汉江流域陕西段非点源污染特征解析

李家科，郝改瑞，李 舒，彭 凯，宋 嘉，韩蕊翔，张子航

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室， 陕西 西安 710048；2.西安科技大学 建筑与土木工程学院， 陕西 西安 710054)

2020年汛期以来，长江、黄河流域相继出现编号洪水，从全国范围来说，在地形地貌及季风气候等自然要素的影响下，降雨有比较明显的地域特征，黄河上下游、华南南部及长江中下游等地区极端降水的频率增加[1-4]。强降雨会导致污染物随径流迁移进入受纳水体，从而造成水环境污染[5]。根据2020年6月8日发布的第二次全国水污染源普查公报[6]，通过对工业源、农业源、生活源、集中式污染处理设施及移动源进行普查，2017年全国水污染排放量中，COD、NH3-N、TN和TP分别为2 143.98万t、96.34万t、304.14万t和31.54万t，七大流域水污染排放达到全国总量的90%左右；其中农业源和农村生活源贡献的COD、NH3-N、TN和TP的污染物量占比达到65%左右，说明非点源污染对各流域水环境污染的影响巨大。在国家实施的黄河流域生态保护和高质量发展及长江大保护战略中，流域面临的不同污染源造成的非点源污染是重要问题，全球气候变化对非点源污染过程的影响也是不可忽视的问题[7]。随着秦岭环境大保护的深入和南水北调工程的建设，汉江流域陕西段水质优劣及周围生态环境情况与沿线受水区经济社会发展和人民群众生活密切相关。从国家层面和地方需求两方面说明了对流域非点源污染特征解析的必要性，也为后续非点源污染的防控提供有力的科技支撑。

汉江是长江的一级支流，属于中国南北的分界线，流域气候效应、径流机制、环境效应及水文效应都很复杂。众多学者针对汉江流域的极端降水的分布、降水径流的变化趋势及突变、非点源污染、水资源评估、水生态承载力、水环境模拟、气候植被响应等方面做了大量研究工作[8-13]。汪成博等[14]发现汉江流域的极端降水呈现“东部早，西部迟”的分布特征，极端降水量受季风强弱程度的影响。李丹等[15]分析了汉江流域降雨极值的时空变化特征。张军等[16]在汉江流域上确定了农业非点源污染分区。目前汉江流域降水特征分析侧重于变化趋势及突变检验，且站点数量有限，对降水周期诊断和空间分布的研究较少；汉江流域陕西段非点源污染的源解析及负荷估算方面，污染种类及来源不明，缺乏污染现状及污染物空间分布特征分析；主要针对TN、TP两个监测指标，对COD和NH3-N等污染指标分析少见。

本文基于汉江流域陕西段水源区27个气象站的1971—2018年的逐日降水数据，利用Thiessen多边形法求出逐日降雨序列，分析降雨量和降雨强度在过去48年的时空变化情况及判断其降雨量周期，并分析其时空分布特性。污染物在降雨径流的冲刷下会进入受纳水体，分析流域非点源污染的污染种类及来源，从时空尺度分析非点源污染的特征，为水源区暴雨灾害防治、生态建设、水环境污染及水资源管理等方面提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

汉江流域陕西段位于北纬31°42′～34°11′，东经103°47′～111°18′，流域面积62 723 km2，包括在陕西境内的汉江干流和丹江支流(见图1)，横跨了陕南地区汉中、安康和商洛3个市。该流域属于亚热带半湿润气候，河流分布较密，水资源丰富，雨量主要贡献月份为6～9月，多年平均降水量为700～1 800 mm，年均温度15.24 ℃。林草地和耕地在流域内的所占比例约为98.88%，以旱作物为主，农业生产基础条件较差。流域由秦巴山地及汉江盆地组成，所以地形起伏较大。

图1 汉江流域陕西段示意图Fig.1 Schematic diagram of Shaanxi section of Hanjiang River Basin

1.2 数据来源

本研究使用数据包括如下。

1) 汉江流域陕西段数字高程模型DEM，下载自地理空间数据(https://www.gscloud.cn)。

2) 建站年—2018年27个气象站逐日降雨数据，来自中国科学院资源环境科学数据中心(站点见图1，http://www.resdc.cn/Default.aspx)。

3) 土地利用数据来自全球生态环境遥感监测平台(http://data.ess.tsinghua.edu.cn/)。

4) 畜禽养殖及农村人口数据来源于2018年陕西省汉中、安康、商洛各市县的统计年鉴或国民经济和社会发展统计公报。

5) 安康水文站2011—2017年逐日流量数据来源于长江流域汉江区汉江上游水系水文年鉴；安康断面2011—2017年水质监测数据来自陕西省环境监测站。

1.3 研究方法

1.3.1小波分析法

采用小波分析法对研究区域降雨量进行周期诊断。此方法具有多分辨、多时间尺度、多层次的特点，比较关键的是小波函数，能够迅速衰减且具有震荡性的一类函数，公式为：

(1)

式中：ψ(t)为基小波函数，可通过平移和伸缩形成一簇小波函数：

(2)

式中：ψa,b(t)为子小波函数；a、b分别为尺度因子和平移因子，a>0。

时间序列f(t)的连续小波变化为：

(3)

设函数f(kΔt)代表离散数据序列，其小波形式为：

(4)

式中：k=1,2,…,N；Δt为取样间隔。通过小波系数可分析数据序列的时间和频率变化特征。

小波方差就是对小波系数的平方值在时间域上的积分，计算公式为：

(5)

式中：Var(a)为数据序列在时间尺度上的小波方差，可用来判断数据序列的主副周期[17]。

1.3.2径流分割法

基于实际监测的水文水质数据可进行污染源解析和通量计算。对于实际污染负荷的计算可以先按流域时段通量平均浓度与时段平均流量之积来计算丰平枯各水期的负荷，然后求和得到出口断面总负荷量，该方法强调时段总径流量的作用，适合非点源占优特征的污染物负荷估算，公式为[18]：

(6)

径流分割法认为枯水季节水质污染主要由点源污染引起，而汛期地表径流主要带来非点源污染，即[18]：

L=Ln+Lp=Ln+12Ld

(7)

式中：L为出口断面年总负荷量(t)；12为一年12个月；Ln、Lp、Ld分别代表的是非点源、点源及枯季月污染的负荷(t)。

1.3.3输出系数法及等标污染负荷法

农业源污染物在非点源污染治理中是不可忽略的关键部分，在研究区域面积太大的情况下可采用合理的方法估算农业源污染物流失量，进一步分析非点源污染空间分布特性并识别关键源区。文中采用输出系数法估算汉江流域陕西段各区县的非点源污染负荷，公式为[19]：

(8)

式中：Li为污染物i的输出负荷量(kg·a-1)；Aj为第j种土地利用类型面积(hm2)或第j种畜禽养殖(头)、人口数量(人)；Eij为在第j种土地利用类型、第j种畜禽养殖或人口因素情况下的第i种污染物的输出系数取值(kg·hm-2·a-1、 kg·头-1·a-1、kg·人-1·a-1)；p为降雨全过程中输入的污染物总量(kg·a-1)，由于其量值极小，在本式中可忽略不计。

在同一标准上对不同污染物进行比较可采用等标污染负荷法。等标污染负荷量是指在单位时间段内排出含有某种污染物的水体的等标体积[20]，公式为：

Pij=Lij/c0i

(9)

式中：c0i为污染物i的评价标准值；Pij为污染源j中的污染物i的等标污染负荷量(106m3·a-1)；Lij为污染源j中的污染物i的总负荷量(t·a-1)。

汉江流域陕西段内水质情况普遍为II-III类，结合水资源及各区县的环境状况公报中水质的实际状况，采用《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中II类标准阈浓度的下限值进行等标处理核算(其中TN、TP、COD及NH3-N值分别为0.5 mg/L、0.1 mg/L、15 mg/L及0.5mg/L)。

2 结果与分析

2.1 降雨周期诊断及空间分布特征

非点源污染物的自然驱动力为降雨径流，其中降雨量、降雨强度及其时空分布对地表径流的产生起决定性作用，从而引发污染物的迁移转化[21-23]。根据收集的气象站点逐日降雨数据计算出汉江流域陕西段降雨量和降雨强度。为保证数据的可靠性、一致性和代表性，降雨数据研究时段确定为1971—2018年，序列长度48年。小波分析法主要是对降雨量的周期性进行判断，利用Thiessen多边形法处理研究区域气象站点的降雨量数据，并采用反距离加权(IDW)插值法对降雨量和降雨强度进行空间插值，从而分析其特征。

2.1.1降雨周期诊断

过去48年汉江流域陕西段降雨量的小波变化图见图2，可看出降雨量有7 a和27 a两个周期。在10 a以下尺度上降雨量周期规律不明显；在15～40 a尺度上存在27 a的主周期，有比较明显的3个循环交替的周期规律，其中偏丰期、偏枯期交替突变的点出现在1983年和2000年。

图2 汉江流域陕西段降雨量周期分析图Fig. 2 Analysis chart of rainfall cycle in Shaanxi section of Hanjiang River Basin

2.1.2降雨空间分布

汉江流域陕西段属于东南季风与西南季风的过渡带，降雨量较多的发生在夏季风期间，结合站点分布位置可得到降雨量空间分布状况。采用IDW插值法对1971—2018年汉江流域陕西段27个气象站的降雨量和降雨强度的多年均值进行插值，其空间分布结果见图3。降雨量空间分布呈现由北到南逐渐增大的趋势(见图3(a))，其中高值中心(>1 230 mm/a)位于镇巴县，低值中心(<690 mm/a)位于商县。降雨强度空间分布呈现由南到北递减的趋势(见图6(b))，形成镇巴县高值中心(>9.2 mm/d)和太白县低值中心(<6.0 mm/d)。对于全国而言，年平均降雨量变化较小，但是降雨强度呈上升趋势，极端降雨(暴雨和大雨)逐渐增加[6]。作为降雨量和降雨强度最高的镇巴县，特别要重视极端降雨事件、土壤侵蚀问题及其他水灾害问题。例如2020年6月17日汉中市镇巴县发生了特大暴雨，最大6小时降雨量为169 mm，日降雨量达到了213.4 mm，与其相邻的紫阳县及洋县的降雨量也达到了130.0 mm和120.4 mm。2020年8月6日商洛市洛南县也发生了暴雨，日降雨量达到了181 mm，造成5人死亡、10人失联，暴雨洪涝灾害造成石门、麻坪二镇灾情严重，其中农作物受灾、房屋倒塌及水毁公路等带来的直接经济损失19.28亿元。强降雨极易引发地质灾害，暴雨径流中混合各种地表沉积物和泥沙，会导致不同种类和形态的非点源污染物汇入河道中，从而引发严重的水环境问题。

图3 汉江流域陕西段降雨量及降雨强度空间分布图Fig.3 Spatial distribution of rainfall and rainfall intensity in Shaanxi section of Hanjiang River Basin

2.2 非点源污染负荷通量计算

安康水文站位于汉江干流河段，在汉江流域陕西段下游，属于国家级重要水文站。基于收集的安康站2011—2017年水量水质数据，采用径流分割法量化出非点源污染负荷通量。汉江流域陕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～来年2月为枯水期，降雨只占全年的3%左右，因此将全年水期划分为丰水期(6～9月)、平水期(3～5月，10～11月)和枯水期(12～2月)。首先将汉江安康水文站以上流域各年的径流量(2011—2017年)利用P-III型频率曲线确定各年水文频率，并对各年的径流量进行丰平枯水期的分割，结合水质水量数据确定各丰平枯水期的流量加权浓度，结果见表1。然后利用式(6)计算出不同水期的通量并进行求和，将枯水期产生的污染负荷量的月平均值作为Ld，可求出点源污染负荷，年总负荷量与点源污染负荷之差即为非点源污染负荷，结果见表2。

表1 汉江安康水文站以上流域2011—2017年不同水期的径流量及加权浓度统计表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

从表1可以看出，安康水文站年径流量年际分布不均，总径流量在2011年高达303.18×108m3，但在2016年仅为81.16×108m3，水文频率范围在3%～97%之间，涵盖了不同水文年。由表2，TN、TP、COD、NH3-N污染物多年平均通量分别为6 140.5 t、528.6 t、12.24万t和2 792.4 t。点源多年平均污染负荷贡献指标从大到小依次为COD>TN>NH3-N>TP，非点源污染物TN、TP、COD、NH3-N通量在2011—2017年的均值分别为：4 260.1 t、351.8 t、8.67万t和1 987.6 t，其贡献比在41.4%～86.7%之间。不同监测指标多年非点源负荷占比均值均超60%，除了TP占比64%外，其余三个指标高达69%，个别年份非点源污染负荷贡献占比能达到80%以上，尤其是2017年的NH3-N和COD两种污染物。

表2 汉江安康水文站以上流域2011—2017年污染负荷分割结果Tab.2 Results of pollution load segmentation of the basin above the Ankang Hydrological Station of Hanjiang River in 2011-2017

从近几年的陕西省生态环境厅水环境质量数据分析可发现汉江流域陕西段多数断面水质数据达到地表水II、III类标准，虽然点源污染负荷有逐年下降的趋势，但非点源污染的影响显著增大。

2.3 农业源污染物负荷分布特性解析

从以上分析可知非点源污染在汉江流域陕西段污染负荷中的占比比较重，而种植业、畜禽养殖、水产养殖及农村生活等污染物产生排放后，经降雨径流迁移转化后进入河道受纳水体造成水环境的污染，所以确定污染源来源对于水源区水环境质量改善有着举足轻重的作用。基于研究区域的实际情况，工业欠发达，重点关注来自农业源的污染，从农业用地、畜禽养殖和农村生活三方面进行考虑。本文将农业用地分为耕地、林地、草地和园地4种，畜禽养殖分为猪、牛、羊和家禽4种，不同污染源的输出系数利用文献综述法进行确定[24](见表3)。利用等标污染物法和输出系数法计算出汉江流域陕西段各区县不同类型污染物指标的农业源污染负荷，见表4。2017年汉江流域陕西段利用输出系数法计算出的TN、TP、COD、NH3-N农业源负荷量分别为6.07万t、0.32万t、20.06万t和1.97万t，而对应的等标污染负荷法的结果分别为1 214.7、320.4、133.8和393.1亿m3。

表3 汉江流域陕西段不同污染源的输出系数Tab.3 Export coefficients for different pollution sources in Shaanxi section of the Hanjiang River Basin

2.3.1安康断面以上流域污染物入河系数分析

利用输出系数法计算出安康断面以上流域农业源非点源污染物TN、TP、COD、NH3-N的负荷量分别为3.79万t、0.20万t、12.2万t、1.25万t，在汉江流域陕西段农业源污染物中占比达60%左右。将2.2节计算出的汉江流域安康断面以上非点源污染负荷通量与农业源污染物产生量相除，其结果就是污染物TN、TP、COD、NH3-N的入河系数，分别为0.11、0.18、0.71和0.16。

2.3.2等标污染负荷量空间分布特征

借助ArcGIS软件，结合表4将等标污染负荷量添加到汉江流域陕西段的行政区划属性表中，并划分为5种污染等级，绘制了2017年各区县的TN、TP、COD和NH3-N的等标污染负荷空间分布图，见图4。等标污染负荷的空间分布具有一致性，具体体现在农业土地面积大、畜禽养殖业发达、农村人口众多的地区和县对应较大的等标污染负荷，反之亦然。其中各市等标污染负荷贡献率从大到小排序为：安康市(39.50%)>汉中市(39.49%)>商洛市(22.02%)。

表4 各区县不同污染物负荷估算统计表Tab.4 Estimation table for different pollutants load estimation in each district and county

由图4可知，各污染指标等标污染负荷的最大值均集中出现于汉中市的城固县和洋县以及安康市的汉滨区和旬阳县，其贡献率均在7%左右。其原因是这几个区县的农业用地面积较大，农村养殖业较为发达，大规模的化肥施用和畜禽养殖都不同程度地加剧了非点源污染。虽然汉滨区农业用地的面积小，但畜禽养殖及农村人口的数量大，因此对非点源污染的贡献率也较大。然后是贡献率在3.5%左右的勉县、山阳县、丹凤县、汉阴县、紫阳县和平利县，最小贡献率的地区出现在佛坪县、洛南县和镇坪县，占比不超过1%。

图4 各区县等标污染负荷分布图Fig.4 Distribution of equivalent standard pollution load in each district and county

2.3.3污染源贡献率分布特征

统计各区县不同污染源的等标污染物负荷并计算其贡献率占比，并绘制以区县为基本单位的农业用地、农村生活及畜禽养殖的贡献率空间分布图，见图5和图6。

图5 不同污染源等标污染负荷贡献率占比图Fig.5 Contribution rate of equivalent standard pollution load of different pollution sources

根据统计结果可知农业非点源各污染指标等标污染负荷总量为206.19×109m3，其中农业用地量为100.84×109m3，畜禽养殖量为66.69×109m3，农村生活量为38.66×109m3。与其他人的分析结果具有相似性[25]，在农业土地面积大、畜禽养殖业发达、农村人口众多的区县对应较大的等标污染负荷，反之也成立，空间分布有一定的一致性。由图5可知，农业用地对TN污染的贡献率达62.97%；畜禽养殖对NH3-N污染的贡献率超过50%以上，达到59.67%；TP污染的贡献率中畜禽养殖和农业用地相差不大，均大于38%；农村生活和畜禽养殖对COD污染贡献较大，两者贡献率之和超过70%。

为确定各县区农业非点源污染的主要来源，制定具有针对性的控制措施，分析图6(图例中46、42、40、38分别代表各指标三种来源贡献率中最大值的1/2)可发现TN等标污染负荷表现出明显的规律特征，均以农业用地为主；NH3-N等标污染负荷贡献最大的为畜禽养殖；TP、COD等标污染负荷贡献率则分布不均，主要受制于各区县产业发展和用地情况。

图6 各区县不同污染源等标污染负荷贡献率图Fig.6 Contribution rate of equivalent standard pollution load of different pollution sources in each district and county

受地形地貌等自然环境影响各县区不同污染源排放强度相差较大，综合分析流域内各县区的污染负荷发现农业用地和畜禽养殖贡献比较大。汉江流域陕西段内各区县的TN等标污染负荷具有明显的规律特征，即均以农业用地为主；NH3-N等标污染负荷以畜禽养殖源为主；TP和COD的等标污染负荷贡献率分布则表现出一定的随机性。其中，太白县TN、TP、COD和NH3-N四个污染负荷指标中农业用地的贡献率都最高，分别为92.16%、83.80%、80.83%和69.01%；农业用地对宁陕县TN、TP、COD负荷贡献率都较高，分别达到86.61%、74.16%和71.41%。畜禽养殖对汉阴县TN、TP、COD和NH3-N负荷污染贡献分别为32.22%、48.99%、47.15%和69.00%，对丹凤县TN、TP、COD和NH3-N负荷污染贡献分别为32.43%、55.55%、42.32%和66.48%。对流域内等标污染负荷较大的城固县、洋县、汉滨区和旬阳县，TN贡献率最大的均为农业用地；TP中农业用地和畜禽养殖贡献率相当；COD、NH3-N贡献率最大的均为畜禽养殖。

鉴于此，汉江流域陕西段农业非点源污染治理方案应根据各县区污染源情况因地制宜。主要对农业用地污染进行管控的地区有：太白县、宁陕县、凤县、佛坪县、留坝县、镇安县等；畜禽养殖污染管控的地区则主要为：汉阴县、丹凤县、镇坪县、石泉县、旬阳县、南郑县等。

3 讨 论

通过汉江流域陕西段27个气象站点1971—2018年的逐日降雨数据研究了流域降雨周期和降雨空间分布，发现降雨量有27 a的主周期，降雨量和降雨强度空间分布趋势不一致，但高值中心均位于镇巴县。从全国自然要素降雨入手发现，年平均降雨量变化较小，但是降雨强度呈上升趋势，极端降雨(暴雨和大雨)逐渐增加。在气候变化的大环境下，不同区域的水环境水生态问题越发突显，今年入汛以来，各河湖均出现历史极值，洪涝灾害对人民生活和国民经济的造成的危害很大，从水环境污染角度出发，分析汉江流域陕西段的非点源污染负荷通量及负荷空间分布特性极具意义。降雨是污染的主要驱动自然要素，从2011—2017年安康站的水质水量数据入手分析，多年污染物平均通量贡献指标从大到小依次为COD>TN>NH3-N>TP，不同监测指标多年非点源通量占比均值均超60%，除了TP占比64%外，其余三个指标高达69%，个别年份非点源污染负荷贡献率能达到80%以上。随着对点源污染的有效治理，近年来点源污染负荷逐年减少，而非点源污染则是复杂水环境问题的重点所在。不同污染指标的入河系数影响因子众多，后续还得从多元化角度进行深入研究。从农业源污染物的来源来分析其空间分布，发现TN污染主要来源是农业用地，TP、NH3-N污染主要来源是畜禽养殖，COD污染主要来源是农村生活，未来汉江流域陕西段非点源污染治理方案应根据各县区污染源情况因地制宜。从非点源本身机理、模型化、关键源区识别及可行性优化措施等方面加大研究，助力水源区的水资源管理和水生态水环境保护，也为其他类似区域提供治理思路和技术支持。

4 结 论

在长江大保护和秦岭大保护的背景下，利用小波分析法、径流分割法、输出系数法及等标污染负荷法等方法从汉江流域陕西段自然要素降雨特性、非点源污染负荷通量计算及农业源污染物负荷空间分布特性三方面进行研究，得到如下结果。

1) 汉江流域陕西段降雨量有27 a的主周期，其空间分布呈现由北向南逐渐增大的趋势，而降雨强度呈现由南到北递减的趋势，两者高值中心均位于镇巴县，极易带来极端降雨事件、土壤侵蚀问题及其他水灾害问题。

2) 安康水文站年径流量年际分布不均，在2011年达到303.18×108m3，而在2016年仅为81.16×108m3。汉江干流安康段以上非点源污染物TN、TP、COD、NH3-N通量在2011—2017年的均值分别为：4 261.1 t、351.8 t、8.67万t和1 987.6 t，各种水文年的非点源污染贡献比在41.4%～86.7%之间，个别年份非点源污染负荷贡献占比能达到80%以上，尤其是2017年的NH3-N和COD两种污染物。虽然从近几年的陕西省生态环境厅水环境质量数据分析可发现汉江流域陕西段多数断面水质数据达到地表水II、III类标准，但是非点源污染研究及治理依然不容忽视。

3) 2017年汉江流域陕西段利用输出系数法计算出的TN、TP、COD、NH3-N农业源负荷量分别为6.07万t、0.32万t、20.06万t和1.97万t，而对应的等标污染负荷法的结果分别为1 214.7亿m3、320.4亿m3、133.8亿m3和393.1亿m3。污染物TN、TP、COD、NH3-N的入河系数分别为0.11、0.18、0.71和0.16。

4) 从农业源污染物的来源来分析其空间分布，发现在农业土地面积大、畜禽养殖业发达、农村人口众多的区县对应的等标污染负荷较大。而TN污染主要来源是农业用地，TP、NH3-N污染主要来源是畜禽养殖，COD污染主要来源是农村生活，各区县不同污染源排放强度相差较大，流域内各县区的污染负荷中农业用地和畜禽养殖贡献比较大。汉江流域陕西段非点源污染治理方案应根据各区县污染源情况因地制宜，对太白县、宁陕县、凤县、留坝县、佛坪县、镇安县等县的农业用地污染进行管控，对汉阴县、丹凤县、镇坪县、石泉县、旬阳县、南郑县等县的畜禽养殖污染进行管控。可加大分类管理措施的实施及制定合理的土地利用结构，最大程度减轻源头污染。