湖北省江陵县农业非点源污染负荷特征研究

2018-09-28谭心李方敏

长江大学学报(自科版) 2018年18期

谭心，李方敏

(长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州 434023)

熊勤学

(长江大学农学院，湖北荆州 434025)

水体污染可分为点源污染和非点源污染(Non-point Source Pollution)。随着工业废水和城市生活污水等点源污染得到有效控制，非点源污染逐渐成为水体污染的主要来源。非点源污染主要是指村民在工农业生产与日常生活中，过量排放的生活污水、氮磷等污染物、农药、畜禽粪便污水等不确定性污染源通过地表径流、雨水淋溶等途径进入地表水体生态系统所造成的污染[1]，严重时会导致湖泊、河流出现富营养化等问题[2]。

与点源污染相比，非点源污染的发生具有严重的滞后性、机理复杂、污染负荷时空分布差异大、难以估算与模拟等特点[3]。国内外现有的农业非点源污染负荷估算模型可分为经验模型和机理模型，机理模型虽然能描述污染物的迁移、转化过程等，但是需要大量实测数据支撑，在资料匮乏区域难以应用[4]。而经验模型需要的参数较少，其中输出系数模型避开了非点源污染所涉及的复杂过程，降低了对流域内污染物迁移转化过程监测数据的要求，具有可接受的精度，能够满足对农业非点源污染负荷估算的需求[5]。Johnes输出系数模型是较为成熟的经验模型之一[6]，该模型通过建立土地利用、人类活动和畜禽养殖等影响因子与污染负荷的关系来计算非点源污染负荷，被广泛运用于非点源污染负荷的估算研究，如在涪江流域[7]、三峡库区[8]、太湖流域[9,10]和密云水库流域[11～13]等区域的应用均取得较好的结果。

湖北省江陵县是我国优质商品粮、商品棉基地，盛产四大家鱼和水生作物，目前由于受到严重的农业非点源污染，生态环境每况愈下，严重制约了当地的经济发展。因此本研究以江陵县为研究对象，根据2012～2016年江陵县统计局提供的相关数据，运用输出系数法对该县的总氮、总磷污染负荷进行估算，并结合地理信息系统(GIS)对区域内农业非点源污染的时空分布特征与变化趋势进行分析，以期为江陵县非点源污染治理提供科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

江陵县位于湖北省荆州市境内，地处江汉平原腹地、长江中游荆江北岸。全县版图呈马鞍形，东西长53.5km，南北宽36.2km。面积为1032km2，2016年末全县常住人口33.11万人，江陵县辖7镇(资市、熊河、白马寺、滩桥、郝穴、沙岗、普济)、2乡(秦市、马家寨)、2管理区(三湖、六合垸)、1农场(江北)。该县属于北亚热带季风性湿润气候，四季分明，光照充足，雨水充沛，无霜期长，年平均气温为16.0～16.4℃，最高气温为39.2℃，最低气温为-19℃，年平均降雨量为900～1100mm。县域内地势平坦，平均海拔高度在25.3～40.0m之间，相对高差为14.7m，属于湖相沉积平原和长江冲积平原混合地带，地貌包括淤沙平地、冲积平地、低湿平地、洲滩平地等类型。

1.2 研究方法

1.2.2 输出系数法

降雨和地形在非点源污染物的输移过程中起着重要作用[14]。鉴于研究区域面积不太大，且无各乡镇的降雨资料，本研究暂不考虑降雨对区域内非点源污染负荷的空间分布差异，只考虑地形因素对其污染负荷空间分布的影响，具体表达式如下：

(1)

式中：L为某污染物在研究区域的输出总负荷，kg/a；α为地形影响因子，表示地形对污染负荷的影响；Ei为某污染物在第i种污染源中的输出系数，kg/(hm2·a)；Ai为第i 种污染源的面积(hm2)或畜禽数量(头或只)、人口数量(人)。

1.2.2 等标污染负荷法

等标污染负荷是单位时间排放污染物的废水等标体积，用以评价各污染源、污染物的相对危害程度，计算公式为：

(2)

式中：Pij表示第j个污染源第i种污染物的等标污染负荷，m3；Mij为第j个污染源第i种污染物的流失量，t；Ci0表示该污染源中第i种污染物的评价标准，本研究采用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的Ⅲ类水质标准，其中总氮浓度为1mg/L，总磷浓度为0.2mg/L。

1.3 地形影响因子的确定

坡度是影响地面产污负荷的重要因素，随着地面坡度的增加，降雨产生的水土流失现象相应增加，土壤中的氮、磷污染负荷以较快的速度进入坡面流[15]，地形影响因子α可定义为[16]：

(3)

采用类比法参照文献[17]的数据确定d值为0.6104，运用ArcGIS 10.3软件对江陵县数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)进行计算得到研究区内平均坡度为3.50°。因此，地形影响因子α可定义为：

(4)

通过计算得到研究区域的地形影响因子变化值从0到5.9422，如图1所示。

图1 江陵县地形影响因子变化图

1.4 输出系数的计算

农用地的输出系数是根据单位面积施用的化肥折算成纯N、P2O5量及其随地表径流排放到环境中的流失量估算。

(5)

式中：Ej为第j种土地利用类型的输出系数，kg/(hm2·a)；α为氮、磷径流损失量占施肥量的比例；Ij为第j种土地利用类型每年单位面积施纯N、P2O5量，kg/(hm2·a)。

林地的输出系数参考相似地区洞庭湖流域的研究成果[18]并结合当地实际情况而定；淡水养殖输出系数的确定，类比湖北省洪湖流域的实测数据，采用含有中、长期水质水量监测数据估算出输出系数[19,20]；畜禽养殖和农村生活污水污染源的输出系数，采用《畜禽养殖业源产排污系数手册》[21]和国家环保总局推荐的人口输出系数确定[22]，上述各类污染源中TN、TP的输出系数见表1。

表1 各类污染源中TN、TP输出系数值

1.5 数据来源

湖北省江陵县2012年到2016年的农业人口、畜禽养殖数量、各种土地利用情况、淡水养殖状况、生活状况、农业生产情况等非点源污染相关基础数据来自2012～2016年江陵县统计年鉴；江陵县DEM数字高程数据来源于地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)。

2 结果与分析

2.1 非点源污染负荷的年变化特征

运用上述输出系数法，以研究区域各乡镇的统计数据及各类污染源的输出系数整理得到2012～2016年江陵县农业非点源污染TN、TP负荷量(表2)。由表2可知，2012～2016年江陵县总氮与总磷的年均负荷量分别为2451.31t和423.27t，总氮负荷量是总磷负荷量的5.79倍，这与之前有学者在三峡库区研究报道的氮磷负荷比的结论基本类似[23,24]。由表2还可以看出，非点源污染负荷TN、TP在2012～2016年变化具有相似的规律性，即随时间推移，TN、TP污染负荷呈先缓慢上升、后略有下降的趋势，在2015年增长率达到最高，分别为4.69%和6.27%。主要是因为2012～2015年江陵县的淡水养殖和畜禽养殖规模持续增加，引起非点源污染负荷量持续增涨，而在2016年5月开始实施江陵县三湖流域非点源污染防控方案后，畜禽养殖重大污染源得到了有效控制。

综合2012～2016年污染来源看，不同污染源类型对TN负荷量贡献大小的顺序为：农林用地>农村生活污水>畜禽养殖>淡水养殖，农林用地中的耕地是TN污染的首要贡献源，主要是因为江陵县的耕地化肥施用量过大，平均每1hm2农田纯氮量达到381.5kg，是发达国家规定警戒线(225kg/hm2)的1.7倍，超出了农作物吸收的氮、磷用量，导致过量施用的部分随地表径流和地下渗漏进入到水体中。不同污染源类型对江陵县TP负荷量贡献的大小顺序为：农林用地>畜禽养殖>淡水养殖>农村生活污水。由于江陵县家禽养殖规模较大，养殖过程中产生的污染物和粪便未经处理直接排入水体造成污染，因此畜禽养殖是继农林用地后TP负荷量的另一主要贡献源。

表2 2012～2016年江陵县非点源污染年负荷量 t/a

2.2 各乡镇2015年污染负荷分析

江陵县各乡镇2015年TN、TP污染负荷量结果如图2所示。由图2可知，除秦市乡外农林用地对研究区域内TN污染负荷量的贡献率最大，为45.2%～70.3%，其次是农村生活污水和畜禽养殖污染负荷。除郝穴、秦市和三湖乡镇外，农林用地对研究区内TP污染负荷量的贡献率最大，为34.7%～64.9%，其次是畜禽养殖和淡水养殖污染负荷。依据不同污染源在区域内的等标污染负荷量，采用聚类分析法将各乡镇污染负荷量分成4类。第I类乡镇包括熊河和白马寺镇，该地区农村生活污水、农林用地和畜禽养殖污染均很严重，属于重度污染区；第II类乡镇包括资市、马家寨、沙岗、普济和三湖乡镇，该地区农林用地和畜禽养殖污染较为严重，属于中度污染区。第III类乡镇仅包括秦市乡，该地区畜禽养殖污染十分严重，其他污染源负荷量较低，属于中度污染区。第IV类乡镇包括滩桥、郝穴、江北和六合垸乡镇，这些地区各污染源负荷量都处于中低水平，属于轻度污染区。

图2 2015年各乡镇TN(a)、TP(b)污染年负荷量

2.3 近5年非点源污染负荷的空间分布差异

江陵县农业非点源污染负荷具有明显的时间和空间上的分布差异，运用ArcGIS 10.3软件将2012年和2016年各乡镇非点源污染负荷量与区域行政图进行叠加，得到江陵县各乡镇TN、TP污染负荷量空间分布图(图3、图4)。由图3可知，TN污染负荷输出的空间分布差异较明显，2012年TN高污染负荷区域主要分布在江陵县中部和西部地区，即白马寺、熊河、马家寨、三湖和沙岗等乡镇，这些区域对TN污染负荷量的贡献占全县的55.9%；2016年TN污染高负荷区域虽然仍集中在上述乡镇，但与2012年比较，秦市、沙岗的TN污染负荷略有上升。

图3 江陵县2012与2016年TN负荷量空间分布图

图4 江陵县2012与2016年TP年排放量空间分布图

由图4可知，2012年TP高污染负荷区域主要分布在江陵县中部、东南部和西北角地区，即秦市、白马寺、三湖、熊河等乡镇，这些区域对TP污染负荷量的贡献占全县的47.5%，与2012年相比较，2016年白马寺和三湖TP污染负荷有所下降，但熊河、普济和沙岗TP污染负荷略有上升。由于江陵县中部、东部地区农业人口多，农林用地面积较大，化肥的施用量相较于其他乡镇更高，导致其成为全县的非点源污染高负荷区域。全县非点源污染分布状况总体上表现为中部、东南部地区负荷较高，西部、北部地区负荷相对较低。因此，今后在对江陵县农业非点源污染进行控制治理时，应根据其空间分布特征进行分区防控，优先考虑对该县的中部、东南部区域进行治理。