洱海流域农业非点源污染负荷分析及防治对策

洱海流域农业非点源污染负荷分析及防治对策摘要:对云南大理洱海流域17个乡镇进行了等标污染负荷法分析｡结果显示,喜洲镇农村生活污染负荷最大,右所镇畜禽粪便和农田化肥污染源负荷均最大;聚类分析法分析结果显示,所划分的4个类别等标污染负荷平均值分别为293.43､511.96､865.59和1104.75 m3,表明不同区域农业非点源污染的相对差异明显｡根据流域面源污染的3种主要类型提出了相应的防控对策｡关键词:农业非点源污染;等标污染负荷;聚类分析;污染控制Study on the Agricultural Non-point Source Pollution Load and Control Measures of Erhai Lake BasinAbstract: The agricultural non-point source pollution has become the most important factor of water pollution.The one-standard pollution load method of analysis in 17 to wns along Erhai showed that Xizhou’s rural life pollution was the head, and Yousuo’s livestock manure and chemical fertilizer were the largest sources of pollution load. Cluster analysis results showed that the average of one-standard pollation load of the divided four types was 293.43, 511.96, 865.59 and 1104.75 m3, respectively, indicating that the relative differences of the agricultural non-point source pollution were significant among different regions. Finally, corresponding countermeasures were put forward based on 3 main types of point source pollution along the basin.Key words: agricultural non-point pollution; one-standard pollution load; clusteringanalysis ;pollution control.由于农业活动的广泛性和普遍性,农业非点源污染已成为非点源污染的最主要组成部分｡农业非点源污染主要是指在农业生产活动中,农田中的土粒､氮､磷､农药及其他有机或者无机污染物质,在降水或灌溉过程中,通过农田地表径流､农田排水和地下渗漏,使大量污染物进入水体,从而造成的污染[1],主要包括化肥污染､农药污染､畜禽养殖污染[2]｡随着化肥､农药的大量使用以及人口的逐渐增多,农业非点源污染逐渐成为水体污染的最主要原因,占了水体总污染的50%以上,已经成为国内外水库､河流､水源等水环境治理的焦点｡美国有60%的水环境污染起源于农业面源污染;丹麦有27条河流94%的N负荷､52%的P负荷由农业非点源污染引起;荷兰农业非点源污染提供的总氮(TN)､总磷(TP)分别占水污染负荷的60%和40%~50%[3]｡我国太湖､滇池流域的农业非点源污染造成的N､P负荷亦都超过了水污染负荷的50%｡继太湖流域和滇池流域之后,洱海流域也成为农业非点源污染的重灾区,其产生的氮､磷等主要污染物约占河流､湖泊营养物负荷总量的70%｡本文利用已有的相关数据,计算出洱海流域17个乡镇不同农业污染源的负荷值,并利用等标污染负荷法进行分析评价,进而得出具有可比性的等标污染负荷值｡在此基础上,利用SPSS软件对数据进行聚类分析,将17个乡镇按污染程度分为4类｡最后,根据分析结果,提出相应的防治对策,以促进洱海流域农业发展和水质保护与改善｡1材料与方法1.1研究区域概况洱海位于云南省大理州辖区内,地理坐标在东经100°05′-100°07′､北纬25°36′-25°58′之间,属澜沧江—湄公河水系｡它是云南省第二大高原淡水湖泊,其面积为251 km2,容积为27.4亿m3,是大理市主要饮用水源地｡洱海流域面积2 562 km2,主要入湖河流有23条,多年平均入湖水量8.25亿m3,其中,北部河流来水量占全湖来水量的70%｡洱海流域地跨大理市和洱源县两个市县,共有17个乡镇,170个行政村,其中大理市11个乡镇,包括下关镇､大理镇､凤仪镇､喜洲镇､海东镇､挖色镇､湾桥镇､银桥镇､双廊镇､上关镇､旅游渡假区和经济技术开发区;洱源县辖6个乡镇,包括茈碧湖镇､邓川镇､右所镇､三营镇､凤羽镇和牛街乡｡随着洱海流域人口的增加和农业的发展,该流域的污染源剧增,致使洱海水质由中营养向富营养型发展｡该流域耕地面积约25 300 hm2,农业人口约57万人｡近十几年来,该流域农业产业高速发展,总产值由1999年的113 734万元增长到2008年的19p考虑到当地特点､研究的可行性和资料的可获得性,笔者将农业非点源污染划分为人类生活污染､畜禽粪便污染和农田化肥污染3类｡参考大理市洱海保护管理局编篡的《洱海管理志》和中国环境科学学会､中国环境科学研究院编著的《云南洱海绿色流域建设与水污染防治规划》的相关数据整理计算得出洱海流域各乡镇的农村生活污染､畜禽粪便和农田化肥负荷污染量的结果(表1)｡1.3研究方法1.3.1等标污染负荷法等标污染负荷是污染源评价中经常使用的评价指标,它主要反映污染源本身潜在的污染水平｡采用等标污染负荷法对污染源进行评价,可利用等标污染指数､等标污染负荷以及污染负荷比3个特征指数来确定主要污染物､重点污染和总污染负荷｡其中,等标污染指数是指所排放的某种污染物浓度超过该种污染评价标准的倍数,反映了污染物浓度与评价标准的关系｡等标污染负荷是对环境产生影响的污染物排放总量,某污染物的等标污染负荷是指单位时间排放的含该污染物的废水等标体积[4]｡污染负荷比是指某污染源或某污染物的等标污染负荷与总等标污染负荷之比,它反映某污染源或污染物的污染贡献[5]｡应用等标污染负荷法评价某地区水环境时,只需要计算其等标污染负荷,即可对所有污染源的排放总量进行评价｡各类等标污染负荷比计算公式见表2｡1.3.2聚类分析聚类分析是根据事物本身的特征进行个体分类的方法｡聚类分析的原则是同一类中的个体有较大的相似性,不同类个体之间差异较大｡系统聚类分析是聚类分析中常用的方法之一｡根据分类对象不同分为样品聚类(Q型)与变量聚类(R型)｡样品聚类就是根据被观测对象的各种特征对事件进行聚类,即对反映被观测对象特征的各变量进行分类;变量聚类是根据所研究的问题选择部分变量对事物的某一方面进行研究[6]｡本研究针对洱海流域的农业非点源污染情况采用系统聚类分析方法中的样品聚类进行聚类分析,即通过各污染源的相似程度来分类｡2结果与分析2.1各污染源的等标污染负荷计算采用GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水质指标下限值(总氮､总磷分别为1.0､0.2 mg/L)作为评价标准,以2008年洱海流域各乡镇农业非点源污染的3种污染源中总氮､总磷污染物的入河污染负荷输出量(表1)作为污染物排放量[7],再根据等标污染负荷法计算等标污染负荷比,结果见图1､图2､图3｡2.1.1人类生活污染源的等标污染负荷计算由图1可以看出,喜洲镇和凤仪镇的人类生活污染源的等标污染负荷比最高,分别为3.31%和3.20%｡这是因为生活污染物的排放量与人口数量直接相关｡喜洲镇和凤仪镇的农业人口分别为62 434人和60 349人,是所有镇中最多的两个镇｡而农业人口数量最少的邓川镇,相应的生活污染源的等标污染负荷比也最低｡2.1.2畜禽粪便污染源的等标污染负荷由图2可以看出,畜禽粪便污染源的等标污染负荷比较大,且差异明显｡右所镇､三营镇､喜洲镇等镇地理条件优越,奶牛饲养量大是其等标污染负荷大的主要原因｡而位于海东的挖色镇､海东镇､双廊镇由于地质水文条件较差,不适宜工业发展和城市建设,重在发展旅游产业,因此畜牧养殖业不发达,畜禽粪便等标污染负荷比最小,三镇等标污染负荷比之和(2.75%)不及右所镇(6.25%)的一半｡2.1.3农田化肥污染源的等标污染负荷由图3可以看出,农田化肥污染源的等标污染负荷比差异非常明显｡右所镇和三营镇农田化肥等标污染负荷比远高于其他镇,分别为 2.14%和 2.00%｡分析其原因可知,耕地面积大､氮肥施用多是其化肥污染源的等标污染负荷比较高的主要原因｡相比较而言,开发区的土地大部分被用作工业用地,其农业生产的活动较少,因此,农田化肥等标污染负荷比也最小,仅占0.16%的比例｡2.2等标污染负荷的聚类分析及结果评价采用系统聚类分析方法中的样品聚类法进行聚类分析,即通过各污染源的相似程度对洱海流域17个乡镇进行分类｡其基本思想是:首先,把洱海流域17个乡镇看作是相互独立的,认为彼此之间在农业非点源污染方面存在着程度不同的相似性;其次,选取各镇3个污染源的等标污染负荷作为度量相似性的统计量(表3),计量各镇统计量之间的欧氏距离,选取组间联接法作为聚类方法[8],通过SPSS17.0软件执行,生成聚类树形图(图4);最后,根据各镇的具体特点确定最终分类｡根据图4,沿虚线将洱海流域17个乡镇分成4类,各类别等标污染负荷的平均值见表4｡第Ⅰ类包括海东镇(5)､挖色镇(6)和双廊镇(9)｡此3镇人类生活污染负荷､畜禽粪便污染负荷和农田化肥污染负荷在4个类别中占比例最小,此3镇都位于洱海东部区域,地质水文条件较差,大部是砾石,不适宜大规模的农田种植和畜禽养殖,农村人口也较少,主要以旅游为主导产业,因此污染物较少｡但相比较而言,其生活污水排放量较大,占3类污染的44.11%｡第Ⅱ类包括邓川镇(13)､下关镇(1)､湾桥镇(7)､银桥镇(8)､开发区(11)､牛街乡(17)和凤羽镇(16)｡这7个乡镇与第Ⅰ类的3个镇相比,人口和耕地面积略有增加,畜禽养殖业较为发达,由畜禽粪便产生的非点源污染负荷较大,是该类地区农业非点源污染的主要来源,在3类污染中占高达54.67%的比重｡第Ⅲ类包括大理镇(2)和凤仪镇(3)｡此2镇人口密集,数量众多,因此其生活污染最为严重,是所有类别中污染程度最高的｡但相对于畜禽粪便污染,生活污水污染份额较小,畜禽粪便污染占3类总污染的47.16%｡因此,农村生活污染和畜禽粪便污染是该类地区农业非点源污染的主要来源｡第Ⅳ类包括上关镇(10)､茈碧湖镇(12)､喜洲镇(4)､三营镇(15)和右所镇(14)｡这5个镇人口众多,农业人口占整个流域农业人口的41.66%;耕地面积也较大,农田面积亦占据近50%的比重,高污染的农产品大蒜种植面积大;养殖业集中,大牲畜养殖数量多,特别是乳牛养殖主要集中在此区｡因此,生活污染和禽粪粪便污染成为该类乡镇污染的主要来源,污染负荷密度大｡3非点源污染控制对策聚类分析结果显示,在洱海流域的不同乡镇,污染程度以及污染物结构差异明显,因此需要根据各乡镇的不同污染特征实施对应的防治措施,如此才能既发挥各地区的资源优势,又能把污染控制在可承受的范围内,从根本上建设清洁健康的流域水生态环境､循环高效的农村产业体系､健全完善的农村环境基础设施和高度和谐的农村生态文明｡第Ⅰ类3个镇的污染显著特征是整体污染水平低,但生活污水排放量大,占3类污染的44.11%,因此应重点治理其生活污水｡在污染较重的地区应采取集中和分散相结合的模式处理生活污水,充分利用水网地区广泛分布的河塘沟渠,建立湿地等生态工程｡对于处理后的村落低污染水平采取资源再利用方式,通过改建､修建沟渠排水系统,将处理后的水引至下游农田进行灌溉,禁止直接排入河流｡此外,实行“户分类､村收集､镇转运､县处理”的垃圾收集—转运—处理一体化模式,提倡垃圾资源化利用或纳入镇级以上处置系统集中处理;大力推广“农户袋装收集､政府定时清运”的管理新模式,同时实施农户门前“三包”,全面控制农村生活垃圾｡第Ⅱ类7个镇由畜禽粪便产生的非点源污染负荷较大,在3类污染中高达54.67%｡进一步比较分析发现,第Ⅲ类和第Ⅳ类的畜禽粪便比例也是最高的,因此,畜禽粪便污染应被视作该3类别地区的防控重点｡据相关研究,全流域畜牧业产值单位面积(数量)TN排放量从高至低依次为奶牛､黄牛､猪､羊､肉禽｡可以发现,牲畜中的奶牛､黄牛的排序最靠前,说明大牲畜的单位面积(数量)TN排放量较大｡因此,应该尽快完成规模化畜禽养殖禁养区､限养区和允许养殖区划定,完成禁养区现有规模化畜禽养殖场的关､停､搬迁,采取政府补贴､创新合作的养殖模式,集中推广畜禽生态养殖,并在相应区域建设“三位一体”沼气池,集中处理畜禽粪便,一方面为当地居民提供燃料,另一方面防止其流入水体中造成污染｡此外,应加强废弃物综合利用,推广防渗化粪池添加微生物制剂无害化处理技术､利用畜禽粪便生产生物有机肥技术､大型/联户沼气工程技术｡在不适宜建联户沼气池､居住较为分散村庄,推广户用沼气池,处理散养畜禽粪便污染｡第Ⅱ､Ⅲ､Ⅳ类乡镇除应重点控制畜禽污染外,其生活污染水平也很高,应该采取类似第Ⅰ类的控制措施,严格控制生活污染｡与此同时,此3类的农田化肥污染亦较为严重,应予以密切关注｡相关研究显示,全流域经济作物产值单位面积(数量)TN排放量从高至低依次为蔬菜､大蒜､玉米､烤烟､马铃薯､小麦､水稻､油料､大麦和蚕豆｡可以发现,经济作物中大蒜､蔬菜的污染负荷最靠前｡因此,应根据各种农作物污染程度,以减污为目的,调整现有种植结构｡通过政府补贴和政策支持,鼓励种植低污染的粮食作物,在农田化肥污染最为严重的第Ⅳ类乡镇设立禁菜区,禁止种植蔬菜和其他高污染作物｡对于所需蔬菜,建设无公害无污染的绿色蔬菜基地,集中治理排污问题｡此外,政府要建立完善的气象信息服务系统,辅导农民科学施药､施肥,有效避免因降雨而造成的水､肥､药集中大量流失｡严格控制农药的使用品种和数量,从农药的采购､贮运､使用以及检测评估等一系列环节入手,切实控制农药污染｡优化施肥结构,提高农田水资源循环利用率和有机肥使用率,切实有效控制化肥的流失｡对现有测土配方施肥技术进行改进,推行简便易行的施肥技术等｡参考文献:[1] 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