基于土地利用變化的小江流域非點源污染特征

郎海鷗，王文杰*，王 維，許 超，劉 錟，2，李泰然

1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012

2.湖南科技大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，湖南 湘潭 411201

基于土地利用變化的小江流域非點源污染特征

郎海鷗1，王文杰1*，王 維1，許 超1，劉 錟1，2，李泰然1

1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012

2.湖南科技大學建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，湖南 湘潭 411201

選取三峽庫區(qū)典型支流——小江流域為研究對象，以GIS軟件為分析工具，在L－THIA模型的基礎(chǔ)上，分析小江流域非點源污染物負荷量隨土地利用方式改變而產(chǎn)生的時空變化特征.結(jié)果表明：2007年小江流域非點源污染物TN和TP總負荷量分別為5 563.11和1 550.65 t，其中旱地的污染物負荷量最大，TN和 TP負荷量分別達到4 633.43和1 368.96 t，占總負荷量的83.29%和88.29%;從空間分布上看，非點源污染主要集中在旱地較多的東河流域和南河流域;而從時間分布上看，隨著旱地面積的大幅增加，1995—2007年小江流域污染物負荷量明顯增加.

時空分布特征;L－THIA模型;GIS;TN;TP;旱地

非點源污染是指溶解性或固體污染物在大面積降水和徑流沖刷作用下匯入受納水體而引起的水體污染［1］，非點源污染物中氮、磷的排放是水體發(fā)生富營養(yǎng)化的主要來源.國內(nèi)外研究表明，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度高，很多流域總氮(TN)和總磷(TP)負荷量比20年前分別提高了10倍以上，其中50%以上的負荷量由非點源污染貢獻［2-3］，美國、日本等國家的學者研究發(fā)現(xiàn)，即使點源污染全部實現(xiàn)零排放，河流達標率也僅有65%［4-5］.

自2003年三峽水庫蓄水運行以來，水體富營養(yǎng)化問題日益明顯，支流水體富營養(yǎng)化發(fā)生日益增多［6-10］，非點源污染很可能是三峽水庫富營養(yǎng)化的重要來源，因此控制非點源污染是防止三峽庫區(qū)水體富營養(yǎng)化的重要手段.目前已有一些三峽庫區(qū)非點源污染物的初步研究［11-12］，但有關(guān)其污染的成因尚缺乏深入的研究報道.因此，選取三峽水庫典型代表支流——小江流域為研究對象，采用L－THIA模型估算非點源污染物負荷量［13-14］，并分析不同土地利用方式及其變化所帶來的污染物負荷量時空特點，為三峽庫區(qū)水污染防治對策及流域環(huán)境管理措施提供科學依據(jù).

1 研究區(qū)概況

小江流域為三峽庫區(qū)典型支流，地跨107°44′50″E ～108°53′56″E，30°39′35″N ～ 31°41′19″N，流 域 面 積5 202 km2，是三峽庫區(qū)萬州以下水系(除長江外)中流域面積最大的一條河流.包含四川省、重慶市的開江縣、開縣、云陽、萬州、梁平五縣(區(qū))，其中開縣面積3 959 km2，境內(nèi)面積占全流域面積的76%(見圖1).小江流域正源發(fā)源于開縣白泉鄉(xiāng)(白馬泉)，沿程納入一些小支流，自北向南流至開縣城郊右岸納入南河，匯口以上干流稱東河，匯口以下稱彭溪河，再于渠口與平行南河流向的浦里河匯合，然后轉(zhuǎn)向東南流向，縱貫開縣全境，經(jīng)云陽縣高陽鎮(zhèn)、雙江鎮(zhèn)于雙江口處匯入長江.

圖1 小江流域地理位置Fig.1 The location of Xiaojiang watershed

小江流域上游為石灰?guī)r深丘溶蝕地貌，中下游為川東平行嶺谷低山丘陵.區(qū)內(nèi)山區(qū)面積占總面積的63%，丘陵占31%，平壩僅占6%.流域內(nèi)土壤理化性質(zhì)以壤質(zhì)為主，其次為礫石土和黏土，沙土面積較小;小江流域地處中緯度，氣候溫和濕潤，屬亞熱帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫18.6℃，多年平均降水量1 100～1 500 mm，多年平均徑流量35.8×108m3.中國環(huán)境監(jiān)測總站監(jiān)測結(jié)果顯示［15］，多年來小江流域水環(huán)境質(zhì)量達不到地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838—2002)Ⅲ類水質(zhì)指標，干流彭溪河段水質(zhì)全年均為Ⅳ類，臨江、竹溪、三合等河段Ⅳ或Ⅴ類水質(zhì).

2 材料與方法

2.1 研究方法

采用基于SCS CN(Curve Number)法發(fā)展而來的長期水文影響評價(Long-Term Hydrologic Impacts Assessment，L － THIA)模型［16-18］，該模型能夠通過輸入降雨數(shù)據(jù)、土壤水文數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)以及CN值，計算該區(qū)域的年均徑流量和非點源污染負荷量［19-21］.L－THIA作為一個易于操作的模擬工具，被廣泛應(yīng)用于估算歷史或規(guī)劃的土地利用格局對流域內(nèi)徑流及非點源污染的影響.

2.2 資料收集

采用的數(shù)據(jù)源主要包括：1995，2000和2007年3期的土地利用資料;1∶50 000基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù);1∶50 000數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù);全國土壤普查1∶1 000 000土壤圖;長江流域氣象水文資料.具體數(shù)據(jù)來源如表1所示.

2.3 數(shù)據(jù)準備

2.3.1 流域邊界數(shù)據(jù)

以全國1∶50 000 DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取小江流域所處經(jīng)緯度，利用GIS的水文分析模塊，根據(jù)集水區(qū)，提取小江流域，并且劃定子流域.選取子流域考慮2個因素：① 選取流域分布在水利分區(qū)的上游地段，使小流域為獨立的水文單元，排除外界水源的影響;② 選取子流域的出水口盡量和氣象、水文監(jiān)測站點位置一致，減少分析過程的誤差.最終得到4個子流域，即東河流域、南河流域、浦里河流域和彭溪河流域.

表1 數(shù)據(jù)來源Table 1 The sources of data

2.3.2 土地利用變化數(shù)據(jù)

以1995，2000和2007年3期全國土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用GIS軟件將小江流域邊界分別剪裁重慶、四川土地利用數(shù)據(jù)后，進行拼接，根據(jù)研究區(qū)的特點，將已有的12類土地利用類型劃分為6類，分別為旱地、林地、水田、草地、建設(shè)用地和水體.最后用小江流域4個子流域邊界分別剪裁2007年小江流域土地利用圖，得到2007年東河、南河、浦里河和彭溪河4個子流域土地利用圖.

2.3.3 土壤水文數(shù)據(jù)

以全國1∶1 000 000土壤圖為基礎(chǔ)，以GIS軟件為工具，利用小江流域邊界剪裁，得到小江流域土壤圖，進而用小江流域4個子流域邊界剪裁小江流域土壤圖，分別得到東河、南河、浦里河和彭溪河4個流域土壤圖.

2.3.4 降雨徑流數(shù)據(jù)

以長江流域水文資料為基礎(chǔ)，通過整理，將逐日降水量和年均徑流量數(shù)據(jù)輸入Execl備用.選取的時間段為2001—2003，2005和2007年，氣象水文站點有13個，分別為東河關(guān)面站、大進站、巖水站、溫泉站;南河巫山站、南雅站、臨江站、中和站;桃溪河正壩站;浦里河合興站、橋亭站、余家站、南門站.

2.4 計算過程

根據(jù)L－THIA模型的要求，在初始土地利用和土壤水文組合的CN值基礎(chǔ)上，先通過輸入土地利用數(shù)據(jù)、土壤水文數(shù)據(jù)計算每個柵格的CN值，進而輸入降水量數(shù)據(jù)，模擬流域的徑流深，再計算徑流量，與實際監(jiān)測的徑流量數(shù)據(jù)進行對比，并調(diào)整土地利用和土壤水文組合的CN值，使得模擬徑流量與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相符，然后在模型內(nèi)部集成的污染物濃度的基礎(chǔ)上，計算分析不同土地利用對污染物負荷量的時空影響，具體技術(shù)路線如圖2所示.

圖2 基于L－THIA模型的污染物負荷技術(shù)流程Fig.2 The technology process of pollution load based on L-THIA modle

3 模型參數(shù)的率定和驗證

選取小江子流域東河流域進行徑流模擬，率定適合該研究區(qū)的CN值參數(shù)，并對率定參數(shù)進行驗證.由于小江流域部分數(shù)據(jù)的空缺，在現(xiàn)有氣象、水文資料的基礎(chǔ)上，選用年份相近的土地利用數(shù)據(jù)進行模型的率定和驗證.

3.1 參數(shù)的率定

根據(jù)2005和2007年東河流域氣象水文站實測的逐日降水量、年徑流量數(shù)據(jù)，2007年土地利用數(shù)據(jù)，以及土壤數(shù)據(jù)率定模型參數(shù) CN值.按照L－THIA模型運行的步驟，依次輸入?yún)?shù)，計算每個柵格的 CN值，模擬流域的徑流深，進而計算徑流量，并對比模擬徑流量與實際徑流量，經(jīng)過多次調(diào)整最終確定CN值.將模擬結(jié)果與實測值對比(見表2)，2005年的徑流量模擬誤差為 3%，2007年為12%，都在誤差15%之內(nèi).

表2 2005和2007年徑流量的模擬值與實測值對比Table 2 Contrast between simulated value and observation value in 2005 and 2007

3.2 參數(shù)的驗證

在L－THIA模型參數(shù)CN值率定的基礎(chǔ)上，為了減少模型的不確定性，選用2000年(代替2003年)的土地利用數(shù)據(jù)和具有徑流數(shù)據(jù)的2003年東河流域溫泉站的徑流量和逐日降水量進行參數(shù)的驗證.將模擬徑流量和實測徑流量對比，如表3所示，模擬誤差為26%，其中的部分誤差可能是由于2000與2003年土地利用類型變化所致，其誤差在誤差允許范圍(30%)之內(nèi)，因此確定的參數(shù) CN值對于該區(qū)域的研究是合理的.

表3 2003年徑流量的模擬值與實測值對比Table 3 Contrast between simulated value and observation value in 2003

4 小江流域污染物負荷量的估算

基于L－THIA模型的污染物負荷量，是在計算每個柵格徑流量的基礎(chǔ)上，由各柵格單元的徑流量和事件平均濃度值(Event Mean Concentration，EMC)相乘得到.事件平均濃度值(EMC)是模型內(nèi)部集成值，由美國德州自然資源保護委員會(The Texas Natural Source Conservation Commission)根據(jù)大量文獻和已有水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)編定，徑流量是在率定的CN值基礎(chǔ)上計算的.L－THIA模型可以模擬15種非點源污染物的產(chǎn)生分布情況，有針對性地選擇TN和TP這2種引起水體富營養(yǎng)化的主要污染物進行結(jié)果分析.

4.1 土地利用空間差異對污染物負荷量的影響

為分析小江流域污染物負荷量空間特征，選取2007年4個子流域(即東河流域、南河流域、浦里河流域和彭溪河流域)的土地利用數(shù)據(jù)、土壤水文數(shù)據(jù)和2007年的逐日降水量數(shù)據(jù)，通過運行L－THIA模型，探討不同土地利用類型對小江流域污染物負荷量的影響.

4.1.1 子流域的土地利用空間特征

圖3 2007年各子流域土地利用分類Fig.3 Landuse of subbasin in 2007

由圖3可見，東河流域中游的東部以及下游的西部地區(qū)有連片集中的旱地，而且面積較大;南河流域中部地區(qū)的旱地集中連片，并且面積較大，最南部地區(qū)林地集中呈條狀分布;浦里河流域中部旱地和水田分布較多;彭溪河各類土地利用呈交叉分散分布.將各子流域土地利用面積進行統(tǒng)計如表4所示，分析發(fā)現(xiàn)各流域土地利用面積結(jié)構(gòu)組成相似，都是以旱地和林地面積最大，水田和草地面積次之，水體和建設(shè)用地面積最小.

表4 2007年各子流域土地利用空間特征Table 4 Spatial characters of landuse in subbasin in 2007 km2

4.1.2 各子流域污染物負荷量的空間差異分析

根據(jù)模型估算結(jié)果(見表5)，從總體上看，2007年小江流域的非點源污染TN負荷量為5 563.11 t，TP為1 550.67 t.其中旱地 TN負荷量最大，為4 633.43 t，占總負荷量的83.28%，且遠遠大于其他土地利用負荷量，其次是水田和林地，最后是草地和建設(shè)用地;旱地的 TP負荷量也最大，達到了1 368.96 t，占總負荷量的88.29%.其次是水田，林地、草地和建設(shè)用地的負荷量都遠遠小于旱地和水田的負荷量.

表5 2007年小江流域污染物輸出變化特征Table 5 Output characters of pollution in Xiaojiang watershed in 2007 t

圖4 2007年各子流域TN負荷量分布Fig.4 TN load distribution of subbasin in 2007

圖5 2007年各子流域TP負荷量分布Fig.5 TP load distribution of subbasin in 2007

而從空間分布來看(見圖4，5)，TN和 TP的空間特征相似，并與土地利用空間分布相對應(yīng).其中東河流域旱地集中連片分布的中游地區(qū)污染物負荷量明顯較大，南河流域旱地相對集中分布的中部地區(qū)污染物負荷量較大，浦里河流域旱地和水田面積分布相對較多的中部地區(qū)污染物負荷量較大，彭溪河流域旱地分布較多的中部地區(qū)和流域出口處污染物負荷量相對較大，各流域其TN負荷量分別為2 056.89，1 618.42，1 073.19和 814.60 t，TP 負荷量分別為 566.42，459.05，300.58 和 224.60 t.

4.2 土地利用變化對非點源污染物負荷量的影響

為進一步分析土地利用類型變化對污染物負荷量所造成的影響，在假定區(qū)域降水量不變的情況下，選取1995，2000和2007年小江流域土地利用，土壤水文數(shù)據(jù)，探討土地利用類型變化后非點源污染物負荷量的輸出結(jié)果.其中的降水量選用小江流域2001—2003，2005和2007年共5年逐日降水量的平均值.

4.2.1 小江流域土地利用變化動態(tài)

根據(jù)土地利用統(tǒng)計(見表6)，并結(jié)合1995，2000和2007年3年的土地利用數(shù)據(jù)(見圖6)分析發(fā)現(xiàn)，1995—2000年旱地和水田面積的變化最大，其中旱地面積的比例減少了2.20%，水田面積的比例增加了2.83%，土地利用集中變化的區(qū)域分別是位于小江流域的開江縣、萬州區(qū)以及梁平縣的旱地轉(zhuǎn)化為水田，以及位于小江流域出水口處的草地轉(zhuǎn)化為旱地.2000—2007年旱地和草地面積變化最為突出，旱地面積增加了7.41%，草地面積縮減了7.33%;發(fā)生集中變化的區(qū)域是位于開縣縣城以北連片大面積的草地轉(zhuǎn)化為旱地.從1995—2007年土地利用變化的總趨勢為旱地和水田大面積的增加，草地面積大幅度的減少、林地面積有一定的減少，其他土地利用面積變化幅度較小.

4.2.2 土地利用變化對污染物負荷量的影響分析

根據(jù)模型估算，結(jié)果如圖7，8所示.從圖7，8可以看出，TN和TP的污染物負荷量的變化趨勢基本相同，并結(jié)合污染物估算結(jié)果如表7，8所示，進行分析.1995—2000年，污染物負荷量發(fā)生明顯變化的是旱地和水田，隨著旱地面積的減少，旱地TN和TP的負荷量分別減少了209.26和61.82 t;隨著水田面積的增加，水田TN和TP的負荷量分別增加了85.59和26.81 t.污染物負荷量發(fā)生明顯變化的區(qū)域與土地利用明顯變化的區(qū)域相對應(yīng)，是位于小江流域的開江縣、梁平縣和萬州區(qū).2000—2007年，負荷量變化最突出的旱地負荷量，其TN和TP的負荷量隨著旱地面積的增加，分別增加了258.02和873.30 t.污染物發(fā)生變化的區(qū)域與土地利用變化區(qū)域相符合，位于開縣縣城以上大面積林地和草地轉(zhuǎn)化為旱地.從1995—2007年污染物負荷量變化的總體趨勢是隨著旱地和水田面積的大幅增加，其負荷量相應(yīng)大幅增加，其他土地利用污染負荷量變

化相對較小.

表6 不同土地利用類型占小江流域總面積比例及比例變化Table 6 Area composition and rate change of different landuse in Xiaojiang watershed %

圖6 1995—2007年小江流域土地利用分類Fig.6 Landuse of Xiaojiang watershed between 1995 and 2007

圖7 1995—2007年小江流域污染物TN負荷量Fig.7 TN load of Xiaojiang watershed between 1995 and 2007

圖8 1995—2007年小江流域污染物TP負荷量Fig.8 TP load of Xiaojiang watershed between 1995 and 2007

表7 不同土地利用的TN負荷量Table 7 TN load of different landuse t

表8 不同土地利用的TP負荷量Table 8 TP load of different landuse t

5 結(jié)論

a.小江流域1995—2007年土地利用變化比較顯著，整體趨勢表現(xiàn)為旱地和水田面積擴展，林地面積和草地面積縮小，其中旱地面積增加了5.22%，水田面積增加了3.72%，林地面積減少了2.24%，草地面積減少了7.07%，水體和建設(shè)用地面積變化都較小，不到0.5%.土地利用空間特征表現(xiàn)為整個流域和各子流域的土地利用結(jié)構(gòu)組成相似，都以旱地和林地為主，主要分布在東河和南河流域;水田和草地次之，主要分布在東河、南河和浦里河流域;建設(shè)用地和水體面積最少，建設(shè)用地主要分布在開縣縣城附近，水體主要分布在河流周邊.

b.小江流域非點源污染物負荷量空間差異受各類土地利用面積的影響，表現(xiàn)為旱地TN和TP負荷量最大，且遠遠大于其他土地利用類型，其次是水田，最后是林地、草地和建設(shè)用地.空間差異對于4個子流域來說，東河流域負荷量最大，南河流域次之，然后是浦里河流域，最小是彭溪河流域.4個子流域其自身負荷量較大區(qū)域分布分別為：東河流域在流域中游的西部;南河流域在流域的中部地區(qū);浦里河流域在河流沿岸周邊地區(qū);彭溪河流域在流域中部和出水口區(qū)域.

c.小江流域非點源污染物負荷量的變化受旱地變化影響最大，總體趨勢是隨著大面積林地和草地轉(zhuǎn)變?yōu)楹档?，其負荷總量在增?從時間上來看，1995—2000年隨著旱地面積的減小其負荷量在減小，到2007年隨著旱地面積的增加其污染物負荷量也大幅度增大.

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Effect of Land Use Change on Spatial-Temporal Characteristics of Non-Point Source Pollution in Xiaojiang Watershed

LANG Hai-ou1，WANG Wen-jie1，WANG Wei1，XU Chao1，LIU Tan1，2，LI Tai-ran1
1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2.School of Architecture and Urban Planning，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China

Based on the Long-term Hydrologic Impact Assessment(L-THIA)model and GIStechnology，the effect of land use change on spatial-temporal characteristics of non-point source pollution load in Xiaojiang watershed，a typical tributary of the Three Gorges reservoir area，was analyzed.The results indicated that the annual non-point source pollution load of total nitrogen and total phosphorous in 2007 were 5563.11 t and 1550.65 t，respectively.Dry farm land was the largest pollution source with annual total nitrogen load and total phosphorous load of 4633.43 t and 1368.96 t，respectively，accounting for 83.29%and 88.29%of the total load.Furthermore，the East River watershed and South River watershed were the main output areas of pollution load，due to larger dry farm land.Additionally，the output of pollution load increased significantly with the growth of dry farm land area from 1995 to 2007.

spatial-temporal distributing characteristics;L-THIA model;GIS;TN;TP;dry farm land

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1001－6929(2010)09－1158－09

2010－03－03

2010－05－19

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2008BAC34B00)

郎海鷗(1981－)，女，陜西西安人，碩士，主要從事環(huán)境演變和可持續(xù)發(fā)展等研究，langho@craes.org.cn.

*責任作者，王文杰(1970－)，男，湖南湘潭人，研究員，博士，主要從事區(qū)域生態(tài)、環(huán)境評價、遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用等研究，wangwj@craes.org.cn