東江源頭典型山區小流域農業面源污染解析
——以定南縣東江流域為例

曾金鳳,潘 紅,張立楠,鐘建紅,謝水石,4,周紹梅,4

(1.江西理工大學贛州市流域污染模擬與控制重點實驗室,江西 贛州 341000;2.江西理工大學贛江流域水質安全保障工程技術研究中心,江西 贛州 341000;3.贛江上游水文水資源監測中心,江西 贛州 341000;4.鄱陽湖水文生態監測研究重點實驗室,江西 南昌 330029;5.贛州市生態環境技術服務中心定南技術服務站,江西 贛州 341000)

面源污染源解析的關鍵內容是面源污染負荷的估算。目前,國內外常用的面源污染負荷評價方法有輸出系數法[7]、排污系數法[8]、清單法[9]、模型法等[10-11]。輸出系數法具有計算方法簡便和較好反映地區面源污染原始特征的優點,被國內學者廣泛采用[12-13]。在污染負荷評價中,等標污染負荷法可以根據不同研究區的水質分區標準,實現不同污染源中多個污染物在同一尺度上的比較分析,是當前學術界應用較為普遍的污染負荷評價方法[14-16]。但現有的研究區域也多聚焦于大尺度區域,如流域尺度涉及全國、省級、市級行政區尺度,研究內容上注重污染負荷總量的估算。對小尺度區域,如縣級、鄉(鎮)級行政區面源污染空間分布的精細研究較少,導致研究結果僅能在“總量”層面上進行時間和區域間的比較,對管理實踐缺乏指導意義。山區小流域作為農業面源污染的基本輸出單元,是特定流域農業面源污染評價和綜合治理的基礎[17-18]。此前,關于東江流域農業面源污染的研究主要集中在氮磷污染物污染負荷估算、時空分布特征研究及環境風險評價[19-20]、徑流特征[21]等方面。這些工作從較大尺度上對東江面源污染特征進行了解析,研究較為豐富。而源頭農業小流域面源污染源調查和解析仍顯不足,以致影響了東江源頭小流域農業面源污染防控措施的制定和實施效果。基于此,本文對東江流域源頭山區小流域——定南縣東江流域農業面源污染現狀進行調查與分析,應用輸出系數法和等標污染負荷法核算不同農業面源的污染負荷量與負荷強度,進一步精準解析其結構及存在問題,以期促進定南縣東江源流域生態環境質量改善,保障區域生態優良和生活環境安全,推動社會經濟高質量發展。

1 流域概況

定南縣境內屬低山丘陵地形,是珠江流域東江發源地之一。其定南水系東江一級支流,自東北向西南流入定南縣城東南,途徑巋美山鎮、鵝公鎮、龍塘鎮、歷市鎮、天九鎮和老城鎮6個鄉鎮,是縣境內最大的河流。流域地形屬山區,上游植被較好,中下游水土流失較嚴重。上游河道蜿蜒曲折,河面寬一般小于50.0 m,水勢暴漲暴落,洶涌急湍,屬山區性河流。

定南縣東江源流域的國土總面積約903 km2,農村面積755 km2,農業種植面積為113 km2。總人口為19.81萬人,其中農村人口13.33萬人,定南縣東江源流域水產養殖種類主要為四大家魚,兼有甲魚、龜類、中華鱘和小龍蝦等,每年約295.6 t。畜禽種類以生豬為主,兼有少量的肉牛、肉雞、鴨、鵝、鴿、鵪鶉和羊,見表1。

表1 定南縣東江流基域基本信息及農業生產現狀

2 污染物計算與評價

2.1 污染物計算

a)面源污染計算。主要包括生活污染及農業污染,農業污染包括種植污染、水產和畜禽養殖污染。污染排放采用Jones輸出系數模型[5,22-23]。

(1)

式中L——污染負荷,kg;Ei——第i類污染物輸出系數,即單位面積(kg/hm2/a)或每頭(只)禽畜、水產排放污染物年輸出量(kg/頭/a)、生活排放污染物年輸出量(kg/人/a);Ai——第i類土地利用類型的面積(hm2)或第i種禽畜、水產數量頭(只)、人口數量(人);Ii——單位面積或每頭(只)禽畜糞便、生活污染的第i種污染源污染物量,kg;P——空氣沉降輸入的污染物的量,本次研究忽略空氣沉降輸出的污染物量。

b)系數的選取。影響流域面源污染物輸出系數的因素很多,主要包括流域內地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型和結構、植被、管理措施以及人類活動等[24]。結合流域的上述因素,參照國內外的相關研究[25],生活污染物輸出系數結合《第二次全國污染源生活污染源產排污系數手冊》(試用版),以及2021年生態環境部發布的《排放源統計調查產排污核算方法和系數手冊》和《農業源產排污核算系數手冊》,定南縣屬于四區一般城市,相關系數見表2、3。

表2 農業污水排放系數及污染物產污強度

表3 江西省畜禽規模化養殖、養殖戶產污系數

2.2 評價方法

a)等標污染負荷評價法。把各種污染物的排放都轉化成統一可比的量,使其在同一尺度上進行比較,確定主要污染物、主要污染源和總污染負荷量。其中,等標污染負荷是指對環境產生影響的污染物排放總量,污染負荷比是指某污染源或某污染物的等標污染負荷與總等標污染負荷之比,可以反映某污染源或污染物的污染貢獻,見式(2)、(3)[5,26]:

(2)

(3)

b)等標污染負荷強度。本文在前人研究基礎[9,27]上引入等標污染負荷強度,便于在同一尺度下比較分析農村面源污染物對環境污染的影響程度。計算見式(4)—(6)[10]:

(4)

(5)

(6)

3 結果分析與討論

3.1 面源污染排放量計算

a)排放量

3.2 面源污染等標污染負荷

根據等標污染負荷計算方法即式(6),計算定南縣東江流域行政區劃的等標污染負荷量與等標污染負荷強度。

3.2.1污染物等標污染負荷

表4 2021年定南縣東江流域污染物等標污染負荷及污染負荷比

3.2.2污染類型等標污染負荷

從表5分析污染類型等標污染負荷,表明4種污染類型中等標污染負荷量最大的是人居生活,其次是農業種植,再者是畜禽養殖,最小是水產養殖。其等標污染負荷排放量分別為177.99、45.99、6.13、1.12 t/a,占等標污染負荷排放總量的76.98%、19.89%、2.65%、0.48%。其中,人居生活和農業種植兩者等標負荷達96.87%,為主要污染類型。定南縣是個山區小鎮,鄉村人口居多,地形復雜,聚居地分布較為分散,污水收集管網覆蓋率不高,沒有相對完善的排污管網設施,未完全實現雨污分流。另一方面,農村居民的水環境保護意識淡薄,污水和生活垃圾隨意排放或丟棄現象較普遍。為此,應加快建設與鄉村人口總量相匹配的污水處理廠,建設配套污水管網,強化污水處理設施的正常運營,減少污水入河量。

表5 2021年定南縣東江流域污染類型等標污染負荷及污染負荷比

3.2.3行政區劃等標污染負荷與負荷強度

表6 2021年定南縣東江流域行政區污染源等標污染負荷及污染負荷比

3.3 空間分布特征

3.3.1污染物空間分布特征

a)總氮

3.3.2等標污染負荷量及負荷強度空間分布

根據表5、6計算結果,運用ArcGIS軟件繪制定南縣東江流域農業面源污染等標污染負荷量與負荷強度空間分布,見圖3。可以看出,定南縣東江流域農業面源污染等標污染負荷量(圖3a)與負荷強度(圖3b)高值區集中在歷市鎮,其次是鵝公鎮,低值區則都在巋美山。前2個鎮自然條件更有利于農牧業的發展,農村人口數量較多,由此產生的農業面源污染問題也相對嚴重。

a)污染負荷量

3.3.3等標污染負荷及強度聚類分析

聚類分析作為一種常用的數據分析方法,其目的在于根據研究數據的特征,對特征相近的研究對象進行分類[5]。對有針對性的區域進行環境管理和規劃。根據定南縣6個行政區各賬戶等標污染負荷的計算結果,在SPSS軟件中進行聚類分析。選取聚類方法為組間聯接法,設置度量標準為Euclidean距離。聚類樹狀圖見圖4。由圖4可知,從等標污染負荷量與負荷強度分析6個行政區劃分為3個類型:污染較重為歷市鎮和鵝公鎮,其次是老城鎮和龍塘鎮,污染較輕的是天九鎮和巋美山鎮。在污染防控上,應該優先考慮歷市鎮和鵝公鎮綜合治理。在防控措施上,一方面,加強生活垃圾收集處置,及時清理河道沿岸垃圾,避免垃圾入河;大力推進小型農村污水處理設施建設,加強污水處理設施運營管理,確保設施正常運營。同時,嚴格控制化肥、農藥等非點源污染,加大畜禽養殖的排污規范管理。另一方面,加強對村民的宣傳教育,定期開展巡查,責任落實到每個村。

a)行政區劃等標污染負荷

4 結論

b)行政區劃等標污染負荷量與等標污染負荷強度排序結果不完全相同,等標污染負荷為歷市鎮>鵝公鎮>龍塘鎮>老城鎮>天九鎮>巋美山鎮,等標污染負荷強度為歷市鎮>老城鎮>鵝公鎮>龍塘鎮>天九鎮>巋美山鎮。等標污染負荷量及負荷強度最高值區在歷市鎮,最低區在巋美山鎮。

c)通過對定南東江流域農業面源等標污染負荷的系統聚類分析,6個行政區劃分為3個梯度。污染較重的為歷市鎮和鵝公鎮,其次是老城鎮和龍塘鎮,污染較輕的為天九鎮和巋美山鎮。因此防治重點區域優先考慮歷市鎮和鵝公鎮,防控措施上要強化環境基礎設施建設,保障設施設備有效運行,提高農村生活污水的處理率,合理施用氮肥和磷肥,規范畜禽養殖污染排放,提高村民生態環保意識。

d)農村居民點較為分散,沒有集中的下水道系統,未能將農村生活源污染區分為生活污水和地表徑流,計算比較粗略。另外,由于6個鄉鎮中,有3個鄉鎮存在多條東江支流作為受納水體,未能區分各支流分別排污多少,沒有從流域分區尺度進行分析,還有待進一步細化研究。