黃 康,李懷恩,李家科,肖恒婧
(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710048)
隨著人口的持續(xù)增加、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展,非點(diǎn)源污染在水污染中的占比急劇上升,成為水環(huán)境污染的主要來源[1-2],特別是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染已嚴(yán)重威脅到水環(huán)境安全[3]。根據(jù)《第一次全國污染普查公報(bào)》,TN、TP、CODCr排放量分別占總污染物的57.19%、67.27%、43.71%,同時(shí)82%的河流中非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)率在一半以上[4]。灃河和灞河流域非點(diǎn)源污染問題尤為突出,TP、NH3-N污染負(fù)荷為53.63%~87.49%[5]。鄱陽湖入湖污染物中有68%~76%的非點(diǎn)源污染負(fù)荷來源于TP和NH3-N[6]。密云水庫中非點(diǎn)源污染物TN、TP、CODMn占比達(dá)49.9%、73.5%、63.2%[7]。隨機(jī)性、滯后性和復(fù)雜性等特點(diǎn)使得非點(diǎn)源污染物的控制難度加大,因此定量計(jì)算非點(diǎn)源污染負(fù)荷,分析非點(diǎn)源污染物特征刻不容緩。
目前,國內(nèi)外對非點(diǎn)源污染負(fù)荷的估算類型分為完備資料條件(SWAT模型等)、有限資料條件(平均濃度法等)和無資料條件(輸出系數(shù)模型等)3種[8]。我國大部分河流無長期非點(diǎn)源污染監(jiān)測數(shù)據(jù),因此SWAT模型、平均濃度法的應(yīng)用受到限制,而基于輸出系數(shù)模型的估算方法則顯示出其優(yōu)越性,輸出系數(shù)模型已應(yīng)用于洞庭湖[9]、三峽庫區(qū)[10]、漢江流域[11]、京津冀水庫[12]的非點(diǎn)源污染研究中。
涇河作為渭河流域最大支流,是關(guān)中地區(qū)主要農(nóng)業(yè)用水水源,同時(shí)涇河是黃河流域主要產(chǎn)沙地之一,水土流失極為嚴(yán)重,水體污染不斷加重,因此需要解決涇河流域水環(huán)境污染問題,加強(qiáng)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制。趙玉龍等[13-15]評價(jià)了涇河流域甘肅段和陜西段的水質(zhì)特征,發(fā)現(xiàn)總氮污染負(fù)荷最大;韓鳳朋等[16]估算涇河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷表明,TN、TP、NH3-N占比高達(dá)63.58%、94.21%、62.40%;李家科等[5]利用水文分割法和平均濃度法計(jì)算涇河張家山斷面非點(diǎn)源污染負(fù)荷表明,TN、TP、NH3-N、COD占比在60%以上;謝元博[17]利用SWAT模型分析了涇河流域內(nèi)污染物的時(shí)空分布特征。但是目前涇河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染類型、來源不明,缺乏對整個(gè)涇河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的現(xiàn)狀分析,而且以縣(區(qū))為單元的污染物空間分布特點(diǎn)尚未可知。因此,本研究以涇河流域32個(gè)縣(區(qū))為單元,運(yùn)用輸出系數(shù)法估算2017年涇河流域TN、TP、NH3-N、COD污染負(fù)荷,計(jì)算流域污染防治區(qū)及重點(diǎn)縣(區(qū))的污染貢獻(xiàn)率,采用等標(biāo)污染負(fù)荷法綜合評價(jià)法確定農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源首要污染物和重點(diǎn)污染源,采用聚類分析法劃分污染等級,并利用徑流分割法進(jìn)行合理性分析。
涇河是渭河第一大支流,發(fā)源于寧夏涇源縣六盤山東麓,在陜西西安高陵區(qū)入渭河,流域總面積45 421 km2,流域行政范圍包括陜甘寧3?。▍^(qū))8個(gè)地級市的32個(gè)縣(區(qū))。流域受溫帶大陸性氣候影響,大都處于半干旱區(qū)域,年降水量為334~759 mm,呈由南向北遞減的趨勢,汛期(7—10月)徑流量約占全年的62.9%。流域土壤類型以黃土高塬溝壑區(qū)和丘陵溝壑區(qū)為主,面積占81%,水土流失嚴(yán)重,是渭河泥沙的主產(chǎn)區(qū)[18]。張家山水文站為流域把口站,集水面積43 216 km2。
各污染源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別源自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心和《甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2018年)、《寧夏回族自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》(2018年)、《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2018年)及各縣(區(qū))國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào),水文數(shù)據(jù)來源于2017年《黃河流域水文年鑒》,2017年涇河入渭河月水質(zhì)(COD、NH3-N)數(shù)據(jù)來源于陜西省生態(tài)環(huán)境廳。
輸出系數(shù)法加入了流域農(nóng)業(yè)人口生活污水排放、畜禽養(yǎng)殖污染物排放等因素,并結(jié)合農(nóng)用地類型,建立各要素與非點(diǎn)源污染物輸出量的關(guān)系,估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷[19],計(jì)算公式為
式中:L為流域污染物總排放量;E i為第i種污染源的輸出系數(shù);A i為第i類農(nóng)用地面積,或第i種畜禽存欄數(shù),或人口數(shù)量;I i為第i種污染源的輸入量;P為降雨輸入的營養(yǎng)物(因缺乏降雨監(jiān)測數(shù)據(jù),且相對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物總量較小,因此忽略不計(jì))。
涇河流域內(nèi)無長期非點(diǎn)源污染監(jiān)測數(shù)據(jù),研究中采用查閱文獻(xiàn)法確定非點(diǎn)源污染物輸出系數(shù)。輸出系數(shù)值影響因素眾多,主要包括流域地形地貌、水文氣候、土地利用、人類活動(dòng)等。涇河流域處于干旱、半干旱地區(qū),受大陸性氣候影響,汛期降水量占全年的60%以上,土地利用類型中,耕地占全流域面積的近1/3、林草地占比56.15%,而渭河流域耕地占比28.79%、林草地占比58.23%,農(nóng)業(yè)種植均以小麥、玉米為主,種植結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,由此可見涇河和渭河自然環(huán)境一致,故參考渭河流域非點(diǎn)源污染物的綜合輸出系數(shù)[8],見表1。
表1 非點(diǎn)源污染物綜合輸出系數(shù)
等標(biāo)污染負(fù)荷法是將各污染物排放量進(jìn)行同一尺度上的等標(biāo)化,反映污染源自身的污染程度[20],計(jì)算公式為
式中:P i j是j污染源中i污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷;C ij是j污染源中i污染物的輸出量;C i是污染物i的排放閾值,基于陜西咸陽水環(huán)境功能區(qū)劃要求(涇河干流依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)取值),TN、NH3-N為1 mg/L,TP為0.2 mg/L,COD為20 mg/L。
輸出系數(shù)法計(jì)算2017年涇河流域不同污染物產(chǎn)生量,結(jié)合ArcGIS軟件得到污染物的年產(chǎn)生量空間分布,見圖1。涇河流域TN、TP、NH3-N、COD污染負(fù)荷分別為124 857.49、5 023.19、26 655.73、258 961.52 t。從圖1可以看出,非點(diǎn)源污染負(fù)荷空間差異較大。高負(fù)荷區(qū)域主要集中在平?jīng)?、慶陽、固原等市的定邊縣、環(huán)縣、鎮(zhèn)原縣、寧縣、華池縣、原州區(qū)、崆峒區(qū)、鹽池縣,這些縣(區(qū))污染物負(fù)荷貢獻(xiàn)率近50%,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)強(qiáng)度大、化肥施用量大,應(yīng)重點(diǎn)治理非點(diǎn)源污染。其中:污染物排放量前三名的是環(huán)縣、定邊縣、鎮(zhèn)原縣,這些縣農(nóng)村人口和土地資源數(shù)量大,是糧食生產(chǎn)和畜牧養(yǎng)殖大縣,農(nóng)膜和化肥投入量大;鎮(zhèn)原縣和環(huán)縣化肥施用量的冗余率達(dá)到46.82%和27.96%,環(huán)縣和華池縣農(nóng)膜使用冗余率達(dá)到76.17%和26.05%[21],污染物負(fù)荷貢獻(xiàn)率為21.24%~27.02%;長武縣、正寧縣和高陵區(qū)等污染物排放量較低,其農(nóng)村人口數(shù)量和農(nóng)業(yè)用地較少。TP產(chǎn)生量的空間分布與SWAT模型模擬結(jié)果趨于一致,環(huán)縣、定邊縣、鹽池縣污染負(fù)荷較大,咸陽、乾縣等地的較?。?7],各污染物空間分布非常相似。
圖1 2017年涇河流域不同污染物產(chǎn)生量空間分布
從污染物角度分析,總等標(biāo)污染負(fù)荷為189 577.26 t/(a·mg)·L,TN、TP、NH3-N、COD占比分別為65.86%、13.25%、14.06%、6.83%;前3種污染物占比達(dá)到93.17%,因此涇河流域主要污染物為TN、TP、NH3-N,首要污染物是TN,與實(shí)地調(diào)研情況一致。涇河水污染主要是氮污染,按總氮評價(jià)水質(zhì)為Ⅴ類或劣Ⅴ類,以非點(diǎn)源污染為主,說明流域氮污染是非點(diǎn)源污染控制的重點(diǎn)[14]。由圖2開知,流域內(nèi)縣(區(qū))污染物等標(biāo)污染負(fù)荷最大的均為環(huán)縣,其次為定邊縣、鎮(zhèn)原縣,這些縣是流域非點(diǎn)源污染的主要區(qū)域;等標(biāo)污染負(fù)荷從西北至東南呈遞減趨勢。
圖2 2017年涇河流域不同污染物等標(biāo)污染負(fù)荷
綜合評價(jià)涇河流域各污染源的污染物(見表2),從污染源角度分析,涇河流域污染物等標(biāo)污染負(fù)荷比順序:TN,土地利用(49.65%)>畜禽養(yǎng)殖(10.22%)>農(nóng)業(yè)人口(5.99%);TP,土地利用(9.03%)>農(nóng)業(yè)人口(2.38%)>畜禽養(yǎng)殖(1.83%);NH3-N,土地利用(6.04%)>畜禽養(yǎng)殖(5.55%)>農(nóng)業(yè)人口(2.52%);COD,畜禽養(yǎng)殖(2.48%)>農(nóng)業(yè)人口(2.30%)>土地利用(2.05%)。由此可見,涇河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中TN、TP、NH3-N負(fù)荷主要來源于土地利用,COD負(fù)荷主要來自于畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)人口。該結(jié)果與黃河流域非點(diǎn)源污染研究結(jié)果一致[22],農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對TN、TP、NH3-N等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率影響最大,而畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村居民生活對COD等標(biāo)污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率略高于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的。綜合分析各污染源的總等標(biāo)污染負(fù)荷比,土地利用污染是最大的污染源(66.79%),其中以耕地(55.25%)占比最大,其次為畜禽養(yǎng)殖(20.03%),農(nóng)業(yè)人口占比最?。?3.19%)。不同土地利用方式產(chǎn)生污染負(fù)荷差異大,耕地所產(chǎn)生的污染負(fù)荷最大,等標(biāo)污染負(fù)荷比為55.25%,其中TN占比43.94%,另外林草地、城鎮(zhèn)用地和自然地產(chǎn)生污染負(fù)荷較小,說明涇河流域的土地利用非點(diǎn)源污染以耕地為主。
為了深入了解涇河流域各縣(區(qū))非點(diǎn)源污染空間分布特點(diǎn),加強(qiáng)對各縣(區(qū))非點(diǎn)源污染的等級劃分和統(tǒng)一管理,采用Q型聚類分析法,以3種污染源的等標(biāo)污染負(fù)荷為依據(jù),通過SPSS22.0軟件,將32個(gè)縣(區(qū))分為6級,等標(biāo)污染負(fù)荷均值見表3,污染等級劃分見圖3。
表3 各污染級別等標(biāo)污染負(fù)荷平均值t/(a·mg)·L
圖3 涇河流域各縣(區(qū))污染等級
第Ⅰ級包括麟游縣等11個(gè)縣(區(qū)),屬于輕度污染區(qū),整體污染負(fù)荷較低,這些區(qū)域農(nóng)業(yè)人口少,農(nóng)業(yè)產(chǎn)值較低,以工業(yè)或旅游業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。但總體而言,土地利用污染物產(chǎn)生量最大,占比為59.65%,其次為畜禽養(yǎng)殖,為27.01%。第Ⅱ級包括西峰區(qū)等5個(gè)縣(區(qū)),屬于中度污染區(qū)域,與第Ⅰ級相比人口數(shù)量略有增加,農(nóng)業(yè)用地面積大,土地利用仍為主要污染源,占比71.91%,少部分為農(nóng)村生活污染,占比18.21%。第Ⅲ級包括咸陽市轄區(qū)等4個(gè)縣(區(qū)),屬于重度污染區(qū)域,位于流域下游,農(nóng)業(yè)用地面積略有增多,人口數(shù)量大幅增加,占整個(gè)流域農(nóng)業(yè)人口的22.67%,土地利用污染占比57.30%,農(nóng)村生活污染占比24.31%。第Ⅳ級為崆峒區(qū)等7個(gè)縣(區(qū)),屬于較重度污染區(qū)域,大牲畜和豬養(yǎng)殖數(shù)量多,特別是大規(guī)模生豬和肉牛養(yǎng)殖,豬養(yǎng)殖占流域的42.04%,大牲畜占33.33%,該區(qū)域一些河段水質(zhì)已變?yōu)榱英躅悾?3],嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn);土地利用污染占比58.94%,畜禽養(yǎng)殖污染占比27.75%。第Ⅴ級為鹽池縣和華池縣,屬于特重度污染區(qū)域,人口稀少,草地和林地面積劇增;農(nóng)業(yè)用地占土地總面積的比例大,占90%以上,土地利用污染最為嚴(yán)重,占比83.56%。第Ⅵ級為環(huán)縣、定邊縣和鎮(zhèn)原縣,屬于極度污染區(qū)域,耕地和草地面積比例大,占整個(gè)流域的32.57%,畜牧業(yè)發(fā)達(dá),其中羊養(yǎng)殖占比35.90%,該區(qū)域位于馬蓮河流域上游,屬于黃土丘陵溝壑區(qū),水土流失嚴(yán)重,輸沙量占涇河張家山站輸沙量的53.5%[23],其等標(biāo)污染負(fù)荷均值高達(dá)16 487.97 t/(a·mg)·L,為第Ⅰ級的5倍,其中土地利用污染占比高達(dá)76.05%。
利用徑流分割法[24]計(jì)算流域出口污染負(fù)荷,與模型估算的輸出污染負(fù)荷進(jìn)行對比分析?;趶埣疑剿恼?980—2017年38 a的年徑流量,采用適線法和P-Ⅲ型曲線確定2017年為偏枯水年(水文頻率P=65.5%)。采用徑流分割法估算COD和NH3-N的污染負(fù)荷,并與輸出系數(shù)法結(jié)果進(jìn)行對比分析。
輸出系數(shù)模型估算結(jié)果為流域非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生量,徑流分割法為流域非點(diǎn)源污染的入河量,因此需要考慮污染物入河過程的遷移轉(zhuǎn)化損失。參考渭河流域入河系數(shù)(COD、NH3-N分別為0.07、0.08)、河道降解系數(shù)[8](COD、NH3-N分別為0.45、0.30)得到?jīng)芎恿饔蜣r(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物的入河量,同時(shí)考慮涇河流域占研究區(qū)面積的百分比(65%),對輸出系數(shù)模型估算的涇河流域污染物產(chǎn)生量與徑流分割法計(jì)算的污染物入河量進(jìn)行誤差分析。由表4可以看出,COD的相對誤差較?。?.07%),NH3-N的偏高(為26.87%)。一方面各污染源輸出系數(shù)、污染物入河系數(shù)、降解系數(shù)的選取不能精準(zhǔn)定量,所參考的渭河流域系數(shù)值始終與涇河流域的不同,這些都會(huì)導(dǎo)致誤差偏大;另一方面徑流分割法假定枯水期全部為點(diǎn)源污染,未考慮大氣沉降、人類活動(dòng)等因素可能產(chǎn)生非點(diǎn)源污染,導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果偏小。
表4 涇河流域農(nóng)業(yè)源污染物誤差分析
涇河多年平均徑流量13.77億m3,進(jìn)入21世紀(jì)以來,為水量最枯時(shí)期,多年平均徑流量減少了59.6%[18]。降水徑流是非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的最主要原因,對比分析2017年與2006年、2009年偏枯水年的非點(diǎn)源污染負(fù)荷:由徑流分割法計(jì)算的2017年涇河COD、NH3-N非點(diǎn)源污染負(fù)荷比例分別為46.77%、52.22%,2006年[16](偏枯水年)涇河非點(diǎn)源污染負(fù)荷NH3-N為62.40%,2009年[17](偏枯水年)涇河張家山斷面非點(diǎn)源污染負(fù)荷NH3-N、COD分別為50.27%、56.63%。本文研究結(jié)果與其他偏枯水年份非點(diǎn)源污染情況較為接近,結(jié)果較為可靠。
聚類分析結(jié)果表明,涇河流域各縣(區(qū))的污染程度和類型明顯不同,根據(jù)不同縣(區(qū))的污染特點(diǎn),提出相應(yīng)的防治措施,進(jìn)而控制污染源,減少農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染。
涇河流域土地利用污染源產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)率最大,尤其是第Ⅴ、Ⅵ級的5個(gè)縣,占比近80%,應(yīng)該重點(diǎn)治理。環(huán)縣、鎮(zhèn)原縣、定邊縣、鹽池縣、華池縣土地資源豐富,屬于隴東黃土高原,以種植業(yè)為主,大量使用“全膜種糧”,農(nóng)藥化肥冗余程度高。在水資源缺乏,農(nóng)業(yè)用水和薄膜使用程度高的區(qū)域,應(yīng)建設(shè)節(jié)水型農(nóng)業(yè),同時(shí)鼓勵(lì)回收廢舊農(nóng)膜;對于土地利用率低、土壤肥沃度低的區(qū)域,施肥強(qiáng)度大,需要推廣測土配方施肥,優(yōu)化種植結(jié)構(gòu),并結(jié)合生物綠肥等技術(shù)減少化肥施用量。
第Ⅰ、Ⅳ級18個(gè)縣(區(qū))除應(yīng)重點(diǎn)控制土地利用污染外,畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷占比約27%,同時(shí)第Ⅵ級縣(區(qū))畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷也很高,該區(qū)域畜禽養(yǎng)殖污染也應(yīng)作為防治重點(diǎn)。畜牧業(yè)發(fā)達(dá),大牲畜數(shù)量多,但養(yǎng)殖模式低效,多為傳統(tǒng)粗放式,產(chǎn)生了大量牲畜糞便,排水不達(dá)標(biāo)。因此,應(yīng)建設(shè)規(guī)模化養(yǎng)殖場,并劃分不同級別的養(yǎng)殖區(qū),同時(shí)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),將農(nóng)牧業(yè)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)糞便無害化利用,防止污染水源。
第Ⅲ級4個(gè)縣(區(qū))位于流域下游,地處關(guān)中沖積平原,人口多,農(nóng)村生活污水排放較為嚴(yán)重。污水排放較為隨意、處理不達(dá)標(biāo),需要因地制宜建設(shè)污水處理設(shè)施,在水資源匱乏區(qū)域采用生化法和CNR等工藝處理廢水;對于肥料需求大的地區(qū),使用厭氧法還田處理農(nóng)作物肥料;同時(shí),禁止直接排放生活污水,并對垃圾進(jìn)行回收處理。
采用輸出系數(shù)模型估算了涇河流域2017年農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染總氮、總磷、氨氮和化學(xué)需氧量的輸出負(fù)荷,利用徑流分割法驗(yàn)證模型,同時(shí)采用等標(biāo)污染負(fù)荷法和聚類分析法進(jìn)行綜合評價(jià)分析,并結(jié)合ArcGIS軟件得到非點(diǎn)源污染空間分布圖,得到以下結(jié)論。
(1)空間上環(huán)縣、定邊縣和鎮(zhèn)原縣輸出污染負(fù)荷最大,各污染物空間分布非常相似。
(2)等標(biāo)污染負(fù)荷綜合評價(jià)表明,從污染物角度分析,TN、TP、NH3-N、COD占比分別為65.86%、13.25%、14.06%、6.83%,首要污染物是TN,流域從西北至東南非點(diǎn)源污染負(fù)荷呈遞減趨勢;從污染源角度分析,TN、TP、NH3-N等標(biāo)污染負(fù)荷中土地利用貢獻(xiàn)率最大,COD等標(biāo)污染負(fù)荷中最大的污染源是畜禽養(yǎng)殖。綜合分析土地利用污染物貢獻(xiàn)率最大,占流域的66.79%,畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)人口分別占20.03%、13.19%,其中耕地所產(chǎn)生的污染負(fù)荷遠(yuǎn)大于其他土地利用方式的,是主要的污染源。流域非點(diǎn)源污染重點(diǎn)治理區(qū)域?yàn)榄h(huán)縣、定邊縣和鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣。
(3)將輸出系數(shù)法與徑流分割法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,COD相對誤差為3.07%,NH3-N為26.87%,模型模擬結(jié)果較為可靠,具有一定合理性。
(4)聚類分析結(jié)果表明,涇河流域32個(gè)縣(區(qū))分為6級,并提出了3種針對性防治對策。
(5)綜合分析,涇河流域需要防治的首要污染物是TN,需要防治的主要污染源是耕地和畜禽養(yǎng)殖,流域非點(diǎn)源污染需要重點(diǎn)治理的區(qū)域?yàn)榱饔蛑猩嫌蔚沫h(huán)縣、定邊縣、鎮(zhèn)原縣。