李政道, 劉鴻雁,, 姜 暢, 顧小鳳, 涂 宇

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025; 2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550025)

隨著工業(yè)點源被逐步的控制，非點源污染已經(jīng)成為水環(huán)境污染的主要來源[1]。我國湖泊中存在的氮磷污染有著50%以上來自于農(nóng)業(yè)非點源污染[2]；非點源污染具有形成過程復(fù)雜，隨機性大，機理模糊，分布范圍廣，影響因子復(fù)雜，潛伏周期長和影響危害較大等特點，不利于管理者進行監(jiān)測和管理[3]。國外非點源污染研究始于20世紀(jì)50—60年代，在美國、英國、日本等發(fā)達(dá)國家首先開始，研發(fā)了包括物理模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷仍趦?nèi)的一系列非點源污染負(fù)荷計算模型[4]，其中包括輸出系數(shù)法、清單分析法以及機理模型模擬估算法等[5]，使得非點源污染研究逐步走向成熟。荊延德等[6]利用輸出風(fēng)險模型分析非點源污染和土地覆蓋與坡度的關(guān)系。Shen等[7]通過水土評估工具(SWAT)和小規(guī)模流域擴展法(SWEM)來確定NPS污染物和高污染區(qū)域的時空分布；張彩玲等[8]、王文章等[9]通過輸出系數(shù)模型計算非點源氮磷污染負(fù)荷及其產(chǎn)生規(guī)律。由于流域監(jiān)測資料不完備，采用較為簡單的經(jīng)驗?zāi)Ｐ捅葯C理模型具備更高的可操作性和可行性[10]。輸出系數(shù)法于20世紀(jì)70年代由美國和加拿大首次提出。輸出系數(shù)法是一種基于污染物的輸出系數(shù)來估算該流域內(nèi)輸出的面源污染負(fù)荷，利用土地利用方式等資料，集成來估算面源污染負(fù)荷[11]。輸出系數(shù)模型是一種輸出系數(shù)法的具體體現(xiàn)，通過土地利用類型等容易收集到的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行多元線性相關(guān)分析，然后建立起流域內(nèi)土地利用類型與面源污染輸出量的關(guān)系，對不同污染源類型的污染負(fù)荷求和，得到研究區(qū)域污染的總負(fù)荷[12-13]。

紅楓湖是貴陽市的“三大水缸”之一，水質(zhì)質(zhì)量直接關(guān)乎區(qū)域用水安全。近年來已有較多關(guān)于紅楓湖的研究，但對非點源污染負(fù)荷以及與水質(zhì)的關(guān)系鮮有研究。為此，本研究通過改進的輸出系數(shù)模型，探究紅楓湖非點源污染及其與水質(zhì)的關(guān)系，了解紅楓湖非點源污染負(fù)荷現(xiàn)狀，為紅楓湖保護區(qū)非點源污染的防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

紅楓湖保護區(qū)地處貴州高原中部，是貴州省最大的高原人工湖泊之一，也是喀斯特高原深水型湖泊；其橫跨貴陽市清鎮(zhèn)市、安順市平壩區(qū)2區(qū)縣境內(nèi)。主湖距離省會貴陽市約33 km，保護區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°19′—106°28′，北緯26°26′—26°35′，紅楓湖保護區(qū)總面積為1 596 km2，湖泊水面面積57.2 km2，總庫容6.01×108m3。由于保護區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，故保護區(qū)內(nèi)地貌類型多樣。保護區(qū)地勢從東南向西北減弱，地層巖性以碳酸鹽巖分布最廣。紅楓湖氣候類型屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均降水量約為1 200 mm，降雨主要集中在5—10月；保護區(qū)內(nèi)的植被屬于亞熱帶常綠闊葉林。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與分析

本研究以2016年為基準(zhǔn)年，所涉及的數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程圖、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)詳見表1。

統(tǒng)一各類型空間數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)和投影，所有操作基于ArcGIS 10.4軟件進行，并將獲得的數(shù)據(jù)資料通過匯總軟件進行分析(見封3附圖5)。

表1 研究區(qū)數(shù)據(jù)及來源

1.3 輸出系數(shù)模型

在輸出系數(shù)模型的基礎(chǔ)上，加入坡度影響因子對模型進行優(yōu)化。

(1)

式中：Lj為污染物j在流域中的總負(fù)荷量(t/a)；β為地形影響因子；i為流域中的土地利用類型，共m種；Eij為污染物j在i種土地利用類型的輸出系數(shù)或第i種畜禽每頭輸出系數(shù)或人口每人輸出系數(shù)(t/a)；Ai為流域中第i種土地利用類型面積，km2或第i種牲畜數(shù)量或者人口數(shù)量。

1.3.1 地形影響因子 地形影響著污染負(fù)荷在降雨徑流作用。因此，本研究把坡度因子作為影響權(quán)重來對污染負(fù)荷進行校正計算;主要是通過坡度對影響徑流量的大小來控制非點源總氮和總磷的流失量。研究表明[22]，徑流量等于坡度的冪函數(shù)與常量的乘積。

Q=aSd

(2)

式中：Q為流量；S為坡降；a，d為常量。

通過徑流量與地形的關(guān)系，則地形影響因子β可以表示為：

(3)

式中：Sj為研究區(qū)域內(nèi)空間單元j的坡度；Save為研究區(qū)內(nèi)平均坡度。

根據(jù)有關(guān)研究成果[23-24]，d為0.610 4，并且利用GIS軟件對紅楓湖保護區(qū)DEM數(shù)據(jù)進行計算，得到紅楓湖保護區(qū)地面的平均坡度為7.68°，通過公式(3)可得紅楓湖地形影響因子公式為：

(4)

通過GIS模板與公式(4)計算得到紅楓湖保護區(qū)地形影響因子為0～3.591 1。

1.3.2 輸出系數(shù) 在輸出系數(shù)模型中，最為關(guān)鍵一環(huán)是輸出系數(shù)的確定。確定合理的輸出系數(shù)能夠有效的計算出流域內(nèi)的污染負(fù)荷。影響輸出系數(shù)的因素有很多，包括流域內(nèi)的地形地貌、水文、氣候、土地利用方式等及人類活動。目前，確定輸出系數(shù)的途徑分為3類：查閱文獻法、實地野外檢測法和數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法。相對于國外而言已經(jīng)累計的大量的成果，而在國內(nèi)，由于輸出系數(shù)模型的研究起步不久。因此，本文參照國內(nèi)外研究以及《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》和《第一次全國污染普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污手冊》，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況確定輸出系數(shù)的取值,農(nóng)村生活的輸出系數(shù)表示著當(dāng)?shù)剞r(nóng)村人口對生活污水及廢棄物的利用和處理水平[14-21]。最終得到不同土地利用方式輸出系數(shù)(表2)，人、畜禽養(yǎng)殖輸出系數(shù)(表3)。

表2 研究區(qū)土地利用方式輸出系數(shù) t/(km2·a)

表3 人、畜禽養(yǎng)殖輸出系數(shù)

1.4 入湖量計算

非點源污染入湖量是指在一定時期，由地表徑流攜帶進入河流等水體的污染負(fù)荷。入湖量=產(chǎn)生量×入湖系數(shù)。要估算入河量，需要確定入河指數(shù)。入河系數(shù)是污染物入河量和流失量的比率。根據(jù)中國環(huán)境規(guī)劃院發(fā)布《全國水環(huán)境容量核定工作常見問題辨析》，非點源污染物入河系數(shù)在0.01～0.1的范圍內(nèi)選取。入湖系數(shù)分為3類：土地利用方式入湖系數(shù)、畜禽養(yǎng)殖入湖系數(shù)和農(nóng)村生活入湖系數(shù)。土地利用方式入湖系數(shù)來源根據(jù)周懷東等[25]研究分析，西南流域內(nèi)TN，TP產(chǎn)生量分別為：1.81×106t和4.86×105t，而入河量TN，TP分別為：2.11×105t和4.40×104t，入湖系數(shù)TN，TP分別為0.13，0.09；畜禽養(yǎng)殖入湖系數(shù)來源根據(jù)2000年《全國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對策》以及研究成果[26-27]；農(nóng)村生活入湖系數(shù)來源根據(jù)相關(guān)研究[28]建議方法確定。同時，由于降雨與地形能夠影響入河系數(shù)[29-32]，根據(jù)紅楓湖保護區(qū)地形與降雨徑流劃分，結(jié)合得到紅楓湖保護區(qū)入河系數(shù)修正系數(shù)，結(jié)果詳見表4。最終入湖系數(shù)=最初入湖系數(shù)×修正系數(shù)，結(jié)果詳見表5。

表4 研究區(qū)入河修正系數(shù)

表5 研究區(qū)最終入湖系數(shù) %

1.5 工業(yè)源與城市生活源

1.5.1 工業(yè)源 由于國民經(jīng)濟需求，在20世紀(jì)末期紅楓湖周邊大力發(fā)展工業(yè)，先后建立很多不同規(guī)模的工礦企業(yè)。這些企業(yè)在給當(dāng)?shù)貛斫?jīng)濟增長的同時也給紅楓湖帶來較大的環(huán)境污染。企業(yè)工廠在建立初期布局規(guī)劃不合理，生產(chǎn)方式粗放、耗水量大、污水處理措施不完善，使得企業(yè)工廠生產(chǎn)排放的污水直接進去河流進而流入湖內(nèi)，從而造成水體嚴(yán)重污染。在2003—2007年紅楓湖水質(zhì)從開始的Ⅲ類水質(zhì)急劇惡化劣Ⅴ類水質(zhì)，其營養(yǎng)物質(zhì)最高時達(dá)到49.5[33]。2007年開始，面對紅楓湖水質(zhì)不斷惡化的條件下，省、市加大企業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及對污染源的從頭治理；紅楓湖流域周圍企業(yè)相繼關(guān)停拆遷、或進行結(jié)構(gòu)調(diào)整、或加裝污水處理措施，企業(yè)工廠等點源污染來源逐漸得到有效控制，排放污水得到處理后排放。根據(jù)兩湖防治規(guī)劃以及實地現(xiàn)場調(diào)查，紅楓湖流域大小污染源約有157家，企業(yè)工廠主要涉及化工、冶煉、電力等行業(yè)。其中重點企業(yè)有貴州美豐化工有限公司、貴州平水機械有限公司、貴州華電清鎮(zhèn)發(fā)電有限公司等。重點企業(yè)年排放廢水總量為3.30×106t，COD約為140 t，氨氮為40 t。通過對重點企業(yè)工廠實際監(jiān)測以及環(huán)保部門的排污申報數(shù)據(jù)計算，紅楓湖流域工業(yè)企業(yè)2016年TN排放量為99.34 t，TP排放量為12.27 t。

1.5.2 城市生活源 紅楓湖保護區(qū)范圍涉及清鎮(zhèn)市青龍街道辦、紅楓湖鎮(zhèn)、站街鎮(zhèn)以及平壩區(qū)高峰鎮(zhèn)、馬場鎮(zhèn)、夏云鎮(zhèn)。根據(jù)兩湖水資源環(huán)境保護總體規(guī)劃數(shù)據(jù)，主要城鎮(zhèn)生活2016年污水量TN，TP分別為211.4和3.82 t。

2 結(jié)果分析

2.1 地形校正前后TN，TP排放量分析

未加地形影響因子計算得到TN，TP的排放量負(fù)荷與加入地形影響因子差異詳見表6。從表6得到，校正后的畜禽養(yǎng)殖的TN，TP相對偏差分別為83.75%和87.65%；未加入地形影響因子計算的非點源污染負(fù)荷的各類型負(fù)荷均偏大。由于地勢相對平坦的區(qū)域地形限制了產(chǎn)生和排放的過程，所以在計算的時候會偏小，因此造成未經(jīng)過地形影響因子改進的模型計算值偏大。

表6 地形校正前后非點源污染TN和TP負(fù)荷 t

2.2 TN，TP輸出量分析

2.2.1 土地利用方式對TN，TP排放量分析 通過地形影響因子校正的改進輸出系數(shù)模型，利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算出紅楓湖保護區(qū)不同土地利用類型的TN和TP污染負(fù)荷及負(fù)荷強度，計算結(jié)果詳表7。通過表7看出，在不同土地利用類型下的入湖污染負(fù)荷及負(fù)荷強度有著很大的差異。在TN與TP的污染負(fù)荷方面，耕地貢獻率最大，其次是草地以及建設(shè)用地；在污染負(fù)荷強度方面，耕地最大，依次是荒地以及建設(shè)用地。單方面從TN來分析，平均的污染負(fù)荷為102.65 t/a，其中作為農(nóng)用地的耕地對TN的貢獻最大，達(dá)到了446.06 t/a，占總負(fù)荷的72.84%，成為TN負(fù)荷的最大來源；其次是草地和建設(shè)用地，分別為79.36和52.00 t/a，對TN的貢獻比分別為12.96%，8.49%；TN的污染負(fù)荷強度平均為1.11 t/(km2·a)，耕地、荒地、建設(shè)用地的負(fù)荷強度均超過流域內(nèi)平均負(fù)荷值。TP平均污染負(fù)荷為6.01 t/a，最大的貢獻來自于耕地，為27.69 t/a，貢獻率于TN貢獻率相差無幾，高達(dá)76.79%，其次為林地、草地，分別為4.06和2.87 t/a，貢獻率分別為11.27%和7.97%。TP的污染負(fù)荷強度平均值為0.06 t/(km2·a)，只有耕地的污染負(fù)荷強度大于平均值，其余均小于等于平均污染負(fù)荷。

表7 紅楓湖保護區(qū)不同土地利用類型TN和TP負(fù)荷

2.2.2 畜禽養(yǎng)殖與農(nóng)村生活源對TN，TP排放量的分析 對農(nóng)村生活源與畜禽養(yǎng)殖源進行分析，結(jié)果詳見表8。從表8得知，農(nóng)村生活產(chǎn)生的TN和TP負(fù)荷分別為204.94和20.75 t/a，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的TN，TP負(fù)荷分別為46.46和21.23 t/a。農(nóng)村生活所產(chǎn)生的污染負(fù)荷大于畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污染負(fù)荷，農(nóng)村生活對TN，TP的貢獻率高達(dá)81.52%，50.51%。而家禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的TN，TP污染負(fù)荷分別占總的畜禽養(yǎng)殖負(fù)荷的90.08%，99.09%。

2.2.3 輸出系數(shù)模型分析 通過改進的輸出系數(shù)模型，計算得到紅楓湖非點源污染負(fù)荷TN為863.78 t，TP為77.13 t。而通過經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎愕玫絋N為701.19 t，TP為232.99 t(表9)。通過表9可知，經(jīng)驗?zāi)Ｐ团c改進后的輸出系數(shù)模型在TN和TP排放量差比為23.19%和-66.89%。其中農(nóng)村生活源兩者計算的值差距不大，兩者的差距主要體現(xiàn)在畜禽養(yǎng)殖方面和土地利用方面。畜禽養(yǎng)殖方面，TN，TP相較于經(jīng)驗?zāi)Ｐ头謩e少了236.62和132.28 t。土地利用方面，TN相較于經(jīng)驗?zāi)Ｐ投喑?75.64 t，而TP卻少了28.51 t。

表8 農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖TN和TP入湖負(fù)荷

表9 經(jīng)典模型與輸出系數(shù)模型比較

2.3 非點源污染負(fù)荷占比分析

通過收集的城市生活源數(shù)據(jù)、工業(yè)源數(shù)據(jù)以及非點源污染負(fù)荷，對紅楓湖污染環(huán)境負(fù)荷進行分析(表10)。從表10可知，紅楓湖環(huán)境污染負(fù)荷TN為1 174.57 t，環(huán)境污染負(fù)荷TP為93.23 t，TN∶TP=12.59∶1。非點源污染負(fù)荷TN，TP占環(huán)境污染負(fù)荷TN，TP的73.54%，82.54%；而根據(jù)《“兩湖一庫”污染治理科技攻關(guān)預(yù)研究報告》得到，2008年非點源污染負(fù)荷TN與TP占比分別為：46.51%，62.85%[35]。相比較2008年，非點源TN，TP占比分別提高了27.03%，19.69%。

表10 紅楓湖保護區(qū)各污染負(fù)荷量

2.4 入湖量分析

通過改進輸出系數(shù)模型，計算得到紅楓湖非點源污染負(fù)荷TN為863.78 t，TP為77.13 t。結(jié)合表5中的入河系數(shù)計算得到紅楓湖非點源污染TN，TP入湖量(表11)。從表11得到，紅楓湖2016年非點源入湖量TN為97.35 t，TP為11.37 t。其中對入湖量TN貢獻率最大為畜禽養(yǎng)殖源，占比為52.84%；入湖量TP貢獻率最大為農(nóng)村生活源，占比為53.56%。

表11 紅楓湖流域入湖量

3 討論與結(jié)論

(1) 非點源污染負(fù)荷大小為：土地利用方式>農(nóng)村生活>畜禽養(yǎng)殖。在土地利用方式中TN排放貢獻率大小為：耕地>草地>建設(shè)用地>林地>荒地；TP排放貢獻率大小為：耕地>林地>草地>建設(shè)用地>荒地；耕地是非點源污染的重要來源，其排放的TN，TP占非點源污染負(fù)荷的51.64%和35.90%。

(2) 通過改進的輸出系數(shù)模型計算，2016年紅楓湖保護區(qū)非點源污染負(fù)荷TN，TP為863.78和77.14 t，占總污染負(fù)荷的73.54%和82.54%，水質(zhì)總體為Ⅱ類；相較于2008年非點源TN，TP占比分別提高了27.03%，19.69%；根據(jù)研究可知2008年紅楓湖總體水質(zhì)為Ⅳ和劣Ⅴ水質(zhì)，2016年紅楓湖總體水質(zhì)為Ⅱ類水質(zhì)[36]。2008年的非點源污染負(fù)荷占比低于2016年，但水質(zhì)依然處于Ⅳ水質(zhì)甚至劣Ⅴ水質(zhì)，這是由于城市生活污染源與工業(yè)源的粗排放以及部分的河床硬化，大部分污染在降雨徑流等作用下直接進入水體，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。而2016年的非點源污染負(fù)荷雖然占比重較大，但在工業(yè)污染源和生活污染源得到治理后，非點源污染成為紅楓湖流域的主要污染源；而2016年紅楓湖水質(zhì)總體為Ⅱ類水質(zhì)，由于近些年湖岸生態(tài)系統(tǒng)完善、植物緩沖帶的多樣性以及生產(chǎn)方式的改善。說明非點源污染雖然是紅楓湖的主要污染源，但對水質(zhì)的影響較小。

(3) 經(jīng)驗?zāi)Ｐ驮谕恋乩迷从嬎阒形醇尤胪恋乩梅绞街薪ㄔO(shè)用地的影響，同時在畜禽養(yǎng)殖的計算中，經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎闶菍⒚糠N牲畜轉(zhuǎn)換為豬糞當(dāng)量計算；而改進的輸出系數(shù)模型增加了坡度系數(shù)，與SWAT等經(jīng)典模型相比，所需參數(shù)少，操作簡便；與經(jīng)驗系數(shù)計算法相比，具有更高的準(zhǔn)確性，可為喀斯特深水型湖泊非點源污染負(fù)荷的計算提供方法和依據(jù)。