阿什河流域农业非点源污染源解析及空间异质性

高凤杰，侯大伟，姜晗，郑惠玉，闫岩，张颖

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

阿什河流域农业非点源污染源解析及空间异质性

高凤杰，侯大伟，姜晗，郑惠玉，闫岩，张颖

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

用经验系数法和等标污染负荷法，借助GIS技术对阿什河流域农业非点源污染负荷、来源解析及其对境内水质造成影响进行深入分析。结果表明，在总量上各污染源对阿什河水质污染影响程度是：化肥施用＞畜禽养殖＞农村生活污染＞土壤侵蚀＞秸秆污染，其等标污染负荷比分别为67.46%＞16.24%＞12.21%＞2.69%＞1.40%；阿什河干流自上游到下游水质不断恶化，其中TN、TP浓度在中下游地区的丰枯水期均达到劣V类水平；高化肥施用量是研究区水质恶化的主要原因。

农业非点源污染；源解析；水质指数；经验系数法；阿什河流域

非点源（面源）污染是水环境质量恶化重要污染源，是水质难以彻底改善和恢复主要因素[1]。按发生来源，划分为农业和城市非点源两大类，其中农业非点源贡献率最大。美国环保局2003年调查结果显示，农业非点源污染是美国河流和湖泊污染第一大污染源，导致约40%河流和湖泊水体水质不合格，是造成地下水污染和湿地退化主要因素[2]；在欧洲国家，农业非点源污染同样是造成水体，特别是地下水硝酸盐污染首要来源和地表水中磷富集最主要原因，由农业非点源排放的磷为地表水污染总负荷24%～71%[3]；我国2010年初发布第一次全国污染源普查公报也揭示农业源是中国水环境污染物化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）主要来源[4]。学者对非点源氮磷流失影响因素[5]、流失机理[6]、空间异质性[7]、污染量化[8]进行了大量研究，其中，非点源污染量化是当今国际研究热点[9]。

我国农业非点源污染开始于80年代初，应用经验方法应用最多，包括统计法和输出系数法，流域尺度非点源污染模型研究刚起步；在研究区域上多集中在南方地区[10-12]，而北方地区尤其是东北黑土区研究很少。东北地区是我国重要农牧业生产基地和老工业基地，城市化不透水地面比例不断提高，导致富含地面污染物径流量加大；集约化、机械化、规模化农业活动增加农用化学品投入；畜牧业快速发展使大部分禽畜粪便以及农村生活污水和生活垃圾未经处理而直接排入水体，对流域水质产生重要影响。本文选取位于哈尔滨市郊区城市化水平较高、农业生产强度大、畜禽养殖规模不断扩展、水质由上游饮用水水源保护到下游水质不断恶化的松花江一级支流阿什河流域为研究区，研究其农业非点源污染负荷及其空间异质性，以期为松辽流域其他水系乃至全国农村水环境污染防治，提供决策支持与技术借鉴。山地面积占51.8%，丘陵占15%，平原占33.2%，森林覆盖率面积为31%。交通方便、上游山区矿产资源丰富。

2 调查内容与研究方法

2.1 数据来源与监测断面布控

阿什河按水功能划分可分为两段：源头-入阿城区前，长81.25 km，属饮用水水源保护区，水质较好；阿城区-入松花江口，61.25 km，属农业用水区。根据以上阿什河水环境功能区划，本研究选取阿城区-入松花江口为研究河段，在阿什河干流上布设3处采样断面：朱家断面（阿什河入阿城区断面）、成高子断面（阿什河入哈尔滨市区断面）和阿什河口内断面（入松花江口，国控断面）。流域包括阿城区小岭、玉泉、交界等11个乡镇以及哈尔滨市香坊区幸福镇、向阳乡等4乡镇（见图1）。

图1 研究区地理位置与检测断面布控Fig.1 Geographical position and monitoring section

1 研究区概况

阿什河是松花江干流右岸一级支流，形成于第四纪晚期，距今约2 000万年。阿什河流域北以松花江干流为界，南与牤牛河（拉林河支流）相邻，东为蚂蚁河，西是马家沟河，地理坐标为东经127°37'42''～127°37'45''，北纬45°49'15''～45°96' 15''，流域面积3 545 km2。气候类型属中温带大陆性季风气候，年平均气温3.3℃，无霜期130～136 d，年降雨量一般在500～600 mm。土壤为山地棕壤土，中下游为丘陵平原，多为黑土。流域内

本研究数据资料来源《哈尔滨市阿城区统计年鉴2011》[13]和哈尔滨市香坊区和道外区环保局提供的相关农事资料；调查数据以2011年为基准年。

2.2 阿什河流域农业面源污染源解析

2.2.1 农业非点源污染负荷量

农业非点源污染负荷计算见表1。

表1 各类非点源污染负荷计算方法Table 1 Pollution load calculation method of kinds of non-point sources

2.2.2 等标污染负荷

等标污染负荷（Equal standard pollution load）指用污染物排放量除以环境中污染物的限量标准，即把污染物全部稀释到评价标准所需的介质量。统一转化后，比较同一污染源所排放的污染物之间、不同污染源之间在对环境的影响[21]。

①第j个污染源第i种污染物等标污染负荷为：

式中，Pij—第j个污染源第i种污染物的等标污染负荷（106m3·年-1）；Cij—该污染源中第i种污染物的排放浓度（mg·L-1）；Coi—第i种污染物的评价标准。

文中采用GB3838-2002Ⅲ类标准，即COD 20 mg·L-1，TN 1.0 mg·L-1，TP 0.2 mg·L-1；Qij—第j个污染源含i污染物的介质排放量(m3·年-1)；Mij—第j个污染源第i种污染物流失量(t·年-1)。

②第j个污染源有n个污染物，其源内等标污染负荷为：

③某地区有m个污染源，则该地区等标污染负荷为：

2.2.3 水质响应

农业面源污染物排放浓度和水质指数计算方法分别如下：

式中，Ci为农业面源污染引起的污染物i的排放质量浓度（mg·L-1）；RQi为农业面源污染物i的实物排放量（t）；RW为本地地表水资源量（m3）；Ii为农业面源污染水质指数；C0i为污染物i于水环境功能分区的水质控制类别标准值（地表水环境质量标准GB3838-2002，mg·L-1）。

3 结果与分析

3.1 各污染源污染负荷量

据表1及公式（1）～（3）得到研究区各乡镇各类污染源排放的实物量与等标污染负荷（见图2）。

由图2可知，阿什河流域除幸福镇以生活污染最高外（其等标污染负荷比高达80.58%，与其位于哈尔滨郊区，城镇化水平高，人口密度大有关），其余各乡镇农业非点源污染以化肥污染为主，其等标污染负荷比在51.5%～73.45%；畜禽和生活污染次之，15个乡镇中，除小岭、玉泉、交界、成高子和团结镇5个乡镇畜禽污染等标污染负荷比例低于生活污染等标污染负荷比例，其余各乡镇均为畜禽＞生活；土壤侵蚀污染整体上不高，其中以小岭最高，占比13.35%，幸福镇8.35%，成高子6.22%，其余各乡镇比例均在6%以下；秸秆污染比重最低，除幸福镇为3.5%外，其余各乡镇均不超过2%。

3.2 水质监测结果分析

根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中要求，监测项目确定为水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、COD、BOD5、氨氮、TP、TN等。上述监测项目分析方法均采用国家《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）和《水和废水监测分析方法（第四版）》中所规定的相应分析方法（见表2）。

图2 各乡镇各类污染源等标污染负荷比Fig.2 Equal standard pollution load ratio of each town

表2 水质监测结果Table 2 Water quality monitoring results(mg·L-1)

由表2可知，由阿什河上游朱家断面到下游阿什河口内断面，水质不断恶化。朱家断面处于饮用水水源地保护区，全年水质在Ⅲ类以上，丰水期水质均在Ⅱ类；成高子断面在阿什河中游地段，其水质大多数时间处于Ⅳ类水平，但TN、TP达到V类和劣V类水准，究其原因是该断面属于农业生产区，高化肥施用量和大量农村畜禽散养导致其水质较上游朱家断面已呈严重下降趋势；下游阿什河口内断面不论丰水期还是枯水期，其水质都在V类与劣V类水平，污染严重，该断面处于城市内部，各类工业污染及人类生活污染排放使其水质极其严重。水质监测结果与前文农业非点源污染贡献相呼应。

3.3 水质响应分析

由公式（4）～（5）计算各乡镇污染物浓度和污染指数见表3，水质指数空间差异见图3。

表3 各乡镇污染物浓度和污染指数Table 3 Pollutant concentration and the pollution index of each town

图3 水质指数空间异质性Fig.3 Spatial heterogeneity of water quality index

由表3、图3可知，杨树、向阳两乡镇水质指数最高，料甸、新华、舍利和双丰次之，原因是这六乡镇处于阿什河中游地区，耕地比重大，化肥施用量高，导致TN、TP浓度过高。玉泉镇和幸福乡水质最好，原因是玉泉处于研究区上游，境内西泉眼水库是水源保护区，山地丘陵地形使其耕地和人口较低，人为干扰较小；幸福乡属城乡结合带，城市化水平高，人口密集，生活污染比重最大，但由于生活污染贡献率较低，所以其水质较好。

4 讨论

由于非点源污染具有分散性、隐蔽性、随机性、滞后性和形成机理复杂等特征，研究和管理难度较大。国外对非点源污染研究起步于20世纪60年代，经历经验模型、功能模型和机理模型3个阶段，其中，AGNPS模型和SWAT模型得到广泛研究和应用。70年代初期在北美开始应用并于1996年改进的输出系数模型，尽管是经验模型，至今仍被经常使用。我国农业非点源污染开始于80年代初，流域尺度上的非点源污染模型研究刚起步，目前以引进国外模型进行验证、应用为主。由于机理模型所需参数多，参数的选择、校准、灵敏度分析、格网的划分很大程度决定模型模拟精度，模型扩展应用受到限制。邹桂红等在华北地区大沽河流域研究显示，AnnAGNPS模型对径流、泥沙及总氮的模拟精度依次降低，对径流模拟最理想，泥沙模拟效果较好，年、月尺度总氮模拟精度尚可，但降雨场次总氮负荷模拟效果不佳[22]。输出系数模型利用相对容易得到的土地利用状况、施肥、人口等资料估算流域污染物输出量，利用黑箱原理，避开非点源污染发生的复杂过程，降低对侵蚀、污染物迁移转化试验和资料的依赖性，具有一定精度性，虽然不能预测单场降雨产生的非点源污染，但能够反映区域非点源污染的输出强度，适合国内资料缺乏现状，因此得到广泛认可。如岳勇等结合RS和GIS技术，利用二元结构模型对2000年松花江流域非点源污染负荷进行计算与结果验证[23]；王秀娟等利用输出系数模型，结合ArcGIS软件对松辽流域20世纪80年代至2000年非点源污染负荷TN进行空间模拟和变化趋势分析[24]。本方法不足之处在于等标污染负荷法更多依赖于统计数据，输出系数缺乏本地化试验验证，为提高农业非点源污染负荷估算精度，小流域可考虑通过小区试验的方法获取模型参数，相关研究有待进一步深入。

5 结论

本研究用经验系数法和等标污染负荷法，借助GIS技术对松花江一级支流阿什河流域农业非点源污染负荷、来源解析及其对境内水质造成影响进行深入分析，结果表明在总量上各污染源对阿什河水质污染影响程度是：化肥施用＞畜禽养殖＞农村生活污染＞土壤侵蚀＞秸秆污染，除离城市较近的幸福镇以生活污染为主外，其余各镇镇均以化肥施用污染为主；水质监测结果表明阿什河干流自上游到下游水质不断恶化，其中TN、TP浓度在中下游地区丰水期和枯水期均达到劣V类水平；高化肥施用量导致高TN、TP浓度是造成研究区水质恶化主要原因；水质指数高地区集中在流域中部，以杨树和向阳两乡镇最突出，说明该区域水资源污染承载负荷高。

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Source apportionment and spatial heterogeneity of agricultural non-point source pollution in Ash River basin

GAO Fengjie,HOU Dawei,JIANG Han, ZHENG Huiyu,YAN Yan,ZHANG Ying(School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

In this paper,the empirical coefficient method and equivalent standard method were conducted to analyze the agricultural non-point source pollution load,source apportionment and its effect on the water quality with the help of GIS in Ash River Basin.The results showed that the contribution of different agricultural non-point sources was chemical fertilizer＞Livestock＞living＞soil erosion＞straw and the equivalent standard pollution load proportion was 67.46%＞16.24%＞12.21%＞2.69%＞1.40%.Water quality condition from the upstream to the downstream was worsening and the TN and TP concentration actually came to bad V class.The high TN and TP concentration caused by excessive chemical fertilizer became the main reason for the deterioration of water quality.

agricultural non-point source pollution;source apportionment;water quality index; empirical coefficient method;Ash River basin

X501

A

1005-9369（2014）09-0067-06

高凤杰,侯大伟,姜晗,等.阿什河流域农业非点源污染源解析及空间异质性[J].东北农业大学学报,2014,45(9):67-72.

Gao Fengjie,Hou Dawei,Jiang Han,et al.Source apportionment and spatial heterogeneity of agricultural non-point source pollution in Ash River basin[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(9):67-72.(in Chinese with English abstract)

2013-05-23

“十二五”农村领域国家科技计划课题子课题（2013BAJ12B01）

高凤杰（1981-），女，副教授，博士，研究方向为资源环境遥感。E-mail:gaojiecumt@126.com

时间2014-9-18 10:51:53[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140918.1051.018.html