邢寶秀，陳　賀

(北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100875)

北京市農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷及入河系數(shù)估算

邢寶秀，陳賀

(北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100875)

[關(guān)鍵詞]輸出系數(shù)；農(nóng)業(yè)面源污染；負(fù)荷；入河系數(shù)；北京市

[摘要]采用考慮降雨影響因子的輸出系數(shù)模型，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合水文資料和GIS技術(shù)，估算北京市2013年農(nóng)業(yè)面源污染物總氮、總磷負(fù)荷。根據(jù)農(nóng)業(yè)面源污染物總氮、總磷負(fù)荷與年徑流模數(shù)的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算北京市2013年五大水系農(nóng)業(yè)面源污染物總氮、總磷入河系數(shù)。結(jié)果表明：2013年北京市農(nóng)業(yè)面源污染物總氮負(fù)荷為17 859.586 0 t，總磷負(fù)荷為3 089.559 0 t；從污染源類型來(lái)看，2013年農(nóng)業(yè)面源污染物總氮、總磷負(fù)荷較高的均為農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖，分別占污染物負(fù)荷總量的45.9%、27.7%和83.5%、15.4%；2013年潮白河農(nóng)業(yè)面源污染物總氮入河系數(shù)最高，永定河農(nóng)業(yè)面源污染物總磷入河系數(shù)最高，北運(yùn)河農(nóng)業(yè)面源總氮和總磷污染負(fù)荷最高，分別為12 859.577 5和2 291.547 1 t，其次為潮白河及永定河。

隨著全球人口增長(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水污染已成為主要的環(huán)境問(wèn)題之一，而農(nóng)業(yè)面源污染是造成水污染的重要原因。據(jù)調(diào)查，目前30%～50%的地球表面受到非點(diǎn)源污染影響[1]，在全世界不同程度退化的12億hm2耕地中約12%是由農(nóng)業(yè)面源污染引起的[2]。我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速，但同時(shí)農(nóng)作物種植化肥和農(nóng)藥施用量、作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物，以及畜禽糞便產(chǎn)生量等明顯增加，加劇了農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題非常關(guān)注，建立了許多農(nóng)業(yè)面源污染評(píng)價(jià)模型，而輸出系數(shù)模型避開了面源污染發(fā)生和發(fā)展的復(fù)雜過(guò)程，所需數(shù)據(jù)少，獲取方便，適用于數(shù)據(jù)缺乏地區(qū)的非點(diǎn)源污染負(fù)荷核算。Johnes在輸出系數(shù)模型中加入了牲畜和人口等因素的影響，綜合考慮了土地利用類型、牲畜數(shù)量和分布狀況、農(nóng)村居民的面源污染排放和處理水平等不同污染源類型的輸出系數(shù)，從而建立了更完備的輸出系數(shù)模型[3]；蔡明等提出了考慮降雨和流域損失的輸出系數(shù)模型[4]；丁曉雯等改進(jìn)的輸出系數(shù)模型主要表征下墊面因子中坡度的影響[5]；陸建忠等利用改進(jìn)的考慮降雨和地形的輸出系數(shù)模型，對(duì)鄱陽(yáng)湖流域紅壤多山丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行了估算[6]。在上述研究成果的基礎(chǔ)上，本研究以北京市為研究對(duì)象，利用水文、水質(zhì)資料測(cè)算北京市五大流域入河系數(shù)，采用考慮降雨影響因子的輸出系數(shù)模型，借助GIS技術(shù)，計(jì)算區(qū)域土地利用、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活的總磷、總氮污染負(fù)荷，估算農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷，并對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，提出相關(guān)防控措施和建議。

1研究區(qū)概況

北京市地處華北平原西北隅，位于N39°08′—41°05′、E115°25′—117°30′，共有16個(gè)區(qū)(縣)，土地總面積16 807 km2[7]。地處海河流域，屬典型的暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。天然河道自西向東貫穿五大水系，即：大清河水系、永定河水系、北運(yùn)河水系、潮白河水系和薊運(yùn)河水系。地勢(shì)西北高東南低，土壤類型主要為褐土和潮土，地帶性植被為落葉闊葉林。土地利用類型主要有耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地等，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城鎮(zhèn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地面積持續(xù)增加，占用大量耕地、園地、林地、草地等。2013年全市常住人口為2 114.8萬(wàn)人，其中常住城鎮(zhèn)人口為1 825.1萬(wàn)人、常住鄉(xiāng)村人口為289.7萬(wàn)人，鄉(xiāng)村人口占比重較小。畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，2006年以來(lái)產(chǎn)值持續(xù)增長(zhǎng)，2013年北京市養(yǎng)殖大牲畜21.09萬(wàn)頭、豬189.23萬(wàn)頭、羊59.47萬(wàn)只、家禽2 524.88萬(wàn)只。

2研究方法

2.1輸出系數(shù)模型

Johnes輸出系數(shù)模型在大尺度流域面源污染負(fù)荷的研究中表現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)蔡明等改進(jìn)后的輸出系數(shù)模型充分考慮水文因素的影響，在模型中體現(xiàn)水文、產(chǎn)匯流等過(guò)程的影響，更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同年份的總氮、總磷負(fù)荷[4]。本研究采用的輸出系數(shù)模型計(jì)算公式為

(1)

P=c a Q/103

(2)

式中：Lj為流域污染物j的總負(fù)荷，kg/a；α為降雨影響因子，用來(lái)表征降雨對(duì)污染物輸出的影響；Eij為污染物j在第i種土地利用類型中的輸出系數(shù)[kg/(hm2·a)]或第i種畜禽的排泄系數(shù)[kg/(只·a)、kg/(頭·a)]或人口的輸出系數(shù)[kg/(人·a)]；Ai為流域中第i種土地利用類型的面積(hm2)或第i種牲畜的數(shù)量(只、頭)或人口數(shù)量(人)；P為降水產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)輸入量，kg/a；c為降水中污染物的濃度，g/m3；a為流域年降雨量，m3/a；Q為徑流系數(shù)。

2.2輸出系數(shù)確定

在輸出系數(shù)模型中，污染物的輸出系數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)某種土地利用方式下輸出的污染物總負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)化估計(jì)[7]，確定合理的輸出系數(shù)是成功估算面源污染物輸出負(fù)荷的關(guān)鍵。根據(jù)耿潤(rùn)哲等[8]對(duì)密云水庫(kù)流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的估算及特征分析，不同土地利用類型、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活的面源污染物輸出系數(shù)見表1。

表1　不同污染源輸出系數(shù)取值

2.3降雨影響因子計(jì)算

相關(guān)研究表明，降雨量對(duì)總氮、總磷流失量有較顯著的影響，而雨強(qiáng)主要對(duì)產(chǎn)流時(shí)間及養(yǎng)分濃度出現(xiàn)峰值的時(shí)間有一定影響，對(duì)污染物流失量影響不大，因此降雨對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響主要體現(xiàn)在降雨量指標(biāo)上[9-12]。根據(jù)流域多年降雨數(shù)據(jù)和斷面水質(zhì)資料，借助GIS技術(shù)，得到流域年降雨量和非點(diǎn)源污染物年入河量。通過(guò)回歸分析，建立流域2003—2013年降雨量r與非點(diǎn)源污染物年入河量L的相關(guān)關(guān)系，再根據(jù)北京市多年平均降雨量(528.43 mm)，得到多年平均降雨量條件下溶解態(tài)氮、溶解態(tài)磷的年入河量(8 378.175 0、685.001 5 t/a)，則溶解態(tài)氮、溶解態(tài)磷的降雨影響因子(αDN、αDP)計(jì)算公式見式(3)、(4)，結(jié)果見表2。

αDN=(16.024r-89.44)/8 378.175 0

(3)

αDP=(1.540 5r-129.05)/685.001 5

(4)

2.4入河系數(shù)測(cè)算

流域出口地表徑流污染負(fù)荷由點(diǎn)源污染負(fù)荷和非點(diǎn)源污染負(fù)荷組成。由于流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的產(chǎn)生主要是降雨引起的，所以可以近似地認(rèn)為非點(diǎn)源污染負(fù)荷等于年降雨徑流負(fù)荷，而點(diǎn)源污染負(fù)荷等于年基流負(fù)荷。因此，地表徑流中的非點(diǎn)源污染負(fù)荷可以由年徑流污染負(fù)荷扣除年基流負(fù)荷得到。本研究分別對(duì)北京市各流域斷面總氮、總磷年監(jiān)測(cè)量與實(shí)測(cè)年徑流量進(jìn)行相關(guān)性分析，得出以下結(jié)果。

表22003—2013年北京市溶解態(tài)氮、磷降雨影響因子

年份降雨量(mm)αDNαDP2003444.90.8400.8122004483.50.9100.8992005410.90.7750.7352006318.00.5980.5272007483.90.9150.9002008626.31.1971.2202009480.60.9090.8922010522.50.9890.9872011720.61.3681.4322012733.21.3911.4602013578.91.0961.114

(1)北運(yùn)河流域。流域出口非點(diǎn)源污染物年監(jiān)測(cè)值及非點(diǎn)源污染物年入河系數(shù)見表3。年入河系數(shù)計(jì)算公式分別為

(5)

(6)

式中：λN為總氮負(fù)荷年入河系數(shù)；λP為總磷負(fù)荷年入河系數(shù)；q為年徑流模數(shù)。

表3　北運(yùn)河流域出口非點(diǎn)源污染物年監(jiān)測(cè)值及

(2)永定河流域。流域出口非點(diǎn)源污染物年監(jiān)測(cè)值及非點(diǎn)源污染物年入河系數(shù)見表4。年入河系數(shù)計(jì)算公式分別為

(7)

(8)

(3)潮白河流域。流域出口非點(diǎn)源污染物年監(jiān)測(cè)值及非點(diǎn)源污染物年入河系數(shù)見表5。年入河系數(shù)計(jì)算公式分別為

(9)

(10)

(4)大清河、薊運(yùn)河流域。由于數(shù)據(jù)缺乏，考慮到與永定河水文特征相似、距離較近，因此大清河非點(diǎn)源污染物入河系數(shù)選取永定河的計(jì)算公式。同樣，薊運(yùn)河入河系數(shù)取值參照潮白河。

3結(jié)果與討論

(1)各流域污染物負(fù)荷。利用輸出系數(shù)模型計(jì)算2013年北京市各流域農(nóng)業(yè)面源污染總氮、總磷負(fù)荷，結(jié)果見表6。

表6　2013年北京市各流域非點(diǎn)源污染物負(fù)荷　t

(2)污染源分析。2013年北京市農(nóng)業(yè)面源污染物總氮、總磷負(fù)荷分別為17 859.586 0和3 089.559 0 t，見表7。從污染源來(lái)看，總氮負(fù)荷較高的是農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖，分別占總氮負(fù)荷總量的45.9%和27.7%；總磷污染負(fù)荷較高的也是農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖，分別占總磷負(fù)荷總量的83.5%和15.4%。隨著北京市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和流域內(nèi)城郊化的加快，人們生活水平不斷提高，導(dǎo)致農(nóng)村生活類污染源產(chǎn)生的負(fù)荷占比較高。在畜禽養(yǎng)殖方面，規(guī)?；B(yǎng)殖的推廣使得畜禽養(yǎng)殖業(yè)成為農(nóng)業(yè)面源污染的重要污染源。

(3)污染物空間分布。北京市各區(qū)縣的農(nóng)業(yè)面源污染總氮、總磷負(fù)荷量差異較大(表8)。其中，地處京郊，屬傳統(tǒng)作物種植區(qū)的大興、順義、房山、昌平和通州區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染物總氮、總磷負(fù)荷較大。

表7　2013年北京市各污染源農(nóng)業(yè)面源污染總氮、總磷負(fù)荷

4結(jié)語(yǔ)

本研究采用考慮降雨影響因子的輸出系數(shù)模型，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，計(jì)算北京市五大水系的農(nóng)業(yè)面源污染物年入河系數(shù)，以及2013年北京市各區(qū)縣農(nóng)業(yè)面源污染物總氮、總磷負(fù)荷。

表8　2013年北京市各區(qū)縣農(nóng)業(yè)面源總氮、

(1)由于土地利用和管理狀況不同，2013年北京市各流域面源污染物入河系數(shù)相差較大。其中：潮白河農(nóng)業(yè)面源污染物總氮入河系數(shù)最高，為0.940；永定河總磷入河系數(shù)最高，為0.317。

(2)2013年北京市農(nóng)業(yè)面源污染物總氮、總磷負(fù)荷分別為17 859.586 0、3 089.559 0 t。農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖是總氮、總磷污染負(fù)荷的主要來(lái)源，分別占總氮負(fù)荷總量的45.9%和27.7%，占總磷負(fù)荷總量的83.5%和15.4%。北運(yùn)河總氮和總磷負(fù)荷最高，分別為12 859.577 5、2 291.547 1 t，其次為潮白河及永定河。從污染物空間分布來(lái)看，大興、順義、房山、昌平和通州的農(nóng)業(yè)面源污染物總氮、總磷負(fù)荷較大。

(3)北京市農(nóng)業(yè)面源污染形勢(shì)嚴(yán)峻。在農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防治中，應(yīng)突出重點(diǎn)，對(duì)污染嚴(yán)重的流域加強(qiáng)監(jiān)控；加強(qiáng)北京市農(nóng)村生活基礎(chǔ)設(shè)施改造，嚴(yán)格監(jiān)控畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，采取有針對(duì)性的預(yù)防和控制措施。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

[基金項(xiàng)目]受國(guó)家自然科學(xué)基金(51179007)、北京市自然科學(xué)基金(8132039)、公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201401014)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助

[中圖分類號(hào)]S157

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)05-0034-04

[作者簡(jiǎn)介]邢寶秀 (1991—)，女，山東濱州市人，碩士研究生，主要從事河流水生態(tài)方面的研究。

[收稿日期]2015-07-22