海河流域邯郸境内农业非点源污染估算与解析

齐拴旺，王自群，邢红霞，高五洲，马保国*

(1.河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056000； 2.邯郸市大名县农业农村局，河北 邯郸 056900；3.邯郸市永年区农业农村局，河北 邯郸 057150)

目前，在我国环境污染方面，农业的贡献率已超过工业。第二次全国污染源普查显示[1]，2017年中国农业污染源(包括农村生活源)中COD、TN和TP的排放量分别占当年各污染物排放总量的73%、61%和79%，远高于工业污染，对我国水环境影响日益显著。美国、欧洲国家的研究已经表明，影响水环境的重要原因是非点源污染，尤其是农业非点源污染[2-4]。2015年以来，国家相关部委密集出台了一系列规划和文件[5]，开启了农业非点源污染防控攻坚战。

农业非点源污染源多样、分散且隐蔽，污染发生和传播具有随机性和复杂性，不像点源污染一样有明确的排污口，因此很难准确的监测和定量计算。近年来，农业非点源污染负荷估算有很多研究[3,6-8]，可分为模型法和经验系数法两大类。Zhu等[9]采用ITO3dE模型和GIS耦合对重庆市非点源污染进行分析，冯麟宇等[10]采用SWAT模型对泗合水流域非点源污染进行解析，通常模型法需要高基础数据，所涉及的参数很难校准和验证。而经验系数法相对简单，参数少，估算结果具有一定准确性。宋嘉等[11]采用经验系数法对丹江流域陕西段农业非点源污染负荷估算，Tao 等[12]基于输出系数法对白洋淀流域潜在农业非点源污染估算TN、TP、COD和NH3-N的排放量。

本文以低成本、快速简单，保证一定精度的角度，采用输出系数法估算农业非点源污染，利用等标污染负荷法对邯郸市农业非点源污染进行评价和解析，通过ArcGIS技术对研究区进行污染风险等级划分，使用聚类法将研究区污染类型进行区域划分，确定研究区内污染风险高的地区为严格监管区，为未来农业非点源污染防控提供参考和指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

邯郸位于河北省南端，与山东、河南和山西三省接壤，地处华北平原，海河流域南部。邯郸地势西部高东部低，海拔最高1 898.7 m，最低32.7 m，西部多为山区，东部为平原。邯郸市属暖温带大陆性季风气候，四季分明，雨、热和光条件好，全年无霜期200 d，年日照2 557 h，年平均降雨539.4 mm，年平均气温13.5 ℃，是河北省重要的农作物产区。

1.2 数据来源

研究中所用基础数据包括农业人口、猪、羊、牛和家禽的数量、化肥施用量和降雨量(表1)，数据来源于《2019年邯郸市农业统计年鉴》和2014—2019年《水资源公报》以及问卷调查和实地调研，邯郸市数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所，精度为30 m。基于DEM数据，通过GIS导出土地利用面积和山区占比数据。调查以县(市、区)为基本对象。

表1 各区县基础数据Tab.1 Basic data of districts and counties

1.3 研究方法

1.3.1 ArcGIS水文分析法

DEM地表水文分析是指利用ArcGIS中水文分析工具提取河流流向、汇点(洼地)、汇流累积量(阈值设置为400 000较为合适)、分水岭、河流网络以及流域分割等[13-14]。

1.3.2 各污染源输出系数法

采用输出系数法估算各污染源污染物排放量，估算公式如表2。

表2 各污染源污染物排放量估算公式Tab.2 Estimation formula of pollutant emission from various pollution sources

化肥施用量采用统计年鉴中的折纯量，TN、TP用量分别为氮肥用量+0.3倍复合肥用量+0.185倍磷肥用量、0.3倍磷肥用量+复合肥用量，NH3-N用量为0.1倍TN用量，TN、TP、NH3-N流失系数分别为0.2、0.15、0.2[13]。根据《全国水环境容量核定技术指南———污染源调查》，结合研究区实际情况并查阅2019年水资源公报，取旱地和水田COD流失系数分别为425.25和1 818.19 kg/(hm2·a)，其入河系数为0.05[15]。

由于缺少羊和兔的污染物流失系数，依据2003年实施的《禽畜养殖业污染物排放标准》，将羊和兔饲养量折算成猪的数量[13,16-17]。根据畜禽饲养周期来确定饲养数量为出栏量还是存栏量，入河系数为0.29。农村居民人均污染物COD、TN、NH3-N、TP年排放系数分别取14.60、1.83、1.46和0.16 kg/a[13]。

1.3.3 等标污染负荷法

等标污染负荷法是指在相同水质标准下通过比较介质量，对研究区的非点源污染进行空间分析，见式(1)：

Li=∑Lik=∑Rik/Ci

(1)

式中：Li为污染物i的总负荷，×106m3/a；Ci为污染物i的评价标准，GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类水质标准，mg/L；Lik为污染源k中污染物i的负荷，×106m3/a；Rik为污染源k中污染物i的入河量，t/a。

由于各地区的面积不同，等标污染负荷只能反映一个地区污染物放排量的大小，无法反映一个地区污染强度大小，引入等标污染强度指标[18]，以便于全面评价农业非点源污染，见式(2)：

Ti=ΣTik=ΣLik/Ai

(2)

式中：Ai为污染物所在地面积，km2；Tik为污染源k中污染物i的污染强度，×106m3/(km2·a)；Ti为污染物i的污染强度，×106m3/(km2·a)。

等标负荷比，见式(3)：

Wik=Lik/Li×100%

(3)

等标污染强度比，见式(4)：

Sik=Tik/Ti×100%

(4)

1.3.4 聚类分析法

本研究针对邯郸各县的化肥流失、畜禽养殖和农村生活等三个污染源的等标污染强度采用SPSS中系统聚类进行聚类分析，对邯郸市非点源污染进行污染类型划分。

2 结果与讨论

2.1 污染物排放量估算

2019年海河流域邯郸境内各县区化肥流失、畜禽养殖和农村生活污染源中COD、TN、TP和NH3-N污染物排放量采用输出系数法计算结果(表3)。其中污染物排放量从大到小排序：COD>TN>NH3-N>TP，COD排放量最大，占比高达82.88%。这与胡芸芸等[2]研究沱江流域时结果相似。本文估算结果与南方地区的研究有些偏差，是因为南方地区降雨充足，污染物流失系数大。TP排放量主要源于化肥流失，占比达68.81%，COD、TN和NH3-N排放量主要源于畜禽养殖，占比分别为42.00%、44.51%和63.69%。化肥流失、畜禽养殖和农村生活等污染源贡献率分别为30.76%、43.32%和25.91%。朱梅等[15]对2007年海河流域非点源污染进行了估算，其中2007年河北省农业非点源污染物COD、TN、TP排放量分别为343 559、43 583、4 634 t。与本研究在单位耕地面积非点源污染排放量在同一量级上，估算结果具有一定合理性。

表3 各县区不同污染源COD、TN、TP和NH3-N污染物排放量Tab.3 Emissions of COD, TN, TP and NH3-N pollutants from different pollution sources in each county

2.2 等标污染法评价

2.2.1 污染物等标污染负荷特征

“有河皆干，有水皆污”是海河流域的真实写照，是中国水污染最严重的流域，邯郸市是海河流域非点源污染严重的八大城市之一[15]。由表4知，2019年海河流域邯郸农业非点源污染等标排放量由大到小排序为：TP>TN>NH3-N>COD，等标污染负荷比分别为33.08%、29.67%、22.92%和14.33%，可知TN和TP污染物是主要污染物，这与张梦婕等[19]对邯郸市面源污染调查与估算结果相似。同样Tao等[12]研究白洋淀流域时认为农业面源TN为主要潜在污染物。

表4 各县区不同污染源COD、TN、TP和NH3-N污染物等标排放量及贡献率Tab.4 Contribution rates of COD, TN, TP and NH3-N pollutants from different pollution sources in each county

邯郸市农业非点源污染主要来源于畜禽养殖和化肥流失，负荷比分别为41.97%、38.72%。化肥流失污染对TP贡献率、畜禽养殖污染对NH3-N贡献率均超过总量一半以上，各污染源对COD和TN的贡献率较为平均。张宝中等[20]在研究漳河上游流域时得出相似结论。同时，王磊等[21]研究表明京津冀地区化肥和畜禽粪尿高污染地区分布广泛。因此在海河流域农业非点源防控中应重点关注畜禽养殖和化肥流失污染源以及TN和TP的排放。

2.2.2 不同污染物及污染源贡献率空间分布特征

利用ArcGIS中反距离权重插值法以各县区中心点的COD、TN、TP和NH3-N等标污染强度值进行插值绘制各污染物等标污染强度空间分布图，再叠加各县区化肥流失、畜禽养殖和农村生活污染源等标污染强度比3D柱状图。通过图1可以看出，COD、TN和TP等标污染强度分布特征相似，均有明显的分界线，整体呈现出中部和西部污染轻东部污染严重现象。通过图1(a)可知，邯郸中部地区COD污染主要源于化肥流失，其他县区(除涉县和广平县)COD污染主要源于畜禽养殖。图1(b)可知，西部山区各县TN污染主要源于畜禽养殖，中部地区TN污染主要源于农村生活，东部平原县区TN污染主要源于化肥流失。图1(c)可知，西部山区TP污染主要源于化肥流失和畜禽养殖，中部和东部县区TP污染主要源于化肥流失。图1(d)可知，NH3-N污染严重的地区是邯郸东北部，主要源于畜禽养殖，各县区化肥流失对NH3-N污染贡献率较低。

图1 不同污染源等标污染强度比空间分布图Fig.1 Spatial distribution map of different pollution sources

2.3 海河流域邯郸境内农业非点源污染类型划分及控制对策

利用SPSS中系统聚类对污染源化肥流失、畜禽养殖和农村生活等标污染强度比进行聚类分析，将邯郸市非点源污染分为六种类型(图2)。第Ⅰ类为综合低污染型，该类型总污染平均贡献率为1.30%。第Ⅱ类为禽畜养殖主导型，该类型总污染平均贡献率为3.77%，其中畜禽养殖平均贡献率为53.89%。第Ⅲ类为化肥流失主导型，该类型总污染平均贡献率为5.99%，其中化肥流失平均贡献率为49.04%。第Ⅳ类为化肥流失源-畜禽养殖源复合主导型，该类型总污染平均贡献率为6.65%，其中化肥流失和畜禽养殖平均贡献率分别为37.54%和44.33%。第Ⅴ类为化肥流失高污染型，该类型总污染平均贡献率为8.76%，其中化肥流失平均贡献率为50.08%。第Ⅵ类为畜禽养殖高污染型，该类型总污染平均贡献率为9.45%，其中畜禽养殖平均贡献率为58.82%。

图2 各区县的聚类树形图及污染类型分区图Fig.2 Cluster tree and pollution type zoning map of each district and county

目前，治理农业非点源污染的思路为“控源-阻输-治汇”[2]。对于Ⅰ类区，应当采用选择性监控措施。对于Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等主导型类区在治理过程中应当采取控源措施，根据主要污染来源进行因地制宜的选择对策。对于Ⅴ类区和Ⅵ类区，该类型县区属于高污染地区，确定为严格监管区，应当采取控源-阻输-治汇综合治理。Ⅴ类区化肥流失污染严重，该类型应当优化种植业结构，降低化肥用量，减少蔬菜、大蒜等高肥种植作物，采用水肥一体化提高肥料利用率。Ⅵ类区仅包括馆陶县，鸡、鸭等家禽养殖数量大，应当强化畜禽粪污处理和资源化利用，配合节水技术降低污水排放，合理布置养殖厂，建造沼气池，规模化养殖。

3 结论

1)估算2019年海河流域邯郸境内农业非点源污染物总排放量为7.04×104t，其中COD污染物贡献率最大，COD、TN和NH3-N排放量主要源于畜禽养殖，TP排放量主要源于化肥流失。相比其他污染源，畜禽养殖源对农业非点源污染贡献率最大。

2)等标污染负荷评价显示TN和TP为邯郸市非点源污染主要污染物，畜禽养殖(贡献率41.97%)和化肥流失(贡献率38.72%)是主要污染源。在空间上，各污染物等标污染强度分布图显示中部、西部污染风险小东部污染风险大。

3)对污染源化肥流失、畜禽养殖和农村生活等标污染强度比进行聚类分析，可将邯郸市农业非点源污染划分为6种污染类型，确定研究区内污染风险高的地区(化肥流失高污染型和畜禽养殖高污染型)为严格监管区，为邯郸市农业非点源污染综合治理提供参考和指导。