黃河流域的環境污染特征模型及污染防治研究

李冠杰

（咸陽師范學院 經濟與管理學院，陜西 咸陽 712000）

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，環境問題已經成為世界各國共同關注的話題，并且認為水環境問題是目前迫切需要解決的問題，因此眾多國家開始將水污染列入發展戰略的統籌規劃之中。水污染分為點源污染和非點源污染，點源污染是固定排放點造成的污染；非點源污染又稱面源污染，面源污染較點源污染而言，其隨機性、廣泛性更明顯［1-3］。隨著目前水質提標困難度的增加，人們逐漸意識到面源污染的重大危害性，針對面源污染的管控力度也在不斷地加強。然而，面源污染所具備的滯后性特點導致其發生時難以得到有效監測，因此發生面源污染的現象層出不窮，許多水域已經監測到其中的營養鹽含量出現惡性增長［4］。針對面源污染，在國家相關治理方案的指導下，大量學者開展了針對河流流域面源污染防治的研究。

黃河作為我國第二大長河，黃河流域的生態環境問題受到了人們的廣泛關注，在黃河流域境內，蘭州段的農業面源污染隨著社會經濟的發展而不斷加重［5］。農業面源污染主要是農業生產過程中的化學物質使用量超標所導致的，其中最主要的污染物質為氮、磷化合物。在農業面源污染防治方面，大量研究以分析農業面源特征為前提而提出了相應的防治措施，龔世飛等［6］分析了丹江口庫區農業面源污染特征，認為降雨量和流量的增加會提升流域下游區域的總氮、總磷負荷，并發現在高降雨量的背景下，水土流失是導致流域面源污染負荷增加的重要因素。王萌等［7］為了解決農業面源污染問題，通過開展長期污染監測工作來分析農田中的氮、磷養分的含量，并希望借此建立完善的農業面源污染評估機制。然而值得注意的是，不同流域內所需要采取的農業面源污染防治措施存在差異性，就黃河流域而言，蘭州段黃河流域作為黃河流域內的重要河段，其農業面源污染所受到的關注度較高，但是其環境污染仍然未能夠得到有效的改善［8-10］。

為了降低蘭州段黃河流域的農業面源污染，本研究通過分析2012—2021年該河段相關的基本資料，采用灰色聚類方法評價水質，同時對農業面源污染進行綜合估算，通過估算結果來分析蘭州段黃河領域近年來的面源污染變化。并且利用得到的估算結果來分析影響蘭州段黃河流域農業面源污染的相關因素，借此提出了一些針對該段農業面源污染的防治措施。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黃河蘭州段流經蘭州市、白銀市，總長220 km，該河段地質條件復雜，平均含沙量為2.0 kg/m3；含沙量最大的月份為8月，平均值超過了5 kg/m3；1月的含沙量最少，降至1.5 kg/m3以下。黃河蘭州段水溫：5—11月超過10 ℃，2月最低降至1.9 ℃，2012—2021年的極端最低水溫為0.5 ℃［11-14］。黃河蘭州段流域各水期的流量見表1。

表1 黃河蘭州段流域各水期的流量

1.2 數據來源

1.2.1 徑流資料 整理黃河蘭州段2012—2021年的徑流資料，數據來源于蘭州水文站，該資料完整，能夠反映黃河蘭州段流域徑流的變化情況。

1.2.2 農業面源污染的來源 農業面源污染的來源一般為不合理施用的化肥、水土流失污染、畜禽養殖污染、農村生活污染等，所有污染物的資料均來自黃河蘭州段流域年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 蘭州段黃河流域的水質評價 針對蘭州段黃河領域的水質評價，選取溶解氧、化學需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數、糞大腸桿菌這7項指標作為水質評價因子［15-16］。采用灰色聚類法對蘭州段黃河領域進行水質評價，灰色聚類的樣本矩陣如式（1）所示。

式（1）中，i為聚類對象，其值為1～n；j為聚類指標，其值為1～m。

1.3.2 農業面源污染負荷的估算 調查可知，在蘭州段黃河領域使用的化肥主要是氮、磷、鉀肥，并且從農業生產現狀可以得知，化肥的有效利用率較低，最高僅為40%，同時化肥使用過程中的最高流失率也達到了40%，隨地表徑流流失的化肥中的氮、磷含量也較高，并且流入了地表水體［17-19］。本研究針對農業化肥流失造成的面源污染負荷進行了估算，計算化肥流失造成的黃河流域面源污染中的總氮（TN）、總磷（TP），計算公式見式（2）。

式（2）中，M表示化肥使用不合理而造成黃河的TN、TP污染負荷，單位：t/a；Q表示化肥折純量，單位：t；κ表示化肥所占比例；α表示化肥有效成分中的氮或磷所占比例；τ表示化肥流失率。

在蘭州段黃河流域農業面源污染中，水土流失污染是降水或灌溉不合理造成的，降水和灌溉引起農田徑流，部分土壤顆粒隨著地表徑流而流失，農田中的顆粒污染物隨之流走［20-21］。為了消除時間不固定等因素造成的水土流失污染估算誤差，筆者采用土壤侵蝕預測方式來計算水土流失污染，具體計算方法見式（3）。

式（3）中，A表示年平均土壤流失量，單位：t/（hm2·a）；R表示降雨與徑流侵蝕因子；K表示土壤侵蝕因子；L表示坡長與坡度因子；C表示植被與管理因子；P表示水土保持因子［22］。在水土流失污染中，主要的面源污染負荷是顆粒態氮、磷負荷，具體計算方法見式（4）。

式（4）中，M′表示吸附態氮、磷污染物負荷，單位：t/a；S表示農田土壤中氮、磷含量的占比，單位：%；X表示泥沙流失量，其值為X=B×A×m，其中B為輸沙率，A為農田土壤侵蝕量，m為農田面積；T表示污染物的富集比［23］。畜禽污染物引起的農業面源污染負荷通過畜禽糞便污染物及排泄系統進行間接估算，具體計算方法見式（5）。

式（5）中，R表示畜禽養殖中產生的氮、磷負荷；C表示畜禽存欄數；γ表示畜禽氮、磷年排泄系數；η表示畜禽產生的氮、磷污染物進入水體的流失系數［24］。最后，計算農村生活中所產生的面源污染負荷，具體計算方法見式（6）。

式（6）中，F為面源污染負荷，r表示農村人口數量，c表示農村農業人均產物系數。

1.4 流域SWAT模型的構建

為了消除試驗估算中出現的誤差，同時也為了系統性地總結出蘭州段黃河流域的農業面源污染特征，以實際數據為基礎，通過構建SWAT模型，對蘭州段黃河流域的農業面源污染負荷進行預測和分析，模型構建的基本數據類型見表2。針對蘭州段黃河流域SWAT模型的構建，需要建立空間數據庫和屬性數據庫。

表2 SWAT模型的基本數據類型

2 結果與分析

2.1 農業面源污染估算結果

在農業面源污染估算中，對蘭州段黃河流域的農田化肥污染負荷量進行估算，在估算前對蘭州段黃河流域的耕地面積、化肥用量進行統計分析（圖1）。從圖1可知，隨著社會經濟的發展，我國逐漸實現了城鄉一體化，大部分的農業從業者開始融入城市生活中，由此帶來的是農業耕地面積的不斷減少。但是，隨著全社會對農業生產重要性認知的加深，在2017年之后，耕地面積的下降速率逐漸減緩，化肥用量則始終呈現不斷增長的趨勢。

圖1 2012—2021年耕地面積和化肥用量的變化

以當地農業背景數據為研究對象，對化肥帶來的氮、磷面源污染進行了估算，結果見圖2。圖2a是化肥施用中總氮負荷的變化，由此可以看出，由化肥施用造成的總氮整體上處于逐漸上漲的趨勢，其中2017年的負荷最高，總氮負荷達到了9241.75 t/a，在2013年的總氮負荷最低。圖2b是化肥施用中總磷負荷的變化，可以發現，蘭州段黃河流域的化肥施用導致的總磷負荷在2013和2017年這2個時間點分別表現為最低和最高，最低總磷負荷為944.81 t/a，最高為1107.11 t/a。因此，從以上結果可以得知，近幾年來，蘭州段黃河流域農業化肥施用所帶來的水質問題較為嚴重。

圖2 2012—2021年化肥使用引起的總氮、總磷負荷的變化

水土流失引起的農業面源污染的變化見圖3。從圖3可以看出，水土流失帶來的總氮負荷在2015年之前呈現不斷增長趨勢，在2015年達到最大值，為11129.78 t/a。此后隨著時間的增加，水土流失引起的總氮負荷逐漸降低，最低點出現在2019年，總氮負荷為7326.35 t/a。在總磷負荷的變化中可知，總磷負荷的變化趨勢與總氮表現一致，在2015年上升至最高點，最高總磷負荷為8972.41 t/a；最低點位于2019年，總磷負荷為5879.48 t/a。但是，從水土流失下的總氮和總磷負荷變化中可以發現，在2019年之后，兩者均表現出輕微的上升趨勢，這表明此后水土流失帶來的農業面源污染也呈現逐漸加重的趨勢。

圖3 2012—2021年水土流失引起的總氮、總磷負荷的變化

分析畜禽養殖過程中所造成的面源污染變化見圖4。從圖4可知，畜禽養殖所引起的總氮負荷變化在2019年之前，始終呈現一種不斷上升的趨勢；2019年畜禽養殖帶來的總氮負荷達到了峰值，為13572.65 t/a；2019年之后，總氮負荷則表現出高位穩定的狀態。同時，在畜禽養殖下的總磷負荷變化趨勢與總氮表現一致，2019年畜禽養殖引起的總磷負荷達到最大值，為1562.38 t/a，在2019年之后的很長一段時間內保持在高位穩定的狀態。從蘭州段黃河流域的發展現狀可以得知，造成畜禽養殖面源污染負荷上升的主要原因是社會經濟的發展帶動了流域內畜禽養殖業的發展，進而使面源污染負荷逐漸加劇，成為農業面源污染的主要來源。

圖4 2012—2021年畜禽養殖引起的總氮、總磷負荷的變化

在目前的農業發展中，農村居民的生活也會導致流域面源發生污染，其面源污染負荷估算結果見圖5。從曲線變化中可以看出，在2018年之前，隨著時間的延長，蘭州段黃河流域的農村生活產生的總氮負荷不斷降低，在2018年降低至最低點，總氮負荷最低為4824.37 t/a；在2018年之后，農村生活導致的總氮負荷逐年增加，并于2021年達到最高點，為5032.77 t/a。總磷負荷在2018年前呈現不斷降低的趨勢，在2018年降低至最低的571.64 t/a，隨后呈現不斷增長的趨勢，并在2021年上升至最高值，為597.38 t/a。出現以上面源污染變化趨勢的原因是流域內農業人口的變化，在2018年之前，蘭州段黃河流域農村人口減少，所產生的面源污染負荷降低，隨著國家政策的大力扶持，農業的重要性不斷增加，在2018年之后，蘭州段黃河流域農村人口活動逐漸增加，所帶來的面源污染也隨之加劇。

圖5 2012—2021年農村生活引起的總氮、總磷負荷的變化

最后，分析蘭州段黃河流域農業面源污染中總氮、總磷總負荷的變化見圖6。從圖6可知，蘭州段黃河流域的總氮總負荷變化在2015年之前呈現不斷增長的趨勢，并在2015年達到最大值，為35962.85 t/a；在2015—2017年表現出逐漸降低的趨勢，2018年之后又呈現出不斷增長的趨勢，最終在2021年達到35172.28 t/a。從蘭州段黃河流域的總磷總負荷變化曲線中可以得知，在2015年之前，該段總磷總負荷呈現不斷上升的變化趨勢，在2015年達到最大值，最大值為10735.55 t/a。在2015年之后，蘭州段黃河流域的總磷總負荷變化呈現降低趨勢，并在2018年降低至8179.91 t/a，在2018年之后長期保持在8600 t/a以下。由此可知，在2012—2021年期間，安州段黃河流域農業面源污染中總氮、總磷的總負荷長期處于較高的水平，表明蘭州段黃河流域所承受的農業面源污染負荷較為嚴重。

圖6 2012—2021年蘭州段黃河流域總氮、總磷總負荷的變化

2.2 模型率定、驗證及面源污染的特征分析

SWAT模型在對農業面源污染負荷模擬中，需要充分考慮參數之間的聯系，以及參數與實際資料之間的匹配性，因此，需要對蘭州段黃河流域總氮、總磷的基礎測定數據進行模型率定、驗證，結果見圖7。圖7a、圖7b分別是總氮率定期、驗證期的變化曲線，可以看出，在率定期中，觀測值與模擬值存在一定差異；在驗證期中，模型模擬值與觀測值之間無明顯差異。圖7c、圖7d分別是總磷率定期、驗證期的變化曲線，圖7c中顯示，在率定期中，模型模擬值在7～9、16～20個月時間中的結果大于觀測值，而從圖7d的驗證期曲線可以看出，模型模擬值與實際觀測值之間無顯著差異。以上結果表明，本文所構建的SWAT模型在進行蘭州段黃河流域總氮和總磷污染物模擬中，與實際值具有較高的擬合度，即SWAT模型在應用中具有較高的可信度，能夠在后續的研究中為實際管理和控制提供可靠的保障。

圖7 SWAT模型率定與驗證

通過SWAT運行模擬蘭州段黃河流域的降水和氮、磷面源污染，可以為面源污染防治提供科學建議，具體模擬結果見圖8。由圖8a可知，降雨與徑流之間的變化趨勢呈現出一致性，整體表現出先增加后降低的趨勢，并且在9月，降雨量與徑流量均達到最高值，表明徑流量與降雨量之間呈現正相關性，即降雨是流域水文形成的基本條件。由圖8b可知，總氮、總磷的變化與泥沙的變化趨勢呈現出一致性，整體表現為逐漸增加后又逐漸降低，并且在面源污染負荷變化中可以發現，在1—9月份，總氮、總磷負荷整體變化呈現出上升的趨勢；9—12月份，總氮與總磷負荷均逐漸降低。

圖8 蘭州段黃河流域的降水和氮、磷面源污染模擬

以上分析結果表明，在SWAT模型的模擬計算下，發現泥沙、面源污染與降雨、徑流變化趨勢呈現出一致性，這表明蘭州段黃河流域農業面源污染負荷的變化與降雨徑流表現出顯著的相關性。將總氮負荷分為硝氮（X1）、亞硝氮（X2）、氨氮（X3）、有機氮（X4），將總磷分為有機磷（X5）和礦物質磷（X6），分析降雨、徑流、泥沙與農業面源污染負荷之間的相關程度，采用SPSS 24.0軟件計算其相關系數（表3）。

由表3可知，降雨與徑流之間的相關性極顯著，相關系數R2達到了0.892（P＜0.01），在降雨、徑流、泥沙對農業面源污染的影響中可以看出，泥沙與硝氮、降雨與亞硝氮的相關性系數R2均在0.700以下，即評價指標之間存在顯著相關性（P＜0.05），但是顯著水平不高。其余所有農業面源污染指標與降雨、徑流、泥沙之間的相關性系數均在0.700以上，即各指標之間的相關性評價呈現極顯著相關（P＜0.01）。由此可知，蘭州段黃河領域中的農業面源污染受到降雨、徑流、泥沙的影響較大。

表3 農業面源污染負荷與其他指標的相關系數

3 結論與討論

3.1 黃河流域環境污染特征分析

黃河作為我國重要的長河，在黃河流域范圍內存在大量的農業生產活動，這也為黃河流域環境帶來了嚴重的環境污染問題。筆者針對蘭州段黃河流域的農業生產活動進行了深入研究，分析了2012—2021年蘭州段黃河流域的農業面源污染特征。結果顯示，在蘭州段黃河流域內，農業面源污染主要污染物為氮、磷的污染物，造成農業面源污染的主要因素包括化肥使用的不合理、水土流失、畜禽養殖、農村生活的變化等。從農業面源污染估算結果中可知，在2012—2021年期間，化肥使用的不合理導致蘭州段黃河流域的總氮與總磷負荷長期處于較高的水平，此外，水土流失的加劇也會導致農業面源污染中的總氮和總磷表現出較高的水平。化肥使用的不合理會導致農田中氮、磷含量超標，在徑流和水土流失的作用下，農田中的污染物會滲入水體，進而造成流域污染。

與此同時，隨著蘭州段黃河流域社會經濟的發展，畜禽養殖業不斷擴大，其糞尿產量也不斷地增加，由此引起的污染負荷也呈現出逐年增加的趨勢。在農民活動發生變化的背景下，蘭州段黃河流域的農業面源污染變化顯著，即當農民活動增加時，流域內的面源污染負荷則上升。結合多個影響因素來分析蘭州段黃河流域農業面源污染總負荷的變化特征可知，其總氮總負荷在2015年達到最大值，為35962.85 t/a；總磷總負荷也同時達到最大值，為10735.55 t/a。最后，通過SWAT模型分析了造成蘭州段黃河流域農業面源污染的主要影響因素，結果表明：降雨、徑流、泥沙與面源污染之間的相關性顯著。

3.2 黃河領域環境污染的防治措施

針對蘭州段黃河流域的農業面源污染防治，需要從工程和非工程措施入手。在工程措施中，首先，需要當地在工程建設中加強水土保持工程的建設，以此來降低水土流失的風險。蘭州段黃河流域水土流失嚴重，并且該流域降雨量較為豐富，因此應當積極響應國家發展政策，通過修建土壩、植樹造林等方式減少水土流失。其次，農村地區應大力發展生態農業基地建設，改善土壤條件，提高對畜禽糞便的利用率，減少畜禽糞便中氮、磷含量對水體污染的影響，同時改善傳統的農業生產模式，通過循環利用方式在源頭上降低污染。最后，采用人工濕地工程技術控制農業面源污染，通過對農田徑流廢水的再處理，可以將處理后的水資源輸送至缺水地區，在降低污染的同時實現了水源的重復利用。

在非工程措施中，包括健全地區法規、加強地區管理、普及環保理念3種方式，蘭州段黃河流域相較于其他流域而言，農業面源污染控制的政策引導相對落后，雖然國家層面的政策干預力度不斷加大，但當地環境污染防治的法律、法規仍然不夠完善，因此需要不斷建立和健全當前相關的法律、法規。在環境污染防治法規中需要就化肥使用、水土保持、畜禽養殖等方面實施更嚴格的管理，制定科學、合理的標準來降低污染源的產生。在地區的管理工作中，首先，管理部門要意識到農業面源污染的危害性，以及污染防治工作的重要性和必要性，協調當地環保和農業部門，并深入了解各地區的污染及其防治現狀，同時以重點污染區域為中心開展定期討論會，制定合理、完善的工作方案。在環保理念普及的過程中，需要以提高農民文化素質為基礎，利用廣播、電視等較為普遍的宣傳媒介來加強宣傳教育，環保部門需要深入農民群眾，通過實地開課講解來幫助農民更加全面深入了解農業面源污染的影響因素，并推廣科學、合理使用化肥和畜禽養殖的技術，從源頭上降低農業面源污染的發生概率。