媯水河流域農業非點源汙染負荷估算與分析

摘 要：

本文利用改進的輸出係數模型對媯水河流域農業非點源汙染負荷進行了估算,並且分別通過三分法,即分區、分類、分期的方法對結果進行了分析。結果表明:(1)2017年媯水河流域農業非點源汙染物TN和TP的負荷量分別為1 402 214.9 kg/a,279 629.1 kg/a;(2)流域內各鄉鎮TN和TP的負荷量差異較大,舊縣鎮、永寧鎮所貢獻的TN、TP負荷量最多且單位負荷強度最大,屬於重點治理區域;(3)流域內對TN的貢獻最大的汙染源為農業種植,對TP的貢獻最大的汙染源為農村生活汙染,這兩個汙染源屬於優先控制的汙染源;(4)TN、TP負荷與降雨量呈現正相關關係,降雨沖刷是導致的汙染物負荷增加的一個主要因素。農業非點源汙染的三分研究結果為媯水河流域非點源汙染治理與農業結構調整提供了科學依據。

關鍵詞：

農業非點源汙染; 改進輸出係數模型; 氮磷; 媯水河流域; 三分法;

作者簡介：

丁洋(1993—),男,碩士研究生,主要從事流域水環境循環綜合調控方向的研究。E-mail:[email protected];

*董飛(1983—),男,高級工程師,主要從事流域容量總量控制理論與方法等研究。E-mail:[email protected];

基金：

國家水體汙染與治理科技重大專項(2017ZX07101004-001);

中國水科院創新領軍人才項目(WE0145B532017);

中國水科院調研專項(WE0145C172018);

0 引 言

近十年來,非點源汙染尤其是農業非點源汙染已經逐漸成為影響水環境質量的重要因素。非點源汙染因為其過於分散、不易識別和收集的特點,其嚴重性逐漸顯現出來。我國目前正處於汙染構成快速轉變時期,非點源汙染的負荷比重在逐步上升。近年來的研究表明,氮、磷非點源汙染負荷已佔受納水體汙染負荷的50%以上,並對受納水體產生嚴重影響。

輸出係數模型即經驗模型通過一種“黑箱”的方法來對汙染物輸入輸出進行模擬的,該模型對數據資料的要求較低,在大中尺度區域研究非點源具有重要的用途。例如Johnes等提出的輸出係數法模型。雖然Johnes的輸出係數模型對各土地利用類型與營養物分類計算考慮較為全面,但未考慮非點源汙染產生的驅動條件——降水及影響非點源汙染輸移的重要因素——地形,導致該模型計算非點源汙染時具有一定的侷限性。因此,本文對Johnes的輸出模型進行了改進並運用到媯水河流域中,並且在流域尺度上提出了非點源汙染負荷識別與診斷的“三分”方法,即分區、分類、分期,通過“三分”方法來識別與解析流域尺度上非點源汙染。

官廳水庫是保障北京市防洪安全的重要水庫,也是京西供水的重要水源地。媯水河是官廳水庫入庫的主要河流,其水質情況直接影響庫區水質,根據郝芳華等[7]對官廳水庫水質的研究介紹,水庫水質已經達到或超過富營養化水平,非點源汙染是造成水質惡化的重要原因之一。媯水河流域地勢起伏明顯,高程在472～2157 m之間,並且降水分佈不均,非點源汙染受降水與地形的影響相比於其他區域影響較大,因此本文考慮降水與地形因素,使用改進輸出係數模型對媯水河流域非點源汙染進行估算,解析了流域中TN、TP汙染源,並且運用“三分”方法對媯水河流域非點源汙染進行拆分,為流域非點源汙染負荷識別與調控提供定量化依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

媯水河流域位於北京市延慶區,是北京市西北重要的生態屏障,經緯度115°48′51″—116°20′42″E,40°21′50″—40°38′40″N。媯水河流域南北東三面環山,西臨官廳水庫,海拔472～2 157 m,流域四周多以山地為主地勢較高,中間為延懷盆地地勢低,流域面積724.6 km2。該區域屬溫帶大陸性氣候,氣候冬冷夏涼,年平均氣溫8.5 ℃,多年平均降水量442 mm。媯水河流域範圍如圖1所示。

圖1 媯水河流域範圍

1.2 數據來源

本研究所用的數據有DEM、土地利用、氣象數據、社會經濟數據,如表1所列。

表1 研究數據及其來源

2 研究方法

2.1 Johnes輸出模型

Johnes輸出係數模型表達式為

式中,i為流域汙染源的種類;L為流域非點源汙染總負荷;Ei為第i種汙染源的輸出係數; Ai為第i種汙染源的數量; Ii為第i種汙染源營養物輸入量; P為由降水輸入的汙染物數量,本次研究參考其他學者相關研究暫不考慮此項的影響。

2.2 改進的Johnes輸出模型

本次研究將降水與坡度因素引入進Johnes輸出係數模型中,參考以往的研究成果,改進輸出係數模型表達式為

式中,α為降水影響條件下流域產汙係數;β為坡度影響因子,其他參數同式(1)。

2.2.1 模型參數的確定

(1)基礎數據的獲取。

媯水河流域全部位於北京市延慶區內,考慮到資料數據的限制,查閱了2017年北京市延慶區統計年鑑中農村人口及畜牧養殖數量,使用面積修正法得到媯水河流域內上述資料,通過媯水河流域土地利用圖獲取土地利用情況。本次研究將流域農業非點源汙染源分為農村生活汙染源、畜禽養殖汙染源及農業種植汙染源。具體結果如表2所列。

表2 2017年媯水河流域農村人口、牲畜數量及土地利用

（2)輸出係數確定。

輸出係數的來源一般有3種途徑,分別為文獻參考、研究實驗及水文統計,由於研究區監測資料的限制,本研究使用文獻參考來確定輸出係數。媯水河流域地處華北平原,故本次研究輸出係數的取值參考空間上鄰近,氣候、地形和種植種類相似的京津冀地區水庫流域中文獻所採用的輸出係數,結合媯水河流域實際情況,具體結果如表3所列。

2.2.2 降水影響因子α的確定

研究表明,降水影響因子係數主要通過降水的年際分佈差異αt與空間分佈差異αs共同確定,並且流域年降水量r與流域營養物流失量L具有相關關係

式中,r¯為流域年平均降水量;rj為空間單位j的年均降水量;L為流域營養物流失量;L¯為多年流域營養物流失量平均值。

考慮到缺少流域內汙染物入河監測數據,參考耿潤哲等在鄰近流域密雲水庫流域的研究成果,建立媯水河流域年降水量r與流域營養物流失量L具有相關關係

由1970—2017年降水數據可以得到媯水河流域多年平均降水量為433.4 mm,由式(3)—(5)可以得到媯水河流域的TN、TP降水影響因子的表達式為

通過計算分析可以得出媯水河流域2017年TN降水影響因子為1.07～2.07、TP降水影響因子為1.09～3.02,其空間分佈整體呈現由中部地區向四周地區遞減趨勢,如圖2所示。

圖2 媯水河流域降水影響因子空間分佈

2.2.3 地形影響因子β的確定

根據研究表明地形影響因子β主要是通過影響徑流量的大小來改變TN和TP流失量,其計算公式如下

式中,θj為研究區內空間單元的坡度;θ¯為整個研究區的平均坡度;c、d為常數。參考陳學凱等研究成果可得d為0.610 4,根據媯水河流域DEM數據(見圖1)採用ArcGis中坡度分析功能計算出媯水河流域平均坡度為9.376 1,由式(8)可以得出媯水河流域地形影響因子β為

通過計算得到媯水河流域地形影響因子為0～3.03,如圖3所示。整體呈現流域坡度四周高中間低的趨勢,這與流域四周多以山地為主地勢較高,中間為延懷盆地地勢低的現狀類似。

圖3 媯水河流域地形影響因子空間分佈

3 結果分析

3.1 非點源汙染TN、TP分區結果分析

“分區”是指通過研究流域內不同行政區、匯水區或者控制單元的汙染源及其負荷,來體現其在區域上的不同。本研究根據媯水河流域內各鄉鎮的行政邊界作為分區邊界,根據本研究建立的改進輸出係數模型計算2017年媯水河流域內各鄉鎮不同農業汙染源類型(不同農業土地利用類型、農業生活與畜禽養殖)貢獻的氮磷負荷量,TN、TP在媯水河流域內各鄉鎮的負荷量及單位面積負荷強度如圖4所示,具體結果如表4、表5所列。

表4 2017年媯水河流域非點源汙染物TN負荷量

表5 2017年媯水河流域非點源汙染物TP負荷量

圖4 媯水河流域非點源汙染分區結果

結果表明:(1)2017年媯水河流域農業非點源汙染TN汙染負荷為1 402 214.9 kg/a,TP汙染負荷為279 629.1 kg/a,在媯水河流域中,舊縣鎮、永寧鎮所貢獻的TN、TP負荷最多,這是由於這兩個鎮幾乎全部位於媯水河流域內且農業活動較為密集,從而人類活動所產生的汙染負荷也隨之增加。(2)舊縣鎮、永寧鎮的負荷強度最大,舊縣鎮TN、TP的負荷強度分別為31.66 kg/(hm2·a),6.14 kg/(hm2·a),永寧鎮TN、TP的負荷強度分別為20.57 kg/(hm2·a),4.47 kg/(hm2·a);康莊鎮負荷強度最小,TN、TP的負荷強度分別為6.94 kg/(hm2·a),1.27 kg/(hm2·a)。舊縣鎮、永寧鎮位於媯水河流域中上游,表明媯水河流域中上游存在著N、P汙染的風險。

3.2 非點源汙染TN、TP分類結果分析

“分類”是指分別研究流域內不同汙染源,主要是體現各汙染源佔非點源汙染負荷的比重。本研究將媯水河流域非點源汙染源分為農村生活汙染源、畜禽養殖汙染源及農業種植汙染源。分別計算出媯水河流域內不同汙染源類型對非點源汙染負荷貢獻,如圖5所示。結果表明,流域內不同汙染源對TN的貢獻順序為:農業種植>農村生活>畜禽養殖,在流域內各鄉鎮中,除延慶鎮外,農業種植汙染源對TN的貢獻率均大於農村生活與畜禽養殖汙染源,延慶鎮農業種植面積較小,人口密度大是農村生活汙染源貢獻率大於農業種植汙染源的原因。農業種植中耕地對TN汙染負荷貢獻最大,這主要是因為農業化肥(氮肥為主)通過降雨徑流過程流失,從而對流域內造成嚴重的汙染。根據上述結果分析,媯水河流域非點源汙染中TN主要是由於農業種植汙染造成的,其中以耕地為主,因此優化農業管理措施,實施免耕、測土配方等管理措施,並且採取一些工程措施,如田間植草水道、溼地等措施可降低農業種植對TN負荷的影響。除此之外,農村生活汙水與畜禽養殖對非點源汙染造成的影響也應引起足夠的重視。

圖5 媯水河流域各鄉鎮TN、TP汙染源貢獻示意

流域內不同汙染源對TP的貢獻順序為:農村生活>農業種植>畜禽養殖,除上游區域香營鄉、劉斌堡鄉外,流域內農村生活汙染源對TP的貢獻均大於農業種植與畜禽養殖汙染源,流域內香營鄉、劉斌堡鄉人口較少是導致農村生活汙染源對TP貢獻小的原因。農村生活對TP汙染有較高的貢獻率,原因主要有兩種,一是流域內存在農村生活汙水未經收集處理直排的現象,從而使得TP超標;二是未經處理的農村生活垃圾通過降雨徑流沖刷,從而加大了TP的汙染。

3.3 非點源汙染TN、TP分期結果分析

“分期”是指研究不同典型水文年對降水影響因子係數α的變化導致流域內非點源負荷的變化。“分期”情景分析步驟為:(1)分析研究區降雨資料,根據延慶氣象站1959—2017年雨量數據,取頻率f=10%(594.7 mm)的年份為典型豐水年,f=50%(445.6 mm)的年份為典型平水年,f=90%(317.9 mm)的年份為典型枯水年。(2)情景模擬:情景1是選取枯水年降雨量317.9 mm進行模擬;情景2選取平水年降雨量445.6 mm 進行模擬;情景3是選取豐水年降雨量594.7 mm進行模擬。(3)整理計算結果,分析不同典型水文年非點源汙染負荷。表6為不同情景下媯水河流域各汙染源負荷結果,圖6為不同情景下媯水河流域非點源汙染負荷結果。

表6 不同情景下媯水河流域各汙染源負荷

圖6 不同情景下媯水河流域非點源汙染負荷

從圖6中可以看出,TN、TP負荷與降雨量呈現正相關關係,且豐水年的汙染負荷遠大於枯水年,說明降雨沖刷是導致的汙染物負荷增加的一個主要因素,從而在豐水年應重視非點源汙染所造成的環境影響,可選擇植被緩衝帶、農田植草溝、小型坑塘溼地等工程措施來削減汙染物負荷。

4 結 語

通過研究可得,2017年媯水河流域農業非點源汙染物TN和TP的負荷量分別為1 402 214.9 kg/a,279 629.1 kg/a。(1)通過“分區”結果可知,流域內各鄉鎮TN和TP的負荷量差異較大,舊縣鎮、永寧鎮所貢獻的TN、TP負荷量最多且負荷強度也最大,屬於重點治理區域;而八達嶺鎮、四海鎮與康莊鎮負荷量少且負荷強度低。(2)通過“分類”結果可知,流域內對TN的貢獻順序為:農業種植>農村生活>畜禽養殖,對TP的貢獻順序為:農村生活>農業種植>畜禽養殖,農業種植汙染源與農村生活汙染源是造成TN、TP汙染的主要因素,屬於優先控制的汙染源。(3)通過“分期”結果可知,TN、TP負荷與降雨量呈現正相關關係,降雨沖刷是導致的汙染物負荷增加的一個主要因素。

由以上分析可知,優化農業管理結構,對農村生活汙水生活垃圾集中處理等管理措施可從源頭控制非點源汙染;建設植被緩衝帶、田間植草溝和溼地等工程措施可從汙染物的遷移轉化途徑上削減汙染物。通過“三分”研究結果,為媯水河流域採取非點源汙染治理與農業結構調整提供了科學依據。

水利水電技術

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