陜西省丹漢江流域農(nóng)業(yè)非點源污染區(qū)劃

張 軍, 李 鵬, 唐潤芒, 賈春蓉, 王 添, 湯珊珊

(1.西安理工大學 水利水電學院, 西安 710048; 2.西華師范大學國土資源學院, 四川 南充 637009; 3.陜西省水土保持局, 西安 710004)

陜西省丹漢江流域農(nóng)業(yè)非點源污染區(qū)劃

張 軍1,2, 李 鵬1, 唐潤芒3, 賈春蓉2, 王 添1, 湯珊珊1

(1.西安理工大學 水利水電學院, 西安 710048; 2.西華師范大學國土資源學院, 四川 南充 637009; 3.陜西省水土保持局, 西安 710004)

農(nóng)業(yè)非點源污染是導致地表水環(huán)境質(zhì)量惡化的重要原因。丹漢江流域是南水北調(diào)中線工程的主要水源地，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)非點源污染分區(qū)管理分類控制，將進一步確保中線工程的水質(zhì)安全。以陜西省丹漢江流域27個縣(區(qū))為基本單元，采用水質(zhì)指數(shù)法、聚類分析法和等標污染負荷法等方法，進行了污染源敏感性評價和污染類型識別，進而實現(xiàn)流域農(nóng)業(yè)非點源污染分區(qū)。結果顯示：(1) 丹漢江流域農(nóng)業(yè)非點源污染可分為5級敏感區(qū)，且敏感區(qū)等級呈現(xiàn)以中心城市為核心，以干流為軸線，向南北兩側遞減的分布格局。(2) 農(nóng)業(yè)非點源污染控制類型主要包括農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖、生活排放3種基本類型。(3) 敏感區(qū)等級越高，污染類型越復雜。

農(nóng)業(yè)非點源污染; 丹漢江流域; 敏感區(qū); 污染類型

隨著點源污染逐步得到控制，非點源尤其是農(nóng)業(yè)非點源已成為地表水環(huán)境惡化的主要原因[1-3]。農(nóng)業(yè)非點源污染發(fā)生具有分散性、隨機性、不確定性、滯后性等特點[4]，導致其控制難度大、成本高、治理難以抓住重點[5-6]。因此，加強對農(nóng)業(yè)非點源污染的控制與管理，已成為學界研究的熱點[7]。而科學劃分農(nóng)業(yè)非點源污染控制區(qū)和識別主要污染源是非點源污染控制管理的關鍵[8-9]。目前，國內(nèi)學者從排污源、區(qū)域地貌、社會經(jīng)濟[10]等因子入手對農(nóng)業(yè)非點源污染進行分區(qū)。也有學者以流域水功能區(qū)為基礎，多級子流域為基本單元，劃分流域水質(zhì)控制區(qū)[11]，這些探索為我國非點源污染控制提供了有益的幫助。但也存在不能反映區(qū)域農(nóng)業(yè)非點源污染程度，打破了行政管理界限等問題，不利于非點源污染控制工作的開展。因此，建立以傳統(tǒng)行政區(qū)為基本單元，以污染程度為分類依據(jù)，以污染類型為控制對象的分區(qū)管理、分類控制體系，將為農(nóng)業(yè)非點源污染控制區(qū)劃提供新的方向。

陜西省丹漢江流域是丹江口水庫的主要水源區(qū)，該流域的水質(zhì)狀況對入庫水質(zhì)具有重要影響。治理丹漢江流域非點源污染，對確保南水北調(diào)中線工程的水質(zhì)安全尤為重要。目前，針對丹漢江流域農(nóng)業(yè)非點源污染控制區(qū)劃的研究還鮮見報道。本文以陜西省丹漢江流域各縣(區(qū))為基本單元，識別流域重點污染源和污染源的空間分布特征，并依據(jù)污染源貢獻程度劃分控制區(qū)等級，實現(xiàn)分區(qū)管理分類控制，希望為陜西省丹漢江流域農(nóng)村非點源污染控制與管理提供參考。

1 研究區(qū)域

1.1 研究區(qū)概況

陜西省丹漢江流域位于31°42′—34°11′N，106°47′—111°18′E，包括漢江干流和丹江支流兩條流域，涉及漢中市、安康市和商洛市(洛河流域除外)3個地級市共27個縣(區(qū))[12]，流域總面積62 731 km2，其中，漢江流域55 180 km2，丹江流域7 551 km2。區(qū)域年平均降雨量為790～1 200 mm，無霜期達170～250 d，屬于熱帶濕潤區(qū)。流域內(nèi)山高坡陡，土薄石厚，坡耕地面積較大，水土流失嚴重，根據(jù)長江水利委員會2007年遙感調(diào)查數(shù)據(jù)，丹漢江流域水土流失面積占土地總面積的41.9%，年輸沙總量1 926萬t。

1.2 農(nóng)業(yè)非點源污染

丹漢江流域水資源充足，物產(chǎn)豐富，特別是漢江流域自古以來被譽為“陜西的小江南”，糧食作物以水稻、小麥和玉米為主。丹漢江流域水源區(qū)多為貧困山區(qū)，農(nóng)地較多，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術極不發(fā)達，處于粗放型生產(chǎn)階段。農(nóng)業(yè)非點源污染主要由不合理使用化肥、農(nóng)藥，分散的畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖排放物直接入河，農(nóng)村生活污水隨意排放，秸稈遺棄等原因引起，所產(chǎn)生的主要污染物為COD，TN和TP等[13-14]。因此，本文選取COD，TN和TP作為主要污染物，以農(nóng)業(yè)種植污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)村生活污染等作為主要污染源。

2 研究方法

2.1 農(nóng)業(yè)非點源污染敏感區(qū)劃分

農(nóng)業(yè)非點源污染敏感區(qū)是指根據(jù)地表水環(huán)境與農(nóng)村社會經(jīng)濟活動中非點源污染排放之間響應的敏感程度來劃分的區(qū)域，具有一定空間分異規(guī)律。敏感性常用來表征這種敏感程度的大小[15]。敏感性一般分為5級：極敏感(Ⅴ)、高度敏感(Ⅳ)、中度敏感(Ⅲ)、輕度敏感(Ⅱ)、不敏感(Ⅰ)。目前，用于農(nóng)業(yè)非點源污染敏感性評價的方法主要有水質(zhì)指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、加權指數(shù)法[16]等。單項水質(zhì)指數(shù)評價可以直接反映水質(zhì)參數(shù)現(xiàn)狀與標準的關系，簡單易行。陜西省丹漢江流域水質(zhì)基本超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)的Ⅱ類水質(zhì)標準，部分超過了Ⅲ類水質(zhì)標準。因此，本研究采用單項水質(zhì)指數(shù)法進行計算，并以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)的Ⅲ類水質(zhì)標準作為基準。

(1)

式中：Ii表示第i項污染物水質(zhì)指數(shù)；Ci表示第i項污染物實測濃度；C0i表示第i項污染物達標濃度。

當Ii≤1，表示農(nóng)業(yè)非點源污染風險小；Ii>1，表示存在農(nóng)業(yè)非點源污染風險。然后對Ii進行聚類分析，根據(jù)聚類分析結果劃分出敏感區(qū)。

2.2 農(nóng)業(yè)非點源污染類型劃分

農(nóng)業(yè)非點源污染類型劃分主要根據(jù)不同污染源對區(qū)域非點源污染貢獻率的大小確定，污染負荷比、水質(zhì)污染指數(shù)比等是常用的方法。本文用污染物排放量占總污染物排放量的比例來劃分。首先，按農(nóng)業(yè)種植污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)村生活污染等4種污染源核算出各區(qū)域污染源的等標排放量，并分別計算其占總污染排放量的比例(等標污染負荷比)。具體計算如下：

(2)

式中：Kij表示第j個縣(區(qū))第i種污染源的等標排放負荷比；Pij表示第j個縣(區(qū))第i種污染源等標排放量(t)；Qj表示第j個縣(區(qū))污染源等標排放總量(t)。

然后，在每個縣(區(qū))按照各污染源的等標污染負荷比從大到小排序，分別計算累計百分比。一般用累計百分比≥80%來確定主要的農(nóng)業(yè)非點源污染類型。本文根據(jù)丹漢江實際情況將污染源分為3種形式。(1)單一型：當某一種污染源Kij≥60%，且其余污染源比例較低時，以該單一污染源作為污染源類型名稱；(2)組合型：當有兩種污染源累計百分比≥80%時，以這兩種污染源組合命名；(3)復合型：當有三種及三種以上污染源的累計百分比≥80%，直接命名為復合型。

2.3 農(nóng)業(yè)非點源污染物排放量的計算

計算農(nóng)業(yè)非點源污染物等標污染負荷比必須知道農(nóng)業(yè)非點源污染物排放量，目前，非點源污染物排放量核算方法有：模擬估算法[17]、輸出系數(shù)法[18]、排污系數(shù)法[8,19]等，本文采用基于清單分析的排污系數(shù)法對污染物排放量進行計算，計算公式如下：

(3)

(4)

式中：Ui為第i種污染物指標統(tǒng)計數(shù)量；Ri為i種污染物的產(chǎn)污系數(shù)；Ci為i污染物的流失系數(shù)，它由污染源和空間特征S決定，表征區(qū)域地理特征、降水、水文和農(nóng)業(yè)管理措施等對農(nóng)業(yè)非點源污染的綜合影響。本研究污染物排放量及污染物排放濃度數(shù)據(jù)來源于全國污染源普查數(shù)據(jù)。

3 結果與分析

3.1 農(nóng)業(yè)非點源污染物排放量

通過陜西省丹漢江流域27個縣(區(qū))農(nóng)業(yè)非點源污染物COD，TN和TP排放量和排放濃度比較可知(圖1)，污染物排放量最大的是COD，最小的是TP。排放量高值區(qū)主要分布在西鄉(xiāng)縣和漢濱區(qū)；排放濃度高值出現(xiàn)在漢臺區(qū)?？梢姷h江流域污染物排放量和排放濃度的分布不完全一致，這主要是由污染源類型差異引起。由圖2可見，除漢臺區(qū)COD水質(zhì)指數(shù)大于1之外，其余縣(區(qū))均≤1，因為，丹漢江流域COD主要來源于生活和養(yǎng)殖業(yè)污染物排放，而這兩種污染源都具有排放量大，排放分散，排放濃度低的特點。與此相反，TN和TP雖然排放量相對較小，但水質(zhì)指數(shù)大部分都大于1，可見農(nóng)業(yè)種植是導致該流域TN和TP濃度超標的主要原因。

丹漢江流域農(nóng)業(yè)非點源污染中農(nóng)業(yè)種植污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)村生活污染等標排放量分別是18 789.77，1 174.15，23 652.42，28 268.85t(表1)。其中農(nóng)村生活污染等標排放量比例最大(39.32%)，最小的是水產(chǎn)養(yǎng)殖污染排放量，所占比例為1.63%。農(nóng)業(yè)種植污染、畜禽養(yǎng)殖污染和農(nóng)村生活污染等標排放量所占比例相差不大。就污染源等標排放量比例而言，陜南三地市情況各有差異。安康市，農(nóng)村生活污染最高，為40.52%、農(nóng)業(yè)種植次之，為31.90%，畜禽養(yǎng)殖為26.24%；漢中市，畜禽養(yǎng)殖最高，為38.06%，農(nóng)村生活污染次之，為35.75%，農(nóng)業(yè)種植為22.83%；商洛市，農(nóng)村生活污染最高，為44.99%，畜禽養(yǎng)殖業(yè)次之，為32.13%，農(nóng)業(yè)種植污染為22.87%。三地市水產(chǎn)養(yǎng)殖所占比例均為最小。

圖1農(nóng)業(yè)非點源污染物排放量和排放濃度

圖2 農(nóng)業(yè)非點源污染物COD，TN和TP的水質(zhì)指數(shù)表1 丹漢江流域農(nóng)業(yè)非點源污染等標排放量與比例

3.2 敏感區(qū)劃分

陜西省丹漢江流域非點源污染可分成5個類型的敏感區(qū)(圖3)，其中不敏感區(qū)(Ⅰ)1個，輕度敏感區(qū)(Ⅱ)11個，中度敏感區(qū)(Ⅲ)11個，高度敏感區(qū)(Ⅳ)3個，極敏感(Ⅴ)1個，表明丹漢江流域非點源污染以輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)為主，且有向高度敏感區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢。從敏感區(qū)的空間分布來看，具有一定的規(guī)律性。高度敏感區(qū)和極敏感區(qū)分布于三個地級市及其周邊，其中唯一的一個極敏感區(qū)(漢臺區(qū))位于漢中市主城區(qū)；中度敏感區(qū)主要分布在丹漢江干流上，其比例占所有中度敏感區(qū)的63.64%；輕度敏感區(qū)分布在丹漢江干流南北兩側的縣(區(qū))，其比例占到所有輕度敏感區(qū)的72.73%。可見丹漢江流域形成了以中心城市為核心，以丹漢江干流為軸線，向南北兩側敏感度遞減的敏感區(qū)分布格局。因此我們認為城市發(fā)展水平對水資源需求是影響丹漢江流域非點源污染的重要因素。

圖3陜西省丹漢江流域農(nóng)業(yè)非點源污染敏感區(qū)劃分

3.3 污染源類型的劃分

在確定敏感區(qū)的基礎上，計算各縣(區(qū))主要污染源類型。首先計算等標排放比例，按等標排放比例從大到小排序，分別計算累計百分比，并以此確定各縣(區(qū))的主要污染物類型。由表2可見，陜南27個縣(區(qū))農(nóng)業(yè)非點源污染類型可以分為農(nóng)業(yè)種植型、畜禽養(yǎng)殖型、生活排放型三個基本類型。

丹漢江流域農(nóng)業(yè)非點源污染類型中復合型比例最高，占51.85%，其次是種植+生活型，占22.22%，養(yǎng)殖+生活型，占18.52%，以單一污染類型為主的是養(yǎng)殖型和生活型各占3.70%。另外，復合型中均包括了生活污染源，說明在丹漢江流域農(nóng)村生活污染物排放對地表水的影響十分顯著。從敏感區(qū)污染源類型構成來看，復合型在除不敏感區(qū)外其他各級敏感區(qū)劃中所占比例均高于其他類型，而且在極敏感區(qū)中只有復合型一種，可見復合型污染源是丹漢江流域污染最主要的形式，且該地區(qū)有從單一污染源向復合型污染源轉(zhuǎn)移的趨勢，將導致整個流域水質(zhì)變差。

表2 陜西省丹漢江流域農(nóng)業(yè)非點源污染控制分區(qū)

4 結 論

陜西省丹漢江流域農(nóng)業(yè)非點源污染區(qū)劃按敏感度可分為5級敏感區(qū)。從5級敏感區(qū)的空間分布來看可歸納為中心城市污染控制區(qū)，干流污染綜合治理區(qū)和山地丘陵污染防治區(qū)3個敏感控制區(qū)。

農(nóng)業(yè)非點源污染源類型主要包括農(nóng)業(yè)種植型、畜禽養(yǎng)殖型、生活排放型三個基本類型及其組合形式。且該地區(qū)有從單一污染源向復合型污染源轉(zhuǎn)移的趨勢。

農(nóng)業(yè)非點源污染一級敏感區(qū)和污染類型二級劃分結果表明，丹漢江干流是主要敏感區(qū)域，且污染類型多為復合型。隨干流向南北兩側敏感性遞減，所對應的污染類型也依次向組合型、單一型變化。

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ZoningofAgriculturalNon-PointSourcePollutioninDan-HanRiverBasininShaanxiProvince

ZHANG Jun1,2, LI Peng1, TANG Runmang3, JIA Chunrong2, WANG Tian1, TANG Shanshan1

(1.CollegeofWaterResourcesandHydraulicPower,Xi′anUniversityofTechnology,Xi′an710048,China; 2.CollegeofLandandResources,ChinaWestNormalUniversity,Nanchong,Sichuan637009,China; 3.SoilandWaterConservationBureauofShaanxiProvince,Xi′an710004,China)

Agricultural non-point source pollution (ANPSP) is an important cause of surface water quality deterioration. The Dan-Han River Basin is the major water sources of the middle route of the South to North Water Diversion Project. Zoning management and classified control implemented for ANPSP will further ensure the water quality safety of the middle route. We took 27 counties (or districts) in Dan-Han River Basin in Shaanxi Province as basic units, the sensitivity assessment and pollution type identification of ANPSP were calculated using the methods of index of water quality, cluster analysis and the equivalent pollution loading. Finally, the pollution control zones were determined. The results show that: (1) the sensitive zones of ANPSP of Dan-Han River Basin were divided into five levels, taking the central city as the core, the main stream as the axis trace, and decreasing on both sides of the main stream from the north-south, this distribution pattern of sensitive zone based on the sensitivity has been formed; (2) the control types of ANPSP included three basic types, such as agricultural cultivation, livestock and poultry breeding， life discharge; (3) the higher levels of sensitive zone were, the more complex pollution types were.

agricultural non-point source pollution; Dan-Han River Basin; sensitive zone; pollution types

2016-01-16

：2016-06-19

國家自然科學基金重點項目(41330858;41471226);陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2014JM2-4036)

張軍(1979—),男,四川省南充市人,博士研究生,主要研究方向為土壤侵蝕及水土保持。E-mail:zhang822@yeah.net

李鵬(1974—),男,山東煙臺人,教授,博士，主要研究方向土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail:lipeng74@163.com

X32

：A

：1005-3409(2017)02-0325-05