四川省茫溪河流域非點源污染負荷研究

楊立夢，付永勝，高紅濤

(1.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，成都 610000;2.重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院，重慶 400045)

目前，點源污染問題已得到一定控制，而非點源污染成為水環(huán)境質量惡化的重要污染源。研究發(fā)現，30%～50%的地球地表水體已受到非點源污染［1］。非點源污染由于量大面廣，危害規(guī)模大，防治較為困難，已成為水體污染的主要原因。大量泥沙、氮磷污染物進入水體，破壞水生生態(tài)環(huán)境平衡，導致水體富營養(yǎng)化、水質下降，不僅對生活生產用水造成影響，而且對人體健康也有較大危害［2］。因此，研究非點源污染的來源、輸出負荷和入河負荷，并據此制定控制對策和防治措施具有重大意義。

本文以茫溪河流域為研究區(qū)域，首先采用Johnes的輸出系數模型對茫溪河流域土地利用、畜禽養(yǎng)殖和農村生活三大非點源污染源的總氮輸出負荷進行估算，并采用改進后的輸出系數模型對三大非點源污染源總氮入河負荷進行估算，根據估算結果對茫溪河流域非點源污染進行分析，探究流域非點源污染的主要污染源，為流域非點源污染的防治規(guī)劃和措施制定提供科學依據。

1 研究流域概況

茫溪河屬岷江水系下游左岸的一級支流，分東西兩源，主要流經井研縣千佛鎮(zhèn)、三江鎮(zhèn)、馬踏鎮(zhèn)和王村鎮(zhèn)等15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，經井研縣王村鎮(zhèn)舒金灘進入五通橋區(qū)，最終匯入岷江。茫溪河是井研縣的主要河流，流域面積約393.35 km2。本文研究對象為井研縣境內茫溪河，以下簡稱“茫溪河流域”。井研縣隸屬于樂山市，2011年末總人口為293 942人，其中農業(yè)人口約218 972人，占總人口的74.49%。茫溪河(井研縣)流域耕地面積19 374.01 hm2，占土地總面積的39.1%，林地面積14 135.47 hm2，占土地總面積的28.5%，交通用地、水域和城鎮(zhèn)村用地面積分別為2 532.27，3 546.13，5 508.07 hm2，分別占土地總面積的5.1%，7.2%和11.1%，其他土地面積為4 444.66 hm2，占土地總面積的9.0%。流域多年平均氣溫為17.2℃，日降水量大于250 mm的大雨日為10.6 d，降雨量集中在夏秋兩季，占全年的79.7%，8月降水量占全年的23.95%。

2011年茫溪河流域牛存欄量約為1 000頭，豬出欄量約為461 300頭，羊存欄量約為12 749頭，家禽出欄量約為4 643 000只，兔出欄量約為3 375 800只。規(guī)模化養(yǎng)殖場畜禽養(yǎng)殖數量為145 200頭或只。

2 研究方法

2.1 非點源總氮輸出負荷估算

對于非點源污染負荷估算研究，目前大多采用非點源污染機理模型，定量描述流域內復雜的產污過程。但由于流域內復雜的環(huán)境條件，對基礎數據和技術手段要求較高，而且因模型本身存在的局限性，其誤差不容忽視［3］。輸出系數模型對自然資料要求較少，它以與非點源污染關系密切的土地利用為基礎，具有一定精度，在我國具有廣闊的應用前景［4］。針對初期輸出系模型的輸出系數固定不變而導致的計算誤差問題，Johnes的輸出系數模型對不同的土地利用類型、畜禽種類采用了不同的輸出系數，并在實際應用中加入了人口等因素的影響，使輸出系數更為細致、完備，模型方程［5］如下:

式(1)中:L為污染物在研究流域內的輸出負荷(kg/a);Ei為研究流域內第i種污染源的輸出系數，主要分為各種土地利用類型的輸出系數(kg/(hm2·a))、畜禽和人口的輸出系數(kg/(ca·a));Ai為第i種污染源，分別為各種土地利用類型的面積(hm2)、畜禽數量和人口數量(ca);Ii為在研究流域內第i種污染物的輸入量;n為流域中土地利用類型的種類或畜禽、人口。

2.2 非點源污染總氮入河負荷估算

由于不同年份的降雨對非點源污染產生過程有影響，降雨量、降雨強度越大，所產生的降雨徑流越大，對下界面沖刷作用越大，因此對輸出系數影響較大，并且在污染物隨著徑流、排水溝渠等向流域出口的受納水體輸移、匯集過程中，由于土壤和植被的截留、地下滲漏、生化反應、泥沙吸附等因素影響，污染物不可能全部到達流域出口。因此，本文引入降雨徑流影響系數和入河系數λ建立改進的輸出系數模型，見式(2)。式(2)考慮了降雨徑流影響系數和入河系數對流域非點源污染輸出系數、流域出口斷面非點源總氮入河負荷的影響，包括從非點源總氮輸出到實際入河。

式(2)中:L為流域出口斷面非點源總氮入河負荷(kg/a);λ為入河系數;α為降雨徑流影響系數。

3 結果與討論

3.1 輸出系數的確定

根據茫溪河流域主要非點源污染源情況，將輸出系數分為農村生活、畜禽養(yǎng)殖和土地利用。城鎮(zhèn)村用地大部分污染物輸出與農村生活污染物輸出重復，交通用地和其他用地的面積較小，無明顯、大量污染物輸出，因此不考慮其輸出系數。

3.1.1 農村生活非點源總氮輸出系數

茫溪河流域農村生活非點源污染主要為日常生活污水和人糞尿輸出的污染物負荷量。參考《全國飲用水水源地環(huán)境保護規(guī)劃》推薦參數，人均日排出生活污水中總氮含量為5 g/d，同時參考高祥照《肥料實用手冊》［6］對人糞尿的研究可得，人均年排放糞、尿分別為113.7和579.3 kg，糞、尿中氮含量分別為0.64%和0.53%。人糞尿約有一半左右用于農業(yè)生產造成非點源污染(其余的視為點源污染)，但是作為肥料的人糞尿并非完全進入地表水體，這是因為一部分人糞尿會被農作物吸收，另一部分則進入地下水系統，因此需考慮人糞尿的流失率。通過查閱文獻［7］，其流失率按經驗值21.9% 計算。茫溪河流域內大部分農村生活污水沒有統一的收集和處理設施，流失率接近100%。綜上所述，茫溪河流域農村生活總氮輸出系數見表1。

表1 農村生活總氮輸出系數kg/(ca·a)

3.1.2 畜禽養(yǎng)殖非點源總氮輸出系數

畜禽養(yǎng)殖的總氮輸出系數確定較為復雜，與畜禽種類、飼養(yǎng)周期和飼料等因素相關，但鑒于不同地域間差異相對較小，因此可通過查閱文獻得出各類畜禽糞尿的排泄系數和畜禽糞尿中總氮的含量，并結合當地實際情況，考慮畜禽糞尿的流失率，從而確定輸出系數。

不同畜禽飼養(yǎng)周期、排泄量不一樣，參考《全國規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況調查技術報告》及王方浩等［8］對畜禽糞便日產生量的相關研究，可得出牛、豬、羊、家禽和兔的糞尿排泄系數，見表2。

表2 畜禽糞尿排泄系數

畜禽糞尿年產生量計算公式為:①每頭(只)畜禽糞年產生量=飼養(yǎng)期×個體日產糞量;② 每頭(只)畜禽尿年產生量=飼養(yǎng)期×個體日產尿量。在計算畜禽糞尿年產生量時，牛、羊按生長期365 d計算，豬按實際飼養(yǎng)期199 d計算，家禽按實際飼養(yǎng)期60 d計算，兔按生長期90 d計算［9］。

畜禽糞尿總氮年產生量計算公式為:每頭(只)畜禽總氮年產生量=每頭(只)畜禽糞年產生量×畜禽糞中總氮含量×10-3+每頭(只)畜禽尿年產生量×畜禽尿中總氮含量×10-3。

根據《全國規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況調查技術報告》對畜禽糞尿中總氮含量的研究，可得出畜禽糞尿的總氮年產生量，見表3、4。

表3 畜禽糞尿中的總氮含量 kg/t

表4 畜禽糞尿的總氮年產生量 kg/(ca·a)

產生的畜禽糞污部分會隨徑流流失或直接排入水體。參考類似地區(qū)的文獻資料，一般認為，畜禽糞便污染物流失率為2% ～9%，液體污染物約為50%［10］。茫溪河流域的規(guī)模化養(yǎng)殖場有規(guī)范的糞污治理設施，對畜禽廢渣以回收等方式處理，污染物流失量約為產生量的12%。對于適度規(guī)模養(yǎng)殖戶和農戶散養(yǎng)，通過查閱文獻資料［11］并結合當地實際情況，糞便總氮污染物流失率取7%，液體總氮污染物流失率取50%，從而得出畜禽養(yǎng)殖總氮輸出系數，見表5。

表5 畜禽養(yǎng)殖總氮輸出系數kg/(ca·a)

3.1.3 不同土地利用方式總氮輸出系數

茫溪河流域耕地以糧食種植為主，作物有水稻、玉米、小麥和薯類等，其中水稻分布較廣，占耕地總面積的51.67%。根據莊詠濤［7］研究，由于氮在自然界中循環(huán)轉化，氮的輸入和輸出應該是平衡的，即氮輸入量等于氮出量。針對耕地來說，氮輸入主要包括化肥施用、干濕沉降和植物固氮等，而其輸出主要為農作物吸收、地表徑流損失、揮發(fā)和下滲等，在氮輸入過程，化肥施用中的氮肥(折純)輸入量占總輸入氮量的比例大，是農業(yè)生態(tài)系統的最主要氮源，在氮輸出過程，地表徑流損失的氮量實際上可視為耕地總氮輸出系數［7］。由此，可通過折算氮肥(折純)的輸入量和徑流流失率得出耕地總氮輸出系數。

對于林地來說，茫溪河流域林地總氮輸出系數研究較少，可參考類似地區(qū)輸出系數。根據文獻［12］對熱點流域總氮輸出系數的總結研究，其中長江中上游林地的總氮輸出系數為1.46～6.79 kg/(hm2·a)，平均值為3.58 kg/(hm2·a)，與文獻［13］對四川白鹿河流域確定的林地總氮輸出系數基本一致。文獻［7］研究表明，同一流域的輸出系數值在幾年內的變化很小，基本不會改變，因此可與其他相似流域近幾年的輸出系數值對比。對比白鹿河流域和茫溪河流域，及長江中上游流域研究文獻［14］，最終確定林地的總氮輸出系數為2.83 kg/(hm2·a)。

根據水域和其他用地的氮輸入和氮輸出量，總氮輸出系數主要按照氮的干濕沉降量考慮，參考文獻［15］和文獻［16］研究，確定水域和其他用地的總氮輸出系數分別為15.00，11.00 kg/(hm2·a)。

表6 茫溪河流域不同土地利用方式總氮輸出系數kg/(hm2·a)

3.1.4 降雨徑流影響系數α

根據梁常德［15］建立的降雨徑流系數的方法及2009—2013年茫溪河流域出口斷面愛國橋水文水質資料，可得出降雨徑流影響系數α，計算公式如下:

式(3)和(4)中:α為降雨徑流影響系數;Li，L分別為流域內第i年降雨徑流非點源負荷量和多年平均降雨徑流非點源負荷量;Qi，分別為流域內第i年年降雨徑流量和多年平均降雨徑流量;QT，i為第i年流域出口斷面年徑流量;Qg，i為第i年流域出口斷面年基流量為流域出口斷面多年年均徑流量為流域出口斷面多年年均基流量。

表7為流域出口斷面實測值及2009—2013年降雨徑流影響系數α。由表7可知，2009—2013年總氮年徑流負荷量變化較大，而基流量各年變化較小，可以看出流域出口斷面的總氮污染負荷受年降雨徑流量影響較大，其污染負荷主要是來自降雨徑流產生的污染負荷(即非點源污染負荷)。

表7 流域出口斷面實測值及降雨徑流影響系數

3.1.5 入河系數λ

按照距離河道的遠近，茫溪河流域15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)可分為3種類型:A類:茫溪河干流流經的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分別為大佛鄉(xiāng)、金峰鄉(xiāng)、研城鎮(zhèn)、千佛鎮(zhèn)、三江鎮(zhèn)、馬踏鎮(zhèn)和王村鎮(zhèn)，修正系數為1.2;B類:茫溪河支流流經的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分別為研經鎮(zhèn)、東林鎮(zhèn)、高灘鄉(xiāng)、勝泉鄉(xiāng)、黃缽鄉(xiāng)和磨池鎮(zhèn)，修正系數為1.0;C類:沒有河流或較小支流流經的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，為集益鄉(xiāng)和竹園鎮(zhèn)，修正系數為0.8。參考文獻［17］中的入河系數乘以修正系數，最終得到茫溪河流域農村生活、畜禽養(yǎng)殖和土地利用的總氮入河系數，見表8。

表8 茫溪河流域總氮入河系數

3.2 非點源污染總氮輸出特征分析

圖1為茫溪河流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農村生活、畜禽養(yǎng)殖和土地利用三大非點源污染源的估算結果。由圖1可知，2011年茫溪河流域非點源總氮輸出負荷為1 852.2 t，其中畜禽養(yǎng)殖、農村生活和土地利用的非點源總氮輸出負荷分別為802.43，582.47和467.30 t，對非點源總氮輸出的貢獻率分別為43.32%，31.45%和25.23%。在各土地利用類型中，耕地輸出貢獻率為17.82%，林地輸出貢獻率為2.16%，水域輸出貢獻率為2.87%，未利用地輸出貢獻率為2.38%。由此可知，畜禽養(yǎng)殖是非點源總氮輸出的主要來源，其次為農村生活和耕地。

圖1 各非點源污染源總氮輸出負荷

耕地輸出貢獻率在各土地利用類型中最大，原因可能在于耕地面積較大，約為19 374.01 hm2，占土地總面積的39.1%。同時許多鄉(xiāng)鎮(zhèn)對耕地農作物施肥，相對于其他土地利用類型輸入的氮較多。當地地形為丘陵、平壩，隨著降雨輸出的單位面積污染負荷遠高于其他土地利用類型。林地面積較大(約為14 135.47 hm2，占土地總面積的28.5%)，但林地的非點源總氮輸出負荷為40.03 t，對非點源總氮輸出的貢獻率最小，為2.16%，原因可能是林地植被能吸收輸入的氮，同時因植被覆蓋率較大減少了水土流失，對氮的流失起到一定的截留作用［18］。因此，在耕地中適當栽種林木可有效降低非點源污染輸出，這與文獻［19］研究結果一致。

畜禽養(yǎng)殖和農村生活是茫溪河流域非點源污染的主要原因，應加強控制這兩方面的非點源污染物輸出，其次應對耕地化肥施用和徑流污染物輸出采取措施。

圖2為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)非點源總氮輸出貢獻率。由圖2可知，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖對非點源總氮輸出貢獻率為36.43% ～50.02%，農村生活輸出貢獻率為21.91% ～37.67%，耕地輸出貢獻率為12.78% ～21.96%，其余土地利用類型輸出貢獻率為0.40%～10.11%。由此可知，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)非點源總氮輸出負荷主要來自于畜禽養(yǎng)殖、農村生活和耕地。畜禽養(yǎng)殖輸出貢獻率最大的為集益鄉(xiāng)，輸出負荷為62.57 t，表明集益鄉(xiāng)的非點源污染主要來自畜禽養(yǎng)殖;農村生活輸出貢獻率較大的為磨池鎮(zhèn)，輸出負荷為22.23 t，表明磨池鎮(zhèn)的非點源污染主要來自農村日常生活產污;耕地輸出貢獻率較大的為黃缽鄉(xiāng)，輸出負荷為25.98 t，表明黃缽鄉(xiāng)的非點源污染主要來自耕地產生的總氮流失。

圖2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)非點源總氮輸出貢獻率

3.3 非點源污染總氮入河特征分析

圖3為茫溪河各非點源污染源總氮入河負荷。由圖3可知，2011年茫溪河流域非點源總氮入河負荷為128.76 t，占總氮輸出負荷比例為6.95%。農村生活、畜禽養(yǎng)殖和土地利用的貢獻率分別為28.32%，41.27%和30.41%。各土地利用類型中，耕地的貢獻率較大，為21.44%，其余土地利用類型貢獻率較小。由此可知，畜禽養(yǎng)殖、農村生活和耕地是總氮入河的主要來源。

由圖4各鄉(xiāng)鎮(zhèn)非點源總氮入河負荷可知，非點源總氮入河負荷最大的5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別為千佛鎮(zhèn)、馬踏鎮(zhèn)、王村鎮(zhèn)、研經鎮(zhèn)和研城鎮(zhèn)，對該流域非點源總氮入河的貢獻率達到46.61%。非點源總氮入河負荷較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)大部分均在茫溪河沿岸。非點源總氮入河負荷較小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為磨池鎮(zhèn)、勝泉鄉(xiāng)，非點源總氮入河負荷分別為3.82，5.05 t，對茫溪河流域非點源總氮輸出的貢獻率分別為2.30%，3.92%。磨池鎮(zhèn)和勝泉鄉(xiāng)非點源總氮輸出負荷較小，且均未位于茫溪河沿岸，因此進入茫溪河出口斷面的入河負荷較小。

圖3 各非點源污染源總氮入河負荷

圖4 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)非點源總氮入河負荷

3.4 模型計算入河負荷與實測值比較分析

2011年流域出口斷面總氮年徑流負荷量為151 721.66 kg，2011年流域出口斷面總氮年基流負荷量為38 271.24 kg，由流域出口斷面總氮年徑流負荷量減去總氮年基流負荷量可得到流域出口斷面非點源總氮年負荷量。該結果可近似看做流域出口斷面的非點源總氮實測值，與改進的輸出系數模型得出的入河負荷進行比較分析。模型估算的入河負荷與流域出口斷面實測值相對誤差較小，為13.49%，模型模擬效果良好。

表9 2011年茫溪河流域出口斷面非點源總氮入河負荷估算

4 結論

1)2011年茫溪河流域非點源總氮輸出負荷為1 852.2 t。輸出負荷最大的5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別為研經鎮(zhèn)、千佛鎮(zhèn)、馬踏鎮(zhèn)、王村鎮(zhèn)和研城鎮(zhèn)，對該流域非點源總氮輸出的貢獻率達到43.52%。

2)各非點源污染源中，畜禽養(yǎng)殖、農村生活和土地利用的非點源總氮輸出負荷分別為802.43，582.47和467.30 t，對非點源總氮輸出的貢獻率分別為43.32%，31.45%和25.23%。在各土地利用類型中，耕地輸出貢獻率為17.82%，林地輸出貢獻率為2.16%，水域輸出貢獻率為2.87%，未利用地輸出貢獻率為2.38%。由此可知，畜禽養(yǎng)殖是非點源總氮輸出的主要來源，其次為農村生活和耕地。

3)2011年茫溪河流域非點源總氮入河負荷為128.76 t，與流域出口斷面非點源總氮實測值相對誤差為13.49%，模型模擬效果良好。入河負荷最大的5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別為千佛鎮(zhèn)、馬踏鎮(zhèn)、王村鎮(zhèn)、研經鎮(zhèn)和研城鎮(zhèn)，對該流域非點源總氮入河的貢獻率達到46.61%。各非點源污染源總氮入河貢獻率中，農村生活、畜禽養(yǎng)殖和土地利用的貢獻率分別為28.32%，41.27%和30.41%。各土地利用類型中，耕地的貢獻率較大，為21.44%，其余土地利用類型貢獻率較小。由此可知，畜禽養(yǎng)殖、農村生活和耕地是總氮入河的主要來源。

［1］Edwards A，Withers P.Transport and delivery of suspended solids，nitrogen and phosphorus from various sources to freshwaters in the UK［J］.Journal of Hydrology，2008，350(3):144-153.

［2］Potter K M，Cubbage F W，Blank G B，et al.A watershedscale model for predicting nonpoint pollution risk in North Carolina［J］.Environmental Management，2004，34(1):62-74.

［3］黃國如，姚錫良，胡海英.農業(yè)非點源污染負荷核算方法研究［J］.水電能源科學，2011，29(11):28-32.

［4］李懷恩，莊詠濤.預測非點源營養(yǎng)負荷的輸出系數法研究進展與應用［J］.西安理工大學學報，2003，19(4):307-312.

［5］Johnes P J.Evaluation and management of the impact of land use change on the nitrogen and phosphorus load delivered to surface waters:the export coefficient modelling approach［J］.Journal of Hydrology，1996，183(3):323-349.

［6］高祥照.肥料實用手冊［M］.北京:中國農業(yè)出版社，2002.

［7］莊詠濤.渭河臨潼斷面以上流域非點源總氮負荷研究［D］.西安:西安理工大學，2002.

［8］王方浩，馬文奇，竇爭霞，等.中國畜禽糞便產生量估算及環(huán)境效應［J］.中國環(huán)境科學，2006，26(5):614-617.

［9］張克強.畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物處理與處置［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2004.

［10］王曉燕，張雅帆，歐洋.北京密云水庫上游太師屯鎮(zhèn)非點源污染損失估算［J］.生態(tài)與農村環(huán)境學報，2009，25(4):37-41.

［11］劉瑞民，沈珍瑤，丁曉雯，等.應用輸出系數模型估算長江上游非點源污染負荷［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2008，27(2):677-682.

［12］應蘭蘭，侯西勇，路曉，等.我國非點源污染研究中輸出系數問題［J］.水資源與水工程學報，2010，21(6):90-95.

［13］魏新平，劉洪雨，李華，等.四川省白鹿河流域非點源氮磷負荷來源及控制對策［J］.中國農村水利水電，2012，(3):36-38.

［14］丁曉雯，劉瑞民，沈珍瑤.基于水文水質資料的非點源輸出系數模型參數確定方法及其應用［J］.北京師范大學學報:自然科學版，2006，42(5):534-538.

［15］梁常德，龍?zhí)煊澹罾^承，等.三峽庫區(qū)非點源氮磷負荷研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，2007，16(1):26-30.

［16］龍?zhí)煊澹撼５拢罾^承，等.基于SLURP模型和輸出系數法的三峽庫區(qū)非點源氮磷負荷預測［J］.環(huán)境科學學報，2008，28(3):574-581.

［17］紀丁愈，王慶安，佘紅英，等.川中丘陵地區(qū)小流域農業(yè)面源污染特征及水環(huán)境容量研究—以黃臘溪小流域為例［J］.水資源與水工程學報，2011，22(4):81-84.

［18］宋兵魁，朱倩，溫娟.天津濱海新區(qū)大港農業(yè)非點源污染及控制對策［J］.安徽農業(yè)科學，2013，41(18):7933-7935.

［19］張敏，劉慶生，劉高煥.浙江省安吉縣西部小流域非點源污染估算［J］.資源科學，2011，33(2):242-248.