東江源頭典型山區(qū)小流域農(nóng)業(yè)面源污染解析
——以定南縣東江流域為例

曾金鳳,潘 紅,張立楠,鐘建紅,謝水石,4,周紹梅,4

(1.江西理工大學贛州市流域污染模擬與控制重點實驗室,江西 贛州 341000;2.江西理工大學贛江流域水質(zhì)安全保障工程技術(shù)研究中心,江西 贛州 341000;3.贛江上游水文水資源監(jiān)測中心,江西 贛州 341000;4.鄱陽湖水文生態(tài)監(jiān)測研究重點實驗室,江西 南昌 330029;5.贛州市生態(tài)環(huán)境技術(shù)服務(wù)中心定南技術(shù)服務(wù)站,江西 贛州 341000)

面源污染源解析的關(guān)鍵內(nèi)容是面源污染負荷的估算。目前,國內(nèi)外常用的面源污染負荷評價方法有輸出系數(shù)法[7]、排污系數(shù)法[8]、清單法[9]、模型法等[10-11]。輸出系數(shù)法具有計算方法簡便和較好反映地區(qū)面源污染原始特征的優(yōu)點,被國內(nèi)學者廣泛采用[12-13]。在污染負荷評價中,等標污染負荷法可以根據(jù)不同研究區(qū)的水質(zhì)分區(qū)標準,實現(xiàn)不同污染源中多個污染物在同一尺度上的比較分析,是當前學術(shù)界應(yīng)用較為普遍的污染負荷評價方法[14-16]。但現(xiàn)有的研究區(qū)域也多聚焦于大尺度區(qū)域,如流域尺度涉及全國、省級、市級行政區(qū)尺度,研究內(nèi)容上注重污染負荷總量的估算。對小尺度區(qū)域,如縣級、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))級行政區(qū)面源污染空間分布的精細研究較少,導致研究結(jié)果僅能在“總量”層面上進行時間和區(qū)域間的比較,對管理實踐缺乏指導意義。山區(qū)小流域作為農(nóng)業(yè)面源污染的基本輸出單元,是特定流域農(nóng)業(yè)面源污染評價和綜合治理的基礎(chǔ)[17-18]。此前,關(guān)于東江流域農(nóng)業(yè)面源污染的研究主要集中在氮磷污染物污染負荷估算、時空分布特征研究及環(huán)境風險評價[19-20]、徑流特征[21]等方面。這些工作從較大尺度上對東江面源污染特征進行了解析,研究較為豐富。而源頭農(nóng)業(yè)小流域面源污染源調(diào)查和解析仍顯不足,以致影響了東江源頭小流域農(nóng)業(yè)面源污染防控措施的制定和實施效果?；诖?本文對東江流域源頭山區(qū)小流域——定南縣東江流域農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀進行調(diào)查與分析,應(yīng)用輸出系數(shù)法和等標污染負荷法核算不同農(nóng)業(yè)面源的污染負荷量與負荷強度,進一步精準解析其結(jié)構(gòu)及存在問題,以期促進定南縣東江源流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善,保障區(qū)域生態(tài)優(yōu)良和生活環(huán)境安全,推動社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。

1 流域概況

定南縣境內(nèi)屬低山丘陵地形,是珠江流域東江發(fā)源地之一。其定南水系東江一級支流,自東北向西南流入定南縣城東南,途徑巋美山鎮(zhèn)、鵝公鎮(zhèn)、龍?zhí)伶?zhèn)、歷市鎮(zhèn)、天九鎮(zhèn)和老城鎮(zhèn)6個鄉(xiāng)鎮(zhèn),是縣境內(nèi)最大的河流。流域地形屬山區(qū),上游植被較好,中下游水土流失較嚴重。上游河道蜿蜒曲折,河面寬一般小于50.0 m,水勢暴漲暴落,洶涌急湍,屬山區(qū)性河流。

定南縣東江源流域的國土總面積約903 km2,農(nóng)村面積755 km2,農(nóng)業(yè)種植面積為113 km2?？?cè)丝跒?9.81萬人,其中農(nóng)村人口13.33萬人,定南縣東江源流域水產(chǎn)養(yǎng)殖種類主要為四大家魚,兼有甲魚、龜類、中華鱘和小龍蝦等,每年約295.6 t。畜禽種類以生豬為主,兼有少量的肉牛、肉雞、鴨、鵝、鴿、鵪鶉和羊,見表1。

表1 定南縣東江流基域基本信息及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀

2 污染物計算與評價

2.1 污染物計算

a)面源污染計算。主要包括生活污染及農(nóng)業(yè)污染,農(nóng)業(yè)污染包括種植污染、水產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖污染。污染排放采用Jones輸出系數(shù)模型[5,22-23]。

(1)

式中L——污染負荷,kg;Ei——第i類污染物輸出系數(shù),即單位面積(kg/hm2/a)或每頭(只)禽畜、水產(chǎn)排放污染物年輸出量(kg/頭/a)、生活排放污染物年輸出量(kg/人/a);Ai——第i類土地利用類型的面積(hm2)或第i種禽畜、水產(chǎn)數(shù)量頭(只)、人口數(shù)量(人);Ii——單位面積或每頭(只)禽畜糞便、生活污染的第i種污染源污染物量,kg;P——空氣沉降輸入的污染物的量,本次研究忽略空氣沉降輸出的污染物量。

b)系數(shù)的選取。影響流域面源污染物輸出系數(shù)的因素很多,主要包括流域內(nèi)地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型和結(jié)構(gòu)、植被、管理措施以及人類活動等[24]。結(jié)合流域的上述因素,參照國內(nèi)外的相關(guān)研究[25],生活污染物輸出系數(shù)結(jié)合《第二次全國污染源生活污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》(試用版),以及2021年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《排放源統(tǒng)計調(diào)查產(chǎn)排污核算方法和系數(shù)手冊》和《農(nóng)業(yè)源產(chǎn)排污核算系數(shù)手冊》,定南縣屬于四區(qū)一般城市,相關(guān)系數(shù)見表2、3。

表2 農(nóng)業(yè)污水排放系數(shù)及污染物產(chǎn)污強度

表3 江西省畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖、養(yǎng)殖戶產(chǎn)污系數(shù)

2.2 評價方法

a)等標污染負荷評價法。把各種污染物的排放都轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一可比的量,使其在同一尺度上進行比較,確定主要污染物、主要污染源和總污染負荷量。其中,等標污染負荷是指對環(huán)境產(chǎn)生影響的污染物排放總量,污染負荷比是指某污染源或某污染物的等標污染負荷與總等標污染負荷之比,可以反映某污染源或污染物的污染貢獻,見式(2)、(3)[5,26]:

(2)

(3)

b)等標污染負荷強度。本文在前人研究基礎(chǔ)[9,27]上引入等標污染負荷強度,便于在同一尺度下比較分析農(nóng)村面源污染物對環(huán)境污染的影響程度。計算見式(4)—(6)[10]:

(4)

(5)

(6)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 面源污染排放量計算

a)排放量

3.2 面源污染等標污染負荷

根據(jù)等標污染負荷計算方法即式(6),計算定南縣東江流域行政區(qū)劃的等標污染負荷量與等標污染負荷強度。

3.2.1污染物等標污染負荷

表4 2021年定南縣東江流域污染物等標污染負荷及污染負荷比

3.2.2污染類型等標污染負荷

從表5分析污染類型等標污染負荷,表明4種污染類型中等標污染負荷量最大的是人居生活,其次是農(nóng)業(yè)種植,再者是畜禽養(yǎng)殖,最小是水產(chǎn)養(yǎng)殖。其等標污染負荷排放量分別為177.99、45.99、6.13、1.12 t/a,占等標污染負荷排放總量的76.98%、19.89%、2.65%、0.48%。其中,人居生活和農(nóng)業(yè)種植兩者等標負荷達96.87%,為主要污染類型。定南縣是個山區(qū)小鎮(zhèn),鄉(xiāng)村人口居多,地形復雜,聚居地分布較為分散,污水收集管網(wǎng)覆蓋率不高,沒有相對完善的排污管網(wǎng)設(shè)施,未完全實現(xiàn)雨污分流。另一方面,農(nóng)村居民的水環(huán)境保護意識淡薄,污水和生活垃圾隨意排放或丟棄現(xiàn)象較普遍。為此,應(yīng)加快建設(shè)與鄉(xiāng)村人口總量相匹配的污水處理廠,建設(shè)配套污水管網(wǎng),強化污水處理設(shè)施的正常運營,減少污水入河量。

表5 2021年定南縣東江流域污染類型等標污染負荷及污染負荷比

3.2.3行政區(qū)劃等標污染負荷與負荷強度

表6 2021年定南縣東江流域行政區(qū)污染源等標污染負荷及污染負荷比

3.3 空間分布特征

3.3.1污染物空間分布特征

a)總氮

3.3.2等標污染負荷量及負荷強度空間分布

根據(jù)表5、6計算結(jié)果,運用ArcGIS軟件繪制定南縣東江流域農(nóng)業(yè)面源污染等標污染負荷量與負荷強度空間分布,見圖3。可以看出,定南縣東江流域農(nóng)業(yè)面源污染等標污染負荷量(圖3a)與負荷強度(圖3b)高值區(qū)集中在歷市鎮(zhèn),其次是鵝公鎮(zhèn),低值區(qū)則都在巋美山。前2個鎮(zhèn)自然條件更有利于農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展,農(nóng)村人口數(shù)量較多,由此產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)面源污染問題也相對嚴重。

a)污染負荷量

3.3.3等標污染負荷及強度聚類分析

聚類分析作為一種常用的數(shù)據(jù)分析方法,其目的在于根據(jù)研究數(shù)據(jù)的特征,對特征相近的研究對象進行分類[5]。對有針對性的區(qū)域進行環(huán)境管理和規(guī)劃。根據(jù)定南縣6個行政區(qū)各賬戶等標污染負荷的計算結(jié)果,在SPSS軟件中進行聚類分析。選取聚類方法為組間聯(lián)接法,設(shè)置度量標準為Euclidean距離。聚類樹狀圖見圖4。由圖4可知,從等標污染負荷量與負荷強度分析6個行政區(qū)劃分為3個類型:污染較重為歷市鎮(zhèn)和鵝公鎮(zhèn),其次是老城鎮(zhèn)和龍?zhí)伶?zhèn),污染較輕的是天九鎮(zhèn)和巋美山鎮(zhèn)。在污染防控上,應(yīng)該優(yōu)先考慮歷市鎮(zhèn)和鵝公鎮(zhèn)綜合治理。在防控措施上,一方面,加強生活垃圾收集處置,及時清理河道沿岸垃圾,避免垃圾入河;大力推進小型農(nóng)村污水處理設(shè)施建設(shè),加強污水處理設(shè)施運營管理,確保設(shè)施正常運營。同時,嚴格控制化肥、農(nóng)藥等非點源污染,加大畜禽養(yǎng)殖的排污規(guī)范管理。另一方面,加強對村民的宣傳教育,定期開展巡查,責任落實到每個村。

a)行政區(qū)劃等標污染負荷

4 結(jié)論

b)行政區(qū)劃等標污染負荷量與等標污染負荷強度排序結(jié)果不完全相同,等標污染負荷為歷市鎮(zhèn)>鵝公鎮(zhèn)>龍?zhí)伶?zhèn)>老城鎮(zhèn)>天九鎮(zhèn)>巋美山鎮(zhèn),等標污染負荷強度為歷市鎮(zhèn)>老城鎮(zhèn)>鵝公鎮(zhèn)>龍?zhí)伶?zhèn)>天九鎮(zhèn)>巋美山鎮(zhèn)。等標污染負荷量及負荷強度最高值區(qū)在歷市鎮(zhèn),最低區(qū)在巋美山鎮(zhèn)。

c)通過對定南東江流域農(nóng)業(yè)面源等標污染負荷的系統(tǒng)聚類分析,6個行政區(qū)劃分為3個梯度。污染較重的為歷市鎮(zhèn)和鵝公鎮(zhèn),其次是老城鎮(zhèn)和龍?zhí)伶?zhèn),污染較輕的為天九鎮(zhèn)和巋美山鎮(zhèn)。因此防治重點區(qū)域優(yōu)先考慮歷市鎮(zhèn)和鵝公鎮(zhèn),防控措施上要強化環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),保障設(shè)施設(shè)備有效運行,提高農(nóng)村生活污水的處理率,合理施用氮肥和磷肥,規(guī)范畜禽養(yǎng)殖污染排放,提高村民生態(tài)環(huán)保意識。

d)農(nóng)村居民點較為分散,沒有集中的下水道系統(tǒng),未能將農(nóng)村生活源污染區(qū)分為生活污水和地表徑流,計算比較粗略。另外,由于6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中,有3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在多條東江支流作為受納水體,未能區(qū)分各支流分別排污多少,沒有從流域分區(qū)尺度進行分析,還有待進一步細化研究。