崔 巍，白音包力皋，陳文學(xué)，陳興茹

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guān)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(zhì)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(diǎn)，其中中小河流工業(yè)和生活點(diǎn)源污染源受到有效控制，而非點(diǎn)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(diǎn)源污染防治須以污染物負(fù)荷量化為基礎(chǔ)，明確防治重點(diǎn)區(qū)域，以使有限的人力物力充分發(fā)揮作用。國內(nèi)外現(xiàn)有非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算模型中，考慮污染物遷移機(jī)理的模型對資料要求高，參數(shù)校準(zhǔn)和率定復(fù)雜。對中小河流而言，其監(jiān)測數(shù)據(jù)普遍缺乏。文獻(xiàn)[1]對東北地區(qū)近20年（1991—2008年）相關(guān)研究進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(xì)物理型非點(diǎn)源污染模型（SWAT模型、AnnAGNPS模型）難以良好地校準(zhǔn)和驗(yàn)證，限制了其使用。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Y料要求較少，但缺乏機(jī)理基礎(chǔ)，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(yàn)和資料的依賴性，為中小河流非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算提供了一種具有一定精度的實(shí)用方法。不過，輸出系數(shù)法[2-4]當(dāng)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(xué)、快速地從中篩選出防治重點(diǎn)與優(yōu)先度。

本文以哈爾濱市58條松花江一級支流非點(diǎn)源污染評估為例，綜合運(yùn)用RS、GIS技術(shù)和聚類分析等方法，提出污染負(fù)荷強(qiáng)度估算、污染物識別、重點(diǎn)地區(qū)鑒別的方法，不僅對哈爾濱市中小河流非點(diǎn)源污染治理具有指導(dǎo)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(dá)標(biāo)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(diǎn)源污染所占比例逐年增加，自2000年起松花江流域TN、TP非點(diǎn)源污染負(fù)荷已超過點(diǎn)源，其中TP遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過點(diǎn)源，非點(diǎn)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(wù)之一。

根據(jù)調(diào)查，哈爾濱市中小流域非點(diǎn)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(jié)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(yuǎn)高于全國平均水平（277.5kg/hm2）。化肥、農(nóng)藥通過地表徑流進(jìn)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(shè)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(jìn)入中小河流。

3 非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算

3.1 輸出系數(shù)模型20世紀(jì)70年代初期，美國、加拿大在研究土地利用-營養(yǎng)負(fù)荷-湖泊富營養(yǎng)化關(guān)系的過程中，提出并應(yīng)用了輸出系數(shù)模型（亦稱單位面積負(fù)荷法）。1996年英國學(xué)者Johns[8]在前人成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過長期的研究和實(shí)踐，提出了更為細(xì)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(chǔ)上，結(jié)合居民非點(diǎn)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(zhǔn)確的對大尺度流域的非點(diǎn)源污染進(jìn)行評價和預(yù)測，在北美地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，我國應(yīng)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(zhì)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(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的問題，不能預(yù)測單場降雨所產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對模型不斷改進(jìn)[12]，提出了考慮土地利用變化的輸出系數(shù)模型、改進(jìn)的磷輸出系數(shù)模型、考慮水文因素和流域損失的改進(jìn)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(fù)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(nèi)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(jìn)入受納水體比例，中間應(yīng)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(dāng)?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(shè)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(jìn)入受納水體比例。

降雨輸入的營養(yǎng)物（污染物）數(shù)量計(jì)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(diǎn)源污染物輸出系數(shù)因素眾多，包括流域內(nèi)地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型和結(jié)構(gòu)、植被、管理措施以及人類活動等，確定方法有查閱文獻(xiàn)值法和試驗(yàn)法等。本文輸出系數(shù)采用查閱文獻(xiàn)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(jié)合國內(nèi)一些學(xué)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(rèn)可和使用[3]。水體因降雨產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染濃度參考文獻(xiàn)[15]降水監(jiān)測估算結(jié)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(fù)荷估算及來源組成分析計(jì)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(jì)年鑒（2010年）、哈爾濱市水資源公報(bào)（2010年）等。

根據(jù)式（1），使用ArcGIS 9.2的Raster Calculator工具，計(jì)算出不同土地利用類型非點(diǎn)源TN和TP負(fù)荷強(qiáng)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(jì)算出人和禽畜非點(diǎn)源TN和TP負(fù)荷強(qiáng)度分布柵格圖（圖3）；根據(jù)式（2），使用Raster Calculator工具計(jì)算出降雨非點(diǎn)源TN和TP負(fù)荷強(qiáng)度分布柵格圖。將土地利用、降雨、人和牲畜非點(diǎn)源TN和TP負(fù)荷強(qiáng)度柵格圖疊加求和，得出非點(diǎn)源TN和TP負(fù)荷強(qiáng)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(diǎn)源總氮負(fù)荷分布

本文計(jì)算出哈爾濱地區(qū)TN強(qiáng)度為2.72（t/（km2·a）），TP為0.10（t/（km2·a）），與文獻(xiàn)[3]松花江干流TN負(fù)荷強(qiáng)度2.06（t/（km2·a））和TP負(fù)荷強(qiáng)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(zhǔn)確度仍需要進(jìn)一步驗(yàn)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(jì)單元，影響成果精度。

通過統(tǒng)計(jì)哈爾濱地區(qū)不同污染源輸出總氮、總磷負(fù)荷量值，可分析比例構(gòu)成（圖5、圖6）。哈爾濱市中小河流非點(diǎn)源TP負(fù)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(fù)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(diǎn)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(diǎn)。

圖3 哈爾濱市農(nóng)村人口及禽畜非點(diǎn)源總氮負(fù)荷分布

圖4 哈爾濱市非點(diǎn)源TN負(fù)荷強(qiáng)度分布

圖5 哈爾濱市非點(diǎn)源污染TP負(fù)荷來源組成

圖6 哈爾濱市非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷來源組成

3.4 等標(biāo)污染負(fù)荷及污染負(fù)荷比計(jì)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(yīng)、危害，為能在同一尺度上加以比較，確定主要污染物及負(fù)荷比，需要對污染物和污染源進(jìn)行標(biāo)化計(jì)算，最常用特征數(shù)是等標(biāo)污染負(fù)荷。污染物等標(biāo)污染負(fù)荷是指單位時間排放的含該污染物的廢水等標(biāo)體積，公式如表2。根據(jù)2010年哈爾濱市水資源公報(bào)，中小河流目標(biāo)水質(zhì)多數(shù)為Ⅲ類，據(jù)此確定TN評價標(biāo)準(zhǔn)為1.0mg/L，TP評價標(biāo)準(zhǔn)為0.2mg/L。

表2 等標(biāo)污染負(fù)荷及負(fù)荷比計(jì)算公式

根據(jù)表2中計(jì)算公式，利用ARCGIS9.2的Raster Calculator工具，計(jì)算出哈爾濱市等標(biāo)污染負(fù)荷空間分布狀況。以行政區(qū)劃為統(tǒng)計(jì)單元，得到區(qū)縣TP、TN污染負(fù)荷強(qiáng)度、等標(biāo)負(fù)荷及負(fù)荷比（表3）。區(qū)縣TP、TN污染負(fù)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(diǎn)源污染主要污染物，是防治重點(diǎn)。

表3 哈爾濱市各區(qū)縣面源TP、TN負(fù)荷

4 中小河流非點(diǎn)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(diǎn)分級工具（Nature break），按哈爾濱市等標(biāo)污染負(fù)荷空間分布狀況分區(qū)，劃為重污染負(fù)荷區(qū)、較重污染負(fù)荷區(qū)、中度污染負(fù)荷區(qū)、較輕污染負(fù)荷區(qū)和輕污染負(fù)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(biāo)污染負(fù)荷圖層疊加，以流域?yàn)榻y(tǒng)計(jì)單元輸出哈爾濱市中小流域等標(biāo)負(fù)荷強(qiáng)度。采用IBM-SPSS 9.3統(tǒng)計(jì)分析軟件，采用歐氏距離平方度量法、Ward’s聚類法和Z scores標(biāo)準(zhǔn)化法，將58個一級流域按平均等標(biāo)負(fù)荷強(qiáng)度大小劃為5類，類內(nèi)依照負(fù)荷大小排序。限于篇幅，表4列出了分類部分結(jié)果。

表4 哈爾濱市松花江一級支流分類（局部）

非點(diǎn)源污染分區(qū)結(jié)果表明，重污染負(fù)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(diǎn)優(yōu)先治理；較重污染負(fù)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(diǎn)源污染分類結(jié)果表明，馬蛇子河、淘氣河等Ⅰ類河流面源污染負(fù)荷最大，需重點(diǎn)優(yōu)先治理；運(yùn)糧河、何家溝等Ⅱ類河流面源污染負(fù)荷較大，治理優(yōu)先度次之。

5 結(jié)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(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于中小河流非點(diǎn)源污染治理，能夠科學(xué)高效地識別主要污染物和污染源，確定出重點(diǎn)防治片區(qū)和流域；（2）哈爾濱地區(qū)中小河流非點(diǎn)源污染成份中，TN是主要污染物，在等標(biāo)負(fù)荷中占84%，TP污染為次要污染物，在等標(biāo)負(fù)荷中占16%；（3）哈爾濱地區(qū)中小河流非點(diǎn)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(diǎn)源污染防治重點(diǎn)地區(qū)為雙城、賓縣、五常等Ⅰ級地區(qū)，重點(diǎn)流域?yàn)轳R蛇子河、淘氣河等Ⅰ類河流流域，重點(diǎn)領(lǐng)域?yàn)檗r(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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