基于水功能区的湖北省农业非点源污染控制区划

张海龙，齐实†，路倩倩，杨波，孙嘉，刘孝盈

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.中国科学院地理科学与资源研究所，100101，北京;3.中国水利水电科学研究院，100038，北京)

农业非点源污染是指溶解性的或非溶解性的污染物(TP、TN、COD等)从非特定的地域，在降水和径流作用的冲刷下汇入受纳水体而引起的污染［1］。农业非点源污染形成过程随机性大、分布广泛、随时空变化较大，从而导致研究区域农业非点源污染控制区划困难较大［2］。随着化肥和农药的大量使用，农业非点源污染已经成为导致区域水环境质量下降的主要原因［3-4］，同时也是当前水污染控制研究的热点和难点［5］;然而，科学划分农业非点源污染控制区，因地制宜分区、分类防控农业非点源污染是有效控制农业非点源污染的关键［6-7］。

近年来，有关农业非点源污染控制区划的研究并不多见，大部分研究都是以某一种污染源或者污染物为对象进行区划。目前，国内学者仅对四湖流域［8］、上海［9］等流域或城市进行了非点源污染的相关区划研究。上述研究对非点源污染的解析多是从排放源考虑，在非点源污染对河流湖泊水质的危害及程度方面研究较少。虽然部分研究考虑了对水质的影响，但多是以单一的水环境质量标准进行污染程度分析。由于不同的水功能区所要求的水环境质量标准不一致，若采取单一的标准，研究结果将不能反映区域农业非点源污染的程度。此外，已有的非点源污染控制区划研究虽然考虑了区域地貌环境、社会经济、污染源等因子［10-11］，但大部分都未考虑农业非点源污染程度;因此，要实现农业非点源污染的分类管理、分级控制，就必须结合污染类型及污染程度进行区划。目前，国内水污染的监督及管理主要依赖基层县市区水利局或环保局［7］，因此，研究以县域为单元的农业非点源污染控制区划对水环境管理和农业非点源污染防治具有现实意义。

笔者以湖北省103个县市区为单元，根据水功能区对水环境质量的要求确定不同县域水环境质量标准，在此基础上采用水质指数法及内梅罗指数法解析研究区农业非点源污染类型及污染程度，最终划分农业非点源污染控制区，为区域农业非点源污染提供管理和防治对策。

1 研究区概况

1.1 研究区范围

湖北省地处我国南北过渡区，总面积18.58万km2，属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温15～17℃，多年平均降水量800～1 600 mm;地貌类型多样，山地、丘陵、平原分别占总面积的56%、24%、20%(图1);境内湖泊1 300余个，河流长5.92万km，主要为长江和汉江。湖北省辖103个县市区，2011年湖北省GDP总量2万2 250.16亿元，三类产业结构比为13.1∶50.1∶36.8，总人口5 779万人，农村总人口2 687.23万人。

图1 研究区地形图(县域单元)Fig.1 Relief map of the study area(county unit)

1.2 农业非点源污染概况

湖北省是农业大省，相关研究表明，湖北省农业非点源污染的主要来源有居民生活污水、农业种植、畜禽养殖和水产养殖4个方面，产生水体污染的主要污染物为COD、TN和TP等［12］。种植业是湖北省农业非点源污染最大的污染源，其次是畜禽养殖、水产养殖业、农村生活污水［13］。湖北省农业非点源污染主要有以下几个特点:水产养殖污染隐蔽、污染严重、防控较难;畜禽养殖污染分散，大量小型养殖场无污水处理设施，并且污水直接排入河湖当中，造成严重污染;农村生活污染广泛，污水任意排放;农业非点源污染比例较大，在湖北大型湖泊中，TN、TP等大部分来自农业非点源污染［14］。

2 研究方法

2.1 数据收集

研究数据可分为3大类，数据主要来自2011年湖北省103个县市区的统计年鉴。

1)农业基础数据:各个县域的总面积、土地利用面积、地表水资源总量等。

2)农业非点源污染负荷核算数据:分类收集与种植业、畜禽养殖业、水产养殖业和农村生活污水4大类污染源有关的基础数据。种植业主要收集氮肥、磷肥及复合肥的施用量，畜禽养殖业主要收集牛、猪、羊、兔及家禽的出栏数，水产养殖业主要收集水产养殖面积、养殖产量。

3)地理信息资料:湖北省数字高程图(30 m)、湖北省县级行政区划图、湖北省水功能区划图。

2.2 水功能区—县域水环境匹配转换

水功能区划是以江河(线)、湖泊(点)等水域为对象而划定的具有特定功能的区域。不同水功能区要求的水环境质量标准有所差异，然而不同县域范围内存在不同的水功能区，从而使得不同县域在执行水环境质量标准方面存在不同的差异，不利于分区管理。根据汇流过程，同时考虑区域环境状况等，将水功能区边界转换成县域单元，可为非点源污染控制区划提供划分基础。县域水环境质量标准划分技术路线如图2所示。

2.3 污染类型划分方法

污染类型划分主要根据不同污染源对区域农业非点源污染贡献率的大小确定，目前，广泛用于污染类型划分的方法有污染负荷比、水质污染指数比2种方法［15］，污染负荷法比法是根据不同污染源TN、TP、COD排放量的比例确定，该划分方法不能够表征非点源污染对河流湖泊水质的危害及比较不同污染物对区域环境的影响差异。水质污染指数比法弥补了污染负荷法比法的不足，评价结果较准确，目前应用较多［16］，其计算公式为:

图2 县域水环境质量标准划分技术路线Fig.2 Division technical route of county water environmental quality standards

式中:Xj为第j类污染源污染贡献率;Pj为第j类污染源的水质污染指数总和;Pm为县域单元的水质污染指数总和;Pi为第i类污染物的水质污染指数;Fi为第i种污染物的产污系数;Mi为第i种污染物的产生量;Ki为第i种污染物排污系数;Qi为第i种污染物排放限量标准(GB 3838—2002《地表水环境质量标准》);W为各个县域的地表水资源量，亿m3;i分别代表 TN、TP、COD，n=3;j分别代表种植业、畜禽养殖业、水产养殖业和农村生活污水4大污染源，m=4。产排污系数来源于第1次全国污染源普查农业污染源产排污系数手册(畜禽养殖产排污系数采用环保部公布的数据)。

根据Xj的大小进行污染类型的划分，累计Xj总和大于80%左右的污染源列为主要污染源。同时，若某种污染源的Xj≥60%，其余污染物所占比例大致相同，那么根据Xj≥60%的污染源确定污染类型［17］。

2.4 敏感区划分

农业非点源污染敏感性是指研究区域地表水环境对各种农村社会经济活动反应的敏感程度，非点源污染敏感性能够反映地表水环境发生污染的可能性大小［6］。解析研究区农业非点源敏感区分布特性，能够有效的指导农业非点源污染的防控。敏感性一般分为5级，为极敏感、重度敏感、中度敏感、轻度敏感、不敏感，敏感性级别可根据实际情况增减［18］。目前，用于农业非点源污染敏感性级别评价的方法主要有单项水质指数法、内梅罗指数法以及加权指数法［15］。本研究采用内梅罗指数法进行敏感区划分，内梅罗指数法是美国学者N.L.Nemerow提出的一种河流水质评价方法，该指数兼顾最高污染状况与平均污染状况，广泛用于水质综合评价。

式中:P为内梅罗指数;Pmax单项水质指数的最大值;Pave为水质指数的平均值。评价标准见表1。

表1 内梅罗指数评价标准Tab.1 Nemoro index evaluation standard

2.5 非点源污染控制区划

1)区划方法。根据行政区完整性及连续性、主导因子及控制方向一致性、敏感性优先等区划原则［8-9］，结合县域水环境功能区、污染类型及敏感等级，将农业非点源污染控制区分为3级。一级区划根据县域水环境功能区进行划分，在一级区划的基础上，结合农业非点源污染敏感等级确定二级区划，二级区划可以实现农业非点源污染的分级管理，在二级区划的结果上，结合农业非点源污染类型确定三级区划，三级区划结果可以实现农业非点源污染的分类管理。

2)区划命名。对3级区划分别命名，一级区划名称根据县域水环境质量标准确定，二级区划名称结合一级区划及敏感区确定，三级区划名称结合二级区划、地理位置/地名及污染类型确定。

3 结果与分析

3.1 县域水功能区转换及水环境质量标准

县域水环境功能区见图3。通过统计分析，水环境质量标准需达到Ⅱ类水质要求的县域有29个，面积共计7.85万km2，位于湖北省西部、东部及南部国家重点生态功能区及自然保护区等生态环境较好、受人类干扰及破坏程度较低的区域，区域地貌主要为山地和丘陵;水环境质量标准达到Ⅲ类水质要求的县域共计74个，面积共计10.73万km2，主要位于湖北省中部平原及丘陵区，是湖北省农产品的主要产区，同时也是国家重要农产品生产基地。

图3 县域水环境功能区Fig.3 Water environmental function zone of county

3.2 污染类型

根据4类污染源对区域农业非点源污染贡献率的大小，Ⅱ类水质保护区农业非点源污染类型分为3类(图4)，即农业化肥污染型、水产养殖污染型和畜禽养殖污染型;Ⅲ类水质保护区农业非点源污染类型分为7类(图5)，即农业化肥污染型、水产养殖污染型、畜禽养殖污染型、生活污水污染型、农业化肥-水产养殖污染型、农业化肥-畜禽养殖污染型、农业化肥-畜禽养殖-水产养殖污染型。

图4 Ⅱ类水质区污染类型Fig.4 Pollution type in Class-Ⅱ area

3.2.1 Ⅱ类水质保护区农业非点源污染类型

1)Ⅱ-农业化肥污染型。该类型区农业化肥是农业非点源污染产生的主要来源，贡献率在62%以上，主要分布在鄂西泰巴山区生态屏障区和武陵山生态屏障区，涉及神农架林区、秭归县等15个县市区，面积4.57 km2。该区属于经济不发达地区，开发程度较低，森林覆被率较高，区域产业以农业为主，人口密度全省最低，化肥的施用是造成地区农业非点源污染的主要原因。

图5 Ⅲ类水质区污染类型Fig.5 Pollution type in Class-Ⅲ area

2)Ⅱ-水产养殖污染型。水产养殖污染贡献在各类污染源中所占比例最大，贡献率在61%以上，集中分布在大别山生态屏障区，区域地貌类型主要为丘陵，包括浠水县、麻城市和孝昌县3个县市区，面积0.67万km2。该区水资源十分丰富，水产养殖业相对较发达，鱼饲料、鱼饵等的大量投放是该区域农业水污染的重要因素。

3)Ⅱ-畜禽养殖污染型。该类型区农业非点源污染物来源中畜禽养殖所占比例最大，贡献率最高，贡献率在65%以上，分布在湖北省周边山丘区，包括巴东县、利川市和罗田县等11个县市区，面积3.01万km2。该区属于湖北省生猪、奶牛产业基地，畜禽养殖密度大，牲畜散养比例较高，畜禽粪便和污水的任意排放是造成区域农业非点源污染的主要因素。

3.2.2 Ⅲ类水质保护区农业非点源污染类型

1)Ⅲ-农业化肥污染型。该类型区农业化肥在农业非点源污染中占主导地位，贡献率在60%以上，主要分布在山区，包括崇阳县、点军区、远安县、长阳土家族自治县、五峰县5个县区，面积1万km2。该区农业种植业是优势农业产业，农业化肥的过度使用是造成地区农村水环境污染的主要因素。

2)Ⅲ-生活污水污染型。该类型区农村居民生活污染物在污染贡献中所占比例最高，贡献率在62%以上，主要分布在较发达，人口聚集程度较高的地区，主要包括黄石港区、荆州区等19个区，农村生活污水及垃圾的任意排放是造成区域水环境质量下降的主要原因。

3)Ⅲ-水产养殖污染型。该类型区中水产养殖污染贡献在各类污染源中最典型，贡献率在70%以上，主要分布在中部江汉平原区，包括嘉鱼县、咸安区及广水市等10个县市区，面积1.23万km2。该区水产养殖业较发达，水产养殖面积大，饲料、鱼饵的大量使用是该地区农村水环境污染的主要原因。

4)Ⅲ-畜禽养殖污染型。该类型区中畜禽养殖污染贡献最高，贡献率在67%以上，包括天门市、黄陂区等10个市区，面积1.81万km2。该区养殖业发达，是湖北省生猪、奶牛、蛋鸡的主要生产基地，牲畜散养比例较高，畜禽粪便的随意堆放及污水的任意排放是造成区域农业非点源污染的主要因素。

5)Ⅲ-农业化肥-水产养殖污染型。以农业化肥和水产养殖为主的非点源污染类型主要分布在湖北省中部及东部平原及丘陵地区。该区种植业及水产养殖业发达，为国家农产品主产区，化肥及鱼饵等大量的投入是导致区域水环境下降的主要因素。农业化肥、水产养殖污染贡献率在80%以上，包括浠水县、赤壁市等6个县市，面积共计0.80万km2。

6)Ⅲ-农业化肥-畜禽养殖污染型。以农业化肥和畜禽养殖为主的农业非点源污染主要位于湖北省中部江汉平原区。该区农业及畜禽养殖业较发达，为湖北省农产品主产区，同时也是湖北省生猪、蛋鸡、奶牛等主要分布区。导致区域水环境下降主要是由于化肥的过量使用及畜禽养殖业污水的任意排放。农业化肥、畜禽养殖污染贡献率在80%以上，包括京山县、沙洋县等15个县市区，面积共计3.33万km2。

7)Ⅲ-农业化肥-畜禽养殖-水产养殖污染型。以化肥、畜禽养殖和水产养殖为主的非点源污染主要位于湖北省中部江汉平原、东部平原及北部丘陵区。该区农业产业发达，畜禽养殖密度较高，同时也是湖北省水产养殖的主要区域。导致区域水环境下降主要是由于农业化肥的过量使用、畜禽粪便任意排放及鱼饵的大量使用。农业化肥、畜禽养殖和水产养殖污染贡献率在90%以上，包括安陆市、阳新县等9个县市区，面积共计1.71万km2。

3.3 敏感区

根据内梅罗指数评价标准，将Ⅱ类水质保护区划分为不敏感区(Ⅱ1)、轻度敏感区(Ⅱ2)和中度敏感区(Ⅱ3)3个区(图6);将Ⅲ类水质保护区划分为轻度敏感区(Ⅲ1)、中度敏感区(Ⅲ2)、重度敏感区(Ⅲ3)3个区(图7)。

图6 Ⅱ类水质区污染敏感区Fig.6 Sensitive area of pollution in Class-Ⅱ area

图7 Ⅲ类水质区污染敏感区Fig.7 Sensitive area of pollution in Class-Ⅲ area

3.3.1 Ⅱ类水质保护区农业非点源污染敏感区

1)Ⅱ1不敏感区。该区内梅罗指数P在0.23～0.45之间，主要位于鄂西、鄂北、鄂南重点生态功能区，区域生态环境较优，人口聚集程度低，开发程度低，植被覆盖度较高，区域水环境质量较好，基本无污染，主要包括神农架林区、竹山县等12个县区，面积3.49万km2。

2)Ⅱ2轻度敏感区。该区内梅罗指数P在0.74～0.85之间，主要位于鄂西、鄂北山丘区，区域生态环境保护较好，人口聚集程度低，开发程度低，植被覆盖度较高，主要包括丹江口市、秭归县等8个县市，面积2.23万km2。

3)Ⅱ3中度敏感区。该区内梅罗指数P在1.12～1.46之间，主要位于鄂西、鄂北、鄂南重点生态功能区，区域开发程度低，植被覆盖度较高;但该区畜禽养殖及水产养殖密度大，畜禽养殖散养密度大，水产养殖密度大，主要包括浠水县、恩施市等9个县市区，面积2.53万km2。

3.3.2 Ⅲ类水质保护区农业非点源污染敏感区

1)Ⅲ1轻度敏感区。该区内梅罗指数P在0.83～0.97之间，主要位于鄂西山丘区、鄂北丘陵区、鄂南山丘及平原区，区域主要污染源为农业化肥、畜禽养殖及水产养殖，农业开发程度不高，区域生态环境相对较好，植被覆盖度较高，主要包括崇阳县、东宝区和广水市等15个县市区，面积3.29万km2。

2)Ⅲ2中度敏感区。该区内梅罗指数P在1.37～1.89之间，主要位于鄂中、鄂东平原丘陵区，农业开发程度较高，畜禽养殖密度较高，水产养殖遍布，同时也是国家农产品主产区，评价结果符合区域特点，主要包括黄梅县、宜城市等18个县市，面积2.78万km2。

3)Ⅲ3重度敏感区。该区内梅罗指数P在2.09～2.77之间，主要位于鄂中平原及鄂北平原，区域农业开发程度高，农业种植业、畜禽养殖及水产业发达，分布面积大，同时人口密度相对较高，评价结果符合区域特点，主要包括枣阳市、襄阳区等41个县市区，面积4.27万km2。

3.4 控制区划

根据县域水环境功能区、污染类型及敏感区划分结果，将湖北省农业非点源污染划分为2个一级控制分区(表2、图8)，在一级分区下，结合敏感区划分结果，共计划分6个二级分区，最终结合污染类型将研究区划分为23个三级分区。

4 结论

1)湖北省县域水环境功能区可分为Ⅱ类水质保护区及Ⅲ类水质保护区2大区。

2)Ⅱ类水质保护区污染类型划分为3类，污染敏感程度划分为3类;Ⅲ类水质保护区污染类型划分为7类，污染敏感程度分为3类。

3)湖北省农业非点源污染控制区划分为3级，共有2个一级控制分区，6个二级分区，23个三级分区。

表2 湖北省农业非点源污染控制区划Tab.2 Agricultural non-point source pollution control zone of Hubei Province

图8 湖北省农业非点源污染二、三级控制区划图Fig.8 Second and third class control zone of agricultural non-point source pollution in Hubei Province

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