基于面源污染的松花江下游水質(zhì)評(píng)價(jià)

吳玉博 侯保燈 仵峰 肖偉華 宰松梅 郝彩蓮

摘要：為服務(wù)于三江平原農(nóng)田大規(guī)模開(kāi)發(fā)和區(qū)域水資源保護(hù)，在農(nóng)田小區(qū)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同污染源機(jī)理分析，采用試驗(yàn)與模型相結(jié)合的方法，以松花江干流下游為研究區(qū)域，對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)未來(lái)水資源配置格局下的水質(zhì)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：現(xiàn)狀條件下，松花江干流下游地區(qū)農(nóng)田面源污染物總產(chǎn)生量為氨態(tài)氮6560.46t/a、總氮37558.63t/a、總磷14269.00t/a，總?cè)牒恿繛榘睉B(tài)氮328.02t/a、總氮149.11t/a、總磷14.27t/a，松花江干流下游水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)為Ⅲ類，評(píng)價(jià)結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符，精度滿足相關(guān)要求；基于未來(lái)水資源配置格局計(jì)算農(nóng)田退水量，預(yù)測(cè)各斷面未來(lái)的污染物濃度，與現(xiàn)狀計(jì)算結(jié)果相比，各個(gè)指標(biāo)濃度雖然稍有增高，但其水質(zhì)仍然為Ⅲ類，表明未來(lái)水資源配置格局對(duì)松花江干流下游水質(zhì)影響有限。

關(guān)鍵詞：面源污染；產(chǎn)生機(jī)理；小區(qū)試驗(yàn)；水質(zhì)評(píng)價(jià)；松花江下游

中圖分類號(hào)：X131.2；TV882.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.015

三江平原農(nóng)牧業(yè)發(fā)達(dá)，是我國(guó)重要的商品糧、畜產(chǎn)品生產(chǎn)基地之一[1]。近年來(lái)，人口增長(zhǎng)、城市規(guī)模擴(kuò)大和農(nóng)牧業(yè)迅速發(fā)展，使松花江干流水質(zhì)受到不同程度的影響[2]。研究表明，農(nóng)田面源污染是導(dǎo)致水污染的主要原因之一[3]。隨著三江平原大面積農(nóng)田開(kāi)發(fā)，化肥的施用量逐年上升，由此產(chǎn)生的農(nóng)田面源污染負(fù)荷所占比重逐年增加。有效監(jiān)測(cè)和防治農(nóng)田面源污染，對(duì)三江平原地區(qū)的水資源管理和松花江水環(huán)境保護(hù)具有重要作用。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)面源污染展開(kāi)了深入的研究[4-5]，研發(fā)了許多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以及以污染物產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化機(jī)理為基礎(chǔ)，兼顧不同時(shí)空尺度、具有物理機(jī)制的分布式面源污染模型[6-7]。這些模型的研發(fā)及完善，促進(jìn)了農(nóng)田非點(diǎn)源污染的定量化研究，但模型參數(shù)需要大量的信息來(lái)確定，這對(duì)于資料匱乏的大流域來(lái)說(shuō)是不現(xiàn)實(shí)的。2006年，松花江流域被納入國(guó)家“十一五”重點(diǎn)治理流域規(guī)劃，相對(duì)點(diǎn)源污染來(lái)說(shuō)，對(duì)該流域面源污染產(chǎn)生機(jī)理和變化規(guī)律的研究有待深入[8]。污染過(guò)程、污染機(jī)理等尚不明晰，使得研究成果難以應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，成為制約我國(guó)面源污染控制的重要因素。

本研究利用不同坡度、坡長(zhǎng)、耕作措施、植物覆蓋措施的小區(qū)試驗(yàn)資料和8次天然降雨資料，推求農(nóng)田面源污染物的產(chǎn)生特征參數(shù)，運(yùn)用降雨量插值法估算農(nóng)田面源污染負(fù)荷，進(jìn)而利用輸出系數(shù)法估算農(nóng)田面源污染物的產(chǎn)生量和入河量，對(duì)松花江干流下游進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，并基于未來(lái)水資源配置新格局進(jìn)行松花江下游水質(zhì)預(yù)測(cè)，以期為該區(qū)域的水資源可持續(xù)利用提供客觀依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以松花江干流下游黑龍江省佳木斯市至同江市沿岸為研究區(qū)，該區(qū)處于三江平原東北部?；?985-2014年多期土地利用遙感影像和GIS分析技術(shù)，從土地資源屬性的角度統(tǒng)計(jì)耕地、水域（濕地）、居民和工礦用地、林地、草地、未利用地等各類型土地面積，確定研究區(qū)的農(nóng)田總面積為218680hm2。從土地資源的角度出發(fā)，從上游到下游選取佳木斯、富錦、同江3個(gè)斷面進(jìn)行研究，各斷面間（河段）主要農(nóng)業(yè)、工業(yè)污染源基本參數(shù)見(jiàn)表1。

評(píng)價(jià)范圍內(nèi)17個(gè)灌區(qū)的退水均進(jìn)入松花江干流，據(jù)統(tǒng)計(jì)，多年平均退入松花江的水量為14456.07萬(wàn)m3/a。根據(jù)研究需要，2015年7月（豐水期）開(kāi)展了一次水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有氨態(tài)氮、總磷、總氮等，結(jié)果見(jiàn)表2。

1.2 小區(qū)試驗(yàn)與取樣

在松花江下游地區(qū)選擇傳統(tǒng)順坡壟作、少耕、免耕、橫坡壟作、植被覆蓋5種代表性耕作制度的典型地塊，設(shè)置試驗(yàn)小區(qū)，各代表性小區(qū)所實(shí)施的耕作制度均已保持3a以上，每種耕作模式設(shè)置3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)小區(qū)。2014年7-8月，開(kāi)展了8次天然降雨下農(nóng)田面源污染物產(chǎn)生特征試驗(yàn)。

降雨過(guò)程中，收集雨水樣300mL；在實(shí)際灌溉退水過(guò)程中，進(jìn)行不定期取樣，每個(gè)徑流小區(qū)取泥沙樣約40g；為了研究氮素和磷素在耕層垂直滲漏的特征，降雨前采集坡長(zhǎng)試驗(yàn)區(qū)的0～10cm和0～3mm的表層土壤樣品，密封保存新鮮土樣。

采用流速儀測(cè)量田間灌溉水量，水樣TN和TP分別運(yùn)用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法和過(guò)硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法來(lái)測(cè)試，NH4+-N運(yùn)用納氏試劑光度法測(cè)試。

2 污染負(fù)荷定量評(píng)價(jià)方法

2.1 面源污染

研究表明，東北地區(qū)特別是糧食高產(chǎn)區(qū)存在化肥過(guò)度施用情況，農(nóng)業(yè)面源污染是東北地區(qū)水環(huán)境惡化的主要因素[9]。在分析農(nóng)田面源污染物產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用降雨量差值法估算農(nóng)田面源污染負(fù)荷，利用輸出系數(shù)法估算農(nóng)田面源污染物的產(chǎn)生量和入河量。

2.1.1 降雨量差值法

有關(guān)研究表明，農(nóng)田非點(diǎn)源污染負(fù)荷與降雨量密切相關(guān)[10]，只有在發(fā)生暴雨并產(chǎn)生地表徑流時(shí)流域的污染才由點(diǎn)源和非點(diǎn)源組成，在晴天或不產(chǎn)生地表徑流的雨天只有點(diǎn)源污染[11]。計(jì)算時(shí)，考慮到每年的點(diǎn)源污染較為穩(wěn)定，將點(diǎn)源污染負(fù)荷設(shè)為一常數(shù)[9]，于是可得到任一場(chǎng)次降水產(chǎn)生的污染負(fù)荷：

L=Ln+Lp=f（R）+C（1）式中：L為出口斷面總負(fù)荷；Ln為農(nóng)田面源污染負(fù)荷，Ln=f（R），R為降雨量；Lp為點(diǎn)源污染負(fù)荷，Lp=C，C為常數(shù)。

任意2場(chǎng)（或任意2a）降水污染負(fù)荷之差，可通過(guò)建立污染負(fù)荷差值與降雨量差值之間的相關(guān)關(guān)系來(lái)估算：

L1-L2=f（R1）-f（R2）（2）

2.1.2 輸出系數(shù)法

針對(duì)東北地區(qū)非點(diǎn)源污染的特點(diǎn)，將水土流失與非點(diǎn)源污染結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析，在計(jì)算時(shí)考慮流域降雨和水土流失的影響，農(nóng)田面源污染負(fù)荷用下式表示：

LA=λ{(lán)αEA[AA （IA）]+P}（3）其中：

α=Mi/M

Mi=f（Pi）

λ=1/（1+aqb）（4）式中：LA為農(nóng)田面源污染物產(chǎn)生量；λ為流域損失系數(shù)；α為降雨影響系數(shù)；P為降雨輸入的營(yíng)養(yǎng)物數(shù)量；EA為農(nóng)田營(yíng)養(yǎng)物輸出系數(shù)；AA為農(nóng)田類型面積或排泄物投入農(nóng)田的牲畜數(shù)量、人口數(shù)量；IA為面源污染物產(chǎn)生量；Mi為第i年流域面源污染負(fù)荷；M為流域多年平均面源污染負(fù)荷；Pi為第i年降雨輸入的營(yíng)養(yǎng)物數(shù)量；P為流域多年平均降雨輸入的營(yíng)養(yǎng)物數(shù)量；q為流域年徑流模數(shù)；a、b為參數(shù)，由非線性回歸法確定。

2.1.3 河流污染物濃度擴(kuò)散計(jì)算方法

計(jì)算公式為式中：Cx為流經(jīng)x距離后的污染物濃度；x為河長(zhǎng)；C0為初始斷面的污染物濃度；μ為設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速；K為污染物綜合衰減系數(shù)。

2.2 點(diǎn)源污染

在計(jì)算農(nóng)田非點(diǎn)源污染負(fù)荷的同時(shí)，考慮工業(yè)和生活污染等點(diǎn)源污染負(fù)荷。

工業(yè)污染負(fù)荷是根據(jù)水利普查和實(shí)地調(diào)查分布在研究區(qū)內(nèi)的排污口達(dá)標(biāo)排放的入河排污量得到的。

生活污染負(fù)荷是根據(jù)研究區(qū)人口數(shù)量和國(guó)家環(huán)保部推薦的源強(qiáng)系數(shù)計(jì)算得到的，氨態(tài)氮的產(chǎn)污系數(shù)為4.0g/（人·d）、總氮的為5.0g/（人·d）、總磷的為0.44g/（人·d）。入河系數(shù)采用水資源綜合規(guī)劃成果，氨態(tài)氮、總氮和總磷分別取0.05、0.09和0.10。

3 結(jié)果與討論

3.1 面源污染參數(shù)

采用降雨量差值法估算流域農(nóng)田面源污染負(fù)荷，采用輸出系數(shù)法并參照環(huán)保部推薦的源強(qiáng)系數(shù)和第一次污染源普查制定的肥料系數(shù)手冊(cè)，確定農(nóng)田污染物的源強(qiáng)系數(shù)和入河系數(shù)，見(jiàn)表3。

3.2 現(xiàn)狀水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)降雨量差值估算法和輸出系數(shù)法計(jì)算得到的源強(qiáng)系數(shù)和入河系數(shù)，估算的松花江下游地區(qū)農(nóng)田非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生量和入河量見(jiàn)表4。

把2015年佳木斯斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為本底值，運(yùn)用河流納污能力計(jì)算方法，計(jì)算下游2個(gè)斷面6-8月氨態(tài)氮、總氮、總磷的濃度，見(jiàn)表5。

表5中的數(shù)據(jù)表明，計(jì)算結(jié)果雖然有一定誤差，但仍有較高精度，即上述分析方法可行。產(chǎn)生誤差的主要原因：一是小區(qū)參數(shù)應(yīng)用到灌區(qū)過(guò)程中，存在尺度效應(yīng)，下一步應(yīng)加大不同面積的試驗(yàn)；二是磷的誤差小，與磷的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，磷比較穩(wěn)定，變化比較慢；三是氨態(tài)氮和總氮誤差相對(duì)大些，原因是氨態(tài)氮不穩(wěn)定，隨水流運(yùn)動(dòng)和時(shí)間變化而變化，此外河道內(nèi)可能存在新的氮源（匯入河道中生物、淤泥等），影響了計(jì)算結(jié)果，這也是今后研究中應(yīng)注意的問(wèn)題。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），對(duì)所選研究區(qū)進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果為松花江干流下游水質(zhì)屬Ⅲ類，見(jiàn)表6。

3.3 未來(lái)水資源配置格局下的水質(zhì)預(yù)測(cè)

研究區(qū)現(xiàn)有耕地面積218680hm2，以水田為主，有部分旱田。未來(lái)水資源配置格局為規(guī)劃灌溉面積305779hm2，將現(xiàn)有的旱田改為水田。運(yùn)用上述方法對(duì)未來(lái)水資源配置格局下的水質(zhì)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

基于未來(lái)水資源配置格局下得到的退水量，計(jì)算研究區(qū)農(nóng)田面源污染物的產(chǎn)生量和入河量，結(jié)果見(jiàn)表7。

把2015年佳木斯斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為本底值，運(yùn)用上述方法，對(duì)未來(lái)水資源配置格局下下游2個(gè)斷面6-8月氨態(tài)氮、總氮、總磷的濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8與表5對(duì)比表明，耕地面積增加導(dǎo)致各水質(zhì)指標(biāo)濃度有所增大，但水質(zhì)仍然符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于松花江下游地區(qū)各灌區(qū)來(lái)說(shuō)，農(nóng)田的坡度、坡長(zhǎng)、耕作措施等不同，產(chǎn)污類型和數(shù)量也不同。農(nóng)田非點(diǎn)源污染物的入河量與農(nóng)田污染物產(chǎn)生量、降雨特性、水土流失狀況等因素有關(guān)。數(shù)據(jù)的確定由田間小區(qū)試驗(yàn)和面源污染產(chǎn)生機(jī)理、水土流失規(guī)律研究作支撐。

（2）采用試驗(yàn)與模型相結(jié)合的方法研究面源污染產(chǎn)生機(jī)理，計(jì)算松花江下游地區(qū)農(nóng)田面源污染物的產(chǎn)生量為氨態(tài)氮6560.46t/a、總氮37558.63t/a、總磷14269.00t/a，入河量為氨態(tài)氮328.02t/a、總氮149.11t/a、總磷14.27t/a。

（3）各斷面氨態(tài)氮、總氮、總磷濃度計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，具有一定的精度，得出的松花江下游水質(zhì)為Ⅲ類與實(shí)際情況相符，證明此研究方法是可行的。

（4）基于未來(lái)水資源配置格局得到的退水量和農(nóng)田面積，計(jì)算研究區(qū)農(nóng)田面源污染物的產(chǎn)生量和入河量，將得到的各斷面氨態(tài)氮、總氮、總磷的濃度預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)狀情況下的計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，各指標(biāo)濃度雖然稍有增大，但新格局下水質(zhì)仍然為Ⅲ類，說(shuō)明未來(lái)水資源配置格局是行之有效的。農(nóng)田面源污染相關(guān)參數(shù)的確定，可以為區(qū)域水資源管理、糧食生產(chǎn)以及施肥量的確定提供數(shù)據(jù)支撐。

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