贛江下游地區(qū)各類非點源污染源的影響研究

徐劉凱，王全金，向速林，鄒國林

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）

非點源污染是目前水體水質(zhì)惡化的重要原因。與點源污染相比，非點源具有成分復(fù)雜、排放時間不確定、排放途徑不固定等特點，且與區(qū)域的氣象水文等條件相關(guān)，導(dǎo)致非點源污染的難度較大[1]。20世紀80年代以后，非點源污染研究工作進展迅速，從概念、理論、研究方法好管理手段到新技術(shù)應(yīng)用逐步發(fā)展?？傮w而言，非點源污染研究可分為機理研究和負荷研究，負荷研究又可分為經(jīng)驗統(tǒng)計法和模型模擬法[2]。隨著非點源污染遷移轉(zhuǎn)化機理的深入研究，非點源污染模型逐步完善，形成包括非點源污染產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化、輸出及污染影響在內(nèi)的系統(tǒng)模擬過程，可以得出準確全面的非點源污染數(shù)據(jù)，但模型對輸入系數(shù)的精度及分類要求也更加苛刻。目前，針對贛江流域的非點源污染研究較少，相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完善，本文結(jié)合其他流域的相關(guān)研究，利用輸出系數(shù)模型估算贛江下游地區(qū)的非點源污染負荷及七類非點源污染源的貢獻率，為贛江水體污染的控制研究提供定量化依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

贛江是江西省最大的河流，全長758 km，流域面積8.16萬km2，占江西省面積的51%。新干以下為下游區(qū)，自新干至吳城干流長208 km。贛江下游屬于平原地貌，土壤自然肥力高，生產(chǎn)潛力大，為農(nóng)、林、牧、副業(yè)的綜合發(fā)展提供了有利條件，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以產(chǎn)糧食為主，是江西商品糧的基地之一[3]。江西全省近年畜禽養(yǎng)殖發(fā)展迅速，據(jù)統(tǒng)計2009年全省畜禽廢棄物產(chǎn)生量一年約1.22億噸，相當于工業(yè)固體廢棄物總量的1.65倍，贛江下游地區(qū)河系縱橫，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖快速發(fā)展與養(yǎng)殖污染治理不協(xié)調(diào)局面日趨嚴重[4]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展使贛江下游地區(qū)各種農(nóng)業(yè)活動范圍和強度越來越大，與之相伴的非點源污染問題成為農(nóng)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。

2 研究區(qū)非點源污染負荷與貢獻率

20世紀70年代初期，美國、加拿大在研究土地利用-營養(yǎng)負荷-湖泊富營養(yǎng)化關(guān)系的過程中，提出并應(yīng)用了輸出系數(shù)法，或稱為單位面積負荷法，這就是初期的輸出系數(shù)模型。針對初期輸出系數(shù)模型的不足，許多學(xué)者對其進行了改進與發(fā)展，極大地促進了輸出系數(shù)法的研究與應(yīng)用[5-6]。其中Norvel，Johnes等的研

式中：L為營養(yǎng)物流失量；Ei為第i種營養(yǎng)源輸出系數(shù)；Ai為第i類土地利用類型面積或第i種牲畜數(shù)量、人口數(shù)量；Ii為第i種營養(yǎng)源營養(yǎng)物輸入量；a為降雨影響系數(shù)；λ為非點源TN（或TP）負荷量的流失系數(shù)。

2.1 土地利用方式及牲畜數(shù)量的確定

根據(jù)江西省行政區(qū)劃地圖，將贛江下游地區(qū)包括為吉安市（新干縣）、新余市（分宜縣，渝水區(qū)）、宜春市（袁州區(qū)，萬載縣，宜豐縣，上高縣，高安市，樟樹市，豐城市）、南昌市（桃花鎮(zhèn)，長堎鎮(zhèn)，生米鎮(zhèn)，西山鎮(zhèn)，石崗鎮(zhèn)，青云譜鎮(zhèn)，蓮塘鎮(zhèn)，崗上鎮(zhèn)）。通過贛江下游地區(qū)相關(guān)縣市的政府部門網(wǎng)頁、相關(guān)縣市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報以及中國宏觀數(shù)據(jù)挖掘分析系統(tǒng)，搜集2006－2009年各縣市的土地利用類型以及家禽、農(nóng)村人口數(shù)量，累加求和得到贛江下游地區(qū)2006－2009年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，土地利用類型統(tǒng)計結(jié)果見表1，牲畜和農(nóng)業(yè)人口數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果見表2。究具有代表性，建立了反映土地利用/土地覆蓋與受納水體非點源污染負荷量關(guān)系的、以年為時段的一種污染物負荷模擬模型[7-8]。本文采用目前應(yīng)用較廣泛的改進模型，其表達式如下

表1 研究區(qū)域2006至2009年各種土地利用類型面積統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistic results of various land use type area from 2006 to 2009 km2

表2 研究區(qū)域2006至2009年牲畜數(shù)量及農(nóng)業(yè)人口數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果Tab.2 Statistic results of the number of livestock and agricultural population from 2006 to 2009

2.2 污染源輸出系數(shù)的確定

通過參考國內(nèi)外已有的研究成果[9-13]，結(jié)合本地區(qū)的實際情況，確定各種土地利用方式、牲畜及農(nóng)業(yè)人口的輸出系數(shù)取值（表3、表4）。

表3 贛江下游地區(qū)各種土地利用類型的TN、TP輸出系數(shù)（Ei）（t/km2·a）Tab.3 TN and TPoutput coefficient of various land use types in Ganjiang downstream area（Ei）t/km2·a

表4 贛江下游地區(qū)畜禽和農(nóng)業(yè)人口的TN、TP輸出系數(shù)（Ei）Tab.4 TN andTPoutput coefficient of livestock and agricultural population in Ganjiang downstream area（Ei）kg/ca·a-1

2.3 降雨影響系數(shù)與流域損失系數(shù)的確定

降雨影響系數(shù)a和流域損失系數(shù)λ采用本人在《應(yīng)用輸出系數(shù)模型估算贛江下游流域非點源污染負荷》中的研究成果，分別見表5與表6。

表5 贛江下游2006－2007年非點源污染TN，TP輸出的降雨影響系數(shù)Tab.5 Rainfall influence coefficient of non-point source pollution TN and TPoutput in Ganjiang downstream from 2006 to 2007

表6 贛江下游2006－2009年非點源TN和TP的流域損失系數(shù)Tab.6 River basin Loss coefficient of nonpoint source TN and TP in Ganjiang downstream from 2006 to 2009

2.4 污染源輸出負荷與貢獻率

根據(jù)輸出系數(shù)模型計算公式以及統(tǒng)計得到的贛江下游地區(qū)的各種土地利用類型面積、牲畜數(shù)量和相應(yīng)的輸出系數(shù)、降雨影響系數(shù)、流域損失系數(shù)，計算得到研究區(qū)域2006到2009年非點源TN和TP負荷結(jié)果，如表7和表8所示。

表7 贛江下游地區(qū)2006－2009年非點源TN輸出負荷量Tab.7 Output load of non-point TN in Ganjiang downstream from 2006 to 2009t

將贛江下游地區(qū)各種非點源污染產(chǎn)生的氮磷負荷量與非點源污染負荷量相比后，得到研究區(qū)不同污染源的TN，TP貢獻率見圖1和圖2。

表8 贛江下游地區(qū)2006－2009年非點源TP年輸出負荷量Tab.8 Load of non-point TPyearly output in Ganjiang downstream from 2006 to 2009t

圖1 研究區(qū)各種污染源TN貢獻率柱狀圖Fig.1 Bar chart of various pollution sources TN contribution

圖2 研究區(qū)各種污染源TP貢獻率柱狀圖Fig.2 Bar chart of various pollution sources TPcontribution

3 結(jié)果與討論

從圖1和圖2可以看出，牲畜和農(nóng)業(yè)人口是贛江下游地區(qū)污染負荷的主要來源。家禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染物負荷在贛江下游地區(qū)非點源污染負荷中所占比例最大，平均占TN和TP污染負荷的34.68%和55.03%。這主要因為畜禽養(yǎng)殖業(yè)是江西農(nóng)村經(jīng)濟的重要來源之一。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們的食物結(jié)構(gòu)逐步調(diào)整，畜禽類產(chǎn)品消費量迅速增加。集約化養(yǎng)殖特別是規(guī)模化養(yǎng)豬場大量興起，與之配套的畜禽糞尿處理設(shè)施卻發(fā)展滯后。而小規(guī)模養(yǎng)殖場和養(yǎng)殖散戶，由于規(guī)模小，設(shè)施簡單，豬場廢棄物幾乎處于放任自流狀態(tài)，對周邊水體產(chǎn)生嚴重污染。

農(nóng)村生活污水污染也是贛江下游地區(qū)的重要污染源，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的計算結(jié)果看，農(nóng)業(yè)人口的氮磷輸出平均占研究區(qū)氮磷污染負荷產(chǎn)生量的21.26%和21.2%。江西農(nóng)村生活污水一般沒有專門的管道，進行收集處理，直接排放于房前屋后的地面或附近的水體，而且洗滌用水含有大量的洗滌劑，這使得農(nóng)村生活污水成為磷污染的主要來源之一。同時，農(nóng)村生活垃圾數(shù)量巨大，處理率卻極低，大部分都是露天堆放，產(chǎn)生的高污染滲濾液在降雨徑流的沖刷下，匯入河流水體，嚴重污染水體水質(zhì)[14]。

畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污水可以通過集中收集，統(tǒng)一處理的方式凈化。在畜禽養(yǎng)殖集中區(qū)和村莊建設(shè)化糞池，將化糞池的污水由管網(wǎng)收集至附近的小型污水處理設(shè)施，進行干濕分離和無害化處理，處理后污水既可以灌溉水稻田、澆灌花卉苗木、種蓮養(yǎng)魚，還可以加工成有機或無機復(fù)合肥料，有條件的地方還可修建沼氣池，不僅解決糞尿污染環(huán)境問題，又為種植業(yè)提供肥料，減少化肥農(nóng)藥的施用，降低生產(chǎn)成本，還可以為農(nóng)村生活提供清潔燃料，具有顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效益[15]。

與家禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)人口污水相比，水稻田耕作產(chǎn)生的氮磷污染污染源更加分散，隱蔽性較強，很難通過點源收集整治的方法處理，但其產(chǎn)生的污染負荷不容小視，2006－2009年研究區(qū)耕地平均產(chǎn)生3 490.75 t氮和118.8 t磷，平均占研究區(qū)總負荷比例分別為23.45%和11.49%。這主要因為江西農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥的過量及不合理施用，以2003年為例，全省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)共施用化肥總量約334.9萬噸，耕地平均施用量為1 509 kg·（hm）-1，比1993年增加了23%，是世界平均施用量的2.34倍，是一些發(fā)達國家安全上限的7.07倍。在化肥使用過程中，農(nóng)民普遍存在不管土壤肥力狀況、不管農(nóng)作物對養(yǎng)分的需求、不管施肥時間與方式，按傳統(tǒng)習慣來施用，導(dǎo)致施用的氮、磷、鉀三要素比例結(jié)構(gòu)不盡合理，氮磷施用量偏大，大量氮磷元素沒有被植物吸收而流失，造成耕地稱為氮磷流失的重要污染源[16]。

針對水稻田耕作造成的非點源污染，保護好水稻田溝渠植被，減少水土流失造成的氮磷流失，增強“溝渠+池塘”生態(tài)濕地系統(tǒng)對流失氮磷的截留去除功能。在大面積耕地下游河流匯水區(qū)域，可以建設(shè)人工濕地凈化水稻田排水。人工濕地具有緩沖容量大、處理效果好、工藝簡單、投資省、運行費用低等特點，適合水稻田污水的凈化處理，能有效減少水稻田排放污染物對周圍水源和贛江水質(zhì)的影響，且能顯著改善生態(tài)環(huán)境，形成人類與水生生物協(xié)調(diào)發(fā)展的自然景觀，有利于促進良性生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，有顯著的社會、環(huán)境和經(jīng)濟效益[17]。

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