遼河源頭區(qū)流域農(nóng)業(yè)非點源污染風險評價與關(guān)鍵源區(qū)識別

呂 川，張洪鈺，齊 琳

(吉林省環(huán)境科學研究院，吉林 長春 130012)

研究表明，目前點源逐漸得到有效控制，非點源污染成為繼點源污染后水環(huán)境的首要污染源［1］。其中農(nóng)業(yè)引起的非點源污染是目前水體污染最重大的問題之一［2］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中通過農(nóng)田地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏，以農(nóng)田中的氮、磷、農(nóng)藥、化肥及其他有機或無機污染物質(zhì)(通過降水或灌溉等形式)進入水體所造成的污染，統(tǒng)稱為農(nóng)業(yè)非點源污染(Nonpoint－source agricultural pollution)［3］。非點源污染的發(fā)生具有隨機性、廣泛性、模糊性和滯后性等特點［4］，其影響因素也比較廣泛，如土壤、地形、降水、水文條件、土地利用方式等，污染負荷分布差異性非常顯著，體現(xiàn)在不同景觀單元上差異也十分明顯［5－6］。決定收納水體質(zhì)量的少數(shù)景觀單元輸出的污染物占整個流域污染負荷較大比重［7］，因而成為非點源污染物的關(guān)鍵源區(qū)(CSAs:Critical Source Areas)。確定流域內(nèi)農(nóng)業(yè)非點源污染最有效的方法就是針對不同的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進行非點源污染風險評價［8］。國外有不少學者認識到了這一點，進行了大量相關(guān)的研究［9－10］。Petersen等［9］對賓夕法尼亞州進行研究采用GIS技術(shù)和農(nóng)業(yè)非點源污染潛力指數(shù)系統(tǒng)(APPI:Agricultural Pollution Potentia Index)來評價非點源污染發(fā)生的潛力，識別不同流域污染流失的重點發(fā)生區(qū)。Lemunyon等［11］對農(nóng)業(yè)地區(qū)磷元素流失的危險性進行了評價，在多因子相互作用的影響下使用了磷指數(shù)評價法。Hughes等［12］對愛爾蘭的農(nóng)業(yè)地區(qū)進行磷分級方案存在的研究，提出了地塊尺度磷流失危險分級方案和流域尺度的磷流失危險分級方案。李琪等［13］對官廳水庫上游妨水河農(nóng)耕區(qū)的磷元素風險性進行了評價，以流域磷分級方案為前提，提出了修正的流域尺度磷分級方案。

本文綜合考慮遼河源頭區(qū)流域影響非點源污染物流失的主要因素，綜合多種數(shù)據(jù)源，采用RS和GIS技術(shù)，篩選非點源污染風險的主要影響因子，從源因子和遷移因子兩方面出發(fā)建立遼河源頭區(qū)流域風險評價指標體系，得出污染流失的風險指數(shù)。根據(jù)風險指數(shù)對農(nóng)業(yè)非點源污染風險劃分等級，識別非點源污染的關(guān)鍵源區(qū)，針對關(guān)鍵源區(qū)發(fā)生風險的順序提出管理措施和建議，為流域非點源污染控制工作提供依據(jù)，對流域治理目標的實現(xiàn)起到積極作用。

1 研究區(qū)概況

遼河源頭區(qū)流域位于吉林省西南部，地處東經(jīng) 123°42'－125°31'，北緯 42°34'－44°08'，流域面積15746 km2，占全省總土地面積的8.4%，主要河流有東遼河、西遼河、招蘇臺河。流域地處松遼平原中部，低山、丘陵和平原兼?zhèn)洌挥谶|河流域上游，地勢由東南向西北緩降，海拔高程611～120 m。東南部為低山丘陵地帶，山高谷寬，山間夾雜小的溝川平地，土質(zhì)肥沃，山體表層土質(zhì)較好。中西部為平原區(qū)，為起伏的臺地和平緩的平原，東遼河、招蘇臺河穿行其間，沿河兩岸地勢低平。氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L氣候區(qū)，四季分明，多年平均降水量為545mm，大部分降水量集中在6～9月，約占全年降水量的80%，多年平均蒸發(fā)量為1020mm。地表水資源總量為15.02億m3，人均水資源量為619 m3，是全省人均占有量的45%，水資源相對短缺。水資源年內(nèi)變化較大，大部分降水量集中在6～9月，約占全年降水量的80%。徑流年內(nèi)分配不均衡，6～9月份為豐水期，3、4、5、10月份為平水期，11月份進入枯水期，流量顯著減少，有的河段甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。

遼河源頭區(qū)流域地跨四平市、遼源市所轄的7個市、縣，共計81個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。分別是:四平市市區(qū)、公主嶺市、梨樹縣、雙遼市、伊通縣(大孤山鎮(zhèn)、小孤山鎮(zhèn)、靠山鎮(zhèn))，遼源市市區(qū)、東遼縣。2008年，流域所轄7個市縣總?cè)丝?52.5萬人，其中農(nóng)業(yè)人口196.32萬人［14］。該流域是吉林省重要的能源基地，同時也是東北地區(qū)重要的商品糧基地。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程較快，是吉林省農(nóng)業(yè)種植和牧業(yè)養(yǎng)殖的重點區(qū)域。2008年，流域內(nèi)耕地約占流域面積的42.19%。豐富的糧食資源為發(fā)展畜禽養(yǎng)殖提供了有利條件，2008年，流域內(nèi)共有大牲畜近119.2萬頭，小牲畜近470.5萬頭。但近年來，由于流域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理，工業(yè)結(jié)構(gòu)性污染和面源比較突出，對遼河流域水質(zhì)造成較嚴重污染，使生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾日益尖銳。

2 指標體系的建立

2.1 指標的選擇

非點源污染的發(fā)生受多種因素的影響:不同的土地利用類型影響著水土保持的程度及氮磷元素的來源量，施肥量及牲畜排泄量直接影響氮磷元素的排放程度，土地距河流的遠近程度影響非點源污染的遷移擴散過程;非點源污染的發(fā)生還受降雨影響，降雨具有間歇性，其強度大小又受到發(fā)生地的土壤類型、土地利用類型和地形條件的約束，從而具有顯著的區(qū)域特征，此外，人口的變動也直接作用于非點源污染。因此，結(jié)合現(xiàn)有資料，最終選擇遼河源頭區(qū)流域的人口密度因子、年降雨量因子、土地利用類型因子、至河流的距離因子、氮磷肥施用量因子、畜禽養(yǎng)殖污染物因子和年徑流深因子7個影響因子構(gòu)建了農(nóng)業(yè)非點源污染風險評估指標體系。

2.2 指標權(quán)重的確定

各影響因子對農(nóng)業(yè)非點源污染的危害程度不同，因此需要確定各影響因子和權(quán)重以獲得更準確的污染風險等級［15］。此次采用層次分析法中的冪法確定影響因子權(quán)重。由于農(nóng)業(yè)非點源污染受多因子共同作用，且具有隨機性、廣泛性、模糊性和滯后性等特點，因此適合采用層次分析法［16］。分析得到各評價因子的權(quán)重(表1)。

表1 遼河源頭區(qū)流域農(nóng)業(yè)非點源污染風險評價指標及權(quán)重Tab.1 Agricultural non-point source pollution risk evaluation and weight in the source areas of Liaohe river watershed

3 非點源風險評價模型的建立

3.2 各影響因子的獲取

3.2.1 人口密度因子 人口與非點源污染的關(guān)系十分密切，人口數(shù)量的增長直接引起了污染物排放量的增多，空氣污染以及水質(zhì)污染等，是影響非點源污染的重要因素之一。本文通過四平、遼源2009年年鑒得到遼河源頭區(qū)各市縣人口密度，采用反距離空間差值法得到遼河源頭區(qū)人口密度圖(圖1)。

3.2.2 年降雨量因子 降雨是影響地表土壤侵蝕和非點源擴散的重要因素之一，而遼河源頭區(qū)流域內(nèi)降雨年際變化大，大部分降雨集中在夏季，對河流流量變化影響顯著。本文采用研究區(qū)遼源氣象站和梨樹氣象站的年降雨量數(shù)據(jù)，使用ArcGIS空間分析模塊的插值功能將點數(shù)據(jù)形成趨勢面，得到遼河源頭區(qū)流域的年降雨量圖層(圖2)。

3.2.3 至河流的距離因子 不同土地距河流的遠近程度對非點源污染風險有著相當?shù)挠绊?，當評價尺度不斷擴大到流域尺度時，地表徑流和土壤侵蝕為主產(chǎn)生的非點源污染會隨著匯入水體而造成更大的風險，風險隨著距河流的距離增加而減少，因此距河流距離成為制約非點源污染擴散過程的一個重要因子［17－18］?；贒EM生成的水系圖，利用ArcGIS軟件的距離制圖功能，得到距離因子圖(圖3)。

圖1 遼河源頭區(qū)流域人口密度因子Fig.1 Population density factor in the source areas of Liaohe river watershed

圖2 遼河源頭區(qū)流域年降雨量因子Fig.2 Annual rainfall factor in the source areas of Liaohe river watershed

圖3 遼河源頭區(qū)流域至河流距離因子Fig.3 To the river distance factor in the source areas of Liaohe river watershed

圖4 遼河源頭區(qū)流域禽畜污染物因子Fig.4 Livestock contaminants factor in the source areas of Liaohe river watershed

3.2.4 畜禽養(yǎng)殖污染物因子 近年來，隨著四平和遼源地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，遼河源頭區(qū)的規(guī)?；B(yǎng)殖場和散戶養(yǎng)殖數(shù)量與污染治理措施不相匹配，畜禽的糞便和污水排放量劇增，使得畜禽養(yǎng)殖業(yè)非點源污染問題日益凸顯。根據(jù)2009年四平及遼源統(tǒng)計年鑒，得到遼河源頭區(qū)流域各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)情況，見表2。

表2 遼河源頭區(qū)流域各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖量Tab.2 Various regions of livestock and poultry in the source areas of Liaohe river watershed

結(jié)合《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》(GB 18596－2001)中的排泄系數(shù)和畜禽糞便中污染物的含量，確定2009年遼河源頭區(qū)各縣市氮磷產(chǎn)生量，并按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB－3838－2002)中3類標準求出等標污染負荷，折算得到遼河源頭區(qū)的禽畜污染物密度見表3。利用ArcGIS軟件得到該因子圖層(圖4)。

表3 遼河源頭區(qū)流域各縣市禽畜污染物密度Tab.3 Livestock pollutant density of cities and counties in the source areas of Liaohe river watershed

3.2.5 氮磷肥施用量因子 施肥量是影響農(nóng)業(yè)非點源污染的重要因子，適量的施用化肥可以促進農(nóng)作物生長，但超量施用化肥土壤會養(yǎng)分過量富集，同時化肥隨水土流失及地面徑流匯入水體，造成水體富營養(yǎng)化。對遼河源頭區(qū)各縣市采用施肥量平均計算的方法，將獲取的各縣市氮磷肥使用量中氮磷有效成分除以該地區(qū)面積，作為各縣市的單位面積氮磷含量，得到氮磷肥施用量因子(圖5)。

3.2.6 土地利用類型因子 土地利用類型影響土壤保持水土的能力和氮磷元素的來源量［19］，土地利用方式的不同間接決定非點源污染的程度。土地利用類型因子采用2009年美國陸地資源衛(wèi)星Landsat TM影像進行遙感解譯，劃分為林地、草地、耕地、交通、住宅、水域以及未利用地。河源頭區(qū)的土地利用類型因子見圖6。

3.2.7 年徑流深因子 地表徑流是污染物輸入水體的主要動力機制，也是衡量地表徑流量大小的重要依據(jù)。徑流深是指將年徑流量均勻地鋪在整個流域面積上所相當?shù)乃畬由疃龋?0］。本文采用遼河源頭區(qū)流域8個水文站1999—2009年的日流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算得到每個水文站的11年的年徑流量數(shù)據(jù)，在ArcGIS下插值計算生成流域年徑流量柵格數(shù)據(jù)。多年平均徑流量與流域面積的比值即為多年平均年徑流深，通過GIS柵格計算獲得各個柵格的年徑流深分布圖(圖7)。

圖5 遼河源頭區(qū)流域氮磷肥施用量因子Fig.5 The amount of nitrogen and phosphorus application factor in the source areas of Liaohe river watershed

圖6 遼河源頭區(qū)流域土地利用類型因子Fig.6 Type of land use factor in the source areas of Liaohe river watershed

3.3 非點源污染風險綜合指數(shù)的計算

對多種數(shù)據(jù)源進行預(yù)處理后，利用Arc/Info的Grid模塊，以30 m×30 m柵格為研究單元，對數(shù)據(jù)進行標準化處理，將7個因子的柵格屬性數(shù)據(jù)進行空間疊加得到綜合指數(shù)柵格數(shù)據(jù)文件和屬性表，采用多因子加權(quán)綜合評分法，計算每個柵格的農(nóng)業(yè)非點源風險綜合指數(shù)。

農(nóng)業(yè)非點源風險綜合指數(shù)表示為:

式中:wi為各因子對農(nóng)業(yè)面源污染風險程度的影響權(quán)重，Pi為各因子標準化后的等級分值。

分級標準的確定借鑒了前人的研究成果［21－22］，為反映農(nóng)業(yè)非點源污染風險的貢獻程度，根據(jù)研究區(qū)實際情況對各影響因子的分級標準進行校正，最終將7個因子劃分為4個級別(表4)，分布賦予1－4分，不同級別對農(nóng)業(yè)非點源污染風險程度貢獻不同，級別越高貢獻值越大。

表4 農(nóng)業(yè)非點源污染風險影響因子分級Tab.4 Impact factor classification of agricultural non-point source pollution risk

圖8 遼河源頭區(qū)流域非點源污染風險程度等級分布圖Fig.8 The degree of risk of non－point source pollution level map in the source areas of Liaohe river watershed

4 結(jié)果與分析

4.1 非點源污染風險評價結(jié)果

根據(jù)農(nóng)業(yè)非點源風險綜合指數(shù)公式，通過GIS的空間分析運算功能將各因子的評價值圖件處理疊加，得到研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)非點源風險指數(shù)圖，再根據(jù)分級標準將圖件重分類得到流域尺度的農(nóng)業(yè)非點源風險評價圖(圖8)。

遼河源頭區(qū)非點源污染發(fā)生的四級區(qū)即關(guān)鍵源區(qū)占流域面積的21.77%，主要集中在梨樹南部、公主嶺東部和南部地區(qū)。四級區(qū)主要分布在位于遼河源頭區(qū)東北部、中部以及東南部丘陵區(qū)，人口密度、畜禽養(yǎng)殖污染物以及施肥因子高風險等級區(qū)內(nèi)，且是坡耕地的主要分布區(qū)域。三級區(qū)占流域總面積的37.45%，分布在除雙遼縣外遼河源頭區(qū)大部分地區(qū)。二級區(qū)占流域面積的30.03%，主要分布在梨樹縣、四平市的北部和公主嶺市的西南部。二級和三級區(qū)位于中部和南部平原丘陵區(qū)，土地利用以旱地為主;地形階梯狀結(jié)構(gòu)明顯，由大部分的平原和小部分的丘陵組成，因此地形因子影響較小，畜禽污染因子和施肥因子影響較大，農(nóng)田養(yǎng)分流失是本區(qū)的主要問題。一級區(qū)僅占流域面積的10.75%，主要分布在雙遼市，地處遼河源頭區(qū)西部地，地勢平緩，土地利用主要為耕地、住宅用地和未利用地，植被覆蓋率較低。

4.2 管理控制措施

根據(jù)已經(jīng)劃定的遼河源頭區(qū)流域非點源風險等級區(qū)，本章根據(jù)不同等級區(qū)的特點和實際情況，分別制定不同面源污染控制區(qū)域面源污染控制管理控制措施。①畜禽養(yǎng)殖類非點源污染控制措施。遼河源頭區(qū)非規(guī)?；酿B(yǎng)殖是控制禽畜養(yǎng)殖污染的關(guān)鍵，其中非規(guī)?；B(yǎng)殖占養(yǎng)殖總量約75%，污染物流失量很大?？蓪⑿笄菁S污制成有機肥，有效回收氮、磷、鉀等元素，減少畜禽排泄帶來的非點源污染。②土壤侵蝕類非點源污染控制措施。針對流域土壤侵蝕嚴重的現(xiàn)狀，對于坡耕地采用水土保持及生物措施，由于地梗植物帶減緩水土流失和土壤中N、P流失效果較好，可采用3種措施改變土地利用類型，分別為:25°以上坡耕地退耕還林;15°～25°坡耕地變?yōu)楣麍@;25°以上荒草坡還林。③岸邊植被過濾帶。選取不同植被種植在坡耕地的坡面形成植被過濾袋，使坡面漫流時的農(nóng)田非點源污染物質(zhì)得到截留和過濾。同時，植被過濾帶作為截留、緩沖、吸收坡面地表徑流的控制措施，可整體改善河流水質(zhì)。

5 結(jié)論

本文根據(jù)遼河流域非點源污染特征，結(jié)合流域氣候特征、土地利用結(jié)構(gòu)、人口分布、化肥農(nóng)藥施用量、水土流失狀況等，以GIS和地統(tǒng)計學技術(shù)為手段，采用多因子綜合分析法，得到遼河源頭區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染風險程度評價分值，根據(jù)不同風險程度劃分流域非點源污染控制區(qū)并得到了污染關(guān)鍵源區(qū)。結(jié)果表明，遼河源頭區(qū)非點源污染發(fā)生的關(guān)鍵源區(qū)占流域面積的21.77%，主要集中在梨樹南部、公主嶺東部和南部地區(qū)。關(guān)鍵源區(qū)主要分布在人口密度、畜禽養(yǎng)殖污染物以及施肥因子高風險等級區(qū)內(nèi)，且是坡耕地的主要分布區(qū)域。針對關(guān)鍵源區(qū)分析非點源風險高發(fā)原因提出一系列控制措施，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)坡耕地水土流失情況嚴重，提出采取泥沙截留等方面的工程措施和適當改變區(qū)域土地利用方式、調(diào)整坡耕地種植結(jié)構(gòu)和種植植被緩沖帶進行污染物截留和緩沖;根據(jù)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽散養(yǎng)量大，對畜禽糞便處理和消納方式較為單一，提出應(yīng)合理布局畜禽養(yǎng)殖，推廣新型畜禽糞便處理技術(shù)。

本研究探討的農(nóng)業(yè)非點源風險多因子綜合評價和關(guān)鍵源區(qū)識別方法，有助于在流域尺度上直觀表達農(nóng)業(yè)非點源風險的空間差異，并可確定需要重點加以治理的關(guān)鍵區(qū)域，提出切實有效的管理控制措施，對遼河源頭區(qū)流域非點源污染的控制和管理起到積極作用，為源頭區(qū)河流生非點源污染態(tài)修復和遼河源頭區(qū)水源保護與水質(zhì)安全提供技術(shù)支撐。

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