六股河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物入河量估算

費(fèi)卓越

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

非點(diǎn)源污染是指土壤、地面和大氣中的污染物，在降雨淋溶及徑流沖刷作用下流入江河、水庫、湖泊、海洋等水體所造成的污染[1]。研究表明，水環(huán)境狀況在很大程度上取決于非點(diǎn)源污染程度，即使點(diǎn)源污染得到有效的控制，江河、海洋、湖泊的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率也只有65%、78%和42%。據(jù)統(tǒng)計，遼寧境內(nèi)的河流受非點(diǎn)源污染的比例已超過點(diǎn)源污染，并成為飲水安全的主要威脅因素。

1 流域概況

六股河流域位于葫蘆島市的建昌縣、興城市、綏中縣范圍內(nèi)，于綏中縣小李莊鄉(xiāng)大漁廠村附近注入渤海，地理坐標(biāo)介于E120°00′-120°24′、N40°09′-41°00′之間。六股河為葫蘆島市最大的一條獨(dú)流入海河流，河流全長162km，流域面積3069km2，河道比降為1.61‰。流域內(nèi)地勢由西北向東南傾斜，平均高程在200m，山地占54%，丘陵占33%，平原占11%，沙丘占2%，山地主要分布在流域的西北部。

六股河流域的西北部、北部、東北部與大小凌河流域接壤，東部與獨(dú)流入海的煙臺河相鄰，南部為綏中縣境內(nèi)沿海諸河，與小莊子河、貓眼河、狗河、石河相鄰。流域內(nèi)有工礦用地、農(nóng)村居民地、城鎮(zhèn)居住用地、鹽堿地、低覆蓋草地、中覆蓋草地、高覆蓋草地、疏林地、灌木林地、有林地、旱田、水田等土地利用類型，并且分布有優(yōu)質(zhì)玉米和粳稻生產(chǎn)基地。近年來，隨著水田的大范圍開發(fā)灌區(qū)退水量急劇增大，加之防治水污染基礎(chǔ)設(shè)施的薄弱，工農(nóng)業(yè)、生活污水排放失控和管理落后等因素，使河道水體遭到不同程度的污染。灌區(qū)退水已成為六股河流域非點(diǎn)源污染的主要來源，并對流域水環(huán)境質(zhì)量造成不同程度的影響。流域內(nèi)嚴(yán)重的水土流失和脆弱的生態(tài)環(huán)境極大的制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此必須加快水土流失治理，切實(shí)改善水體環(huán)境和人居生活條件，這是推動經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展及實(shí)現(xiàn)農(nóng)民脫貧致富的根本途徑。通過小流域綜合治理，為加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展、減輕區(qū)域防洪威脅以及調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)提供保障。

2 研究方法

2.1 子流域劃分

以匯水區(qū)為基本單元，借助Arc GIS軟件劃分子流域并計算其非點(diǎn)源污染負(fù)荷。采用漫流模型模擬從高到低地表徑流的流動過程，由此生成水系，然后利用Arc Hydro模塊按照每個格網(wǎng)的水流方向與坡降，經(jīng)填洼處理提取匯流網(wǎng)絡(luò)及匯水區(qū)小流域，生成不同級別的匯流網(wǎng)絡(luò)，按從大到小劃分同一流域不同等級的子匯流區(qū)，詳細(xì)流程如下：

步驟1：DEM數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。將數(shù)字高程模型grid數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換、拼接、裁切，經(jīng)過空白數(shù)據(jù)填補(bǔ)獲取研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地形圖分幅的grid數(shù)據(jù)，分辨率90m×90m。

步驟2：填充凹陷點(diǎn)。一般地，把高程更高的單元格所圍繞的單元格稱為凹陷點(diǎn)，流入該單元格的水體不會再流走。為了解決以上問題，可以執(zhí)行Arc/info的ARC命令進(jìn)入grid模塊，對grid凹陷點(diǎn)使用Fill命令填充，從而獲取DEM圖層。

步驟3：確定水流方向。輸入DEM圖層計算流向格柵，單元格周圍最陡的沉降方向用流向柵格中單元格的數(shù)值反映，水流方向的grid數(shù)據(jù)可利用Flow direction函數(shù)等水文表面分析工具生成。

步驟4：河流積流。對于河流網(wǎng)格中上游單元格積流與每個單元格的累加可利用Flow accumulation函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，單元格數(shù)值大部分都比較小，但位于干流的部分單元格累積值也可能較大。臨界值屬于河流積流計算的關(guān)鍵參數(shù)，其主要功能就是對河流網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)程度進(jìn)行控制，可以結(jié)合制度比例尺、區(qū)域范圍、地形地貌特征和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來確定，從而輸出Stream Grid數(shù)據(jù)。

步驟5：河流分割。在一個特定的流段里生成能夠唯一識別的水流分段網(wǎng)格，即網(wǎng)格代碼在所有單元格內(nèi)統(tǒng)一，從而獲取相應(yīng)的Stream Link數(shù)據(jù)。

步驟6：劃定流域。創(chuàng)建一個擁有格柵代碼(閾值)的格柵文件，格柵代碼可用于識別其所屬流域。經(jīng)轉(zhuǎn)化處理，生成一個流域多邊形文件并裁剪各個小流域邊界，最終獲取六股河流域子流域水系，即馬道子河(子流域1)、八家子河(子流域2)、黑水河(子流域3)、王寶河(子流域4)。其中，黑水河發(fā)源于建昌縣養(yǎng)馬甸子鄉(xiāng)，流經(jīng)建昌縣的和尚房子鄉(xiāng)、綏中縣的葛家鄉(xiāng)、寬甸鎮(zhèn)、于西平鄉(xiāng)匯入六股河；王寶河發(fā)源于綏中縣大王廟鎮(zhèn)，流經(jīng)黃家鄉(xiāng)、高甸子鄉(xiāng)、于高臺堡鄉(xiāng)匯入六股河。

2.2 污染物入河系數(shù)的確定

2.2.1 降雨徑流

目前，對于較大尺度非點(diǎn)源污染負(fù)荷比較常用的估算方法是輸出系數(shù)法，然而這種方法較少考慮水循環(huán)過程中營養(yǎng)物的遷移轉(zhuǎn)化以及水文路徑等決定營養(yǎng)物質(zhì)遷移的因素，在隨降雨徑流遷移到流域出口斷面的過程中流域內(nèi)產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量受河流降解、泥沙淤積、植被截流等因素的影響，這導(dǎo)致整個流域范圍內(nèi)產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量將大于流域出口斷面上的負(fù)荷量。所以，可將入河系數(shù)引入輸出系數(shù)法中，用以反映遷移至流域出口斷面上的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量，占流域范圍內(nèi)產(chǎn)生污染負(fù)荷量的貢獻(xiàn)率。對此，利用以下計算公式確定不同用地類型的污染物入河量，即：

(1)

式中：L為某種污染物在各用地類型中的總?cè)牒恿浚琸g/a；Ei、Ai為某種污染物在用地類型i中的輸出系數(shù)(kg/hm2·a)及其面積，i取1-4，依次代表建設(shè)用地、草地、林地和耕地；β污染物入河比例。借鑒李根等研究成果，確定不同用地類型的輸出系數(shù)Ei；因需要長期的水量、水質(zhì)同步監(jiān)測數(shù)據(jù)才能準(zhǔn)確估算入河比例，故考慮麻德明等[13]研究資料確定β值取10%。

2.2.2 灌區(qū)退水

根據(jù)污染物、排水量和用水量監(jiān)測結(jié)果推算灌區(qū)退水污染物入河系數(shù)，王石灌區(qū)為現(xiàn)狀六股河流域內(nèi)的灌區(qū)。通過調(diào)查監(jiān)測水田排水量、灌溉用水量、污染物以及灌區(qū)退水量估算污染物入河系數(shù)，其表達(dá)式為：

M=KAβ×10-5

(2)

式中：M為某污染物入河系數(shù)。kg/hm2·a；K、A為灌溉用水量，m3/hm2·a和灌區(qū)退水中某污染物濃度，mg/L；β為污染物退水比例(%)，各參數(shù)值如表1。

表1 估算參數(shù)值

3 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷計算

以2020年六股河流域土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步將疏林地、灌木林地、有林地劃分為林地，旱田劃分為耕地，工礦用地、農(nóng)村居民地和城鎮(zhèn)居住用地劃為建設(shè)用地，鹽堿地、低覆蓋草地、中覆蓋草地、高覆蓋草地等劃為草地，通過對林地、耕地、建設(shè)用地和草地面積的測算估算出水土流失非點(diǎn)源污染物入河量。然后依據(jù)灌排水調(diào)查結(jié)果和污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)估算出灌區(qū)退水污染物入河量，如圖1。六股河流域灌區(qū)退水和水土流失引起的污染物入河量，對比結(jié)果如圖2。

圖2 六股河灌區(qū)退水、水土流失入河量對比

(a)COD (b)TP

(c)TN

從圖1可知，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中COD入河量以降雨徑流水土流失為主的子流域?yàn)?、2，即馬道子河、八家子河，而子流域3、4的COD入河量以灌區(qū)退水為主；農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中TP入河量以降雨徑流水土流失為主的子流域?yàn)?，即馬道子河，而子流域2、3、4的TP入河量以灌區(qū)退水為主；同時，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中TN入河量各子流域均以水土流失為主。

從圖2可知，六股河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中COD、TP、TN的入河量為6751.5t/a、273.7t/a、602.2t/a，其中灌區(qū)退水污染物對COD、TP的貢獻(xiàn)率較大，其所占總污染負(fù)荷的65.70%和78.66%；水土流失污染物對TN的貢獻(xiàn)率最大，所占比例達(dá)到92.59%。面積較大的子流域2、4其農(nóng)業(yè)面源污染物排放量占比較高，整個六股河流域污染物入河量的60%都是來源于子流域2、4，并且灌區(qū)退水與水土流失污染并重的為子流域2，污染源以灌區(qū)為主的為子流域4。

4 結(jié) 論

綜合利用Arc GIS技術(shù)與輸出系數(shù)模型，估算了六股河流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷，在此基礎(chǔ)上探究了其空間分布特征，主要結(jié)論如下：

1)灌區(qū)退水污染物對六股河流域COD、TP的貢獻(xiàn)率較大，其所占總污染負(fù)荷的65.70%和78.66%。所以，六股河流域非點(diǎn)源污染整治的重點(diǎn)的王石灌區(qū)退水。

2)在空間上揭示了非點(diǎn)源污染的分布特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)面積較大的子流域2、4的農(nóng)業(yè)面源污染物排放量占比較高，整個六股河流域污染物入河量的60%都是來源于此，子流域4的污染源以灌區(qū)退水為主，子流域2污染源包括灌區(qū)退水與水土流失。