涪江流域(射洪境內(nèi))面源污染綜合評價

史小春, 敖天其,2, 黎小東, 王文章, 楊 雯

(1.四川大學 水利水電學院, 成都 610065; 2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 成都 610065)

環(huán)境污染分為點源污染與非點源污染，點源污染指有固定排放點的污染源，而非點源污染則沒有固定的污染排放點，是指溶解的或固體污染物從非特定的地點，在降水和徑流沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體(如河流、湖泊、水庫、海灣等)，引起的水體污染[1]。近年來，我國城鎮(zhèn)化建設和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程地加快引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用化肥、農(nóng)藥及畜禽糞便等造成的農(nóng)業(yè)面源污染日益突出，我國化肥使用量按耕地面積計算已達40 t/km2，遠超發(fā)達國家單位面積施用量安全上限，但利用率僅為30%。化肥農(nóng)藥的利用率較低、流失率較高，不僅導致農(nóng)田土壤污染，還通過農(nóng)田徑流造成了對水體的有機污染、富營養(yǎng)化污染，甚至地下水污染和空氣污染，農(nóng)業(yè)面源污染日益嚴重。中華人民共和國農(nóng)業(yè)部在《2017年農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅戰(zhàn)重點工作安排》[2]中提出緊緊圍繞“一控兩減三基本”目標，重點打造省縣兩級農(nóng)業(yè)面源污染防治示范體系。因此，本文以射洪縣為研究對象，基于輸出系數(shù)模型和源強系數(shù)法對研究區(qū)環(huán)境污染現(xiàn)狀進行科學評估，并采用等標污染負荷法核算各污染物的貢獻程度。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)射洪縣地處四川盆地中部、涪江中游，地處北緯30°38′10″—31°9′49″，東經(jīng)105°10′21″—105°39′27″，位于成渝經(jīng)濟區(qū)北弧中心，屬全省“一極一軸一區(qū)塊”成都都市圈增長極，幅員面積1 496 km2[3]。縣境屬嘉陵江支流涪江水系，一級支流涪江，射洪縣境內(nèi)河段長88 km，河床比降為1‰左右，至出縣境內(nèi)流域面積24 139.3 km2。其中，縣境直接匯入涪江的徑流面積為1 254 km2，沿岸新沖積平壩面積90.9 km2，其中耕地0.39萬hm2。射洪縣內(nèi)雨量較充沛，水系發(fā)達，溪河密布，河網(wǎng)密度大，有利于污染物向河流的排放，是射洪縣污染嚴重的一個重要原因。

2 研究方法

2.1 資料來源

本研究以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為尺度，研究區(qū)共30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中太和鎮(zhèn)是射洪縣縣城所在地。數(shù)據(jù)資料包括鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口(農(nóng)業(yè)與非農(nóng)業(yè))和面積、畜禽養(yǎng)殖情況、化肥施用量、土地坡度及土壤類型等。數(shù)據(jù)來源于射洪縣環(huán)保局、射洪縣國土局、射洪縣農(nóng)業(yè)局等單位及射洪縣年鑒資料。

2.2 源強系數(shù)法

源強系數(shù)法由中國環(huán)境規(guī)劃院于2003年在《水環(huán)境容量核定技術指南》中提出[4]，廣泛應用于國內(nèi)的非點源污染源負荷的估算。根據(jù)《四川省地表水環(huán)境容量核定技術報告》規(guī)定，標準農(nóng)田源強系數(shù)為COD：150 kg/(hm2·a)，氨氮30 kg/(hm2·a)。而所謂的標準農(nóng)田指的是平原、種植作物為小麥、土壤類型為壤土、化肥施用量為375～525 kg/(hm2·a)、降水量在400～800 mm范圍內(nèi)的農(nóng)田。本研究所采用的源強系數(shù)適用于四川地區(qū)，其中入河系數(shù)指每種污染源的污染物排放量中進入水體的比率[5]。詳見表1。

以農(nóng)田地表徑流為例，其污染物排放量計算過程為：

(1)

式中：L為農(nóng)田地表徑流的污染物排放量(t/a)；αi為農(nóng)田的坡度修正值；Si為土壤修正系數(shù)，根據(jù)不同質地取值；Pi為降雨量修改系數(shù)；Ci為農(nóng)作物類型修正系數(shù)；Fi為土壤修正量；Ei為標準農(nóng)田地表徑流的源強系數(shù)。

表1 各標準污染源的源強系數(shù)及其入河系數(shù)

2.3 輸出系數(shù)法

輸出系數(shù)法是Johnes和O′sullivan于1989年提出，由于它的簡單和相對穩(wěn)定性而在許多國家被廣泛應用。Johnes[5]1990年對輸出系數(shù)法進行了修正，修正后的模型考慮了一些新的營養(yǎng)輸出因素，包括作物的固氮作用、半自然植被和林地、人類聚居區(qū)的污水處理系統(tǒng)和化糞池系統(tǒng)以及會帶來營養(yǎng)物輸出增加的土地利用管理措施等。本研究采用了修正后的模型，公式如下：

(2)

式中：L為營養(yǎng)物的流失量；Ei為營養(yǎng)源i的輸出系數(shù)；Ai為土地利用類型i的面積，或畜禽養(yǎng)殖類型i的數(shù)量或流域的人口數(shù)量；Ii為對污染源i的輸入量；p為來自降水的營養(yǎng)物輸入。

輸出系數(shù)決定了每種確定的污染源向水體排放營養(yǎng)物(TN和TP)的輸出率，系數(shù)主要來源有3個方面：文獻查詢、試驗結果和水文統(tǒng)計方法。3種方法各有優(yōu)缺點：(1) 文獻法相對于另外兩種方法簡易、方便，但準確度低，精度不高，具有局限性；(2) 試驗方法準確度最高，但獲取過程投資較大，需大量的投資和時間；(3) 水文統(tǒng)計法體現(xiàn)了營養(yǎng)物遷移的水文機理，比文獻法具有更高的準確性，但是需要大量的水文和水質數(shù)據(jù)，這在發(fā)展中國家的小流域很難獲得。由于監(jiān)測資料的短缺，本研究主要采用文獻法結合實地調(diào)查數(shù)據(jù)對輸出系數(shù)進行確定。根據(jù)對長江上游地區(qū)大量面源污染研究文獻的分析和調(diào)查數(shù)據(jù)[6-11]，確定本研究的輸出系數(shù)(表2)。

2.4 等標污染負荷法

由于不同污染物的排放標準不同，為了便于不同污染物進行比較，引進等標污染負荷的概念以進行統(tǒng)一標準的轉化。等標污染負荷法的主要思想是結合不同污染物的排放標準，將不同污染源產(chǎn)生的不同污染物與其排放標準相比較，以獲取統(tǒng)一尺度上可進行比對的量值[12]。該方法的計算公式為：

(4)

式中：Pj為第j種污染源在整個評價范圍內(nèi)的等標污染負荷[(t/a)/(mg/L)]；Pij為第j種污染源中第i種污染物的等標污染負荷[(t/a)/(mg/L)]；Gij為第j種污染源中第i種污染物的年排放量(t/a)；Si為第i種污染物的評價標準(mg/L)。

表2 不同面源的綜合輸出系數(shù)

總等標污染負荷:

P=∑Pj

(5)

等標污染負荷比:

(6)

式中：Kij為第j種污染物對于第i種污染源的污染負荷比。

3 結果與綜合評價

據(jù)2010年《第一次全國污染源普查公告》統(tǒng)計[13]，我國農(nóng)業(yè)污染源COD，TN，TP的排放量分別占全國排放總量的43.7%，57.2%和67.4%，農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國水環(huán)境污染、土壤污染和大氣污染的重要部分，因此本文以COD，TN，TP共3種物質作為評價污染物。采用《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)中Ⅲ類水質標準，即COD:20 mg/L，TP:0.2 mg/L，TN:1 mg/L的標準，對研究區(qū)30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的COD，TP，TN這3種污染物進行評估，并從總等標污染負荷角度分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要入河污染源。

3.1 從污染源角度評估

農(nóng)業(yè)面源污染指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中，農(nóng)田中的泥沙、農(nóng)藥及其他污染物在降水或徑流過程中進入水體而形成的面源污染，這些污染物主要來源于農(nóng)田施肥、農(nóng)藥、畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)村居民生活[14]。因此，本文對射洪縣境內(nèi)的6種污染源，即農(nóng)業(yè)面源、畜禽養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村居民生活污染、工業(yè)污染和城鎮(zhèn)地表徑流6方面進行3種污染物的評估，其污染物入河量見表3。

表3 6種污染源的入河量 t

由表3可知3種污染物的入河量，但環(huán)境所能容納的3種污染物的排放標準有所不同，為方便比較各污染物對水環(huán)境的污染情況，因此引入等標污染的概念分析研究區(qū)30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的各種污染源的污染負荷情況，分別計算30個研究鄉(xiāng)鎮(zhèn)的6種污染源污染負荷量，其污染程度見圖1。

本文在分析了射洪縣境內(nèi)6種污染源的等標污染負荷分布情況的基礎上，進一步研究各入河污染源對所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)入河總等標污染負荷的貢獻度，即污染負荷比，通過計算每種污染源的入河總等標污染負荷占所在鎮(zhèn)入河總等標污染負荷的比值，得到該鎮(zhèn)的主要污染源。具體情況見表4。

如表4所示，30個研究鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，除太和鎮(zhèn)以外，其他29個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染源為農(nóng)村居民生活污染，在6種污染源中所占比例都超過50%。而太和鎮(zhèn)則是以工業(yè)污染占主導地位，所占比例高達63.3%。

3.2 從各污染物角度分析

研究區(qū)的污染物主要為COD，TN，TP，通過源強系數(shù)法和輸出系數(shù)法計算出30個研究單元的各污染物入河量，并對鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染物的入河量進行排序，具體數(shù)據(jù)見表5。

研究區(qū)30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，COD入河總量貢獻度較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為太和鎮(zhèn)，所占比例為15.7%；大于鎮(zhèn)所占比例7.2%；沱牌鎮(zhèn)所占比例6.3%。TN入河總量貢獻度較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為太和鎮(zhèn)，所占比例17.0%；沱牌鎮(zhèn)所占比例為5.8%；大于鎮(zhèn)所占比例5.3%。TP入河總量貢獻度較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為大于鎮(zhèn)，所占比例6.3%；沱牌鎮(zhèn)所占比例6.0%；金華鎮(zhèn)所占比例5.6%。其中大于鎮(zhèn)和沱牌鎮(zhèn)的3種污染物入河量在研究鄉(xiāng)鎮(zhèn)的入河量中都居前3位。

在清楚研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染源基礎上，通過計算3種污染物的等標污染負荷總量，分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染物。在此基礎上，計算各污染物在總等標污染負荷中的等標污染負荷比，分析主要污染物。具體數(shù)據(jù)見表6。

圖1 各污染源等標污染負荷

利用COD:20 mg/L，TP:0.2 mg/L，TN:1 mg/L的排放標準計算COD，TN，TP這3種污染物的等標負荷量及總等標污染負荷，結果如表5—6所示，該研究區(qū)30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染物皆為TN，太和鎮(zhèn)、大于鎮(zhèn)、金華鎮(zhèn)、沱牌鎮(zhèn)、太乙鎮(zhèn)、仁和鎮(zhèn)、青崗鎮(zhèn)和洋溪鎮(zhèn)的總等標污染負荷量為3位數(shù)。

表5 研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染物入河量 t

表6 研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要入河污染物 t

注：加黑數(shù)字表示總等標污染負荷超過100 t。

4 結 論

(1) 涪江流域射洪縣境內(nèi)的6種污染源的COD入河總量為3 458.4 t，前3位依次為太和鎮(zhèn)、大于鎮(zhèn)、沱牌鎮(zhèn)。TN入河總量為1 443.9 t，前3位依次為太和鎮(zhèn)、沱牌鎮(zhèn)、大于鎮(zhèn)。TP入河總量為123.0 t，前3位依次為大于鎮(zhèn)、沱牌鎮(zhèn)、金華鎮(zhèn)；

(2) 利用等標污染負荷法得出研究區(qū)內(nèi)太和鎮(zhèn)的主要污染源為工業(yè)污染，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染源均為農(nóng)村居民生活污染；

(3) 研究區(qū)30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染物皆為TN，其次，30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中有8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的總等標污染負荷量超3位數(shù)，總等標污染負荷量最高達303.3 t。

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