丹江流域陕西段农业非点源污染负荷估算

宋 嘉，李怀恩，李家科，郝改瑞

(西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048)

随着水环境污染管控力度加强，非点源污染的严重性及其防治的必要性已被列入环保战略核心计划中。2015年国务院提出的“水十条”和2016年印发的《“十三五”生态环境保护规划》中明确要求加强水生态保护及农业非点源污染治理研究；2018年农业农村部联合印发《农业农村污染治理攻坚战行动计划》；2019年生态环境部提出“开展蓝天、碧水、净土保卫战”。估算非点源污染负荷，搞清主要来源是管控污染源头、提高水质标准、加强污染防治工作的重中之重。

污染负荷估算方法包括输出系数法、平均浓度法[1]及源强系数法[2]等，污染负荷评价通常使用等标污染负荷法[3]。输出系数法最初由Omernik提出，Johnes在以往模型的基础上综合考虑了土地利用类型、人口和牲畜数量等因素对非点源污染的影响进行改善。国内学者们基于实际情况对污染负荷进行估算，卢少勇等[4]明确了洞庭湖区农业非点源污染负荷；龙天渝等[5]以输出系数法为基础，建立了三峡库区上游非点源氮磷负荷模型；陆建忠等[6]则对鄱阳湖农业非点源污染物进行估算。

伴随“秦岭生态环境大保护”的深入与“南水北调”工程建设，丹江流域水质优劣及周围生态环境情况与沿线受水区域的国民经济总产值和人民群众生活密切相关[7]。水质安全是自工程建设至今研究的核心问题之一[8]。为长期稳定达到水源地水质要求，必须要有针对性的对不同污染物及主要污染源提出相对应的治理措施，消减水源区的非点源污染。目前丹江流域陕西段农业非点源污染种类、来源不明，缺乏对流域污染的现状分析，而以县区为单元的污染物空间分布特点尚未明确。

本文以流域范围内的5个县区为研究对象，采用输出系数法估算2017年丹江流域陕西段内TN、TP、NH4-N 、COD的负荷量，运用等标污染负荷法进行评价。对比分析不同污染源的贡献度及各县区各种污染物的主要来源，旨在为丹江流域陕西段非点源污染有的放矢地防治与管控提供强有力的科学支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

丹江，长江水系支流汉江的支流，发源于商州秦岭南麓凤凰山，途径陕西省商洛市的商州区、丹凤县、商南县、河南省南阳市的淅川县后汇入湖北丹江口水库。全长443 km，总流域面积16 812 km2，在陕西省境内全长249.6 km，流域面积7 510 km2。

流域受气候和地形影响，降水分布极不均匀，年降水量随地形高度增加而递增。中上游为暴雨多发区，河谷及附近川道为少雨区。丹江流域多年平均降雨量750～850 mm，径流量年际变化大。由于农业非点源污染的治理一般以行政区划为单位分区治理，故参照丹江陕西段流域的县区划分，选择陕西省商洛市的商州区、丹凤县、商南县、山阳县(流域内面积占全县19.7%)、洛南县(流域内面积占全县3.3%)5个行政区为研究对象。

1.2 研究方法

1.2.1 污染负荷估算方法

输出系数法估算污染负荷公式为[9]：

(1)

式中：Li为污染物i负荷量，kg/a；Eij为在第j种土地利用类型中第i种污染物的输出系数，kg/(hm2·a)或第j种畜禽养殖中第i种污染物的输出系数，kg/(只·a)或农业人口生活中第i种污染物的输出系数，kg/(人·a)；Aj为第j种土地利用类型面积(hm2)或第j种畜禽养殖数量(只)或人口数量(人)；P为降雨输入的污染物总量，kg/a，可忽略不计。

输出系数的合理确定可通过现场监测法和查阅文献法[10]。本文主要通过查阅文献确定各项输出系数。农业污染源主要分为农业农地源、农村生活源及畜禽养殖源。

为了提高估算精度，将农地利用类型进一步细分为: 耕地、园林、林地、草地。畜禽养殖则主要考虑牛、猪、羊和家禽。综合考虑文献中研究区域与年份因素的相似性后，结合实际情况，得出部分输出系数取值，如表1所示。

表1 不同区域及年份输出系数的分类及取值Tab.1 Classification and value of output coefficients in different regions and years

区域内耕地化肥施用量多，而林地、草地多以天然形成为主，化肥施用量较少。园地则主要包括果园、桑园及茶园，其单位面积施肥量与耕地相当[14]。所确定的输出系数值在空间、时间等方面均具有合理性。牛、猪、羊的排泄物中TN含量为61.10、4.51、2.28 kg/(只·a)[9]，输出比例分别为16.71%、16.43%、17.68%[15]，则输出系数分别为 10.21、0.74、0.40 kg/(只·a)。人的排泄物中氮输出系数为2.14 kg/(人·a)。综上，流域内农业农地源、农村生活源及畜禽养殖源的输出系数取值如表2所示。

表2 4种污染物输出系数取值Tab.2 Values of four pollutant output coefficients

1.2.2 污染负荷评价方法

为使不同种污染物能在同一标准上比较，即采用等标污染负荷法进行评价。某污染物的等标污染负荷量是指单位时间内排放的含该污染物的废水的等标体积，计算公式[16]为：

Pi=Li/Ci

(2)

式中：Pi为污染物i的等标污染负荷，m3/a；Li为污染物i的污染负荷，t/a；Ci为污染物i的阈质量浓度，mg/L。

丹江流域水质以Ⅱ类为主，结合《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅱ类标准系列的阈浓度的下限值进行核算。其中，Ⅱ类水限值TN为0.5 mg/L；TP为0.1 mg/L；NH4-N为0.5 mg/L；COD为15 mg/L。

1.2.3 数据来源分析

丹江流域陕西段五个县区的农业非点源污染负荷量的估算所需基础数据包括耕地、林地、草地及园地面积，牛、猪、羊、家禽及农村人口数量。以上数据均来源于《2018年陕西统计年鉴》及2017年各县区的统计年鉴或者国民经济和社会发展统计公报，各种土地利用面积数据利用2017年陕西省土地利用GIS导出数据。

2 结果与分析

2.1 农业非点源污染负荷量估算

采用输出系数法估算2017年丹江流域陕西段5个县区的农业农地、农村生活及畜禽养殖3大类主要污染源产生的4种非点源污染负荷量。计算结果如表3所示。

表3 2017年丹江流域非点源污染各污染物负荷量Tab.3 Loads of Non-point Source Pollution by Danjiang River Basin in 2017

2017 年流域内总氮负荷量为6 209.22 t，总磷负荷量为369.56 t，氨氮负荷量为2 187.88 t，化学需氧量负荷量为22 681.14 t。从上表中数据可以看出，商州区、丹凤县、商南县的污染负荷量较高。主要原因是这3个县区为丹江流域陕西段的主要涵养区。农业土地利用面积大、畜禽养殖业发达、农村人口多。相比之下，洛南县在流域段内管控面积小，从而各种污染负荷量都较低。

2.2 农业非点源污染负荷评价

2.2.1 等标污染负荷量空间分布特征

2017 年丹江流域农业非点源污染TN、TP、NH4-N 、COD等标污染负荷分别为1 241.844、369.560、437.576、150.832 亿m3。如图1所示，空间分布上污染物负荷贡献率最大的区域是商州区，洛南县对各种污染物负荷贡献率最小。

其主要原因是商州区、丹凤县、商南县大量的化肥施用和规模化养殖导致对 TN、TP 的贡献率都比较高。虽然山阳县在流域内农业用地面积很小，但畜禽养殖数量大，因此对NH4-N的贡献率最大。在空间分布上，各种等标污染负荷空间分布有很强的一致性。这与唐肖阳[17]在汉江流域的研究结果十分吻合，即其空间分布特征是：农业土地利用面积大、畜禽养殖业发达、农村人口多的区域，等标污染负荷较大，反之亦然。

图1 2017年各县区不同等标负荷污染物的空间分布图Fig.1 Spatial distribution of pollutants with different equal load in each county in 2017

2.2.2 不同污染源等标污染负荷总量特征

丹江流域陕西段各县区农地农业源和畜禽养殖源的等标污染负荷贡献率均相对较高。相比之下，农村生活源的等标污染负荷贡献率则较低。农业非点源污染等标污染负荷总量为227 579 亿m3。在各污染源中，等标污染负荷总量分别为：农地农业源量100 082.7 亿m3，畜禽养殖源量752.283 亿m3，农村生活源量44 670.2 亿m3。

图2 不同污染源对非点源污染的贡献率占比图Fig.2 Proportion of contribution rate of different pollution sources to non-point source pollution

由图2可见，TN污染主要来源是农业农地；TP、NH4-N污染主要来源是畜禽养殖；COD污染主要来源是农村生活。农地农业污染对TN的贡献率超过总量的一半以上，畜禽养殖对TP、NH4-N贡献率的影响明显大于农业农地和农村生活，各污染源对COD的贡献度较为平均。

综合识别出重点防治对象为农地农业污染和畜禽养殖污染。为控制农业非点源污染，减少化肥的施用量、改变土地利用类型，提高畜禽粪便的有效处理则显得尤为重要。

2.2.3 不同污染源对各县区等标污染负荷贡献特征

利用Arc GIS软件，以县区为基本单位分别表示出农业农地污染源、农村生活污染源及畜禽养殖污染源的量值。

如图3所示，在流域内，商州区、丹凤县、商南县、洛南县的TN 等标污染负荷贡献最大的为农业农地，而山阳县则为畜禽养殖；商州区、洛南县、商南县的TP 等标污染负荷贡献最大的为农业农地，而山阳县和丹凤县为畜禽养殖。各县区的NH4-N等标污染负荷则表现出明显的规律特征，均以畜禽养殖为主。丹凤县、商南县和洛南县的COD 等标污染负荷贡献最大的为农业农地，而山阳县为畜禽养殖，商州区为农村生活。

图3 2017年各县区不同污染源对各种污染物的贡献度占比图Fig.3 Contributions of different pollution sources to various pollutants in each county in 2017

各县区的各种污染源排放强度相差较大，其主要受自然环境等外部影响。丹江流域陕西段各县区的污染负荷均以农业农地和畜禽养殖为主。其中，商州区农业农地污染对本区的TN负荷贡献率为65.1%，山阳县的畜禽养殖污染贡献为58.55%。洛南县的农业农地污染对该区TP负荷贡献率为61.03%，山阳县的畜禽养殖污染对该地区的TP负荷贡献率为80.28%。鉴于此，丹江流域陕西段农业非点源污染治理方案应根据各县区污染源情况因地制宜。

2.3 农业非点源污染负荷合理性分析及防治方法

2.3.1 丹江流域陕西段农业非点源污染负荷合理性分析

商州区耕地、林地面积占比大，且农业人口数量大；丹凤县由于其“九山半水半分田” 的特殊地理分布，全县森林覆盖率高达70%；商南县林地、园地面积最大，茶园众多；山阳县则特色发展畜禽养殖产业。综合各县区的自然地理条件，农业及畜牧业发展方式和人口数量分布等等，可见丹江流域陕西段的农业非点源污染负荷量、空间分布特征、总量特征及不同污染源对各种污染物贡献等具有合理性。

2.3.2 丹江流域陕西段非点污染防治方法

各种污染物的负荷量都与各县区的产业发展方式密切相关，则非点源污染防治方法也应具有针对性。商州区将重点放在农业农地和农村生活污染上；丹凤县及商南县应关注农业农地和畜禽养殖污染；山阳县着重管控畜禽养殖污染；洛南县应集中精力在农业农地污染上。

(1)农业农地污染防治方法。区域地处土石山区，水土流失产生大量泥沙作为载体，吸附携带化肥和农药等直接排入河流，导致土地肥力不断降低，迫使增加施用量，造成严重的恶性循环[18]。农业农地污染防治应从农业用水和化肥农药使用两方面入手。商州区及洛南县应大力建设节水型农业；提高化肥有效利用率，测土配方施肥，优化种植结构，牢固土壤肥力；丹凤县及商南县可结合生物绿肥等技术减少化肥使用量。

(2)农村生活污染防治方法 。流域内水系发达，支流众多，农户多沿自然水体居住。农村生活垃圾及污水未经处理直接排入水体，排放时间、地点均较为随意。应积极鼓励各县区进行政策及技术的宣传，将工作重点放在农村人口数量大的商州区。生活污水在自家经简单处理后定时排入指定地点，同时应在各村修建小型垃圾场，避免生活垃圾进入水体或是私自焚烧填埋，每家每户对垃圾资源进行分类，政府定时回收利用处理。

(3)畜禽养殖污染防治方法。畜禽养殖污染源于养殖模式低效，数量大且多为传统粗放式，由此产生大量的牲畜粪便直接排入水中污染环境。近年来，养殖业规模一直处于上升趋势，但达到污水处理标准的养殖场只占调查总量的7.41%[19]。应依据畜禽种类划分不同级别养殖区。对于山阳县的集中养殖场开展规模化沼气、生物天然气，创新生态养殖。各县区应将农牧业有机结合，发展循环农业[20]。

3 结 语

本文采用输出系数法等标污染负荷法及Arc GIS，估算了2017年丹江流域陕西段各县区的农业非点源污染的污染负荷量等标污染负荷量及空间分布情况，结果表明：

(1)2017年丹江流域陕西段的非点源污染负荷量分别：总氮6 209.22 t，总磷369.56 t，氨氮2 187.88 t，化学需氧量22 681.14 t。相应的等标污染负荷量分别为620.922、184.780、218.788、113.407 亿m3。污染物负荷贡献率最大的区域是商州区，其次是丹凤县和商南县，洛南县对各种污染物负荷贡献率最小。

(2)等标污染负荷量贡献率顺序分别如下，TN为：农业农地(60.11%)>畜禽养殖(22.54%)>农村生活(17.36%)；TP为：畜禽养殖(41.62%)>农业农地(35.21%)>农村生活(23.16%)；NH4-N为：畜禽养殖(61.36%)>农村生活(20.72%)>农业农地(17.92%)；COD为：农村生活(36.41%)>畜禽养殖(33.23%)>农业农地(30.35%)。农业农地和畜禽养殖是丹江流域陕西段农业非点源污染的重点源。

(3)农业非点源污染负荷空间分布特征明显：农业土地利用面积大、畜禽养殖业发达、农村人口多的县区，其等标污染负荷较大，反之亦然。表明了农业非点源污染负荷对空间分布及环境影响的一致性。

(4)应因地制宜选择相对应的治理调控手段。合理安排土地利用占比结构，加大农业非点源污染的管理措施，最大程度的降低负荷污染。