黄河流域的环境污染特征模型及污染防治研究

李冠杰

（咸阳师范学院 经济与管理学院，陕西 咸阳 712000）

0 引言

随着社会经济的不断发展，环境问题已经成为世界各国共同关注的话题，并且认为水环境问题是目前迫切需要解决的问题，因此众多国家开始将水污染列入发展战略的统筹规划之中。水污染分为点源污染和非点源污染，点源污染是固定排放点造成的污染；非点源污染又称面源污染，面源污染较点源污染而言，其随机性、广泛性更明显［1-3］。随着目前水质提标困难度的增加，人们逐渐意识到面源污染的重大危害性，针对面源污染的管控力度也在不断地加强。然而，面源污染所具备的滞后性特点导致其发生时难以得到有效监测，因此发生面源污染的现象层出不穷，许多水域已经监测到其中的营养盐含量出现恶性增长［4］。针对面源污染，在国家相关治理方案的指导下，大量学者开展了针对河流流域面源污染防治的研究。

黄河作为我国第二大长河，黄河流域的生态环境问题受到了人们的广泛关注，在黄河流域境内，兰州段的农业面源污染随着社会经济的发展而不断加重［5］。农业面源污染主要是农业生产过程中的化学物质使用量超标所导致的，其中最主要的污染物质为氮、磷化合物。在农业面源污染防治方面，大量研究以分析农业面源特征为前提而提出了相应的防治措施，龚世飞等［6］分析了丹江口库区农业面源污染特征，认为降雨量和流量的增加会提升流域下游区域的总氮、总磷负荷，并发现在高降雨量的背景下，水土流失是导致流域面源污染负荷增加的重要因素。王萌等［7］为了解决农业面源污染问题，通过开展长期污染监测工作来分析农田中的氮、磷养分的含量，并希望借此建立完善的农业面源污染评估机制。然而值得注意的是，不同流域内所需要采取的农业面源污染防治措施存在差异性，就黄河流域而言，兰州段黄河流域作为黄河流域内的重要河段，其农业面源污染所受到的关注度较高，但是其环境污染仍然未能够得到有效的改善［8-10］。

为了降低兰州段黄河流域的农业面源污染，本研究通过分析2012—2021年该河段相关的基本资料，采用灰色聚类方法评价水质，同时对农业面源污染进行综合估算，通过估算结果来分析兰州段黄河领域近年来的面源污染变化。并且利用得到的估算结果来分析影响兰州段黄河流域农业面源污染的相关因素，借此提出了一些针对该段农业面源污染的防治措施。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河兰州段流经兰州市、白银市，总长220 km，该河段地质条件复杂，平均含沙量为2.0 kg/m3；含沙量最大的月份为8月，平均值超过了5 kg/m3；1月的含沙量最少，降至1.5 kg/m3以下。黄河兰州段水温：5—11月超过10 ℃，2月最低降至1.9 ℃，2012—2021年的极端最低水温为0.5 ℃［11-14］。黄河兰州段流域各水期的流量见表1。

表1 黄河兰州段流域各水期的流量

1.2 数据来源

1.2.1 径流资料 整理黄河兰州段2012—2021年的径流资料，数据来源于兰州水文站，该资料完整，能够反映黄河兰州段流域径流的变化情况。

1.2.2 农业面源污染的来源 农业面源污染的来源一般为不合理施用的化肥、水土流失污染、畜禽养殖污染、农村生活污染等，所有污染物的资料均来自黄河兰州段流域年鉴。

1.3 研究方法

1.3.1 兰州段黄河流域的水质评价 针对兰州段黄河领域的水质评价，选取溶解氧、化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总磷、高锰酸盐指数、粪大肠杆菌这7项指标作为水质评价因子［15-16］。采用灰色聚类法对兰州段黄河领域进行水质评价，灰色聚类的样本矩阵如式（1）所示。

式（1）中，i为聚类对象，其值为1～n；j为聚类指标，其值为1～m。

1.3.2 农业面源污染负荷的估算 调查可知，在兰州段黄河领域使用的化肥主要是氮、磷、钾肥，并且从农业生产现状可以得知，化肥的有效利用率较低，最高仅为40%，同时化肥使用过程中的最高流失率也达到了40%，随地表径流流失的化肥中的氮、磷含量也较高，并且流入了地表水体［17-19］。本研究针对农业化肥流失造成的面源污染负荷进行了估算，计算化肥流失造成的黄河流域面源污染中的总氮（TN）、总磷（TP），计算公式见式（2）。

式（2）中，M表示化肥使用不合理而造成黄河的TN、TP污染负荷，单位：t/a；Q表示化肥折纯量，单位：t；κ表示化肥所占比例；α表示化肥有效成分中的氮或磷所占比例；τ表示化肥流失率。

在兰州段黄河流域农业面源污染中，水土流失污染是降水或灌溉不合理造成的，降水和灌溉引起农田径流，部分土壤颗粒随着地表径流而流失，农田中的颗粒污染物随之流走［20-21］。为了消除时间不固定等因素造成的水土流失污染估算误差，笔者采用土壤侵蚀预测方式来计算水土流失污染，具体计算方法见式（3）。

式（3）中，A表示年平均土壤流失量，单位：t/（hm2·a）；R表示降雨与径流侵蚀因子；K表示土壤侵蚀因子；L表示坡长与坡度因子；C表示植被与管理因子；P表示水土保持因子［22］。在水土流失污染中，主要的面源污染负荷是颗粒态氮、磷负荷，具体计算方法见式（4）。

式（4）中，M′表示吸附态氮、磷污染物负荷，单位：t/a；S表示农田土壤中氮、磷含量的占比，单位：%；X表示泥沙流失量，其值为X=B×A×m，其中B为输沙率，A为农田土壤侵蚀量，m为农田面积；T表示污染物的富集比［23］。畜禽污染物引起的农业面源污染负荷通过畜禽粪便污染物及排泄系统进行间接估算，具体计算方法见式（5）。

式（5）中，R表示畜禽养殖中产生的氮、磷负荷；C表示畜禽存栏数；γ表示畜禽氮、磷年排泄系数；η表示畜禽产生的氮、磷污染物进入水体的流失系数［24］。最后，计算农村生活中所产生的面源污染负荷，具体计算方法见式（6）。

式（6）中，F为面源污染负荷，r表示农村人口数量，c表示农村农业人均产物系数。

1.4 流域SWAT模型的构建

为了消除试验估算中出现的误差，同时也为了系统性地总结出兰州段黄河流域的农业面源污染特征，以实际数据为基础，通过构建SWAT模型，对兰州段黄河流域的农业面源污染负荷进行预测和分析，模型构建的基本数据类型见表2。针对兰州段黄河流域SWAT模型的构建，需要建立空间数据库和属性数据库。

表2 SWAT模型的基本数据类型

2 结果与分析

2.1 农业面源污染估算结果

在农业面源污染估算中，对兰州段黄河流域的农田化肥污染负荷量进行估算，在估算前对兰州段黄河流域的耕地面积、化肥用量进行统计分析（图1）。从图1可知，随着社会经济的发展，我国逐渐实现了城乡一体化，大部分的农业从业者开始融入城市生活中，由此带来的是农业耕地面积的不断减少。但是，随着全社会对农业生产重要性认知的加深，在2017年之后，耕地面积的下降速率逐渐减缓，化肥用量则始终呈现不断增长的趋势。

图1 2012—2021年耕地面积和化肥用量的变化

以当地农业背景数据为研究对象，对化肥带来的氮、磷面源污染进行了估算，结果见图2。图2a是化肥施用中总氮负荷的变化，由此可以看出，由化肥施用造成的总氮整体上处于逐渐上涨的趋势，其中2017年的负荷最高，总氮负荷达到了9241.75 t/a，在2013年的总氮负荷最低。图2b是化肥施用中总磷负荷的变化，可以发现，兰州段黄河流域的化肥施用导致的总磷负荷在2013和2017年这2个时间点分别表现为最低和最高，最低总磷负荷为944.81 t/a，最高为1107.11 t/a。因此，从以上结果可以得知，近几年来，兰州段黄河流域农业化肥施用所带来的水质问题较为严重。

图2 2012—2021年化肥使用引起的总氮、总磷负荷的变化

水土流失引起的农业面源污染的变化见图3。从图3可以看出，水土流失带来的总氮负荷在2015年之前呈现不断增长趋势，在2015年达到最大值，为11129.78 t/a。此后随着时间的增加，水土流失引起的总氮负荷逐渐降低，最低点出现在2019年，总氮负荷为7326.35 t/a。在总磷负荷的变化中可知，总磷负荷的变化趋势与总氮表现一致，在2015年上升至最高点，最高总磷负荷为8972.41 t/a；最低点位于2019年，总磷负荷为5879.48 t/a。但是，从水土流失下的总氮和总磷负荷变化中可以发现，在2019年之后，两者均表现出轻微的上升趋势，这表明此后水土流失带来的农业面源污染也呈现逐渐加重的趋势。

图3 2012—2021年水土流失引起的总氮、总磷负荷的变化

分析畜禽养殖过程中所造成的面源污染变化见图4。从图4可知，畜禽养殖所引起的总氮负荷变化在2019年之前，始终呈现一种不断上升的趋势；2019年畜禽养殖带来的总氮负荷达到了峰值，为13572.65 t/a；2019年之后，总氮负荷则表现出高位稳定的状态。同时，在畜禽养殖下的总磷负荷变化趋势与总氮表现一致，2019年畜禽养殖引起的总磷负荷达到最大值，为1562.38 t/a，在2019年之后的很长一段时间内保持在高位稳定的状态。从兰州段黄河流域的发展现状可以得知，造成畜禽养殖面源污染负荷上升的主要原因是社会经济的发展带动了流域内畜禽养殖业的发展，进而使面源污染负荷逐渐加剧，成为农业面源污染的主要来源。

图4 2012—2021年畜禽养殖引起的总氮、总磷负荷的变化

在目前的农业发展中，农村居民的生活也会导致流域面源发生污染，其面源污染负荷估算结果见图5。从曲线变化中可以看出，在2018年之前，随着时间的延长，兰州段黄河流域的农村生活产生的总氮负荷不断降低，在2018年降低至最低点，总氮负荷最低为4824.37 t/a；在2018年之后，农村生活导致的总氮负荷逐年增加，并于2021年达到最高点，为5032.77 t/a。总磷负荷在2018年前呈现不断降低的趋势，在2018年降低至最低的571.64 t/a，随后呈现不断增长的趋势，并在2021年上升至最高值，为597.38 t/a。出现以上面源污染变化趋势的原因是流域内农业人口的变化，在2018年之前，兰州段黄河流域农村人口减少，所产生的面源污染负荷降低，随着国家政策的大力扶持，农业的重要性不断增加，在2018年之后，兰州段黄河流域农村人口活动逐渐增加，所带来的面源污染也随之加剧。

图5 2012—2021年农村生活引起的总氮、总磷负荷的变化

最后，分析兰州段黄河流域农业面源污染中总氮、总磷总负荷的变化见图6。从图6可知，兰州段黄河流域的总氮总负荷变化在2015年之前呈现不断增长的趋势，并在2015年达到最大值，为35962.85 t/a；在2015—2017年表现出逐渐降低的趋势，2018年之后又呈现出不断增长的趋势，最终在2021年达到35172.28 t/a。从兰州段黄河流域的总磷总负荷变化曲线中可以得知，在2015年之前，该段总磷总负荷呈现不断上升的变化趋势，在2015年达到最大值，最大值为10735.55 t/a。在2015年之后，兰州段黄河流域的总磷总负荷变化呈现降低趋势，并在2018年降低至8179.91 t/a，在2018年之后长期保持在8600 t/a以下。由此可知，在2012—2021年期间，安州段黄河流域农业面源污染中总氮、总磷的总负荷长期处于较高的水平，表明兰州段黄河流域所承受的农业面源污染负荷较为严重。

图6 2012—2021年兰州段黄河流域总氮、总磷总负荷的变化

2.2 模型率定、验证及面源污染的特征分析

SWAT模型在对农业面源污染负荷模拟中，需要充分考虑参数之间的联系，以及参数与实际资料之间的匹配性，因此，需要对兰州段黄河流域总氮、总磷的基础测定数据进行模型率定、验证，结果见图7。图7a、图7b分别是总氮率定期、验证期的变化曲线，可以看出，在率定期中，观测值与模拟值存在一定差异；在验证期中，模型模拟值与观测值之间无明显差异。图7c、图7d分别是总磷率定期、验证期的变化曲线，图7c中显示，在率定期中，模型模拟值在7～9、16～20个月时间中的结果大于观测值，而从图7d的验证期曲线可以看出，模型模拟值与实际观测值之间无显著差异。以上结果表明，本文所构建的SWAT模型在进行兰州段黄河流域总氮和总磷污染物模拟中，与实际值具有较高的拟合度，即SWAT模型在应用中具有较高的可信度，能够在后续的研究中为实际管理和控制提供可靠的保障。

图7 SWAT模型率定与验证

通过SWAT运行模拟兰州段黄河流域的降水和氮、磷面源污染，可以为面源污染防治提供科学建议，具体模拟结果见图8。由图8a可知，降雨与径流之间的变化趋势呈现出一致性，整体表现出先增加后降低的趋势，并且在9月，降雨量与径流量均达到最高值，表明径流量与降雨量之间呈现正相关性，即降雨是流域水文形成的基本条件。由图8b可知，总氮、总磷的变化与泥沙的变化趋势呈现出一致性，整体表现为逐渐增加后又逐渐降低，并且在面源污染负荷变化中可以发现，在1—9月份，总氮、总磷负荷整体变化呈现出上升的趋势；9—12月份，总氮与总磷负荷均逐渐降低。

图8 兰州段黄河流域的降水和氮、磷面源污染模拟

以上分析结果表明，在SWAT模型的模拟计算下，发现泥沙、面源污染与降雨、径流变化趋势呈现出一致性，这表明兰州段黄河流域农业面源污染负荷的变化与降雨径流表现出显著的相关性。将总氮负荷分为硝氮（X1）、亚硝氮（X2）、氨氮（X3）、有机氮（X4），将总磷分为有机磷（X5）和矿物质磷（X6），分析降雨、径流、泥沙与农业面源污染负荷之间的相关程度，采用SPSS 24.0软件计算其相关系数（表3）。

由表3可知，降雨与径流之间的相关性极显著，相关系数R2达到了0.892（P＜0.01），在降雨、径流、泥沙对农业面源污染的影响中可以看出，泥沙与硝氮、降雨与亚硝氮的相关性系数R2均在0.700以下，即评价指标之间存在显著相关性（P＜0.05），但是显著水平不高。其余所有农业面源污染指标与降雨、径流、泥沙之间的相关性系数均在0.700以上，即各指标之间的相关性评价呈现极显著相关（P＜0.01）。由此可知，兰州段黄河领域中的农业面源污染受到降雨、径流、泥沙的影响较大。

表3 农业面源污染负荷与其他指标的相关系数

3 结论与讨论

3.1 黄河流域环境污染特征分析

黄河作为我国重要的长河，在黄河流域范围内存在大量的农业生产活动，这也为黄河流域环境带来了严重的环境污染问题。笔者针对兰州段黄河流域的农业生产活动进行了深入研究，分析了2012—2021年兰州段黄河流域的农业面源污染特征。结果显示，在兰州段黄河流域内，农业面源污染主要污染物为氮、磷的污染物，造成农业面源污染的主要因素包括化肥使用的不合理、水土流失、畜禽养殖、农村生活的变化等。从农业面源污染估算结果中可知，在2012—2021年期间，化肥使用的不合理导致兰州段黄河流域的总氮与总磷负荷长期处于较高的水平，此外，水土流失的加剧也会导致农业面源污染中的总氮和总磷表现出较高的水平。化肥使用的不合理会导致农田中氮、磷含量超标，在径流和水土流失的作用下，农田中的污染物会渗入水体，进而造成流域污染。

与此同时，随着兰州段黄河流域社会经济的发展，畜禽养殖业不断扩大，其粪尿产量也不断地增加，由此引起的污染负荷也呈现出逐年增加的趋势。在农民活动发生变化的背景下，兰州段黄河流域的农业面源污染变化显著，即当农民活动增加时，流域内的面源污染负荷则上升。结合多个影响因素来分析兰州段黄河流域农业面源污染总负荷的变化特征可知，其总氮总负荷在2015年达到最大值，为35962.85 t/a；总磷总负荷也同时达到最大值，为10735.55 t/a。最后，通过SWAT模型分析了造成兰州段黄河流域农业面源污染的主要影响因素，结果表明：降雨、径流、泥沙与面源污染之间的相关性显著。

3.2 黄河领域环境污染的防治措施

针对兰州段黄河流域的农业面源污染防治，需要从工程和非工程措施入手。在工程措施中，首先，需要当地在工程建设中加强水土保持工程的建设，以此来降低水土流失的风险。兰州段黄河流域水土流失严重，并且该流域降雨量较为丰富，因此应当积极响应国家发展政策，通过修建土坝、植树造林等方式减少水土流失。其次，农村地区应大力发展生态农业基地建设，改善土壤条件，提高对畜禽粪便的利用率，减少畜禽粪便中氮、磷含量对水体污染的影响，同时改善传统的农业生产模式，通过循环利用方式在源头上降低污染。最后，采用人工湿地工程技术控制农业面源污染，通过对农田径流废水的再处理，可以将处理后的水资源输送至缺水地区，在降低污染的同时实现了水源的重复利用。

在非工程措施中，包括健全地区法规、加强地区管理、普及环保理念3种方式，兰州段黄河流域相较于其他流域而言，农业面源污染控制的政策引导相对落后，虽然国家层面的政策干预力度不断加大，但当地环境污染防治的法律、法规仍然不够完善，因此需要不断建立和健全当前相关的法律、法规。在环境污染防治法规中需要就化肥使用、水土保持、畜禽养殖等方面实施更严格的管理，制定科学、合理的标准来降低污染源的产生。在地区的管理工作中，首先，管理部门要意识到农业面源污染的危害性，以及污染防治工作的重要性和必要性，协调当地环保和农业部门，并深入了解各地区的污染及其防治现状，同时以重点污染区域为中心开展定期讨论会，制定合理、完善的工作方案。在环保理念普及的过程中，需要以提高农民文化素质为基础，利用广播、电视等较为普遍的宣传媒介来加强宣传教育，环保部门需要深入农民群众，通过实地开课讲解来帮助农民更加全面深入了解农业面源污染的影响因素，并推广科学、合理使用化肥和畜禽养殖的技术，从源头上降低农业面源污染的发生概率。