史小春, 敖天其,2, 黎小東, 王文章, 楊 雯

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院, 成都 610065; 2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610065)

環(huán)境污染分為點(diǎn)源污染與非點(diǎn)源污染，點(diǎn)源污染指有固定排放點(diǎn)的污染源，而非點(diǎn)源污染則沒有固定的污染排放點(diǎn)，是指溶解的或固體污染物從非特定的地點(diǎn)，在降水和徑流沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體(如河流、湖泊、水庫、海灣等)，引起的水體污染[1]。近年來，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程地加快引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用化肥、農(nóng)藥及畜禽糞便等造成的農(nóng)業(yè)面源污染日益突出，我國化肥使用量按耕地面積計(jì)算已達(dá)40 t/km2，遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國家單位面積施用量安全上限，但利用率僅為30%?；兽r(nóng)藥的利用率較低、流失率較高，不僅導(dǎo)致農(nóng)田土壤污染，還通過農(nóng)田徑流造成了對(duì)水體的有機(jī)污染、富營養(yǎng)化污染，甚至地下水污染和空氣污染，農(nóng)業(yè)面源污染日益嚴(yán)重。中華人民共和國農(nóng)業(yè)部在《2017年農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)重點(diǎn)工作安排》[2]中提出緊緊圍繞“一控兩減三基本”目標(biāo)，重點(diǎn)打造省縣兩級(jí)農(nóng)業(yè)面源污染防治示范體系。因此，本文以射洪縣為研究對(duì)象，基于輸出系數(shù)模型和源強(qiáng)系數(shù)法對(duì)研究區(qū)環(huán)境污染現(xiàn)狀進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，并采用等標(biāo)污染負(fù)荷法核算各污染物的貢獻(xiàn)程度。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)射洪縣地處四川盆地中部、涪江中游，地處北緯30°38′10″—31°9′49″，東經(jīng)105°10′21″—105°39′27″，位于成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)北弧中心，屬全省“一極一軸一區(qū)塊”成都都市圈增長極，幅員面積1 496 km2[3]。縣境屬嘉陵江支流涪江水系，一級(jí)支流涪江，射洪縣境內(nèi)河段長88 km，河床比降為1‰左右，至出縣境內(nèi)流域面積24 139.3 km2。其中，縣境直接匯入涪江的徑流面積為1 254 km2，沿岸新沖積平壩面積90.9 km2，其中耕地0.39萬hm2。射洪縣內(nèi)雨量較充沛，水系發(fā)達(dá)，溪河密布，河網(wǎng)密度大，有利于污染物向河流的排放，是射洪縣污染嚴(yán)重的一個(gè)重要原因。

2 研究方法

2.1 資料來源

本研究以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為尺度，研究區(qū)共30個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中太和鎮(zhèn)是射洪縣縣城所在地。數(shù)據(jù)資料包括鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口(農(nóng)業(yè)與非農(nóng)業(yè))和面積、畜禽養(yǎng)殖情況、化肥施用量、土地坡度及土壤類型等。數(shù)據(jù)來源于射洪縣環(huán)保局、射洪縣國土局、射洪縣農(nóng)業(yè)局等單位及射洪縣年鑒資料。

2.2 源強(qiáng)系數(shù)法

源強(qiáng)系數(shù)法由中國環(huán)境規(guī)劃院于2003年在《水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中提出[4]，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)的非點(diǎn)源污染源負(fù)荷的估算。根據(jù)《四川省地表水環(huán)境容量核定技術(shù)報(bào)告》規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田源強(qiáng)系數(shù)為COD：150 kg/(hm2·a)，氨氮30 kg/(hm2·a)。而所謂的標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田指的是平原、種植作物為小麥、土壤類型為壤土、化肥施用量為375～525 kg/(hm2·a)、降水量在400～800 mm范圍內(nèi)的農(nóng)田。本研究所采用的源強(qiáng)系數(shù)適用于四川地區(qū)，其中入河系數(shù)指每種污染源的污染物排放量中進(jìn)入水體的比率[5]。詳見表1。

以農(nóng)田地表徑流為例，其污染物排放量計(jì)算過程為：

(1)

式中：L為農(nóng)田地表徑流的污染物排放量(t/a)；αi為農(nóng)田的坡度修正值；Si為土壤修正系數(shù)，根據(jù)不同質(zhì)地取值；Pi為降雨量修改系數(shù)；Ci為農(nóng)作物類型修正系數(shù)；Fi為土壤修正量；Ei為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田地表徑流的源強(qiáng)系數(shù)。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)污染源的源強(qiáng)系數(shù)及其入河系數(shù)

2.3 輸出系數(shù)法

輸出系數(shù)法是Johnes和O′sullivan于1989年提出，由于它的簡單和相對(duì)穩(wěn)定性而在許多國家被廣泛應(yīng)用。Johnes[5]1990年對(duì)輸出系數(shù)法進(jìn)行了修正，修正后的模型考慮了一些新的營養(yǎng)輸出因素，包括作物的固氮作用、半自然植被和林地、人類聚居區(qū)的污水處理系統(tǒng)和化糞池系統(tǒng)以及會(huì)帶來營養(yǎng)物輸出增加的土地利用管理措施等。本研究采用了修正后的模型，公式如下：

(2)

式中：L為營養(yǎng)物的流失量；Ei為營養(yǎng)源i的輸出系數(shù)；Ai為土地利用類型i的面積，或畜禽養(yǎng)殖類型i的數(shù)量或流域的人口數(shù)量；Ii為對(duì)污染源i的輸入量；p為來自降水的營養(yǎng)物輸入。

輸出系數(shù)決定了每種確定的污染源向水體排放營養(yǎng)物(TN和TP)的輸出率，系數(shù)主要來源有3個(gè)方面：文獻(xiàn)查詢、試驗(yàn)結(jié)果和水文統(tǒng)計(jì)方法。3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：(1) 文獻(xiàn)法相對(duì)于另外兩種方法簡易、方便，但準(zhǔn)確度低，精度不高，具有局限性；(2) 試驗(yàn)方法準(zhǔn)確度最高，但獲取過程投資較大，需大量的投資和時(shí)間；(3) 水文統(tǒng)計(jì)法體現(xiàn)了營養(yǎng)物遷移的水文機(jī)理，比文獻(xiàn)法具有更高的準(zhǔn)確性，但是需要大量的水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)，這在發(fā)展中國家的小流域很難獲得。由于監(jiān)測資料的短缺，本研究主要采用文獻(xiàn)法結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)輸出系數(shù)進(jìn)行確定。根據(jù)對(duì)長江上游地區(qū)大量面源污染研究文獻(xiàn)的分析和調(diào)查數(shù)據(jù)[6-11]，確定本研究的輸出系數(shù)(表2)。

2.4 等標(biāo)污染負(fù)荷法

由于不同污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)不同，為了便于不同污染物進(jìn)行比較，引進(jìn)等標(biāo)污染負(fù)荷的概念以進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化。等標(biāo)污染負(fù)荷法的主要思想是結(jié)合不同污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，將不同污染源產(chǎn)生的不同污染物與其排放標(biāo)準(zhǔn)相比較，以獲取統(tǒng)一尺度上可進(jìn)行比對(duì)的量值[12]。該方法的計(jì)算公式為：

(4)

式中：Pj為第j種污染源在整個(gè)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的等標(biāo)污染負(fù)荷[(t/a)/(mg/L)]；Pij為第j種污染源中第i種污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷[(t/a)/(mg/L)]；Gij為第j種污染源中第i種污染物的年排放量(t/a)；Si為第i種污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)。

表2 不同面源的綜合輸出系數(shù)

總等標(biāo)污染負(fù)荷:

P=∑Pj

(5)

等標(biāo)污染負(fù)荷比:

(6)

式中：Kij為第j種污染物對(duì)于第i種污染源的污染負(fù)荷比。

3 結(jié)果與綜合評(píng)價(jià)

據(jù)2010年《第一次全國污染源普查公告》統(tǒng)計(jì)[13]，我國農(nóng)業(yè)污染源COD，TN，TP的排放量分別占全國排放總量的43.7%，57.2%和67.4%，農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國水環(huán)境污染、土壤污染和大氣污染的重要部分，因此本文以COD，TN，TP共3種物質(zhì)作為評(píng)價(jià)污染物。采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，即COD:20 mg/L，TP:0.2 mg/L，TN:1 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)研究區(qū)30個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的COD，TP，TN這3種污染物進(jìn)行評(píng)估，并從總等標(biāo)污染負(fù)荷角度分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要入河污染源。

3.1 從污染源角度評(píng)估

農(nóng)業(yè)面源污染指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中，農(nóng)田中的泥沙、農(nóng)藥及其他污染物在降水或徑流過程中進(jìn)入水體而形成的面源污染，這些污染物主要來源于農(nóng)田施肥、農(nóng)藥、畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)村居民生活[14]。因此，本文對(duì)射洪縣境內(nèi)的6種污染源，即農(nóng)業(yè)面源、畜禽養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村居民生活污染、工業(yè)污染和城鎮(zhèn)地表徑流6方面進(jìn)行3種污染物的評(píng)估，其污染物入河量見表3。

表3 6種污染源的入河量 t

由表3可知3種污染物的入河量，但環(huán)境所能容納的3種污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)有所不同，為方便比較各污染物對(duì)水環(huán)境的污染情況，因此引入等標(biāo)污染的概念分析研究區(qū)30個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的各種污染源的污染負(fù)荷情況，分別計(jì)算30個(gè)研究鄉(xiāng)鎮(zhèn)的6種污染源污染負(fù)荷量，其污染程度見圖1。

本文在分析了射洪縣境內(nèi)6種污染源的等標(biāo)污染負(fù)荷分布情況的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究各入河污染源對(duì)所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)入河總等標(biāo)污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)度，即污染負(fù)荷比，通過計(jì)算每種污染源的入河總等標(biāo)污染負(fù)荷占所在鎮(zhèn)入河總等標(biāo)污染負(fù)荷的比值，得到該鎮(zhèn)的主要污染源。具體情況見表4。

如表4所示，30個(gè)研究鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，除太和鎮(zhèn)以外，其他29個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染源為農(nóng)村居民生活污染，在6種污染源中所占比例都超過50%。而太和鎮(zhèn)則是以工業(yè)污染占主導(dǎo)地位，所占比例高達(dá)63.3%。

3.2 從各污染物角度分析

研究區(qū)的污染物主要為COD，TN，TP，通過源強(qiáng)系數(shù)法和輸出系數(shù)法計(jì)算出30個(gè)研究單元的各污染物入河量，并對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染物的入河量進(jìn)行排序，具體數(shù)據(jù)見表5。

研究區(qū)30個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，COD入河總量貢獻(xiàn)度較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為太和鎮(zhèn)，所占比例為15.7%；大于鎮(zhèn)所占比例7.2%；沱牌鎮(zhèn)所占比例6.3%。TN入河總量貢獻(xiàn)度較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為太和鎮(zhèn)，所占比例17.0%；沱牌鎮(zhèn)所占比例為5.8%；大于鎮(zhèn)所占比例5.3%。TP入河總量貢獻(xiàn)度較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為大于鎮(zhèn)，所占比例6.3%；沱牌鎮(zhèn)所占比例6.0%；金華鎮(zhèn)所占比例5.6%。其中大于鎮(zhèn)和沱牌鎮(zhèn)的3種污染物入河量在研究鄉(xiāng)鎮(zhèn)的入河量中都居前3位。

在清楚研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染源基礎(chǔ)上，通過計(jì)算3種污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷總量，分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染物。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算各污染物在總等標(biāo)污染負(fù)荷中的等標(biāo)污染負(fù)荷比，分析主要污染物。具體數(shù)據(jù)見表6。

圖1 各污染源等標(biāo)污染負(fù)荷

利用COD:20 mg/L，TP:0.2 mg/L，TN:1 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算COD，TN，TP這3種污染物的等標(biāo)負(fù)荷量及總等標(biāo)污染負(fù)荷，結(jié)果如表5—6所示，該研究區(qū)30個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染物皆為TN，太和鎮(zhèn)、大于鎮(zhèn)、金華鎮(zhèn)、沱牌鎮(zhèn)、太乙鎮(zhèn)、仁和鎮(zhèn)、青崗鎮(zhèn)和洋溪鎮(zhèn)的總等標(biāo)污染負(fù)荷量為3位數(shù)。

表5 研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染物入河量 t

表6 研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要入河污染物 t

注：加黑數(shù)字表示總等標(biāo)污染負(fù)荷超過100 t。

4 結(jié) 論

(1) 涪江流域射洪縣境內(nèi)的6種污染源的COD入河總量為3 458.4 t，前3位依次為太和鎮(zhèn)、大于鎮(zhèn)、沱牌鎮(zhèn)。TN入河總量為1 443.9 t，前3位依次為太和鎮(zhèn)、沱牌鎮(zhèn)、大于鎮(zhèn)。TP入河總量為123.0 t，前3位依次為大于鎮(zhèn)、沱牌鎮(zhèn)、金華鎮(zhèn)；

(2) 利用等標(biāo)污染負(fù)荷法得出研究區(qū)內(nèi)太和鎮(zhèn)的主要污染源為工業(yè)污染，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染源均為農(nóng)村居民生活污染；

(3) 研究區(qū)30個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要污染物皆為TN，其次，30個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中有8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的總等標(biāo)污染負(fù)荷量超3位數(shù)，總等標(biāo)污染負(fù)荷量最高達(dá)303.3 t。

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