古藺河流域古藺縣段農(nóng)業(yè)非點源污染綜合評價

李小麗,敖天其,2,黎小東

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,成都 610065; 2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室,成都 610065)

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古藺河流域古藺縣段農(nóng)業(yè)非點源污染綜合評價

李小麗1,敖天其1,2,黎小東1

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,成都 610065; 2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室,成都 610065)

為了能準(zhǔn)確估算古藺河流域古藺縣境內(nèi)農(nóng)業(yè)非點源污染的輸出負(fù)荷，確定出農(nóng)田地表徑流、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村居民生活污染中TN，TP輸出量對水環(huán)境不同程度的影響?；谳敵鱿禂?shù)法，對研究區(qū)內(nèi)三種污染源和兩種污染物進(jìn)行農(nóng)業(yè)非點源污染綜合評價，得到以下結(jié)果：研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)非點源污染的輸出總量為4 051.14 t/a。其中TN負(fù)荷量為3 738.50 t/a，TP為312.64 t/a。從污染源角度分析，農(nóng)田地表徑流、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村居民生活三種污染源的總等標(biāo)污染負(fù)荷比分別為16.57%，37.97%，45.45%。從污染物角度分析，TN，TP兩種污染物的總等標(biāo)污染負(fù)荷比分別為70.51%和29.49%。結(jié)果表明，農(nóng)村居民生活和畜禽養(yǎng)殖污染是研究區(qū)內(nèi)最主要的污染源，TN負(fù)荷量遠(yuǎn)大于TP為主要污染物，根據(jù)研究區(qū)的水污染情況，有針對性地提出農(nóng)業(yè)非點源污染的防控措施。

農(nóng)業(yè)非點源污染; 輸出系數(shù)模型;TN,TP負(fù)荷; 綜合評價; 古藺河流域

水環(huán)境污染的來源由兩部分構(gòu)成點源污染和非點源污染。近年來隨著我國實施強(qiáng)化流域水資源環(huán)境綜合整治，使得由點源污染引起的水環(huán)境污染問題得到了有效控制，而其中非點源污染則成為河流湖泊水體富營養(yǎng)化的主要影響因素，特別是農(nóng)業(yè)非點源污染問題顯得尤為突出。一方面，隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，化肥農(nóng)藥的大量施用造成許多污染物質(zhì)隨農(nóng)田排水或者降水進(jìn)入河流污染水體；另一方面，在我國農(nóng)村地區(qū)，由于養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展和人口的加劇，加之排污管道和污水集中處理系統(tǒng)尚未健全，導(dǎo)致大量污水、污染物隨意排放，對水環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，要從根本上解決我國水污染問題，關(guān)鍵還是必須把農(nóng)業(yè)污染防治盡早納入環(huán)境保護(hù)的議程中，對流域農(nóng)業(yè)非點源污染的防治引起高度重視[1]，而其中的小流域農(nóng)業(yè)非點源污染則是水體污染的重要原因之一[2]。

為了能更好地解決流域水生態(tài)環(huán)境問題，從根本上改善流域的水環(huán)境狀況，我國就農(nóng)業(yè)非點源污染研究主要從污染負(fù)荷計算及防治控制對策兩方面著手。由于農(nóng)業(yè)非點源污染的監(jiān)測難度過大，缺乏可用的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)資料，難以進(jìn)行基于物理性質(zhì)的機(jī)理模型模擬，為了滿足對流域水污染控制和治理的需要，在保證一定精度條件下建立了經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行農(nóng)業(yè)非點源污染的評估[3-5]。輸出系數(shù)模型作為經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷囊环N，以其參數(shù)少，操作簡便和具有相對穩(wěn)定性而被許多國家廣泛應(yīng)用[6]。輸出系數(shù)模型采用的是“黑箱”原理，通過土地利用、牲畜和人口等數(shù)據(jù)資料來估算流域非點源污染物TN，TP的輸出量，將非點源污染復(fù)雜的形成過程簡化，從而降低對污染物在流域遷移轉(zhuǎn)化過程監(jiān)測數(shù)據(jù)的依賴性[7]。由于農(nóng)業(yè)非點源污染中氮磷元素超標(biāo)排放是造成水體富營養(yǎng)化的直接原因，本文通過采用輸出系數(shù)法，對古藺河流域古藺縣段的農(nóng)田地表徑流污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)村居民生活污染三大污染源和TN，TP兩種污染物進(jìn)行農(nóng)業(yè)非點源污染綜合評價并提出整治該地區(qū)水環(huán)境污染的合理性建議。

1　輸出系數(shù)模型

1.1輸出系數(shù)模型介紹

Johnes等[8]在前人的基礎(chǔ)上經(jīng)過長期研究和實踐，建立了更為完備的輸出系數(shù)模型，綜合考慮了土地利用類型、牲畜、人口等因素的影響和不同污染源類型的輸出系數(shù)，有效提高了模型的模擬精度，使其得到了進(jìn)一步完善和廣泛應(yīng)用。模型的一般表達(dá)式為：

1.2輸出系數(shù)確定

目前，國內(nèi)在輸出系數(shù)模型方面的研究已取得顯著成果，許多學(xué)者更是針對不同地區(qū)上的不同污染源進(jìn)行了分析和總結(jié)。其中，輸出系數(shù)的種類和取值作為輸出系數(shù)模型的關(guān)鍵，在很大程度上反映了研究區(qū)域非點源污染的輸出強(qiáng)度，成為模型研究的重點問題[9]。

輸出系數(shù)決定了每種確定的污染源向水體排放污染物(TN，TP)的輸出率，國內(nèi)外通常采用三種方法來確定不同地區(qū)的輸出系數(shù)：文獻(xiàn)綜合法、科學(xué)試驗法和水位統(tǒng)計法[10]。在實際工作中，一般根據(jù)流域的實際情況，并在前人研究成果的基礎(chǔ)上，修正得出合理的輸出系數(shù)。由于缺乏必要的監(jiān)測數(shù)據(jù)，本研究在結(jié)合實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用文獻(xiàn)綜合法對輸出系數(shù)進(jìn)行確定。丁曉雯[11-12]、劉瑞民[13]等通過利用水文統(tǒng)計法對長江上游多個流域進(jìn)行研究，得出了一套適合長江上游地區(qū)不同污染源TN，TP的輸出系數(shù)。古藺河流域分布于長江上游地區(qū)，為赤水河的一級支流，輸出系數(shù)主要借鑒于長江上游地區(qū)，尤其是四川省境內(nèi)的研究文獻(xiàn)，同時也參考了國內(nèi)其他流域研究成果[14-16]，并結(jié)合研究區(qū)的實地情況，確定出本研究區(qū)的輸出系數(shù)，見表1。

表1　研究區(qū)各污染源的綜合輸出系數(shù)值

2　應(yīng)用實例

2.1研究區(qū)概況

古藺河是赤水河左岸的一級支流，流經(jīng)古藺縣境內(nèi)，流域面積965 km2，河長70.7 km，河床平均比降18.4‰。古藺河上游地區(qū)為山區(qū)河流，徑流主要由降雨補(bǔ)給。河谷狹窄，坡陡水急，中下游地區(qū)地勢相對較低，河谷寬窄相間，兩岸分布著全縣主要的良田、耕地。古藺河的主河道自西向東穿城而過，承擔(dān)著古藺縣境內(nèi)生產(chǎn)、納污、泄洪等城市生態(tài)水環(huán)境功能，但流域內(nèi)降雨量較少，生態(tài)環(huán)境脆弱，蓄水保水能力低下，形成地表徑流低，而古藺縣規(guī)劃滯后，城鎮(zhèn)功能分區(qū)混雜，城市生活污水處理達(dá)標(biāo)率不到10%，導(dǎo)致古藺河城區(qū)段水環(huán)境質(zhì)量低下，近幾年水質(zhì)均在Ⅴ類以下，長此以往不僅影響流域自身的生態(tài)環(huán)境，也會對上游赤水河段造成水環(huán)境危害。

2.2研究數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本研究基于輸出系數(shù)法模擬的數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括2013年古藺河流域古藺縣境內(nèi)農(nóng)業(yè)非點源污染的三類污染源；土地利用類型為旱地、水稻田、果園、天然林地、荒地和建筑用地；畜禽養(yǎng)殖類型是大牲口、豬、羊和家禽，由于集中式畜禽養(yǎng)殖污染物采用沼氣池處理，對農(nóng)業(yè)非點源污染影響較小，可忽略；農(nóng)業(yè)人口。兩種污染物為TN和TP。其中，土地利用類型由四川省古藺縣國土局提供，各類土地利用面積數(shù)據(jù)則是根據(jù)GIS的空間分析功能從2013年土地利用類型圖斑中統(tǒng)計得到；畜禽及人口數(shù)量數(shù)據(jù)主要來源于古藺縣畜牧局和統(tǒng)計局。

3　非點源污染TN，TP負(fù)荷量的計算及分析

基于輸出系數(shù)模型對各類污染源進(jìn)行農(nóng)業(yè)非點源污染TN，TP負(fù)荷量的計算，并通過等標(biāo)污染負(fù)荷法[17]把各污染源和污染物轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，綜合評價各污染源和污染物對環(huán)境的影響程度。從等標(biāo)污染負(fù)荷角度分析各污染源對入河總等標(biāo)污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)度，確定出研究區(qū)內(nèi)各類污染源污染水環(huán)境的主要方式。

從表2可以看出，古藺河流域古藺縣段的非點源TN，TP的輸出量分別為3 738.50 t/a和312.64 t/a，可見水環(huán)境中非點源污染形勢相當(dāng)嚴(yán)峻[18]。總等標(biāo)污染負(fù)荷比中TN遠(yuǎn)大于TP，負(fù)荷比為2.39∶1。農(nóng)田地表徑流中TN等標(biāo)污染負(fù)荷量為686.74 t/a，TP為191.94 t/a，導(dǎo)致二者比例嚴(yán)重失調(diào)的主要誘因是農(nóng)民為了獲得農(nóng)業(yè)增產(chǎn)而對化肥農(nóng)藥的不合理施用；畜禽養(yǎng)殖中TN等標(biāo)污染負(fù)荷量為1 519.01 t/a，TP為494.24 t/a，由于農(nóng)村散養(yǎng)畜禽養(yǎng)殖缺乏規(guī)?；廴咎幚硐到y(tǒng)，且忽視畜禽糞便和養(yǎng)殖廢水給水環(huán)境帶來的危害，加重了對周圍水源和地表水的污染；農(nóng)村居民生活污染對TN，TP的貢獻(xiàn)度最大，TN等標(biāo)污染負(fù)荷量為1 532.75 t/a，TP為877.03 t/a，農(nóng)村居民住房分散沒能形成集中的污染處理系統(tǒng)，加之村民環(huán)境保護(hù)意識不足，導(dǎo)致生活垃圾和生活污水不能及時進(jìn)行處理，隨意排入自然環(huán)境中，直接造成了地表水體的污染。

表2　研究區(qū)各類污染源TN，TP負(fù)荷量計算

注：等標(biāo)污染負(fù)荷的單位為(t·a-1)/(mg·L-1)，下表同。

表3給出了農(nóng)田徑流污染、畜禽養(yǎng)殖污染以及農(nóng)村居民生活這三類污染源的年入河總量為4 051.14 t。比較兩種污染物TN，TP的貢獻(xiàn)度，其中農(nóng)村居民生活污染對非點源TN，TP的貢獻(xiàn)度最大，分別占總等標(biāo)污染負(fù)荷的28.91%和16.54%；畜禽養(yǎng)殖污染對非點源TN，TP的貢獻(xiàn)度次之，分別占總等標(biāo)污染負(fù)荷的28.65%和9.32%；最后是農(nóng)田徑流污染對TN，TP的貢獻(xiàn)度分別為12.95%和3.62%。說明TN，TP污染主要污染源是農(nóng)業(yè)居民生活和畜禽養(yǎng)殖。

從土地利用類型的角度來看，農(nóng)田徑流污染的年入河總量為725.12 t。污染物TN，TP的等標(biāo)污染負(fù)荷總趨勢相同，其中天然林地的污染物TN，TP污染負(fù)荷量最大，分別占總等標(biāo)污染負(fù)荷的49.95%和15.74%；旱地的污染物污染負(fù)荷量次之，分別占總等標(biāo)污染負(fù)荷的21.68%和4.34%；再次是水稻田的污染負(fù)荷量，分別占總等標(biāo)污染負(fù)荷的5.03%和1.57%；最后是建筑用地、果園和荒地，它們產(chǎn)生的污染負(fù)荷微乎其微，可忽略不計。由此說明，天然林場、旱地和水稻田是農(nóng)田地表徑流污染的主要來源，見表4。

表3　研究區(qū)各類污染源入河等標(biāo)污染負(fù)荷值

表4　研究區(qū)農(nóng)田地表徑流污染入河等標(biāo)污染負(fù)荷值

從畜禽養(yǎng)殖種類的角度來分析，畜禽養(yǎng)殖污染的年入河總量為1 617.85 t。大牲口和豬的等標(biāo)污染負(fù)荷最大，TN負(fù)荷中，大牲口和豬分別占總等標(biāo)污染負(fù)荷的40.51%和27.23%，TP負(fù)荷中為8.58%和13.91%；其次是羊和家禽，TN負(fù)荷中，羊和家禽分別占總等標(biāo)污染負(fù)荷的4.49%和3.22%，TP負(fù)荷中為0.72%和1.34%。由此說明，研究區(qū)內(nèi)畜禽養(yǎng)殖污染主要來源于大牲口和豬，見表5。

表5　研究區(qū)畜禽養(yǎng)殖污染入河等標(biāo)污染負(fù)荷值

4　結(jié)論與建議

本文基于提出的輸出系數(shù)法對古藺河流域古藺縣境內(nèi)農(nóng)業(yè)非點源污染TN，TP進(jìn)行了綜合評價，得出不同污染源對研究區(qū)內(nèi)水環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，針對不同污染源采取有效措施是減少污染物入河的關(guān)鍵，因此，根據(jù)實際情況在農(nóng)田地表徑流、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)人口等方面提出了相應(yīng)的污染防治控制措施，以期來有效改善研究區(qū)的水質(zhì)狀況。

(1)農(nóng)田地表徑流污染方面：古藺縣作為一個農(nóng)業(yè)大縣，化肥施用總量較大，但化肥的增產(chǎn)效果卻不明顯。主要是由于農(nóng)民施肥憑經(jīng)驗，普遍存在盲目施肥和過量施肥現(xiàn)象，不但增加生產(chǎn)成本，浪費(fèi)化肥，還造成農(nóng)田地表徑流污染。為了能有效控制氮磷元素進(jìn)入水體，防止水環(huán)境污染，一方面針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，林業(yè)較少這一現(xiàn)象，對土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使其合理化。另一方面可以通過科學(xué)合理施肥來減少化肥和農(nóng)藥的使用。增施有機(jī)肥，熟化培肥土壤是建設(shè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田的基礎(chǔ)。重視秸稈還田，改善土壤物理性狀。實行合理的輪作制，做到用地與養(yǎng)地相結(jié)合；加強(qiáng)低產(chǎn)土壤的改良利用。針對古藺縣內(nèi)低產(chǎn)田低產(chǎn)原因，在改善灌溉條件的前提下，逐年加深耕層，增施有機(jī)肥，有條件的地方進(jìn)行滲沙改土；若要提高耕地地力，提高作物產(chǎn)出，就要大力推廣測土配方施肥[19]。首先要了解作物的需肥規(guī)律、土壤的供肥性能和肥料效應(yīng)，與現(xiàn)代信息技術(shù)緊密結(jié)合，科學(xué)的測土、配方、配肥、施肥。其次要開展技術(shù)指導(dǎo)，幫助農(nóng)民選擇肥料，確保施肥數(shù)量和最佳施肥時期，全面提高有機(jī)肥的施用量和施肥效益。

(2)畜禽養(yǎng)殖污染方面：由于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)條件的限制，政府沒有針對畜禽散養(yǎng)戶修建分散的污染處理系統(tǒng)，而畜禽養(yǎng)殖戶自身也沒有足夠經(jīng)濟(jì)能力能夠建立治污設(shè)施，加之有些養(yǎng)殖戶缺乏環(huán)境保護(hù)意識，導(dǎo)致散養(yǎng)型畜禽養(yǎng)殖污染成為古藺縣內(nèi)農(nóng)業(yè)非點源污染的主要來源之一。改變現(xiàn)有養(yǎng)殖方式是控制散養(yǎng)型畜禽養(yǎng)殖污染的一個可行途徑。對于散養(yǎng)型畜禽養(yǎng)殖，采取集約化養(yǎng)殖方式，建設(shè)規(guī)模化“養(yǎng)殖小區(qū)”，采用沼氣池“厭氧處理+還田”的技術(shù)模式，對糞便和廢水進(jìn)行資源化利用或處理，有效減少畜禽養(yǎng)殖污染物入河量。對于畜禽養(yǎng)殖相對分散的地區(qū)，可推行生態(tài)養(yǎng)殖業(yè)—沼氣—有機(jī)肥料—高效種植業(yè)的內(nèi)循環(huán)模式，資源化利用畜禽糞污，通過農(nóng)村沼氣池等一系列措施從根本上減少污染物排放。

(3)農(nóng)業(yè)居民生活污染方面：農(nóng)村居民生活污染是古藺河流域古藺縣境內(nèi)最主要的污染來源。由于村落及居民住房分散，且農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件有限，缺乏污染治理專業(yè)人員，多地尚未修建排污處理系統(tǒng)，任由農(nóng)村居民將生活污水和生活垃圾排放于自然環(huán)境中，造成附近水體的污染。分散式污水處理裝置具有布局靈活、施工簡單、管理方便、出水水質(zhì)有保障等特點，是解決農(nóng)村分散式污水處理的有效途徑之一。不過要注意污水處理系統(tǒng)的監(jiān)控、保養(yǎng)和維護(hù)機(jī)制，確保污水處理系統(tǒng)長期有效的運(yùn)行。對于農(nóng)村生活垃圾，可向散戶指定垃圾存放點，嚴(yán)禁垃圾亂堆亂放，尤其是垃圾入河，要定期進(jìn)行河流垃圾的清理。另外，可盡量將農(nóng)戶集中，方便進(jìn)行生活污水和生活垃圾處理，完善農(nóng)村生活污水、垃圾的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，改善農(nóng)村環(huán)境。

(4)加強(qiáng)農(nóng)村環(huán)保宣傳教育：農(nóng)村居民缺乏基本的環(huán)境保護(hù)意識是造成農(nóng)業(yè)非點源污染的元兇，大力加強(qiáng)農(nóng)村環(huán)境保護(hù)宣傳和環(huán)保教育，讓廣大群眾切實認(rèn)識到農(nóng)村環(huán)境所面臨的嚴(yán)重威脅是當(dāng)務(wù)之急。合理施肥，節(jié)水灌溉，積極推進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)，改善流域的水環(huán)境問題。

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Study on Estimating Method of Agricultural Non-point Source Pollution Based on Export Coefficient Theory

LI Xiaoli1,AO Tianqi1,2,LI Xiaodong1

(1.College of Water Resource & Hydropower,Sichuan University,Chengdu 610065,China; 2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

In order to accurately calculate export loads of agricultural non-point source from Gulin River within the territory of Gulin County,TN and TP export loads for farmland surface runoff pollution,livestock pollution and pollution of agricultural population were determined.Based on export coefficient model,we comprehensively evaluated agricultural non-point source pollution of study area by using three kinds of pollution sources and two kinds of pollutants,and drew the following conclusions.The total pollution load from agricultural non-point pollution source was 4 051.14 t/a.The loads of TN and TP were 3 738.50 t/a and 312.64 t/a.From the perspective of the pollution source,the total standard pollution load rates of farmland surface runoff,livestock and agricultural population were 16.57%,37.97%,45.45%,respectively.From the perspective of the pollutants,the total standard pollution load ratio of TN and TP were 70.51% and 29.49%,respectively.The results showed that rural resident living sewage and livestock pollution were the most main pollution sources.TN load was much greater than TP load so that TN load was the most main pollutant.With respect to the situation of water pollution,the agricultural non-point source pollution prevention and control measures were put forward.

agricultural non-point source pollution; export coefficient model; TN load and TP load; comprehensive evaluation; Gulin River Basin

2016-05-01

2016-06-02

中國氣象局成都高原氣象研究所開放資助項目(LPM2014003);四川省科技廳科技支撐項目(2015SZ0212);四川省環(huán)境保護(hù)廳科技項目(11HBT-01)

李小麗(1990—),女,河北衡水人,碩士研究生,研究方向為農(nóng)村非點源污染與分布式水文模型。E-mail:m18328005980@163.com

敖天其(1964—),男,重慶銅梁人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為農(nóng)村非點源污染與分布式水文模型。E-mail:als584@163.com

X52

A

1005-3409(2016)05-0327-05