的排放量下降最為顯著,而生活源和農(nóng)業(yè)源的排放量下降趨勢(shì)相對(duì)較為緩慢[2]。農(nóng)業(yè)源作為長(zhǎng)江流域總磷主要污染來源,在此期間被納入國(guó)家水體污染物控制領(lǐng)域,與中下游相比,長(zhǎng)江上游總磷(TP)污染最重,其中,在四川省的沱江、岷江及涪江水系多為Ⅴ~劣Ⅴ類[3]。農(nóng)業(yè)源以面源形式造成水體污染,因此開展面源污染負(fù)荷評(píng)估,對(duì)于改善流域水環(huán)境及水生態(tài)具有重要意義。目前針對(duì)面源污染的評(píng)價(jià)包括輸出系數(shù)法、清單分析法以及機(jī)理模型模擬估算法等[4]。最經(jīng)典的傳統(tǒng)輸出系數(shù)模型由Johnes在1996年建立,該模型因輸入?yún)?shù)少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,被廣泛用于面源污染負(fù)荷評(píng)估,尤其針對(duì)資料在數(shù)量或質(zhì)量無法滿足分布式模型模擬要求的小流域地區(qū),具有很好的適用性[5-6]。然而傳統(tǒng)輸出系數(shù)模型仍存在一些問題,包括有些環(huán)境因子缺乏考慮,輸出系數(shù)的區(qū)域性差異等。因此,針對(duì)輸出系數(shù)的確定和環(huán)境因子修正等方面的改進(jìn)是近年來的研究熱點(diǎn),通過對(duì)模型的改進(jìn),不斷提高其在面源污染方面的模擬精度以及擴(kuò)大適用范圍[7-12]。韋曉雪等[8]基于輸出系數(shù)模型對(duì)洱海流域1998—2016年磷素時(shí)空變化特征進(jìn)行分析,結(jié)果表明農(nóng)業(yè)面源、畜禽養(yǎng)殖糞便和城鎮(zhèn)居民生活污水是洱海流域三大污染來源,面源污染仍是主要污染源。李娜等[5]以長(zhǎng)春市水源地新立城水庫(kù)匯水區(qū)為研究對(duì)象,選用輸出系數(shù)模型對(duì)其農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行估算,認(rèn)為該模型可在研究區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行推廣使用。劉佳昆[9]基于改進(jìn)輸出系數(shù)模型對(duì)澎溪河流域非點(diǎn)源污染進(jìn)行研究,認(rèn)為坡度是影響澎溪河流域總氮流失的關(guān)鍵因素,降雨是影響總磷流失的關(guān)鍵因素。胡正等[10]在缺資料地區(qū)面源污染估算中應(yīng)用改進(jìn)的輸出系數(shù)模型,結(jié)果顯示TN、TP的相對(duì)誤差分別為10.87%和13.86%,模型結(jié)果驗(yàn)證良好。胡富昶等[11]采用改進(jìn)的輸出系數(shù)模型計(jì)算射洪縣2016年非點(diǎn)源污染負(fù)荷量,對(duì)比改進(jìn)前后的模型結(jié)果,認(rèn)為模型模擬精度提高,且其在降雨不均勻的丘陵地區(qū)具有適用性。陸建忠等[12]將改進(jìn)的輸出系數(shù)模型應(yīng)用于鄱陽(yáng)湖流域的4個(gè)小區(qū)域內(nèi),通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),部分模擬精度有所提高。本文以長(zhǎng)江左岸一級(jí)支流——龍溪河作為研究對(duì)象,應(yīng)用改進(jìn)的輸出系數(shù)模型對(duì)瀘縣龍溪河流域范圍內(nèi)的7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、2個(gè)子流域進(jìn)行氮磷負(fù)荷評(píng)估研究,確定該區(qū)域的主要污染物、污染源以及重要污染防治鄉(xiāng)鎮(zhèn)及子流域,以期為改善龍溪河流域突出的生態(tài)環(huán)境問題提供相應(yīng)的規(guī)劃及防治依據(jù)。
龍溪河發(fā)源于四川省登東山,屬于長(zhǎng)江左岸一級(jí)支流,總干流長(zhǎng)110 km,流域面積502 km2,途徑瀘縣立石、毗盧、云錦、玄灘、奇峰、兆雅、云龍等鎮(zhèn)以及龍馬潭區(qū)長(zhǎng)安、石洞、魚塘、羅漢等鎮(zhèn),在龍馬潭區(qū)匯入長(zhǎng)江,其中,龍溪河瀘縣境內(nèi)干流長(zhǎng)約69 km,流域面積270 km2,涉及瀘縣7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、55個(gè)村(社)的人口18.4萬(wàn)人,地理坐標(biāo)為 105°08′30″—105°45′30″E、28°44′40″—29°20′00″N。多年平均流量為6.58 m3/s,平均深度為0.4 m,河寬40~60 m,河道地形起伏不大,海拔在316~376 m左右,平均比降為1.7‰。研究區(qū)四季分明,具有亞熱帶濕潤(rùn)氣候的特點(diǎn)。全縣多年平均降雨量為1013.6 mm,歷年中最大可達(dá)1450.2 mm,最小僅為664.2 mm,年際變化較大。最低溫度僅為8.5℃,最高溫度為26.1℃,多年平均溫度為17.7℃。多年平均風(fēng)速1.2 m/s,風(fēng)力微弱,以偏北風(fēng)為主,多年平均日照時(shí)數(shù)為1231.8 h。龍溪河水系分布如圖1所示。
圖1 龍溪河水系分布圖
1996年輸出系數(shù)模型由Johns等[6]提出,具有參數(shù)少,模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,廣泛適用于缺資料地區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的估算。
輸出系數(shù)模型一般表達(dá)式如式(1)所示[6]。
式中,Lj為污染物j在流域的總負(fù)荷量,t/a;j為污染物類型;i為流域土地利用類型的種類或畜禽養(yǎng)殖類型、人口;Eij為污染物j在第i種土地利用類型(畜禽養(yǎng)殖類型、人口)的輸出系數(shù),t/(km2·a)或t/(104ca·a);Ai為第i種土地利用類型的面積(km2)或牲畜、人口數(shù)量;P為由降雨輸入的營(yíng)養(yǎng)物數(shù)量,t/a。
傳統(tǒng)的輸出系數(shù)模型是經(jīng)驗(yàn)型模型,所需參數(shù)少,操作簡(jiǎn)單,避開復(fù)雜的物理發(fā)生過程,且具有一定精度,適合在缺資料流域面源負(fù)荷評(píng)估中廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的輸出系數(shù)模型中輸出系數(shù)只反映了某流域的一般水平,并未體現(xiàn)某一具體年份降雨量大小對(duì)于輸出負(fù)荷的影響以及地表起伏狀態(tài)變化對(duì)污染物遷移過程的影響。因此,針對(duì)特定區(qū)域的降雨、地形等環(huán)境因素存在差異的問題,增加降雨及地形2個(gè)修正系數(shù)[13-14]對(duì)模型進(jìn)行修正。
(1)改進(jìn)后的輸出系數(shù)模型如式(2)所示[13-14]。
式中,X降雨修正數(shù),Y地形修正數(shù),其他同輸出系數(shù)模型公式。
(2)降雨修正數(shù)如式(3)~(6)所示[10-16]。
其中,通過相關(guān)分析,建立流域年降雨量p和入河量T的回歸方程,計(jì)算如式(4)所示。
降雨時(shí)間差異數(shù)X1計(jì)算如式(5)。降雨空間差異數(shù)X2計(jì)算如式(6)。
式中,為流域多年平均降雨量,p為流域當(dāng)年降雨量,C為子單元多年平均降雨量,Ci為子單元當(dāng)年的降雨量。子單元分別以流域范圍內(nèi)涉及的7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和2個(gè)子流域進(jìn)行劃分,其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)、子流域數(shù)據(jù)以村為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
(3)坡度對(duì)于污染負(fù)荷的影響。坡度對(duì)于污染負(fù)荷的影響主要通過對(duì)于徑流的影響反映,大量研究證實(shí),坡度與地面徑流量呈正相關(guān)關(guān)系,地表徑流量可以表示為坡度的冪函數(shù)與常量的乘積,如式(7)所示[10-16]。
式中,Q為徑流量,s為坡度,a、q為常量。
地形修正數(shù)如式(8)所示[10-16]。
式中,s為每個(gè)子單元的平均坡度;sˉ為總流域的平均坡度;q為常量,查閱相關(guān)文獻(xiàn)可得q為0.6104[10-16]。現(xiàn)實(shí)生活中由于單純降雨產(chǎn)生的污染相對(duì)于其他污染較小,故在模型模擬中經(jīng)常不計(jì)算在內(nèi)[10]。
數(shù)字高程DEM圖(精度30 m×30 m)、各類土地利用面積數(shù)據(jù)來源于瀘縣國(guó)土局;2012年畜禽及農(nóng)業(yè)人口數(shù)據(jù)以村為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì),來源于瀘縣市農(nóng)業(yè)局、統(tǒng)計(jì)局,以及結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際調(diào)查;多個(gè)氣象站逐日降雨數(shù)據(jù)來源于瀘縣氣象局、中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)。利用GIS軟件的統(tǒng)計(jì)分析功能對(duì)流域內(nèi)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到龍溪河流域?yàn)o縣段各鎮(zhèn)以及2個(gè)子流域的各類土地利用面積、畜禽及農(nóng)業(yè)人口狀況,如表1所示。
表1 土地類型面積、畜禽及人口統(tǒng)計(jì)結(jié)果
3.2.1 輸出系數(shù)取值 污染物輸出系數(shù)是單位時(shí)間單位面積上的負(fù)荷排放量,具有地域性差異,一般通過查閱文獻(xiàn)法、野外監(jiān)測(cè)法和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析法等方法確定。本研究中采用的輸出系數(shù)在參考長(zhǎng)江上游流域的總氮(TN)和總磷(TP)的輸出系數(shù)值的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際調(diào)查結(jié)果確定[10,17],最終取值如表2所示。
表2 研究區(qū)輸出系數(shù)取值
3.2.2 修正系數(shù)取值 應(yīng)用GIS軟件對(duì)DEM數(shù)字高程圖進(jìn)行坡度分析,統(tǒng)計(jì)分析各鎮(zhèn)及子流域的平均坡度值(圖2),并依據(jù)地形修正公式進(jìn)行計(jì)算,得到各鎮(zhèn)及子流域的地形修正數(shù);采用克里金降雨插值方法對(duì)瀘縣及周邊多個(gè)氣象站年降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,得到各鎮(zhèn)及子流域的年降雨量數(shù)據(jù),并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及降雨修正公式計(jì)算得到降雨修正數(shù),具體結(jié)果如表3所示。
圖2 各鎮(zhèn)平均坡度、2012年降雨量分布
表3 研究區(qū)修正系數(shù)取值
畜禽養(yǎng)殖是瀘縣傳統(tǒng)的支柱產(chǎn)業(yè),已經(jīng)形成了以生豬為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),散養(yǎng)畜禽養(yǎng)殖量大且分散,無法集中收集處理,多數(shù)都未經(jīng)處理直接排放進(jìn)入水體,成為主要污染來源之一;農(nóng)村生活污染源分散,污水處理設(shè)施不足,無法集中收集和處理,大部分污水散排,隨土地漫流進(jìn)入水環(huán)境,對(duì)流域水質(zhì)造成污染;農(nóng)田化肥農(nóng)藥的大量施用伴隨降雨徑流沖刷入河道,勢(shì)必成為水體污染來源之一,因此研究區(qū)非點(diǎn)源污染的調(diào)查主要有農(nóng)村生活污染、散養(yǎng)禽畜養(yǎng)殖污染和農(nóng)田徑流污染3個(gè)方面。
以龍溪河流域作為分析對(duì)象,從農(nóng)田徑流污染、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖3類污染源,TN/TP 2種污染物角度進(jìn)行分析,為了便于不同污染物之間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較,按照TN、TP等標(biāo)污染負(fù)荷進(jìn)行分析,即分別除以1和1/5的標(biāo)準(zhǔn)換算。具體計(jì)算結(jié)果如表4所示。
表4 研究區(qū)污染負(fù)荷綜合分析計(jì)算表
研究區(qū)范圍內(nèi),TN的總污染負(fù)荷為481.34 t/a,其中農(nóng)村生活污染負(fù)荷296.61 t/a,占比61.62%,畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷114.94 t/a,占比23.88%,農(nóng)田徑流污染負(fù)荷69.78 t/a,占比14.50%,農(nóng)村生活污染負(fù)荷最大,分別是畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流污染負(fù)荷的2.58、4.25倍。TP的總污染負(fù)荷為235.03 t/a,農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流污染占比分別69.25%、24.98%、5.77%,農(nóng)村生活污染負(fù)荷最大,分別是畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田徑流污染負(fù)荷的2.77、12.00倍??梢娏饔騼?nèi)農(nóng)村生活污染負(fù)荷最大,農(nóng)田徑流污染負(fù)荷最小。TN污染負(fù)荷是TP污染負(fù)荷的2.05倍,是流域主要污染物。不同土地利用污染負(fù)荷中,建設(shè)用地總污染負(fù)荷37.51 t/a,占比最大為5.24%,其次是水稻田和旱地,分別占比3.10%、2.07%。綜上,流域內(nèi)最主要的污染源為農(nóng)村生活污染,主要污染物為TN,建設(shè)用地在土地利用類型中污染負(fù)荷最大。
流域范圍共涉及7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),以村為單位統(tǒng)計(jì)流域范圍內(nèi)數(shù)據(jù),采用改進(jìn)的輸出系數(shù)模型計(jì)算污染負(fù)荷,其分析計(jì)算結(jié)果如表5所示。
表5 各鎮(zhèn)污染負(fù)荷分析計(jì)算表
從TN污染負(fù)荷看,各鎮(zhèn)污染負(fù)荷排序依次為玄灘鎮(zhèn)、云錦鎮(zhèn)、奇峰鎮(zhèn)、立石鎮(zhèn)、云龍鎮(zhèn)、毗盧鎮(zhèn)、兆雅鎮(zhèn),玄灘鎮(zhèn)污染負(fù)荷最大為144.27 t/a,占比29.97%,其次云錦鎮(zhèn)為96.07 t/a,占比19.96%,二者占比30%和20%左右;從TP污染負(fù)荷看,各鎮(zhèn)排序依次為玄灘鎮(zhèn)、云錦鎮(zhèn)、奇峰鎮(zhèn)、立石鎮(zhèn)、云龍鎮(zhèn)、毗盧鎮(zhèn)、兆雅鎮(zhèn),玄灘鎮(zhèn)污染負(fù)荷70.12 t/a,占比29.84%,其次云錦鎮(zhèn)為46.95 t/a,占比19.98%,二者分別達(dá)到總負(fù)荷的30%和20%左右,玄灘鎮(zhèn)、云錦鎮(zhèn)是該區(qū)域的重點(diǎn)污染防治鄉(xiāng)鎮(zhèn)。除云龍鎮(zhèn)外,農(nóng)村生活是TN污染負(fù)荷主要來源,其次為農(nóng)田徑流、畜禽養(yǎng)殖,云龍鎮(zhèn)以畜禽養(yǎng)殖為主要污染來源;各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)村生活是TP污染負(fù)荷主要來源,其次為畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流,但各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在負(fù)荷大小和占比上存在差異。綜上,玄灘鎮(zhèn)、云錦鎮(zhèn)TN/TP污染負(fù)荷基本在20%或以上,是區(qū)域的重點(diǎn)污染防治鄉(xiāng)鎮(zhèn);農(nóng)村生活污染基本是各鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要污染源,TN是各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染物。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)TN/TP污染負(fù)荷分布圖如圖3所示。
圖3 各鎮(zhèn)TN/TP等標(biāo)負(fù)荷排放量分布
龍溪河流域內(nèi)兩大子流域分別為玉河溝子流域和三溪口水庫(kù)(也稱玉龍湖)子流域。從子流域的角度,評(píng)估不同污染源的TN/TP污染負(fù)荷,以及2個(gè)子流域?qū)埾恿饔蛭廴矩?fù)荷的貢獻(xiàn)率。具體子流域污染負(fù)荷如表6所示。
表6 子流域污染負(fù)荷分析計(jì)算表
玉河溝子流域TN/TP污染負(fù)荷分別為136.14、66.44 t/a,占流域比重28.28%、28.27%,三溪口水庫(kù)子流域內(nèi)TN/TP污染負(fù)荷分別為為55.42、27.33 t/a,占流域比重11.51%、11.63%,玉河溝子流域污染負(fù)荷是三溪口水庫(kù)子流域的2.46、2.43倍,對(duì)龍溪河流域貢獻(xiàn)率約為30%、10%,可見,玉河溝子流域貢獻(xiàn)率更大,是龍溪河流域重點(diǎn)防治子流域。農(nóng)村生活污染是2個(gè)子流域內(nèi)的主要污染源,總負(fù)荷分別為59.32、127.18 t/a,其次為畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流污染。從TN污染負(fù)荷看,玉河溝子流域農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流分別占比60.32%、25.34%、14.34%,三溪口水庫(kù)子流域分別占比69.11%、17.13%、13.76%,農(nóng)村生活TN污染負(fù)荷占比均在60%以上;從TP污染負(fù)荷看,玉河溝子流域農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流分別占比67.83%、26.52%、5.65%,三溪口水庫(kù)子流域分別占比76.90%、17.74%、5.35%,農(nóng)村生活TP污染負(fù)荷占比均在65%以上。從不同土地利用污染負(fù)荷看,2個(gè)子流域的建設(shè)用地TN污染負(fù)荷大于水稻田和旱地,水稻田TP污染負(fù)荷大于建設(shè)用地和旱地。2個(gè)子流域等標(biāo)負(fù)荷分布如圖4所示。
圖4 子流域TN/TP等標(biāo)負(fù)荷排放量分布
基于改進(jìn)的輸出系數(shù)模型進(jìn)行面源污染負(fù)荷評(píng)估,為驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果,擬采用流域出口云龍戰(zhàn)旗村斷面同期逐月徑流量與監(jiān)測(cè)斷面TN、TP水質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的實(shí)測(cè)負(fù)荷量進(jìn)行對(duì)比,具體計(jì)算結(jié)果見表7。經(jīng)過降雨及地形因子修正后,對(duì)比模型改進(jìn)前后污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果,TN負(fù)荷相對(duì)誤差由改進(jìn)前的20.11%下降至14.74%,TP負(fù)荷相對(duì)誤差由改進(jìn)前的15.79%下降至10.55%,改進(jìn)后模型模擬精度有所提高??紤]到河流的自凈能力可以削減部分污染負(fù)荷,實(shí)際負(fù)荷應(yīng)小于模型計(jì)算結(jié)果,改進(jìn)的輸出系數(shù)模型精度較高。
表7 模擬污染負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷對(duì)比結(jié)果
流域范圍內(nèi),各污染源TN的污染負(fù)荷為481.34 t/a,TP的污染負(fù)荷為235.03 t/a,農(nóng)村生活污染排放量最大,其次是畜禽養(yǎng)殖所帶來的污染,農(nóng)田徑流污染負(fù)荷最小,流域內(nèi)主要污染源是農(nóng)村生活,主要污染物為TN。玄灘鎮(zhèn)和云錦鎮(zhèn)總負(fù)荷分別達(dá)到30%和20%左右,是該區(qū)域的重點(diǎn)污染防治鄉(xiāng)鎮(zhèn),且各鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要污染源基本均為農(nóng)村生活污染,TN是各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染物?;诹饔騼?nèi)僅有個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)有污水處理廠,大部分場(chǎng)鎮(zhèn)通過簡(jiǎn)單的化糞池處理即排入水體的現(xiàn)狀,為了減少農(nóng)村生活污染的影響,應(yīng)當(dāng)加快完善污水管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和污水處理廠的建設(shè),采用新的污水處理工藝,盡量減少進(jìn)入受納水體中污染物質(zhì)的含量。
玉河溝子流域、三溪口水庫(kù)子流域氮磷總負(fù)荷分別為202.58、82.75 t/a,貢獻(xiàn)率30%、10%左右,玉河溝子流域是龍溪河流域重點(diǎn)防治子流域。2個(gè)子流域內(nèi)農(nóng)村生活污染為重點(diǎn)污染源,占比均在60%以上,其次為畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流污染。除了加強(qiáng)農(nóng)村生活污染防治,對(duì)畜禽養(yǎng)殖應(yīng)實(shí)施種養(yǎng)結(jié)合,即通過將糞便收集、廢渣還田、加工有機(jī)肥料等方式將畜禽糞便回收利用,促進(jìn)畜牧業(yè)和種植業(yè)有機(jī)結(jié)合,減少污染排放,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì);注重養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)劃,推廣集中養(yǎng)殖生產(chǎn)模式,比如養(yǎng)殖小區(qū),同時(shí)建立配套的污染處理設(shè)施,通過廢物資源化利用,比如堆肥、沼氣池等,減少污染排放量。針對(duì)農(nóng)田徑流污染多為化肥施用利用率低、配比比例失調(diào)、施肥方式方法不當(dāng)?shù)人鸬幕蚀罅苛魇栴},應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)相應(yīng)的教育宣傳,避免在降雨或灌溉的時(shí)候施肥,盡量深施肥,提倡測(cè)土后能夠配方施肥,在施用無機(jī)肥的同時(shí)多施用有機(jī)肥,減輕農(nóng)田徑流所帶來的污染。