萩蘆溪流域農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷研究

林秀春，張 宇，江明坤

(莆田學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)系，福建莆田 351100)

萩蘆溪是莆田市第二大溪流，近年來(lái)萩蘆溪流域特別是作為涵江區(qū)重要城市集中式飲用水源地的外度水庫(kù)水質(zhì)呈現(xiàn)變差的趨勢(shì)，直接影響到流域內(nèi)群眾的生活飲用水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水安全，而農(nóng)業(yè)面源污染正是導(dǎo)致其水質(zhì)變差的主要原因［1-3］。污染負(fù)荷研究是農(nóng)業(yè)面源污染治理的關(guān)鍵，近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者多采用流域水文分割法［4］、多模型方法［5］、輸出系數(shù)法［6-8］、PCRaster［9］、污染等標(biāo)負(fù)荷法［10］等對(duì)流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷進(jìn)行研究。由于農(nóng)業(yè)面源污染是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要貢獻(xiàn)者，而氮磷元素又是水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制因素，因此本研究先采用輸出系數(shù)模型對(duì)萩蘆溪流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同污染源的TN、TP負(fù)荷進(jìn)行估算，再用等標(biāo)污染負(fù)荷法確定流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染源類型，其結(jié)果可為防治萩蘆溪流域農(nóng)業(yè)面源污染、保障莆田市飲用水安全提供參考。

1 流域概況

萩蘆溪位于莆田市涵江區(qū)，地理坐標(biāo)N25°29'—25°38'、E119°00'—119°12'，發(fā)源于莊邊鎮(zhèn)黃龍村，經(jīng)莊邊鎮(zhèn)、白沙鎮(zhèn)、萩蘆鎮(zhèn)等于江口鎮(zhèn)注入興化灣，流域面積709 km2，主河道長(zhǎng)60 km，河道平均坡降5.6‰，主要有湘溪、東泉溪、深溪和三叉溪4條支流。流域多年平均水資源總量6.02億m3，人均水資源占有量3 490 m3，高于全國(guó)平均水平(2 128 m3/人)，但低于全省平均水平(4 080 m3/人)。從數(shù)字上看，萩蘆溪流域?qū)儆谌珖?guó)水資源相對(duì)豐富的地區(qū)，流域內(nèi)建有外度水庫(kù)、東方紅水庫(kù)及涵江區(qū)飲用水源取水口，供應(yīng)涵江區(qū)等地50多萬(wàn)人的生活飲用水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

經(jīng)過(guò)調(diào)查，選取江口鎮(zhèn)、三江口鎮(zhèn)、國(guó)歡鎮(zhèn)、梧塘鎮(zhèn)、萩蘆鎮(zhèn)、白沙鎮(zhèn)、莊邊鎮(zhèn)、新縣鎮(zhèn)和大洋鄉(xiāng)等9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為研究區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。收集的數(shù)據(jù)包括土地總面積、農(nóng)業(yè)用地面積、農(nóng)村人口數(shù)量及畜禽養(yǎng)殖數(shù)量等，主要來(lái)自2010年《涵江統(tǒng)計(jì)年鑒》和涵江區(qū)土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 輸出系數(shù)法

采用Johns等人建立的輸出系數(shù)模型對(duì)萩蘆溪流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的TN、TP污染負(fù)荷進(jìn)行估算。輸出系數(shù)法避開(kāi)了面源污染的發(fā)生發(fā)展過(guò)程［7］，從而降低了對(duì)流域內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的要求，適用于我國(guó)很多地區(qū)缺乏面源污染監(jiān)測(cè)資料的情況。其模型方程為

式中：Li為污染物i的負(fù)荷量，kg/a;Eij為污染物i在第j種土地利用類型中的輸出系數(shù)〔kg/(hm2·a)〕或第j種畜禽養(yǎng)殖導(dǎo)致的污染物i的輸出系數(shù)〔kg/(ca·a)〕或人口因素導(dǎo)致的污染物i的輸出系數(shù)〔kg/(ca·a)〕;Aj為第j種土地利用類型的面積(hm2)或第j種畜禽養(yǎng)殖的數(shù)量(ca)或人口數(shù)量(ca);P0為降雨輸入的污染物總量，kg/a;m為流域內(nèi)污染源數(shù)量。

應(yīng)用輸出系數(shù)模型的關(guān)鍵是確定輸出系數(shù)值。流域地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型、植被覆蓋及人類活動(dòng)等均會(huì)對(duì)輸出系數(shù)產(chǎn)生影響。獲得輸出系數(shù)的常用方法有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和查閱文獻(xiàn)。兩種方法各有利弊，前者可以獲取較高精度的參數(shù)，但耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高;后者利用前人的研究成果，便于獲得，但所得輸出系數(shù)地域特征明顯，模擬精度有限［11］。本研究根據(jù)流域?qū)嶋H并結(jié)合獲得的數(shù)據(jù)，選用查閱文獻(xiàn)法確定輸出系數(shù)。輸出系數(shù)選取參考已有研究成果［8］，見(jiàn)表1。

表1 輸出系數(shù)分類及取值

2.2.2 等標(biāo)污染負(fù)荷法

利用等標(biāo)污染負(fù)荷法可以對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染源進(jìn)行綜合分析，主要反映污染源本身潛在的污染水平。該方法是用污染物的排放量除以國(guó)家規(guī)定的污染物限量標(biāo)準(zhǔn)，將污染物的排放量轉(zhuǎn)化為“把污染物全部稀釋到評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所需的介質(zhì)量”，使同一污染源排放的不同污染物之間、不同污染源之間在對(duì)環(huán)境的潛在影響上的比較成為可能。該方法能通過(guò)計(jì)算等標(biāo)排放量、等標(biāo)污染負(fù)荷和等標(biāo)污染負(fù)荷比，得到主要污染物和污染源［12］。

污染物等標(biāo)排放量的計(jì)算公式為

式中：Pi為污染物i的等標(biāo)排放量，106m3/a;Li為污染物i的負(fù)荷量，kg/a;C0為污染物i在 GB 3838—2002中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)系列閾濃度，其中TN為1 mg/L、TP為0.2 mg/L。

假設(shè)某地有m個(gè)污染源，每個(gè)污染源有n種污染物，則該地區(qū)等標(biāo)污染負(fù)荷的計(jì)算公式為

式中：P為等標(biāo)排放量，106m3/a;Pj為第j個(gè)污染源的等標(biāo)排放量，106m3/a;Pij為第j個(gè)污染源污染物i的等標(biāo)排放量，106m3/a;其余符號(hào)意義同上。

第j個(gè)污染源和污染物i的等標(biāo)負(fù)荷比計(jì)算公式分別為

上二式中：Kj為第j個(gè)污染源的等標(biāo)污染負(fù)荷比;Ki為污染物i的等標(biāo)污染負(fù)荷比;其余符號(hào)意義同上。

按評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)污染源的等標(biāo)污染負(fù)荷比從大到小排列，將累計(jì)百分比大于80%且最接近80%的污染源確定為主要污染源;按評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷比從大到小排列，將累計(jì)百分比大于80%且最接近80%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)確定為主要污染貢獻(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 TN、TP負(fù)荷

利用輸出系數(shù)法，得到萩蘆溪流域TN、TP負(fù)荷主要來(lái)自耕地、園地、林地、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村人口，由于降雨輸入的污染物總量與其他污染物總量相比明顯較小，因此計(jì)算時(shí)忽略了降雨輸入的污染物總量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 2、3。

表2 萩蘆溪流域TN負(fù)荷估算kg/a

3.2 TN、TP等標(biāo)污染負(fù)荷

3.2.1 等標(biāo)排放量計(jì)算結(jié)果及分析

先利用輸出系數(shù)法計(jì)算萩蘆溪流域TN、TP負(fù)荷，再運(yùn)用等標(biāo)污染負(fù)荷法計(jì)算等標(biāo)排放量(圖1)。由圖1(a)知，萩蘆溪流域TN等標(biāo)排放量最大的是江口鎮(zhèn);TP等標(biāo)排放量最大的是三江口鎮(zhèn);除國(guó)歡鎮(zhèn)對(duì)TN、TP貢獻(xiàn)均較小外，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)TN、TP貢獻(xiàn)都比較大。具體來(lái)說(shuō)，江口鎮(zhèn)和三江口鎮(zhèn)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的TN、TP貢獻(xiàn)最大，其中江口鎮(zhèn)對(duì)TN、TP的貢獻(xiàn)排名分別為第一和第二，主要原因是其地理位置優(yōu)越，人口密度大，畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，林地和園地面積少，工業(yè)總產(chǎn)值和農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值遠(yuǎn)大于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn);三江口鎮(zhèn)對(duì)TN、TP的貢獻(xiàn)排名分別為第二和第一，主要是因?yàn)槠湮挥谘睾５貐^(qū)，農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值較高，畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，人口密度大，故產(chǎn)生污染物量較大。另外，莊邊鎮(zhèn)雖然人口密度小，但耕地面積較大，大量化肥的施用導(dǎo)致耕地對(duì)TN貢獻(xiàn)增加;新縣鎮(zhèn)由于畜禽養(yǎng)殖業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)，故對(duì)TP貢獻(xiàn)較大。由圖1(b)知，萩蘆溪流域主要污染源對(duì)TN貢獻(xiàn)從大到小依次為農(nóng)村人口、畜禽養(yǎng)殖、耕地、林地、園地;對(duì)TP貢獻(xiàn)從大到小依次為畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村人口、耕地、園地、林地。

表3 萩蘆溪流域TP負(fù)荷估算kg/a

圖1 萩蘆溪流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)及主要污染源等標(biāo)排放量比較

3.2.2 等標(biāo)污染負(fù)荷比計(jì)算結(jié)果及分析

利用Mapinfo軟件，將萩蘆溪流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、主要污染源TN、TP等標(biāo)排放量及等標(biāo)污染負(fù)荷比計(jì)算結(jié)果繪制成專題地圖，見(jiàn)圖2—5，其中餅狀圖可直觀地表示出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、主要污染源對(duì)TN、TP貢獻(xiàn)的比例。從北部山區(qū)到南部沿海，萩蘆溪流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地對(duì)TN、TP的貢獻(xiàn)逐漸減少，農(nóng)業(yè)人口、畜禽養(yǎng)殖的貢獻(xiàn)逐漸增加，這是因?yàn)閺纳絽^(qū)到沿海耕地面積逐漸減少，而人口、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量卻逐漸增加。

根據(jù)等標(biāo)污染負(fù)荷比累加大于且最接近80%，確定萩蘆溪流域TN的主要污染源為農(nóng)村人口、畜禽養(yǎng)殖和耕地，污染主要來(lái)自江口鎮(zhèn)、三江口鎮(zhèn)、莊邊鎮(zhèn)、新縣鎮(zhèn)、萩蘆鎮(zhèn)、大洋鄉(xiāng)、白沙鎮(zhèn);TP的主要污染源為畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村人口，污染主要來(lái)自三江口鎮(zhèn)、江口鎮(zhèn)、新縣鎮(zhèn)、梧塘鎮(zhèn)、白沙鎮(zhèn)、莊邊鎮(zhèn)、萩蘆鎮(zhèn)。可見(jiàn)，人口因素對(duì)TN的貢獻(xiàn)較其對(duì)TP的貢獻(xiàn)大，畜禽養(yǎng)殖對(duì)TP的貢獻(xiàn)較其對(duì)TN的貢獻(xiàn)大，耕地僅對(duì)TN貢獻(xiàn)較大。

4 農(nóng)業(yè)面源污染防治建議

萩蘆溪流域畜禽養(yǎng)殖對(duì)TN、TP的貢獻(xiàn)率分別為30%、67%，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染影響最大，原因是部分規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)建設(shè)不規(guī)范，環(huán)保設(shè)施簡(jiǎn)陋，糞便和污水只經(jīng)沼氣池簡(jiǎn)易處理后便直接外排，污水進(jìn)入河道、農(nóng)田、溝渠，經(jīng)滲透、徑流匯入萩蘆溪，而家庭養(yǎng)殖的畜禽糞便更是直接排放，因此要治理萩蘆溪流域農(nóng)業(yè)面源污染，當(dāng)務(wù)之急是加強(qiáng)對(duì)畜禽養(yǎng)殖的管理，例如開(kāi)展生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)、合理選址規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)、提高畜禽糞便綜合利用率等。

農(nóng)業(yè)人口對(duì)TN、TP的貢獻(xiàn)分別為31%、16%，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染影響較大。其原因，一方面是流域人口密度大，另一方面是農(nóng)村生活污水未經(jīng)處理就直接排放。由于修建污水處理廠費(fèi)用高，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)財(cái)政無(wú)力負(fù)擔(dān)，因此可采用穩(wěn)定塘系統(tǒng)和污水土地處理系統(tǒng)來(lái)處理農(nóng)村生活污水。值得注意的是，流域內(nèi)任何一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村人口對(duì)TP的貢獻(xiàn)率均未超過(guò)25%，而畜禽養(yǎng)殖則是TP的最大貢獻(xiàn)者。

耕地對(duì)TN、TP的貢獻(xiàn)率分別為22%、7%，其產(chǎn)生農(nóng)業(yè)面源污染的根本原因在于化肥、農(nóng)藥的不合理使用，因此要注重流域內(nèi)耕地化肥、農(nóng)藥的科學(xué)使用，施肥要選擇適宜的施用量和施用時(shí)間，且施用肥料要多元化。

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