涇河流域農業非點源污染解析

黃 康，李懷恩，李家科，肖恒婧

（西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室，陜西 西安710048）

隨著人口的持續增加、工農業生產的飛速發展，非點源污染在水污染中的占比急劇上升，成為水環境污染的主要來源［1-2］，特別是農業非點源污染已嚴重威脅到水環境安全［3］。根據《第一次全國污染普查公報》，TN、TP、CODCr排放量分別占總污染物的57.19%、67.27%、43.71%，同時82%的河流中非點源污染貢獻率在一半以上［4］。灃河和灞河流域非點源污染問題尤為突出，TP、NH3-N污染負荷為53.63%～87.49%［5］。鄱陽湖入湖污染物中有68%～76%的非點源污染負荷來源于TP和NH3-N［6］。密云水庫中非點源污染物TN、TP、CODMn占比達49.9%、73.5%、63.2%［7］。隨機性、滯后性和復雜性等特點使得非點源污染物的控制難度加大，因此定量計算非點源污染負荷，分析非點源污染物特征刻不容緩。

目前，國內外對非點源污染負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（輸出系數模型等）3種［8］。我國大部分河流無長期非點源污染監測數據，因此SWAT模型、平均濃度法的應用受到限制，而基于輸出系數模型的估算方法則顯示出其優越性，輸出系數模型已應用于洞庭湖［9］、三峽庫區［10］、漢江流域［11］、京津冀水庫［12］的非點源污染研究中。

涇河作為渭河流域最大支流，是關中地區主要農業用水水源，同時涇河是黃河流域主要產沙地之一，水土流失極為嚴重，水體污染不斷加重，因此需要解決涇河流域水環境污染問題，加強農業非點源污染控制。趙玉龍等［13-15］評價了涇河流域甘肅段和陜西段的水質特征，發現總氮污染負荷最大；韓鳳朋等［16］估算涇河流域非點源污染負荷表明，TN、TP、NH3-N占比高達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算涇河張家山斷面非點源污染負荷表明，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污染物的時空分布特征。但是目前涇河流域農業非點源污染類型、來源不明，缺乏對整個涇河流域農業非點源污染的現狀分析，而且以縣（區）為單元的污染物空間分布特點尚未可知。因此，本研究以涇河流域32個縣（區）為單元，運用輸出系數法估算2017年涇河流域TN、TP、NH3-N、COD污染負荷，計算流域污染防治區及重點縣（區）的污染貢獻率，采用等標污染負荷法綜合評價法確定農業非點源首要污染物和重點污染源，采用聚類分析法劃分污染等級，并利用徑流分割法進行合理性分析。

1 研究區概況

涇河是渭河第一大支流，發源于寧夏涇源縣六盤山東麓，在陜西西安高陵區入渭河，流域總面積45 421 km2，流域行政范圍包括陜甘寧3省（區）8個地級市的32個縣（區）。流域受溫帶大陸性氣候影響，大都處于半干旱區域，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和丘陵溝壑區為主，面積占81%，水土流失嚴重，是渭河泥沙的主產區［18］。張家山水文站為流域把口站，集水面積43 216 km2。

2 研究方法

2.1 數據來源

各污染源統計數據分別源自中國科學院資源環境科學數據中心和《甘肅省統計年鑒》（2018年）、《寧夏回族自治區統計年鑒》（2018年）、《陜西省統計年鑒》（2018年）及各縣（區）國民經濟和社會發展統計公報，水文數據來源于2017年《黃河流域水文年鑒》，2017年涇河入渭河月水質（COD、NH3-N）數據來源于陜西省生態環境廳。

2.2 輸出系數法

輸出系數法加入了流域農業人口生活污水排放、畜禽養殖污染物排放等因素，并結合農用地類型，建立各要素與非點源污染物輸出量的關系，估算非點源污染負荷［19］，計算公式為

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；A i為第i類農用地面積，或第i種畜禽存欄數，或人口數量；I i為第i種污染源的輸入量；P為降雨輸入的營養物（因缺乏降雨監測數據，且相對農業非點源污染物總量較小，因此忽略不計）。

涇河流域內無長期非點源污染監測數據，研究中采用查閱文獻法確定非點源污染物輸出系數。輸出系數值影響因素眾多，主要包括流域地形地貌、水文氣候、土地利用、人類活動等。涇河流域處于干旱、半干旱地區，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%，農業種植均以小麥、玉米為主，種植結構較為穩定，由此可見涇河和渭河自然環境一致，故參考渭河流域非點源污染物的綜合輸出系數［8］，見表1。

表1 非點源污染物綜合輸出系數

2.3 等標污染負荷法

等標污染負荷法是將各污染物排放量進行同一尺度上的等標化，反映污染源自身的污染程度［20］，計算公式為

式中:P i j是j污染源中i污染物的等標污染負荷；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，基于陜西咸陽水環境功能區劃要求（涇河干流依據《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類水標準取值），TN、NH3-N為1 mg/L，TP為0.2 mg/L，COD為20 mg/L。

3 模擬結果與分析

3.1 農業非點源污染物產生量及縣（區）空間分布

輸出系數法計算2017年涇河流域不同污染物產生量，結合ArcGIS軟件得到污染物的年產生量空間分布，見圖1。涇河流域TN、TP、NH3-N、COD污染負荷分別為124 857.49、5 023.19、26 655.73、258 961.52 t。從圖1可以看出，非點源污染負荷空間差異較大。高負荷區域主要集中在平涼、慶陽、固原等市的定邊縣、環縣、鎮原縣、寧縣、華池縣、原州區、崆峒區、鹽池縣，這些縣（區）污染物負荷貢獻率近50%，農業生產活動強度大、化肥施用量大，應重點治理非點源污染。其中:污染物排放量前三名的是環縣、定邊縣、鎮原縣，這些縣農村人口和土地資源數量大，是糧食生產和畜牧養殖大縣，農膜和化肥投入量大；鎮原縣和環縣化肥施用量的冗余率達到46.82%和27.96%，環縣和華池縣農膜使用冗余率達到76.17%和26.05%［21］，污染物負荷貢獻率為21.24%～27.02%；長武縣、正寧縣和高陵區等污染物排放量較低，其農村人口數量和農業用地較少。TP產生量的空間分布與SWAT模型模擬結果趨于一致，環縣、定邊縣、鹽池縣污染負荷較大，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生量空間分布

3.2 等標污染負荷綜合評價

從污染物角度分析，總等標污染負荷為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，與實地調研情況一致。涇河水污染主要是氮污染，按總氮評價水質為Ⅴ類或劣Ⅴ類，以非點源污染為主，說明流域氮污染是非點源污染控制的重點［14］。由圖2開知，流域內縣（區）污染物等標污染負荷最大的均為環縣，其次為定邊縣、鎮原縣，這些縣是流域非點源污染的主要區域；等標污染負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污染負荷

綜合評價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污染負荷比順序:TN，土地利用（49.65%）＞畜禽養殖（10.22%）＞農業人口（5.99%）；TP，土地利用（9.03%）＞農業人口（2.38%）＞畜禽養殖（1.83%）；NH3-N，土地利用（6.04%）＞畜禽養殖（5.55%）＞農業人口（2.52%）；COD，畜禽養殖（2.48%）＞農業人口（2.30%）＞土地利用（2.05%）。由此可見，涇河流域農業非點源污染中TN、TP、NH3-N負荷主要來源于土地利用，COD負荷主要來自于畜禽養殖和農業人口。該結果與黃河流域非點源污染研究結果一致［22］，農業生產對TN、TP、NH3-N等標污染負荷貢獻率影響最大，而畜禽養殖和農村居民生活對COD等標污染負荷的貢獻率略高于農業生產的。綜合分析各污染源的總等標污染負荷比，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，其次為畜禽養殖（20.03%），農業人口占比最?。?3.19%）。不同土地利用方式產生污染負荷差異大，耕地所產生的污染負荷最大，等標污染負荷比為55.25%，其中TN占比43.94%，另外林草地、城鎮用地和自然地產生污染負荷較小，說明涇河流域的土地利用非點源污染以耕地為主。

3.3 聚類分析結果及評價

為了深入了解涇河流域各縣（區）非點源污染空間分布特點，加強對各縣（區）非點源污染的等級劃分和統一管理，采用Q型聚類分析法，以3種污染源的等標污染負荷為依據，通過SPSS22.0軟件，將32個縣（區）分為6級，等標污染負荷均值見表3，污染等級劃分見圖3。

表3 各污染級別等標污染負荷平均值t/（a·mg）·L

圖3 涇河流域各縣（區）污染等級

第Ⅰ級包括麟游縣等11個縣（區），屬于輕度污染區，整體污染負荷較低，這些區域農業人口少，農業產值較低，以工業或旅游業為主導產業。但總體而言，土地利用污染物產生量最大，占比為59.65%，其次為畜禽養殖，為27.01%。第Ⅱ級包括西峰區等5個縣（區），屬于中度污染區域，與第Ⅰ級相比人口數量略有增加，農業用地面積大，土地利用仍為主要污染源，占比71.91%，少部分為農村生活污染，占比18.21%。第Ⅲ級包括咸陽市轄區等4個縣（區），屬于重度污染區域，位于流域下游，農業用地面積略有增多，人口數量大幅增加，占整個流域農業人口的22.67%，土地利用污染占比57.30%，農村生活污染占比24.31%。第Ⅳ級為崆峒區等7個縣（區），屬于較重度污染區域，大牲畜和豬養殖數量多，特別是大規模生豬和肉牛養殖，豬養殖占流域的42.04%，大牲畜占33.33%，該區域一些河段水質已變為劣Ⅴ類［13］，嚴重影響農業生產；土地利用污染占比58.94%，畜禽養殖污染占比27.75%。第Ⅴ級為鹽池縣和華池縣，屬于特重度污染區域，人口稀少，草地和林地面積劇增；農業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重，占比83.56%。第Ⅵ級為環縣、定邊縣和鎮原縣，屬于極度污染區域，耕地和草地面積比例大，占整個流域的32.57%，畜牧業發達，其中羊養殖占比35.90%，該區域位于馬蓮河流域上游，屬于黃土丘陵溝壑區，水土流失嚴重，輸沙量占涇河張家山站輸沙量的53.5%［23］，其等標污染負荷均值高達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76.05%。

3.4 模型的合理性分析

利用徑流分割法［24］計算流域出口污染負荷，與模型估算的輸出污染負荷進行對比分析?；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的污染負荷，并與輸出系數法結果進行對比分析。

輸出系數模型估算結果為流域非點源污染的產生量，徑流分割法為流域非點源污染的入河量，因此需要考慮污染物入河過程的遷移轉化損失。參考渭河流域入河系數（COD、NH3-N分別為0.07、0.08）、河道降解系數［8］（COD、NH3-N分別為0.45、0.30）得到涇河流域農業非點源污染物的入河量，同時考慮涇河流域占研究區面積的百分比（65%），對輸出系數模型估算的涇河流域污染物產生量與徑流分割法計算的污染物入河量進行誤差分析。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、污染物入河系數、降解系數的選取不能精準定量，所參考的渭河流域系數值始終與涇河流域的不同，這些都會導致誤差偏大；另一方面徑流分割法假定枯水期全部為點源污染，未考慮大氣沉降、人類活動等因素可能產生非點源污染，導致預測結果偏小。

表4 涇河流域農業源污染物誤差分析

涇河多年平均徑流量13.77億m3，進入21世紀以來，為水量最枯時期，多年平均徑流量減少了59.6%［18］。降水徑流是非點源污染產生的最主要原因，對比分析2017年與2006年、2009年偏枯水年的非點源污染負荷:由徑流分割法計算的2017年涇河COD、NH3-N非點源污染負荷比例分別為46.77%、52.22%，2006年［16］（偏枯水年）涇河非點源污染負荷NH3-N為62.40%，2009年［17］（偏枯水年）涇河張家山斷面非點源污染負荷NH3-N、COD分別為50.27%、56.63%。本文研究結果與其他偏枯水年份非點源污染情況較為接近，結果較為可靠。

4 農業非點源污染防治對策

聚類分析結果表明，涇河流域各縣（區）的污染程度和類型明顯不同，根據不同縣（區）的污染特點，提出相應的防治措施，進而控制污染源，減少農業非點源污染。

4.1 土地利用污染防治

涇河流域土地利用污染源產生的非點源污染貢獻率最大，尤其是第Ⅴ、Ⅵ級的5個縣，占比近80%，應該重點治理。環縣、鎮原縣、定邊縣、鹽池縣、華池縣土地資源豐富，屬于隴東黃土高原，以種植業為主，大量使用“全膜種糧”，農藥化肥冗余程度高。在水資源缺乏，農業用水和薄膜使用程度高的區域，應建設節水型農業，同時鼓勵回收廢舊農膜；對于土地利用率低、土壤肥沃度低的區域，施肥強度大，需要推廣測土配方施肥，優化種植結構，并結合生物綠肥等技術減少化肥施用量。

4.2 畜禽養殖污染防治

第Ⅰ、Ⅳ級18個縣（區）除應重點控制土地利用污染外，畜禽養殖污染負荷占比約27%，同時第Ⅵ級縣（區）畜禽養殖污染負荷也很高，該區域畜禽養殖污染也應作為防治重點。畜牧業發達，大牲畜數量多，但養殖模式低效，多為傳統粗放式，產生了大量牲畜糞便，排水不達標。因此，應建設規?；B殖場，并劃分不同級別的養殖區，同時優化產業結構，將農牧業結合，實現糞便無害化利用，防止污染水源。

4.3 農村生活污染防治

第Ⅲ級4個縣（區）位于流域下游，地處關中沖積平原，人口多，農村生活污水排放較為嚴重。污水排放較為隨意、處理不達標，需要因地制宜建設污水處理設施，在水資源匱乏區域采用生化法和CNR等工藝處理廢水；對于肥料需求大的地區，使用厭氧法還田處理農作物肥料；同時，禁止直接排放生活污水，并對垃圾進行回收處理。

5 結 論

采用輸出系數模型估算了涇河流域2017年農業非點源污染總氮、總磷、氨氮和化學需氧量的輸出負荷，利用徑流分割法驗證模型，同時采用等標污染負荷法和聚類分析法進行綜合評價分析，并結合ArcGIS軟件得到非點源污染空間分布圖，得到以下結論。

（1）空間上環縣、定邊縣和鎮原縣輸出污染負荷最大，各污染物空間分布非常相似。

（2）等標污染負荷綜合評價表明，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源污染負荷呈遞減趨勢；從污染源角度分析，TN、TP、NH3-N等標污染負荷中土地利用貢獻率最大，COD等標污染負荷中最大的污染源是畜禽養殖。綜合分析土地利用污染物貢獻率最大，占流域的66.79%，畜禽養殖和農業人口分別占20.03%、13.19%，其中耕地所產生的污染負荷遠大于其他土地利用方式的，是主要的污染源。流域非點源污染重點治理區域為環縣、定邊縣和鎮遠縣。

（3）將輸出系數法與徑流分割法計算結果進行對比，COD相對誤差為3.07%，NH3-N為26.87%，模型模擬結果較為可靠，具有一定合理性。

（4）聚類分析結果表明，涇河流域32個縣（區）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殖，流域非點源污染需要重點治理的區域為流域中上游的環縣、定邊縣、鎮原縣。