丹江流域陜西段農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷估算

宋 嘉，李懷恩，李家科，郝改瑞

(西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，西安 710048)

隨著水環(huán)境污染管控力度加強，非點源污染的嚴(yán)重性及其防治的必要性已被列入環(huán)保戰(zhàn)略核心計劃中。2015年國務(wù)院提出的“水十條”和2016年印發(fā)的《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》中明確要求加強水生態(tài)保護及農(nóng)業(yè)非點源污染治理研究；2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合印發(fā)《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》；2019年生態(tài)環(huán)境部提出“開展藍(lán)天、碧水、凈土保衛(wèi)戰(zhàn)”。估算非點源污染負(fù)荷，搞清主要來源是管控污染源頭、提高水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、加強污染防治工作的重中之重。

污染負(fù)荷估算方法包括輸出系數(shù)法、平均濃度法[1]及源強系數(shù)法[2]等，污染負(fù)荷評價通常使用等標(biāo)污染負(fù)荷法[3]。輸出系數(shù)法最初由Omernik提出，Johnes在以往模型的基礎(chǔ)上綜合考慮了土地利用類型、人口和牲畜數(shù)量等因素對非點源污染的影響進行改善。國內(nèi)學(xué)者們基于實際情況對污染負(fù)荷進行估算，盧少勇等[4]明確了洞庭湖區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷；龍?zhí)煊宓萚5]以輸出系數(shù)法為基礎(chǔ)，建立了三峽庫區(qū)上游非點源氮磷負(fù)荷模型；陸建忠等[6]則對鄱陽湖農(nóng)業(yè)非點源污染物進行估算。

伴隨“秦嶺生態(tài)環(huán)境大保護”的深入與“南水北調(diào)”工程建設(shè)，丹江流域水質(zhì)優(yōu)劣及周圍生態(tài)環(huán)境情況與沿線受水區(qū)域的國民經(jīng)濟總產(chǎn)值和人民群眾生活密切相關(guān)[7]。水質(zhì)安全是自工程建設(shè)至今研究的核心問題之一[8]。為長期穩(wěn)定達(dá)到水源地水質(zhì)要求，必須要有針對性的對不同污染物及主要污染源提出相對應(yīng)的治理措施，消減水源區(qū)的非點源污染。目前丹江流域陜西段農(nóng)業(yè)非點源污染種類、來源不明，缺乏對流域污染的現(xiàn)狀分析，而以縣區(qū)為單元的污染物空間分布特點尚未明確。

本文以流域范圍內(nèi)的5個縣區(qū)為研究對象，采用輸出系數(shù)法估算2017年丹江流域陜西段內(nèi)TN、TP、NH4-N 、COD的負(fù)荷量，運用等標(biāo)污染負(fù)荷法進行評價。對比分析不同污染源的貢獻(xiàn)度及各縣區(qū)各種污染物的主要來源，旨在為丹江流域陜西段非點源污染有的放矢地防治與管控提供強有力的科學(xué)支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

丹江，長江水系支流漢江的支流，發(fā)源于商州秦嶺南麓鳳凰山，途徑陜西省商洛市的商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣、河南省南陽市的淅川縣后匯入湖北丹江口水庫。全長443 km，總流域面積16 812 km2，在陜西省境內(nèi)全長249.6 km，流域面積7 510 km2。

流域受氣候和地形影響，降水分布極不均勻，年降水量隨地形高度增加而遞增。中上游為暴雨多發(fā)區(qū)，河谷及附近川道為少雨區(qū)。丹江流域多年平均降雨量750～850 mm，徑流量年際變化大。由于農(nóng)業(yè)非點源污染的治理一般以行政區(qū)劃為單位分區(qū)治理，故參照丹江陜西段流域的縣區(qū)劃分，選擇陜西省商洛市的商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣、山陽縣(流域內(nèi)面積占全縣19.7%)、洛南縣(流域內(nèi)面積占全縣3.3%)5個行政區(qū)為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 污染負(fù)荷估算方法

輸出系數(shù)法估算污染負(fù)荷公式為[9]：

(1)

式中：Li為污染物i負(fù)荷量，kg/a；Eij為在第j種土地利用類型中第i種污染物的輸出系數(shù)，kg/(hm2·a)或第j種畜禽養(yǎng)殖中第i種污染物的輸出系數(shù)，kg/(只·a)或農(nóng)業(yè)人口生活中第i種污染物的輸出系數(shù)，kg/(人·a)；Aj為第j種土地利用類型面積(hm2)或第j種畜禽養(yǎng)殖數(shù)量(只)或人口數(shù)量(人)；P為降雨輸入的污染物總量，kg/a，可忽略不計。

輸出系數(shù)的合理確定可通過現(xiàn)場監(jiān)測法和查閱文獻(xiàn)法[10]。本文主要通過查閱文獻(xiàn)確定各項輸出系數(shù)。農(nóng)業(yè)污染源主要分為農(nóng)業(yè)農(nóng)地源、農(nóng)村生活源及畜禽養(yǎng)殖源。

為了提高估算精度，將農(nóng)地利用類型進一步細(xì)分為: 耕地、園林、林地、草地。畜禽養(yǎng)殖則主要考慮牛、豬、羊和家禽。綜合考慮文獻(xiàn)中研究區(qū)域與年份因素的相似性后，結(jié)合實際情況，得出部分輸出系數(shù)取值，如表1所示。

表1 不同區(qū)域及年份輸出系數(shù)的分類及取值Tab.1 Classification and value of output coefficients in different regions and years

區(qū)域內(nèi)耕地化肥施用量多，而林地、草地多以天然形成為主，化肥施用量較少。園地則主要包括果園、桑園及茶園，其單位面積施肥量與耕地相當(dāng)[14]。所確定的輸出系數(shù)值在空間、時間等方面均具有合理性。牛、豬、羊的排泄物中TN含量為61.10、4.51、2.28 kg/(只·a)[9]，輸出比例分別為16.71%、16.43%、17.68%[15]，則輸出系數(shù)分別為 10.21、0.74、0.40 kg/(只·a)。人的排泄物中氮輸出系數(shù)為2.14 kg/(人·a)。綜上，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)農(nóng)地源、農(nóng)村生活源及畜禽養(yǎng)殖源的輸出系數(shù)取值如表2所示。

表2 4種污染物輸出系數(shù)取值Tab.2 Values of four pollutant output coefficients

1.2.2 污染負(fù)荷評價方法

為使不同種污染物能在同一標(biāo)準(zhǔn)上比較，即采用等標(biāo)污染負(fù)荷法進行評價。某污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷量是指單位時間內(nèi)排放的含該污染物的廢水的等標(biāo)體積，計算公式[16]為：

Pi=Li/Ci

(2)

式中：Pi為污染物i的等標(biāo)污染負(fù)荷，m3/a；Li為污染物i的污染負(fù)荷，t/a；Ci為污染物i的閾質(zhì)量濃度，mg/L。

丹江流域水質(zhì)以Ⅱ類為主，結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)系列的閾濃度的下限值進行核算。其中，Ⅱ類水限值TN為0.5 mg/L；TP為0.1 mg/L；NH4-N為0.5 mg/L；COD為15 mg/L。

1.2.3 數(shù)據(jù)來源分析

丹江流域陜西段五個縣區(qū)的農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷量的估算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括耕地、林地、草地及園地面積，牛、豬、羊、家禽及農(nóng)村人口數(shù)量。以上數(shù)據(jù)均來源于《2018年陜西統(tǒng)計年鑒》及2017年各縣區(qū)的統(tǒng)計年鑒或者國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，各種土地利用面積數(shù)據(jù)利用2017年陜西省土地利用GIS導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷量估算

采用輸出系數(shù)法估算2017年丹江流域陜西段5個縣區(qū)的農(nóng)業(yè)農(nóng)地、農(nóng)村生活及畜禽養(yǎng)殖3大類主要污染源產(chǎn)生的4種非點源污染負(fù)荷量。計算結(jié)果如表3所示。

表3 2017年丹江流域非點源污染各污染物負(fù)荷量Tab.3 Loads of Non-point Source Pollution by Danjiang River Basin in 2017

2017 年流域內(nèi)總氮負(fù)荷量為6 209.22 t，總磷負(fù)荷量為369.56 t，氨氮負(fù)荷量為2 187.88 t，化學(xué)需氧量負(fù)荷量為22 681.14 t。從上表中數(shù)據(jù)可以看出，商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣的污染負(fù)荷量較高。主要原因是這3個縣區(qū)為丹江流域陜西段的主要涵養(yǎng)區(qū)。農(nóng)業(yè)土地利用面積大、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)、農(nóng)村人口多。相比之下，洛南縣在流域段內(nèi)管控面積小，從而各種污染負(fù)荷量都較低。

2.2 農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷評價

2.2.1 等標(biāo)污染負(fù)荷量空間分布特征

2017 年丹江流域農(nóng)業(yè)非點源污染TN、TP、NH4-N 、COD等標(biāo)污染負(fù)荷分別為1 241.844、369.560、437.576、150.832 億m3。如圖1所示，空間分布上污染物負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大的區(qū)域是商州區(qū)，洛南縣對各種污染物負(fù)荷貢獻(xiàn)率最小。

其主要原因是商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣大量的化肥施用和規(guī)模化養(yǎng)殖導(dǎo)致對 TN、TP 的貢獻(xiàn)率都比較高。雖然山陽縣在流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用地面積很小，但畜禽養(yǎng)殖數(shù)量大，因此對NH4-N的貢獻(xiàn)率最大。在空間分布上，各種等標(biāo)污染負(fù)荷空間分布有很強的一致性。這與唐肖陽[17]在漢江流域的研究結(jié)果十分吻合，即其空間分布特征是：農(nóng)業(yè)土地利用面積大、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)、農(nóng)村人口多的區(qū)域，等標(biāo)污染負(fù)荷較大，反之亦然。

圖1 2017年各縣區(qū)不同等標(biāo)負(fù)荷污染物的空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of pollutants with different equal load in each county in 2017

2.2.2 不同污染源等標(biāo)污染負(fù)荷總量特征

丹江流域陜西段各縣區(qū)農(nóng)地農(nóng)業(yè)源和畜禽養(yǎng)殖源的等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率均相對較高。相比之下，農(nóng)村生活源的等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率則較低。農(nóng)業(yè)非點源污染等標(biāo)污染負(fù)荷總量為227 579 億m3。在各污染源中，等標(biāo)污染負(fù)荷總量分別為：農(nóng)地農(nóng)業(yè)源量100 082.7 億m3，畜禽養(yǎng)殖源量752.283 億m3，農(nóng)村生活源量44 670.2 億m3。

圖2 不同污染源對非點源污染的貢獻(xiàn)率占比圖Fig.2 Proportion of contribution rate of different pollution sources to non-point source pollution

由圖2可見，TN污染主要來源是農(nóng)業(yè)農(nóng)地；TP、NH4-N污染主要來源是畜禽養(yǎng)殖；COD污染主要來源是農(nóng)村生活。農(nóng)地農(nóng)業(yè)污染對TN的貢獻(xiàn)率超過總量的一半以上，畜禽養(yǎng)殖對TP、NH4-N貢獻(xiàn)率的影響明顯大于農(nóng)業(yè)農(nóng)地和農(nóng)村生活，各污染源對COD的貢獻(xiàn)度較為平均。

綜合識別出重點防治對象為農(nóng)地農(nóng)業(yè)污染和畜禽養(yǎng)殖污染。為控制農(nóng)業(yè)非點源污染，減少化肥的施用量、改變土地利用類型，提高畜禽糞便的有效處理則顯得尤為重要。

2.2.3 不同污染源對各縣區(qū)等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)特征

利用Arc GIS軟件，以縣區(qū)為基本單位分別表示出農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染源、農(nóng)村生活污染源及畜禽養(yǎng)殖污染源的量值。

如圖3所示，在流域內(nèi)，商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣、洛南縣的TN 等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大的為農(nóng)業(yè)農(nóng)地，而山陽縣則為畜禽養(yǎng)殖；商州區(qū)、洛南縣、商南縣的TP 等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大的為農(nóng)業(yè)農(nóng)地，而山陽縣和丹鳳縣為畜禽養(yǎng)殖。各縣區(qū)的NH4-N等標(biāo)污染負(fù)荷則表現(xiàn)出明顯的規(guī)律特征，均以畜禽養(yǎng)殖為主。丹鳳縣、商南縣和洛南縣的COD 等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大的為農(nóng)業(yè)農(nóng)地，而山陽縣為畜禽養(yǎng)殖，商州區(qū)為農(nóng)村生活。

圖3 2017年各縣區(qū)不同污染源對各種污染物的貢獻(xiàn)度占比圖Fig.3 Contributions of different pollution sources to various pollutants in each county in 2017

各縣區(qū)的各種污染源排放強度相差較大，其主要受自然環(huán)境等外部影響。丹江流域陜西段各縣區(qū)的污染負(fù)荷均以農(nóng)業(yè)農(nóng)地和畜禽養(yǎng)殖為主。其中，商州區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染對本區(qū)的TN負(fù)荷貢獻(xiàn)率為65.1%，山陽縣的畜禽養(yǎng)殖污染貢獻(xiàn)為58.55%。洛南縣的農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染對該區(qū)TP負(fù)荷貢獻(xiàn)率為61.03%，山陽縣的畜禽養(yǎng)殖污染對該地區(qū)的TP負(fù)荷貢獻(xiàn)率為80.28%。鑒于此，丹江流域陜西段農(nóng)業(yè)非點源污染治理方案應(yīng)根據(jù)各縣區(qū)污染源情況因地制宜。

2.3 農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷合理性分析及防治方法

2.3.1 丹江流域陜西段農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷合理性分析

商州區(qū)耕地、林地面積占比大，且農(nóng)業(yè)人口數(shù)量大；丹鳳縣由于其“九山半水半分田” 的特殊地理分布，全縣森林覆蓋率高達(dá)70%；商南縣林地、園地面積最大，茶園眾多；山陽縣則特色發(fā)展畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。綜合各縣區(qū)的自然地理條件，農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)發(fā)展方式和人口數(shù)量分布等等，可見丹江流域陜西段的農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷量、空間分布特征、總量特征及不同污染源對各種污染物貢獻(xiàn)等具有合理性。

2.3.2 丹江流域陜西段非點污染防治方法

各種污染物的負(fù)荷量都與各縣區(qū)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式密切相關(guān)，則非點源污染防治方法也應(yīng)具有針對性。商州區(qū)將重點放在農(nóng)業(yè)農(nóng)地和農(nóng)村生活污染上；丹鳳縣及商南縣應(yīng)關(guān)注農(nóng)業(yè)農(nóng)地和畜禽養(yǎng)殖污染；山陽縣著重管控畜禽養(yǎng)殖污染；洛南縣應(yīng)集中精力在農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染上。

(1)農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染防治方法。區(qū)域地處土石山區(qū)，水土流失產(chǎn)生大量泥沙作為載體，吸附攜帶化肥和農(nóng)藥等直接排入河流，導(dǎo)致土地肥力不斷降低，迫使增加施用量，造成嚴(yán)重的惡性循環(huán)[18]。農(nóng)業(yè)農(nóng)地污染防治應(yīng)從農(nóng)業(yè)用水和化肥農(nóng)藥使用兩方面入手。商州區(qū)及洛南縣應(yīng)大力建設(shè)節(jié)水型農(nóng)業(yè)；提高化肥有效利用率，測土配方施肥，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，牢固土壤肥力；丹鳳縣及商南縣可結(jié)合生物綠肥等技術(shù)減少化肥使用量。

(2)農(nóng)村生活污染防治方法 。流域內(nèi)水系發(fā)達(dá)，支流眾多，農(nóng)戶多沿自然水體居住。農(nóng)村生活垃圾及污水未經(jīng)處理直接排入水體，排放時間、地點均較為隨意。應(yīng)積極鼓勵各縣區(qū)進行政策及技術(shù)的宣傳，將工作重點放在農(nóng)村人口數(shù)量大的商州區(qū)。生活污水在自家經(jīng)簡單處理后定時排入指定地點，同時應(yīng)在各村修建小型垃圾場，避免生活垃圾進入水體或是私自焚燒填埋，每家每戶對垃圾資源進行分類，政府定時回收利用處理。

(3)畜禽養(yǎng)殖污染防治方法。畜禽養(yǎng)殖污染源于養(yǎng)殖模式低效，數(shù)量大且多為傳統(tǒng)粗放式，由此產(chǎn)生大量的牲畜糞便直接排入水中污染環(huán)境。近年來，養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模一直處于上升趨勢，但達(dá)到污水處理標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)殖場只占調(diào)查總量的7.41%[19]。應(yīng)依據(jù)畜禽種類劃分不同級別養(yǎng)殖區(qū)。對于山陽縣的集中養(yǎng)殖場開展規(guī)?；託狻⑸锾烊粴?，創(chuàng)新生態(tài)養(yǎng)殖。各縣區(qū)應(yīng)將農(nóng)牧業(yè)有機結(jié)合，發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)[20]。

3 結(jié) 語

本文采用輸出系數(shù)法等標(biāo)污染負(fù)荷法及Arc GIS，估算了2017年丹江流域陜西段各縣區(qū)的農(nóng)業(yè)非點源污染的污染負(fù)荷量等標(biāo)污染負(fù)荷量及空間分布情況，結(jié)果表明：

(1)2017年丹江流域陜西段的非點源污染負(fù)荷量分別：總氮6 209.22 t，總磷369.56 t，氨氮2 187.88 t，化學(xué)需氧量22 681.14 t。相應(yīng)的等標(biāo)污染負(fù)荷量分別為620.922、184.780、218.788、113.407 億m3。污染物負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大的區(qū)域是商州區(qū)，其次是丹鳳縣和商南縣，洛南縣對各種污染物負(fù)荷貢獻(xiàn)率最小。

(2)等標(biāo)污染負(fù)荷量貢獻(xiàn)率順序分別如下，TN為：農(nóng)業(yè)農(nóng)地(60.11%)>畜禽養(yǎng)殖(22.54%)>農(nóng)村生活(17.36%)；TP為：畜禽養(yǎng)殖(41.62%)>農(nóng)業(yè)農(nóng)地(35.21%)>農(nóng)村生活(23.16%)；NH4-N為：畜禽養(yǎng)殖(61.36%)>農(nóng)村生活(20.72%)>農(nóng)業(yè)農(nóng)地(17.92%)；COD為：農(nóng)村生活(36.41%)>畜禽養(yǎng)殖(33.23%)>農(nóng)業(yè)農(nóng)地(30.35%)。農(nóng)業(yè)農(nóng)地和畜禽養(yǎng)殖是丹江流域陜西段農(nóng)業(yè)非點源污染的重點源。

(3)農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷空間分布特征明顯：農(nóng)業(yè)土地利用面積大、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)、農(nóng)村人口多的縣區(qū)，其等標(biāo)污染負(fù)荷較大，反之亦然。表明了農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷對空間分布及環(huán)境影響的一致性。

(4)應(yīng)因地制宜選擇相對應(yīng)的治理調(diào)控手段。合理安排土地利用占比結(jié)構(gòu)，加大農(nóng)業(yè)非點源污染的管理措施，最大程度的降低負(fù)荷污染。