汉江流域安康段面源污染特征分析

蒙小俊 张建东 王秋利 朱妮

摘 要：分析漢江流域安康段面源污染的COD、TN、TP负荷量、负荷强度及其空间分布，评估区域污染风险，并识别区域面源污染的主要污染源和污染物，对各县市区的污染类型进行划分，以期为汉江流域安康段合理制定面源污染治理策略提供依据。结果表明：2020年汉江流域安康段面源污染的COD、TN、TP负荷量分别为65 162.49 t、24 225.20 t和1 531.17 t，等标污染负荷比分别为6.38%、71.14%和22.48%，TN是首要污染物；主要污染源按等标污染负荷比从大到小排列依次为耕地（54.70%）、畜禽养殖（28.83%）、农村生活（15.59%），首要污染源为耕地；各县市区面源污染COD、TN和TP负荷量、负荷强度和等标污染负荷比的空间分布具有很强的一致性，主要污染区域为汉滨区和旬阳市；各县市区被划分成土地利用污染主导型、畜禽养殖和土地利用污染主导型、土地利用和畜禽养殖污染主导型、混合污染型4种污染类型。因此，提出安康市可根据污染类型采取有针对性的控制措施，汉滨区和旬阳市耕地引起的面源TN污染应得到首先治理。

关键词：汉江流域；安康；面源污染；空间分布；污染风险；污染源

中图分类号：X52 文献标识码：A文章编号：1006-060X（2023）10-0035-08

Analysis of Non-Point Source Pollution Characteristics of Ankang Section in the Hanjiang River Basin

MENG Xiao-jun， ZHANG Jian-dong， WANG Qiu-li， ZHU Ni

（School of Tourism & Environment， Ankang University， Ankang 725000， PRC）

Abstract：The COD， TN and TP loads， load intensity and spatial distribution of non-point source pollution of Ankang section in the Hanjiang River basin were analyzed， regional pollution risks were assessed， major sources and pollutants of regional non-point source pollution were identified， and pollution types in various counties， cities and districts were divided， so as to provide basis for reasonable formulation of non-point source pollution control strategies of this section. The results showed that the COD， TN and TP loads of non-point source pollution of Ankang section in the Hanjiang River basin in 2020 were 65 162.49 t， 24 225.20 t and 1 531.17 t， respectively， the corresponding equivalent standard pollution load ratios were 6.38%， 71.14% and 22.48%， respectively， and TN was the primary pollutant. The main pollution sources were cultivated land （54.70%）， livestock and poultry breeding （28.83%） and rural life （15.59%）， and the primary pollution source was cultivated land. The spatial distribution of the COD， TN and TP loads， load intensity and equivalent standard pollution load ratios of non-point source pollution in counties， cities and districts had strong consistency， and the main pollution areas were Hanbin District and Xunyang City. Counties， cities and districts were divided into four pollution types： the land use pollution leading type， livestock and poultry breeding and land use pollution leading type， land use and livestock and poultry breeding pollution leading type and mixed pollution type. Therefore， it was suggested that targeted control measures should be taken in Ankang City according to pollution types， and non-point source TN pollution caused by cultivated land in Hanbin District and Xunyang City should be controlled first.

Key words：Hanjiang River basin; Ankang; non-point source pollution; spatial distribution; pollution risk; pollution source

收稿日期：2023-05-23

基金项目：安康学院校级一般项目（2021AYKFKT04）

作者简介：蒙小俊（1981—），男，陕西西乡县人，副教授，主要从事水污染控制工程与面源污染防治研究。

随着水体点源污染控制水平的提高，面源污染问题逐渐凸显，已成为水环境污染领域关注的焦点。面源污染是累积在地表的污染物经由降雨所产生的地表径流或地下径流进入水体而造成的污染，由自然过程引发并在人类活动影响下得以强化，其成分复杂、类型多样，是长期以来影响流域水环境、水资源和水生态的重要因素[1-2]。面源污染通常来源于农业种植、畜禽养殖和农村生活3个方面[3]，污染来源具有分散性、复杂性以及溯源困难性。面源污染具有时间的不确定性、途径的不确定性、量的不确定性和随机性[4]，采用传统方法难以对其进行监测，导致其治理难度大、成本高、难以抓住重点。

因此，通常只能通过污染模型对面源污染进行模拟分析，主要聚焦于其来源与量级。常用的面源污染模型很多，包括SWAT（Soil and Water Assessment Tool）、SWMM（Storm Water Management Model）、HSPF（Hydrological Simulation Program Fortran）、APEX（Agricultural Policy Environmental Extender）、AnnAGNPS（Annual Agricultural Non-Point Source）、LTHIA（Long Term Hydrologic Impact Analysis）和ECM（Export Coefficient Method）等，SWAT和ECM模型在我国的应用最为广泛[5]。其中，ECM模型结构简单，参数少[6]，具有效率与精度“双高”的优势，成为面源污染负荷核算的推荐方法[7]。但ECM模型未考虑降雨和地形对面源污染输出负荷的影响，而降雨是面源污染产生的基本条件之一，地形是面源污染输移的重要影响因素，两者均对面源污染起着关键作用[8-9]，对面源污染输出负荷有重要影响[10-11]。基于降雨及地形因子进行了改进的ECM模型则较好地处理了这个问题[8， 11， 12]。

汉江上游流域是我国重要的生物多样性地区、中部地区生态环境保护的重要屏障、南水北调中线工程水源涵养地以及汉江中下游流域饮用水水源地，其水生态环境状况对保障汉江全流域及南水北调中线生态安全起着举足轻重的作用。然而，目前汉江上游流域的水生态承载力处于弱可承载状态，支流污染比较严重，水华发生风险加剧，生态环境质量较差，面源污染潜在威胁较大[13-14]。2017年4月，汉江流域安康市岚皋县岚河蔺河口水库突发水体泛深褐色的异常现象，引发当地恐慌[15]；近2 a，安康市瀛湖水库也呈现出轻度水体富营养化的趋势；汉江的极个别断面、湑水河和月河下游及旬河的中下游河段处于轻-中度污染状态[16]。研究表明，汉江上游流域水体NH4+-N污染可能主要来自农村生活污水和畜禽养殖排放物，NO3--N污染可能主要來自水土流失，而支流金水河中的氮污染可能主要来源于化肥的使用[17-18]。汉江上游流域面源污染未得到有效控制，已成为该地区地表水环境恶化的主要诱因，而分析面源污染负荷的空间分布、对污染风险进行评估并识别主要污染源和污染区域是汉江上游流域污染控制管理的基础和关键。因此，该研究拟以化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）为面源污染指标，基于改进的ECM模型分析汉江上游流域安康段面源污染的负荷及其空间分布，评估区域污染风险，并识别区域面源污染的主要来源和重点污染区，对安康市各县市区的污染类型进行划分，以期为汉江流域安康段合理制定面源污染治理策略提供科学依据。

1 区域概况、研究方法与数据来源

1.1 区域概况

汉江全长1 577 km，发源于陕西省宁强县，由西向东流入湖北省武汉市并汇入长江；整个流域分为3段，丹江口以上江段为上游，丹江口至钟祥江段为中游，钟祥至汉口江段为下游[19]。其中，安康市有约92.5%的山地，属亚热带大陆性季风气候，年平均气温为15～17℃，降雨集中在6～9月（7月最多），年降雨日数达94 d，年降水量为900 mm以上；地表径流量为1.07×1010 m3，过境客水为1.46×1010 m3，总水量为2.52×1010 m3，安康市承担着南水北调66%的供水量[20]。

1.2 研究方法

1.2.1 面源污染负荷量估算 该研究使用基于降雨及地形因子进行了改进的ECM模型估算面源污染负荷量，具体如公式（1）所示[8， 11， 12]。

式中：Lj为污染物j在流域的总负荷；α为降雨影响因子，β为地形影响因子；Eij为流域内第i种土地利用类型或第i种畜禽养殖或人口因素影响下污染物j的输出系数；Ai为第i种土地利用类型的面积，或第i种畜禽的数量，或人口数量；p为因降雨而输入的污染物数量，单纯的降雨产生的污染相对于其他污染来说较小，故在现实分析中p常可忽略[10-11]。

α可按公式（2）～（4）进行计算[9， 21]。

式中：αt为降水年际差异影响因子，αs为降水空间分布影响因子；D为流域当年降水量，为流域多年平均降水量；Ci为流域子单元当年降水量，C为流域子单元多年平均降水量。

坡度对径流量、流速等会产生影响，坡度与地表径流量呈正相关关系，地表径流量可以表示为坡度的幂函数与常量的乘积，如公式（5）所示[9-10]，β则可按公式（6）进行计算。

式中：Q为径流量，θ为坡度，a、d为常数；θi为流域子单元i的坡度，为流域平均坡度，d的取值为0.610 4[8]。

该研究借助GIS软件、依据数字高程DEM数据，统计出汉江流域安康段平均坡度和安康市各县市区的坡度，利用公式（6）计算出安康市各县市区的地形影响因子β；依据安康市各县市区的年降水量数据进行统计分析，利用公式（2）计算出安康市各县市区的降雨影响因子α（表1）。

ECM模型中确定输出系数的方法有参考文献法、试验模拟法和数学统计法[10， 19]，该研究采用参考文献法获取所需的输出系数，参考多篇文献最终确定汉江流域安康段污染物及其输出系数（表2）[8，19， 22， 23]。

1.2.2 面源污染风险评价 面源污染物对环境的危害程度不但与污染物数量有关，还与承载其的土地面积密切相关。污染强度反映了一个地区的农业集约化程度和单位土地面积上的农业活动对水体的影响[24-25]，参考郭利京等[24]的研究，该研究中的污染物排放强度计算公式如下。

式中：Mi为面源污染物i的排放强度；Pi为面源污染物i的排放量；Rj为县市区单元j的国土面积（j=1，2，3，…，10）。

该研究对COD、TN、TP的污染强度数据进行离差标准化，使结果落到[0，1]区间，再将COD、TN、TP的污染强度标准化值按相同权重加和得到污染综合指数，从而确定农村面源污染风险大小。

1.2.3 面源污染源和污染物识别 该研究采用等标污染负荷法来综合评价不同污染物或污染源对环境潜在污染能力的大小，使不同污染物在同一尺度上进行比较，以确定主要污染源或主要污染物[26]，该研究采用GB 3838—2002 地表水环境质量标准 中的Ⅱ类水质标准，计算公式和过程详见郭利京等[24]的研究。

1.2.4 面源污染控制分区 为因地制宜地开展农业面源污染防治，该研究采用SPSS聚类分析法对汉江流域安康段面源污染进行分类，聚类对象为不同县市区各污染源的等标污染负荷比。

1.3 数据来源

该研究所用数据包括安康市30 m×30 m精度的数字高程DEM图、多年平均降水量以及2020年安康市10个县市区的土地利用类型、农村人口数量、畜禽养殖情况和降水量时空分布情况等。数据来源于天地图陕西省地理信息公共服务平台[下载审图号为陕S（2021） 023号的安康市地图作为基础底图]、安康市统计局和气象局以及实地调研等，其中，30 m×30 m精度的土地利用類型数据来自文献[27]（经比对全球生态环境遥感监测数据和中国科学院地理科学与资源研究所相应数据并结合安康市实际情况选取）。畜禽养殖中牛和羊的数量为当年的年末存栏数量，猪和家禽的数量为年内出栏数量[19]。安康市各县市区统计数据见表3。

2 结果与分析

2.1 面源污染负荷量分析

该研究采用改进的ECM模型对安康市2020年10个县市区的土地利用、畜禽养殖和农村生活3类污染源产生的COD、TN和TP污染负荷量和贡献率进行了估算，结果如表4所示。汉江流域安康段面源污染COD、TN和TP污染负荷总量分别为65 162.49 t、24 225.20 t和1 531.17 t，3类污染源按对COD的贡献率从大到小排列依次为土地利用（53.37%）、农村生活（28.56%）、畜禽养殖（18.06%），按对TN的贡献率从大到小排列依次为土地利用（78.13%）、畜禽养殖（13.30%）、农村生活（8.59%），按对TP的贡献率从大到小排列依次为畜禽养殖（43.53%）、土地利用（42.70%）、农村生活（13.76%）。土地利用对COD、TN和TP的贡献率均较大，其中，耕地对TN和TP的贡献率分别为47.07%和20.38%；畜禽养殖对TN和TP的贡献率分别为13.30%和43.53%。可见，耕地和畜禽养殖对汉江流域安康段面源污染TN和TP的贡献率均超过60%，这说明种植业和畜禽养殖业引起的N和P面源污染应得到高度重视。

2.2 面源污染负荷量及强度的空间分布

该研究应用ArcGIS软件对污染物负荷量及强度进行空间分析，得到安康市各县市区面源污染空间分布情况（图1、图2）。安康市各县市区面源污染负荷量的空间格局如图1所示。各县市区面源污染COD负荷量范围为3 729.72～12 615.21 t，TN负荷量范围为1 028.89～5 069.33 t，TP负荷量范围为75.49～324.32 t。各县市区按COD贡献量从大到小排列依次为汉滨区、旬阳市、宁陕县、紫阳县、平利县、白河县、岚皋县、石泉县、汉阴县、镇坪县，按TN贡献量从大到小排列依次为汉滨区、旬阳市、平利县、紫阳县、石泉县、汉阴县、宁陕县、白河县、岚皋县、镇坪县，按TP贡献量从大到小排列依次为汉滨区、旬阳市、紫阳县、石泉县、汉阴县、平利县、白河县、岚皋县、宁陕县、镇坪县。汉滨区和旬阳市的COD、TN和TP贡献量分别占各县市区总COD、总TN和总TP贡献量的37.20%、40.21%和41.64%，而镇坪县的COD、TN和TP贡献量分别仅占整个安康市COD、TN和TP贡献量的5.72%、4.25%和4.93%。

安康市各县市区面源污染负荷排放强度的空间格局如图2所示。各县市区COD、TN和TP负荷强度变幅分别为1.69～3.57 t/km2、0.48～1.39 t/km2和0.024～0.092 t/km2，平均负荷强度分别为2.78 t/km2、1.03 t/km2和0.065 t/km2。各县市区按COD负荷强度从大到小排列依次为白河县、汉滨区、旬阳市、汉阴县、石泉县、紫阳县、岚皋县、镇坪县、平利县、宁陕县，按TN负荷强度从大到小排列依次为汉滨区、石泉县、汉阴县、旬阳市、白河县、紫阳县、平利县、岚皋县、镇坪县、宁陕县，按TP负荷强度从大到小排列依次为汉阴县、汉滨区、旬阳市、石泉县、白河县、紫阳县、岚皋县、镇坪县、平利县、宁陕县。可知，汉滨区、旬阳市、汉阴县、石泉县和白河县COD、TN和TP负荷强度均较高，而紫阳县、岚皋县、镇坪县、平利县和宁陕县3种污染物负荷强度均较低。

综合图1和图2可以看出，汉江流域安康段面源污染COD、TN和TP负荷量和负荷强度在空间上呈现较强的区域性分布特征，即中部污染负荷量大、负荷强度高，北部和南部污染负荷量相对较小、负荷强度相对较低。这与安康市地貌呈现南北高山夹峙、河谷盆地居中的特点有关，南北高山地区农业活动强度较低，而中部河沟盆地区农业活动强度较高。整体上来看，汉滨区和旬阳市面源污染3种污染物的负荷量较大、负荷强度较高。

2.3 面源污染风险分析

安康市10个县市区面源污染COD、TN和TP负荷强度标准化指标及综合指数结果如表5所示。各县市区按综合指数从大到小排列依次为汉滨区、旬阳市、汉阴县、石泉县、白河县、紫阳县、岚皋县、平利县、镇坪县、宁陕县。污染风险与COD、TN和TP 3种污染物负荷强度指标的空间分布规律较为一致。汉滨区、旬阳市、汉阴县和石泉县的面源污染COD、TN、TP负荷强度的标准化值均较高，被综合评价为面源污染风险较高的区域，其中，汉滨区污染风险最高；宁陕县的面源污染COD、TN、TP负荷强度的标准化值均为0，被综合评价为面源污染风险最低的区域。由于面源污染风险分析需要进一步对主要污染物和主要污染源进行解析，以采取适宜的面源污染防治措施从而降低面源污染风险较高区域的环境风险，而安康市山地约占92.5%，10个县市区的林地所占面积较大且多为自然形成，故该研究剔除林地引起的面源污染带来的风险。该研究在不考虑林地的情况下采用相同的方法对安康市各县市区的面源污染进行了风险评估，所得结果与表5基本一致。后续面源污染源等相关分析均剔除了林地所产生的面源污染负荷估算。

2.4 面源污染源和污染物分析

依据等标污染负荷计算结果可知，安康市不同污染物COD、TN和TP的等标污染负荷比分别为6.38%、71.14%和22.48%（剔除林地后3类污染物的等标污染负荷比分别为5.15%、70.07%和24.79%），不同污染源按等标污染负荷比从大到小排列依次为耕地（54.70%）、畜禽养殖（28.83%）、农村生活（15.59%）、建设用地（0.83%）、草地（0.06%）。这说明安康市3种污染物按等标污染负荷比大小排列依次为TN、TP和COD，主要污染源按等标污染负荷比大小排列依次为耕地、畜禽养殖和农村生活，首要污染物和首要污染源分别为TN和耕地。安康市各县市区不同污染源COD、TN和TP等标污染负荷比分别见表6、表7和表8。农村生活和畜禽养殖COD等标污染负荷比分别为50.04%和31.66%，占各污染源COD等标污染负荷比的81.70%，表明安康市COD的主要污染源为农村生活和畜禽养殖；10个县市区中，COD污染较严重的区域为汉滨区和旬阳市。耕地、畜禽养殖和农村生活TN等标污染负荷比分别为67.54%、19.07%和12.32%，不同县市区按TN等标污染负荷比从小到大排列依次为镇坪县（2.16%）、宁陕县（2.25%）、岚皋县（4.05%）、白河县（6.07%）、汉阴县（9.25%）、紫阳县（9.58%）、平利县（9.93%）、石泉县（9.94%）、旬阳市（21.43%）、汉滨区（25.30%），表明耕地和畜禽养殖是TN的主要污染源，主要的污染县市区为汉滨区和旬阳市。畜禽养殖、耕地和农村生活TP等标污染负荷比分别为55.81%、26.14%和17.65%，不同县市区按TP等标污染负荷比从小到大排列依次为宁陕县（1.99%）、镇坪县（3.76%）、岚皋县（5.52%）、平利县（6.55%）、白河县（7.37%）、石泉县（9.45%）、汉阴县（9.52%）、紫阳县（9.58%）、旬阳市（22.18%）、汉滨区（24.09%），说明畜禽养殖和耕地是TP的主要污染源，主要的污染县市区为汉滨区和旬阳市。

该研究进一步统计出2020年安康市各县市区不同污染源的等标污染负荷比情况（图3）。安康市各县市区土地利用和畜禽养殖的等标污染负荷贡献率范围分别为36.70%～62.49%和17.12%～46.44%，而农村生活的等标污染负荷贡献率范围为10.85%～23.95%。整体上来看，土地利用和畜禽养殖的等标污染负荷贡献率均相对较高，农村生活的等标污染负荷贡献率相对较低。

2.5 面源污染控制分区

该研究以土地利用、畜禽养殖和农村生活3种污染源的等标污染负荷比为聚类对象进行聚类分析，将各县市区划分成4种污染类型，即土地利用污染主导型、畜禽养殖和土地利用污染主导型（畜禽养殖等标污染负荷比＞土地利用等标污染负荷比）、土地利用和畜禽养殖污染主导型（土地利用等标污染负荷比＞畜禽养殖等标污染负荷比）、混合污染型，各污染类型的空间分布见图4。可见，汉滨区、宁陕县和紫阳县为土地利用污染主导型，旬阳市、石泉县和汉阴县为土地利用和畜禽养殖污染主导型，平利县和镇坪县为畜禽养殖和土地利用污染主导型，岚皋县和白河县为混合污染型。

3 结论与建议

3.1 结 论

该研究得出主要结论如下。其一，2020年汉江流域安康段面源污染COD、TN和TP污染负荷总量分别为65 162.49 t、24 225.20 t和1 531.17 t，相应的等标污染负荷比分別为6.38%、71.14%和22.48%，剔除林地后3类污染物的等标污染负荷比分别为5.15%、70.07%和24.79%，3种污染物按等标污染负荷比大小排列依次为TN、TP和COD，TN是首要污染物。其二，主要污染源按COD等标污染负荷比从大到小排列依次为农村生活（50.04%）、畜禽养殖（31.66%）、耕地（17.22%），按TN等标污染负荷比从大到小排列依次为耕地（67.54%）、畜禽养殖（19.07%）、农村生活（12.32%），按TP等标污染负荷比从大到小排列依次为畜禽养殖（55.81%）、耕地（26.14%）、农村生活（17.65%），主要污染源按等标污染负荷比从大到小排列依次为耕地（54.70%）、畜禽养殖（28.83%）、农村生活（15.59%），首要污染源为耕地。其三，安康市各县市区COD、TN和TP污染负荷量、负荷强度和等标污染负荷比的空间分布具有很强的一致性，中部污染负荷量大、负荷强度高，北部和南部污染负荷量相对较小、负荷强度相对较低，各区域按面源污染风险从大到小排列依次为汉滨区、旬阳市、汉阴县、石泉县、白河县、紫阳县、岚皋县、平利县、镇坪县、宁陕县。其四，汉江流域安康段各区域面源污染可划分为土地利用污染主导型、畜禽养殖和土地利用污染主导型、土地利用和畜禽养殖污染主导型和混合污染型4种类型，其中，汉滨区、宁陕县和紫阳县为土地利用污染主导型，旬阳市、石泉县和汉阴县为土地利用和畜禽养殖污染主导型，平利县和镇坪县为畜禽养殖和土地利用污染主导型，岚皋县和白河县为混合污染型。

3.2 建 议

该研究提出主要建议如下。安康市不同区域可根据不同的污染类型采取有针对性的污染控制措施：对于种植污染型区域，应从源头削减、过程控制和末端治理3个层面进行防治，源头削减层面的措施有推行测土配方施肥，实行以产定肥，平衡施用有机肥、新型肥料以及无机肥等，过程控制层面的措施有在小流域内优化坡改梯工程、退耕还草等生态修复措施，末端治理层面的措施有实施植被过滤带、湿地缓冲区、滞留池、人工湿地等工程；对于畜禽养殖污染型区域，应优化养殖布局，划定禁养区、限养区和适养区，推行养殖业、种植业、林果业相结合的生态农业模式，因地制宜，选择适宜的治理工艺，进行综合治理；对于农村生活污染型区域，应加快农村户用厕所无害化改造，提高粪污资源化利用水平，对生活垃圾进行收集并集中处理。此外，结合面源污染源分析可知，安康市面源污染的首要污染物为TN，首要污染源为耕地，主要污染区域为汉滨区和旬阳市，故汉滨区和旬阳市耕地引起的面源TN污染应得到高度重视和首先治理。

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（责任编辑：袁萍萍）