基于面源污染的松花江下游水質評價

吳玉博 侯保燈 仵峰 肖偉華 宰松梅 郝彩蓮

摘要：為服務于三江平原農田大規模開發和區域水資源保護，在農田小區試驗的基礎上，結合不同污染源機理分析，采用試驗與模型相結合的方法，以松花江干流下游為研究區域，對其水質進行現狀評價，進而對未來水資源配置格局下的水質狀況進行預測。結果表明：現狀條件下，松花江干流下游地區農田面源污染物總產生量為氨態氮6560.46t/a、總氮37558.63t/a、總磷14269.00t/a，總入河量為氨態氮328.02t/a、總氮149.11t/a、總磷14.27t/a，松花江干流下游水質綜合評價為Ⅲ類，評價結果與監測數據基本相符，精度滿足相關要求；基于未來水資源配置格局計算農田退水量，預測各斷面未來的污染物濃度，與現狀計算結果相比，各個指標濃度雖然稍有增高，但其水質仍然為Ⅲ類，表明未來水資源配置格局對松花江干流下游水質影響有限。

關鍵詞：面源污染；產生機理；小區試驗；水質評價；松花江下游

中圖分類號：X131.2；TV882.6 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.015

三江平原農牧業發達，是我國重要的商品糧、畜產品生產基地之一[1]。近年來，人口增長、城市規模擴大和農牧業迅速發展，使松花江干流水質受到不同程度的影響[2]。研究表明，農田面源污染是導致水污染的主要原因之一[3]。隨著三江平原大面積農田開發，化肥的施用量逐年上升，由此產生的農田面源污染負荷所占比重逐年增加。有效監測和防治農田面源污染，對三江平原地區的水資源管理和松花江水環境保護具有重要作用。

20世紀70年代以來，國內外學者針對面源污染展開了深入的研究[4-5]，研發了許多經驗模型，以及以污染物產生、遷移、轉化機理為基礎，兼顧不同時空尺度、具有物理機制的分布式面源污染模型[6-7]。這些模型的研發及完善，促進了農田非點源污染的定量化研究，但模型參數需要大量的信息來確定，這對于資料匱乏的大流域來說是不現實的。2006年，松花江流域被納入國家“十一五”重點治理流域規劃，相對點源污染來說，對該流域面源污染產生機理和變化規律的研究有待深入[8]。污染過程、污染機理等尚不明晰，使得研究成果難以應用于生產實踐，成為制約我國面源污染控制的重要因素。

本研究利用不同坡度、坡長、耕作措施、植物覆蓋措施的小區試驗資料和8次天然降雨資料，推求農田面源污染物的產生特征參數，運用降雨量插值法估算農田面源污染負荷，進而利用輸出系數法估算農田面源污染物的產生量和入河量，對松花江干流下游進行水質評價，并基于未來水資源配置新格局進行松花江下游水質預測，以期為該區域的水資源可持續利用提供客觀依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

以松花江干流下游黑龍江省佳木斯市至同江市沿岸為研究區，該區處于三江平原東北部。基于1985-2014年多期土地利用遙感影像和GIS分析技術，從土地資源屬性的角度統計耕地、水域（濕地）、居民和工礦用地、林地、草地、未利用地等各類型土地面積，確定研究區的農田總面積為218680hm2。從土地資源的角度出發，從上游到下游選取佳木斯、富錦、同江3個斷面進行研究，各斷面間（河段）主要農業、工業污染源基本參數見表1。

評價范圍內17個灌區的退水均進入松花江干流，據統計，多年平均退入松花江的水量為14456.07萬m3/a。根據研究需要，2015年7月（豐水期）開展了一次水質現狀監測評價，監測項目主要有氨態氮、總磷、總氮等，結果見表2。

1.2 小區試驗與取樣

在松花江下游地區選擇傳統順坡壟作、少耕、免耕、橫坡壟作、植被覆蓋5種代表性耕作制度的典型地塊，設置試驗小區，各代表性小區所實施的耕作制度均已保持3a以上，每種耕作模式設置3個重復試驗小區。2014年7-8月，開展了8次天然降雨下農田面源污染物產生特征試驗。

降雨過程中，收集雨水樣300mL；在實際灌溉退水過程中，進行不定期取樣，每個徑流小區取泥沙樣約40g；為了研究氮素和磷素在耕層垂直滲漏的特征，降雨前采集坡長試驗區的0～10cm和0～3mm的表層土壤樣品，密封保存新鮮土樣。

采用流速儀測量田間灌溉水量，水樣TN和TP分別運用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法來測試，NH4+-N運用納氏試劑光度法測試。

2 污染負荷定量評價方法

2.1 面源污染

研究表明，東北地區特別是糧食高產區存在化肥過度施用情況，農業面源污染是東北地區水環境惡化的主要因素[9]。在分析農田面源污染物產生機理的基礎上，采用降雨量差值法估算農田面源污染負荷，利用輸出系數法估算農田面源污染物的產生量和入河量。

2.1.1 降雨量差值法

有關研究表明，農田非點源污染負荷與降雨量密切相關[10]，只有在發生暴雨并產生地表徑流時流域的污染才由點源和非點源組成，在晴天或不產生地表徑流的雨天只有點源污染[11]。計算時，考慮到每年的點源污染較為穩定，將點源污染負荷設為一常數[9]，于是可得到任一場次降水產生的污染負荷：

L=Ln+Lp=f（R）+C（1）式中：L為出口斷面總負荷；Ln為農田面源污染負荷，Ln=f（R），R為降雨量；Lp為點源污染負荷，Lp=C，C為常數。

任意2場（或任意2a）降水污染負荷之差，可通過建立污染負荷差值與降雨量差值之間的相關關系來估算：

L1-L2=f（R1）-f（R2）（2）

2.1.2 輸出系數法

針對東北地區非點源污染的特點，將水土流失與非點源污染結合起來進行分析，在計算時考慮流域降雨和水土流失的影響，農田面源污染負荷用下式表示：

LA=λ{αEA[AA （IA）]+P}（3）其中：

α=Mi/M

Mi=f（Pi）

λ=1/（1+aqb）（4）式中：LA為農田面源污染物產生量；λ為流域損失系數；α為降雨影響系數；P為降雨輸入的營養物數量；EA為農田營養物輸出系數；AA為農田類型面積或排泄物投入農田的牲畜數量、人口數量；IA為面源污染物產生量；Mi為第i年流域面源污染負荷；M為流域多年平均面源污染負荷；Pi為第i年降雨輸入的營養物數量；P為流域多年平均降雨輸入的營養物數量；q為流域年徑流模數；a、b為參數，由非線性回歸法確定。

2.1.3 河流污染物濃度擴散計算方法

計算公式為式中：Cx為流經x距離后的污染物濃度；x為河長；C0為初始斷面的污染物濃度；μ為設計流量下河道斷面的平均流速；K為污染物綜合衰減系數。

2.2 點源污染

在計算農田非點源污染負荷的同時，考慮工業和生活污染等點源污染負荷。

工業污染負荷是根據水利普查和實地調查分布在研究區內的排污口達標排放的入河排污量得到的。

生活污染負荷是根據研究區人口數量和國家環保部推薦的源強系數計算得到的，氨態氮的產污系數為4.0g/（人·d）、總氮的為5.0g/（人·d）、總磷的為0.44g/（人·d）。入河系數采用水資源綜合規劃成果，氨態氮、總氮和總磷分別取0.05、0.09和0.10。

3 結果與討論

3.1 面源污染參數

采用降雨量差值法估算流域農田面源污染負荷，采用輸出系數法并參照環保部推薦的源強系數和第一次污染源普查制定的肥料系數手冊，確定農田污染物的源強系數和入河系數，見表3。

3.2 現狀水質評價

根據降雨量差值估算法和輸出系數法計算得到的源強系數和入河系數，估算的松花江下游地區農田非點源污染物的產生量和入河量見表4。

把2015年佳木斯斷面監測數據作為本底值，運用河流納污能力計算方法，計算下游2個斷面6-8月氨態氮、總氮、總磷的濃度，見表5。

表5中的數據表明，計算結果雖然有一定誤差，但仍有較高精度，即上述分析方法可行。產生誤差的主要原因：一是小區參數應用到灌區過程中，存在尺度效應，下一步應加大不同面積的試驗；二是磷的誤差小，與磷的化學性質有關，磷比較穩定，變化比較慢；三是氨態氮和總氮誤差相對大些，原因是氨態氮不穩定，隨水流運動和時間變化而變化，此外河道內可能存在新的氮源（匯入河道中生物、淤泥等），影響了計算結果，這也是今后研究中應注意的問題。

根據《地表水環境質量標準》（GB3838-2002），對所選研究區進行了水質評價，評價結果為松花江干流下游水質屬Ⅲ類，見表6。

3.3 未來水資源配置格局下的水質預測

研究區現有耕地面積218680hm2，以水田為主，有部分旱田。未來水資源配置格局為規劃灌溉面積305779hm2，將現有的旱田改為水田。運用上述方法對未來水資源配置格局下的水質狀況進行預測。

基于未來水資源配置格局下得到的退水量，計算研究區農田面源污染物的產生量和入河量，結果見表7。

把2015年佳木斯斷面監測數據作為本底值，運用上述方法，對未來水資源配置格局下下游2個斷面6-8月氨態氮、總氮、總磷的濃度進行預測，結果見表8。

表8與表5對比表明，耕地面積增加導致各水質指標濃度有所增大，但水質仍然符合Ⅲ類標準。

4 結論

（1）對于松花江下游地區各灌區來說，農田的坡度、坡長、耕作措施等不同，產污類型和數量也不同。農田非點源污染物的入河量與農田污染物產生量、降雨特性、水土流失狀況等因素有關。數據的確定由田間小區試驗和面源污染產生機理、水土流失規律研究作支撐。

（2）采用試驗與模型相結合的方法研究面源污染產生機理，計算松花江下游地區農田面源污染物的產生量為氨態氮6560.46t/a、總氮37558.63t/a、總磷14269.00t/a，入河量為氨態氮328.02t/a、總氮149.11t/a、總磷14.27t/a。

（3）各斷面氨態氮、總氮、總磷濃度計算結果與監測數據相比，具有一定的精度，得出的松花江下游水質為Ⅲ類與實際情況相符，證明此研究方法是可行的。

（4）基于未來水資源配置格局得到的退水量和農田面積，計算研究區農田面源污染物的產生量和入河量，將得到的各斷面氨態氮、總氮、總磷的濃度預測結果與現狀情況下的計算結果相對比，各指標濃度雖然稍有增大，但新格局下水質仍然為Ⅲ類，說明未來水資源配置格局是行之有效的。農田面源污染相關參數的確定，可以為區域水資源管理、糧食生產以及施肥量的確定提供數據支撐。

參考文獻：

[1]劉鵬飛.松花江、遼河水質評價及保護對策[J].水資源保護，1995（3）：24-27.

[2]陳靜生，夏輝，張利田，等.長江、黃河、松花江60-80年代水質變化趨勢與社會經濟發展的關系[J].環境科學學報，1999，19（5）：500-505.

[3]宋家永，李英濤，宋宇，等.三峽庫區農業非點源污染的思考[J].中國農學通報，2005，21（9）：372-375.

[4]陶春，高明，徐暢，等.農業面源污染影響因子及控制技術的研究現狀與展望[J].土壤，2010，42（3）：336-343.

[5]EIKIdNG G.LPM-N：A bumped Parameter Modle for NitrogenLeaching in Agriculgency Perspective[J].Ground Water，1999，37（1）：30-32.

[6]徐琳，李海杰.農業非點源污染模型研究進展及趨勢[J].污染防治技術，2008（2）：42-46.

[7]史偉達，崔遠來.農業非點源污染及模型研究進展[J].中國農村水利水電，2009（5）：60-64.

[8]楊育紅，閻百興，沈波，等.第二松花江流域非點源污染輸出負荷研究[J].農業環境科學學報，2009，28（1）：161-165.

[9]郝彩蓮.東北黑土區農耕地水土流失非點源污染形成和流失規律[D].上海：東華大學，2015：37-43.

[10]蔡明，牛衛華，李文英.流域污染負荷分割研究[J].人民黃河，2006，28（7）：24-26.

[11]蔡明，李懷恩，劉曉軍.非點源污染負荷估算方法研究[J].人民黃河，2007，29（7）：36-37.