基于面源污染的松花江下游水质评价

吴玉博 侯保灯 仵峰 肖伟华 宰松梅 郝彩莲

摘要：为服务于三江平原农田大规模开发和区域水资源保护，在农田小区试验的基础上，结合不同污染源机理分析，采用试验与模型相结合的方法，以松花江干流下游为研究区域，对其水质进行现状评价，进而对未来水资源配置格局下的水质状况进行预测。结果表明：现状条件下，松花江干流下游地区农田面源污染物总产生量为氨态氮6560.46t/a、总氮37558.63t/a、总磷14269.00t/a，总入河量为氨态氮328.02t/a、总氮149.11t/a、总磷14.27t/a，松花江干流下游水质综合评价为Ⅲ类，评价结果与监测数据基本相符，精度满足相关要求；基于未来水资源配置格局计算农田退水量，预测各断面未来的污染物浓度，与现状计算结果相比，各个指标浓度虽然稍有增高，但其水质仍然为Ⅲ类，表明未来水资源配置格局对松花江干流下游水质影响有限。

关键词：面源污染；产生机理；小区试验；水质评价；松花江下游

中图分类号：X131.2；TV882.6 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.015

三江平原农牧业发达，是我国重要的商品粮、畜产品生产基地之一[1]。近年来，人口增长、城市规模扩大和农牧业迅速发展，使松花江干流水质受到不同程度的影响[2]。研究表明，农田面源污染是导致水污染的主要原因之一[3]。随着三江平原大面积农田开发，化肥的施用量逐年上升，由此产生的农田面源污染负荷所占比重逐年增加。有效监测和防治农田面源污染，对三江平原地区的水资源管理和松花江水环境保护具有重要作用。

20世纪70年代以来，国内外学者针对面源污染展开了深入的研究[4-5]，研发了许多经验模型，以及以污染物产生、迁移、转化机理为基础，兼顾不同时空尺度、具有物理机制的分布式面源污染模型[6-7]。这些模型的研发及完善，促进了农田非点源污染的定量化研究，但模型参数需要大量的信息来确定，这对于资料匮乏的大流域来说是不现实的。2006年，松花江流域被纳入国家“十一五”重点治理流域规划，相对点源污染来说，对该流域面源污染产生机理和变化规律的研究有待深入[8]。污染过程、污染机理等尚不明晰，使得研究成果难以应用于生产实践，成为制约我国面源污染控制的重要因素。

本研究利用不同坡度、坡长、耕作措施、植物覆盖措施的小区试验资料和8次天然降雨资料，推求农田面源污染物的产生特征参数，运用降雨量插值法估算农田面源污染负荷，进而利用输出系数法估算农田面源污染物的产生量和入河量，对松花江干流下游进行水质评价，并基于未来水资源配置新格局进行松花江下游水质预测，以期为该区域的水资源可持续利用提供客观依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

以松花江干流下游黑龙江省佳木斯市至同江市沿岸为研究区，该区处于三江平原东北部。基于1985-2014年多期土地利用遥感影像和GIS分析技术，从土地资源属性的角度统计耕地、水域（湿地）、居民和工矿用地、林地、草地、未利用地等各类型土地面积，确定研究区的农田总面积为218680hm2。从土地资源的角度出发，从上游到下游选取佳木斯、富锦、同江3个断面进行研究，各断面间（河段）主要农业、工业污染源基本参数见表1。

评价范围内17个灌区的退水均进入松花江干流，据统计，多年平均退入松花江的水量为14456.07万m3/a。根据研究需要，2015年7月（丰水期）开展了一次水质现状监测评价，监测项目主要有氨态氮、总磷、总氮等，结果见表2。

1.2 小区试验与取样

在松花江下游地区选择传统顺坡垄作、少耕、免耕、横坡垄作、植被覆盖5种代表性耕作制度的典型地块，设置试验小区，各代表性小区所实施的耕作制度均已保持3a以上，每种耕作模式设置3个重复试验小区。2014年7-8月，开展了8次天然降雨下农田面源污染物产生特征试验。

降雨过程中，收集雨水样300mL；在实际灌溉退水过程中，进行不定期取样，每个径流小区取泥沙样约40g；为了研究氮素和磷素在耕层垂直渗漏的特征，降雨前采集坡长试验区的0～10cm和0～3mm的表层土壤样品，密封保存新鲜土样。

采用流速仪测量田间灌溉水量，水样TN和TP分别运用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法来测试，NH4+-N运用纳氏试剂光度法测试。

2 污染负荷定量评价方法

2.1 面源污染

研究表明，东北地区特别是粮食高产区存在化肥过度施用情况，农业面源污染是东北地区水环境恶化的主要因素[9]。在分析农田面源污染物产生机理的基础上，采用降雨量差值法估算农田面源污染负荷，利用输出系数法估算农田面源污染物的产生量和入河量。

2.1.1 降雨量差值法

有关研究表明，农田非点源污染负荷与降雨量密切相关[10]，只有在发生暴雨并产生地表径流时流域的污染才由點源和非点源组成，在晴天或不产生地表径流的雨天只有点源污染[11]。计算时，考虑到每年的点源污染较为稳定，将点源污染负荷设为一常数[9]，于是可得到任一场次降水产生的污染负荷：

L=Ln+Lp=f（R）+C（1）式中：L为出口断面总负荷；Ln为农田面源污染负荷，Ln=f（R），R为降雨量；Lp为点源污染负荷，Lp=C，C为常数。

任意2场（或任意2a）降水污染负荷之差，可通过建立污染负荷差值与降雨量差值之间的相关关系来估算：

L1-L2=f（R1）-f（R2）（2）

2.1.2 输出系数法

针对东北地区非点源污染的特点，将水土流失与非点源污染结合起来进行分析，在计算时考虑流域降雨和水土流失的影响，农田面源污染负荷用下式表示：

LA=λ{αEA[AA （IA）]+P}（3）其中：

α=Mi/M

Mi=f（Pi）

λ=1/（1+aqb）（4）式中：LA为农田面源污染物产生量；λ为流域损失系数；α为降雨影响系数；P为降雨输入的营养物数量；EA为农田营养物输出系数；AA为农田类型面积或排泄物投入农田的牲畜数量、人口数量；IA为面源污染物产生量；Mi为第i年流域面源污染负荷；M为流域多年平均面源污染负荷；Pi为第i年降雨输入的营养物数量；P为流域多年平均降雨输入的营养物数量；q为流域年径流模数；a、b为参数，由非线性回归法确定。

2.1.3 河流污染物浓度扩散计算方法

计算公式为式中：Cx为流经x距离后的污染物浓度；x为河长；C0为初始断面的污染物浓度；μ为设计流量下河道断面的平均流速；K为污染物综合衰减系数。

2.2 点源污染

在计算农田非点源污染负荷的同时，考虑工业和生活污染等点源污染负荷。

工业污染负荷是根据水利普查和实地调查分布在研究区内的排污口达标排放的入河排污量得到的。

生活污染负荷是根据研究区人口数量和国家环保部推荐的源强系数计算得到的，氨态氮的产污系数为4.0g/（人·d）、总氮的为5.0g/（人·d）、总磷的为0.44g/（人·d）。入河系数采用水资源综合规划成果，氨态氮、总氮和总磷分别取0.05、0.09和0.10。

3 结果与讨论

3.1 面源污染参数

采用降雨量差值法估算流域农田面源污染负荷，采用输出系数法并参照环保部推荐的源强系数和第一次污染源普查制定的肥料系数手册，确定农田污染物的源强系数和入河系数，见表3。

3.2 现状水质评价

根据降雨量差值估算法和输出系数法计算得到的源强系数和入河系数，估算的松花江下游地区农田非点源污染物的产生量和入河量见表4。

把2015年佳木斯断面监测数据作为本底值，运用河流纳污能力计算方法，计算下游2个断面6-8月氨态氮、总氮、总磷的浓度，见表5。

表5中的数据表明，计算结果虽然有一定误差，但仍有较高精度，即上述分析方法可行。产生误差的主要原因：一是小区参数应用到灌区过程中，存在尺度效应，下一步应加大不同面积的试验；二是磷的误差小，与磷的化学性质有关，磷比较稳定，变化比较慢；三是氨态氮和总氮误差相对大些，原因是氨态氮不稳定，随水流运动和时间变化而变化，此外河道内可能存在新的氮源（汇入河道中生物、淤泥等），影响了计算结果，这也是今后研究中应注意的问题。

根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），对所选研究区进行了水质评价，评价结果为松花江干流下游水质属Ⅲ类，见表6。

3.3 未来水资源配置格局下的水质预测

研究区现有耕地面积218680hm2，以水田为主，有部分旱田。未来水资源配置格局为规划灌溉面积305779hm2，将现有的旱田改为水田。运用上述方法对未来水资源配置格局下的水质状况进行预测。

基于未来水资源配置格局下得到的退水量，计算研究区农田面源污染物的产生量和入河量，结果见表7。

把2015年佳木斯断面监测数据作为本底值，运用上述方法，对未来水资源配置格局下下游2个断面6-8月氨态氮、总氮、总磷的浓度进行预测，结果见表8。

表8与表5对比表明，耕地面积增加导致各水质指标浓度有所增大，但水质仍然符合Ⅲ类标准。

4 结论

（1）对于松花江下游地区各灌区来说，农田的坡度、坡长、耕作措施等不同，产污类型和数量也不同。农田非点源污染物的入河量与农田污染物产生量、降雨特性、水土流失状况等因素有关。数据的确定由田间小区试验和面源污染产生机理、水土流失规律研究作支撑。

（2）采用试验与模型相结合的方法研究面源污染产生机理，计算松花江下游地区农田面源污染物的产生量为氨态氮6560.46t/a、总氮37558.63t/a、总磷14269.00t/a，入河量为氨态氮328.02t/a、总氮149.11t/a、总磷14.27t/a。

（3）各断面氨态氮、总氮、总磷浓度计算结果与监测数据相比，具有一定的精度，得出的松花江下游水质为Ⅲ类与实际情况相符，证明此研究方法是可行的。

（4）基于未来水资源配置格局得到的退水量和农田面积，计算研究区农田面源污染物的产生量和入河量，将得到的各断面氨态氮、总氮、总磷的浓度预测结果与现状情况下的计算结果相对比，各指标浓度虽然稍有增大，但新格局下水质仍然为Ⅲ类，说明未来水资源配置格局是行之有效的。农田面源污染相关参数的确定，可以为区域水资源管理、粮食生产以及施肥量的确定提供数据支撑。

参考文献：

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