漢江流域荊門段面源污染負荷時空分布與污染現狀評價

許 策， 李 曄， 束繼年， 李松炳， 李明高

(1.中國科學院 生態環境研究中心， 北京 100084； 2.中國科學院大學， 北京 100049；3.武漢理工大學， 湖北 武漢 430063； 4.湖北省環境科學研究院， 湖北 武漢 430072)

漢江流域荊門段面源污染負荷時空分布與污染現狀評價

許 策1,2,3， 李 曄3， 束繼年1， 李松炳4， 李明高4

(1.中國科學院生態環境研究中心，北京100084； 2.中國科學院大學，北京100049；3.武漢理工大學，湖北武漢430063； 4.湖北省環境科學研究院，湖北武漢430072)

[目的] 對漢江流域荊門段面源污染負荷時空分布與污染現狀進行分析和評價，為漢江水污染的治理提供科學依據。 [方法] 利用輸出系數模型和等標負荷估算法，對漢江流域荊門段的面源污染負荷進行了空間分析和負荷估算，包括總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)，得出了漢江流域荊門段面源污染負荷及其空間分布狀況。 [結果] 在所有污染源中，農村生活、畜禽養殖、降雨、土地利用和城鎮徑流是5個主要的面源污染源；該地區各市縣總氮和總磷污染負荷與COD和氨氮污染負荷的輸出量的排序均表現為：鐘祥市>沙洋縣>東寶區>掇刀區；各類污染源總氮貢獻率排序為：農村生活>農業用地>畜禽養殖>降雨>非農業用地；各類污染物總磷貢獻率排序為：畜禽養殖>農村生活>農業用地>非農業用地>降雨。 [結論] 總體來說，河流富營養化主要是由于農村污染物未經處理排放或處理措施不當引起的。

富營養化; 面源污染; 污染負荷; 等標負荷污染系數; 流域污染控制

文獻參數： 許策， 李曄， 束繼年， 等.漢江流域荊門段面源污染負荷時空分布與污染現狀評價[J].水土保持通報，2017,37(4)：63-68.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.011； Xu Ce, Li Ye, Shu Jinian, et al. Spatial distribution and evaluation of non-point pollution source in Jingmen region of Hanjiang watershed[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：63-68.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.011

隨著對工業廢水和城市生活污水等點源污染的有效控制，農業生產和生活引起的農業面源污染已成為水環境污染的最重要來源[1]。目前，在全球范圍內，農業面源污染的形式已經非常嚴峻。據調查，到目前為止，已經有30%～50%的地球表面受到不同程度的面源污染的影響，同時，由農業面源污染引起的耕地污染，約占全球不同程度退化的1.20×109hm2耕地的12%[2]。目前，我國受污染的水體中，來自工業，生活污水和農業面源污染的氮磷污染物大約各占1/3。我國湖泊的氮、磷50%以上來自于農業面源污，受面源污染影響，7大水系劣V類水所占比例為27.9%[3-4]。農業面源污染已成為影響我國農村生態環境質量的重要污染源，并制約我國現代農業的發展[5-11]。應用數學模型對農業面源污染進行模擬和估算是研究面源污染的重要手段[11-12]。國內外，已有許多學者[13-16]建立了多種針對農業面源污染的評價模型，對不同區域進行了污染負荷的估算和分析。輸出系數模型法是利用相對容易得到的流域土地利用類型等數據，通過多元線性相關分析，直接建立流域土地利用類型與面源污染輸出量之間的關系，然后通過對不同污染源類型的污染負荷求和，得到研究區域的污染總負荷。早期的輸出系數模型假定所有土地利用類型的輸出系數都相等，這種假設與實際情況相差較大。Johns等[12]1996年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物排放和處理水平等不同污染源類型的輸出系數，建立了更為完備的輸出系數模型。該模型在大尺度流域面源污染負荷的研究中表現出其獨特的優越性。本研究通過調查漢江流域荊門段分散式農村污染源分布及人口，應用輸出系數模型和等標負荷法分析農村生活源、農藥化肥污染物、畜禽養殖和農業種植的總磷(TP)，總氮(TN)，氨氮(NH3-N)，化學需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)等污染負荷量，對其空間分布特征進行分析，為漢江水污染的治理提供依據。

1 研究區域概況

本文以流經漢江流域荊門段的竹皮河流域為研究區域，就其面源污染展開調查和分析。荊門市位于湖北省中部，地處江漢平原向鄂北崗地的過渡帶，水域面積 1.85×105hm2，地表水、地下水總量為4.01×109m3。竹皮河是流經該市的唯一一條自然河流，是影響漢江流域荊門段面源污染的主要河系。竹皮河流域地區包括鐘祥市、沙洋縣、東寶區、掇刀區。其中，鐘祥、屈家嶺全域屬漢江流域，東寶 56%、掇刀 55%以上屬漢江流域，京山 95%以上國土面積屬漢江流域，沙洋25%的國土面積屬漢江流域[13-15]。望志方在漢江水質與污染物的時空差異分析中顯示：竹皮河河水中的總TP，NH3-N，COD，BOD皆超標，2007—2009年竹皮河總磷年均值對應的水質類別均為劣Ⅴ類[16]。

2 研究方法

2.1 基礎數據的獲得

本文非點源現狀的調查采用資料收集與文獻調研的方法，以荊門市的統計年鑒和中國自然資源數據庫作為基本的數據來源，并結合相關文獻資料和政府統計報告。通過竹皮河流域地區相關縣市國民經濟和社會發展統計公報以及各區縣統計年鑒，得到2012和2014年竹皮河流域各縣市的各類土地利用面積以及畜禽、農村人口數量，累加得到竹皮河流域地區2 a的基礎數據資料。

2.2 模型的選擇

2.2.1 輸出系數模型 本研究根據研究區域的資源利用和分布特征，選取Johns模型用于分析。Johns 等建立的輸出系數模型方程為：

(1)式中：Lj——污染物j在流域的總負荷量〔kg/(hm2·a)〕；i——流域中的土地利用類型，共n種；Eij——污染物j在第i種土地利用類型中的輸出系數(kg/hm2)或第i種畜禽每頭排泄系數(kg/a)或人口每人輸出系數(kg/a)；Ai——流域中第i種土地利用類型的面積(hm2)或第i種牲畜數量(頭)或人口數量(人)；P——由降雨輸入的污染物總量〔kg/(hm2·a)〕。

降雨產生的營養物輸入量P可表示為：

P=c·a·Q

(2)

式中：c——雨水中營養物濃度(g/m3)；a——年降雨量(m3)；Q——徑流系數。

2.2.2 輸出系數值的選取 本研究區域面源污染源分為農村生活源、畜禽養殖源、土地利用和降雨沉降四類。其中，農村生活源主要為農村人口生活產生的C，N，P輸出；畜禽養殖源分為大牲畜、豬、羊、禽3類；土地利用類型分為旱地，水田，林地，城鎮用地，而其他土地類型面積和影響與以上4種相比，要小的多，因此不進行統計計算。本研究參照楊維等[17]對面源污染的COD和氨氮輸出系數的研究，并借鑒太湖流域污染源調查數據及全污染源普查辦發布的源強系數，確定本研究的COD和氨氮輸出系數，詳見表1。

表1 各類污染物輸出系數

2.2.3 等標負荷計算 等標污染負荷是污染物的排放量與環境限量標準的比值，其計算公式為：

(3)

式中：Pij——第j個污染源的第i種污染物流失量等標污染負荷(m3/a)；Mij——第j個污染源第i種污染物流失量(t/a)；Coi——該污染源中第i種污染物的環境評價標準(mg/L)。

等標污染負荷比計算公式：Kij=Pij/Pj

3 結果與分析

3.1 各污染源的污染負荷貢獻率

利用輸出系數模型計算了2012，2014年漢江流域荊門段各區縣不同污染類型(包括不同土地利用類型、畜禽養殖、農村生活和城鎮地表徑流)產生的農業面源污染TN，TP，COD以及NH3-N的污染負荷量和不同污染源的污染負荷貢獻率。計算結果詳見表2—5。

從各項污染物負荷和貢獻率的計算結果來看，由農村生活產生的氮磷污染負荷在2012年和2014年分別占到了總輸出量的32.8%和32.7%以及30.0%和28.8%。主要是因為農村生活污水主要來自廚房排水、衛生淋浴和洗衣用水，含有較高的有機物和氮磷，同時絕大部分生活污水未經處理便直接排入就近水體(表2)。畜禽養殖的氮磷輸出系數除了大牲畜的氮輸出系數較高之外，其他都處于較低水平，但由于飼養量巨大，使其TN，TP輸出量在2012和2014年兩年間分別占到了總量的25.3%和40.0%以及30.5%和46.7%。其中羊因為受氣候和地形等限制，飼養量相對較少，輸出系數也相對較低。農用地中，水田輸出系數很大，面積也很大，從而水田的TN，TP輸出負荷都很大，分別為21.41%和15.52%(2012年)，19.9%和13.9%(2014年)(表2)。城鎮用地產生的污染負荷最小，這和城鎮較為完善的污水處理系統和垃圾清運系統有關。雨水在TN方面的輸出量占到了6%左右，這與雨水中含有較多硝酸根有關，可見雨水的貢獻率也是不能忽略的。而COD主要來源于畜禽養殖，在2012和2014兩年均占到了1/2以上，其次是農村生活。其主要原因在于，畜禽養殖產生的糞便和尿液都含有很多有機物，農村生活也產生了大量的有機垃圾。此外，由于養殖數量和人口數量很大，即使各項污染源在COD輸出系數上沒有明顯的差距，但在產生的污染物總量上卻產生了明顯的差別。畜禽養殖和農村生活遠遠大于其他各項污染源的輸出量(表3)。

在NH3-N輸出方面，畜禽養殖的NH3-N輸出量也占著很大的比例，在2012和2014兩年均超過了40%，農村生活產生的NH3-N量占到24.4%(2012年)和24.04%(2014年)，排名第2。相應地，園地和城鎮由于面積較小，在污染物的貢獻量上始終處于一個較低水平(表3)。從分析結果看，畜禽養殖和農村生活是主要的污染物來源，各區縣之間存在較大差異。與2012年數據狀況相比較，2014年這兩類來源的污染所占比例并無下降趨勢，甚至在TN和TP的輸出比例還有上升趨勢。這主要與各縣市的經濟發展、人口數量、土地利用現狀以及相關政策的制訂有關。

3.2 各污染源的污染負荷貢獻率的時空變化分析

比較2012和2014年不同地區污染物來源及其貢獻率的變化發現，兩年間，沙洋縣土地利用無明顯變化，但2014年畜禽數量增加幅度較大；東寶區養殖數量略有增加，而水田和園地減少量較大，因而2個地區對TN和TP的貢獻率變化較大。沙洋縣2014年較2012年增加3%，而東寶區則降低約2個百分點。可見，畜禽養殖和農業生產模式的改變對TN和TP的影響非常顯著。在COD的變化上，沙洋縣2014年的貢獻率較2012年增加近5%，其他地區的變化不大。

在NH3-N的變化上，沙洋縣2014年的貢獻率較2012年增加近4%，而掇刀區則減少2%，主要原因在于掇刀區生活垃圾的影響具有較大幅度的減少。從NH3-N的來源看，畜禽養殖的貢獻率從2012年的40%上升到2014年的50%，表明，畜禽糞便是NH3-N的最重要來源。因此，提高生活垃圾和畜禽養殖廢棄物的處理力度，可顯著降低NH3-N向環境中的排放。

表2 漢江流域荊門段面源污染TN，TP負荷

表3 漢江流域荊門段面源污染COD，NH3-N負荷 105 kg/a

3.3 污染負荷評價

根據荊門地區及其上游水污染防治規劃，本文評價標準采用《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》Ⅱ類水質指標下限值，即COD為15 mg/L，TN為0.5 mg/L，TP為0.1 mg/L，NH3-N為0.5 mg/L，運用等標污染負荷法對2012和2014年漢江流域荊門段各區縣、各類污染源進行評價，計算結果詳見表4—5。根據等標污染負荷比 值(表4)，研究區污染負荷各區縣比重為：鐘祥市>沙洋縣>東寶區>掇刀區，2012—2014兩年間變化不大；研究區污染物負荷比重排序為：TN>NH3-N>TP>COD(2012年)，TN>NH3-N>COD>TP(2014年)，2 a間，氮在所有污染物中的影響強度均最大。而COD的等標污染負荷比的排位有所變化，主要是畜禽養殖數量增加帶來的影響。從各區縣污染負荷總量看，鐘祥市等標污染負荷強度最大，這與自然條件，人口密度及產業結構發展是密切相關的。

由表5可知，研究區不同來源的污染負荷比重排序為：畜禽養殖>農村生活>用地類型>降雨>城鎮徑流。這一結果與利用輸出系數模型分析的結果具有一致性。從研究區污染物污染負荷比 及各污染負荷總量看，畜禽養殖，農村生活，土地利用屬于最主要污染負荷產生單位。主要原因是該區畜禽養殖數量巨大且養殖污水處理不到位，大量有機污染物進入水體；農業生產中大量氮肥、磷肥的使用，部分未利用的氮磷隨徑流進入水體；同時幾乎全部農村生活廢水不經處理便直接排入附近水體，這些因素的綜合作用使水體中的污染負荷相當可觀。

表4 漢江流域荊門段各區縣2012和2014年等標污染負荷

注：Pij為第j個污染源的第i種污染物等標污染負荷(m3/a)；Kij為第j個污染源的第i種污染物等標污染負荷比；Pin為第i種污染物總等標污染負荷(m3/a)；Kin為第i種污染物總等標污染負荷比；Pni為第j個污染源的總等標污染負荷(m3/a)；Kni為第j個污染源總等標污染負荷比。下同。

表5 漢江流域荊門段各污染源等標污染負荷

4 討論和結論

本文采用兩種方法評估了調查區的污染物來源對該區水環境的影響，分析結果具有很好的一致性。調查區域內不同區縣的污染負荷和污染源不盡相同，表明該區域內自然、經濟條件的差異對污染物排放的具有重要影響。從污染物來源看，農村生活和畜禽養殖在各區縣均為最重要的來源，表明目前農村的生活垃圾和畜禽排放物的處理還存在較大的提升空間。對污染負荷比重的分析結果表明，氮源污染的影響在各項污染物中處于首位，其次是磷。氮磷污染物主要來源于生產和生活垃圾的排放，因此在污染物控制措施中，應重點考慮對氮、磷污染源的控制。從流域內的污染物分布看，雖然各區縣間污染程度及污染物負荷不同，但各區縣間水體相互連接，尤其是上游地區的污染物排放，會加重下游地區的污染負荷，最終將造成整個區域的環境惡化。不同年份間的比較可見，畜禽養殖數量的變化、農業生產方式的調整和生活垃圾的處理顯著影響調查區的環境質量，據此，提出3點建議：

(1) 加強該區域更小尺度的污染源源強分析識別。分別以行政區縣的村鎮為單位尺度、小流域匯水單元尺度統計分析區域污染負荷強度，識別區域的重點污染源和主要污染物。將3S(GIS,GPS,RS)計算機技術與常規的污染源污染監測方法相結合，提高數據采集及處理的能力，實現區域污染源強在地圖上的可視化表達，為環境保護部門監測管理污染源提供有力依據。

(2) 加強主要污染源管理。從研究結果看，該區域主要的污染源來源于農村生活和農業生產、畜禽養殖。因此，該地區降低面源污染的重點工作應該放在兩個方面。一是加強農田科學施肥技術水平，提高肥料利用率，減少過剩肥料進入水體。加強對畜禽養殖業的管理，探索無害化處理畜禽養殖業排放物的技術及設施；二是以村為單位，加強農村建設規劃，改善農村生活方式，加大農村生活區污水、垃圾等處理設施，改造提升農村生活環境。從農村生產、生活兩個方面切斷污染源頭。

(3) 進一步研究面源污染物的遷移賦存規律及作用機制。在已有研究的基礎上，加強深化研究，探索該地區面源污染物的遷移賦存規律和污染機制，依照規律，科學制訂治理污染的政策措施和科技方法，逐漸形成全域內科學監控和治理面源污染的完整體系。

[1] Boers P C M. Nutrient emissions from agriculture in the Netherlands causes and remedies [J]. Water Science Technology, 1996, 33(4): 183-190.

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

[3] 王建兵,程磊.農業面源污染現狀分析[J].農林經濟管理學報,2008,7(3):35-39.

[4] 楊林章,馮彥房,施衛明,等.我國農業面源污染治理技術研究進展[J].中國生態農業學報,2013,21(1):96-101.

[5] 葉延瓊,章家恩,李逸勉,等.基于GIS的廣東省農業面源污染的時空分異研究[J].農業環境科學學報,2013,32(2):369-377.

[6] 李懷恩,沈晉.非點源污染數學模型[M].陜西 西安:西北工業大學出版社,1996.

[7] 薛利紅,楊林章.面源污染物輸出系數模型的研究進展[J].生態學雜志,2009,28(4):755-761.

[8] 高懋芳,邱建軍,劉三超,等.基于文獻計量的農業面源污染研究發展態勢分析[J].中國農業科學,2014,47(6):1140-1150.

[9] 肖新成,何丙輝,倪九派,等.三峽生態屏障區農業面源污染的排放效率及其影響因素[J].中國人口·資源與環境,2014,24(11):60-68.

[10] 歐陽威,蔡冠清,黃浩波,等.小流域農業面源氮污染時空特征及與土壤呼吸硝化關系分析[J].環境科學,2014,35(6):2411-2418.

[11] US Environmental Protection Agency. Non-Point Source Pollution from Agriculture[EB/OL].(2001-02-23)[2002-050-05].http:∥www.epa.gov/region8/water/nps/npsurb.html， 2003.

[12] 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.

[13] 徐飛. 全面整治竹皮河 改善荊門水環境[C]∥湖北 荊門：河湖水生態水環境專題論壇論文集，2011.

[14] 張德學. 南水北調中線工程對漢江荊門段水環境影響及對策研究[C]∥實行最嚴格水資源管理制度高層論壇優秀論文集,2010.

[15] 黃勇,程樹平.荊門市竹皮河綜合整治規劃[J].規劃師,2003,19(8):50-53.

[16] 望志方,張煦.漢江水質與污染物的時空差異分析[J].華中農業大學學報,2010,29(6):721-726.

[17] 楊維,楊肖肖,吳燕萍,等.基于輸出系數法核定雙臺子河非點源污染負荷[J].沈陽建筑大學學報:自然科學版,2012,28(2):338-343.

Spatial Distribution and Evaluation of Non-point Pollution Source in Jingmen Region of Hanjiang Watershed

XU Ce1,2,3, LI Ye3, SHU Jinian1, LI Songbing4, LI Minggao4

(1.Ecological Environment Research Center of Chinese Academy of Sciences, Beijng 10008, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijng 100049, China; 3.Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430063, China; 4.Hubei Provincial Environmental Science Research Institute, Wuhan, Hubei 430072, China)

[Objective] To provide scientific basis for the water pollution control of Hanjiang, the estimation based on the temporal and spatial distribution of non-point source pollution in Jinmen region of Hanjiang watershed was conducted. [Methods] The export coefficient model and the equivalent standard pollution index method were used to illustrate the temporal and spatial distribution and estimated the loads of the non-point source pollution in Jinmen region of Hanjiang watershed, including TN, TP, COD and NH3-N. [Results] Rural domestic wastes, livestock breeding, rainfall, land use and urban runoff are the major sources of non-point pollution. Based on the pollution stress, spatial distribution of the pollution source load of different cities was found in the following order: Zhongxiang City>Shayang County>Dongbao District>Duodao District. The contribution of different pollutant sources had a rank of urban runoff

eutrophication；non-pointpollutant；pollutionload；equivalentstandardpollutionindex；watershedpollutionmanagement

A

： 1000-288X(2017)04-0063-06

： X522

2016-12-08

：2017-01-18

國家水體污染控制與治理科技重大專項“庫區小流域磷污染綜合治理及水華控制研究與示范”(2012ZX07104-002)

許策(1991—)，男(漢族)，河北省保定市人，碩士研究生，研究方向為環境科學。E-mail：417716152@qq.com。

通迅作者：束繼年(1966—)，男(漢族)，安徽省六安市人，博士，研究員，博士生導師，主要從事氣溶膠化學方面的研究。E-mail：jshu@rcees.ac.cn。