北江飛來峽庫區流域非點源污染現狀評價

陳曉麗，雷 勇，黃國如,3,4

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640； 2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510635；3.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640； 4.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術研究中心，廣東 廣州 510640)

針對水體污染問題，長期以來我國政府的工作重心主要放在點源污染治理上，在點源污染得到有效控制的同時忽略了非點源污染治理[1]。非點源污染的隨機性、滯后性、模糊性以及隱蔽性已使其成為我國當前最主要的污染源[2]，對我國污染水體的貢獻率正逐年攀升，甚至對人類的健康造成了嚴重影響和威脅[3]。因此，必須對非點源污染進行深入的分析研究。

目前，非點源污染的評價方法主要有等標污染負荷法、聚類分析法和改進的理想解法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)等。趙海萍等[4]、梁倩等[5]、陸珊等[6]和閆維鳳等[7]采用等標污染負荷法分別對海河流域南系的漳河上游、河南鶴壁市淇河流域、廣西南流江下游流域和河北秦皇島市的非點源污染情況進行了分區域、分來源的負荷評價，評價結果均為當地相關部門的管理和決策提供了一定的科學依據；Li等[8]采用等標污染負荷法對漓江的污染負荷進行了評價，結果表明TN和TP為河道內的主要污染物，并建議采用上游水庫補給的方式改善水質；崔巍等[9]和李璇等[10]則在等標污染負荷的基礎上，采用聚類分析法分別對黑龍江哈爾濱市和云南大理洱海流域的非點源污染進行了區域相似度評價，從而合理科學地對研究區的非點源污染重點防治區域進行了篩分；Lu等[11]在鄱陽湖流域應用等標污染負荷法進行農業非點源污染負荷的空間特征評價，確定了優先控制區，并用聚類分析法將流域內的非點源污染劃分為4類，提出了分區管理建議。張雙圣等[12]將層次聚類分析法應用于江蘇徐州市云龍湖大尺度、多斷面、長時間的大量樣本水質評價工作中，完整地反映了水質樣本的總體特征；呂川等[13]采用基于模糊等價矩陣的模糊聚類分析法，得到吉林各市農業非點源污染的動態聚類譜系圖，可為吉林非點源污染的控制管理提供定量依據；范麗麗等[14]采用灰色聚類分析法對太湖8個湖區的水質進行了評價，定量描述了太湖不同湖區水質的優劣程度。應用TOPSIS方法，張汪壽等[15]和涂剛琴等[16]分別對北京懷柔區北宅小流域和黔中平寨水庫保護區進行了流域非點源污染風險評價，通過評價土地利用因子L、徑流因子Q、距離因子D，確定各因子所占權重，從而得到非點源污染風險評價指數，并將流域劃分為相應等級的敏感控制區域，定量地為流域內非點源污染的分區管理提供科學方案；Li等[17]提出了一種基于TOPSIS的改進方法，結合水質指標和相關標準，應用CRITIC方法考慮了指標間的相關性，使得水質評價結果更接近現狀，并已在石頭門口水庫和太湖流域得到了應用。

鑒于飛來峽庫區流域非點源污染的高貢獻率且仍缺乏流域內的非點源污染現狀評價的研究成果，本文采用等標污染負荷和聚類分析兩種方法，對北江飛來峽庫區流域的非點源污染現狀進行深入評價，以為庫區流域的非點源污染防治以及水資源保護提供科學依據。

1 研究區概況及非點源污染現狀

飛來峽庫區流域地處廣東南方濕潤地區，屬于亞熱帶季風氣候，雨量充沛。庫區流域控制面積為2 450 km2，橫跨英德市以及清城區兩個縣級行政區，包括飛來峽鎮、黎溪鎮、連江口鎮、大站鎮、望埠鎮、英紅區、英城鎮、石灰鋪鎮、西牛鎮以及水邊鎮10個鎮級行政區，流域內人口約為29.5萬人。庫區流域內年平均降水量1 853.3 mm，降水多以鋒面雨和地形雨為主，同時也受到臺風雨影響。降水量年內分布不均，汛期4—9月的降水量占全年降水量的70%～80%，其中4—6月約占年降水量的40%～50%。流域年均氣溫20.8℃，夏季最高氣溫超過30℃。地形地貌上分為兩段，自英德市區至盲仔峽段河谷寬闊，沿河多以沖積平原為主；盲仔峽段至飛來峽段則多為低山丘陵區。圖1為飛來峽庫區各鎮區區位圖。

圖1 飛來峽庫區各鎮區區位

2009年飛來峽庫區流域總GDP達到91.6億元，較2003年增長約3倍，流域內總用水量亦從2000年的909.4萬m3急劇上升到2009年的7 250萬m3。自2009年以來，庫區流域經濟持續增長，總用水量不斷攀升。伴隨著經濟的快速發展，庫區水質呈現逐年惡化趨勢，非點源污染的潛在威脅日趨嚴重。據廣東省水利水電科學研究院2010年編制的《廣東省飛來峽水利樞紐庫區污染源普查報告》顯示，飛來峽庫區接納的污染物主要由兩部分構成，即上游流域進入庫區流域的污染物以及庫區流域自身產生的污染物。庫區流域內產生的污染物70%以上由非點源污染貢獻，且非點源污染所占比例呈現逐年增大的態勢，說明非點源是飛來峽流域內的重點污染源。此外，林文婧等[18]的研究結果顯示，飛來峽庫區流域85%的COD、71%的BOD5、80%的TN、84%的TP、72%的油脂以及全部的銅和鋅均由非點源污染貢獻，也表明庫區流域的非點源污染貢獻率遠遠高于點源污染。因此必須對庫區流域內的非點源污染現狀進行深入的分析評價研究。

2 研究資料和分析方法

本文所涉及的飛來峽庫區內各鎮區非點源污染數據均來自廣東省水利水電科學研究院2009年的普查數據，包括10個鎮區內的生活污水、種植業、水產養殖業以及畜禽養殖業所產生的污染物，即COD、BOD5、TN、TP、NH3-N、動植物油、銅和鋅，共8種。

采用等標污染負荷法和聚類分析法對飛來峽庫區內各鎮區非點源污染現狀進行分析。等標污染負荷法基本思想是把污染源各種污染物的排放總量分別與對應的環境評價標準進行比較，將排放總量轉換成統一的具有相同環境意義的定量數值，從而可以在同一尺度上進行比較和度量，這一過程也稱之為參數的等標化。等標污染負荷法操作簡單，具有明顯的地域區分度，綜合性強，適用于非點源污染中各類污染物和污染源的分析比較，以確定重點污染源。等標污染負荷法的基本計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：i為污染物種類，共8種；j為污染來源，共4種；k為鎮區，共10個；Ci為i污染物的排放量，t/a；ρ0為該污染物的排放限值(評價標準)，mg/L，參考GB8978—1996《污水綜合排放標準》及廣東省地方標準DB441597—2015《電鍍水污染物排放標準》綜合確定各污染物排放限值如下：COD為100 mg/L，BOD5為30 mg/L，TN為20 mg/L，TP為1 mg/L，NH3-N為15 mg/L，動植物油為20 mg/L，銅為0.5 mg/L，鋅為2 mg/L；Pi為i污染物的等標污染負荷量,m3/a；Pj為j污染來源的等標污染負荷量,m3/a；Pk為k鎮區的等標污染負荷量,m3/a；Pik|j為j污染來源下，k鎮區i污染物的等標污染負荷量,m3/a；Pij|k為k鎮區j污染來源中i污染物的等標污染負荷量,m3/a；P為整個區域的等標污染負荷量,m3/a；Kik為i污染物在k鎮區的污染負荷比；Kij為i污染物在j污染來源中的污染負荷比；Kj為j污染來源負荷占總區域污染的負荷比；Kk為k鎮區污染負荷占總區域污染的負荷比。

聚類分析法是將數據分到不同的類或者簇的一個過程，同一個類(簇)中的對象有很大的相似性，而不同類(簇)間的對象有很大的相異性，通常分為樣品聚類和變量聚類。樣品聚類中，首先將n個樣品看成n類，采用歐式平方距離(squared euclidean distance)，將距離最近的兩類合并為一個新類，樣品減為n-1類，再從中找出最接近的兩類加以合并，成為n-2類，不斷重復此過程直到所有樣品均歸為一類。歐式平方距離計算公式為

(9)

式中xik、xjk分別為第i、j個樣品第k個指標的值。

將飛來峽庫區10個鎮區作為樣本，4種污染源的等標污染負荷量作為計算指標，進行飛來峽庫區流域非點源污染中同種類型鎮區的劃分，以便對流域內非點源污染情況相似的區域進行統一防控。

3 結果分析

3.1 等標負荷分析

采用式(5)計算飛來峽庫區10個鎮區中的各類污染物的負荷比，結果如圖2所示。由圖2可知，飛來峽鎮污染物中TP約占80%，TN約占10%，其原因是飛來峽鎮主要以水產養殖業和畜禽養殖業為主，TN、TP等污染物的產生大多來源于此。英城鎮主要以TP、COD和TN污染為主，由于英城鎮建有污水處理廠，生活污水均經過處理之后再排放，不直接散排入河道溝渠，其污染物來源主要為畜禽養殖業和種植業的TN、COD以及TP。其余8個鎮區均較為相似，均以COD、TP污染為主，還有少部分的TN、BOD5和NH3-N。

圖2 飛來峽庫區10個鎮區中各類污染物負荷比

利用式(6)可計算得到各類污染物在各污染來源中的負荷比，結果如圖3所示。

圖3 飛來峽庫區4種污染來源中各類污染物負荷比

由圖3可知，生活污水中主要有TP、BOD5、COD、TN和NH3-N等5種主要污染物，還包含少量的動植物油，生活污水所產生的污染物成分復雜多樣，需引起廣泛關注。而種植業的污染物中，只有TP和TN兩種，占比約分別為75%和25%，均來自于庫區流域磷肥和氮肥的過度施用。水產養殖業主要以TP污染為主，其負荷比為77.78%，還有17.16%的TN污染，另外值得關注的是水產養殖業中還有少量的重金屬銅、鋅污染。由于銅、鋅等微量元素廣泛存在于魚餌中，因此重金屬銅、鋅污染主要來自于飼料的投放和魚藥的施用等養殖行為。畜禽養殖業中，主要以COD、TP和TN為主，以及微量的重金屬污染。清遠飛來峽庫區流域畜禽養殖業較發達，主要以走地雞特色產業為主，還有少部分的生豬養殖，其污染主要來源于走地雞與生豬的糞便、尿液以及各種廢棄物等。從整體來看，BOD5、NH3-N以及動植物油這3類污染物只來源于生活污水，因此，這3類污染物的治理只需針對生活污水重點進行。

利用式(7)可計算得生活污水、種植業、水產養殖業、畜禽養殖業4種污染源負荷占總區域污染的負荷比分別為57.79%、2.38%、1.69%和38.14%。可見，整個飛來峽庫區流域一半以上的非點源污染來源于生活污水散排，還有接近40%的非點源污染來自于畜禽養殖業。說明生活污水和畜禽養殖是庫區流域的重點污染源，應著重對這兩方面污染來源進行源頭控制以及污染修復。

利用式(8)可計算得到飛來峽鎮、黎溪鎮、連江口鎮、大站鎮、望埠鎮、英紅區、英城鎮、石灰鋪鎮、西牛鎮以及水邊鎮10個鎮區污染負荷占總區域污染的負荷比分別為4.71%、9.33%、6.87%、18.80%、13.25%、15.30%、0.26%、19.23%、7.24%和5.01%。其中，石灰鋪鎮和大站鎮的負荷比最大，且兩者均位于流域中上游，所產生的污染會對流域下游河道造成嚴重影響。結合圖2進一步分析可知，一方面，石灰鋪鎮和大站鎮均為人口重鎮，生活污水隨意排放，導致COD、TP、TN等污染物嚴重超標，再加上污水處理設施不完善甚至沒有，直接導致生活污水成為這兩個鎮區非點源污染的重要來源；另一方面，石灰鋪鎮和大站鎮的畜禽養殖業也較為發達，石灰鋪鎮的走地雞和生豬年出欄量分別為17萬只和21 522頭，大站鎮則分別為65萬只和20 670頭，也使得畜禽養殖業成為兩個鎮區非點源污染的重點來源。英紅區、望埠鎮的負荷比則分別為15.30%和13.25%，緊隨于后。英城鎮的負荷比則是最低的，僅為0.26%。

3.2 聚類分析

為對各鎮區的非點源污染進行更進一步的類別劃分和統一管理，以10個鎮區各污染源的單位面積等標污染負荷為依據，采用樣品聚類中的歐式平方距離對其進行計算分析，結果如圖4所示。以圖中豎向虛線為界，將10個鎮區分為4類。4類別單位面積等標污染負荷的平均值如表1所示。

圖4 飛來峽庫區10個鎮區聚類分析結果

類別生活污水種植業水產養殖畜禽養殖合計第1類14.370.439.624.0828.51第2類57.664.010.0319.8781.57第3類90.462.190.0071.15163.80第4類111.383.020.01103.80218.21

第1類包括飛來峽鎮和英城鎮，屬于輕度污染區，此類鎮區的特征是整體污染程度較低，其單位面積等標負荷平均值僅為28.51 mm/a。其中，生活污水所占份額最大(50.41%)，可著重針對生活污水進行深入治理。第2類包括連江口鎮、西牛鎮、水邊鎮和黎溪鎮，屬重度污染區，此類鎮區皆位于流域中下游，生活污水仍為主要污染源，占比70.69%，還有一部分的畜禽養殖污染，占比24.36%。第3類包括望埠鎮和英紅區，屬較重度污染區，位于流域上游區域，整體污染程度偏高，生活污水占比55.23%，畜禽養殖業占比43.44%。第4類包括大站鎮和石灰鋪鎮，位于流域中上游，屬特重度污染區，其單位面積等標污染負荷平均值高達218.21 mm/a，為第1類的7.7倍，其中，生活污水占比51.04%，畜禽養殖業占比47.57%。可以看出，位于流域上游以及中上游的鎮區污染程度特別高，若不進行整治，將對流域中下游河道乃至整個庫區流域產生嚴重影響。因此，必須將中上游流域的生活污水和畜禽養殖作為防控重點，進行深入治理。針對生活污水，建立污水處理廠，進行統一集中處理，達標排放；針對畜禽養殖，建立畜禽生態養殖場，集中處理畜禽糞便，建設沼氣池，提高廢物利用效率等。

4 結 論

a. 庫區4種污染來源負荷比大小排序為生活污水、畜禽養殖、種植業、水產養殖，其中，生活污水占比57.79%，畜禽養殖占比38.13%，應著重對這兩方面污染來源進行源頭控制以及污染修復。10個鎮區的污染負荷比大小排序為石灰鋪鎮、大站鎮、英紅區、望埠鎮、黎溪鎮、西牛鎮、連江口鎮、水邊鎮、飛來峽鎮、英城鎮，其中，石灰鋪鎮和大站鎮負荷比均接近20%，需要引起重視。

b. 飛來峽庫區流域10個鎮區分為4類，位于流域中上游的鎮區污染程度最高，如大站鎮和石灰鋪鎮、望埠鎮和英紅區等，需對所涉及鎮區的生活污水及畜禽養殖污染進行重點防控。