海河流域邯鄲境內農業非點源污染估算與解析

齊拴旺，王自群，邢紅霞，高五洲，馬保國*

(1.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056000； 2.邯鄲市大名縣農業農村局，河北 邯鄲 056900；3.邯鄲市永年區農業農村局，河北 邯鄲 057150)

目前，在我國環境污染方面，農業的貢獻率已超過工業。第二次全國污染源普查顯示[1]，2017年中國農業污染源(包括農村生活源)中COD、TN和TP的排放量分別占當年各污染物排放總量的73%、61%和79%，遠高于工業污染，對我國水環境影響日益顯著。美國、歐洲國家的研究已經表明，影響水環境的重要原因是非點源污染，尤其是農業非點源污染[2-4]。2015年以來，國家相關部委密集出臺了一系列規劃和文件[5]，開啟了農業非點源污染防控攻堅戰。

農業非點源污染源多樣、分散且隱蔽，污染發生和傳播具有隨機性和復雜性，不像點源污染一樣有明確的排污口，因此很難準確的監測和定量計算。近年來，農業非點源污染負荷估算有很多研究[3,6-8]，可分為模型法和經驗系數法兩大類。Zhu等[9]采用ITO3dE模型和GIS耦合對重慶市非點源污染進行分析，馮麟宇等[10]采用SWAT模型對泗合水流域非點源污染進行解析，通常模型法需要高基礎數據，所涉及的參數很難校準和驗證。而經驗系數法相對簡單，參數少，估算結果具有一定準確性。宋嘉等[11]采用經驗系數法對丹江流域陜西段農業非點源污染負荷估算，Tao 等[12]基于輸出系數法對白洋淀流域潛在農業非點源污染估算TN、TP、COD和NH3-N的排放量。

本文以低成本、快速簡單，保證一定精度的角度，采用輸出系數法估算農業非點源污染，利用等標污染負荷法對邯鄲市農業非點源污染進行評價和解析，通過ArcGIS技術對研究區進行污染風險等級劃分，使用聚類法將研究區污染類型進行區域劃分，確定研究區內污染風險高的地區為嚴格監管區，為未來農業非點源污染防控提供參考和指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

邯鄲位于河北省南端，與山東、河南和山西三省接壤，地處華北平原，海河流域南部。邯鄲地勢西部高東部低，海拔最高1 898.7 m，最低32.7 m，西部多為山區，東部為平原。邯鄲市屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨、熱和光條件好，全年無霜期200 d，年日照2 557 h，年平均降雨539.4 mm，年平均氣溫13.5 ℃，是河北省重要的農作物產區。

1.2 數據來源

研究中所用基礎數據包括農業人口、豬、羊、牛和家禽的數量、化肥施用量和降雨量(表1)，數據來源于《2019年邯鄲市農業統計年鑒》和2014—2019年《水資源公報》以及問卷調查和實地調研，邯鄲市數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數據來源于中國科學院地理科學與資源研究所，精度為30 m。基于DEM數據，通過GIS導出土地利用面積和山區占比數據。調查以縣(市、區)為基本對象。

表1 各區縣基礎數據Tab.1 Basic data of districts and counties

1.3 研究方法

1.3.1 ArcGIS水文分析法

DEM地表水文分析是指利用ArcGIS中水文分析工具提取河流流向、匯點(洼地)、匯流累積量(閾值設置為400 000較為合適)、分水嶺、河流網絡以及流域分割等[13-14]。

1.3.2 各污染源輸出系數法

采用輸出系數法估算各污染源污染物排放量，估算公式如表2。

表2 各污染源污染物排放量估算公式Tab.2 Estimation formula of pollutant emission from various pollution sources

化肥施用量采用統計年鑒中的折純量，TN、TP用量分別為氮肥用量+0.3倍復合肥用量+0.185倍磷肥用量、0.3倍磷肥用量+復合肥用量，NH3-N用量為0.1倍TN用量，TN、TP、NH3-N流失系數分別為0.2、0.15、0.2[13]。根據《全國水環境容量核定技術指南———污染源調查》，結合研究區實際情況并查閱2019年水資源公報，取旱地和水田COD流失系數分別為425.25和1 818.19 kg/(hm2·a)，其入河系數為0.05[15]。

由于缺少羊和兔的污染物流失系數，依據2003年實施的《禽畜養殖業污染物排放標準》，將羊和兔飼養量折算成豬的數量[13,16-17]。根據畜禽飼養周期來確定飼養數量為出欄量還是存欄量，入河系數為0.29。農村居民人均污染物COD、TN、NH3-N、TP年排放系數分別取14.60、1.83、1.46和0.16 kg/a[13]。

1.3.3 等標污染負荷法

等標污染負荷法是指在相同水質標準下通過比較介質量，對研究區的非點源污染進行空間分析，見式(1)：

Li=∑Lik=∑Rik/Ci

(1)

式中：Li為污染物i的總負荷，×106m3/a；Ci為污染物i的評價標準，GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的Ⅲ類水質標準，mg/L；Lik為污染源k中污染物i的負荷，×106m3/a；Rik為污染源k中污染物i的入河量，t/a。

由于各地區的面積不同，等標污染負荷只能反映一個地區污染物放排量的大小，無法反映一個地區污染強度大小，引入等標污染強度指標[18]，以便于全面評價農業非點源污染，見式(2)：

Ti=ΣTik=ΣLik/Ai

(2)

式中：Ai為污染物所在地面積，km2；Tik為污染源k中污染物i的污染強度，×106m3/(km2·a)；Ti為污染物i的污染強度，×106m3/(km2·a)。

等標負荷比，見式(3)：

Wik=Lik/Li×100%

(3)

等標污染強度比，見式(4)：

Sik=Tik/Ti×100%

(4)

1.3.4 聚類分析法

本研究針對邯鄲各縣的化肥流失、畜禽養殖和農村生活等三個污染源的等標污染強度采用SPSS中系統聚類進行聚類分析，對邯鄲市非點源污染進行污染類型劃分。

2 結果與討論

2.1 污染物排放量估算

2019年海河流域邯鄲境內各縣區化肥流失、畜禽養殖和農村生活污染源中COD、TN、TP和NH3-N污染物排放量采用輸出系數法計算結果(表3)。其中污染物排放量從大到小排序：COD>TN>NH3-N>TP，COD排放量最大，占比高達82.88%。這與胡蕓蕓等[2]研究沱江流域時結果相似。本文估算結果與南方地區的研究有些偏差，是因為南方地區降雨充足，污染物流失系數大。TP排放量主要源于化肥流失，占比達68.81%，COD、TN和NH3-N排放量主要源于畜禽養殖，占比分別為42.00%、44.51%和63.69%。化肥流失、畜禽養殖和農村生活等污染源貢獻率分別為30.76%、43.32%和25.91%。朱梅等[15]對2007年海河流域非點源污染進行了估算，其中2007年河北省農業非點源污染物COD、TN、TP排放量分別為343 559、43 583、4 634 t。與本研究在單位耕地面積非點源污染排放量在同一量級上，估算結果具有一定合理性。

表3 各縣區不同污染源COD、TN、TP和NH3-N污染物排放量Tab.3 Emissions of COD, TN, TP and NH3-N pollutants from different pollution sources in each county

2.2 等標污染法評價

2.2.1 污染物等標污染負荷特征

“有河皆干，有水皆污”是海河流域的真實寫照，是中國水污染最嚴重的流域，邯鄲市是海河流域非點源污染嚴重的八大城市之一[15]。由表4知，2019年海河流域邯鄲農業非點源污染等標排放量由大到小排序為：TP>TN>NH3-N>COD，等標污染負荷比分別為33.08%、29.67%、22.92%和14.33%，可知TN和TP污染物是主要污染物，這與張夢婕等[19]對邯鄲市面源污染調查與估算結果相似。同樣Tao等[12]研究白洋淀流域時認為農業面源TN為主要潛在污染物。

表4 各縣區不同污染源COD、TN、TP和NH3-N污染物等標排放量及貢獻率Tab.4 Contribution rates of COD, TN, TP and NH3-N pollutants from different pollution sources in each county

邯鄲市農業非點源污染主要來源于畜禽養殖和化肥流失，負荷比分別為41.97%、38.72%。化肥流失污染對TP貢獻率、畜禽養殖污染對NH3-N貢獻率均超過總量一半以上，各污染源對COD和TN的貢獻率較為平均。張寶中等[20]在研究漳河上游流域時得出相似結論。同時，王磊等[21]研究表明京津冀地區化肥和畜禽糞尿高污染地區分布廣泛。因此在海河流域農業非點源防控中應重點關注畜禽養殖和化肥流失污染源以及TN和TP的排放。

2.2.2 不同污染物及污染源貢獻率空間分布特征

利用ArcGIS中反距離權重插值法以各縣區中心點的COD、TN、TP和NH3-N等標污染強度值進行插值繪制各污染物等標污染強度空間分布圖，再疊加各縣區化肥流失、畜禽養殖和農村生活污染源等標污染強度比3D柱狀圖。通過圖1可以看出，COD、TN和TP等標污染強度分布特征相似，均有明顯的分界線，整體呈現出中部和西部污染輕東部污染嚴重現象。通過圖1(a)可知，邯鄲中部地區COD污染主要源于化肥流失，其他縣區(除涉縣和廣平縣)COD污染主要源于畜禽養殖。圖1(b)可知，西部山區各縣TN污染主要源于畜禽養殖，中部地區TN污染主要源于農村生活，東部平原縣區TN污染主要源于化肥流失。圖1(c)可知，西部山區TP污染主要源于化肥流失和畜禽養殖，中部和東部縣區TP污染主要源于化肥流失。圖1(d)可知，NH3-N污染嚴重的地區是邯鄲東北部，主要源于畜禽養殖，各縣區化肥流失對NH3-N污染貢獻率較低。

圖1 不同污染源等標污染強度比空間分布圖Fig.1 Spatial distribution map of different pollution sources

2.3 海河流域邯鄲境內農業非點源污染類型劃分及控制對策

利用SPSS中系統聚類對污染源化肥流失、畜禽養殖和農村生活等標污染強度比進行聚類分析，將邯鄲市非點源污染分為六種類型(圖2)。第Ⅰ類為綜合低污染型，該類型總污染平均貢獻率為1.30%。第Ⅱ類為禽畜養殖主導型，該類型總污染平均貢獻率為3.77%，其中畜禽養殖平均貢獻率為53.89%。第Ⅲ類為化肥流失主導型，該類型總污染平均貢獻率為5.99%，其中化肥流失平均貢獻率為49.04%。第Ⅳ類為化肥流失源-畜禽養殖源復合主導型，該類型總污染平均貢獻率為6.65%，其中化肥流失和畜禽養殖平均貢獻率分別為37.54%和44.33%。第Ⅴ類為化肥流失高污染型，該類型總污染平均貢獻率為8.76%，其中化肥流失平均貢獻率為50.08%。第Ⅵ類為畜禽養殖高污染型，該類型總污染平均貢獻率為9.45%，其中畜禽養殖平均貢獻率為58.82%。

圖2 各區縣的聚類樹形圖及污染類型分區圖Fig.2 Cluster tree and pollution type zoning map of each district and county

目前，治理農業非點源污染的思路為“控源-阻輸-治匯”[2]。對于Ⅰ類區，應當采用選擇性監控措施。對于Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等主導型類區在治理過程中應當采取控源措施，根據主要污染來源進行因地制宜的選擇對策。對于Ⅴ類區和Ⅵ類區，該類型縣區屬于高污染地區，確定為嚴格監管區，應當采取控源-阻輸-治匯綜合治理。Ⅴ類區化肥流失污染嚴重，該類型應當優化種植業結構，降低化肥用量，減少蔬菜、大蒜等高肥種植作物，采用水肥一體化提高肥料利用率。Ⅵ類區僅包括館陶縣，雞、鴨等家禽養殖數量大，應當強化畜禽糞污處理和資源化利用，配合節水技術降低污水排放，合理布置養殖廠，建造沼氣池，規模化養殖。

3 結論

1)估算2019年海河流域邯鄲境內農業非點源污染物總排放量為7.04×104t，其中COD污染物貢獻率最大，COD、TN和NH3-N排放量主要源于畜禽養殖，TP排放量主要源于化肥流失。相比其他污染源，畜禽養殖源對農業非點源污染貢獻率最大。

2)等標污染負荷評價顯示TN和TP為邯鄲市非點源污染主要污染物，畜禽養殖(貢獻率41.97%)和化肥流失(貢獻率38.72%)是主要污染源。在空間上，各污染物等標污染強度分布圖顯示中部、西部污染風險小東部污染風險大。

3)對污染源化肥流失、畜禽養殖和農村生活等標污染強度比進行聚類分析，可將邯鄲市農業非點源污染劃分為6種污染類型，確定研究區內污染風險高的地區(化肥流失高污染型和畜禽養殖高污染型)為嚴格監管區，為邯鄲市農業非點源污染綜合治理提供參考和指導。