丹江流域陜西段農業非點源污染負荷估算

宋 嘉，李懷恩，李家科，郝改瑞

(西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安 710048)

隨著水環境污染管控力度加強，非點源污染的嚴重性及其防治的必要性已被列入環保戰略核心計劃中。2015年國務院提出的“水十條”和2016年印發的《“十三五”生態環境保護規劃》中明確要求加強水生態保護及農業非點源污染治理研究；2018年農業農村部聯合印發《農業農村污染治理攻堅戰行動計劃》；2019年生態環境部提出“開展藍天、碧水、凈土保衛戰”。估算非點源污染負荷，搞清主要來源是管控污染源頭、提高水質標準、加強污染防治工作的重中之重。

污染負荷估算方法包括輸出系數法、平均濃度法[1]及源強系數法[2]等，污染負荷評價通常使用等標污染負荷法[3]。輸出系數法最初由Omernik提出，Johnes在以往模型的基礎上綜合考慮了土地利用類型、人口和牲畜數量等因素對非點源污染的影響進行改善。國內學者們基于實際情況對污染負荷進行估算，盧少勇等[4]明確了洞庭湖區農業非點源污染負荷；龍天渝等[5]以輸出系數法為基礎，建立了三峽庫區上游非點源氮磷負荷模型；陸建忠等[6]則對鄱陽湖農業非點源污染物進行估算。

伴隨“秦嶺生態環境大保護”的深入與“南水北調”工程建設，丹江流域水質優劣及周圍生態環境情況與沿線受水區域的國民經濟總產值和人民群眾生活密切相關[7]。水質安全是自工程建設至今研究的核心問題之一[8]。為長期穩定達到水源地水質要求，必須要有針對性的對不同污染物及主要污染源提出相對應的治理措施，消減水源區的非點源污染。目前丹江流域陜西段農業非點源污染種類、來源不明，缺乏對流域污染的現狀分析，而以縣區為單元的污染物空間分布特點尚未明確。

本文以流域范圍內的5個縣區為研究對象，采用輸出系數法估算2017年丹江流域陜西段內TN、TP、NH4-N 、COD的負荷量，運用等標污染負荷法進行評價。對比分析不同污染源的貢獻度及各縣區各種污染物的主要來源，旨在為丹江流域陜西段非點源污染有的放矢地防治與管控提供強有力的科學支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

丹江，長江水系支流漢江的支流，發源于商州秦嶺南麓鳳凰山，途徑陜西省商洛市的商州區、丹鳳縣、商南縣、河南省南陽市的淅川縣后匯入湖北丹江口水庫。全長443 km，總流域面積16 812 km2，在陜西省境內全長249.6 km，流域面積7 510 km2。

流域受氣候和地形影響，降水分布極不均勻，年降水量隨地形高度增加而遞增。中上游為暴雨多發區，河谷及附近川道為少雨區。丹江流域多年平均降雨量750～850 mm，徑流量年際變化大。由于農業非點源污染的治理一般以行政區劃為單位分區治理，故參照丹江陜西段流域的縣區劃分，選擇陜西省商洛市的商州區、丹鳳縣、商南縣、山陽縣(流域內面積占全縣19.7%)、洛南縣(流域內面積占全縣3.3%)5個行政區為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 污染負荷估算方法

輸出系數法估算污染負荷公式為[9]：

(1)

式中：Li為污染物i負荷量，kg/a；Eij為在第j種土地利用類型中第i種污染物的輸出系數，kg/(hm2·a)或第j種畜禽養殖中第i種污染物的輸出系數，kg/(只·a)或農業人口生活中第i種污染物的輸出系數，kg/(人·a)；Aj為第j種土地利用類型面積(hm2)或第j種畜禽養殖數量(只)或人口數量(人)；P為降雨輸入的污染物總量，kg/a，可忽略不計。

輸出系數的合理確定可通過現場監測法和查閱文獻法[10]。本文主要通過查閱文獻確定各項輸出系數。農業污染源主要分為農業農地源、農村生活源及畜禽養殖源。

為了提高估算精度，將農地利用類型進一步細分為: 耕地、園林、林地、草地。畜禽養殖則主要考慮牛、豬、羊和家禽。綜合考慮文獻中研究區域與年份因素的相似性后，結合實際情況，得出部分輸出系數取值，如表1所示。

表1 不同區域及年份輸出系數的分類及取值Tab.1 Classification and value of output coefficients in different regions and years

區域內耕地化肥施用量多，而林地、草地多以天然形成為主，化肥施用量較少。園地則主要包括果園、桑園及茶園，其單位面積施肥量與耕地相當[14]。所確定的輸出系數值在空間、時間等方面均具有合理性。牛、豬、羊的排泄物中TN含量為61.10、4.51、2.28 kg/(只·a)[9]，輸出比例分別為16.71%、16.43%、17.68%[15]，則輸出系數分別為 10.21、0.74、0.40 kg/(只·a)。人的排泄物中氮輸出系數為2.14 kg/(人·a)。綜上，流域內農業農地源、農村生活源及畜禽養殖源的輸出系數取值如表2所示。

表2 4種污染物輸出系數取值Tab.2 Values of four pollutant output coefficients

1.2.2 污染負荷評價方法

為使不同種污染物能在同一標準上比較，即采用等標污染負荷法進行評價。某污染物的等標污染負荷量是指單位時間內排放的含該污染物的廢水的等標體積，計算公式[16]為：

Pi=Li/Ci

(2)

式中：Pi為污染物i的等標污染負荷，m3/a；Li為污染物i的污染負荷，t/a；Ci為污染物i的閾質量濃度，mg/L。

丹江流域水質以Ⅱ類為主，結合《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中Ⅱ類標準系列的閾濃度的下限值進行核算。其中，Ⅱ類水限值TN為0.5 mg/L；TP為0.1 mg/L；NH4-N為0.5 mg/L；COD為15 mg/L。

1.2.3 數據來源分析

丹江流域陜西段五個縣區的農業非點源污染負荷量的估算所需基礎數據包括耕地、林地、草地及園地面積，牛、豬、羊、家禽及農村人口數量。以上數據均來源于《2018年陜西統計年鑒》及2017年各縣區的統計年鑒或者國民經濟和社會發展統計公報，各種土地利用面積數據利用2017年陜西省土地利用GIS導出數據。

2 結果與分析

2.1 農業非點源污染負荷量估算

采用輸出系數法估算2017年丹江流域陜西段5個縣區的農業農地、農村生活及畜禽養殖3大類主要污染源產生的4種非點源污染負荷量。計算結果如表3所示。

表3 2017年丹江流域非點源污染各污染物負荷量Tab.3 Loads of Non-point Source Pollution by Danjiang River Basin in 2017

2017 年流域內總氮負荷量為6 209.22 t，總磷負荷量為369.56 t，氨氮負荷量為2 187.88 t，化學需氧量負荷量為22 681.14 t。從上表中數據可以看出，商州區、丹鳳縣、商南縣的污染負荷量較高。主要原因是這3個縣區為丹江流域陜西段的主要涵養區。農業土地利用面積大、畜禽養殖業發達、農村人口多。相比之下，洛南縣在流域段內管控面積小，從而各種污染負荷量都較低。

2.2 農業非點源污染負荷評價

2.2.1 等標污染負荷量空間分布特征

2017 年丹江流域農業非點源污染TN、TP、NH4-N 、COD等標污染負荷分別為1 241.844、369.560、437.576、150.832 億m3。如圖1所示，空間分布上污染物負荷貢獻率最大的區域是商州區，洛南縣對各種污染物負荷貢獻率最小。

其主要原因是商州區、丹鳳縣、商南縣大量的化肥施用和規模化養殖導致對 TN、TP 的貢獻率都比較高。雖然山陽縣在流域內農業用地面積很小，但畜禽養殖數量大，因此對NH4-N的貢獻率最大。在空間分布上，各種等標污染負荷空間分布有很強的一致性。這與唐肖陽[17]在漢江流域的研究結果十分吻合，即其空間分布特征是：農業土地利用面積大、畜禽養殖業發達、農村人口多的區域，等標污染負荷較大，反之亦然。

圖1 2017年各縣區不同等標負荷污染物的空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of pollutants with different equal load in each county in 2017

2.2.2 不同污染源等標污染負荷總量特征

丹江流域陜西段各縣區農地農業源和畜禽養殖源的等標污染負荷貢獻率均相對較高。相比之下，農村生活源的等標污染負荷貢獻率則較低。農業非點源污染等標污染負荷總量為227 579 億m3。在各污染源中，等標污染負荷總量分別為：農地農業源量100 082.7 億m3，畜禽養殖源量752.283 億m3，農村生活源量44 670.2 億m3。

圖2 不同污染源對非點源污染的貢獻率占比圖Fig.2 Proportion of contribution rate of different pollution sources to non-point source pollution

由圖2可見，TN污染主要來源是農業農地；TP、NH4-N污染主要來源是畜禽養殖；COD污染主要來源是農村生活。農地農業污染對TN的貢獻率超過總量的一半以上，畜禽養殖對TP、NH4-N貢獻率的影響明顯大于農業農地和農村生活，各污染源對COD的貢獻度較為平均。

綜合識別出重點防治對象為農地農業污染和畜禽養殖污染。為控制農業非點源污染，減少化肥的施用量、改變土地利用類型，提高畜禽糞便的有效處理則顯得尤為重要。

2.2.3 不同污染源對各縣區等標污染負荷貢獻特征

利用Arc GIS軟件，以縣區為基本單位分別表示出農業農地污染源、農村生活污染源及畜禽養殖污染源的量值。

如圖3所示，在流域內，商州區、丹鳳縣、商南縣、洛南縣的TN 等標污染負荷貢獻最大的為農業農地，而山陽縣則為畜禽養殖；商州區、洛南縣、商南縣的TP 等標污染負荷貢獻最大的為農業農地，而山陽縣和丹鳳縣為畜禽養殖。各縣區的NH4-N等標污染負荷則表現出明顯的規律特征，均以畜禽養殖為主。丹鳳縣、商南縣和洛南縣的COD 等標污染負荷貢獻最大的為農業農地，而山陽縣為畜禽養殖，商州區為農村生活。

圖3 2017年各縣區不同污染源對各種污染物的貢獻度占比圖Fig.3 Contributions of different pollution sources to various pollutants in each county in 2017

各縣區的各種污染源排放強度相差較大，其主要受自然環境等外部影響。丹江流域陜西段各縣區的污染負荷均以農業農地和畜禽養殖為主。其中，商州區農業農地污染對本區的TN負荷貢獻率為65.1%，山陽縣的畜禽養殖污染貢獻為58.55%。洛南縣的農業農地污染對該區TP負荷貢獻率為61.03%，山陽縣的畜禽養殖污染對該地區的TP負荷貢獻率為80.28%。鑒于此，丹江流域陜西段農業非點源污染治理方案應根據各縣區污染源情況因地制宜。

2.3 農業非點源污染負荷合理性分析及防治方法

2.3.1 丹江流域陜西段農業非點源污染負荷合理性分析

商州區耕地、林地面積占比大，且農業人口數量大；丹鳳縣由于其“九山半水半分田” 的特殊地理分布，全縣森林覆蓋率高達70%；商南縣林地、園地面積最大，茶園眾多；山陽縣則特色發展畜禽養殖產業。綜合各縣區的自然地理條件，農業及畜牧業發展方式和人口數量分布等等，可見丹江流域陜西段的農業非點源污染負荷量、空間分布特征、總量特征及不同污染源對各種污染物貢獻等具有合理性。

2.3.2 丹江流域陜西段非點污染防治方法

各種污染物的負荷量都與各縣區的產業發展方式密切相關，則非點源污染防治方法也應具有針對性。商州區將重點放在農業農地和農村生活污染上；丹鳳縣及商南縣應關注農業農地和畜禽養殖污染；山陽縣著重管控畜禽養殖污染；洛南縣應集中精力在農業農地污染上。

(1)農業農地污染防治方法。區域地處土石山區，水土流失產生大量泥沙作為載體，吸附攜帶化肥和農藥等直接排入河流，導致土地肥力不斷降低，迫使增加施用量，造成嚴重的惡性循環[18]。農業農地污染防治應從農業用水和化肥農藥使用兩方面入手。商州區及洛南縣應大力建設節水型農業；提高化肥有效利用率，測土配方施肥，優化種植結構，牢固土壤肥力；丹鳳縣及商南縣可結合生物綠肥等技術減少化肥使用量。

(2)農村生活污染防治方法 。流域內水系發達，支流眾多，農戶多沿自然水體居住。農村生活垃圾及污水未經處理直接排入水體，排放時間、地點均較為隨意。應積極鼓勵各縣區進行政策及技術的宣傳，將工作重點放在農村人口數量大的商州區。生活污水在自家經簡單處理后定時排入指定地點，同時應在各村修建小型垃圾場，避免生活垃圾進入水體或是私自焚燒填埋，每家每戶對垃圾資源進行分類，政府定時回收利用處理。

(3)畜禽養殖污染防治方法。畜禽養殖污染源于養殖模式低效，數量大且多為傳統粗放式，由此產生大量的牲畜糞便直接排入水中污染環境。近年來，養殖業規模一直處于上升趨勢，但達到污水處理標準的養殖場只占調查總量的7.41%[19]。應依據畜禽種類劃分不同級別養殖區。對于山陽縣的集中養殖場開展規模化沼氣、生物天然氣，創新生態養殖。各縣區應將農牧業有機結合，發展循環農業[20]。

3 結 語

本文采用輸出系數法等標污染負荷法及Arc GIS，估算了2017年丹江流域陜西段各縣區的農業非點源污染的污染負荷量等標污染負荷量及空間分布情況，結果表明：

(1)2017年丹江流域陜西段的非點源污染負荷量分別：總氮6 209.22 t，總磷369.56 t，氨氮2 187.88 t，化學需氧量22 681.14 t。相應的等標污染負荷量分別為620.922、184.780、218.788、113.407 億m3。污染物負荷貢獻率最大的區域是商州區，其次是丹鳳縣和商南縣，洛南縣對各種污染物負荷貢獻率最小。

(2)等標污染負荷量貢獻率順序分別如下，TN為：農業農地(60.11%)>畜禽養殖(22.54%)>農村生活(17.36%)；TP為：畜禽養殖(41.62%)>農業農地(35.21%)>農村生活(23.16%)；NH4-N為：畜禽養殖(61.36%)>農村生活(20.72%)>農業農地(17.92%)；COD為：農村生活(36.41%)>畜禽養殖(33.23%)>農業農地(30.35%)。農業農地和畜禽養殖是丹江流域陜西段農業非點源污染的重點源。

(3)農業非點源污染負荷空間分布特征明顯：農業土地利用面積大、畜禽養殖業發達、農村人口多的縣區，其等標污染負荷較大，反之亦然。表明了農業非點源污染負荷對空間分布及環境影響的一致性。

(4)應因地制宜選擇相對應的治理調控手段。合理安排土地利用占比結構，加大農業非點源污染的管理措施，最大程度的降低負荷污染。