賀 赟, 楊愛江,2, 陳蔚潔, 郭 悅, 馮于航, 宋 霞

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽 550025;2.貴州喀斯特環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 貴陽 550025; 3.貴州省材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 貴陽 550025)

隨著我國政府對(duì)水環(huán)境治理力度和投入的逐步加大，點(diǎn)源污染的治理已初見成效。目前相較于點(diǎn)源污染，非點(diǎn)源污染無固定排放口，具有分散性、隱蔽性、不確定性、累積性和模糊性等特性，使得對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)難度較大。非點(diǎn)源污染的防治問題逐漸成為我國水環(huán)境污染的關(guān)注焦點(diǎn)[1]，而其中農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染較為突出。目前研究非點(diǎn)源污染使用最廣泛的方法是Johnes等[2]提出的輸出系數(shù)模型(ECM)。該模型利用區(qū)域水文、氣象等參數(shù)，通過多元線性相關(guān)分析，建立區(qū)域內(nèi)土地利用類型與污染輸出負(fù)荷的關(guān)系。然后基于污染物輸出系數(shù)，對(duì)不同類型污染源的污染負(fù)荷進(jìn)行求和，以估算流域內(nèi)非點(diǎn)源污染負(fù)荷總量。該模型所需數(shù)據(jù)資料相較其他模型較少，避開了非點(diǎn)源污染從產(chǎn)生到遷移轉(zhuǎn)化的復(fù)雜過程。但該模型僅適用于降雨均勻的平原地區(qū)，對(duì)不符合此條件的非點(diǎn)源污染負(fù)荷的估算，存在較大偏差[3]。因此，許多學(xué)者對(duì)此模型進(jìn)行了改進(jìn)。蔡明等[4]在非點(diǎn)源負(fù)荷估算中，采用了引入降雨因子和流域損失系數(shù)的輸出系數(shù)模型，模擬結(jié)果更符合實(shí)際；Ding等[5]在引入降雨因子的同時(shí)，考慮了坡度對(duì)徑流流量、流速的影響，進(jìn)而引入了地形因子，模擬結(jié)果表明降雨和地形因子對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算有優(yōu)化作用；滇池流域?qū)儆诟咴饔?，降雨及地形空間差異大且非點(diǎn)源污染比例較高且有惡化的趨勢(shì)，任瑋等[6]選取了滇池流域范圍內(nèi)降雨變化明顯、地形空間差異性大的寶象河流域，利用改進(jìn)的模型對(duì)該流域非點(diǎn)源污染進(jìn)行了估算，并成功提高了污染負(fù)荷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

喀斯特地區(qū)在受到自然因素及人為因素的影響極易發(fā)生水土流失，使得土壤生產(chǎn)力下降，地下則容易形成裂隙、溶洞等[7]。降雨產(chǎn)生的坡面徑流攜帶著泥沙以及養(yǎng)分隨徑流匯入水體，極易造成水體富營養(yǎng)化[8]。但尚未有針對(duì)喀斯特地區(qū)非點(diǎn)源污染的研究。因此，本文選取降雨量大且分布不均、地形空間差異大，具有典型喀斯特地貌的北盤江流域(晴隆段)作為研究對(duì)象。研究區(qū)域位于貴州省晴隆縣北盤江峽谷區(qū)，為典型的喀斯特地貌[9]。降雨、地形以及喀斯特地貌的交互作用下，水土流失嚴(yán)重。相比其他區(qū)域，其產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染輸移更易受降水、地形影響。同時(shí)，流域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏也使得農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的計(jì)算難度較大。利用改進(jìn)的輸出系數(shù)模型，對(duì)其產(chǎn)生的TN，TP非點(diǎn)源污染進(jìn)行估算，并對(duì)非點(diǎn)源污染物進(jìn)行空間分析，了解該研究區(qū)域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷現(xiàn)狀，以期填補(bǔ)對(duì)喀斯特山區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷模擬計(jì)算的空白，同時(shí)為該類型地區(qū)污染防控提供可參考的科學(xué)方法和依據(jù)。

1 研究區(qū)域

1.1 研究區(qū)概況

晴隆縣屬高原亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量1 200 mm，是貴州省內(nèi)降雨較多的地區(qū)。因受珠江流域北盤江及其支流的強(qiáng)烈切割影響，地形起伏大，具有溝壑縱橫、巖溶發(fā)育強(qiáng)烈、落差大等特征，10°～20°坡度占全縣坡度面積的40.52%，20°以上的坡度占48.05%。碳酸鹽巖連片分布，在降雨、地形及巖性的交互作用下造成了該區(qū)域土層薄、基巖裸露度高、成土速度緩慢，是典型的喀斯特高山石漠化地區(qū)[10]，石漠化面積達(dá)到8.85萬hm2，占全縣土地面積的66.70%。境內(nèi)主要河流為北盤江及其支流，流經(jīng)晴隆縣沙子鎮(zhèn)、蓮城鎮(zhèn)、茶馬鎮(zhèn)、光照鎮(zhèn)，考慮流域范圍，同時(shí)將普安縣江西坡鎮(zhèn)和高棉鄉(xiāng)納入研究區(qū)域，研究區(qū)域范圍見圖1。

圖1 研究區(qū)域范圍及高程

1.2 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染

農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染主要由畜禽散養(yǎng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生的排放物直接入河、農(nóng)村生活污水未經(jīng)處理隨意排放等原因引起，所產(chǎn)生的主要污染物為TN和TP。研究區(qū)域周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)未設(shè)置進(jìn)入北盤江的排污口，且周邊非點(diǎn)源污染源主要是畜禽散養(yǎng)等產(chǎn)生的排放物直接入河、農(nóng)村生活污水隨意排放等，是一個(gè)典型以農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染為主的區(qū)域。因此，選取該區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，將TN、TP作為主要污染物，以農(nóng)業(yè)種植污水、畜禽養(yǎng)殖污水和農(nóng)村生活污水等作為污染源。

2 研究方法

2.1 輸出系數(shù)模型介紹

輸出系數(shù)模型是利用污染物輸出系數(shù)來估算流域非點(diǎn)源污染輸出負(fù)荷的一種方法。Johnes等[2]對(duì)不同種類的畜禽、不同的土地利用類型采用不同的輸出系數(shù)，豐富了輸出系數(shù)模型的內(nèi)容，但該模型僅在降雨均勻、地勢(shì)平坦的地區(qū)有很好的模擬效果。因此，針對(duì)本文研究區(qū)域，需要對(duì)傳統(tǒng)的輸出系數(shù)模型進(jìn)行改進(jìn)以更好的模擬研究區(qū)域的非點(diǎn)源污染。有研究表明，降雨是非點(diǎn)源污染物的主要驅(qū)動(dòng)因素[11]，而地形在非點(diǎn)源污染運(yùn)輸過程中起著至關(guān)重要的作用[12]?？紤]到降雨和地形對(duì)非點(diǎn)源污染的不均勻性。參考以往的研究，改進(jìn)的輸出系數(shù)模型(非點(diǎn)源污染)式子如下[13-14]：

(1)

式中:L為營養(yǎng)物的流失量(kg);α為降雨驅(qū)動(dòng)因子;β為地形驅(qū)動(dòng)因子;Ei為i類營養(yǎng)源的輸出系數(shù);Ai為第i類土地利用類型的面積(km2)或第i類畜禽數(shù)量或人口數(shù)量;Ii為第i類的營養(yǎng)物質(zhì)輸入值(kg);P為來自降雨的營養(yǎng)物質(zhì)輸入值(kg)。

2.2 降雨驅(qū)動(dòng)因子確定

降雨驅(qū)動(dòng)因子主要由降雨的年際變化差異αt以及流域內(nèi)降雨的空間分布差異αs疊加作用決定[15]。

(2)

馬欣敏[16]采用交叉驗(yàn)證法對(duì)反距離加權(quán)法、趨勢(shì)面法以及普通克里金法3種空間插值法的精度進(jìn)行了比較，結(jié)果表明普通克里金插值法優(yōu)于其他兩種方法。由附近氣象站2013—2017年降雨數(shù)據(jù)通過ArcGIS軟件進(jìn)行降雨量普通克里金插值分析，再由式(2)，得到降雨驅(qū)動(dòng)因子圖(圖2)，研究區(qū)域2017年TN降雨影響因子為0.980 5～1.053 7，TP降雨影響因子為0.994 7～1.068 9，空間分布均呈現(xiàn)由南東向北西遞減的趨勢(shì)。

圖2 研究區(qū)域非點(diǎn)源污染TN，TP的降雨影響因子值

2.3 地形驅(qū)動(dòng)因子

采用描述因地形差異而導(dǎo)致的非點(diǎn)源污染物負(fù)荷的變化情況的地形驅(qū)動(dòng)因子，來研究地面坡度對(duì)徑流流量和流速等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響污染物的損失量，計(jì)算公式為[17]：

(3)

根據(jù)Ding等[5]的研究結(jié)果，d取值為0.610 4。利用ArcGIS軟件對(duì)研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，得到研究區(qū)域內(nèi)的平均坡度17.22°，由式(3)可得到地形驅(qū)動(dòng)因子如下：

(4)

根據(jù)式(4)在ArcGIS軟件中通過柵格計(jì)算器計(jì)算得到研究區(qū)域地形驅(qū)動(dòng)因子圖(圖3)。

圖3 研究區(qū)域地形影響因子

2.4 輸出系數(shù)的確定

輸出系數(shù)的確定主要是通過查閱文獻(xiàn)法、試驗(yàn)法以及水文統(tǒng)計(jì)法。由于該研究區(qū)域監(jiān)測(cè)資料不足，故主要采用文獻(xiàn)法來確定輸出系數(shù)。根據(jù)《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》，結(jié)合本研究區(qū)域的實(shí)際情況以及參考國內(nèi)部分地區(qū)已有研究成果[18-19]，確定各種土地利用方式、畜禽以及農(nóng)業(yè)生活的輸出系數(shù)，見表1。

表1 研究區(qū)域非點(diǎn)源輸出系數(shù)

3 結(jié)果及分析

3.1 非點(diǎn)源污染物負(fù)荷量分析

將降雨因子、地形因子以及不同污染源輸出系數(shù)(表1)等代入式(1)，通過ArcGIS軟件計(jì)算后得到研究區(qū)域2017年非點(diǎn)源污染總負(fù)荷量(表2)

由表2可知，2017年TN，TP負(fù)荷量分別是2 582.00 t和246.74 t。總氮負(fù)荷量中畜禽養(yǎng)殖占比最大，為48.06%。之后依次是土地利用、農(nóng)村生活。這6種土地利用類型中，耕地的貢獻(xiàn)最大，這與區(qū)域農(nóng)業(yè)施加農(nóng)用氮肥有很大的關(guān)系。來自畜禽養(yǎng)殖的非點(diǎn)源磷污染占比很大，占總量的42.16%，之后依次是土地利用、農(nóng)村生活。在這6種土地利用類型中，草地的占比最大，這與區(qū)域內(nèi)草地占土地利用類型比重最大有關(guān)。

表2 研究區(qū)域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算值

將表2的數(shù)據(jù)重分類為研究區(qū)域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)后，進(jìn)行空間分布分析。結(jié)果顯示，北盤江沿岸污染貢獻(xiàn)率較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)依次是茶馬鎮(zhèn)和崗烏鎮(zhèn)，長流鄉(xiāng)和高棉鄉(xiāng)貢獻(xiàn)率最小。對(duì)TP負(fù)荷量的貢獻(xiàn)率最大是茶馬鎮(zhèn)、新鋪鎮(zhèn)、蓮城鎮(zhèn)和高棉鄉(xiāng)貢獻(xiàn)率最小?？傮w而言，TN、TP負(fù)荷量空間分布呈現(xiàn)出較大的空間差異性，茶馬鎮(zhèn)、新鋪鎮(zhèn)、崗烏鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)域面積以及耕地面積較大，人口比較多，因此這3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)非點(diǎn)源污染負(fù)荷量大(表3)。

表3 研究區(qū)域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)TN，TP負(fù)荷量 t

非點(diǎn)源污染負(fù)荷的計(jì)算包括農(nóng)村生產(chǎn)生活源、畜禽養(yǎng)殖源等。經(jīng)過實(shí)地調(diào)查，該區(qū)域并沒有大型工廠、養(yǎng)殖基地，可認(rèn)為點(diǎn)源污染源對(duì)該區(qū)域并沒有太大的影響。通過對(duì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)3種污染源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到該區(qū)域2017年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖3種污染源分布(表4)。TN負(fù)荷量各鄉(xiāng)鎮(zhèn)3種污染源貢獻(xiàn)中，每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染源所占比例最大的為畜禽養(yǎng)殖負(fù)荷量，土地利用類型污染貢獻(xiàn)率次之，最小的為農(nóng)村居民生活。這表明該研究區(qū)域內(nèi)TN負(fù)荷量主要污染源是養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的畜禽糞便及廢水，加之農(nóng)村地區(qū)排污管網(wǎng)等設(shè)施建設(shè)滯后，養(yǎng)殖廢水直接排入水體中造成污染。TP負(fù)荷量各鄉(xiāng)鎮(zhèn)3種污染源貢獻(xiàn)中，大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染源所占比例最大的為畜禽養(yǎng)殖。長流鄉(xiāng)、茶馬鎮(zhèn)、光照鎮(zhèn)、新鋪鎮(zhèn)污染源所占比例最大的為土地利用，這主要由于該研究區(qū)域內(nèi)主要以農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)業(yè)人口較多，耕種過程中化肥的大量使用導(dǎo)致耕地的輸出系數(shù)增大，因而耕地產(chǎn)生的污染負(fù)荷量過大；加之農(nóng)村生活污染物直接排入水體造成的污染。

表4 研究區(qū)域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同污染源貢獻(xiàn)情況

3.2 模型計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)的模型有效性，本文通過ECM和IECM分別計(jì)算2017年北盤江流域(晴隆段)的TN、TP污染負(fù)荷量。計(jì)算結(jié)果及對(duì)比見表5。實(shí)際觀測(cè)值采用北盤江晴隆段盤江橋斷面2013—2017年的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。將實(shí)際觀測(cè)值與估算值進(jìn)行對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證。

表5 研究區(qū)域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算值

結(jié)果顯示改進(jìn)前的模型估算的 TN污染負(fù)荷高于實(shí)際觀測(cè)值，但 IECM模型使相對(duì)誤差從28.97%降到9.80%，這與Ding等[5]的研究結(jié)果(改進(jìn)后的模型使 TN污染負(fù)荷估算量的相對(duì)偏差從-33%降到-19%)相似，這說明改進(jìn) IECM模型提高了TN負(fù)荷入河量的計(jì)算精度。TP污染負(fù)荷同樣高于實(shí)際觀測(cè)值，改進(jìn)后的模型使相對(duì)誤差從31.41%降到了2.06%。由此表明改進(jìn)后的輸出系數(shù)模型在計(jì)算非點(diǎn)源污染負(fù)荷量中精度更高，也是修正后的模型可以作為該研究區(qū)域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算的依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)2017年北盤江流域(晴隆段)TN、TP負(fù)荷強(qiáng)度趨勢(shì)相似，且兩種污染物分布特征基本一致，呈現(xiàn)分布不均的特質(zhì)：污染負(fù)荷局部集中，坡度較高和人口密度大的區(qū)域負(fù)荷量較高。茶馬鎮(zhèn)、崗烏鎮(zhèn)、光照鎮(zhèn)、江西坡鎮(zhèn)4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)負(fù)荷量最大，表明這幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)整個(gè)流域來說，更易產(chǎn)生氮、磷污染。同時(shí)，研究區(qū)域內(nèi)對(duì)TN、TP負(fù)荷量的貢獻(xiàn)率皆為畜禽養(yǎng)殖>土地利用類型>農(nóng)村生活。由此可知，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染治理時(shí)，畜禽養(yǎng)殖污染源應(yīng)是重點(diǎn)考慮對(duì)象。

(2)研究區(qū)域?yàn)榈湫偷目λ固厣絽^(qū)，在降雨和地形的影響下，單獨(dú)使用輸出系數(shù)模型計(jì)算污染負(fù)荷，精度較差。通過引入降雨，地形因子對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行改進(jìn)。驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的輸出系數(shù)模型對(duì)污染負(fù)荷的模擬計(jì)算優(yōu)化作用較為明顯，說明將降雨、地形因素考慮后，可以提高模型的精度，在喀斯特山區(qū)具有更好的適用性。