0 引言
水环境污染按照来源分为点源污染和面源污染[1]。近年来，我国对点源污染愈加重视，重点实施了一系列关于点源污染的整治方案，使得点源污染造成的水环境问题趋于平缓，而面源污染问题并未得到有效解决，甚至污染程度不断加剧。目前，我国大部分农村地区的污水管网处理设施还不够完善，大量的生活污水和畜禽养殖污水仅通过简易处理就排放至河流中；另外，大量施用化肥造成的氮磷比例失调，使许多污染物随降雨或农田排水进入河道，导致水环境污染愈加严重。
为更好地解决我国河流水环境问题，面源污染现状评估和处理措施需尽快提上议程。在对农村面源污染进行科学评估时，缺资料地区由于水文、气象、土壤等基础数据十分匮乏，难以满足许多机理模型参数率定等问题[2]，因此国内外研究中大多选取对资料要求较低、简单实用的输出系数模型。但是传统的输出系数模型忽略了降雨、地形对模拟精度的影响，因此应用改进的输出系数模型和ArcGIS[3]对研究区面源污染做现状评估。本次研究选取渠县境内巴河州河流域为研究对象，计算TN、TP典型污染物，从各个角度分析流域污染现状，并采用等标负荷法[4]计算其输出贡献程度。
1 研究区概况
研究区（渠县境内巴河州河流域）位于四川省达州市，涉及12个乡镇，流域面积共计380 km2，见图1。研究区气候属于亚热带季风气候，年平均降雨量1 068.5 mm。流域内主要的3条河流分别为巴河、州河、渠江，涉及行政乡镇12个，总人口约为17.95万人，整个流域呈树叶状，西北部和东南部高，中间低，流域基本覆盖大部分乡镇。
图1 研究区域概况
2 研究方法
2.1 输出系数模型
输出系数模型是Johnes和O’Sulivan于1989年正式提出[5]。该模型因其简单实用、参数率定少等特点而得到广泛应用，特别是在缺资料地区该模型的优势愈加明显，而后该模型得到了一定的改正，将一些新的污染影响因子也作为衡量的因素，修正后的模型计算式为：
式中：L为营养物的流失量（t/a）；Ei为营养源i的输出系数[t/（km2·a）或kg/（人·a）]；Ai为土地利用类型i的面积（km2），或者畜禽养殖类型i的数量（只或头）；I为对污染源i的输入量（t/a）；p为来自降雨的营养物输入（t/a）。
2.2 改进的输出系数模型
2.2.1 降雨对模型的改正
传统的输出系数模型忽略了降雨、地形对面源模拟结果[6]的影响，面源污染的内在驱动为降雨，外在污染物迁移体现在地形坡度上。现实生活中由于单纯降雨产生的污染相对于其他污染来说较小，故而在模型模拟中经常不计算在内。但是降雨量和时间维度和面源污染的量直接相关，忽略降雨的影响会降低模型的精度，难以准确定量评估污染物的负荷。兹引入降雨影响数对模型进行修正，降雨时空的不同会影响河川径流、泥沙等因素，从而影响对环境的评估。降雨改正数主要从时间和空间分布差异[7]2个角度考量，通过相关分析，建立流域年降雨量p和入河量T的回归方程[8]，计算式为：
式中：T指某一年的流域在降雨量p的作用下面源污染入河的负荷量，该值可以通过流域监测断面值推出。故降雨时间差异数X1可以表示为：
式中：
为流域5 a平均降雨量；p为当年流域降雨量。降雨空间分布主要体现在各乡镇降雨分布不同，如图2所示，降雨空间差异数X2可以表示为：
式中：C为研究区多年平均降雨量；Ci为研究区每个乡镇当年的降雨量。故而降雨影响数X计算式为：
2.2.2 地形对模型的改正
坡度是影响污染物迁移的重要因素之一，在汇流过程中，坡度越大，地表水流速度越大，地面径流越不容易下渗，地表径流越大；反之则反[9]。在地形对模型的影响中，土地利用类型已被加入输出系数模型中考量，因此在外在迁移过程中坡度是体现其对面源污染的一个主要因素。径流Q与不同时段坡度之间的关系以及坡度影响数计算式[10]为：
式中：Q为径流量；S为坡度；w、q为常量，查阅相关文献可得q为0.610 4[8]；Y为地形影响数；s为总流域的平均坡度；sˉ为每个乡镇的平均坡度。各乡镇平均坡度由ArcGIS通过DEM与行政区划叠加提取加上地区坡度统计而来。
2.2.3 降雨改正数和地形改正数
降雨、地形改正数由其相应影响数结合《四川省地表水环境容量核定技术报告》[11]中降雨、地形流失系数取组合赋权[12]得到：年降雨量在400 mm以下的地区取流失系数为0.6～1.0，年降雨量400～800 mm之间的地区取流失系数1.0～1.2，年降雨量在800 mm以上的地区流失系数为1.2～1.5；土地坡度在25°以下，流失系数为1.0～1.2；坡度在25°以上，流失系数为1.2～1.5。赋权后的改正数如表1所示。
表1 各乡镇降雨地形改正数
乡镇汇南乡汇北乡汇东乡三汇镇平安乡丰乐乡降雨改正1.47 1.13 1.23 1.05 1.09 1.34地形改正1.35 1.05 1.24 1.18 1.02 1.08乡镇涌兴镇安北乡文崇镇报恩乡大义乡义和乡降雨改正1.19 1.28 1.43 1.02 1.31 1.18地形改正1.04 1.23 1.09 1.12 1.27 1.38
图2 2015年降雨量空间分布
图3 各乡镇平均坡度
2.2.4 改进后的输出系数模型
通过降雨和地形对模型的精度的改正，最终改进后的输出系数模型计算式为：
式中：X为降雨改正数；Y为地形改正数；其他字母含义同输出系数模型公式。
3 数据获取和不同面源的输出系数的确定
3.1 数据获取
所用数据包括2015年渠县境内巴河州河流域12个乡镇的人口数量、畜禽养殖情况、土地利用面积、水质监测、化肥施用、降雨量时空分布等情况，四川省30 m精度的DEM数据。其来源于四川省渠县环保局、气象局、国土局、农业局、统计局和现场实地考察研究。各乡镇土地利用面积和人口数量见表2。
表2 研究区各乡镇基础资料
乡镇旱地/km2水稻田/km2果园/km2天然林地/km2荒地/km2建设用地/km2人口三汇镇7.85 15.19 0.85 2.96 0.51 7.34 38 544涌兴镇6.11 12.06 0.13 4.36 0.16 5.95 31 133平安乡2.07 4.05 0.02 1.12 0.10 1.98 9 344丰乐乡3.34 6.13 2.01 5.36 0.55 2.79 16 588文崇镇4.37 7.73 0.12 4.69 1.01 3.36 14 897报恩乡3.92 7.50 0.03 8.20 0.34 3.58 15 100安北乡3.26 5.78 0.07 6.69 0.73 2.52 12 088大义乡2.48 3.66 0.07 9.59 1.29 1.18 5 823义和乡4.75 6.00 0.02 10.89 3.49 1.25 6 349汇东乡4.58 7.91 4.03 19.93 1.25 3.33 11 748汇北乡2.30 4.42 3.45 1.03 0.17 2.12 9 390汇南乡3.11 5.40 0.48 23.26 0.81 2.29 6 467
3.2 输出系数的确定
不同条件下的输出系数各不相同。通常确定输出系数的方法有3种：参考文献法、试验模拟法和水文统计法[2]。由于研究区属于缺资料地区，影响输出系数确定的众多因素如地形、地貌、水文、气候、土壤类型、植被覆盖等资料[13]不全，故而采用文献法结合当地现场调研综合得到输出系数。通过查阅长江上游地区TN、TP输出系数研究成果[14]和四川省境内的TN、TP的输出系数[15]进行综合对比，得到研究区输出系数如表3所示。
4 模拟结果和评价
选取2015年渠县巴河州河境内12个乡镇、6种污染源，运用改进前后的输出系数模型分别计算污染负荷量，通过引入等标污染负荷法以方便各污染源作为统一尺度进行比较，各污染源改进前后负荷见表4、表5。
表3 研究区不同面源的综合输出系数
类型旱地水稻田果园天然林地荒地建设用地居民生活污水猪TN 0.23 0.15 0.08 0.238 1.49 1.10 0.935 1.39 TP 0.009 2 0.009 4 0.005 0 0.015 0 0.051 0 0.024 0 0.128 4 0.142 0
表4 研究区改进前各污染源综合评价结果
污染源旱地水稻田果园天然林地荒地农田地表径流污染合计畜禽污染合计（折合成猪）农村居民生活污水城镇地表径流城镇生活污水工业污染（点源）总污染合计改进前污染物入河量/（t·a-1）TN 11.09 12.87 0.9 23.35 15.54 63.73 3.69 165.93 41.46 86.63 150.67 512.13 TP 0.44 0.81 0.06 1.47 0.51 3.31 0.19 22.79 0.92 11.9 16.86 55.95污染物等标负荷（t·a-1）/（mg·L-1）TN 11.07 12.87 0.9 23.35 15.54 63.73 3.69 165.93 41.46 86.63\425.17 TP 2.2 4.05 0.3 7.35 2.55 16.55 0.95 113.95 4.6 59.5\212合计13.27 16.92 1.2 30.7 18.09 80.28 4.64 279.88 46.06 146.13\637.17污染物等标负荷比/%TN 1.74 2.02 0.14 3.66 2.44 10 0.58 26.04 6.51 13.6\66.73 TP 0.35 0.64 0.05 1.15 0.4 2.6 0.15 17.88 0.72 9.34\33.27合计2.08 2.66 0.19 4.82 2.84 12.6 0.73 43.93 7.23 22.93\100
表5 研究区改进后各污染源综合评价结果
注 本研究中，等标污染负荷将工业点源污染排除在外；污染物等标负荷的计算按照TN、TP分别除以1和1/5的标准，污染物负荷百分比的计算为各污染物所在污染源等标负荷除以总污染等标负荷的合计。
污染源旱地水稻田果园天然林地荒地农田地表径流污染合计畜禽污染合计（折合成猪）农村居民生活污水城镇地表径流城镇生活污水工业污染（点源）总污染合计改进前污染物入河量/（t·a-1）TN 15.77 18.11 1.27 37.31 24.47 96.93 5.01 226.36 57.36 118.18 150.67 654.51 TP 0.63 1.13 0.08 2.35 0.84 5.03 0.25 31.09 1.25 16.23 16.86 70.71污染物等标负荷（t·a-1）/（mg·L-1）TN 15.77 18.11 1.27 37.31 24.47 96.93 5.01 226.36 57.36 118.18\503.84 TP 3.15 5.65 0.4 11.75 4.2 25.15 1.25 155.45 6.25 81.14\269.24合计18.92 23.76 1.67 49.06 28.67 122.08 6.26 381.81 63.61 199.32\773.08污染物等标负荷比/%TN 2.04 2.34 0.16 4.83 3.17 12.54 0.65 29.28 7.42 15.29\65.17 TP 0.41 0.73 0.05 1.52 0.54 3.25 0.16 20.11 0.81 10.50\34.83合计2.45 3.07 0.22 6.35 3.71 15.79 0.81 49.39 8.23 25.78\100
4.1 从污染类型角度分析
研究区大多处于以农业发展为主的地区，相应配套的污水管网措施不健全，当地居民产生的生活污水和畜禽养殖的污水大多是直接排放或通过简易化粪池和沼气池处理后排放，产生的沼液和沼渣作为肥料用于农田，降雨使其随农田地表径流排出产生面源污染[2]。故而研究区除工业污染为点源污染外，其余均算作面源污染。由表5可知面源和点源的TN、TP负荷值，继而根据表5注明中等标污染负荷百分比详细计算可推算出面源污染占总等标污染负荷的76.69%，因此研究区主要污染为面源污染，水环境治理的主要重点应放在面源污染上。
4.2 从污染源角度分析
2015年渠县境内州河巴河流域共12个乡镇的农田地表径流、畜禽养殖、农村居民生活污水、城镇地表径流、城镇生活污水5种污染源的总等标污染负荷分别为122.08、6.26、381.81、63.61和199.32（t·a-1）/（mg·L-1），等标污染负荷比分别为15.79%、0.81%、49.39%、8.23%和25.78%（表5）。各污染源等标污染负荷比见图7，由图7可知，研究区面源污染第一污染源为农村居民生活污水（49.39%）；农村居民生活污水、农田地表径流和城镇生活污水共占总污染的90.96%，三者为研究区重点治理的3大污染方向。
4.3 从污染物角度分析
2015年研究区TN、TP总负荷量分别为503.84、53.85 t/a（表6），TN、TP空间分布如图4、图5所示，TN、TP的空间分布除了报恩乡之外分布大致相同，但其整体上分布不均，呈现出南北部负荷较少，中部地区局部集中，由西向东递减的特征。无论是从TN还是TP的空间分布来看，输出负荷较大的均为三汇镇和涌兴镇，输出较小的均为平安乡和汇北乡。
表6 各乡镇污染物等标负荷比
类型TN/（t·a-1）TP/（t·a-1）等标负荷总数（t·a-1）/（mg·L-1）等标负荷比/%三汇85.61 9.95 135.36 17.51涌兴68.67 8.02 108.77 14.07平安乡18.98 2.17 29.83 3.86丰乐乡44.56 5.10 70.06 9.06文崇镇46.54 5.04 71.74 9.28报恩乡35.16 3.81 54.21 7.01安北乡38.31 4.17 59.16 7.65大义乡25.06 2.40 37.06 4.79义和乡33.43 2.81 47.48 6.14汇东乡46.45 4.44 68.65 8.88汇北乡21.32 2.38 33.22 4.31汇南乡39.76 3.55 57.51 7.44合计503.84 53.85 773.08 100
图4 研究区各乡镇TN负荷分布图
图5 研究区各乡镇TP负荷分布图
4.4 从重点治理乡镇角度分析
从乡镇角度分析，如表6所示，三汇镇和涌兴镇的等标污染负荷分别位居第1、第2，主要原因为：①2个镇在人口数量上远超其他乡镇，约为平均人口的2倍，人口众多直接影响生活污水排放量增多；②2个镇土地幅员辽阔且其辖区河网密集，河流贯穿面积宽广。同时可以看出，输出负荷最小的2个乡镇为平安乡和汇北乡。各污染源空间分布情况如图6所示，研究区各乡镇污染源占比相对来说比较规律，大多乡镇农村居民生活污水输出负荷约占1/2以上，而汇南乡和义和乡有所不同，其农田地表径流为主要污染源。
图6 各污染源负荷在各乡镇空间分布
图7 5种污染源等标负荷占比图
5 模型验证
研究区属于缺资料地区，难以满足众多机理模型进行模拟结果对比时所需相关资料，故采用水质监测数据计算TN、TP的实际负荷量来对模拟结果进行验证。选取州河入境断面白鹤山和研究区出口断面舵石鼓2010—2015年的TN、TP水质监测数据，计算得2010—2015年TN的均值为0.78 mg/L，监测断面2010—2015年平均年径流量为24 m3/s，而后推求TN、TP的实际负荷值，详见表7。通过对比发现，在已考虑到点源污染却未考虑河流自我净化能力的条件下，利用输出系数模型计算的入河量负荷值还小于实际负荷值，说明原输出系数模型模拟的入河量负荷值偏小，准确性有待提升。相反加入降雨时空影响和地形改正后，输出系数模型计算得到的负荷值比实际偏高一些，TN、TP分别为模拟结果与实际相对误差10.87%和13.86%。考虑到河流自我净化能力的削减，改进后的输出系数模型精确度较高。模型如若加入详细的土壤类型资料和考虑到污染物在土壤中的迁移变化[16]，以及上游来污量的影响，精度将会进一步提高。
表7 污染物入河模拟值与实际负荷值对比 t/a
污染物TN TP实际负荷值590.35 62.10输出系数模型512.13 55.95误差分析/ /改进的输出系数模型654.51 70.71误差分析10.87%13.86%
6 讨论
基于改进的输出系数模型和借助GIS技术以及等标污染负荷法对研究区6大污染源进行精确估算，并分析该区TN、TP空间分布特征，结果表明，从污染类型角度分析：研究区面源等标负荷为773.08（t·a-1）/（mg·L-1），占总等标污染负荷的76.69%，因此水环境治理的重点方向为面源污染，这与张洪波等[2]对泸县境内濑溪河的研究结果一致，同时与研究区以农业生产为主的情况相符合。从污染源角度分析，农村生活污水作为研究区面源污染的第1大污染源，应该受到重视。农村生活污水、城镇生活污水和农田地表径流3大污染源总等标负荷为703.21（t·a-1）/（mg·L-1），占面源污染90.96%，是研究区治理的重点方向，这个结论与李小丽等[17]对古蔺河流域的研究成果除畜禽养殖外基本相似，恰好印证了研究区畜禽养殖以散养为主，其占面源污染比例相对较小，因此在镇区中心建立配套的污水管网作为试点是资金投入的重点，农村地区污水管网未覆盖的地方污水至少应该简易处理后再排放，尽早将农村污水建设成网和进一步加强农田施肥管理乃是今后研究区水环境治理的重难点。从污染物角度分析：TN、TP空间分布基本一致，这与王文章等[11]对射洪县农村面源评估的结果一致，其输出负荷分别为503.84、53.85 t/a，利用各乡镇污染物等标负荷法和TN、TP空间分布可以看出水环境治理的重点应该放在涌兴镇和三汇镇，通过GIS建立长期有效的水信息平台，能够方便监测重点乡镇的面源污染治理进度。
7 结论
通过研究降雨、地形对模型的影响，构建改进的输出系数模型用于缺资料地区面源污染评价，得出研究区第1污染源为农村生活污水，农村生活污水、城镇生活污水、农田地表径流为研究区3大主要污染源；借助GIS技术和等标污染负荷法可以直观看出TN、TP在各乡镇的空间分布特征，可以明确各乡镇污染治理的重点；最后用模型改进前后的评价结果和研究区的水质监测数据进行比较，表明模型验证结果良好，与研究区实际情况相吻合，该方法适用于缺资料地区面源污染评估。然而，由于相关资料缺乏，建立的降雨量和污染物入河量回归方程仅依赖就近年份年降雨量数据，偶然性误差较大且降雨强度和降雨历时等对模型精度的影响。同时若在非点源污染迁徙过程中，建立污染物在不同土壤中的迁移变化动态方程，将流域内整个非点源污染发生、迁移、入河的全过程进行全方位、多角度的考量，构建一种新型农业面源污染评估体系，可为缺资料地区农业面源污染评估扩宽思路。
[1]李小丽，敖天其，黎小东.古蔺河流域古蔺县段农业非点源污染综合评价[J].水土保持研究,2016,23(5):327-331.
[2]张洪波，李俊，黎小东，等.缺资料地区农村面源污染评估方法研究[J].四川大学学报(工程科学版),2013,45(6):58-66.
[3]代晋国，王淑莹，李利生，等.基于GIS的非点源污染的研究及应用[J].安全与环境学报,2003(6):36-39.
[4]高新昊，江丽华，李晓林，等.“等标污染法”在山东省水环境农业非点源污染源评价中的应用[J].中国生态农业学报,2010,18(5):1 066-1 070.
[5]史小春，敖天其，黎小东，等.涪江流域(射洪境内)面源污染综合评价[J].水土保持研究,2018,25(4):375-379，385.
[6]刘茂辉，赵越，钱丽萍，等.红壤茶园的输出系数模型的改进及其应用[J].水资源与水工程学报，2014,25（2）：85-90.
[7]张坤，李婕，熊江兰，等.桑园河流域降雨时空分布与径流趋势变化研究[J].人民长江,2017,48(S2):76-80.
[8]常丽娟.基于改进的输出系数模型对三峡库区非点源氮磷污染负荷的模拟研究[D].重庆：重庆大学,2015.
[9]邬燕虹，张丽萍，邓龙洲，等.坡面氮素流失的坡度和雨强效应模拟研究[J].水土保持学报,2018,32(2):27-33.
[10]陆建忠，陈晓玲，肖靖靖，等.改进的输出系数法在农业污染源估算中的应用[J].华中师范大学学报(自然科学版),2012,46(3):373-378.
[11]王文章，敖天其，史小春，等.基于输出系数模型的射洪县农村面源污染负荷估算[J].环境工程,2018,36(1):173-177.
[12]何清华，解燕平.基于最优组合赋权的建筑业产业区域竞争力评价[J].同济大学学报(自然科学版),2015,43(11):1 765-1 770.
[13]刘增进，张关超，杨育红，等.河南省农业非点源污染负荷估算及空间分布研究[J].灌溉排水学报,2016,35(11):1-6.
[14]马广文，王业耀，香宝，等.长江上游流域土地利用对面源污染影响及其差异[J].农业环境科学学报,2012,31(4):791-797.
[15]丁晓雯，刘瑞民，沈珍瑶.基于水文水质资料的非点源输出系数模型参数确定方法及其应用[J].北京师范大学学报(自然科学版),2006(5):534-538.
[16]唐琪.不同土壤类型及降雨强度下面源污染中氮元素去向特征规律研究[D].成都：西南交通大学,2017.
[17]李小丽，敖天其.缺资料流域农业面源污染负荷研究与综合评价[J].人民长江,2016,47(6):6-11.