小流域水污染分析研究

小流域水污染分析研究

1 引言

自20世纪40年代以来，美国密西西比河流域由于大量氮磷养分流失导致河流和墨西哥海湾水体严重富营养化，其中，50%~70%的总氮(TN)来自于农业面源污染.欧洲农业面源污染排放的TN是地表水体N负荷的主要来源，例如，荷兰60%的TN负荷来源于农业面源污染，在瑞典，流域总输入TN负荷中有60%~87%来自于农业面源污染.自20世纪90年代以来，中国化肥用量一直居世界首位，单位面积化肥用量从187.5 kg · hm-2增长到346.1 kg · hm-2，畜禽养殖业在20世纪90年代以后也呈快速增长，而养殖业废弃物的处理一直是畜禽养殖业发展的“短板”.2010年我国第一次全国污染源普查结果显示，农业源TN排放量占全国TN总量的57.2%，其中，种植业对TN的贡献率占59.0%，养殖业对TN的贡献占37.9%.全国水体状况自20世纪80年代以来，富营养化水体面积增加50%以上，各大主要湖泊河流水质均出现了不同程度的富营养化现象.

为了改变以往农业面源污染防控中技术措施的单一性，从20世纪70年代开始，西方发达国家相继开展了以流域综合防控为主的研究，其中以美国的最大日负荷总量(Total Maximum Daily Load，TMDL)最具代表性.TMDL的定义为“在满足水质标准条件下，环境水体能够接受某种污染物的最大日负荷量”，其中，包括点源和面源污染负荷的分配，并考虑了安全临界值和季节变化.近年来，一些研究者将TMDL运用到我国的水环境管理体系中，其中对污染物负荷的估算主要采用了基于水量和水质监测数据的经验统计方法和建立流域综合模型(如SWAT、HSPF、AnnAGNPS等)方法，但也发现一些问题，比如经验法由于缺乏机制基础其预测精度相对较低，而模型法虽然精度高，但由于参数本身的不确定性及一些流域基础数据缺乏等原因尚不能得到广泛应用.随后的一些研究发现，负荷历时曲线法(LDC)能够有效避免上述问题，较直观地反映水文特征和水质受损程度间的关系，我国也逐渐将LDC法运用于数据资料较为缺乏流域的TMDL制定中，如利用LDC法计算了东辽河流域铵氮和化学需氧量的最大日负荷通量，并分析了污染物年内变化特征.以洱海弥苴流域为例，探讨了不同水质限制要求下，运用LDC法具体分析和解决各类水质问题的方法.利用LDC法分析了赣江流域多个水文站的污染物通量.这些研究表明，LDC法在我国不同区域污染物负荷估测中的应用具有较好的可行性.但前期这些探索性研究主要针对的是单一流域下污染物负荷的现状通量、超标和消减状况等，而对于具有不同土地利用构成和种养结构等特征小流域的比较及不同水文阶段污染物负荷特征的研究尚少见报道.

因此，本研究以长沙县金井河流域为主要研究区域，通过采用LDC法研究多个小流域TN负荷通量和超标、消减状况，并运用灰度分析法比较小流域各因子对TN负荷消减的影响，以期为揭示亚热带农业小流域面源污染物的迁移机理及面源污染的科学防控提供理论依据.

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区金井河流域位于湖南省长沙市东北约50 km，地处长沙县金井镇境内，为湘江一级支流捞刀河的上游，地理坐标为27°55′~28°40′N、112°56′~113°30′E.区内为典型亚热带红壤丘陵地貌类型，地势呈北高南低趋势，海拔43~460 m，是农业生产生活相对集中的场所.每个子流域都有基本相似的土地利用格局，其中，丘岗区主要为林地、果园、茶园或旱地，沟谷区则主要为水田、菜地、堰塘等.主要农作物为水稻和蔬菜，水稻种植模式主要为双季稻.研究区有

着悠久的生猪养殖历史，主要以家庭散养和小规模(<1000头存栏)集约化养殖为主.研究区为典型亚热带湿润季风气候，年平均降水1200~1500 mm，集中在3—8月，人均水资源占有量为1700 m3，低于国家(2200 m3)和湖南省(2700 m3)的人均水平，属于水资源季节性短缺的区域.年平均气温17.2 ℃，无霜期274 d，年日照时数1663 h，相对湿度80%左右.

研究区涉及的流域总面积为134.4 km2，其中包括4个面积约30~50 km2的一级子流域、17个面积约3~10 km2的二级子流域，根据研究目标和流域分布特征，在研究区域内选取10个有代表性的小流域，面积范围为0.09~52.12 km2，分别在各流域出口布设固定的水文观测设施并定期采集水样，开展水文水质定位观测，并独立收集流域土地利用、景观指数、畜禽密度、社会经济等数据.根据前期的研究，10个小流域可依据土地利用和养殖业的分布特征划分为4种基本类型(表 1)，即森林小流域(伏岭)、森林-种植小流域(拔茅田、观佳、涧山)、养殖小流域(军民、团结)、种植-养殖小流域(水坝、脱甲河、惠农、东山桥).

表1 10个小流域土地利用与畜禽密度

2.2 数据来源与分析

2.2.1 研究区土地利用和社会经济数据

流域平均坡度、高程提取通过ARCGIS 9.3提取(表 1).畜禽养殖数量通过对流域内农户家庭随机抽样(10%)调查获得，再通过下述公式计算得到流域畜禽养殖密度：