泾河流域农业非点源污染解析

黄 康，李怀恩，李家科，肖恒婧

（西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安710048）

随着人口的持续增加、工农业生产的飞速发展，非点源污染在水污染中的占比急剧上升，成为水环境污染的主要来源［1-2］，特别是农业非点源污染已严重威胁到水环境安全［3］。根据《第一次全国污染普查公报》，TN、TP、CODCr排放量分别占总污染物的57.19%、67.27%、43.71%，同时82%的河流中非点源污染贡献率在一半以上［4］。沣河和灞河流域非点源污染问题尤为突出，TP、NH3-N污染负荷为53.63%～87.49%［5］。鄱阳湖入湖污染物中有68%～76%的非点源污染负荷来源于TP和NH3-N［6］。密云水库中非点源污染物TN、TP、CODMn占比达49.9%、73.5%、63.2%［7］。随机性、滞后性和复杂性等特点使得非点源污染物的控制难度加大，因此定量计算非点源污染负荷，分析非点源污染物特征刻不容缓。

目前，国内外对非点源污染负荷的估算类型分为完备资料条件（SWAT模型等）、有限资料条件（平均浓度法等）和无资料条件（输出系数模型等）3种［8］。我国大部分河流无长期非点源污染监测数据，因此SWAT模型、平均浓度法的应用受到限制，而基于输出系数模型的估算方法则显示出其优越性，输出系数模型已应用于洞庭湖［9］、三峡库区［10］、汉江流域［11］、京津冀水库［12］的非点源污染研究中。

泾河作为渭河流域最大支流，是关中地区主要农业用水水源，同时泾河是黄河流域主要产沙地之一，水土流失极为严重，水体污染不断加重，因此需要解决泾河流域水环境污染问题，加强农业非点源污染控制。赵玉龙等［13-15］评价了泾河流域甘肃段和陕西段的水质特征，发现总氮污染负荷最大；韩凤朋等［16］估算泾河流域非点源污染负荷表明，TN、TP、NH3-N占比高达63.58%、94.21%、62.40%；李家科等［5］利用水文分割法和平均浓度法计算泾河张家山断面非点源污染负荷表明，TN、TP、NH3-N、COD占比在60%以上；谢元博［17］利用SWAT模型分析了泾河流域内污染物的时空分布特征。但是目前泾河流域农业非点源污染类型、来源不明，缺乏对整个泾河流域农业非点源污染的现状分析，而且以县（区）为单元的污染物空间分布特点尚未可知。因此，本研究以泾河流域32个县（区）为单元，运用输出系数法估算2017年泾河流域TN、TP、NH3-N、COD污染负荷，计算流域污染防治区及重点县（区）的污染贡献率，采用等标污染负荷法综合评价法确定农业非点源首要污染物和重点污染源，采用聚类分析法划分污染等级，并利用径流分割法进行合理性分析。

1 研究区概况

泾河是渭河第一大支流，发源于宁夏泾源县六盘山东麓，在陕西西安高陵区入渭河，流域总面积45 421 km2，流域行政范围包括陕甘宁3省（区）8个地级市的32个县（区）。流域受温带大陆性气候影响，大都处于半干旱区域，年降水量为334～759 mm，呈由南向北递减的趋势，汛期（7—10月）径流量约占全年的62.9%。流域土壤类型以黄土高塬沟壑区和丘陵沟壑区为主，面积占81%，水土流失严重，是渭河泥沙的主产区［18］。张家山水文站为流域把口站，集水面积43 216 km2。

2 研究方法

2.1 数据来源

各污染源统计数据分别源自中国科学院资源环境科学数据中心和《甘肃省统计年鉴》（2018年）、《宁夏回族自治区统计年鉴》（2018年）、《陕西省统计年鉴》（2018年）及各县（区）国民经济和社会发展统计公报，水文数据来源于2017年《黄河流域水文年鉴》，2017年泾河入渭河月水质（COD、NH3-N）数据来源于陕西省生态环境厅。

2.2 输出系数法

输出系数法加入了流域农业人口生活污水排放、畜禽养殖污染物排放等因素，并结合农用地类型，建立各要素与非点源污染物输出量的关系，估算非点源污染负荷［19］，计算公式为

式中:L为流域污染物总排放量；E i为第i种污染源的输出系数；A i为第i类农用地面积，或第i种畜禽存栏数，或人口数量；I i为第i种污染源的输入量；P为降雨输入的营养物（因缺乏降雨监测数据，且相对农业非点源污染物总量较小，因此忽略不计）。

泾河流域内无长期非点源污染监测数据，研究中采用查阅文献法确定非点源污染物输出系数。输出系数值影响因素众多，主要包括流域地形地貌、水文气候、土地利用、人类活动等。泾河流域处于干旱、半干旱地区，受大陆性气候影响，汛期降水量占全年的60%以上，土地利用类型中，耕地占全流域面积的近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%，农业种植均以小麦、玉米为主，种植结构较为稳定，由此可见泾河和渭河自然环境一致，故参考渭河流域非点源污染物的综合输出系数［8］，见表1。

表1 非点源污染物综合输出系数

2.3 等标污染负荷法

等标污染负荷法是将各污染物排放量进行同一尺度上的等标化，反映污染源自身的污染程度［20］，计算公式为

式中:P i j是j污染源中i污染物的等标污染负荷；C ij是j污染源中i污染物的输出量；C i是污染物i的排放阈值，基于陕西咸阳水环境功能区划要求（泾河干流依据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水标准取值），TN、NH3-N为1 mg/L，TP为0.2 mg/L，COD为20 mg/L。

3 模拟结果与分析

3.1 农业非点源污染物产生量及县（区）空间分布

输出系数法计算2017年泾河流域不同污染物产生量，结合ArcGIS软件得到污染物的年产生量空间分布，见图1。泾河流域TN、TP、NH3-N、COD污染负荷分别为124 857.49、5 023.19、26 655.73、258 961.52 t。从图1可以看出，非点源污染负荷空间差异较大。高负荷区域主要集中在平凉、庆阳、固原等市的定边县、环县、镇原县、宁县、华池县、原州区、崆峒区、盐池县，这些县（区）污染物负荷贡献率近50%，农业生产活动强度大、化肥施用量大，应重点治理非点源污染。其中:污染物排放量前三名的是环县、定边县、镇原县，这些县农村人口和土地资源数量大，是粮食生产和畜牧养殖大县，农膜和化肥投入量大；镇原县和环县化肥施用量的冗余率达到46.82%和27.96%，环县和华池县农膜使用冗余率达到76.17%和26.05%［21］，污染物负荷贡献率为21.24%～27.02%；长武县、正宁县和高陵区等污染物排放量较低，其农村人口数量和农业用地较少。TP产生量的空间分布与SWAT模型模拟结果趋于一致，环县、定边县、盐池县污染负荷较大，咸阳、乾县等地的较小［17］，各污染物空间分布非常相似。

图1 2017年泾河流域不同污染物产生量空间分布

3.2 等标污染负荷综合评价

从污染物角度分析，总等标污染负荷为189 577.26 t/（a·mg）·L，TN、TP、NH3-N、COD占比分别为65.86%、13.25%、14.06%、6.83%；前3种污染物占比达到93.17%，因此泾河流域主要污染物为TN、TP、NH3-N，首要污染物是TN，与实地调研情况一致。泾河水污染主要是氮污染，按总氮评价水质为Ⅴ类或劣Ⅴ类，以非点源污染为主，说明流域氮污染是非点源污染控制的重点［14］。由图2开知，流域内县（区）污染物等标污染负荷最大的均为环县，其次为定边县、镇原县，这些县是流域非点源污染的主要区域；等标污染负荷从西北至东南呈递减趋势。

图2 2017年泾河流域不同污染物等标污染负荷

综合评价泾河流域各污染源的污染物（见表2），从污染源角度分析，泾河流域污染物等标污染负荷比顺序:TN，土地利用（49.65%）＞畜禽养殖（10.22%）＞农业人口（5.99%）；TP，土地利用（9.03%）＞农业人口（2.38%）＞畜禽养殖（1.83%）；NH3-N，土地利用（6.04%）＞畜禽养殖（5.55%）＞农业人口（2.52%）；COD，畜禽养殖（2.48%）＞农业人口（2.30%）＞土地利用（2.05%）。由此可见，泾河流域农业非点源污染中TN、TP、NH3-N负荷主要来源于土地利用，COD负荷主要来自于畜禽养殖和农业人口。该结果与黄河流域非点源污染研究结果一致［22］，农业生产对TN、TP、NH3-N等标污染负荷贡献率影响最大，而畜禽养殖和农村居民生活对COD等标污染负荷的贡献率略高于农业生产的。综合分析各污染源的总等标污染负荷比，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，其次为畜禽养殖（20.03%），农业人口占比最小（13.19%）。不同土地利用方式产生污染负荷差异大，耕地所产生的污染负荷最大，等标污染负荷比为55.25%，其中TN占比43.94%，另外林草地、城镇用地和自然地产生污染负荷较小，说明泾河流域的土地利用非点源污染以耕地为主。

3.3 聚类分析结果及评价

为了深入了解泾河流域各县（区）非点源污染空间分布特点，加强对各县（区）非点源污染的等级划分和统一管理，采用Q型聚类分析法，以3种污染源的等标污染负荷为依据，通过SPSS22.0软件，将32个县（区）分为6级，等标污染负荷均值见表3，污染等级划分见图3。

表3 各污染级别等标污染负荷平均值t/（a·mg）·L

图3 泾河流域各县（区）污染等级

第Ⅰ级包括麟游县等11个县（区），属于轻度污染区，整体污染负荷较低，这些区域农业人口少，农业产值较低，以工业或旅游业为主导产业。但总体而言，土地利用污染物产生量最大，占比为59.65%，其次为畜禽养殖，为27.01%。第Ⅱ级包括西峰区等5个县（区），属于中度污染区域，与第Ⅰ级相比人口数量略有增加，农业用地面积大，土地利用仍为主要污染源，占比71.91%，少部分为农村生活污染，占比18.21%。第Ⅲ级包括咸阳市辖区等4个县（区），属于重度污染区域，位于流域下游，农业用地面积略有增多，人口数量大幅增加，占整个流域农业人口的22.67%，土地利用污染占比57.30%，农村生活污染占比24.31%。第Ⅳ级为崆峒区等7个县（区），属于较重度污染区域，大牲畜和猪养殖数量多，特别是大规模生猪和肉牛养殖，猪养殖占流域的42.04%，大牲畜占33.33%，该区域一些河段水质已变为劣Ⅴ类［13］，严重影响农业生产；土地利用污染占比58.94%，畜禽养殖污染占比27.75%。第Ⅴ级为盐池县和华池县，属于特重度污染区域，人口稀少，草地和林地面积剧增；农业用地占土地总面积的比例大，占90%以上，土地利用污染最为严重，占比83.56%。第Ⅵ级为环县、定边县和镇原县，属于极度污染区域，耕地和草地面积比例大，占整个流域的32.57%，畜牧业发达，其中羊养殖占比35.90%，该区域位于马莲河流域上游，属于黄土丘陵沟壑区，水土流失严重，输沙量占泾河张家山站输沙量的53.5%［23］，其等标污染负荷均值高达16 487.97 t/（a·mg）·L，为第Ⅰ级的5倍，其中土地利用污染占比高达76.05%。

3.4 模型的合理性分析

利用径流分割法［24］计算流域出口污染负荷，与模型估算的输出污染负荷进行对比分析。基于张家山水文站1980—2017年38 a的年径流量，采用适线法和P-Ⅲ型曲线确定2017年为偏枯水年（水文频率P=65.5%）。采用径流分割法估算COD和NH3-N的污染负荷，并与输出系数法结果进行对比分析。

输出系数模型估算结果为流域非点源污染的产生量，径流分割法为流域非点源污染的入河量，因此需要考虑污染物入河过程的迁移转化损失。参考渭河流域入河系数（COD、NH3-N分别为0.07、0.08）、河道降解系数［8］（COD、NH3-N分别为0.45、0.30）得到泾河流域农业非点源污染物的入河量，同时考虑泾河流域占研究区面积的百分比（65%），对输出系数模型估算的泾河流域污染物产生量与径流分割法计算的污染物入河量进行误差分析。由表4可以看出，COD的相对误差较小（为3.07%），NH3-N的偏高（为26.87%）。一方面各污染源输出系数、污染物入河系数、降解系数的选取不能精准定量，所参考的渭河流域系数值始终与泾河流域的不同，这些都会导致误差偏大；另一方面径流分割法假定枯水期全部为点源污染，未考虑大气沉降、人类活动等因素可能产生非点源污染，导致预测结果偏小。

表4 泾河流域农业源污染物误差分析

泾河多年平均径流量13.77亿m3，进入21世纪以来，为水量最枯时期，多年平均径流量减少了59.6%［18］。降水径流是非点源污染产生的最主要原因，对比分析2017年与2006年、2009年偏枯水年的非点源污染负荷:由径流分割法计算的2017年泾河COD、NH3-N非点源污染负荷比例分别为46.77%、52.22%，2006年［16］（偏枯水年）泾河非点源污染负荷NH3-N为62.40%，2009年［17］（偏枯水年）泾河张家山断面非点源污染负荷NH3-N、COD分别为50.27%、56.63%。本文研究结果与其他偏枯水年份非点源污染情况较为接近，结果较为可靠。

4 农业非点源污染防治对策

聚类分析结果表明，泾河流域各县（区）的污染程度和类型明显不同，根据不同县（区）的污染特点，提出相应的防治措施，进而控制污染源，减少农业非点源污染。

4.1 土地利用污染防治

泾河流域土地利用污染源产生的非点源污染贡献率最大，尤其是第Ⅴ、Ⅵ级的5个县，占比近80%，应该重点治理。环县、镇原县、定边县、盐池县、华池县土地资源丰富，属于陇东黄土高原，以种植业为主，大量使用“全膜种粮”，农药化肥冗余程度高。在水资源缺乏，农业用水和薄膜使用程度高的区域，应建设节水型农业，同时鼓励回收废旧农膜；对于土地利用率低、土壤肥沃度低的区域，施肥强度大，需要推广测土配方施肥，优化种植结构，并结合生物绿肥等技术减少化肥施用量。

4.2 畜禽养殖污染防治

第Ⅰ、Ⅳ级18个县（区）除应重点控制土地利用污染外，畜禽养殖污染负荷占比约27%，同时第Ⅵ级县（区）畜禽养殖污染负荷也很高，该区域畜禽养殖污染也应作为防治重点。畜牧业发达，大牲畜数量多，但养殖模式低效，多为传统粗放式，产生了大量牲畜粪便，排水不达标。因此，应建设规模化养殖场，并划分不同级别的养殖区，同时优化产业结构，将农牧业结合，实现粪便无害化利用，防止污染水源。

4.3 农村生活污染防治

第Ⅲ级4个县（区）位于流域下游，地处关中冲积平原，人口多，农村生活污水排放较为严重。污水排放较为随意、处理不达标，需要因地制宜建设污水处理设施，在水资源匮乏区域采用生化法和CNR等工艺处理废水；对于肥料需求大的地区，使用厌氧法还田处理农作物肥料；同时，禁止直接排放生活污水，并对垃圾进行回收处理。

5 结 论

采用输出系数模型估算了泾河流域2017年农业非点源污染总氮、总磷、氨氮和化学需氧量的输出负荷，利用径流分割法验证模型，同时采用等标污染负荷法和聚类分析法进行综合评价分析，并结合ArcGIS软件得到非点源污染空间分布图，得到以下结论。

（1）空间上环县、定边县和镇原县输出污染负荷最大，各污染物空间分布非常相似。

（2）等标污染负荷综合评价表明，从污染物角度分析，TN、TP、NH3-N、COD占比分别为65.86%、13.25%、14.06%、6.83%，首要污染物是TN，流域从西北至东南非点源污染负荷呈递减趋势；从污染源角度分析，TN、TP、NH3-N等标污染负荷中土地利用贡献率最大，COD等标污染负荷中最大的污染源是畜禽养殖。综合分析土地利用污染物贡献率最大，占流域的66.79%，畜禽养殖和农业人口分别占20.03%、13.19%，其中耕地所产生的污染负荷远大于其他土地利用方式的，是主要的污染源。流域非点源污染重点治理区域为环县、定边县和镇远县。

（3）将输出系数法与径流分割法计算结果进行对比，COD相对误差为3.07%，NH3-N为26.87%，模型模拟结果较为可靠，具有一定合理性。

（4）聚类分析结果表明，泾河流域32个县（区）分为6级，并提出了3种针对性防治对策。

（5）综合分析，泾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养殖，流域非点源污染需要重点治理的区域为流域中上游的环县、定边县、镇原县。