萩芦溪流域农业面源污染负荷研究

林秀春，张 宇，江明坤

(莆田学院环境与生命科学系，福建莆田 351100)

萩芦溪是莆田市第二大溪流，近年来萩芦溪流域特别是作为涵江区重要城市集中式饮用水源地的外度水库水质呈现变差的趋势，直接影响到流域内群众的生活饮用水和工农业生产用水安全，而农业面源污染正是导致其水质变差的主要原因［1-3］。污染负荷研究是农业面源污染治理的关键，近年来国内学者多采用流域水文分割法［4］、多模型方法［5］、输出系数法［6-8］、PCRaster［9］、污染等标负荷法［10］等对流域内农业面源污染负荷进行研究。由于农业面源污染是水体富营养化的主要贡献者，而氮磷元素又是水体富营养化的限制因素，因此本研究先采用输出系数模型对萩芦溪流域各乡镇不同污染源的TN、TP负荷进行估算，再用等标污染负荷法确定流域内各乡镇的主要污染源类型，其结果可为防治萩芦溪流域农业面源污染、保障莆田市饮用水安全提供参考。

1 流域概况

萩芦溪位于莆田市涵江区，地理坐标N25°29'—25°38'、E119°00'—119°12'，发源于庄边镇黄龙村，经庄边镇、白沙镇、萩芦镇等于江口镇注入兴化湾，流域面积709 km2，主河道长60 km，河道平均坡降5.6‰，主要有湘溪、东泉溪、深溪和三叉溪4条支流。流域多年平均水资源总量6.02亿m3，人均水资源占有量3 490 m3，高于全国平均水平(2 128 m3/人)，但低于全省平均水平(4 080 m3/人)。从数字上看，萩芦溪流域属于全国水资源相对丰富的地区，流域内建有外度水库、东方红水库及涵江区饮用水源取水口，供应涵江区等地50多万人的生活饮用水和工农业生产用水。

2 数据来源与处理

2.1 数据来源

经过调查，选取江口镇、三江口镇、国欢镇、梧塘镇、萩芦镇、白沙镇、庄边镇、新县镇和大洋乡等9个乡镇作为研究区进行数据收集。收集的数据包括土地总面积、农业用地面积、农村人口数量及畜禽养殖数量等，主要来自2010年《涵江统计年鉴》和涵江区土地利用总体规划(2006—2020年)。

2.2 数据处理

2.2.1 输出系数法

采用Johns等人建立的输出系数模型对萩芦溪流域各乡镇的TN、TP污染负荷进行估算。输出系数法避开了面源污染的发生发展过程［7］，从而降低了对流域内监测数据的要求，适用于我国很多地区缺乏面源污染监测资料的情况。其模型方程为

式中：Li为污染物i的负荷量，kg/a;Eij为污染物i在第j种土地利用类型中的输出系数〔kg/(hm2·a)〕或第j种畜禽养殖导致的污染物i的输出系数〔kg/(ca·a)〕或人口因素导致的污染物i的输出系数〔kg/(ca·a)〕;Aj为第j种土地利用类型的面积(hm2)或第j种畜禽养殖的数量(ca)或人口数量(ca);P0为降雨输入的污染物总量，kg/a;m为流域内污染源数量。

应用输出系数模型的关键是确定输出系数值。流域地形地貌、水文、气候、土地利用、土壤类型、植被覆盖及人类活动等均会对输出系数产生影响。获得输出系数的常用方法有现场监测和查阅文献。两种方法各有利弊，前者可以获取较高精度的参数，但耗时长、费用高;后者利用前人的研究成果，便于获得，但所得输出系数地域特征明显，模拟精度有限［11］。本研究根据流域实际并结合获得的数据，选用查阅文献法确定输出系数。输出系数选取参考已有研究成果［8］，见表1。

表1 输出系数分类及取值

2.2.2 等标污染负荷法

利用等标污染负荷法可以对农业面源污染源进行综合分析，主要反映污染源本身潜在的污染水平。该方法是用污染物的排放量除以国家规定的污染物限量标准，将污染物的排放量转化为“把污染物全部稀释到评价标准所需的介质量”，使同一污染源排放的不同污染物之间、不同污染源之间在对环境的潜在影响上的比较成为可能。该方法能通过计算等标排放量、等标污染负荷和等标污染负荷比，得到主要污染物和污染源［12］。

污染物等标排放量的计算公式为

式中：Pi为污染物i的等标排放量，106m3/a;Li为污染物i的负荷量，kg/a;C0为污染物i在 GB 3838—2002中Ⅲ类标准系列阈浓度，其中TN为1 mg/L、TP为0.2 mg/L。

假设某地有m个污染源，每个污染源有n种污染物，则该地区等标污染负荷的计算公式为

式中：P为等标排放量，106m3/a;Pj为第j个污染源的等标排放量，106m3/a;Pij为第j个污染源污染物i的等标排放量，106m3/a;其余符号意义同上。

第j个污染源和污染物i的等标负荷比计算公式分别为

上二式中：Kj为第j个污染源的等标污染负荷比;Ki为污染物i的等标污染负荷比;其余符号意义同上。

按评价区域内污染源的等标污染负荷比从大到小排列，将累计百分比大于80%且最接近80%的污染源确定为主要污染源;按评价区域内污染物的等标污染负荷比从大到小排列，将累计百分比大于80%且最接近80%的乡镇确定为主要污染贡献乡镇。

3 结果与讨论

3.1 TN、TP负荷

利用输出系数法，得到萩芦溪流域TN、TP负荷主要来自耕地、园地、林地、畜禽养殖和农村人口，由于降雨输入的污染物总量与其他污染物总量相比明显较小，因此计算时忽略了降雨输入的污染物总量，计算结果见表 2、3。

表2 萩芦溪流域TN负荷估算kg/a

3.2 TN、TP等标污染负荷

3.2.1 等标排放量计算结果及分析

先利用输出系数法计算萩芦溪流域TN、TP负荷，再运用等标污染负荷法计算等标排放量(图1)。由图1(a)知，萩芦溪流域TN等标排放量最大的是江口镇;TP等标排放量最大的是三江口镇;除国欢镇对TN、TP贡献均较小外，其余乡镇对TN、TP贡献都比较大。具体来说，江口镇和三江口镇对农业面源污染的TN、TP贡献最大，其中江口镇对TN、TP的贡献排名分别为第一和第二，主要原因是其地理位置优越，人口密度大，畜禽养殖业发达，林地和园地面积少，工业总产值和农林牧渔业总产值远大于其他乡镇;三江口镇对TN、TP的贡献排名分别为第二和第一，主要是因为其位于沿海地区，农林牧渔业总产值较高，畜禽养殖业发达，人口密度大，故产生污染物量较大。另外，庄边镇虽然人口密度小，但耕地面积较大，大量化肥的施用导致耕地对TN贡献增加;新县镇由于畜禽养殖业相对发达，故对TP贡献较大。由图1(b)知，萩芦溪流域主要污染源对TN贡献从大到小依次为农村人口、畜禽养殖、耕地、林地、园地;对TP贡献从大到小依次为畜禽养殖、农村人口、耕地、园地、林地。

表3 萩芦溪流域TP负荷估算kg/a

图1 萩芦溪流域各乡镇及主要污染源等标排放量比较

3.2.2 等标污染负荷比计算结果及分析

利用Mapinfo软件，将萩芦溪流域内各乡镇、主要污染源TN、TP等标排放量及等标污染负荷比计算结果绘制成专题地图，见图2—5，其中饼状图可直观地表示出各乡镇、主要污染源对TN、TP贡献的比例。从北部山区到南部沿海，萩芦溪流域各乡镇耕地对TN、TP的贡献逐渐减少，农业人口、畜禽养殖的贡献逐渐增加，这是因为从山区到沿海耕地面积逐渐减少，而人口、畜禽养殖数量却逐渐增加。

根据等标污染负荷比累加大于且最接近80%，确定萩芦溪流域TN的主要污染源为农村人口、畜禽养殖和耕地，污染主要来自江口镇、三江口镇、庄边镇、新县镇、萩芦镇、大洋乡、白沙镇;TP的主要污染源为畜禽养殖、农村人口，污染主要来自三江口镇、江口镇、新县镇、梧塘镇、白沙镇、庄边镇、萩芦镇。可见，人口因素对TN的贡献较其对TP的贡献大，畜禽养殖对TP的贡献较其对TN的贡献大，耕地仅对TN贡献较大。

4 农业面源污染防治建议

萩芦溪流域畜禽养殖对TN、TP的贡献率分别为30%、67%，对农业面源污染影响最大，原因是部分规模化养猪场建设不规范，环保设施简陋，粪便和污水只经沼气池简易处理后便直接外排，污水进入河道、农田、沟渠，经渗透、径流汇入萩芦溪，而家庭养殖的畜禽粪便更是直接排放，因此要治理萩芦溪流域农业面源污染，当务之急是加强对畜禽养殖的管理，例如开展生态农业建设、合理选址规模化养殖场、提高畜禽粪便综合利用率等。

农业人口对TN、TP的贡献分别为31%、16%，对农业面源污染影响较大。其原因，一方面是流域人口密度大，另一方面是农村生活污水未经处理就直接排放。由于修建污水处理厂费用高，大部分乡镇财政无力负担，因此可采用稳定塘系统和污水土地处理系统来处理农村生活污水。值得注意的是，流域内任何一个乡镇农村人口对TP的贡献率均未超过25%，而畜禽养殖则是TP的最大贡献者。

耕地对TN、TP的贡献率分别为22%、7%，其产生农业面源污染的根本原因在于化肥、农药的不合理使用，因此要注重流域内耕地化肥、农药的科学使用，施肥要选择适宜的施用量和施用时间，且施用肥料要多元化。

［1］林秋霞.萩芦溪流域养猪污染与治理模式分析［J］.能源与环境，2010(3)：60-63.

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［3］王晓宇.汾河水库及其上游饮用水功能区农业面源污染及治理保护［J］.中国水土保持，2010(6)：55-57.

［4］涂安国，李英，莫明浩，等.基于水文分割法的鄱阳湖入湖非点源污染研究［J］.人民长江，2012，43(1)： 63-66.

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［6］李根，毛锋.我国水土流失型非点源污染负荷及其经济损失评估［J］.中国水土保持，2008(2)：9-11.

［7］李兆富，杨贵山，李恒鹏.基于改进输出系数模型的流域营养盐输出估算［J］.环境科学，2009，30(3)：668-672.

［8］刘亚琼，杨玉林，李法虎.基于输出系数模型的北京地区农业面源污染负荷估算［J］.农业工程学报，2011，27(7)：7-12.

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