李家科，郝改瑞，李 舒，彭 凱，宋 嘉，韓蕊翔，張子航

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048；2.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

2020年汛期以來，長(zhǎng)江、黃河流域相繼出現(xiàn)編號(hào)洪水，從全國(guó)范圍來說，在地形地貌及季風(fēng)氣候等自然要素的影響下，降雨有比較明顯的地域特征，黃河上下游、華南南部及長(zhǎng)江中下游等地區(qū)極端降水的頻率增加[1-4]。強(qiáng)降雨會(huì)導(dǎo)致污染物隨徑流遷移進(jìn)入受納水體，從而造成水環(huán)境污染[5]。根據(jù)2020年6月8日發(fā)布的第二次全國(guó)水污染源普查公報(bào)[6]，通過對(duì)工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源、集中式污染處理設(shè)施及移動(dòng)源進(jìn)行普查，2017年全國(guó)水污染排放量中，COD、NH3-N、TN和TP分別為2 143.98萬t、96.34萬t、304.14萬t和31.54萬t，七大流域水污染排放達(dá)到全國(guó)總量的90%左右；其中農(nóng)業(yè)源和農(nóng)村生活源貢獻(xiàn)的COD、NH3-N、TN和TP的污染物量占比達(dá)到65%左右，說明非點(diǎn)源污染對(duì)各流域水環(huán)境污染的影響巨大。在國(guó)家實(shí)施的黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展及長(zhǎng)江大保護(hù)戰(zhàn)略中，流域面臨的不同污染源造成的非點(diǎn)源污染是重要問題，全球氣候變化對(duì)非點(diǎn)源污染過程的影響也是不可忽視的問題[7]。隨著秦嶺環(huán)境大保護(hù)的深入和南水北調(diào)工程的建設(shè)，漢江流域陜西段水質(zhì)優(yōu)劣及周圍生態(tài)環(huán)境情況與沿線受水區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民群眾生活密切相關(guān)。從國(guó)家層面和地方需求兩方面說明了對(duì)流域非點(diǎn)源污染特征解析的必要性，也為后續(xù)非點(diǎn)源污染的防控提供有力的科技支撐。

漢江是長(zhǎng)江的一級(jí)支流，屬于中國(guó)南北的分界線，流域氣候效應(yīng)、徑流機(jī)制、環(huán)境效應(yīng)及水文效應(yīng)都很復(fù)雜。眾多學(xué)者針對(duì)漢江流域的極端降水的分布、降水徑流的變化趨勢(shì)及突變、非點(diǎn)源污染、水資源評(píng)估、水生態(tài)承載力、水環(huán)境模擬、氣候植被響應(yīng)等方面做了大量研究工作[8-13]。汪成博等[14]發(fā)現(xiàn)漢江流域的極端降水呈現(xiàn)“東部早，西部遲”的分布特征，極端降水量受季風(fēng)強(qiáng)弱程度的影響。李丹等[15]分析了漢江流域降雨極值的時(shí)空變化特征。張軍等[16]在漢江流域上確定了農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染分區(qū)。目前漢江流域降水特征分析側(cè)重于變化趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)，且站點(diǎn)數(shù)量有限，對(duì)降水周期診斷和空間分布的研究較少；漢江流域陜西段非點(diǎn)源污染的源解析及負(fù)荷估算方面，污染種類及來源不明，缺乏污染現(xiàn)狀及污染物空間分布特征分析；主要針對(duì)TN、TP兩個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，對(duì)COD和NH3-N等污染指標(biāo)分析少見。

本文基于漢江流域陜西段水源區(qū)27個(gè)氣象站的1971—2018年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，利用Thiessen多邊形法求出逐日降雨序列，分析降雨量和降雨強(qiáng)度在過去48年的時(shí)空變化情況及判斷其降雨量周期，并分析其時(shí)空分布特性。污染物在降雨徑流的沖刷下會(huì)進(jìn)入受納水體，分析流域非點(diǎn)源污染的污染種類及來源，從時(shí)空尺度分析非點(diǎn)源污染的特征，為水源區(qū)暴雨災(zāi)害防治、生態(tài)建設(shè)、水環(huán)境污染及水資源管理等方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漢江流域陜西段位于北緯31°42′～34°11′，東經(jīng)103°47′～111°18′，流域面積62 723 km2，包括在陜西境內(nèi)的漢江干流和丹江支流(見圖1)，橫跨了陜南地區(qū)漢中、安康和商洛3個(gè)市。該流域?qū)儆趤啛釒О霛駶?rùn)氣候，河流分布較密，水資源豐富，雨量主要貢獻(xiàn)月份為6～9月，多年平均降水量為700～1 800 mm，年均溫度15.24 ℃。林草地和耕地在流域內(nèi)的所占比例約為98.88%，以旱作物為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件較差。流域由秦巴山地及漢江盆地組成，所以地形起伏較大。

圖1 漢江流域陜西段示意圖Fig.1 Schematic diagram of Shaanxi section of Hanjiang River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用數(shù)據(jù)包括如下。

1) 漢江流域陜西段數(shù)字高程模型DEM，下載自地理空間數(shù)據(jù)(https://www.gscloud.cn)。

2) 建站年—2018年27個(gè)氣象站逐日降雨數(shù)據(jù)，來自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(站點(diǎn)見圖1，http://www.resdc.cn/Default.aspx)。

3) 土地利用數(shù)據(jù)來自全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)(http://data.ess.tsinghua.edu.cn/)。

4) 畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)村人口數(shù)據(jù)來源于2018年陜西省漢中、安康、商洛各市縣的統(tǒng)計(jì)年鑒或國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)。

5) 安康水文站2011—2017年逐日流量數(shù)據(jù)來源于長(zhǎng)江流域漢江區(qū)漢江上游水系水文年鑒；安康斷面2011—2017年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來自陜西省環(huán)境監(jiān)測(cè)站。

1.3 研究方法

1.3.1小波分析法

采用小波分析法對(duì)研究區(qū)域降雨量進(jìn)行周期診斷。此方法具有多分辨、多時(shí)間尺度、多層次的特點(diǎn)，比較關(guān)鍵的是小波函數(shù)，能夠迅速衰減且具有震蕩性的一類函數(shù)，公式為：

(1)

式中：ψ(t)為基小波函數(shù)，可通過平移和伸縮形成一簇小波函數(shù)：

(2)

式中：ψa,b(t)為子小波函數(shù)；a、b分別為尺度因子和平移因子，a>0。

時(shí)間序列f(t)的連續(xù)小波變化為：

(3)

設(shè)函數(shù)f(kΔt)代表離散數(shù)據(jù)序列，其小波形式為：

(4)

式中：k=1,2,…,N；Δt為取樣間隔。通過小波系數(shù)可分析數(shù)據(jù)序列的時(shí)間和頻率變化特征。

小波方差就是對(duì)小波系數(shù)的平方值在時(shí)間域上的積分，計(jì)算公式為：

(5)

式中：Var(a)為數(shù)據(jù)序列在時(shí)間尺度上的小波方差，可用來判斷數(shù)據(jù)序列的主副周期[17]。

1.3.2徑流分割法

基于實(shí)際監(jiān)測(cè)的水文水質(zhì)數(shù)據(jù)可進(jìn)行污染源解析和通量計(jì)算。對(duì)于實(shí)際污染負(fù)荷的計(jì)算可以先按流域時(shí)段通量平均濃度與時(shí)段平均流量之積來計(jì)算豐平枯各水期的負(fù)荷，然后求和得到出口斷面總負(fù)荷量，該方法強(qiáng)調(diào)時(shí)段總徑流量的作用，適合非點(diǎn)源占優(yōu)特征的污染物負(fù)荷估算，公式為[18]：

(6)

徑流分割法認(rèn)為枯水季節(jié)水質(zhì)污染主要由點(diǎn)源污染引起，而汛期地表徑流主要帶來非點(diǎn)源污染，即[18]：

L=Ln+Lp=Ln+12Ld

(7)

式中：L為出口斷面年總負(fù)荷量(t)；12為一年12個(gè)月；Ln、Lp、Ld分別代表的是非點(diǎn)源、點(diǎn)源及枯季月污染的負(fù)荷(t)。

1.3.3輸出系數(shù)法及等標(biāo)污染負(fù)荷法

農(nóng)業(yè)源污染物在非點(diǎn)源污染治理中是不可忽略的關(guān)鍵部分，在研究區(qū)域面積太大的情況下可采用合理的方法估算農(nóng)業(yè)源污染物流失量，進(jìn)一步分析非點(diǎn)源污染空間分布特性并識(shí)別關(guān)鍵源區(qū)。文中采用輸出系數(shù)法估算漢江流域陜西段各區(qū)縣的非點(diǎn)源污染負(fù)荷，公式為[19]：

(8)

式中：Li為污染物i的輸出負(fù)荷量(kg·a-1)；Aj為第j種土地利用類型面積(hm2)或第j種畜禽養(yǎng)殖(頭)、人口數(shù)量(人)；Eij為在第j種土地利用類型、第j種畜禽養(yǎng)殖或人口因素情況下的第i種污染物的輸出系數(shù)取值(kg·hm-2·a-1、 kg·頭-1·a-1、kg·人-1·a-1)；p為降雨全過程中輸入的污染物總量(kg·a-1)，由于其量值極小，在本式中可忽略不計(jì)。

在同一標(biāo)準(zhǔn)上對(duì)不同污染物進(jìn)行比較可采用等標(biāo)污染負(fù)荷法。等標(biāo)污染負(fù)荷量是指在單位時(shí)間段內(nèi)排出含有某種污染物的水體的等標(biāo)體積[20]，公式為：

Pij=Lij/c0i

(9)

式中：c0i為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；Pij為污染源j中的污染物i的等標(biāo)污染負(fù)荷量(106m3·a-1)；Lij為污染源j中的污染物i的總負(fù)荷量(t·a-1)。

漢江流域陜西段內(nèi)水質(zhì)情況普遍為II-III類，結(jié)合水資源及各區(qū)縣的環(huán)境狀況公報(bào)中水質(zhì)的實(shí)際狀況，采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中II類標(biāo)準(zhǔn)閾濃度的下限值進(jìn)行等標(biāo)處理核算(其中TN、TP、COD及NH3-N值分別為0.5 mg/L、0.1 mg/L、15 mg/L及0.5mg/L)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨周期診斷及空間分布特征

非點(diǎn)源污染物的自然驅(qū)動(dòng)力為降雨徑流，其中降雨量、降雨強(qiáng)度及其時(shí)空分布對(duì)地表徑流的產(chǎn)生起決定性作用，從而引發(fā)污染物的遷移轉(zhuǎn)化[21-23]。根據(jù)收集的氣象站點(diǎn)逐日降雨數(shù)據(jù)計(jì)算出漢江流域陜西段降雨量和降雨強(qiáng)度。為保證數(shù)據(jù)的可靠性、一致性和代表性，降雨數(shù)據(jù)研究時(shí)段確定為1971—2018年，序列長(zhǎng)度48年。小波分析法主要是對(duì)降雨量的周期性進(jìn)行判斷，利用Thiessen多邊形法處理研究區(qū)域氣象站點(diǎn)的降雨量數(shù)據(jù)，并采用反距離加權(quán)(IDW)插值法對(duì)降雨量和降雨強(qiáng)度進(jìn)行空間插值，從而分析其特征。

2.1.1降雨周期診斷

過去48年漢江流域陜西段降雨量的小波變化圖見圖2，可看出降雨量有7 a和27 a兩個(gè)周期。在10 a以下尺度上降雨量周期規(guī)律不明顯；在15～40 a尺度上存在27 a的主周期，有比較明顯的3個(gè)循環(huán)交替的周期規(guī)律，其中偏豐期、偏枯期交替突變的點(diǎn)出現(xiàn)在1983年和2000年。

圖2 漢江流域陜西段降雨量周期分析圖Fig. 2 Analysis chart of rainfall cycle in Shaanxi section of Hanjiang River Basin

2.1.2降雨空間分布

漢江流域陜西段屬于東南季風(fēng)與西南季風(fēng)的過渡帶，降雨量較多的發(fā)生在夏季風(fēng)期間，結(jié)合站點(diǎn)分布位置可得到降雨量空間分布狀況。采用IDW插值法對(duì)1971—2018年漢江流域陜西段27個(gè)氣象站的降雨量和降雨強(qiáng)度的多年均值進(jìn)行插值，其空間分布結(jié)果見圖3。降雨量空間分布呈現(xiàn)由北到南逐漸增大的趨勢(shì)(見圖3(a))，其中高值中心(>1 230 mm/a)位于鎮(zhèn)巴縣，低值中心(<690 mm/a)位于商縣。降雨強(qiáng)度空間分布呈現(xiàn)由南到北遞減的趨勢(shì)(見圖6(b))，形成鎮(zhèn)巴縣高值中心(>9.2 mm/d)和太白縣低值中心(<6.0 mm/d)。對(duì)于全國(guó)而言，年平均降雨量變化較小，但是降雨強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，極端降雨(暴雨和大雨)逐漸增加[6]。作為降雨量和降雨強(qiáng)度最高的鎮(zhèn)巴縣，特別要重視極端降雨事件、土壤侵蝕問題及其他水災(zāi)害問題。例如2020年6月17日漢中市鎮(zhèn)巴縣發(fā)生了特大暴雨，最大6小時(shí)降雨量為169 mm，日降雨量達(dá)到了213.4 mm，與其相鄰的紫陽(yáng)縣及洋縣的降雨量也達(dá)到了130.0 mm和120.4 mm。2020年8月6日商洛市洛南縣也發(fā)生了暴雨，日降雨量達(dá)到了181 mm，造成5人死亡、10人失聯(lián)，暴雨洪澇災(zāi)害造成石門、麻坪二鎮(zhèn)災(zāi)情嚴(yán)重，其中農(nóng)作物受災(zāi)、房屋倒塌及水毀公路等帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失19.28億元。強(qiáng)降雨極易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，暴雨徑流中混合各種地表沉積物和泥沙，會(huì)導(dǎo)致不同種類和形態(tài)的非點(diǎn)源污染物匯入河道中，從而引發(fā)嚴(yán)重的水環(huán)境問題。

圖3 漢江流域陜西段降雨量及降雨強(qiáng)度空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of rainfall and rainfall intensity in Shaanxi section of Hanjiang River Basin

2.2 非點(diǎn)源污染負(fù)荷通量計(jì)算

安康水文站位于漢江干流河段，在漢江流域陜西段下游，屬于國(guó)家級(jí)重要水文站?；谑占陌部嫡?011—2017年水量水質(zhì)數(shù)據(jù)，采用徑流分割法量化出非點(diǎn)源污染負(fù)荷通量。漢江流域陜西段降雨主要集中在6～9月，降雨量占全年降雨量的63%左右，12月～來年2月為枯水期，降雨只占全年的3%左右，因此將全年水期劃分為豐水期(6～9月)、平水期(3～5月，10～11月)和枯水期(12～2月)。首先將漢江安康水文站以上流域各年的徑流量(2011—2017年)利用P-III型頻率曲線確定各年水文頻率，并對(duì)各年的徑流量進(jìn)行豐平枯水期的分割，結(jié)合水質(zhì)水量數(shù)據(jù)確定各豐平枯水期的流量加權(quán)濃度，結(jié)果見表1。然后利用式(6)計(jì)算出不同水期的通量并進(jìn)行求和，將枯水期產(chǎn)生的污染負(fù)荷量的月平均值作為L(zhǎng)d，可求出點(diǎn)源污染負(fù)荷，年總負(fù)荷量與點(diǎn)源污染負(fù)荷之差即為非點(diǎn)源污染負(fù)荷，結(jié)果見表2。

表1 漢江安康水文站以上流域2011—2017年不同水期的徑流量及加權(quán)濃度統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table for runoff and weighted concentration in different water periods of the basin above the Ankang Hydrological Station of Hanjiang River in 2011-2017

從表1可以看出，安康水文站年徑流量年際分布不均，總徑流量在2011年高達(dá)303.18×108m3，但在2016年僅為81.16×108m3，水文頻率范圍在3%～97%之間，涵蓋了不同水文年。由表2，TN、TP、COD、NH3-N污染物多年平均通量分別為6 140.5 t、528.6 t、12.24萬t和2 792.4 t。點(diǎn)源多年平均污染負(fù)荷貢獻(xiàn)指標(biāo)從大到小依次為COD>TN>NH3-N>TP，非點(diǎn)源污染物TN、TP、COD、NH3-N通量在2011—2017年的均值分別為：4 260.1 t、351.8 t、8.67萬t和1 987.6 t，其貢獻(xiàn)比在41.4%～86.7%之間。不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)多年非點(diǎn)源負(fù)荷占比均值均超60%，除了TP占比64%外，其余三個(gè)指標(biāo)高達(dá)69%，個(gè)別年份非點(diǎn)源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)占比能達(dá)到80%以上，尤其是2017年的NH3-N和COD兩種污染物。

表2 漢江安康水文站以上流域2011—2017年污染負(fù)荷分割結(jié)果Tab.2 Results of pollution load segmentation of the basin above the Ankang Hydrological Station of Hanjiang River in 2011-2017

從近幾年的陜西省生態(tài)環(huán)境廳水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)漢江流域陜西段多數(shù)斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)達(dá)到地表水II、III類標(biāo)準(zhǔn)，雖然點(diǎn)源污染負(fù)荷有逐年下降的趨勢(shì)，但非點(diǎn)源污染的影響顯著增大。

2.3 農(nóng)業(yè)源污染物負(fù)荷分布特性解析

從以上分析可知非點(diǎn)源污染在漢江流域陜西段污染負(fù)荷中的占比比較重，而種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖及農(nóng)村生活等污染物產(chǎn)生排放后，經(jīng)降雨徑流遷移轉(zhuǎn)化后進(jìn)入河道受納水體造成水環(huán)境的污染，所以確定污染源來源對(duì)于水源區(qū)水環(huán)境質(zhì)量改善有著舉足輕重的作用?；谘芯繀^(qū)域的實(shí)際情況，工業(yè)欠發(fā)達(dá)，重點(diǎn)關(guān)注來自農(nóng)業(yè)源的污染，從農(nóng)業(yè)用地、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活三方面進(jìn)行考慮。本文將農(nóng)業(yè)用地分為耕地、林地、草地和園地4種，畜禽養(yǎng)殖分為豬、牛、羊和家禽4種，不同污染源的輸出系數(shù)利用文獻(xiàn)綜述法進(jìn)行確定[24](見表3)。利用等標(biāo)污染物法和輸出系數(shù)法計(jì)算出漢江流域陜西段各區(qū)縣不同類型污染物指標(biāo)的農(nóng)業(yè)源污染負(fù)荷，見表4。2017年漢江流域陜西段利用輸出系數(shù)法計(jì)算出的TN、TP、COD、NH3-N農(nóng)業(yè)源負(fù)荷量分別為6.07萬t、0.32萬t、20.06萬t和1.97萬t，而對(duì)應(yīng)的等標(biāo)污染負(fù)荷法的結(jié)果分別為1 214.7、320.4、133.8和393.1億m3。

表3 漢江流域陜西段不同污染源的輸出系數(shù)Tab.3 Export coefficients for different pollution sources in Shaanxi section of the Hanjiang River Basin

2.3.1安康斷面以上流域污染物入河系數(shù)分析

利用輸出系數(shù)法計(jì)算出安康斷面以上流域農(nóng)業(yè)源非點(diǎn)源污染物TN、TP、COD、NH3-N的負(fù)荷量分別為3.79萬t、0.20萬t、12.2萬t、1.25萬t，在漢江流域陜西段農(nóng)業(yè)源污染物中占比達(dá)60%左右。將2.2節(jié)計(jì)算出的漢江流域安康斷面以上非點(diǎn)源污染負(fù)荷通量與農(nóng)業(yè)源污染物產(chǎn)生量相除，其結(jié)果就是污染物TN、TP、COD、NH3-N的入河系數(shù)，分別為0.11、0.18、0.71和0.16。

2.3.2等標(biāo)污染負(fù)荷量空間分布特征

借助ArcGIS軟件，結(jié)合表4將等標(biāo)污染負(fù)荷量添加到漢江流域陜西段的行政區(qū)劃屬性表中，并劃分為5種污染等級(jí)，繪制了2017年各區(qū)縣的TN、TP、COD和NH3-N的等標(biāo)污染負(fù)荷空間分布圖，見圖4。等標(biāo)污染負(fù)荷的空間分布具有一致性，具體體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)土地面積大、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)、農(nóng)村人口眾多的地區(qū)和縣對(duì)應(yīng)較大的等標(biāo)污染負(fù)荷，反之亦然。其中各市等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率從大到小排序?yàn)椋喊部凳?39.50%)>漢中市(39.49%)>商洛市(22.02%)。

表4 各區(qū)縣不同污染物負(fù)荷估算統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Estimation table for different pollutants load estimation in each district and county

由圖4可知，各污染指標(biāo)等標(biāo)污染負(fù)荷的最大值均集中出現(xiàn)于漢中市的城固縣和洋縣以及安康市的漢濱區(qū)和旬陽(yáng)縣，其貢獻(xiàn)率均在7%左右。其原因是這幾個(gè)區(qū)縣的農(nóng)業(yè)用地面積較大，農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達(dá)，大規(guī)模的化肥施用和畜禽養(yǎng)殖都不同程度地加劇了非點(diǎn)源污染。雖然漢濱區(qū)農(nóng)業(yè)用地的面積小，但畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)村人口的數(shù)量大，因此對(duì)非點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)率也較大。然后是貢獻(xiàn)率在3.5%左右的勉縣、山陽(yáng)縣、丹鳳縣、漢陰縣、紫陽(yáng)縣和平利縣，最小貢獻(xiàn)率的地區(qū)出現(xiàn)在佛坪縣、洛南縣和鎮(zhèn)坪縣，占比不超過1%。

圖4 各區(qū)縣等標(biāo)污染負(fù)荷分布圖Fig.4 Distribution of equivalent standard pollution load in each district and county

2.3.3污染源貢獻(xiàn)率分布特征

統(tǒng)計(jì)各區(qū)縣不同污染源的等標(biāo)污染物負(fù)荷并計(jì)算其貢獻(xiàn)率占比，并繪制以區(qū)縣為基本單位的農(nóng)業(yè)用地、農(nóng)村生活及畜禽養(yǎng)殖的貢獻(xiàn)率空間分布圖，見圖5和圖6。

圖5 不同污染源等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率占比圖Fig.5 Contribution rate of equivalent standard pollution load of different pollution sources

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源各污染指標(biāo)等標(biāo)污染負(fù)荷總量為206.19×109m3，其中農(nóng)業(yè)用地量為100.84×109m3，畜禽養(yǎng)殖量為66.69×109m3，農(nóng)村生活量為38.66×109m3。與其他人的分析結(jié)果具有相似性[25]，在農(nóng)業(yè)土地面積大、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)、農(nóng)村人口眾多的區(qū)縣對(duì)應(yīng)較大的等標(biāo)污染負(fù)荷，反之也成立，空間分布有一定的一致性。由圖5可知，農(nóng)業(yè)用地對(duì)TN污染的貢獻(xiàn)率達(dá)62.97%；畜禽養(yǎng)殖對(duì)NH3-N污染的貢獻(xiàn)率超過50%以上，達(dá)到59.67%；TP污染的貢獻(xiàn)率中畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)用地相差不大，均大于38%；農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖對(duì)COD污染貢獻(xiàn)較大，兩者貢獻(xiàn)率之和超過70%。

為確定各縣區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要來源，制定具有針對(duì)性的控制措施，分析圖6(圖例中46、42、40、38分別代表各指標(biāo)三種來源貢獻(xiàn)率中最大值的1/2)可發(fā)現(xiàn)TN等標(biāo)污染負(fù)荷表現(xiàn)出明顯的規(guī)律特征，均以農(nóng)業(yè)用地為主；NH3-N等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大的為畜禽養(yǎng)殖；TP、COD等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率則分布不均，主要受制于各區(qū)縣產(chǎn)業(yè)發(fā)展和用地情況。

圖6 各區(qū)縣不同污染源等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率圖Fig.6 Contribution rate of equivalent standard pollution load of different pollution sources in each district and county

受地形地貌等自然環(huán)境影響各縣區(qū)不同污染源排放強(qiáng)度相差較大，綜合分析流域內(nèi)各縣區(qū)的污染負(fù)荷發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用地和畜禽養(yǎng)殖貢獻(xiàn)比較大。漢江流域陜西段內(nèi)各區(qū)縣的TN等標(biāo)污染負(fù)荷具有明顯的規(guī)律特征，即均以農(nóng)業(yè)用地為主；NH3-N等標(biāo)污染負(fù)荷以畜禽養(yǎng)殖源為主；TP和COD的等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率分布則表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性。其中，太白縣TN、TP、COD和NH3-N四個(gè)污染負(fù)荷指標(biāo)中農(nóng)業(yè)用地的貢獻(xiàn)率都最高，分別為92.16%、83.80%、80.83%和69.01%；農(nóng)業(yè)用地對(duì)寧陜縣TN、TP、COD負(fù)荷貢獻(xiàn)率都較高，分別達(dá)到86.61%、74.16%和71.41%。畜禽養(yǎng)殖對(duì)漢陰縣TN、TP、COD和NH3-N負(fù)荷污染貢獻(xiàn)分別為32.22%、48.99%、47.15%和69.00%，對(duì)丹鳳縣TN、TP、COD和NH3-N負(fù)荷污染貢獻(xiàn)分別為32.43%、55.55%、42.32%和66.48%。對(duì)流域內(nèi)等標(biāo)污染負(fù)荷較大的城固縣、洋縣、漢濱區(qū)和旬陽(yáng)縣，TN貢獻(xiàn)率最大的均為農(nóng)業(yè)用地；TP中農(nóng)業(yè)用地和畜禽養(yǎng)殖貢獻(xiàn)率相當(dāng)；COD、NH3-N貢獻(xiàn)率最大的均為畜禽養(yǎng)殖。

鑒于此，漢江流域陜西段農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染治理方案應(yīng)根據(jù)各縣區(qū)污染源情況因地制宜。主要對(duì)農(nóng)業(yè)用地污染進(jìn)行管控的地區(qū)有：太白縣、寧陜縣、鳳縣、佛坪縣、留壩縣、鎮(zhèn)安縣等；畜禽養(yǎng)殖污染管控的地區(qū)則主要為：漢陰縣、丹鳳縣、鎮(zhèn)坪縣、石泉縣、旬陽(yáng)縣、南鄭縣等。

3 討 論

通過漢江流域陜西段27個(gè)氣象站點(diǎn)1971—2018年的逐日降雨數(shù)據(jù)研究了流域降雨周期和降雨空間分布，發(fā)現(xiàn)降雨量有27 a的主周期，降雨量和降雨強(qiáng)度空間分布趨勢(shì)不一致，但高值中心均位于鎮(zhèn)巴縣。從全國(guó)自然要素降雨入手發(fā)現(xiàn)，年平均降雨量變化較小，但是降雨強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，極端降雨(暴雨和大雨)逐漸增加。在氣候變化的大環(huán)境下，不同區(qū)域的水環(huán)境水生態(tài)問題越發(fā)突顯，今年入汛以來，各河湖均出現(xiàn)歷史極值，洪澇災(zāi)害對(duì)人民生活和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的造成的危害很大，從水環(huán)境污染角度出發(fā)，分析漢江流域陜西段的非點(diǎn)源污染負(fù)荷通量及負(fù)荷空間分布特性極具意義。降雨是污染的主要驅(qū)動(dòng)自然要素，從2011—2017年安康站的水質(zhì)水量數(shù)據(jù)入手分析，多年污染物平均通量貢獻(xiàn)指標(biāo)從大到小依次為COD>TN>NH3-N>TP，不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)多年非點(diǎn)源通量占比均值均超60%，除了TP占比64%外，其余三個(gè)指標(biāo)高達(dá)69%，個(gè)別年份非點(diǎn)源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率能達(dá)到80%以上。隨著對(duì)點(diǎn)源污染的有效治理，近年來點(diǎn)源污染負(fù)荷逐年減少，而非點(diǎn)源污染則是復(fù)雜水環(huán)境問題的重點(diǎn)所在。不同污染指標(biāo)的入河系數(shù)影響因子眾多，后續(xù)還得從多元化角度進(jìn)行深入研究。從農(nóng)業(yè)源污染物的來源來分析其空間分布，發(fā)現(xiàn)TN污染主要來源是農(nóng)業(yè)用地，TP、NH3-N污染主要來源是畜禽養(yǎng)殖，COD污染主要來源是農(nóng)村生活，未來漢江流域陜西段非點(diǎn)源污染治理方案應(yīng)根據(jù)各縣區(qū)污染源情況因地制宜。從非點(diǎn)源本身機(jī)理、模型化、關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別及可行性優(yōu)化措施等方面加大研究，助力水源區(qū)的水資源管理和水生態(tài)水環(huán)境保護(hù)，也為其他類似區(qū)域提供治理思路和技術(shù)支持。

4 結(jié) 論

在長(zhǎng)江大保護(hù)和秦嶺大保護(hù)的背景下，利用小波分析法、徑流分割法、輸出系數(shù)法及等標(biāo)污染負(fù)荷法等方法從漢江流域陜西段自然要素降雨特性、非點(diǎn)源污染負(fù)荷通量計(jì)算及農(nóng)業(yè)源污染物負(fù)荷空間分布特性三方面進(jìn)行研究，得到如下結(jié)果。

1) 漢江流域陜西段降雨量有27 a的主周期，其空間分布呈現(xiàn)由北向南逐漸增大的趨勢(shì)，而降雨強(qiáng)度呈現(xiàn)由南到北遞減的趨勢(shì)，兩者高值中心均位于鎮(zhèn)巴縣，極易帶來極端降雨事件、土壤侵蝕問題及其他水災(zāi)害問題。

2) 安康水文站年徑流量年際分布不均，在2011年達(dá)到303.18×108m3，而在2016年僅為81.16×108m3。漢江干流安康段以上非點(diǎn)源污染物TN、TP、COD、NH3-N通量在2011—2017年的均值分別為：4 261.1 t、351.8 t、8.67萬t和1 987.6 t，各種水文年的非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)比在41.4%～86.7%之間，個(gè)別年份非點(diǎn)源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)占比能達(dá)到80%以上，尤其是2017年的NH3-N和COD兩種污染物。雖然從近幾年的陜西省生態(tài)環(huán)境廳水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)漢江流域陜西段多數(shù)斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)達(dá)到地表水II、III類標(biāo)準(zhǔn)，但是非點(diǎn)源污染研究及治理依然不容忽視。

3) 2017年漢江流域陜西段利用輸出系數(shù)法計(jì)算出的TN、TP、COD、NH3-N農(nóng)業(yè)源負(fù)荷量分別為6.07萬t、0.32萬t、20.06萬t和1.97萬t，而對(duì)應(yīng)的等標(biāo)污染負(fù)荷法的結(jié)果分別為1 214.7億m3、320.4億m3、133.8億m3和393.1億m3。污染物TN、TP、COD、NH3-N的入河系數(shù)分別為0.11、0.18、0.71和0.16。

4) 從農(nóng)業(yè)源污染物的來源來分析其空間分布，發(fā)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)土地面積大、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)、農(nóng)村人口眾多的區(qū)縣對(duì)應(yīng)的等標(biāo)污染負(fù)荷較大。而TN污染主要來源是農(nóng)業(yè)用地，TP、NH3-N污染主要來源是畜禽養(yǎng)殖，COD污染主要來源是農(nóng)村生活，各區(qū)縣不同污染源排放強(qiáng)度相差較大，流域內(nèi)各縣區(qū)的污染負(fù)荷中農(nóng)業(yè)用地和畜禽養(yǎng)殖貢獻(xiàn)比較大。漢江流域陜西段非點(diǎn)源污染治理方案應(yīng)根據(jù)各區(qū)縣污染源情況因地制宜，對(duì)太白縣、寧陜縣、鳳縣、留壩縣、佛坪縣、鎮(zhèn)安縣等縣的農(nóng)業(yè)用地污染進(jìn)行管控，對(duì)漢陰縣、丹鳳縣、鎮(zhèn)坪縣、石泉縣、旬陽(yáng)縣、南鄭縣等縣的畜禽養(yǎng)殖污染進(jìn)行管控?？杉哟蠓诸惞芾泶胧┑膶?shí)施及制定合理的土地利用結(jié)構(gòu)，最大程度減輕源頭污染。