北京市农业面源污染负荷及入河系数估算

邢宝秀，陈　贺

(北京师范大学 环境学院，北京 100875)

北京市农业面源污染负荷及入河系数估算

邢宝秀，陈贺

(北京师范大学 环境学院，北京 100875)

[关键词]输出系数；农业面源污染；负荷；入河系数；北京市

[摘要]采用考虑降雨影响因子的输出系数模型，以实测数据为基础，结合水文资料和GIS技术，估算北京市2013年农业面源污染物总氮、总磷负荷。根据农业面源污染物总氮、总磷负荷与年径流模数的相关关系，计算北京市2013年五大水系农业面源污染物总氮、总磷入河系数。结果表明：2013年北京市农业面源污染物总氮负荷为17 859.586 0 t，总磷负荷为3 089.559 0 t；从污染源类型来看，2013年农业面源污染物总氮、总磷负荷较高的均为农村生活和畜禽养殖，分别占污染物负荷总量的45.9%、27.7%和83.5%、15.4%；2013年潮白河农业面源污染物总氮入河系数最高，永定河农业面源污染物总磷入河系数最高，北运河农业面源总氮和总磷污染负荷最高，分别为12 859.577 5和2 291.547 1 t，其次为潮白河及永定河。

随着全球人口增长及经济发展，水污染已成为主要的环境问题之一，而农业面源污染是造成水污染的重要原因。据调查，目前30%～50%的地球表面受到非点源污染影响[1]，在全世界不同程度退化的12亿hm2耕地中约12%是由农业面源污染引起的[2]。我国是农业生产大国，农业生产发展迅速，但同时农作物种植化肥和农药施用量、作物秸秆等农业废弃物，以及畜禽粪便产生量等明显增加，加剧了农业面源污染问题。

国内外学者对农业面源污染问题非常关注，建立了许多农业面源污染评价模型，而输出系数模型避开了面源污染发生和发展的复杂过程，所需数据少，获取方便，适用于数据缺乏地区的非点源污染负荷核算。Johnes在输出系数模型中加入了牲畜和人口等因素的影响，综合考虑了土地利用类型、牲畜数量和分布状况、农村居民的面源污染排放和处理水平等不同污染源类型的输出系数，从而建立了更完备的输出系数模型[3]；蔡明等提出了考虑降雨和流域损失的输出系数模型[4]；丁晓雯等改进的输出系数模型主要表征下垫面因子中坡度的影响[5]；陆建忠等利用改进的考虑降雨和地形的输出系数模型，对鄱阳湖流域红壤多山丘陵地区农业非点源污染负荷进行了估算[6]。在上述研究成果的基础上，本研究以北京市为研究对象，利用水文、水质资料测算北京市五大流域入河系数，采用考虑降雨影响因子的输出系数模型，借助GIS技术，计算区域土地利用、畜禽养殖、农村生活的总磷、总氮污染负荷，估算农业面源污染负荷，并对其变化趋势进行预测分析，提出相关防控措施和建议。

1研究区概况

北京市地处华北平原西北隅，位于N39°08′—41°05′、E115°25′—117°30′，共有16个区(县)，土地总面积16 807 km2[7]。地处海河流域，属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候区。天然河道自西向东贯穿五大水系，即：大清河水系、永定河水系、北运河水系、潮白河水系和蓟运河水系。地势西北高东南低，土壤类型主要为褐土和潮土，地带性植被为落叶阔叶林。土地利用类型主要有耕地、园地、林地、草地、城镇及工矿用地、交通运输用地等，随着经济发展，城镇及工矿用地、交通运输用地面积持续增加，占用大量耕地、园地、林地、草地等。2013年全市常住人口为2 114.8万人，其中常住城镇人口为1 825.1万人、常住乡村人口为289.7万人，乡村人口占比重较小。畜禽养殖业发展迅速，2006年以来产值持续增长，2013年北京市养殖大牲畜21.09万头、猪189.23万头、羊59.47万只、家禽2 524.88万只。

2研究方法

2.1输出系数模型

Johnes输出系数模型在大尺度流域面源污染负荷的研究中表现出了独特的优势。经蔡明等改进后的输出系数模型充分考虑水文因素的影响，在模型中体现水文、产汇流等过程的影响，更加准确地预测不同年份的总氮、总磷负荷[4]。本研究采用的输出系数模型计算公式为

(1)

P=c a Q/103

(2)

式中：Lj为流域污染物j的总负荷，kg/a；α为降雨影响因子，用来表征降雨对污染物输出的影响；Eij为污染物j在第i种土地利用类型中的输出系数[kg/(hm2·a)]或第i种畜禽的排泄系数[kg/(只·a)、kg/(头·a)]或人口的输出系数[kg/(人·a)]；Ai为流域中第i种土地利用类型的面积(hm2)或第i种牲畜的数量(只、头)或人口数量(人)；P为降水产生的营养输入量，kg/a；c为降水中污染物的浓度，g/m3；a为流域年降雨量，m3/a；Q为径流系数。

2.2输出系数确定

在输出系数模型中，污染物的输出系数是指单位时间内某种土地利用方式下输出的污染物总负荷的标准化估计[7]，确定合理的输出系数是成功估算面源污染物输出负荷的关键。根据耿润哲等[8]对密云水库流域非点源污染负荷的估算及特征分析，不同土地利用类型、畜禽养殖和农村生活的面源污染物输出系数见表1。

表1　不同污染源输出系数取值

2.3降雨影响因子计算

相关研究表明，降雨量对总氮、总磷流失量有较显著的影响，而雨强主要对产流时间及养分浓度出现峰值的时间有一定影响，对污染物流失量影响不大，因此降雨对非点源污染负荷的影响主要体现在降雨量指标上[9-12]。根据流域多年降雨数据和断面水质资料，借助GIS技术，得到流域年降雨量和非点源污染物年入河量。通过回归分析，建立流域2003—2013年降雨量r与非点源污染物年入河量L的相关关系，再根据北京市多年平均降雨量(528.43 mm)，得到多年平均降雨量条件下溶解态氮、溶解态磷的年入河量(8 378.175 0、685.001 5 t/a)，则溶解态氮、溶解态磷的降雨影响因子(αDN、αDP)计算公式见式(3)、(4)，结果见表2。

αDN=(16.024r-89.44)/8 378.175 0

(3)

αDP=(1.540 5r-129.05)/685.001 5

(4)

2.4入河系数测算

流域出口地表径流污染负荷由点源污染负荷和非点源污染负荷组成。由于流域非点源污染负荷的产生主要是降雨引起的，所以可以近似地认为非点源污染负荷等于年降雨径流负荷，而点源污染负荷等于年基流负荷。因此，地表径流中的非点源污染负荷可以由年径流污染负荷扣除年基流负荷得到。本研究分别对北京市各流域断面总氮、总磷年监测量与实测年径流量进行相关性分析，得出以下结果。

表22003—2013年北京市溶解态氮、磷降雨影响因子

年份降雨量(mm)αDNαDP2003444.90.8400.8122004483.50.9100.8992005410.90.7750.7352006318.00.5980.5272007483.90.9150.9002008626.31.1971.2202009480.60.9090.8922010522.50.9890.9872011720.61.3681.4322012733.21.3911.4602013578.91.0961.114

(1)北运河流域。流域出口非点源污染物年监测值及非点源污染物年入河系数见表3。年入河系数计算公式分别为

(5)

(6)

式中：λN为总氮负荷年入河系数；λP为总磷负荷年入河系数；q为年径流模数。

表3　北运河流域出口非点源污染物年监测值及

(2)永定河流域。流域出口非点源污染物年监测值及非点源污染物年入河系数见表4。年入河系数计算公式分别为

(7)

(8)

(3)潮白河流域。流域出口非点源污染物年监测值及非点源污染物年入河系数见表5。年入河系数计算公式分别为

(9)

(10)

(4)大清河、蓟运河流域。由于数据缺乏，考虑到与永定河水文特征相似、距离较近，因此大清河非点源污染物入河系数选取永定河的计算公式。同样，蓟运河入河系数取值参照潮白河。

3结果与讨论

(1)各流域污染物负荷。利用输出系数模型计算2013年北京市各流域农业面源污染总氮、总磷负荷，结果见表6。

表6　2013年北京市各流域非点源污染物负荷　t

(2)污染源分析。2013年北京市农业面源污染物总氮、总磷负荷分别为17 859.586 0和3 089.559 0 t，见表7。从污染源来看，总氮负荷较高的是农村生活和畜禽养殖，分别占总氮负荷总量的45.9%和27.7%；总磷污染负荷较高的也是农村生活和畜禽养殖，分别占总磷负荷总量的83.5%和15.4%。随着北京市社会经济发展和流域内城郊化的加快，人们生活水平不断提高，导致农村生活类污染源产生的负荷占比较高。在畜禽养殖方面，规模化养殖的推广使得畜禽养殖业成为农业面源污染的重要污染源。

(3)污染物空间分布。北京市各区县的农业面源污染总氮、总磷负荷量差异较大(表8)。其中，地处京郊，属传统作物种植区的大兴、顺义、房山、昌平和通州区农业面源污染物总氮、总磷负荷较大。

表7　2013年北京市各污染源农业面源污染总氮、总磷负荷

4结语

本研究采用考虑降雨影响因子的输出系数模型，在已有研究成果的基础上，计算北京市五大水系的农业面源污染物年入河系数，以及2013年北京市各区县农业面源污染物总氮、总磷负荷。

表8　2013年北京市各区县农业面源总氮、

(1)由于土地利用和管理状况不同，2013年北京市各流域面源污染物入河系数相差较大。其中：潮白河农业面源污染物总氮入河系数最高，为0.940；永定河总磷入河系数最高，为0.317。

(2)2013年北京市农业面源污染物总氮、总磷负荷分别为17 859.586 0、3 089.559 0 t。农村生活和畜禽养殖是总氮、总磷污染负荷的主要来源，分别占总氮负荷总量的45.9%和27.7%，占总磷负荷总量的83.5%和15.4%。北运河总氮和总磷负荷最高，分别为12 859.577 5、2 291.547 1 t，其次为潮白河及永定河。从污染物空间分布来看，大兴、顺义、房山、昌平和通州的农业面源污染物总氮、总磷负荷较大。

(3)北京市农业面源污染形势严峻。在农业非点源污染防治中，应突出重点，对污染严重的流域加强监控；加强北京市农村生活基础设施改造，严格监控畜禽养殖业发展动态，采取有针对性的预防和控制措施。

[参考文献]

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(责任编辑李杨杨)

[基金项目]受国家自然科学基金(51179007)、北京市自然科学基金(8132039)、公益性行业科研专项(201401014)、中央高校基本科研业务费专项资金资助

[中图分类号]S157

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)05-0034-04

[作者简介]邢宝秀 (1991—)，女，山东滨州市人，硕士研究生，主要从事河流水生态方面的研究。

[收稿日期]2015-07-22