东江源头典型山区小流域农业面源污染解析——以定南县东江流域为例

曾金凤,潘 红,张立楠,钟建红,谢水石,4,周绍梅,4

(1.江西理工大学赣州市流域污染模拟与控制重点实验室,江西 赣州 341000;2.江西理工大学赣江流域水质安全保障工程技术研究中心,江西 赣州 341000;3.赣江上游水文水资源监测中心,江西 赣州 341000;4.鄱阳湖水文生态监测研究重点实验室,江西 南昌 330029;5.赣州市生态环境技术服务中心定南技术服务站,江西 赣州 341000)

面源污染源解析的关键内容是面源污染负荷的估算。目前,国内外常用的面源污染负荷评价方法有输出系数法[7]、排污系数法[8]、清单法[9]、模型法等[10-11]。输出系数法具有计算方法简便和较好反映地区面源污染原始特征的优点,被国内学者广泛采用[12-13]。在污染负荷评价中,等标污染负荷法可以根据不同研究区的水质分区标准,实现不同污染源中多个污染物在同一尺度上的比较分析,是当前学术界应用较为普遍的污染负荷评价方法[14-16]。但现有的研究区域也多聚焦于大尺度区域,如流域尺度涉及全国、省级、市级行政区尺度,研究内容上注重污染负荷总量的估算。对小尺度区域,如县级、乡(镇)级行政区面源污染空间分布的精细研究较少,导致研究结果仅能在“总量”层面上进行时间和区域间的比较,对管理实践缺乏指导意义。山区小流域作为农业面源污染的基本输出单元,是特定流域农业面源污染评价和综合治理的基础[17-18]。此前,关于东江流域农业面源污染的研究主要集中在氮磷污染物污染负荷估算、时空分布特征研究及环境风险评价[19-20]、径流特征[21]等方面。这些工作从较大尺度上对东江面源污染特征进行了解析,研究较为丰富。而源头农业小流域面源污染源调查和解析仍显不足,以致影响了东江源头小流域农业面源污染防控措施的制定和实施效果。基于此,本文对东江流域源头山区小流域——定南县东江流域农业面源污染现状进行调查与分析,应用输出系数法和等标污染负荷法核算不同农业面源的污染负荷量与负荷强度,进一步精准解析其结构及存在问题,以期促进定南县东江源流域生态环境质量改善,保障区域生态优良和生活环境安全,推动社会经济高质量发展。

1 流域概况

定南县境内属低山丘陵地形,是珠江流域东江发源地之一。其定南水系东江一级支流,自东北向西南流入定南县城东南,途径岿美山镇、鹅公镇、龙塘镇、历市镇、天九镇和老城镇6个乡镇,是县境内最大的河流。流域地形属山区,上游植被较好,中下游水土流失较严重。上游河道蜿蜒曲折,河面宽一般小于50.0 m,水势暴涨暴落,汹涌急湍,属山区性河流。

定南县东江源流域的国土总面积约903 km2,农村面积755 km2,农业种植面积为113 km2。总人口为19.81万人,其中农村人口13.33万人,定南县东江源流域水产养殖种类主要为四大家鱼,兼有甲鱼、龟类、中华鲟和小龙虾等,每年约295.6 t。畜禽种类以生猪为主,兼有少量的肉牛、肉鸡、鸭、鹅、鸽、鹌鹑和羊,见表1。

表1 定南县东江流基域基本信息及农业生产现状

2 污染物计算与评价

2.1 污染物计算

a)面源污染计算。主要包括生活污染及农业污染,农业污染包括种植污染、水产和畜禽养殖污染。污染排放采用Jones输出系数模型[5,22-23]。

(1)

式中L——污染负荷,kg;Ei——第i类污染物输出系数,即单位面积(kg/hm2/a)或每头(只)禽畜、水产排放污染物年输出量(kg/头/a)、生活排放污染物年输出量(kg/人/a);Ai——第i类土地利用类型的面积(hm2)或第i种禽畜、水产数量头(只)、人口数量(人);Ii——单位面积或每头(只)禽畜粪便、生活污染的第i种污染源污染物量,kg;P——空气沉降输入的污染物的量,本次研究忽略空气沉降输出的污染物量。

b)系数的选取。影响流域面源污染物输出系数的因素很多,主要包括流域内地形地貌、水文、气候、土地利用、土壤类型和结构、植被、管理措施以及人类活动等[24]。结合流域的上述因素,参照国内外的相关研究[25],生活污染物输出系数结合《第二次全国污染源生活污染源产排污系数手册》(试用版),以及2021年生态环境部发布的《排放源统计调查产排污核算方法和系数手册》和《农业源产排污核算系数手册》,定南县属于四区一般城市,相关系数见表2、3。

表2 农业污水排放系数及污染物产污强度

表3 江西省畜禽规模化养殖、养殖户产污系数

2.2 评价方法

a)等标污染负荷评价法。把各种污染物的排放都转化成统一可比的量,使其在同一尺度上进行比较,确定主要污染物、主要污染源和总污染负荷量。其中,等标污染负荷是指对环境产生影响的污染物排放总量,污染负荷比是指某污染源或某污染物的等标污染负荷与总等标污染负荷之比,可以反映某污染源或污染物的污染贡献,见式(2)、(3)[5,26]:

(2)

(3)

b)等标污染负荷强度。本文在前人研究基础[9,27]上引入等标污染负荷强度,便于在同一尺度下比较分析农村面源污染物对环境污染的影响程度。计算见式(4)—(6)[10]:

(4)

(5)

(6)

3 结果分析与讨论

3.1 面源污染排放量计算

a)排放量

3.2 面源污染等标污染负荷

根据等标污染负荷计算方法即式(6),计算定南县东江流域行政区划的等标污染负荷量与等标污染负荷强度。

3.2.1污染物等标污染负荷

表4 2021年定南县东江流域污染物等标污染负荷及污染负荷比

3.2.2污染类型等标污染负荷

从表5分析污染类型等标污染负荷,表明4种污染类型中等标污染负荷量最大的是人居生活,其次是农业种植,再者是畜禽养殖,最小是水产养殖。其等标污染负荷排放量分别为177.99、45.99、6.13、1.12 t/a,占等标污染负荷排放总量的76.98%、19.89%、2.65%、0.48%。其中,人居生活和农业种植两者等标负荷达96.87%,为主要污染类型。定南县是个山区小镇,乡村人口居多,地形复杂,聚居地分布较为分散,污水收集管网覆盖率不高,没有相对完善的排污管网设施,未完全实现雨污分流。另一方面,农村居民的水环境保护意识淡薄,污水和生活垃圾随意排放或丢弃现象较普遍。为此,应加快建设与乡村人口总量相匹配的污水处理厂,建设配套污水管网,强化污水处理设施的正常运营,减少污水入河量。

表5 2021年定南县东江流域污染类型等标污染负荷及污染负荷比

3.2.3行政区划等标污染负荷与负荷强度

表6 2021年定南县东江流域行政区污染源等标污染负荷及污染负荷比

3.3 空间分布特征

3.3.1污染物空间分布特征

a)总氮

3.3.2等标污染负荷量及负荷强度空间分布

根据表5、6计算结果,运用ArcGIS软件绘制定南县东江流域农业面源污染等标污染负荷量与负荷强度空间分布,见图3。可以看出,定南县东江流域农业面源污染等标污染负荷量(图3a)与负荷强度(图3b)高值区集中在历市镇,其次是鹅公镇,低值区则都在岿美山。前2个镇自然条件更有利于农牧业的发展,农村人口数量较多,由此产生的农业面源污染问题也相对严重。

a)污染负荷量

3.3.3等标污染负荷及强度聚类分析

聚类分析作为一种常用的数据分析方法,其目的在于根据研究数据的特征,对特征相近的研究对象进行分类[5]。对有针对性的区域进行环境管理和规划。根据定南县6个行政区各账户等标污染负荷的计算结果,在SPSS软件中进行聚类分析。选取聚类方法为组间联接法,设置度量标准为Euclidean距离。聚类树状图见图4。由图4可知,从等标污染负荷量与负荷强度分析6个行政区划分为3个类型:污染较重为历市镇和鹅公镇,其次是老城镇和龙塘镇,污染较轻的是天九镇和岿美山镇。在污染防控上,应该优先考虑历市镇和鹅公镇综合治理。在防控措施上,一方面,加强生活垃圾收集处置,及时清理河道沿岸垃圾,避免垃圾入河;大力推进小型农村污水处理设施建设,加强污水处理设施运营管理,确保设施正常运营。同时,严格控制化肥、农药等非点源污染,加大畜禽养殖的排污规范管理。另一方面,加强对村民的宣传教育,定期开展巡查,责任落实到每个村。

a)行政区划等标污染负荷

4 结论

b)行政区划等标污染负荷量与等标污染负荷强度排序结果不完全相同,等标污染负荷为历市镇>鹅公镇>龙塘镇>老城镇>天九镇>岿美山镇,等标污染负荷强度为历市镇>老城镇>鹅公镇>龙塘镇>天九镇>岿美山镇。等标污染负荷量及负荷强度最高值区在历市镇,最低区在岿美山镇。

c)通过对定南东江流域农业面源等标污染负荷的系统聚类分析,6个行政区划分为3个梯度。污染较重的为历市镇和鹅公镇,其次是老城镇和龙塘镇,污染较轻的为天九镇和岿美山镇。因此防治重点区域优先考虑历市镇和鹅公镇,防控措施上要强化环境基础设施建设,保障设施设备有效运行,提高农村生活污水的处理率,合理施用氮肥和磷肥,规范畜禽养殖污染排放,提高村民生态环保意识。

d)农村居民点较为分散,没有集中的下水道系统,未能将农村生活源污染区分为生活污水和地表径流,计算比较粗略。另外,由于6个乡镇中,有3个乡镇存在多条东江支流作为受纳水体,未能区分各支流分别排污多少,没有从流域分区尺度进行分析,还有待进一步细化研究。