四川省茫溪河流域非点源污染负荷研究

杨立梦，付永胜，高红涛

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610000;2.重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045)

目前，点源污染问题已得到一定控制，而非点源污染成为水环境质量恶化的重要污染源。研究发现，30%～50%的地球地表水体已受到非点源污染［1］。非点源污染由于量大面广，危害规模大，防治较为困难，已成为水体污染的主要原因。大量泥沙、氮磷污染物进入水体，破坏水生生态环境平衡，导致水体富营养化、水质下降，不仅对生活生产用水造成影响，而且对人体健康也有较大危害［2］。因此，研究非点源污染的来源、输出负荷和入河负荷，并据此制定控制对策和防治措施具有重大意义。

本文以茫溪河流域为研究区域，首先采用Johnes的输出系数模型对茫溪河流域土地利用、畜禽养殖和农村生活三大非点源污染源的总氮输出负荷进行估算，并采用改进后的输出系数模型对三大非点源污染源总氮入河负荷进行估算，根据估算结果对茫溪河流域非点源污染进行分析，探究流域非点源污染的主要污染源，为流域非点源污染的防治规划和措施制定提供科学依据。

1 研究流域概况

茫溪河属岷江水系下游左岸的一级支流，分东西两源，主要流经井研县千佛镇、三江镇、马踏镇和王村镇等15个乡镇，经井研县王村镇舒金滩进入五通桥区，最终汇入岷江。茫溪河是井研县的主要河流，流域面积约393.35 km2。本文研究对象为井研县境内茫溪河，以下简称“茫溪河流域”。井研县隶属于乐山市，2011年末总人口为293 942人，其中农业人口约218 972人，占总人口的74.49%。茫溪河(井研县)流域耕地面积19 374.01 hm2，占土地总面积的39.1%，林地面积14 135.47 hm2，占土地总面积的28.5%，交通用地、水域和城镇村用地面积分别为2 532.27，3 546.13，5 508.07 hm2，分别占土地总面积的5.1%，7.2%和11.1%，其他土地面积为4 444.66 hm2，占土地总面积的9.0%。流域多年平均气温为17.2℃，日降水量大于250 mm的大雨日为10.6 d，降雨量集中在夏秋两季，占全年的79.7%，8月降水量占全年的23.95%。

2011年茫溪河流域牛存栏量约为1 000头，猪出栏量约为461 300头，羊存栏量约为12 749头，家禽出栏量约为4 643 000只，兔出栏量约为3 375 800只。规模化养殖场畜禽养殖数量为145 200头或只。

2 研究方法

2.1 非点源总氮输出负荷估算

对于非点源污染负荷估算研究，目前大多采用非点源污染机理模型，定量描述流域内复杂的产污过程。但由于流域内复杂的环境条件，对基础数据和技术手段要求较高，而且因模型本身存在的局限性，其误差不容忽视［3］。输出系数模型对自然资料要求较少，它以与非点源污染关系密切的土地利用为基础，具有一定精度，在我国具有广阔的应用前景［4］。针对初期输出系模型的输出系数固定不变而导致的计算误差问题，Johnes的输出系数模型对不同的土地利用类型、畜禽种类采用了不同的输出系数，并在实际应用中加入了人口等因素的影响，使输出系数更为细致、完备，模型方程［5］如下:

式(1)中:L为污染物在研究流域内的输出负荷(kg/a);Ei为研究流域内第i种污染源的输出系数，主要分为各种土地利用类型的输出系数(kg/(hm2·a))、畜禽和人口的输出系数(kg/(ca·a));Ai为第i种污染源，分别为各种土地利用类型的面积(hm2)、畜禽数量和人口数量(ca);Ii为在研究流域内第i种污染物的输入量;n为流域中土地利用类型的种类或畜禽、人口。

2.2 非点源污染总氮入河负荷估算

由于不同年份的降雨对非点源污染产生过程有影响，降雨量、降雨强度越大，所产生的降雨径流越大，对下界面冲刷作用越大，因此对输出系数影响较大，并且在污染物随着径流、排水沟渠等向流域出口的受纳水体输移、汇集过程中，由于土壤和植被的截留、地下渗漏、生化反应、泥沙吸附等因素影响，污染物不可能全部到达流域出口。因此，本文引入降雨径流影响系数和入河系数λ建立改进的输出系数模型，见式(2)。式(2)考虑了降雨径流影响系数和入河系数对流域非点源污染输出系数、流域出口断面非点源总氮入河负荷的影响，包括从非点源总氮输出到实际入河。

式(2)中:L为流域出口断面非点源总氮入河负荷(kg/a);λ为入河系数;α为降雨径流影响系数。

3 结果与讨论

3.1 输出系数的确定

根据茫溪河流域主要非点源污染源情况，将输出系数分为农村生活、畜禽养殖和土地利用。城镇村用地大部分污染物输出与农村生活污染物输出重复，交通用地和其他用地的面积较小，无明显、大量污染物输出，因此不考虑其输出系数。

3.1.1 农村生活非点源总氮输出系数

茫溪河流域农村生活非点源污染主要为日常生活污水和人粪尿输出的污染物负荷量。参考《全国饮用水水源地环境保护规划》推荐参数，人均日排出生活污水中总氮含量为5 g/d，同时参考高祥照《肥料实用手册》［6］对人粪尿的研究可得，人均年排放粪、尿分别为113.7和579.3 kg，粪、尿中氮含量分别为0.64%和0.53%。人粪尿约有一半左右用于农业生产造成非点源污染(其余的视为点源污染)，但是作为肥料的人粪尿并非完全进入地表水体，这是因为一部分人粪尿会被农作物吸收，另一部分则进入地下水系统，因此需考虑人粪尿的流失率。通过查阅文献［7］，其流失率按经验值21.9% 计算。茫溪河流域内大部分农村生活污水没有统一的收集和处理设施，流失率接近100%。综上所述，茫溪河流域农村生活总氮输出系数见表1。

表1 农村生活总氮输出系数kg/(ca·a)

3.1.2 畜禽养殖非点源总氮输出系数

畜禽养殖的总氮输出系数确定较为复杂，与畜禽种类、饲养周期和饲料等因素相关，但鉴于不同地域间差异相对较小，因此可通过查阅文献得出各类畜禽粪尿的排泄系数和畜禽粪尿中总氮的含量，并结合当地实际情况，考虑畜禽粪尿的流失率，从而确定输出系数。

不同畜禽饲养周期、排泄量不一样，参考《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查技术报告》及王方浩等［8］对畜禽粪便日产生量的相关研究，可得出牛、猪、羊、家禽和兔的粪尿排泄系数，见表2。

表2 畜禽粪尿排泄系数

畜禽粪尿年产生量计算公式为:①每头(只)畜禽粪年产生量=饲养期×个体日产粪量;② 每头(只)畜禽尿年产生量=饲养期×个体日产尿量。在计算畜禽粪尿年产生量时，牛、羊按生长期365 d计算，猪按实际饲养期199 d计算，家禽按实际饲养期60 d计算，兔按生长期90 d计算［9］。

畜禽粪尿总氮年产生量计算公式为:每头(只)畜禽总氮年产生量=每头(只)畜禽粪年产生量×畜禽粪中总氮含量×10-3+每头(只)畜禽尿年产生量×畜禽尿中总氮含量×10-3。

根据《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查技术报告》对畜禽粪尿中总氮含量的研究，可得出畜禽粪尿的总氮年产生量，见表3、4。

表3 畜禽粪尿中的总氮含量 kg/t

表4 畜禽粪尿的总氮年产生量 kg/(ca·a)

产生的畜禽粪污部分会随径流流失或直接排入水体。参考类似地区的文献资料，一般认为，畜禽粪便污染物流失率为2% ～9%，液体污染物约为50%［10］。茫溪河流域的规模化养殖场有规范的粪污治理设施，对畜禽废渣以回收等方式处理，污染物流失量约为产生量的12%。对于适度规模养殖户和农户散养，通过查阅文献资料［11］并结合当地实际情况，粪便总氮污染物流失率取7%，液体总氮污染物流失率取50%，从而得出畜禽养殖总氮输出系数，见表5。

表5 畜禽养殖总氮输出系数kg/(ca·a)

3.1.3 不同土地利用方式总氮输出系数

茫溪河流域耕地以粮食种植为主，作物有水稻、玉米、小麦和薯类等，其中水稻分布较广，占耕地总面积的51.67%。根据庄咏涛［7］研究，由于氮在自然界中循环转化，氮的输入和输出应该是平衡的，即氮输入量等于氮出量。针对耕地来说，氮输入主要包括化肥施用、干湿沉降和植物固氮等，而其输出主要为农作物吸收、地表径流损失、挥发和下渗等，在氮输入过程，化肥施用中的氮肥(折纯)输入量占总输入氮量的比例大，是农业生态系统的最主要氮源，在氮输出过程，地表径流损失的氮量实际上可视为耕地总氮输出系数［7］。由此，可通过折算氮肥(折纯)的输入量和径流流失率得出耕地总氮输出系数。

对于林地来说，茫溪河流域林地总氮输出系数研究较少，可参考类似地区输出系数。根据文献［12］对热点流域总氮输出系数的总结研究，其中长江中上游林地的总氮输出系数为1.46～6.79 kg/(hm2·a)，平均值为3.58 kg/(hm2·a)，与文献［13］对四川白鹿河流域确定的林地总氮输出系数基本一致。文献［7］研究表明，同一流域的输出系数值在几年内的变化很小，基本不会改变，因此可与其他相似流域近几年的输出系数值对比。对比白鹿河流域和茫溪河流域，及长江中上游流域研究文献［14］，最终确定林地的总氮输出系数为2.83 kg/(hm2·a)。

根据水域和其他用地的氮输入和氮输出量，总氮输出系数主要按照氮的干湿沉降量考虑，参考文献［15］和文献［16］研究，确定水域和其他用地的总氮输出系数分别为15.00，11.00 kg/(hm2·a)。

表6 茫溪河流域不同土地利用方式总氮输出系数kg/(hm2·a)

3.1.4 降雨径流影响系数α

根据梁常德［15］建立的降雨径流系数的方法及2009—2013年茫溪河流域出口断面爱国桥水文水质资料，可得出降雨径流影响系数α，计算公式如下:

式(3)和(4)中:α为降雨径流影响系数;Li，L分别为流域内第i年降雨径流非点源负荷量和多年平均降雨径流非点源负荷量;Qi，分别为流域内第i年年降雨径流量和多年平均降雨径流量;QT，i为第i年流域出口断面年径流量;Qg，i为第i年流域出口断面年基流量为流域出口断面多年年均径流量为流域出口断面多年年均基流量。

表7为流域出口断面实测值及2009—2013年降雨径流影响系数α。由表7可知，2009—2013年总氮年径流负荷量变化较大，而基流量各年变化较小，可以看出流域出口断面的总氮污染负荷受年降雨径流量影响较大，其污染负荷主要是来自降雨径流产生的污染负荷(即非点源污染负荷)。

表7 流域出口断面实测值及降雨径流影响系数

3.1.5 入河系数λ

按照距离河道的远近，茫溪河流域15个乡镇可分为3种类型:A类:茫溪河干流流经的乡镇，分别为大佛乡、金峰乡、研城镇、千佛镇、三江镇、马踏镇和王村镇，修正系数为1.2;B类:茫溪河支流流经的乡镇，分别为研经镇、东林镇、高滩乡、胜泉乡、黄钵乡和磨池镇，修正系数为1.0;C类:没有河流或较小支流流经的乡镇，为集益乡和竹园镇，修正系数为0.8。参考文献［17］中的入河系数乘以修正系数，最终得到茫溪河流域农村生活、畜禽养殖和土地利用的总氮入河系数，见表8。

表8 茫溪河流域总氮入河系数

3.2 非点源污染总氮输出特征分析

图1为茫溪河流域各乡镇农村生活、畜禽养殖和土地利用三大非点源污染源的估算结果。由图1可知，2011年茫溪河流域非点源总氮输出负荷为1 852.2 t，其中畜禽养殖、农村生活和土地利用的非点源总氮输出负荷分别为802.43，582.47和467.30 t，对非点源总氮输出的贡献率分别为43.32%，31.45%和25.23%。在各土地利用类型中，耕地输出贡献率为17.82%，林地输出贡献率为2.16%，水域输出贡献率为2.87%，未利用地输出贡献率为2.38%。由此可知，畜禽养殖是非点源总氮输出的主要来源，其次为农村生活和耕地。

图1 各非点源污染源总氮输出负荷

耕地输出贡献率在各土地利用类型中最大，原因可能在于耕地面积较大，约为19 374.01 hm2，占土地总面积的39.1%。同时许多乡镇对耕地农作物施肥，相对于其他土地利用类型输入的氮较多。当地地形为丘陵、平坝，随着降雨输出的单位面积污染负荷远高于其他土地利用类型。林地面积较大(约为14 135.47 hm2，占土地总面积的28.5%)，但林地的非点源总氮输出负荷为40.03 t，对非点源总氮输出的贡献率最小，为2.16%，原因可能是林地植被能吸收输入的氮，同时因植被覆盖率较大减少了水土流失，对氮的流失起到一定的截留作用［18］。因此，在耕地中适当栽种林木可有效降低非点源污染输出，这与文献［19］研究结果一致。

畜禽养殖和农村生活是茫溪河流域非点源污染的主要原因，应加强控制这两方面的非点源污染物输出，其次应对耕地化肥施用和径流污染物输出采取措施。

图2为各乡镇非点源总氮输出贡献率。由图2可知，各乡镇畜禽养殖对非点源总氮输出贡献率为36.43% ～50.02%，农村生活输出贡献率为21.91% ～37.67%，耕地输出贡献率为12.78% ～21.96%，其余土地利用类型输出贡献率为0.40%～10.11%。由此可知，各乡镇非点源总氮输出负荷主要来自于畜禽养殖、农村生活和耕地。畜禽养殖输出贡献率最大的为集益乡，输出负荷为62.57 t，表明集益乡的非点源污染主要来自畜禽养殖;农村生活输出贡献率较大的为磨池镇，输出负荷为22.23 t，表明磨池镇的非点源污染主要来自农村日常生活产污;耕地输出贡献率较大的为黄钵乡，输出负荷为25.98 t，表明黄钵乡的非点源污染主要来自耕地产生的总氮流失。

图2 各乡镇非点源总氮输出贡献率

3.3 非点源污染总氮入河特征分析

图3为茫溪河各非点源污染源总氮入河负荷。由图3可知，2011年茫溪河流域非点源总氮入河负荷为128.76 t，占总氮输出负荷比例为6.95%。农村生活、畜禽养殖和土地利用的贡献率分别为28.32%，41.27%和30.41%。各土地利用类型中，耕地的贡献率较大，为21.44%，其余土地利用类型贡献率较小。由此可知，畜禽养殖、农村生活和耕地是总氮入河的主要来源。

由图4各乡镇非点源总氮入河负荷可知，非点源总氮入河负荷最大的5个乡镇分别为千佛镇、马踏镇、王村镇、研经镇和研城镇，对该流域非点源总氮入河的贡献率达到46.61%。非点源总氮入河负荷较大的乡镇大部分均在茫溪河沿岸。非点源总氮入河负荷较小的乡镇为磨池镇、胜泉乡，非点源总氮入河负荷分别为3.82，5.05 t，对茫溪河流域非点源总氮输出的贡献率分别为2.30%，3.92%。磨池镇和胜泉乡非点源总氮输出负荷较小，且均未位于茫溪河沿岸，因此进入茫溪河出口断面的入河负荷较小。

图3 各非点源污染源总氮入河负荷

图4 各乡镇非点源总氮入河负荷

3.4 模型计算入河负荷与实测值比较分析

2011年流域出口断面总氮年径流负荷量为151 721.66 kg，2011年流域出口断面总氮年基流负荷量为38 271.24 kg，由流域出口断面总氮年径流负荷量减去总氮年基流负荷量可得到流域出口断面非点源总氮年负荷量。该结果可近似看做流域出口断面的非点源总氮实测值，与改进的输出系数模型得出的入河负荷进行比较分析。模型估算的入河负荷与流域出口断面实测值相对误差较小，为13.49%，模型模拟效果良好。

表9 2011年茫溪河流域出口断面非点源总氮入河负荷估算

4 结论

1)2011年茫溪河流域非点源总氮输出负荷为1 852.2 t。输出负荷最大的5个乡镇分别为研经镇、千佛镇、马踏镇、王村镇和研城镇，对该流域非点源总氮输出的贡献率达到43.52%。

2)各非点源污染源中，畜禽养殖、农村生活和土地利用的非点源总氮输出负荷分别为802.43，582.47和467.30 t，对非点源总氮输出的贡献率分别为43.32%，31.45%和25.23%。在各土地利用类型中，耕地输出贡献率为17.82%，林地输出贡献率为2.16%，水域输出贡献率为2.87%，未利用地输出贡献率为2.38%。由此可知，畜禽养殖是非点源总氮输出的主要来源，其次为农村生活和耕地。

3)2011年茫溪河流域非点源总氮入河负荷为128.76 t，与流域出口断面非点源总氮实测值相对误差为13.49%，模型模拟效果良好。入河负荷最大的5个乡镇分别为千佛镇、马踏镇、王村镇、研经镇和研城镇，对该流域非点源总氮入河的贡献率达到46.61%。各非点源污染源总氮入河贡献率中，农村生活、畜禽养殖和土地利用的贡献率分别为28.32%，41.27%和30.41%。各土地利用类型中，耕地的贡献率较大，为21.44%，其余土地利用类型贡献率较小。由此可知，畜禽养殖、农村生活和耕地是总氮入河的主要来源。

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