怀柔水库上游农业氮磷污染负荷变化.docx
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1、张微微 1,李 红 1 ,孙丹峰 2,周连第 1 第 29 卷 第 24 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.24 124 2013 年 12 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec. 2013 怀柔水库上游农业氮磷污染负荷变化 ( 1北京市农林科学院农业综合发展研究所,北京 100097; 2中国农业大学资源与环境学院,北京 100193) 摘 要: 流域尺度农业污染负荷估算及其时间上的变化分析可为流域农业结构调整以及水污染控制和治理提供科 学依据。利用输出系数模型,对怀柔水库上游
2、两怀流域 2000 年和 2011 年的农业污染负荷总氮和总磷进行了估算 和变化分析,揭示了各类农业活动对两怀流域氮磷污染的影响。结果表明:从 2000 到 2011 年两怀流域农业氮和 磷负荷总量有增加的趋势,分别从 2000 年的 454.029 和 51.014 t 上升到 2011 年的 485.961 和 58.437 t,其中水产 养殖氮、磷负荷量增加比重最大。流域内农业土地利用及产业结构变化是引起氮磷污染负荷发生变化的主要原因。 建议针对不同污染源类型,采取相应减控措施减少各类污染物排放量;同时,大力发展流域循环经济模式,实现 种植业、养殖业和农村生活废弃物的资源化和再生利用。
3、关键词: 氮,磷,模型,农业污染,怀柔水库流域 doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2013.24.017 中图分类号: X522 文献标志码: A 文章编号: 1002-6819(2013)-24-0124-08 张微微,李 红,孙丹峰,等 . 怀柔水库上游农业氮磷污染负荷变化 J. 农业工程学报, 2013, 29(24): 124 131. Zhang Weiwei, Li Hong, Sun Danfeng, et al. Pollution loads variation of agricultural source in upstream of Huairo
4、u ReservoirJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(24): 124 131. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 在以农业活动为主的流域内,种植业、畜禽养 殖和农村生活等是影响流域污染的关键因素。通过 改变土地利用类型、合理调整农业生产结构减轻污 染物排放负荷,或调控土地覆被状态和土地利用措 施,是减控农业污染尤其是面源污染的科学手段 1。 流域尺度农业污染负荷量估算及分
5、析其时间上的 变化能有效地揭示和量化土地利用、农业生产活动 等因素对流域农业污染的影响,可为流域农业结构 调整以及水污染控制和治理提供科学依据。 目前,国内外研究学者开发了大量的数学模型 来估算流域的污染负荷。其中针对小区域污染负荷 模拟研发的机理模型 2-8由于存在模型过程复杂、大 量参数数据难以获取以及计算周期长等问题,在一 定程 度上很难适用于大尺度区域快速而简便的负 荷估算。相反,将复杂科学知识转化为具有需要数 收稿日期: 2013-04-02 修订日期: 2013-10-12 基金项目:北京市自然科学基金资助项目( 8122020);北京市农林科学 院农业综合发展研究所科研基金项目
6、作者简介:张微微( 1981),女,山东阳信人,助理研究员,博士, 主要从事区域水土资源变化与效应评价研究。北京 北京市农林科学院 农业综合发展研究所, 100097。 Email: 。 通信作者:李 红( 1973),女,山东海阳人,研究员,博士,主 要从事农业资源利用与管理研究。北京 北京市农林科学院农业综合发 展研究所, 100097。 Email: 据少和参数少的经验模型,可便利和相对简单的进 行农业污染负荷的估算,同时具有一定的精度,有 利于区域管理者以及农户等不同知识背景的利益 相关者们接受、理解和共同参与决策。输出系数模 型 ECM 被认为是模拟流域污染的可靠经验模型之 一 9
7、-11,已成功应用到国内外很多研究中 12-17。在 假设流域尺度上土地利用是影响养分迁移的主要 因素的前提下,采用输出系数模型模拟流域氮磷污 染负荷,对于那些监测数据很少的区域可满足长期 污染负荷模拟的需要。 水资源成为首都可持续发展的资源瓶颈。怀柔 水库作为北京第三大水库和重要饮水源地,其上游 两怀流域和怀柔水库库区水质直接关系到首都人 民的饮水安全。过去针对怀柔水库流域开展了一系 列水质评价以及水文管理的研究 18-19,而对上游流 域农业污染负荷估算及其变化的研究还未见报道。 因此,本文拟采用输出系数模型估算 2000 年和 2011 年怀柔水库上游两怀流域总氮和总磷的污染负荷, 分析
8、 2000 年与 2011 年农业氮磷污染变化,以期为 怀柔水库两怀流域农业生产活动及农业生产结构 调整提供参考。 1 研究区概况 怀柔水库控制流域面积 525 km2,怀沙河和怀 九河是其主要入库河流(图 1)。怀沙河流域面积 E A 第 24 期 张微微等:怀柔水库上游农业氮磷污染负荷变化 125 175.2 km2,海拔最高 1303 m,最低 57 m;该流域 东西狭长,绝大部分位于长城以南的山前暖区平均 气温 11.9 ,多年平均降水量为 680 mm;近 20 a 平均径流量为 3 111.62 万 m3;该流域属于怀柔水库 上游一二三级保护区,经济活动以农业为主,种植 业、林业、
9、养殖业各占 1/3 左右。怀九河流域面积 347.2 km2,海拔最高 1529.7 m,最低 115 m;整个 流域呈南北向延伸,山地占 80%以上;经济活动也 以农业为主。 近些年,由于流域内农业活动增强,加剧了流 域农业污染程度,从而产生了日益严重的水资源污 染等问题,直接威胁到怀柔水库饮用水安全。通过 实地调查,怀柔水库上游两怀流域土地利用、农村 生活、畜禽养殖、水产养殖、沟域经济发展中休闲 旅游餐饮已成为流域内农业污染的主要来源。据统 计,目前流域内单位面积耕地化肥施用量较大,为 719.5 kg/hm2,远超过全国平均水平( 277.5 kg/hm2) 和世界平均水平( 94.5
10、kg/hm2) 20,成为重要污染 来源之一。不断增加的人均用水量和生活用水总量 也产生了大量的生活污水,畜禽养殖在两怀流域已 形成一定规模,同时水产养殖业迅速发展,排放的 污染物直接影响了河流水质。此外,休闲观光农业 已成为延伸该流域产业链条和促进流域富民的重 要途径,但其产生的餐饮污水也严重破坏了周边的 生态环境。 图 1 研究区位置图 Fig.1 Location of study area 2 材料与方法 2.1 输出系数模型 20 世纪 70 年代初期,北美学者最先提出输出 系数模型,主要用来研究土地利用和湖泊富营养化 之间的关系 21。早期的输出系数模型假定所有土地 利用类型的输出
11、系数都相同,这种假设和现实状况 差异很大。针对这一不足, Johns 等在实际应用中 加入了牲畜和人口等因素的影响,综合考虑土地利 用类型、牲畜种类和数量、农村居民非点源污染排 放等不同污染类型的输出系数 22,建立了更为完备 的输出系数模型。本研究中根据研究区当前主要农 业经济活动,在 Johns 建立的输出系数模型基础上 考虑了水产养殖和沟域经济发展中旅游餐饮这 2 种 因素的影响,以期量化两怀流域各类农业活动产生 的污染负荷。 输出系数模型表达式为 1,22: m Lj ij i P i1 式中, Lj 为污染物 j 在流域的总负荷量 , t; i 为流域 中土地利用类型或牲畜、人口或水
12、产养殖、旅游餐 饮污染源类型,共 m 种; Eij 为污染物 j 在第 i 种污 People 19.54724 19.54724 人 /(t万人-1) 猪 /(t万头 ) Cattle 113.71524 113.71524 2.17924 2.17924 Poultry 0.45924 0.45924 0.05424 0.05424 鱼 /(kgt ) Tourism catering 0.141 0.141 0.027 0.027 Cropland 1.88526 耕地 /(tkm-2) 园地 /(tkm ) Orchard land 0.9011 林地 /(tkm ) 草地 /(tkm
13、 ) 126 农业工程学报 2013 年 染源类型的输出系数; Ai 为流域中第 i 种土地利用 类型面积或第 i 种牲畜数量、人口数量、水产养殖 数量或旅游接待人次数; P 为由降水输入的污染物 总量 , t,研究中未考虑此项的影响。此外,由于数 据获取的有限性,本研究中没有考虑干湿沉降和公 用土地(绿地、路面、宅基地等)的污染负荷。 2.2 输出系数确定 应用输出系数模型的关键是合理确定输出系 数的数值。影响输出系数的因素很多,主要包括流 域内地形地貌、水文、气候、土地利用、土壤类型 和结构、植被以及管理措施等。输出系数的确定一 般采用现场监测和查阅文献 2 个途径确定 23。鉴于 目前没
14、有两怀流域的输出系数试验数据,因此本研 究主要通过查阅前人研究成果及研究区流域相关 资料来确定各项的输出系数(表 1)。 表 1 怀柔水库两怀流域 2000 年和 2011 年各类污染源类型 输出系数 Table 1 Export coefficient of Lianghuai Basin for the year of 2000 and 2011 定 25;旅游餐饮的输出系数则是以研究区内典型餐 饮点计算得到的单位旅游人数产生的入河污染负 荷为依据,以人均排污贡献为 3h(包括餐饮企业为 旅游人群就餐的餐前准备、就餐过程及餐后洗涤 等)的条件下确定的。上述四类污染来源的输出系 数的选取未考
15、虑气候(包括降雨和其强度)以及水 保措施等对输出系数的影响。 农业用地比如耕地和园地的输出系数由于受 化肥施用量影响,在时间上变化较大 14。因此首先 参考国内其他地区的研究成果 1,26-30,选取与两怀 流域自然特性(降水、地形地貌、土壤特征)相近 区域的耕地和园地土地利用类型的输出系数,作为 2000 年研究区耕地和园地土地利用类型的氮和磷 输出系数。其次,利用 2000 年到 2011 年单位面积 农业化肥投入的变化率作为修正系数对 2000 年耕 地和园地的输出系数进行修正得到 2011 年研究区 耕地和园地的氮和磷输出系数。 对于林地和草地这 2 种污染源类型,人为管理 上基本不存
16、在养分投入措施,而且其他影响因素比 类型 Type 氮 磷 Nitrogen Phosphorus 2000 2011 2000 2011 如地形地貌、土壤类型和结构在短时间上存在的差 异很小,在小流域尺度上可以忽略;因此,在假定气 2.142 24 2.14224 -1 Pig 26.66724 26.66724 1.41724 1.41724 牛 /(t万头 -1) 家禽 /(t万只 -1) -1 Fish 96.825 96.825 13.325 13.325 餐饮 /(kg(3h)-1千人 -1) 2.356 0.408 26 0.510 -2 1.126 0.1311 0.163 -
17、2 Woodland 0.2381 0.2381 0.0151 0.0151 -2 Glass land 0.6261 0.6261 0.0681 0.0681 由于输出系数受各种因素的影响,研究区内各 污染源类型的输出系数在时间尺度上会存在不同 程度的差异。怀柔水库两怀流域 2000 年和 2011 年 各类污染源类型输出系数的确定方法如下: 在所有的污染来源中,人口、畜禽(猪、牛和 家禽)、水产养殖以及旅游餐饮这四类污染来源的 输出系数在时间上的变化较小,因此对于这四类污 染源类型 2000 和 2011 年的氮和磷输出系数,本研 究采用相同的值。其中畜禽养殖和农村生活部分 (人 口) 的
18、输出 系 数参考前 人 工作 、国 家 环保局推 荐的排泄系数 24以及研究区当地该污染源产生的 氮磷进入水体的比例来确定;水产养殖的输出系数 根据李翀等在本研究区小流域内的研究结果来确 候和水文条件在研究区 2000 年和 2011 年基本一致的 情况下,这 2 种污染源类型在 2000 年和 2011 年的氮 和磷输出系数值相同。同样,参考前人研究 1,26-30, 选取与研究区自然特性(降水、地形地貌、土壤特 征)相近区域耕地、园地、林地和草地这四类农业 土地利用输出系数的选取主要参考的前人研究成 果,已考虑了气候(包括降雨和其强度)以及水保 措施等对输出系数的影响。 2.3 数据准备
19、模型中需要的数据包括 2000 年和 2011 年土地 利用类型,人口数量,猪、牛和家禽数量,商品鱼 养 殖 数 量 以 及 旅 游 接 待 人 次 数 。 利 用 2000 年 Landsat-5 遥感影像(分辨率 30 m)数据和 2011 年 时间序列的 HJ-1 卫星影像数据(分辨率 30 m)分类 分别得到 2000 年和 2011 年怀柔水库两怀流域土地利 用 /覆被分类图(图 2)。根据查阅统计年鉴和实地调 查收集整理 2000 年和 2011 年人口数量,猪、牛和家 禽数量,商品鱼养殖数量以及旅游接待人次数。 3 结果与分析 3.1 两怀流域总氮和总磷负荷变化 利用输出系数模型
20、计算得到了怀柔水库上游 两怀流域 2000 年和 2011 年不同污染源类型,包括 不同土地利用类型、畜禽养殖、农村生活、水产养 殖、旅游餐饮产生的农业污染物氮和磷负荷量,计 算结果见表 2 和表 3。 Agricultural land use Basin 耕地 林地 Cropland Woodland 农村 Livestock and poultry Huaishahe Basin 19.786 30.397 23.900 0.005 22.555 2.866 21.999 32.172 50.789 0.008 204.469 45.034 Huaijiuhe Basin 17.767
21、46.927 34.517 0 54.510 1.990 27.915 38.587 27.348 0.004 249.560 54.966 Sum 114.877 58.423 131.835 70.759 Huaishahe Basin 4.283 4.420 1.506 0 1.198 0.055 2.588 3.258 6.978 0.002 24.287 47.608 磷 3.845 6.823 2.175 0 2.896 0.038 3.284 3.908 3.758 0.001 26.728 52.392 Sum 19.37 3.682 10.06 7.165 Pollutant
22、s 流域 耕地 林地 Cropland Woodland 农村 Livestock and poultry Huaishahe Basin 17.063 27.895 22.867 0.004 15.067 1.899 13.617 42.665 72.978 0.550 214.605 43.993 Huaijiuhe Basin 12.424 42.512 34.554 0 21.350 0.523 17.224 41.642 100.778 0.350 271.357 56.007 Sum 99.894 57.425 69.679 84.307 Huaishahe Basin 3.693
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