基于ArcGIS和MikeBasin模型的還鄉(xiāng)河流域污染負荷通量估算

曹東衛(wèi)

（河北省唐山水文水資源勘測，河北 唐山 063000）

水環(huán)境

基于ArcGIS和MikeBasin模型的還鄉(xiāng)河流域污染負荷通量估算

曹東衛(wèi)

（河北省唐山水文水資源勘測，河北 唐山 063000）

闡述了污染負荷的概念及國內(nèi)外研究進展，利用ArcGIS及MikeBasin模型對還鄉(xiāng)河流域內(nèi)污染負荷產(chǎn)出量、污染負荷通量進行模擬，給出流域內(nèi)不同污染物的流出系數(shù)及距離衰減系數(shù)。模擬結(jié)果顯示，還鄉(xiāng)河流域污染負荷產(chǎn)出量為化學(xué)需氧量2100.053t/a、氨氮103.615 t/a、硝酸鹽氮209.073t/a；并與降雨徑流模型（NAM）耦合，計算出流域內(nèi)污染負荷通量。為水環(huán)境管理提供了新的思路方法。

還鄉(xiāng)河流域；污染負荷通量；Mikebasin

污染負荷指的是經(jīng)由各種不同途徑進入受納水體的污染物（點源和非點源）的量［1］。定量研究污染負荷對于流域污染控制尤其在流域水環(huán)境管理中都具有非常重要的作用。對于污染負荷中的點源污染，可以由調(diào)查和監(jiān)測手段來確定其污染負荷量，而對于非點源污染，因為非點源污染過程隨機、復(fù)雜，排放種類與途徑不確定，時空分布不均，這時采用獲取點源的方法來確定非點源的污染負荷量就較為困難。尤其對那些地勢低平的平原河網(wǎng)區(qū)，因匯流邊界不易確定，水文及水動力特征又非常復(fù)雜，因此計算非點源污染負荷量時會比較困難［2-3］。

在20世紀60年代國外就已經(jīng)對非點源污染模型進行了大量研究，并提出了很多非點源污染模型，但對于中國的農(nóng)業(yè)耕作方式及其他一些特征，這些模型有很多參數(shù)及模塊都需要進行調(diào)整［4］。因受平原河網(wǎng)區(qū)河流很多而且地勢平坦及人為活動的強烈干預(yù)，加之水流流向及水動力條件等多重復(fù)雜，模型很難直接應(yīng)用。因此，建立能在較大空間尺度上加以普及又能反映我國非點源污染物遷移特征的數(shù)學(xué)模型已成為研究的重點。

最近幾年，在非點源污染的定量化研究中，3S技術(shù)成為一種新的方向。因非點源污染的產(chǎn)生及運移與其所在地的土壤、地形、植被及氣候等空間信息有著密切關(guān)系，所以獲得精確的空間信息非常必要。借助3S技術(shù)，顯著提高了非點源污染負荷模型的空間數(shù)據(jù)的數(shù)量及質(zhì)量，使非點源污染模型的性能得到更為充分的發(fā)揮，極大地推動了非點源污染的定量研究［5］。

1 研究區(qū)概況

還鄉(xiāng)河發(fā)源于遷西縣新集鄉(xiāng)的董莊子，流經(jīng)新集、夾河、崖口，在偏峪匯入邱莊水庫，在水庫以下流經(jīng)豐潤、白官屯、鴉鴻橋、窩洛沽等地，于九丈窩出唐山市進入天津市寧河縣，于閻莊子匯入薊運河，全長160km，流域面積1566km2，其中本市境內(nèi)河長121km，流域面積1287km2。目前該河上建有邱莊水庫，總庫容2.04億m3。還鄉(xiāng)河流域年施用化肥1857.61萬kg、農(nóng)藥23.54萬kg。施用的化肥中主要有氮肥、磷肥和鉀肥，其中以氮肥為主，占化肥施用總量的71.3%，磷肥占21.7%，鉀肥占7.0%。

2 污染負荷模型原理

點源污染包括企業(yè)、城市污水及其他點源污染，可采用實地監(jiān)測方法或以往詳細的統(tǒng)計資料；非點源污染主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的化肥及農(nóng)藥、禽畜糞便和殘留、未集中排放的生活污染、降雨徑流和地表沉積物污染［6-8］。

本文建立的污染負荷模型充分利用了ArcGIS空間分析功能，采用MIKE模型系統(tǒng)中污染負荷評估模塊（LoadCalculator）模擬分散點源和非點源污染，其間與MikeBasin模型的降雨徑流模塊（NAM）相耦合，做為LoadCalculator的輸入。Mike Basin是基于ArcGIS的，由丹麥水利研究所研發(fā)的適用于流域或區(qū)域尺度的水資源綜合規(guī)劃和管理工具，解決地表水產(chǎn)匯流計算及水質(zhì)模擬等問題的綜合性水資源數(shù)學(xué)模型軟件。

ArcGIS在污染負荷模型中主要是對模型數(shù)據(jù)進行收集和存儲、劃分沿河與分散點源、生成距離與坡度柵格圖等。首先，建立污染負荷模型需要采集的空間及屬性數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，搭建ArcGIS數(shù)據(jù)庫；其次，借助ArcGIS空間分析功能劃分沿河與分散點源，沿河點源直接進入河道，分散點源則做為污染負荷模型輸入；調(diào)查得出各行政區(qū)域污染負荷量并平均分配到所在面積，按面積權(quán)重分配到各個子流域中。（本文將所在面積分為眾多1km2網(wǎng)格）；將污染物以最短徑流原則匯入河流，再利用DEM生成距離與坡度柵格，用于污染負荷模型的計算。模型采用輸出系數(shù)法，綜合考慮了降雨徑流、污染物產(chǎn)生時間及運移途徑、流經(jīng)距離及坡度等影響因素。

3 污染負荷模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參數(shù)

3.1 屬性數(shù)據(jù)

屬性數(shù)據(jù)主要有污染物的匯總數(shù)據(jù)，如點源污染、禽畜養(yǎng)殖、人口情況、化肥施用量等［9］，以mdb形式儲存。

3.1.1 點源污染

點源污染采用2012年實測資料，直接引入點源信息到污染負荷模型中。

3.1.2 農(nóng)田污染

農(nóng)田污染主要是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中施用的各種化肥或農(nóng)藥所產(chǎn)生的特征污染物的折純量進行加和求得，可按式（1）計算：

式中Mn為化肥或農(nóng)藥產(chǎn)生的某污染物總負荷量（kg）；Mni為第n種化肥或農(nóng)藥產(chǎn)生的某污染物的負荷量（kg）；Xni為第i種化肥或農(nóng)藥的施用量（kg）；Rni為第i種化肥或農(nóng)藥中所含某污染物的比例。

3.1.3 禽畜養(yǎng)殖污染

對不同種類的禽畜單位污染負荷產(chǎn)生量及所在行政區(qū)域數(shù)量得到某種污染負荷產(chǎn)生量并進行加和，可以得出某種污染物的污染負荷產(chǎn)生總量，可按式（2）計算：

式中Mx為禽畜污染的某種污染負荷產(chǎn)生總量（kg）；Mxi為第n種禽畜所產(chǎn)生的某種污染物的量（kg）；Xxi為第i種禽畜某污染物單位污染負荷產(chǎn)生量（kg）；Rxi為第i種禽畜在所在行政區(qū)域內(nèi)的數(shù)量。

3.1.4 農(nóng)村生活污染

根據(jù)單位人口某種污染物的污染負荷產(chǎn)生量及所在行政區(qū)農(nóng)業(yè)人口數(shù)量可以得出該行政區(qū)域農(nóng)村生活污染的某種污染負荷產(chǎn)生量，可按式（3）計算：

Ms=xsRs（3）式中Ms為農(nóng)村生活某污染負荷產(chǎn)生量（kg）；xs為單位農(nóng)村人口某污染物產(chǎn)生量（kg）；Rs為所在行政區(qū)域農(nóng)業(yè)人口數(shù)量。

污染物產(chǎn)生后，除了向受納水體排放，另有一部分會在原地降解吸收或損耗。模型引入流出系數(shù)來表示污染物流出量占總產(chǎn)生量之比。另外，由于農(nóng)田與禽畜養(yǎng)殖污染均與降雨徑流有關(guān)，可將污染物流出量按日凈雨量進行分配；農(nóng)村生活污染則引入時間分配系數(shù)并按一定比例分配至各月；點源污染流出系數(shù)為1，可按式（4）～式（7）分別計算：

式中Zn，Zx，Zs分別為農(nóng)田污染、禽畜養(yǎng)殖污染和農(nóng)村生活污染的流出系數(shù)；QR，QR總分別為某時刻流域降雨量及降雨總量；Fs、Fd為農(nóng)村生活污染和點源污染的時間分配系數(shù)；MLn，MLx，MLs，MLd為由農(nóng)田污染、禽畜養(yǎng)殖污染、農(nóng)村生活污染和點源污染流出的某種污染物的量（kg）；Md為點源污染負荷產(chǎn)生量（kg）。

各種污染源其某種污染物流出總量ML為：ML＝MLn+MLx+MLs+MLd。

從污染物產(chǎn)生流出到入河的過程中進一步降解，距河流越近、流經(jīng)地形坡度越大則污染負荷入河量就越大，同時溫度對降解速率也產(chǎn)生影響。

式中MR為某種污染物的入河負荷量（kg）；e為自然對數(shù)；K為距離降解系數(shù)（km-1）；Dg為產(chǎn)生地至河網(wǎng)的最短距離（km）；J為地形坡度；T為平均溫度（℃）。

式（8）利用距離及坡度信息表達了所在區(qū)域的地形條件，距離坡度柵格圖可由DEM生成，并進而生成水流方向圖和子流域匯水區(qū)圖；溫度可采用實測數(shù)據(jù)?？梢娭挥芯嚯x降解系數(shù)K未定，可由出口處的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)率定確定，反映了污染物降解反應(yīng)速率的不同。

3.2 污染負荷模型空間數(shù)據(jù)

空間數(shù)據(jù)主要有主干河網(wǎng)圖、點源分布圖、行政區(qū)劃圖、數(shù)字高程模型（DEM）等，以shapefile形式儲存。

3.3 污染負荷模型主要參數(shù)

污染負荷模型主要參數(shù)均由污染負荷編輯器輸入，包括土地利用、徑流系數(shù)、污染負荷消減系數(shù)、處理效率、距離降解系數(shù)、降解率及其他污染源的主要屬性?，F(xiàn)僅對污染物流出系數(shù)及距離衰減系數(shù)予以說明。

3.3.1 流出系數(shù)

污染物流出系數(shù)與污染源種類、土壤性質(zhì)及其堆積方式等因素有關(guān)，而且各子流域的流出系數(shù)略有差異，其平均取值如表1。

表1 還鄉(xiāng)河流域內(nèi)不同污染物的平均流出系數(shù)

3.3.2 距離衰減系數(shù)

由源頭子流域產(chǎn)生的污染物經(jīng)截留與沿途降解后，在流域出口處匯入河網(wǎng)，通過反復(fù)調(diào)整污染物流出系數(shù)及距離衰減系數(shù)，比較各源頭子流域出口處的實測值與模擬值，可以得出距離衰減系數(shù)，如表2所示。

表2 不同污染物的距離衰減系數(shù)單位：kg/m

4 流域污染物負荷通量計算

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，按其所在位置將其平均分布到流域的每平方公里網(wǎng)格，在模型中輸入相應(yīng)參數(shù)，并通過反復(fù)率定調(diào)整，確定流域污染負荷產(chǎn)生量。模擬結(jié)果顯示，還鄉(xiāng)河流域內(nèi)污染負荷產(chǎn)出量為：化學(xué)需氧量2100.053t/a、氨氮103.615t/a、硝酸鹽氮209.073t/a。還鄉(xiāng)河流域每平方公里網(wǎng)格化學(xué)需氧量、氨氮、硝酸鹽氮產(chǎn)出通量分布，通過模型計算得出還鄉(xiāng)河流域進入還鄉(xiāng)河的化學(xué)需氧量、氨氮、硝酸鹽氮污染物負荷通量（kg/s）。如圖1～圖3。

圖1 還鄉(xiāng)河流域化學(xué)需氧量污染負荷通量

圖2 還鄉(xiāng)河流域硝酸鹽氮污染負荷通量

圖3 還鄉(xiāng)河流域氨氮污染負荷通量

5 結(jié)語

利用ArcGIS及Mikebasin的LoadCalculator模塊構(gòu)建的還鄉(xiāng)河流域污染負荷模型，可以比較精確地模擬流域的實時污染負荷通量，也可計算出流域內(nèi)污染負荷總量，將其應(yīng)用于水環(huán)境管理中，為污染負荷研究提供了新的思路方法，又為水環(huán)境管理提供了有效的技術(shù)手段、科學(xué)依據(jù)及決策支持。

［1］楊愛玲，朱顏明.地表水環(huán)境非點源污染研究［J］.環(huán)境科學(xué)進展，1998，7（5）：60-67.

［2］陳丁江.流域非點源污染物輸移通量與總量控制研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.

［3］曹文志，洪華生，岳世平，等.GIS在農(nóng)業(yè)非點源污染模擬研究中的應(yīng)用［J］.廈門大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，40（3）：658-663.

［4］朱華.基于遙感和GIS的水環(huán)境非點源污染研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2005.

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［6］高強.基于GIS的河網(wǎng)水環(huán)境預(yù)測與信息系統(tǒng)及其應(yīng)用［D］.廣州：中山大學(xué)，2006.

［7］徐祖信，黃沈發(fā)，王敏.崇明島生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護規(guī)劃研究［J］.上海環(huán)境科學(xué)，2003，22（3）.

［8］李榮剛，戴其根，皮加歡.江蘇太湖稻麥兩熟地區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟施氮量的初步研究［J］.江蘇農(nóng)業(yè)研究，2000，21（2）:30-35.

The pollution load flux estimation of Huanxiang River basin based on ArcGIS and M ikeBasin model

CAO Dong-wei
（Tangshan Hydrology and Water Resources Sureau of Hebei Province,Tangshan,063000,China）

This paper expounds the concept and the pollution load of domestic and foreign research progress of using Ar-cgis and Mikebasin model for the Huanxiang River basin pollution load,simulated the output,the pollution load flux in the basin,and given different pollutants of outflow coefficient and distance attenuation coefficient.Simulation results show that the Huanxiang River basin pollution load output of chemical oxygen demand（cod）was 2100.053t/a,ammonia nitrogen was 103.615 t/a and nitrate nitrogen was 209.073t/a.With rainfall and runoffmodel（NAM）coupling,calculate the basin pollu-tion load flux;Method provides a new Ideas and methods for thewater environmentmanagement.

Huanxiang river basin;pollution load flux;Mikebasin

X832

B

1672-9900（2015）01-0064-04

2015-01-27

曹東衛(wèi)（1973-），男（漢族），河北唐山人，高級工程師，主要從事水環(huán)境監(jiān)測與管理，水文水資源研究工作，（Tel）13803316461。