三峡库区湖北段非点源污染氮磷排放时空分布特征

王 萌, 刘 云, 李春蕾, 肖文发

(1.北京农学院 北京林果业生态环境功能提升协同创新中心， 北京 102206；2.中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所， 北京 100091)

非点源污染(non-point source pollution)又称面源污染，是指由于土地利用活动产生的溶解的或固体的污染物(地面的各种污染物质，如城市垃圾、农村家畜粪便、农田中的化肥、农药、重金属及其它有毒或有机物)，从非特定的地点随着降雨和地表径流等进入受纳水体(如水库、湖泊、河流等)而造成的水环境污染[1]。具有分散性、隐蔽性、随机性、潜伏性、累积性、污染物排放和污染途径的不确定性等特点[2]。能够使水体水质恶化、发生富营养化、污染饮用水源，严重影响人们的生活。三峡库区作为长江流域具有重要战略意义的生态屏障地区，也是我国典型的生态脆弱区[3]。三峡水库建成后，河水流速变缓，不利于污染物的扩散自净，加上大量移民活动，致使非点源污染加剧[4]，《长江三峡工程生态与环境监测公报》[5]显示，2010年三峡库区长江干流水质均达到或优于Ⅲ类，库区主要支流水体处于富营养状态的断面比例月平均为34.0%，比上年增加7.1%，部分支流有水华现象。因此非常有必要对研究区进行非点源污染的研究。

非点源污染研究领域中模型研究一直是活跃分支并被广泛应用于实际[6]。主要包括统计模型和机理模型，统计模型较少考虑非点源污染的中间过程和内在机制，通过对典型样区的监测实验提取数据，在水文参数、水质参数和景观参数间建立经验关系式[2]，如输出系数法、水质水量相关法、平均浓度法等；机理模型根据非点源污染形成的内在机理，通过数学模型对降雨径流以及污染物的迁移转化过程进行模拟[7]，如SWAT,HSPF,AGNPS模型等。美国是开展非点源污染研究最早的国家，早在1930年便开始了研究工作，1936年制定了第一个非点源污染控制法(至今己进行了多次修订)。但对非点源污染的全面认识和系统研究则始于20世纪60年代，首先在美、日、英等一些发达国家率先兴起，70年代以后，在世界各地逐渐受到重视，80年代非点源污染研究蓬勃发展，90年代新的污染物成为研究热点。我国非点源污染相关研究起步较晚，始于20世纪80年代初的湖泊、水库富营养化调查和河流水质规划研究[8]，2000年以后，随着国内外非点源污染模型的引进发展迅速，大批研究者运用各种模型和计算方法在全国不同地区、不同尺度范围内开展了大量应用研究[9]。在这其中，输出系数模型因其结构相对简单、数据获取相对容易以及较少考虑非点源污染复杂的迁移转化过程而在国内得到广泛应用。输出系数模型最初由Omemik等人[10]于20世纪70年代中期预测静止水体的富营养化而建立，当时的模型比较简单，输出系数单一。1996年Johnes等[11]在此基础上针对不同污染源确定了不同的输出系数，使模型更加合理化，灵敏性得到很大提高。2004年，蔡明等[12]考虑降雨和污染物在迁移过程中的损失对模型进行了改进，并用于渭河流域总氮负荷量的估算，模拟结果更接近监测值。2006年程红光等[13]对不同降雨条件下非点源污染氮负荷的入河系数进行了研究，提出了非点源污染负荷的“流域损失系数—入河系数”概念。2008年龙天渝等[14]将输出系数法与SLURP分布式水文模型相结合，引入污染负荷系数，对三峡库区的非点源氮磷污染进行估算和分析。同年，丁晓雯等人[15]提出了基于降雨和地形特征的输出系数模型改进，并以长江上游为例进行氮磷负荷估算，结果表明改进之后的模型相对误差减小，精度有所提高。2009年李兆富等[16]通过实测数据推算获得流域主要土地利用类型的氮磷输出系数，并考虑流域降雨的空间差异，同时与GIS融合，构建了半分布式的输出系数模型。2011年张敏等[17]对蔡明等人的改进模型进一步优化，对研究区每种土地利用类型设置了不同的流域损失系数，并对浙江省安吉县西部小流域非点源污染进行了估算。2015年徐立红等[18]将流域不同营养源与降雨携带的氮磷产生量“合成”考虑，提出了产污系数，基于流域降雨强度对氮磷输出系数模型进行了改进。2016年龙天渝等[19]定义了降雨侵蚀力影响系数，提出了入河系数的空间分布式，将二者引入到Johnes的年输出系数模型中，构建了非点源污染负荷的时空分布模型，对三峡库区2002—2012年总氮总磷负荷进行了模拟。并用小江流域的实测值对该模型进行了验证，结果表明加入降雨侵蚀力影响系数和入河系数后的输出系数模型模拟值与实测值较好的吻合。有研究表明降雨产生的径流对非点源污染物有搬运作用，降雨强度越大，携带走的污染物越多，产生的污染程度越大[20]。且径流的迁移过程主要受土地利用方式的影响，从而影响非点源污染物的输出[21]。因此，在不同的土地利用方式排放的氮磷污染负荷计算中应考虑到降雨径流的影响，本文通过将降雨侵蚀力影响系数引入输出系数模型中，以便更好的模拟不同年份的非点源氮磷污染负荷量。

三峡库区湖北段以农业为主，又地处长江中游，该地区的农业活动排水最终都会流入长江从而影响长江的水质，因此无论是从农业发展的环保性还是地理位置的重要性角度考虑，估算其可能造成的非点源污染都显得尤为必要，这不仅有助于及时有效地了解该地区非点源污染的发展状况，找到有效的防治对策，更有利于整个地区生态环境的建设和治理。考虑到以往的研究只估算了各污染源产生的污染物负荷量，并没有考虑其在迁移到受纳水体过程中的损失以及降雨径流对不同土地利用方式产污的影响，因此本文通过运用改进的输出系数模型，引入入河系数(即空间各单元产生的污染物进入受纳水体的比例[19])和降雨侵蚀力影响系数，结合GIS技术，对三峡库区湖北段1990，2000，2005和2010年的非点源污染情况进行时空分布模拟研究，估算各年氮磷污染排放量和不同污染源的贡献，以空间化方式将各区县的污染特征进行时空分布及其变化规律分析。

1 研究区概况

三峡库区湖北段地处长江中游，地理范围在东经110°04′—111°39′，北纬31°04′—31°34′之间，包括夷陵、秭归、兴山和巴东4个区县，均属中亚热带季风气候。夷陵地势西北高，东南低，有山地、丘陵、河谷等多种地貌，土壤包括黄壤、黄棕壤、山地棕壤、紫色土、石灰岩土、潮土和水稻土。年降雨量在977～1 370 mm之间，年平均气温16.11～17.4 ℃。2010年末，夷陵区土地总面积约为3.69×105hm2，其中水田和旱地5.60×104hm2。秭归地势西南高东北低，属长江三峡山地地貌，土地总面积约为2.28×105hm2，其中水田和旱地6.00×104hm2，该地区年降雨量在950～1 590 mm，年平均气温18 ℃。兴山地势东西北三面高，南面低，由南向北逐渐升高，土地总面积约为2.34×105hm2，其中水田和旱地2.81×104hm2，年降雨量在900～1 200 mm之间，雨量充沛但时空分布差异大，年平均气温15.3 ℃左右。巴东地形狭长，西高东低，南北起伏，光、热、水分布垂直差异明显，形成不同的山地型小气候，土地总面积约为3.35×105hm2，其中水田和旱地1.01×105hm2，年降雨量在1 200～1 650 mm之间，年平均气温16.8 ℃。

2 输出系数法

2.1 数据获取

本研究所采用的数据详见表1。本研究将4期土地利用类型图按照林地、草地、水域、水田、旱地、园地、建设用地和裸地分别进行重分类(附图1)，然后计算出各类土地利用类型的面积。

表1 研究所用数据清单

2.2 输出系数模型

改进后的输出系数模型不但精度得到提高，相对误差减小，而且更加合理化。

因此本研究参考改进后的输出系数模型[13-14,17,19]对三峡库区湖北段的非点源氮磷负荷进行估算，确定模型为：

L=Li+Ll

(1)

(2)

(3)

式中：L——污染物的输出量(kg)；Li——第i种农村生活源或畜禽养殖源污染物的输出量(kg)；Ll——第l种土地利用类型的输出量(kg)；λi——第i种农村生活或畜禽养殖污染源的流域损失系数，无量纲；Ei——第i种农村生活或畜禽养殖污染源的输出系数；Ai——第i种牲畜的数量或人口数量，头(只)或人 ；α——降雨影响系数，无量纲；λl——第l种土地利用类型的流域损失系数，无量纲；El——第l种土地利用类型的输出系数；Al——第l种土地利用类型的面积(hm2)。其中，

(4)

(5)

2.3 不同污染源不同系数的确定

输出系数的选择是运用该模型计算非点源污染负荷的关键，参考三峡库区非点源污染的相关研究[22-29]，本文所用各污染源的输出系数详见表2。在确定降雨影响系数之前需要先计算出各年的降雨侵蚀力，选取研究区及其周边13个气象站点的月降雨数据按照公式(5)计算得到各年的降雨侵蚀力，再按照公式(4)求出各年的降雨影响系数。本研究经过计算得到1990，2000，2005和2010年降雨影响系数分别为0.91，1.21，0.89和0.99。各污染源的入河系数参考三峡库区及其相似地区的研究结果[30-32]确定。

3 结果与分析

3.1 研究区总氮总磷污染排放量

运用改进的输出系数模型模拟了三峡库区湖北段1990,2000,2005和2010年的非点源氮磷污染，结果如图1所示。由图1可知，1990,2000,2005和2010年三峡库区湖北段总氮排放均在2 500 t以上，2000年达到最高，相比于1990，2010年的总氮排放量增加了1 049.44 t，增长了38.26%，年均总氮排放量为3 612.78 t/a，年均排放强度为3.10 kg/(hm2·a)。研究区1990,2000,2005和2010年的总磷排放量在250 t以上，2000年达到最高，相比于1990，2010年的总磷排放量增加了156.75 t，增长了56.61%，年均总磷排放量为393.75 t/a，年均排放强度为0.34 kg/(hm2·a)。氮磷比约为9∶1，因此三峡库区湖北段非点源污染以氮污染为主。

表2 研究区不同污染源的输出和入河系数取值

图1 研究区各年总氮、总磷污染排放量

3.2 各污染源总氮总磷排放特征

1990，2000，2005和2010年三峡库区湖北段各污染源总氮总磷排放量及贡献率详见表3—4。主要包括农村生活、畜禽养殖和土地利用3类污染源。对于氮污染来说，农村人口、生活污水和生活垃圾排放的氮污染量均呈降低趋势，农村生活对氮污染的贡献率从1990年的21.18%减少到2010年的13.12%，排放量减少了83.56 t，可能是由于城镇化快速发展，农村人口数从1990年的1 .51×106人减少到2010年的1.30×106人，减少了2.10×105人，使农村生活排放的氮污染负荷降低；畜禽养殖排放的氮污染负荷总体变化不明显，2005年畜禽污染排放的氮污染负荷为4 a中最低，489.42 t，与1990年最高值相差103.30 t，大牲畜为畜禽排放氮污染的主要贡献源。土地利用活动对氮污染的贡献最大，分别为1 569.46，3 395.37，2 465.24和2 722.06 t，分别占总体的57.21%，76.11%，71.37%和71.77%，主要是因为当地居民以农田种植为主要生产方式，水田和旱地的面积不断扩大，根据4期土地利用类型图计算得到：1990—2010年水田和旱地的面积分别增加了107.86%和35.57%，导致施肥量和施肥次数增加，造成氮污染排放升高。

对于磷污染来说，农村生活排放的磷污染量基本没有变化，但是对总体的贡献率从1990年的8.19%降低到4.48%，其中生活垃圾为农村生活排放磷污染的主要贡献源；畜禽养殖排放的磷污染量有所升高，其中猪的贡献率最大；土地利用活动依然是磷排放的主要贡献源，尤其是水田和旱地。综上所述，从各污染源贡献率的角度分析，水田和旱地的土地利用活动是造成氮污染的主要原因，其次是农村人口；水田和旱地也是磷污染排放的主要贡献源，其次是猪的养殖。

表3 研究区各年各污染源氮污染负荷及贡献率

表4 各年各污染源磷污染负荷及贡献率

3.3 不同地区总氮总磷排放特征及空间分布

从不同地区总氮总磷排放特征来看，除1990年外，各区县氮磷排放量表现为：巴东>夷陵>秭归>兴山，主要是因为2000年以后，巴东县水田和旱地的面积大幅度扩大，而1990年的夷陵区还是宜昌县，农村人口众多。因此巴东为氮磷污染的重点控制区域。各区县各类污染源总氮总磷年均排放量空间分布如图2—3所示。

由图2—3可知，年均总氮排放量顺序依次为：巴东(1 269.68 t/a)>夷陵(1 061.20 t/a)>秭归(839.24 t/a)>兴山(430.77 t/a)。因此巴东是磷污染的重点控制区域。由于土地利用活动为氮污染的主要来源，主要是氮肥的施用，巴东地区年均氮肥施用量为1.40×104t/a，氮排放占研究区年均总氮负荷的35.14%，因此氮排放量较其他3个区县高。年均总磷排放量排序依次为：巴东(137.03 t/a)>夷陵(116.02 t/a)>秭归(95.40 t/a)>兴山(45.28 t/a)。因此巴东也是磷污染的重点控制区域。

图2 各年各区县总氮总磷负荷量

图3 各区县各类污染源总氮总磷年均排放量空间格局

土地利用活动为磷排放的主要来源，主要原因是农用地面积增加，施肥量和施肥次数增加。巴东地区年均磷肥施用量为2 188.5 t/a。除秭归外，其他3个区县来自畜禽养殖源的TN排放量均高于农村生活源。兴山县的各类污染源年均TN排放量明显低于其他3个区县。

4 讨论与结论

1990,2000,2005和2010年，三峡库区湖北段非点源TN和TP年排放量及排放强度表现为2000年最高，1990年最低。总体呈现上升趋势。土地利用(主要是水田和旱地)和畜禽养殖(主要是猪的养殖)是非点源污染的主要污染源，其中土地利用(主要是水田和旱地)是TN的主要污染源，土地利用(主要是水田和旱地)和畜禽养殖(主要是猪的养殖)为TP的主要污染源。三峡库区湖北段非点源氮磷污染总体呈现两侧高中间低的区域性分布。巴东县为氮磷排放的重点控制区域。

通过4期土地利用图计算得到2000年以后水田和旱地的面积均高于1990年，尤其是2000年居于最高值，在其他项数据相差不大的情况下，这很大程度上决定了该年份的非点源氮磷负荷量达到最大值。造成这种情况的主要原因可能是1990—2000年间库区湖北段大力发展农业，且耕地主要以水田和旱地为主。另一方面，1990—2010年间农村人口有所降低，而作为主要污染源的畜禽养殖数显著增加，2010年猪的养殖数达到1.85×106头，明显高于1990年的1.09×106头，结合不同污染源的不同输出系数，导致2005,2010年的氮磷排放量升高并高于1990年。

不同于以往的研究，为了模拟结果更好地接近实测值，减小误差，本文运用龙天渝等人[19]改进的输出系数模型，即加入入河系数，在土地利用产生的非点源氮磷污染负荷中还加入降雨影响系数，模拟计算了三峡库区湖北段非点源氮磷污染负荷，然而，本文的研究结果相比较之前学者所做的研究结论有出入，主要表现为氮磷排放量最高的区县不一致：杜双[22]经过研究发现4个区县中夷陵区的氮磷排放量最高。本研究的结论则是巴东县最高。出现这种问题可能的原因首先是本文在数据统计过程中用的是夷陵区的农村人口数据，在数据搜集过程中发现同一项目《湖北农村统计年鉴》和各地区的统计年鉴数据不一致，为保证数据的精确性和可靠性，本文各项数据均取自地方统计数据，即《宜昌统计年鉴》和《恩施州统计年鉴》。再加上引入了降雨影响系数和入河系数，因此得出的结果和结论不同。其次，根据统计数据显示，除1990年外，其他年份巴东县无论是人口数、畜禽养殖数还是土地利用情况都基本略高于夷陵区，因此结果有所不同。

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