中小河流非點源污染治理負荷估算及分區(qū)分類研究

崔 巍，白音包力皋，陳文學，陳興茹

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

我國中小河流數(shù)量多，分布廣，與大江大河、濕地、湖泊等相連通，其河流污染狀況直接關系到地區(qū)可持續(xù)發(fā)展。目前，中小河流治理總體滯后，存在著水污染加劇以及衍生的水質型缺水、水生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題。我國將中小河流治理列入“十二五”時期水利工作重點，其中中小河流工業(yè)和生活點源污染源受到有效控制，而非點源污染具有很大隱蔽性和不確定性，所受重視和治理較滯后，成為中小河流水體污染主要原因。

中小河流非點源污染防治須以污染物負荷量化為基礎，明確防治重點區(qū)域，以使有限的人力物力充分發(fā)揮作用。國內外現(xiàn)有非點源污染負荷計算模型中，考慮污染物遷移機理的模型對資料要求高，參數(shù)校準和率定復雜。對中小河流而言，其監(jiān)測數(shù)據(jù)普遍缺乏。文獻[1]對東北地區(qū)近20年（1991—2008年）相關研究進行統(tǒng)計，指出由于缺乏氣候、地形、土地利用和管理措施的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)精度，精細物理型非點源污染模型（SWAT模型、AnnAGNPS模型）難以良好地校準和驗證，限制了其使用。經(jīng)驗模型對資料要求較少，但缺乏機理基礎，往往精度較低。相比較而言，輸出系數(shù)模型利用相對容易得到的土地利用狀況等資料，估算流域污染物輸出量，很大程度上降低了對試驗和資料的依賴性，為中小河流非點源污染負荷估算提供了一種具有一定精度的實用方法。不過，輸出系數(shù)法[2-4]當前多針對單個流域或行政區(qū)域開展，而中小河流數(shù)目眾多，需科學、快速地從中篩選出防治重點與優(yōu)先度。

本文以哈爾濱市58條松花江一級支流非點源污染評估為例，綜合運用RS、GIS技術和聚類分析等方法，提出污染負荷強度估算、污染物識別、重點地區(qū)鑒別的方法，不僅對哈爾濱市中小河流非點源污染治理具有指導意義，也可供我國其它地區(qū)中小河流治理借鑒。

2 研究區(qū)域概況及污染源分析

哈爾濱市位于東經(jīng)125°42′—130°10′、北緯44°04′—46°40′之間。下轄8區(qū)7縣和3個縣級市，行政區(qū)劃面積5.31萬km2。分布有183條中小河流，均屬松花江水系。2010年全市未達標河段占總評價河長（含松花江監(jiān)測段）的23.3%，其中劣Ⅴ類河段河長占6.7%。研究顯示[5-6]，松花江流域非點源污染所占比例逐年增加，自2000年起松花江流域TN、TP非點源污染負荷已超過點源，其中TP遠遠超過點源，非點源污染防治已經(jīng)成為哈爾濱市中小河流治理的重要任務之一。

根據(jù)調查，哈爾濱市中小流域非點源污染主要源自以下方面：（1）養(yǎng)殖污染。畜禽養(yǎng)殖主要分布在城郊結合部和農(nóng)村地區(qū)，大部分規(guī)模養(yǎng)殖戶、養(yǎng)殖場缺乏干濕分離等污染防治措施，部分養(yǎng)殖戶將畜禽圈舍建在池塘邊，糞便未經(jīng)處理直接排出造成水體污染；（2）農(nóng)藥流失。松花江流域化肥、農(nóng)藥施用總量大，有效利用率低，大量殘留的化肥農(nóng)藥污染地表水及地下水；（3）化肥流失。松花江流域中下游是國家商品糧基地，化肥年平均施用量為523.5kg/hm2[7]，遠高于全國平均水平（277.5kg/hm2）?；?、農(nóng)藥通過地表徑流進入中小河流并匯入松花江；（4）農(nóng)村生活污水和廢棄物。中小流域有農(nóng)業(yè)人口500余萬，由于農(nóng)村市政設施落后，衛(wèi)生環(huán)境狀況差，生活垃圾、種植業(yè)養(yǎng)殖業(yè)固體廢物堆放處置，暴雨沖刷下進入中小河流。

3 非點源污染負荷估算

3.1 輸出系數(shù)模型20世紀70年代初期，美國、加拿大在研究土地利用-營養(yǎng)負荷-湖泊富營養(yǎng)化關系的過程中，提出并應用了輸出系數(shù)模型（亦稱單位面積負荷法）。1996年英國學者Johns[8]在前人成果的基礎上，經(jīng)過長期的研究和實踐，提出了更為細致、更為完備的輸出系數(shù)模型。模型在考慮土地利用分類的基礎上，結合居民非點源污染物的排放和處理狀況、牲畜的數(shù)量和分布來確定不同污染源的輸出系數(shù)。模型能較為準確的對大尺度流域的非點源污染進行評價和預測，在北美地區(qū)得到廣泛應用，我國應用于松遼流域[9]、長江上游[10]、漢江丹江流域[11]等地區(qū)。輸出系數(shù)法的缺陷是未考慮對營養(yǎng)物質遷移起決定性作用的水文路徑問題和在水循環(huán)過程中營養(yǎng)物質遷移轉化的問題，不能預測單場降雨所產(chǎn)生的非點源污染負荷。

近年來，國內外學者對模型不斷改進[12]，提出了考慮土地利用變化的輸出系數(shù)模型、改進的磷輸出系數(shù)模型、考慮水文因素和流域損失的改進輸出系數(shù)法等。提高了模擬精度和時空尺度適宜性，對資料和參數(shù)率定的要求也有所提高?；诠枮I地區(qū)中小河流資料狀況，本文仍采用基本形式的輸出系統(tǒng)模型：

式中：L為營養(yǎng)物（污染物）的輸出負荷；Ei為第i種營養(yǎng)源（污染來源）的輸出系數(shù)；Ai為第i類土地利用類型面積或第i種牲畜數(shù)量、人口數(shù)量；P為降雨輸入的營養(yǎng)物（污染物）數(shù)量。

E表示區(qū)域內不同污染來源的營養(yǎng)物（污染物）輸出率。對于不同土地利用類型，表示土地利用中所流失的營養(yǎng)物（污染物）比例；對于牲畜而言，表示牲畜排泄物直接進入受納水體比例，中間應考慮人類收集和儲存糞肥過程中氨的揮發(fā)；對于人類而言，反映當?shù)厝巳簩兹ノ蹌┑氖褂脿顩r、飲食營養(yǎng)狀況和生活，其中農(nóng)村沒有污水處理設施，且人口分布分散，系數(shù)主要反映農(nóng)村生活污水中的營養(yǎng)物（污染物）進入受納水體比例。

降雨輸入的營養(yǎng)物（污染物）數(shù)量計算公式為：

式中：c為雨水中營養(yǎng)物濃度（g/m3）；a為年降雨量（m3）；Q為徑流系數(shù)。

3.2 輸出系數(shù)的確定輸出系數(shù)模型中，影響非點源污染物輸出系數(shù)因素眾多，包括流域內地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型和結構、植被、管理措施以及人類活動等，確定方法有查閱文獻值法和試驗法等。本文輸出系數(shù)采用查閱文獻值法，松花江流域緯度位置與耕作方式等與歐洲和北美接近，結合國內一些學者研究[2，13-14]，確定哈爾濱市N、P輸出系數(shù)如表1，輸出系數(shù)在中國東北地區(qū)也被認可和使用[3]。水體因降雨產(chǎn)生的非點源污染濃度參考文獻[15]降水監(jiān)測估算結果，總氮濃度為1.27mg/L，總磷濃度為0.025mg/L。

表1 哈爾濱市N、P輸出系數(shù)

3.3 污染負荷估算及來源組成分析計算數(shù)據(jù)包括2010年哈爾濱地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)（圖1）、農(nóng)村人口畜禽養(yǎng)殖分布數(shù)據(jù)、多年平均降雨數(shù)據(jù)、多年平均徑流系數(shù)等。數(shù)據(jù)源自解譯的遙感影像、哈爾濱市統(tǒng)計年鑒（2010年）、哈爾濱市水資源公報（2010年）等。

根據(jù)式（1），使用ArcGIS 9.2的Raster Calculator工具，計算出不同土地利用類型非點源TN和TP負荷強度分布柵格圖（1km×1km）（圖2）；使用Map Algebra工具疊加農(nóng)村人口畜禽養(yǎng)殖分布數(shù)據(jù)，計算出人和禽畜非點源TN和TP負荷強度分布柵格圖（圖3）；根據(jù)式（2），使用Raster Calculator工具計算出降雨非點源TN和TP負荷強度分布柵格圖。將土地利用、降雨、人和牲畜非點源TN和TP負荷強度柵格圖疊加求和，得出非點源TN和TP負荷強度分布（圖4）。

圖1 哈爾濱市土地利用情況（2010年）

圖2 哈爾濱市土地利用非點源總氮負荷分布

本文計算出哈爾濱地區(qū)TN強度為2.72（t/（km2·a）），TP為0.10（t/（km2·a）），與文獻[3]松花江干流TN負荷強度2.06（t/（km2·a））和TP負荷強度0.08（t/（km2·a））具有一定吻合性。本文所采用的輸出系數(shù)準確度仍需要進一步驗證，需開展土地利用類型輸出系數(shù)率定工作。另外，本文采用的農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)以區(qū)縣為統(tǒng)計單元，影響成果精度。

通過統(tǒng)計哈爾濱地區(qū)不同污染源輸出總氮、總磷負荷量值，可分析比例構成（圖5、圖6）。哈爾濱市中小河流非點源TP負荷最主要來源是耕地面源污染，占45%，第二大來源是農(nóng)村人口生活，占21%；TN負荷最主要來源同樣是耕地面源污染，占53%，第二大來源是大牲畜，占15%。因而防治非點源污染，最重要的是控制耕地面源污染，農(nóng)村人口生活和牲畜污染同樣是防治的重點。

圖3 哈爾濱市農(nóng)村人口及禽畜非點源總氮負荷分布

圖4 哈爾濱市非點源TN負荷強度分布

圖5 哈爾濱市非點源污染TP負荷來源組成

圖6 哈爾濱市非點源污染TN負荷來源組成

3.4 等標污染負荷及污染負荷比計算TN、TP屬不同的污染物，具有不同的污染源特征、環(huán)境效應、危害，為能在同一尺度上加以比較，確定主要污染物及負荷比，需要對污染物和污染源進行標化計算，最常用特征數(shù)是等標污染負荷。污染物等標污染負荷是指單位時間排放的含該污染物的廢水等標體積，公式如表2。根據(jù)2010年哈爾濱市水資源公報，中小河流目標水質多數(shù)為Ⅲ類，據(jù)此確定TN評價標準為1.0mg/L，TP評價標準為0.2mg/L。

表2 等標污染負荷及負荷比計算公式

根據(jù)表2中計算公式，利用ARCGIS9.2的Raster Calculator工具，計算出哈爾濱市等標污染負荷空間分布狀況。以行政區(qū)劃為統(tǒng)計單元，得到區(qū)縣TP、TN污染負荷強度、等標負荷及負荷比（表3）。區(qū)縣TP、TN污染負荷比基本相同，TN占84%左右，TP占16%左右，TN是哈爾濱市中小河流非點源污染主要污染物，是防治重點。

表3 哈爾濱市各區(qū)縣面源TP、TN負荷

4 中小河流非點源污染治理分區(qū)及分類

使用ARC Hydro工具，劃分哈爾濱市松花江一級支流流域，如圖7所示。使用ARCGIS的自然斷點分級工具（Nature break），按哈爾濱市等標污染負荷空間分布狀況分區(qū)，劃為重污染負荷區(qū)、較重污染負荷區(qū)、中度污染負荷區(qū)、較輕污染負荷區(qū)和輕污染負荷區(qū)5個區(qū)，如圖8所示。

圖7 哈爾濱市松花江一級支流流域劃分

基于因素疊加法，將流域圖層與等標污染負荷圖層疊加，以流域為統(tǒng)計單元輸出哈爾濱市中小流域等標負荷強度。采用IBM-SPSS 9.3統(tǒng)計分析軟件，采用歐氏距離平方度量法、Ward’s聚類法和Z scores標準化法，將58個一級流域按平均等標負荷強度大小劃為5類，類內依照負荷大小排序。限于篇幅，表4列出了分類部分結果。

表4 哈爾濱市松花江一級支流分類（局部）

非點源污染分區(qū)結果表明，重污染負荷區(qū)為雙城市、巴彥縣、哈爾濱市區(qū)（不含呼蘭和阿城區(qū)）、賓縣等區(qū)域，重點優(yōu)先治理；較重污染負荷區(qū)為呼蘭區(qū)、阿城區(qū)、依蘭縣和尚志市的局部地區(qū)，治理的優(yōu)先度次之。

非點源污染分類結果表明，馬蛇子河、淘氣河等Ⅰ類河流面源污染負荷最大，需重點優(yōu)先治理；運糧河、何家溝等Ⅱ類河流面源污染負荷較大，治理優(yōu)先度次之。

5 結論

（1）將遙感、地理信息系統(tǒng)、輸出系數(shù)法、聚類分析等技術相結合，應用于中小河流非點源污染治理，能夠科學高效地識別主要污染物和污染源，確定出重點防治片區(qū)和流域；（2）哈爾濱地區(qū)中小河流非點源污染成份中，TN是主要污染物，在等標負荷中占84%，TP污染為次要污染物，在等標負荷中占16%；（3）哈爾濱地區(qū)中小河流非點源污染源組成中，農(nóng)業(yè)是污染物最大來源，占TP總來源的93%，其中耕地45%，農(nóng)村人口生活21%；占TN總來源的92%，其中耕地53%，大牲畜15%；（4）哈爾濱地區(qū)中小河流非點源污染防治重點地區(qū)為雙城、賓縣、五常等Ⅰ級地區(qū)，重點流域為馬蛇子河、淘氣河等Ⅰ類河流流域，重點領域為農(nóng)業(yè)污染，主要是耕地及農(nóng)村人口污染排放。相比較而言，對TN污染的控制更為緊要。

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