基于输出系数模型的清水河上游农业非点源污染负荷估算

郝桂珍， 宋凤芝， 徐 利*， 朱贵有

(1.河北建筑工程学院市政与环境工程系， 张家口 075000； 2.河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室， 张家口 075000；3.张家口市水务局， 张家口 075000)

当前，流域水环境问题日益突出[1]。欧美一些发达国家通过水污染控制的实践充分认识到了非点源污染的重要性，而中国由非点源污染引起的水环境问题也逐渐显现[2]。20世纪90年代以来，中国环境污染治理转变为以污染源头治理为主，但针对非点源污染的研究工作刚刚起步，尚未全面展开。2007年《第一次全国污染源普查公报》显示农业源总氮和总磷排放量分别占其排放总量的57.19%、67.27%，成为中国水环境污染的重要来源。2022年冬奥会申办成功后，清水河作为张家口市标志性的景观河流担负着展现国家形象的重要作用，而近年来清水河富营养化日益严重，研究表明上游崇礼区农业面源是其主要污染源[3]，因此治理农业非点源污染是改善其水质的一个重要途径。但目前对清水河流域污染源的分析只停留在初步分析方面，没有对污染负荷量及其分布特征展开深入研究。

对污染负荷的计算方法包括统计方法及建立模型的方法。王宪恩等[4]、杨钧雯等[5]分别对东辽河、西氿流域的非点源污染负荷进行了估算及变化规律分析。此外，以非点源污染与土地利用关系为基础的输出系数法也得到了广泛的应用[6]。刘亚琼等[7]利用输出系数模型对北京市农业面源污染负荷进行了估算。现结合清水河流域现状，利用输出系数模型对其农业非点源污染负荷进行分析，从而为面源污染的削减和控制提供一定的决策依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

清水河发源于崇礼区北部与张北交界的桦皮岭南麓，是永定河水系洋河干流的一条主要支流，也是张家口市境内的主要河流，河流全长109 km，流域总面积2 380 km2。清水河上游位于崇礼区境内，全长82 km，流域面积2 082 km2，分为东沟、正沟和西沟三大支流，东沟、正沟于朝天洼村汇入后始称清水河(图1)。

宏哲等[8]对张家口市工业源、生活源和农业源的化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、氨氮排放量进行统计后确定农业源是其水体污染的主要来源。而云晋等[3]对清水河31个监测断面9项水质指标进行监测后确定总氮(total nitrogen,TN)是清水河最严重的污染指标，超标率高达93.5%，且主要污染来源为上游崇礼区农业面源污染。因此，对清水河上游流域TN、总磷(total phosphorus，TP)农业非点源污染的研究与治理是解决清水河水污染的根本。

1.2 输出系数模型

初期的输出系数模型(export coefficient models，ECM)[9]来自20世纪70年代初美国、加拿大在研究“土地利用-营养负荷-湖泊富营养化关系”的过程中提出的“单位负荷测算”的研究思路。Johnes[10]改进了初期输出系数模型的不足，建立了更为规范的经典输出系数模型方程：

(1)

式(1)中：L为总污染负荷量；n为土地利用类型的种类或牲畜、人口等不同的污染来源；Ei为第i种污染物的输出系数；Ai为第i种土地利用类型的面积或牲畜、人口的数量；Ii为第i种污染物的输出量；p为来自降雨的污染物输出量，不考虑此项的影响。

1.3 数据收集与统计

麻德明等[11]为了可视化污染物的空间分布规律和减小估算难度，将地理信息系统(geographic information system,GIS)空间分析技术与数学模型相结合，提出了一种基于流域单元的农业非点源污染负荷的估算方法。基于数字高程模型(digital elevation model，DEM)，利用Arc GIS 10.1软件对清水河上游流域进行水文分析，并将其划分为40个子流域(图1)。各项数据来源及说明如表1所示。

2 输出系数取值及负荷计算

2.1 输出系数取值

输出系数多采用单位时间、单位面积上的负荷量表示，其取值是应用ECM的关键。通过现场调研及查阅文献，将研究区域农业非点源污染来源归结为农业用地、禽畜养殖和农村生活三大类。

2.1.1 土地利用

土地利用数据来源于中国科学院资源环境数据云平台的Landsat遥感影像数据，分为2000、2005、2010、2015年四期，分辨率为1 km。应用ArcGIS软件对影像进行预处理(图2)，并根据土地利用/土地覆盖变化(land-use and land-cover change，LUCC)分类体系将研究区域土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地等5个一级类型和9个二级类型(表2)。

Beaulac等[12]和Frink[13]通过调查不同土地利用方式下的氮和磷输出系数的变化范围，取其平均值作为所研究流域的输出系数。鉴于缺乏研究区域的输出系数的试验数据，因此参考相似自然条件下的其他地区的取值，取其平均值确定。不同土地利用类型的参考输出系数和取值结果如表3所示。

2.1.2 禽畜养殖和农村生活

按照国家环境保护总局发布的污染物排放量的排污系数和物料衡算方法，研究区域禽畜养殖TN、TP的输出系数分别取其推荐的排泄系数的10%，农村生活面源污染物采用其推荐的人口输出系数，其取值如表4、表5所示。

2.2 输出负荷计算

崇礼区地处山地丘陵地区，禽畜养殖业发达，随着近年来产业结构的不断调整，禽畜养殖数量减少，但奶牛、生猪和特种动物养殖仍是其支柱产业[图3(a)]。同时，研究区域所涉多为农业人口，由于经济水平的不断提高，人口数量不断增长，但农业人口比例呈下降趋势[图3(b)]，这符合城市化发展的一般规律，而对城市化背景下非点源污染负荷的研究对水环境综合治理具有重要意义。

按照选用的输出系数，利用ECM计算研究区域TN、TP的非点源污染输出负荷，结果如表6所示。

图3 2000—2015年研究区域禽畜养殖及人口数量变化Fig.3 Variation of livestock breeding and population in the research area from 2000 to 2015

表6 2000—2015年研究区域TN、TP农业非点源污染输出负荷Table 6 Export loads of TN and TP agricultural non-point source pollutants in the research area from 2000 to 2015

3 非点源污染负荷的时空变化特征

3.1 时间变化特征

根据Johnes经典输出系数模型，得出2000、2005、2010和2015年四个时期清水河上游流域3种面源污染来源(土地利用、禽畜养殖、农村生活)、2个污染物指标(TN、TP)的污染输出负荷。如图4所示，研究区域的污染负荷均呈明显的下降趋势，且TN的输出负荷约为TP的9.2～9.8倍；从3种污染来源上看，土地利用是主要贡献源，其次是农村生活与禽畜养殖，且禽畜养殖的污染负荷呈降低趋势。

图4 研究区域TN、TP非点源污染输出负荷Fig.4 Export loads of TN and TP non-point source pollution in the research area

图5 研究区域TN、TP非点源污染来源贡献率及施肥量Fig.5 The contribution rates of TN and TP non-point source pollution and the amount of fertilizer in the research area

由图5(a)可知，不同污染源类型对TP负荷贡献率的影响规律与TN基本相似，土地利用方式是影响非点源污染的关键因素，且其贡献率大小表现为耕地>草地>林地，水域及建设用地所产生的负荷较小。其中，耕地对TN、TP污染负荷的贡献率分别为46.6%～47.9%、42.8%～46.8%，明显高于其他因素，这主要是因为农业生产是该区域主要的人类活动。由图5(b)可知，草地、林地和耕地分别占总面积的36.8%、33.8%和28.5%，是研究区域的主要土地利用类型，因此，大面积的农业种植是造成TN、TP非点源污染负荷的直接原因。分析其成因，研究区域以种植蔬菜等经济作物为主，化肥和农药的高强度施用是影响耕地TN、TP非点源污染产生的主要形式。如图5(b)所示，研究区域化肥施用量呈增加趋势，且氮肥、磷肥、钾肥与施用总量的比例约为1∶0.31∶0.14，根据旱地农作物“三要素”的最佳比例[n(N)∶n(P)∶n(K)=1∶0.32∶0.5,其中n为物质的量]，研究区域的土地利用-化肥施用结构总体上不合理，导致农业化肥成为主要的非点源污染来源。

其次，农村生活和禽畜养殖也是农业非点源污染的重要来源。研究区域包括2镇8乡211个行政村406个自然村，且多数村庄尚未建立完善的污水处理和垃圾清运制度，导致大量直接排放的生活污水和生活垃圾成为非点源污染的重要来源，对TN、TP的贡献率分别为7.4%～10.0%、6.9%～10.0%。此外，随着近年来畜牧业由分散养殖向规模化养殖的转变，禽畜养殖量及污染输出负荷量均呈降低趋势，但其对TN、TP有较高的贡献率11.6%～5.9%、21.0%～9.9%)，因此由传统养殖方式和观念导致的禽畜粪尿污染仍应引起重视。

3.2 空间变化特征

非点源污染负荷强度表示的是单位面积上的污染负荷，是污染分析的重要指标之一[16]。采用Arc GIS叠加分析工具，将研究区域的非点源污染输出负荷与土地利用类型关联，绘制由土地利用造成的TN、TP非点源污染负荷强度的空间分布(图6)。从空间分布上看，不同时段内TN、TP的污染负荷强度分布特征相似，且呈现明显的空间异质性：整体上分布不均，负荷量局部集中，水系两岸坡度较小的平原丘陵区和乡镇聚集区负荷量较高。

污染负荷强度与流域面积、人口密度和产业结构等因子有关。由图6可知，清水河上游东沟、正沟、西沟3条支流水系两岸的平原及丘陵地区TN、TP的非点源污染负荷强度较高，且TN的负荷强度是TP的10倍左右；TN、TP负荷强度依次为耕地>水域>建设用地>草地>林地、耕地>草地>建设用地>水域>林地；低负荷强度区主要分布在耕地较少的水源涵养区。可见，大面积、规模化的农田种植业是造成研究区域农业非点源负荷强度较高的直接原因。蔬菜是崇礼区的富民主导产业，种植面积约占总耕地面积的50%，大部分沿河种植，因此营养物在雨水的淋溶作用下可直接进入河道，并且商品蔬菜的产业化发展进一步增加了农药化肥的施用，使其成为非点源负荷强度较高的主要原因。

除此之外，东沟、正沟、西沟三条支流的高负荷强度区不仅是崇礼区2镇8乡的聚集地，同时也是耕地、草地分布最集中的区域，农业资源丰富，具备禽畜养殖所需的资源、场地、人力等条件，是主要的禽畜养殖基地分布区。因此农村生活及禽畜养殖也会增加清水河支流两岸的负荷强度。

3.3 污染来源分析

根据输出系数模型估算的TN、TP污染输出负荷量、负荷强度及不同污染源的贡献率，分别从土地利用、禽畜养殖和农村生活等角度对研究区域的农业非点源污染来源进行分析。

3.3.1 从土地利用角度

由TN、TP非点源污染负荷的时空分布特征和不同污染源类型的贡献率可知，土地利用是影响研究区域农业非点源污染的关键因素，耕地是其主要输出源；并且非点源污染高负荷区集中分布在清水河支流两岸坡度较小的平原和丘陵区。该区是蔬菜和粮食的集中产区。蔬菜等高收益作物的土地利用强度大，肥料、耕作力等投入强度也相对较大，而马铃薯、玉米、莜麦等传统作物的化肥农药施用量较小。近年来，随着商品蔬菜的产业化，农药化肥施用量逐年增加，但受传统农业生产方式的影响，导致氮肥、磷肥、钾肥的施用不合理，生产过程中化肥农药的利用率仅为20%～30%，未被利用的化肥农药通过地下淋溶或地表径流等方式直接进入河道，成为研究区域TN、TP非点源污染负荷的直接来源。

3.3.2 从禽畜养殖角度

随着现代畜牧业产业结构的不断调整和旅游业的快速发展，奶牛、生猪和特种动物养殖逐渐成为崇礼区的支柱产业；2009年，张家口全市畜牧业实现由分散养殖向规模化养殖转变，舍饲畜牧业发展态势良好。但部分养殖户在扩大规模的同时环保意识淡薄，生产过程污物的随意排放导致粪便中的TN、TP等有机污染物随地表径流或储粪池渗漏污染地表水和地下水，成为非点源污染重要来源。

图6 研究区域TN、TP非点源污染负荷强度空间分布Fig.6 The spatial distribution of TN and TP non-point source pollution load intensity in the research area

3.3.3 从农村生活角度

随着“城乡一体化”进程的加快，人口数量显著增加，大量的生活垃圾、生产垃圾和污水等农村垃圾由于地区分散、人口数量大、收集难等原因成为农村环境治理的重点与难点，并且对周围水环境产生了较大的影响。研究区域内人口、牲畜等主要分布在清水河水系周围，且大部分村庄尚未建立下水系统，人畜污水基本随地势进入地表水或下渗到土壤中；其次，大部分村庄尚未建立完善的垃圾清运制度，生活垃圾和牲畜粪便等产生的污染物被携进入河道，是非点源污染的重要组成部分[20]。

4 流域非点源污染控制对策

(1)改善农业种植结构，合理施用化肥农药。首先调整农业种植结构，避免或减少在河流两岸种植化肥农药施用水平高的作物；其次根据种植结构、土壤肥力、需肥水平等情况合理确定化肥农药的施用量、施用时间及施用方法；最后加强坡耕地的管理和水土保持工作，制定合理的水土保持规划。

(2)改进养殖模式，实现禽畜养殖“零排放”。一方面要解决零散养殖造成的污染问题，引导零散养殖户向规模化养殖小区集中；另一方面要积极引导养殖户进行禽畜粪便等污染物的综合利用，实现污染物处理“资源化、无害化、生态化”。

(3)集中收集农村生活污水，加强固体废弃物管理。一是提高农村垃圾及污水处理等基础设施的建设，早日实现“户分类、村收集、乡(镇)转运、县处理”的城乡一体化处理模式；二是针对养殖废水，加强推广舍饲养殖以改善禽畜粪便的收集与处理。

5 结论

根据对清水河上游流域非点源污染负荷的估算及其时空变化特征研究，得出如下主要结论。

(1)采用Johnes经典输出系数模型，计算2000、2005、2010和2015年4个时期清水河上游流域3种面源污染来源(土地利用、禽畜养殖、农村生活)、2个污染物指标(TN、TP)的污染输出负荷总量，得出TN、TP的污染输出负荷量分别为2 328.9、2 262.3、2 263.9、2 232.4 t/a和253.5、236.0、232.2、226.8 t/a。

(2)2000—2015年，TN、TP的污染输出负荷均呈明显的下降趋势，且前者是后者的9.2～9.8倍；不同污染源类型对TN、TP负荷贡献率的影响规律相似，土地利用方式是最关键的影响因素，并表现为耕地>草地>林地。分析其污染成因，蔬菜等经济作物的种植和农药化肥施用结构的不合理是主要原因；其次，农村生活和禽畜养殖也是农业非点源污染的重要来源。

(3)2000—2015年，TN、TP的污染负荷强度分布特征相似，且呈现明显的空间异质性：整体上分布不均，负荷量局部集中，清水河水系两岸坡度较小的平原丘陵区和乡镇聚集区负荷量较高。TN的负荷强度是TP的10倍左右，其大小分别表现为耕地>水域>建设用地>草地>林地、耕地>草地>建设用地>水域>林地，农业种植是造成农业非点源负荷强度较高的直接原因。

(4)分别从土地利用、禽畜养殖和农村生活等角度对其污染来源进行分析，结果表明耕地，尤其是蔬菜等经济作物的种植是农业非点源污染的主要来源，禽畜养殖及农村生活是非点源污染的重要组成部分。