北京市農業面源污染負荷及入河系數估算

邢寶秀，陳　賀

(北京師范大學 環境學院，北京 100875)

北京市農業面源污染負荷及入河系數估算

邢寶秀，陳賀

(北京師范大學 環境學院，北京 100875)

[關鍵詞]輸出系數；農業面源污染；負荷；入河系數；北京市

[摘要]采用考慮降雨影響因子的輸出系數模型，以實測數據為基礎，結合水文資料和GIS技術，估算北京市2013年農業面源污染物總氮、總磷負荷。根據農業面源污染物總氮、總磷負荷與年徑流模數的相關關系，計算北京市2013年五大水系農業面源污染物總氮、總磷入河系數。結果表明：2013年北京市農業面源污染物總氮負荷為17 859.586 0 t，總磷負荷為3 089.559 0 t；從污染源類型來看，2013年農業面源污染物總氮、總磷負荷較高的均為農村生活和畜禽養殖，分別占污染物負荷總量的45.9%、27.7%和83.5%、15.4%；2013年潮白河農業面源污染物總氮入河系數最高，永定河農業面源污染物總磷入河系數最高，北運河農業面源總氮和總磷污染負荷最高，分別為12 859.577 5和2 291.547 1 t，其次為潮白河及永定河。

隨著全球人口增長及經濟發展，水污染已成為主要的環境問題之一，而農業面源污染是造成水污染的重要原因。據調查，目前30%～50%的地球表面受到非點源污染影響[1]，在全世界不同程度退化的12億hm2耕地中約12%是由農業面源污染引起的[2]。我國是農業生產大國，農業生產發展迅速，但同時農作物種植化肥和農藥施用量、作物秸稈等農業廢棄物，以及畜禽糞便產生量等明顯增加，加劇了農業面源污染問題。

國內外學者對農業面源污染問題非常關注，建立了許多農業面源污染評價模型，而輸出系數模型避開了面源污染發生和發展的復雜過程，所需數據少，獲取方便，適用于數據缺乏地區的非點源污染負荷核算。Johnes在輸出系數模型中加入了牲畜和人口等因素的影響，綜合考慮了土地利用類型、牲畜數量和分布狀況、農村居民的面源污染排放和處理水平等不同污染源類型的輸出系數，從而建立了更完備的輸出系數模型[3]；蔡明等提出了考慮降雨和流域損失的輸出系數模型[4]；丁曉雯等改進的輸出系數模型主要表征下墊面因子中坡度的影響[5]；陸建忠等利用改進的考慮降雨和地形的輸出系數模型，對鄱陽湖流域紅壤多山丘陵地區農業非點源污染負荷進行了估算[6]。在上述研究成果的基礎上，本研究以北京市為研究對象，利用水文、水質資料測算北京市五大流域入河系數，采用考慮降雨影響因子的輸出系數模型，借助GIS技術，計算區域土地利用、畜禽養殖、農村生活的總磷、總氮污染負荷，估算農業面源污染負荷，并對其變化趨勢進行預測分析，提出相關防控措施和建議。

1研究區概況

北京市地處華北平原西北隅，位于N39°08′—41°05′、E115°25′—117°30′，共有16個區(縣)，土地總面積16 807 km2[7]。地處海河流域，屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區。天然河道自西向東貫穿五大水系，即：大清河水系、永定河水系、北運河水系、潮白河水系和薊運河水系。地勢西北高東南低，土壤類型主要為褐土和潮土，地帶性植被為落葉闊葉林。土地利用類型主要有耕地、園地、林地、草地、城鎮及工礦用地、交通運輸用地等，隨著經濟發展，城鎮及工礦用地、交通運輸用地面積持續增加，占用大量耕地、園地、林地、草地等。2013年全市常住人口為2 114.8萬人，其中常住城鎮人口為1 825.1萬人、常住鄉村人口為289.7萬人，鄉村人口占比重較小。畜禽養殖業發展迅速，2006年以來產值持續增長，2013年北京市養殖大牲畜21.09萬頭、豬189.23萬頭、羊59.47萬只、家禽2 524.88萬只。

2研究方法

2.1輸出系數模型

Johnes輸出系數模型在大尺度流域面源污染負荷的研究中表現出了獨特的優勢。經蔡明等改進后的輸出系數模型充分考慮水文因素的影響，在模型中體現水文、產匯流等過程的影響，更加準確地預測不同年份的總氮、總磷負荷[4]。本研究采用的輸出系數模型計算公式為

(1)

P=c a Q/103

(2)

式中：Lj為流域污染物j的總負荷，kg/a；α為降雨影響因子，用來表征降雨對污染物輸出的影響；Eij為污染物j在第i種土地利用類型中的輸出系數[kg/(hm2·a)]或第i種畜禽的排泄系數[kg/(只·a)、kg/(頭·a)]或人口的輸出系數[kg/(人·a)]；Ai為流域中第i種土地利用類型的面積(hm2)或第i種牲畜的數量(只、頭)或人口數量(人)；P為降水產生的營養輸入量，kg/a；c為降水中污染物的濃度，g/m3；a為流域年降雨量，m3/a；Q為徑流系數。

2.2輸出系數確定

在輸出系數模型中，污染物的輸出系數是指單位時間內某種土地利用方式下輸出的污染物總負荷的標準化估計[7]，確定合理的輸出系數是成功估算面源污染物輸出負荷的關鍵。根據耿潤哲等[8]對密云水庫流域非點源污染負荷的估算及特征分析，不同土地利用類型、畜禽養殖和農村生活的面源污染物輸出系數見表1。

表1　不同污染源輸出系數取值

2.3降雨影響因子計算

相關研究表明，降雨量對總氮、總磷流失量有較顯著的影響，而雨強主要對產流時間及養分濃度出現峰值的時間有一定影響，對污染物流失量影響不大，因此降雨對非點源污染負荷的影響主要體現在降雨量指標上[9-12]。根據流域多年降雨數據和斷面水質資料，借助GIS技術，得到流域年降雨量和非點源污染物年入河量。通過回歸分析，建立流域2003—2013年降雨量r與非點源污染物年入河量L的相關關系，再根據北京市多年平均降雨量(528.43 mm)，得到多年平均降雨量條件下溶解態氮、溶解態磷的年入河量(8 378.175 0、685.001 5 t/a)，則溶解態氮、溶解態磷的降雨影響因子(αDN、αDP)計算公式見式(3)、(4)，結果見表2。

αDN=(16.024r-89.44)/8 378.175 0

(3)

αDP=(1.540 5r-129.05)/685.001 5

(4)

2.4入河系數測算

流域出口地表徑流污染負荷由點源污染負荷和非點源污染負荷組成。由于流域非點源污染負荷的產生主要是降雨引起的，所以可以近似地認為非點源污染負荷等于年降雨徑流負荷，而點源污染負荷等于年基流負荷。因此，地表徑流中的非點源污染負荷可以由年徑流污染負荷扣除年基流負荷得到。本研究分別對北京市各流域斷面總氮、總磷年監測量與實測年徑流量進行相關性分析，得出以下結果。

表22003—2013年北京市溶解態氮、磷降雨影響因子

年份降雨量(mm)αDNαDP2003444.90.8400.8122004483.50.9100.8992005410.90.7750.7352006318.00.5980.5272007483.90.9150.9002008626.31.1971.2202009480.60.9090.8922010522.50.9890.9872011720.61.3681.4322012733.21.3911.4602013578.91.0961.114

(1)北運河流域。流域出口非點源污染物年監測值及非點源污染物年入河系數見表3。年入河系數計算公式分別為

(5)

(6)

式中：λN為總氮負荷年入河系數；λP為總磷負荷年入河系數；q為年徑流模數。

表3　北運河流域出口非點源污染物年監測值及

(2)永定河流域。流域出口非點源污染物年監測值及非點源污染物年入河系數見表4。年入河系數計算公式分別為

(7)

(8)

(3)潮白河流域。流域出口非點源污染物年監測值及非點源污染物年入河系數見表5。年入河系數計算公式分別為

(9)

(10)

(4)大清河、薊運河流域。由于數據缺乏，考慮到與永定河水文特征相似、距離較近，因此大清河非點源污染物入河系數選取永定河的計算公式。同樣，薊運河入河系數取值參照潮白河。

3結果與討論

(1)各流域污染物負荷。利用輸出系數模型計算2013年北京市各流域農業面源污染總氮、總磷負荷，結果見表6。

表6　2013年北京市各流域非點源污染物負荷　t

(2)污染源分析。2013年北京市農業面源污染物總氮、總磷負荷分別為17 859.586 0和3 089.559 0 t，見表7。從污染源來看，總氮負荷較高的是農村生活和畜禽養殖，分別占總氮負荷總量的45.9%和27.7%；總磷污染負荷較高的也是農村生活和畜禽養殖，分別占總磷負荷總量的83.5%和15.4%。隨著北京市社會經濟發展和流域內城郊化的加快，人們生活水平不斷提高，導致農村生活類污染源產生的負荷占比較高。在畜禽養殖方面，規模化養殖的推廣使得畜禽養殖業成為農業面源污染的重要污染源。

(3)污染物空間分布。北京市各區縣的農業面源污染總氮、總磷負荷量差異較大(表8)。其中，地處京郊，屬傳統作物種植區的大興、順義、房山、昌平和通州區農業面源污染物總氮、總磷負荷較大。

表7　2013年北京市各污染源農業面源污染總氮、總磷負荷

4結語

本研究采用考慮降雨影響因子的輸出系數模型，在已有研究成果的基礎上，計算北京市五大水系的農業面源污染物年入河系數，以及2013年北京市各區縣農業面源污染物總氮、總磷負荷。

表8　2013年北京市各區縣農業面源總氮、

(1)由于土地利用和管理狀況不同，2013年北京市各流域面源污染物入河系數相差較大。其中：潮白河農業面源污染物總氮入河系數最高，為0.940；永定河總磷入河系數最高，為0.317。

(2)2013年北京市農業面源污染物總氮、總磷負荷分別為17 859.586 0、3 089.559 0 t。農村生活和畜禽養殖是總氮、總磷污染負荷的主要來源，分別占總氮負荷總量的45.9%和27.7%，占總磷負荷總量的83.5%和15.4%。北運河總氮和總磷負荷最高，分別為12 859.577 5、2 291.547 1 t，其次為潮白河及永定河。從污染物空間分布來看，大興、順義、房山、昌平和通州的農業面源污染物總氮、總磷負荷較大。

(3)北京市農業面源污染形勢嚴峻。在農業非點源污染防治中，應突出重點，對污染嚴重的流域加強監控；加強北京市農村生活基礎設施改造，嚴格監控畜禽養殖業發展動態，采取有針對性的預防和控制措施。

[參考文獻]

[1] Dennis L,Corwin K.Non-point pollution modeling based on GIS[J].Soil and Water Conservation,1998(1):75-88.

[2] 崔鍵,馬友華,趙艷萍,等.農業面源污染的特性及防治對策[J].中國農學通報,2006,22(1):335-341.

[3] 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.

[4] 蔡明,李懷恩,莊詠濤,等.改進的輸出系數法在流域非點源污染負荷估算中的應用[J].水利學報,2004(7): 40-45.

[5] 丁曉雯,沈珍瑤,劉瑞民,等.基于降雨和地形特征的輸出系數模型改進及精度分析[J].長江流域資源與環境, 2008,17(2): 306-309.

[6] 陸建忠,陳曉玲,肖靖靖,等.改進的輸出系數法在農業污染源估算中的應用[J].華中師范大學學報:自然科學版, 2012,46(3): 373-378.

[7] 劉亞瓊,楊玉林,李法虎.基于輸出系數模型的北京地區農業面源污染負荷估算[J].農業工程學報,2011,27(7): 7-12.

[8] 耿潤哲,王曉燕,焦帥,等.密云水庫流域非點源污染負荷估算及特征分析[J].環境科學學報,2013,33(5):1484-1492.

[9] Li Yong,Wang Chao,Tang Hongliang. Research advances in nutrient runoff on sloping land in watersheds [J].Aquatic Ecosystem Health and Management,2006,9(1):27-32.

[10] 竇培謙,王曉燕,房孝鐸,等.石匣小區氮磷坡面流失特征研究[J].干旱地區農業研究,2006,24(4):19-24.

[11] 竇培謙,王曉燕,王麗華.非點源污染中氮磷遷移轉化機理研究進展[J].首都師范大學學報:自然科學版,2006,27(2):93-98.

[12] 傅濤,倪九派,魏朝富,等.不同雨強和坡度條件下紫色土養分流失規律研究[J].植物營養與肥料學報,2003,9(1):71-74.

(責任編輯李楊楊)

[基金項目]受國家自然科學基金(51179007)、北京市自然科學基金(8132039)、公益性行業科研專項(201401014)、中央高校基本科研業務費專項資金資助

[中圖分類號]S157

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)05-0034-04

[作者簡介]邢寶秀 (1991—)，女，山東濱州市人，碩士研究生，主要從事河流水生態方面的研究。

[收稿日期]2015-07-22