農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0190-05

中圖分類號：X820.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Risk Assessment Method for Nonpoint Source Potential Pollution of Water Environment in Agricultural Areas

XuKefan

（SchoolofMarxism，YanglingVocationalamp;TechnicalCollege，Yangling7121OO，China）

Abstract：Thoughsentificssessmntods，itisossbletocuatelydntifhoues，mgratiodraoatin paternsofpolutantsingiculturalaeas，andtuseveporepreciseandefectivepreventionandontrolstrateges.Totisda nonpointsourceotentialpoltiosksesmentetdforwaterevrometingiculturalaeasisproposdisetdselectste JinghuiquIrigationrinSaiProvincesteseachreaintroducesthegogapicallocationdliatecharacteisticsofte researcharea，establishesarandomforestmodeltodividethelandtypesoftheresearchareandsetssamplingpointsonthisbasisto completesamplecolctionforsubsequentputionriskalysisThesdyalculatedtheonpointsourcepotentialpltiosse mentindexoftestudyeausingteidexmetod，indertcheveplioniskessmenteexprimtalsulsow that the proposed method has high accuracy in pollution risk assessment.

KeyWords：waterenvironmentinagricultural area；nonpoint sourcepotential polution；riskassessment；soil erosion

前言

農(nóng)業(yè)區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量直接影響了該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的健康情況。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式逐漸向自動化方向發(fā)展，部分農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境在農(nóng)業(yè)投入品使用量逐漸增加的背景下出現(xiàn)了非點源潛在污染。該類污染的范圍通常較廣，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)區(qū)域水環(huán)境的治理與保護(hù)。為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，需要研究非點源潛在污染風(fēng)險評價方法。

余子賢[1]等人將研究區(qū)域劃分為若干個網(wǎng)格單元，引入景觀格局方法對各網(wǎng)格的污染指數(shù)展開計算，分析非點源污染風(fēng)險的時空變異特征，以此實現(xiàn)風(fēng)險評價，該方法的網(wǎng)格劃分精度較低，導(dǎo)致計算得到的水土流失風(fēng)險指數(shù)存在較大誤差。李華林[2]等人模擬非點源污染物的運動遷移特征，對下滲過程中污染物的損失率展開計算，分析空間中污染物的分布情況，完成風(fēng)險評價，該方法沒有考慮產(chǎn)生特點，導(dǎo)致?lián)p失率計算結(jié)果存在偏差，進(jìn)而降低了風(fēng)險評價精度。陳磊[3]等人根據(jù)研究區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了用于評價水質(zhì)和水量的風(fēng)險評價指標(biāo)體系，結(jié)合SWMM-InfoWorksICM和Copula聯(lián)合分布函數(shù)建立耦合評價模型，該方法無法準(zhǔn)確計算權(quán)重系數(shù)，導(dǎo)致評價結(jié)果與實際結(jié)果不符。

因此，提出農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法。

1研究區(qū)域與樣本采集

選取陜西省涇惠渠灌區(qū)作為研究區(qū)域，該灌區(qū)東部與石川河相接，南部與渭河相鄰，西部靠近涇河，北部是渭北黃土臺塬，灌區(qū)總面積高達(dá)1300平方千米，其中有效灌溉面積和灌溉設(shè)計面積分別約為840平方千米和900平方千米。灌區(qū)四季變化明顯，降雨多集中在夏季，冬季的降雨量是四季中最少的。涇惠渠灌區(qū)是陜西省的主要農(nóng)業(yè)區(qū)之一，屬于大型井渠雙灌灌區(qū)。

根據(jù)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，劃分土地類型，農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法采用隨機(jī)森林算法[4-5]實現(xiàn)土地分類，具體過程如下：

（1）獲取研究區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù);

（2）對研究區(qū)域的遙感影像展開相關(guān)預(yù)處理；

（3）提取影像特征；

（4）對隨機(jī)森林模型的相關(guān)參數(shù)展開初始化處理，包括最小樣本分裂數(shù)、最大深度和樹的數(shù)量等；

（5）針對森林中的任意一棵樹，在原始數(shù)據(jù)集中通過有放回的隨機(jī)抽樣方法抽取訓(xùn)練樣本；

（6）在節(jié)點分裂期間，確定候選特征，在此基礎(chǔ)上獲得最優(yōu)分裂點，重復(fù)上述過程，完成隨機(jī)森林模型的建立；

（7）利用地面真實數(shù)據(jù)與上述提取的特征對隨機(jī)森林模型展開訓(xùn)練；

（8）利用完成訓(xùn)練的模型分類研究區(qū)域內(nèi)的土地類型。

通過GPS精準(zhǔn)定位方法在灌區(qū)各類土地中選取45個采樣點，完成采樣后，在陜西省飲用水產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)測站對水質(zhì)樣品展開分析。

2非點源潛在污染風(fēng)險評價

農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法采用APPI指數(shù)法對研究區(qū)域內(nèi)水環(huán)境的非點源潛在污染風(fēng)險展開評價[6]，APPI指數(shù)法在評價過程中考慮了污染物的遷移特點與產(chǎn)生特點，農(nóng)業(yè)非點源污染風(fēng)險指數(shù)PS可通過下式計算得到：

PS=W₁P+W₂Q+W₃Y+W₄S+W₅H

式（1）中， P 代表的是水土流失風(fēng)險指數(shù)， W₁ 為對應(yīng)的權(quán)重； Q 代表的是降雨徑流風(fēng)險指數(shù)， 為對應(yīng)的權(quán)重； Y 代表的是畜禽養(yǎng)殖場污染風(fēng)險指數(shù)，W₃ 為對應(yīng)的權(quán)重； s 代表的是生活污水及生活垃圾的污染風(fēng)險指數(shù)， W₄ 為對應(yīng)的權(quán)重； H 代表的是化肥污染風(fēng)險指數(shù)， W₅ 為對應(yīng)的權(quán)重。

（1）水土流失風(fēng)險指數(shù) P ·

農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法采用MUSLE模型對水土流失風(fēng)險指數(shù) P 展開計算：

P=KSWU

式（2）中， K 代表的是土壤因子圖； s 代表的是坡長因子圖； A（r） 代表的是等高線寬度對應(yīng)的貢獻(xiàn)面積； a₀ 代表的是標(biāo)準(zhǔn)坡長長度； b（r） 代表的是坡度； b₀ 代表的是標(biāo)準(zhǔn)坡度； 代表的是河道因子； U 代表的是土地利用因子。建立下述權(quán)重函數(shù) g（x） ：

將柵格與河道之間的距離作為依據(jù)，對柵格值展開計算，根據(jù)計算結(jié)果可獲得河道具體污染情況。在ArcGIS軟件中，根據(jù)柵格值建立Watercourse圖層[]，利用上述權(quán)重函數(shù)生成河道圖 W 。

在ArcGIS軟件中，農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法通過式（2）獲得涇惠渠灌區(qū)的水土流失量的具體空間分布情況，根據(jù) P 劃分其等級：

一級： 0.03～ 1 ，無風(fēng)險；

二級：1～2，輕度風(fēng)險；

三級：2～3，中度風(fēng)險；

四級：3～4，強(qiáng)度風(fēng)險；

五級： gt;4 ，極度風(fēng)險。

（2）降雨徑流風(fēng)險指數(shù) Q ·

農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法采用SCS模型[8]對降雨徑流風(fēng)險指數(shù) Q 展開計算：

式（4）中， ?_β 代表的是儲留指數(shù)； α 代表的是降雨量；參數(shù)CN在區(qū)間[0，100］內(nèi)取值，通常情況下可根據(jù)地理環(huán)境與氣候條件決定。

采用Kriging插值法結(jié)合涇惠渠灌區(qū)的氣象數(shù)據(jù)獲得降雨空間分布圖，將其與CN圖相結(jié)合，在上式的基礎(chǔ)上即可獲得徑流量空間分布情況，根據(jù)降雨徑流風(fēng)險指數(shù) Q 劃分等級：

一級： 100～150 ，無風(fēng)險；

二級： 150～300 ，輕度風(fēng)險；

三級： 300～400 ，中度風(fēng)險；

四級： 400～500 ，強(qiáng)度風(fēng)險；

五級： gt;500 ，極度風(fēng)險。

（3）畜禽養(yǎng)殖場污染風(fēng)險指數(shù)Y：可根據(jù)COD負(fù)荷系數(shù)、TP、TN以及畜禽總量計算得到。（4）生活污水及生活垃圾污染風(fēng)險指數(shù)S：可根據(jù)COD負(fù)荷系數(shù)、人口總數(shù)、TP和TN計算得到。（5）化肥污染風(fēng)險指數(shù) H ：可根據(jù)TP和TN施用量計算得到。

空間離散化處理上述負(fù)荷，按照每柵格對COD的等級展開劃分：

一級： 0～20t ，無風(fēng)險；

二級： 20～50t ，輕度風(fēng)險；

三級： 50～80t ，中度風(fēng)險；

四級： 80～120t ，強(qiáng)度風(fēng)險；

五級： gt;120t ，極度風(fēng)險。

TN的等級劃分結(jié)果如下：一級：0＼～5t，無風(fēng)險；

二級：5＼～9t，輕度風(fēng)險；

三級： ?9～15t ，中度風(fēng)險；

四級：15＼～18t，強(qiáng)度風(fēng)險；

五級： gt;18t ，極度風(fēng)險。

空間疊加運算畜禽污染中的COD、TP與TN，計算圖層對應(yīng)的柵格值最大值，按照相同的方式處理化肥污染與生活污染，獲得 H，S 與Y的空間分布。

3 實驗與分析

為了驗證農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法的整體有效性，需要展開測試，本次測試區(qū)域為陜西省涇惠渠灌區(qū)，為了實現(xiàn)非點源潛在污染風(fēng)險評價，現(xiàn)采用農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法對涇惠渠灌區(qū)展開土地分類，在分類過程中將決策樹數(shù)量設(shè)置為100個，設(shè)置決策樹最大深度為10，將內(nèi)部節(jié)點分裂所需的最小樣本數(shù)設(shè)置為2，葉節(jié)點所需最小樣本數(shù)設(shè)置為1，基尼系數(shù)設(shè)置為0.5。

由圖1可知，農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法采用隨機(jī)森林模型對涇惠渠灌區(qū)展開聚類處理后，可準(zhǔn)確地獲得農(nóng)業(yè)用地、水域、林地和建設(shè)用地等土地類型，為后續(xù)采樣點設(shè)置與采樣提供了依據(jù)。

現(xiàn)隨機(jī)在涇惠渠灌區(qū)挑選4個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)設(shè)置6個采樣點，采用農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法對其展開非點源潛在污染風(fēng)險評價。

3.1 水土流失風(fēng)險

農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險評價方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法對4個區(qū)域的水體流失風(fēng)險評價結(jié)果見圖1。

由圖1可知，區(qū)域2的水體流失風(fēng)險最低，在風(fēng)險評價過程中，所提方法獲得的水體流失風(fēng)險指數(shù)與實際值相符，文獻(xiàn)[1]方法與文獻(xiàn)[2]方法獲得的水體流失風(fēng)險指數(shù)與實際值之間存在偏差。

3.2畜禽養(yǎng)殖場污染、生活污水及生活垃圾污染與化肥污染風(fēng)險評價

采用上述方法對研究區(qū)域的禽畜養(yǎng)殖場污染、生活污水及生活垃圾污染與化肥污染風(fēng)險展開評價，結(jié)果見表1。

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，在畜禽養(yǎng)殖場污染、生活污水及生活垃圾污染與化肥污染風(fēng)險評價過程中，所提方法獲得的污染風(fēng)險指數(shù)與實際值相符，表明所提方法具有較高的評價精度。

3.3 降雨徑流風(fēng)險評價

采用所提方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法對研究區(qū)域內(nèi)的降雨徑流風(fēng)險展開評價，結(jié)果見圖2。

分析圖2可知，區(qū)域1的降雨徑流風(fēng)險最低，表明該區(qū)域的降雨量相對較少，區(qū)域3的降雨徑流風(fēng)險最高，表明該區(qū)域的降雨量相對較多，對比三種方法的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所提方法具有較高的降雨徑流風(fēng)險評價精度。

3.4非點源潛在污染風(fēng)險評價

結(jié)合上述評價結(jié)果，通過式（1）獲得三種方法的非點源潛在污染風(fēng)險評價結(jié)果。（見圖3）

由圖3可知，區(qū)域4的污染風(fēng)險最高，區(qū)域2的污染風(fēng)險最低，與其他兩種方法相比，所提方法更能準(zhǔn)確地完成農(nóng)業(yè)區(qū)水環(huán)境非點源潛在污染風(fēng)險的評價。

4結(jié)束語

通過科學(xué)的風(fēng)險評價方法，識別了陜西省涇惠渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)污染物的來源及其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。研究介紹了涇惠渠灌區(qū)的地理位置與氣候特點，通過建立隨機(jī)森林模型，對研究區(qū)域的土地類型進(jìn)行了劃分。在實驗過程中，設(shè)置了多個采樣點，完成了詳盡的樣品采集工作。通過APPI指數(shù)法，計算了研究區(qū)域的非點源潛在污染風(fēng)險評價指數(shù)，這一指數(shù)能夠全面反映該區(qū)域的污染風(fēng)險水平。實驗結(jié)果表明，所提出的方法在污染風(fēng)險評價方面具有較高的精度，能夠準(zhǔn)確識別高風(fēng)險區(qū)域。通過對比分析不同土地類型的污染風(fēng)險指數(shù)，實驗結(jié)果表明了某些特定土地類型在污染物積累和遷移方面的顯著特征，這為進(jìn)一步優(yōu)化土地利用策略提供了重要參考。

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