ABSTRACT

Bosten Lake was once China’s largest inland freshwater lake. Also, it is the important water source for the Yanqi Basin, the banks of Qongquehe, and the Tarim River. Since the 1950’s, the development of industry and agriculture has caused not only increased pollution into the lake, but also the water quality has deteriorated. Farmland drainage is the main cause for the water pollution. To quantitatively analyze the farmland drainage pollution, data were gathered for the characteristics of spatial distribution and for the annual changes in recent years. The following items below were used for obtaining these data: First, there is the basis of the remote sensing images and the field survey, where we represent the GIS’s plotting for the 26 main drainage canals. Secondly, by using the monitoring data of the drainage water into the lake during the period of June 2002 to May 2003, we can approximately estimate the increased amounts of wastewater and pollutants. Then lastly, we will use the results of the eight most important canals to be compared with the data for the year 2007. The criteria set above helped produce the following information: 1) The total drainage volume of wastewater, TN, and TP content of 26 main drainage canals was 4.3 × 10⁸ m³, 1287 t and 10 t respectively; 2) For the 17 drainage canals into the Lake, the Yellow Main Dry Line had the largest total drainage volume of wastewater and TP content, 1.35 × 10⁸ m³ and 4.3 t respectively; while the largest TN content was at the 22nd South Dry Line, 296t; 3) The grades of water quality for all of the drainage canals have now been classified and then arranged by the single factor index method and by the concentration of the pollutants; 4) Among all the drainages, we have selected eight most important canals whose total drainage volume of wastewater, TN, and TP content were respectively 3.6 × 10⁸ m³, 1193 t and 9.6 t. Therefore, by comparing the data obtained from the year 2007 with those obtained from the period of June 2002 to May 2003, we have found that the percentage increase of wastewater, TN, and TP content was respectively 81.4%, 46.0% and 527.7%.

Keywords:Agricultural Drainage, Pollutants, Characteristics of Spatial Distribution, Bosten Lake

博斯腾湖农田排水及其污染物空间分布 特征分析

庄晴¹，盈丽莎¹，张建平²

¹四川师范大学地理与资源科学学院，四川 成都

²新疆巴州环保局环境监测站，新疆 库尔勒

Email: 18382452355@163.com

收稿日期：2015年8月14日；录用日期：2015年8月29日；发布日期：2015年9月4日

摘 要

博斯腾湖曾经是我国内陆最大的淡水湖泊，也是焉耆盆地、孔雀河沿岸及塔里木河下游的重要水源地。自上世纪五十年代以来，随着工农业的发展，经农田排水进入湖泊的污染物增多，水质开始劣化。农田排水是造成湖水污染最主要的原因。为定量辨析农田排水污染特征的空间分布及其近年来的年际变化，本文首先基于遥感影像，结合实地调查，绘制了26条主要排渠的空间分布图；其次根据2002年6月至2003年5月的农田排水监测数据对农田排水量及各种污染物含量进行估算；最后，选取8条主干渠将其与2007年前人的估算结果进行了对比。研究结果表明：1) 26条排渠的污水排放总量、TN和TP含量分别为4.3亿m³、1287 t和10 t；2) 进入大湖区的17条排渠中，黄水总干排的污水排放量和TP含量最大，分别为1.35亿m³和4.3 t；而TN含量最大的为22团南干排，为296 t；3) 依据26条排渠的水质数据，选取单因子指数法对其污染浓度进行水质评价，并对污染因子的浓度进行排序；4) 选取8条主干渠，其污水量、TN和TP含量之和分别为3.6亿m³、1193 t和9.6 t。2007年与2002年6月至2003年5月相比，其污水总量、TN和TP含量分别占后者的81.4%、46.0%和527.7%。

关键词 :农田排水，污染物，空间分布特征，博斯腾湖

1. 引言

博斯腾湖(简称博湖)是中国内陆湖泊的典型代表，其水域面积大约900 km²，容量约为88亿m³ [1] ，其水量大小及水质状况对其流域(博湖流域包括和静、和硕、焉耆和博湖四县，简称北四县)具有重大意义[2] 。自50年代以来，随着当地人口数量增加，水土开发规模加大，水资源的不合理利用等，湖泊水质急剧恶化，流域内的生态系统的持续稳定性有所减弱 [3] - [5] 。自60年代以来，作为新疆重要的农业工业产区，由于其工业和灌溉农业发展，使入湖的农田排水污染物也相应增加 [6] ，但其主要的污染源为农田排水。徐海量等研究了大湖区、小湖区及黄水区的离子和矿化度等污染物的含量，并分析了河口区等的水质现状 [7] 。买合木提·巴拉提计算了污染物入湖控制总量，并指出控制污染的重点应该从污染严重的大干排着手 [8] 。谢贵娟等对大小湖区及黄水区的营养水平做了评价 [9] 。2007年，赛·巴雅尔图对博湖流域的主干渠入湖的水量及污染物含量进行了计算 [10] 。但上述研究尚未对各个湖区(本文只分为大湖区和小湖区)的入湖污染物含量的年际变化进行研究，对各农田排渠(流域内主要有农业、工业、城镇生活及旅游污染共四类污染，它们均经过农田排渠再进入博湖)污染因子的分析也不够全面。本文针对各农田排渠进入湖泊的污水，即：农田排水，分析了农田排水的污染物组成及其成分特征和空间分布，计算了农田排水总量及污染物含量，同时也将本文的部分计算结果与2007年赛·巴雅尔图的计算进行了对比，同时也对污染因子利用单因子指数法对水质类别进行划分，以求为控制农田排水污染及治理水环境提供理论依据。

2. 数据来源与研究方法

2.1. 数据来源

1) 遥感数据：2002年6月至2003年5月(本文简称监测年)分辨率为30 m的TM影像，结合DEM数据及GPS实地调查。

2) 流量数据：流量数据来自北四县环保部门；部分遗漏的流量数据来自巴州水资源管理局。

3) 污染物数据：来自监测年巴州水文水资源勘测局的集中监测，主要有：COD_Cr、TP、BOD₅、TN、氨氮、悬浮物、砷化物、氟化物8种数据；流量数据和污染物数据均在监测年内每两月监测一次(2002年7月、9月、11月；2003年1月、3月、5月)，共监测六次。

2.2. 研究方法

本文基于遥感资料，以ArcGIS为手段，结合GPS实地调查，划分了进入大湖区的排渠和进入小湖区的排渠，建立了湖区与排渠的水利联系，最终绘制了农田排渠水系图，图1。由图可知，进入流域的主要农田排渠共有26条，其中17条(包含直接流入和经黄水区间接流入)进入大湖区，9条进入小湖区；根据农田排水为农业、工业和城镇生活污水之和，推算出入湖农业污水量，得出博湖农田排水污染方式

图1. 博湖流域农田排渠水系图

依次为农业、工业和城镇生活污染；再基于流量数据和污染物数据(采用六次数据的算术平均值作为年值)对大小湖区的TN和TP等五种污染物含量进行了估算和对比。对COD_Cr和TP等六种污染物采用单因子指数法确定其水质类别，并对每种污染因子的污染程度进行排序；选择监测年和2007年大小湖区8条主干渠的污水量、TN和TP含量进行了年际变化对比。

3. 结果分析

3.1. 农田排水的污染种类及其水量

本文首先分析了农田排水的污染，主要由农业污染、城镇生活污染、工业污染和旅游污染共四类污染组成。这些污染首先流入农田排渠，再流入湖泊。为此，农田排水总量实际上是这四类污水之和(但由于旅游污染较小，本文暂不予以考虑)。并由此根据已有数据间接计算农田排水的总量。

3.1.1. 入湖城镇生活污水

通过查阅《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》，该区属于全国污染源调查的第五区第五类区域，其排污系数见表1，再根据博湖各县市的统计数据，2002年~2003年博湖北部四县的城镇居民的人口数量，见表1，估算每年(按365天算)进入农田排渠的城镇生活的污水量计算各污染物排放量，如表1。2002年、2003年城镇生活污水量各为457万t和473万t，因此，监测年的污水量为2002全年和2003全年污水量之和的50%，465万t。

3.1.2. 入湖工业污水

根据2002年~2003年的监测资料，北四县工业排污量，如表2，2002年的工业污水量374万t，2003年工业污水量541万t，因此，监测年的污水量估算值为2002年全年和2003年全年污水量之和的50%，458万t [11] 。

3.1.3. 入湖农业污水

由监测年排渠的监测数据可得排渠的污水总量。监测年内农田排渠共有43,081万t污水，表3。

由此，农田排水中的农业污水量为42,158万t (农田排水总量为农业、工业及城镇生活污水量之和)。综上，博湖农田排水的污染方式依次为：农业污染、工业污染和城镇生活污染。

3.2. 各农田排渠的排水构成及污水排放量

各类污水均经过农田排渠最终流入湖泊，本文根据26条主要农田排渠水系图(图1)，由表3，所有排渠中，仅有六条排渠是混合污染，其余二十条仅由农业污水构成。这就表明农业污染为农田排水的主要污染，其次才为工业和生活污染 [11] 。

综上，大湖区由于黄水区的注入，其污染方式比较复杂，共有六条排渠为混合污染；小湖区污染均来自农业污染，来源单一。

表1. 博湖流域北四县城镇居民生活排污系数及其主要污染排放量估算

注：数据来源于《博湖水环境问题成因演化趋势及综合治理规划研究》，2012年；^*数据来源于《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》。

表2. 博湖流域北四县的工业排污量

注：数据来源于《博湖水环境问题成因演化趋势及综合治理规划研究》，2012年。

表3. 2002年6月~2003年5月各农田排渠的排水构成及其污水排放量

3.3. 农田排水总量与其污染物含量

3.3.1. 农田排水总量分析

由表3，监测年中，流域内26条排渠的污水排放总量(农田排水总量)约4.3亿m³，其中入大湖区约2.7亿m³，小湖区约1.6亿m³。而入大湖区中的黄水总干排，排放量又最大，约为1.4亿m³，占总农排水的三分之一 [11] 。

3.3.2. 农田排水的污染物含量分析

选取悬浮物、COD_Cr、BOD₅、TN及TP五种污染物为研究对象，根据排渠的水量和结合表5中的污染物浓度，可计算求得各排渠的污染物含量，进而求取各个排渠所属湖区的污染物含量，表4比较了大小湖区的污染物含量及其百分比。表4中，进入大湖区的每项污染物均占据污染物总量的50%以上，尤其是大湖区的TP占据整个湖区TP总量的92%。

3.4. 农田排水水质类别

3.4.1. 水质评价

农田排水属农业用水范畴，根据《地表水环境质量标准》GB3838-2002中V类水质的标准对其进行评价。选取监测年内所有排渠各污染物的六次平均作为污染浓度，对水质进行评价，选取6种污染因子：COD_Cr、BOD₅、氨氮、TP、氟化物和砷化物作为指标。

选取单因子指数法，计算所有排渠的COD_Cr等共六种污染的平均浓度，同V类水质标准中的评价因子作对比，确定其水质类别(表5)：

从表5中可得出以下结论：

1) 流域内氟化物、砷化物浓度低，为I类水质，这表明工业污染较轻。

2) 在26条排渠中，仅小湖区的永宁乡总干排为水质最好的II类水质。

3) 属于劣V类水质的3条排渠全在黄水区，这表明进入黄水区的污染较严重，黄水区的水最终进入大湖区，这对大湖区的水质状况的影响较大。与V类水质相比，超标物为COD_Cr和氨氮。黄水总干排、22团南干排、胜利干排的COD_Cr分别超标1.59倍、2.9倍和2.2倍。其余20条排渠(除27团二干排和24团六连干排缺测外)的水质类别属于III类或IV类，水质状况良好。

3.4.2. 污染因子浓度排序

上述六种污染物中，氟化物和砷化物的浓度较小，对水质影响较小，而COD_Cr、BOD₅、氨氮、TP浓度较大，对水质影响也较大。本文则针对所有排渠的四种污染物的浓度进行排序(表6)，以分析单个污染物对水质的影响程度：

从表6可得出以下结论：

表4. 大小湖区农田排水入湖的年污染物总量及百分比(2002年6月~2003年5月)

表5. 26条主要农田排渠的水质监测浓度及评价(2002年6月至2003年5月)

Continued

表6. 26条主要农田排渠污染因子浓度的排序(2002年6月至2003年5月)

Continued

1) COD_Cr浓度排前三位的排渠依次是：22团南干排、胜利干排和黄水总干排。BOD₅浓度排前三位的排渠依次是：博湖镇干排、22团南干排和胜利干排。氨氮浓度排前三位的排渠依次是：胜利干排、25团干排和22团南干排。TP浓度排前三位的排渠依次是：胜利干排、博湖镇干排和22团南干排。

2) COD_Cr浓度排最后三位的排渠依次是：解放一渠、哈拉因干排和查干诺尔乡干排。BOD₅浓度排最后三位的排渠依次是：解放一渠、27团总干排和清水河农场东风干排。氨氮浓度排最后三位的排渠依次是：博湖镇干排、团结总干排和永宁乡总干排。TP浓度排最后三位的排渠依次是：哈拉因干排、清水河农场西干排和东风干排。

3.5. 8条主干渠的污染含量计算

从表3中，选取团结总干排、解放一渠、四十里城子干排、博湖镇干排等8条污水量较大的干渠(本文简称主干渠)为研究对象，以各农田排渠的水量和表5中的污染物浓度数据为基础，计算了TN、TP的含量，并将其入湖污水量、TN和TP的含量与赛·巴雅尔图的计算进行比较，如图2。

2007年与监测年相比，总体上大湖区和小湖区的污水量和TN含量都呈减少趋势，而TP含量则大幅度上升。

从污水量，监测年和2007年赛·巴雅尔图的污水总量分别为：4.3亿m³和3.5亿m³ [10] ，两个年份的各个主干渠的污水量均呈现下降趋势。2007年大湖区的黄水总干排污水量最大，为10,997万t，与监测年的13,508万t相比减少了2511万t。污水量最小的均为东风干排，2007年污水量为1247万t与监测年的1532万t相比，减少了285万t；小湖区污水量最大的均是解放一渠，2007年为7420万t与监测年的9116万t相比减少了1696万t；污水量最少的是四十里城子干排，2007年排放量为889万t，与监测年的1092万t相比，减少了203万t。

从TN含量，监测年和2007年8条主干渠的TN含量分别为1193 t和548.52 t。两个年份的各个主干渠均呈现下降趋势，其中减少最多的是22团南干排，由监测年的296 t减少至2007年的86.35 t，共减少209.65 t。同时，大湖区两个年份出现最大TN含量的干渠并不一致，监测年TN含量最大的为22团南干排为296 t，而2007年TN含量最大在黄水总干排为182.94 t；小湖区TN含量最大在解放一渠，监测年和2007年分别为207 t和70.71 t，最小在四十里城子干排，监测年和2007年分别为20 t和16.94 t。在8条主干渠中，小湖区的污水量和TN含量最大的均是解放一渠，污水量和TN含量最小的均是四十里城子干排。

从TP含量，监测年和2007年8条主干渠的TP含量分别为9.6 t和50.66 t。两个年份的各个主干渠均呈现上升趋势。大湖区最大值均在黄水总干排，监测年和2007年分别为4.31 t和19.56 t，最小值均为

图2. 大小湖区监测年与2007年的污水量、TN及TP含量的比较。(a) 大湖区监测年的污水量、TN及TP含量；(b) 大湖区2007年污水量、TN及TP含量；(c) 小湖区监测年的污水量、TN及TP含量；(d) 小湖区2007年污水量、TN及TP含量

东风干排，监测年和2007年分别为0.02 t和0.23 t；小湖区最大值在解放一渠，监测年和2007年分别为0.33 t和1.7 t，最小值在四十里城子干排，监测年和2007年分别为0.12 t和0.3 t。

4. 结论

依据监测年博湖流域26条农田排渠的污染物数据和流量数据，得出如下结论：

1) 博湖入湖的污水主要经过农田排渠入湖，其中农业、工业和城镇生活污水的总量分别为42,158万t、465万t和458万t。农田排渠的污水主要流入大湖区(包括农田排渠直接注入大湖区和农田排渠经黄水区注入大湖区)和小湖区，大湖区由于黄水区的注入，所以其兼具较为复杂的农业、工业和城镇生活三种污染，而小湖区则较为单一，均为农业污染。

2) 进入大(包括黄水区在内)湖区、小湖区的农田排水总量分别为约2.7亿m³和1.6亿m³。根据污水量及每项污染物数据，计算了悬浮物、COD_Cr、BOD₅、TN和TP五种污染物的含量及其百分比，大湖区的各项污染物均占总量的50%以上，其中TP含量尤为显著，占整个湖区的92%。

3) 单因子指数法对所有排渠的COD_Cr、BOD₅等六种污染物的平均浓度与V类水质的评价因子相比较，结果表明：水质最好的为永宁乡总干排(小湖区)，属II类水质。而水质最差的劣V类水质主要集中在胜利干排、22团南干排和黄水总干排，且主要表现为COD_Cr和氨氮浓度超标。剩下的20条排渠为(除27团二干排和24团六连干排缺测外)较好的III类或IV类。

4) 六种污染物中，对所有排渠的COD_Cr、BOD₅、氨氮、TP四种污染物的浓度进行排序。属劣V类的三条排渠中，22团南干排和胜利干排的四种污染物的浓度均排前三位，其中胜利干排的氨氮及TP浓度最高，而22团南干排的COD_Cr浓度最高。黄水总干排除COD_Cr浓度排第三位外，其它污染物浓度并不太高。

5) 对比分析监测年和2007年大小湖区8条主干渠的入湖污水量、TN和TP含量。监测年和2007年的污水总量分别为4.3亿m³和3.5亿m³；TN含量分别为1193 t和548.52 t；TP含量分别为9.6 t和50.66 t。总体上，2007年大小湖区的污水量和TN含量都呈减少趋势，而TP含量则大幅度上升。

5. 讨论

农田排水污染总量及其污染含量存在着明显的年际变化，同时，监测数据、处理后的数据也与实际数据存在差异。

1) 年际变化对比：1970年裴新国等计算的排水总量为1.3亿m³，1980年为1.8亿m³ [12] 。2001年徐海量等研究了农田排水总量为3.75亿m³ [13] 。本文计算出监测年的入湖农田排水总量约4.3亿m³，呈逐渐增大的趋势，这可能黄水总干排、解放一渠和团结总干排三者农田排水量之和就达2.6亿m³，占农田排水总量的60%以上有关。而2007年赛·巴雅尔图计算得出入湖农田排水总量为3.5亿m³ [10] ，这与监测年相比，呈明显的下降趋势，这可能与排水量位居前列的黄水总干排减少2511万t，解放一渠减少1696万t有关。

2) 本文的流量数据和污染物数据采用监测年六次数据的算术平均值作为年值，这与实际的农田排水量和实际污染浓度有一定误差。

基金项目

国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2009ZX07106-004)。

文章引用

庄 晴,盈丽莎,张建平. 博斯腾湖农田排水及其污染物空间分布特征分析
The Characteristics of Spatial Distribution of the Agricultural Drainage and Pollutions into Bosten Lake[J]. 环境保护前沿, 2015, 05(05): 91-102. http://dx.doi.org/10.12677/AEP.2015.55013

参考文献 (References)