周躍龍，汪懷建* ，余 輝，王振平，

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045;2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地，北京 100012)

流域污染源控制是治理水體富營(yíng)養(yǎng)化防止水華爆發(fā)的重要途徑之一［1］。在非點(diǎn)源污染控制，通過(guò)模型進(jìn)行時(shí)空模擬，并以此為基礎(chǔ)，制定合理的非點(diǎn)源污染控制對(duì)策，是目前非點(diǎn)源研究的重要手段。然而在流域管理上使用的非點(diǎn)源污染模型，由于運(yùn)算過(guò)程中需要輸入大量反映當(dāng)?shù)貧庀?、水文、土壤、土地利用等參?shù)，需要較高條件的數(shù)據(jù)資料，嚴(yán)格的參數(shù)率定。因此，模型在實(shí)際推廣困難較大［2－3］。20世紀(jì)70年代初期美國(guó)與加拿大在研究土地利用－營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷－湖泊富營(yíng)養(yǎng)化關(guān)系的過(guò)程中提出并應(yīng)用了輸出系數(shù)法或稱(chēng)為單位面積負(fù)荷法，這種初期的輸出系數(shù)模型為人們研究非點(diǎn)源污染提供了一種新的途徑輸出系數(shù)模型，由于其數(shù)據(jù)量要求較少，精準(zhǔn)度較高。對(duì)較大尺度上流域污染負(fù)荷測(cè)算提供了較為準(zhǔn)確便攜的方法，被國(guó)內(nèi)外大量使用論證。因此，本文應(yīng)用輸出系數(shù)模型估算太湖流域N、P營(yíng)養(yǎng)鹽輸出負(fù)荷，以期為流域水環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

太湖流域位于長(zhǎng)江三角洲平原，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)。該地區(qū)人口密度大，土地利用程度高，城市化進(jìn)程高。在國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2008ZX07101－001)中，為能更加有效的辨析全流域的污染源分布，計(jì)算污染通量及分配問(wèn)題，將太湖流域分成5個(gè)污染控制區(qū)及32個(gè)控制單元，5大污染控制區(qū)分別是:北部重污染控制區(qū)(6327 km2)包括常州市、武進(jìn)區(qū)、無(wú)錫市、江陰市、常熟市、張家港市;湖西重污染控制區(qū)(6636 km2)包括丹徒區(qū)、丹陽(yáng)市、金壇市、溧陽(yáng)市、宜興市、句容市、高淳縣;浙西污染控制區(qū)(8272 km2)包括杭州市、余杭區(qū)、臨安市、湖州市、德清縣、長(zhǎng)興縣、安吉縣;南部太浦污染控制區(qū)(3953 km2)及東部污染控制區(qū)(6304 km2)包括蘇州市、昆山市、吳江市、太倉(cāng)市和青浦區(qū)三鎮(zhèn)。

2 材料及方法

2.1 土地利用類(lèi)型

采用 2011 年 2 月 Landsat TM(Landsat Thematic Mapper)遙感數(shù)據(jù)(第 1、2、3、4、5、7 波段分辨率為30 m，第6波段分辨率為60 m)，使用遙感處理軟件Erdas8進(jìn)行幾何校正(誤差小于0.5像元)并使用專(zhuān)家分類(lèi)方法將研究區(qū)域劃分為耕地、林地、水體、草地、建設(shè)用地和未利用地6大類(lèi)(圖1，表1)，并利用目視解譯結(jié)合地面調(diào)查對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行修正，制作后太湖流域土地利用類(lèi)型圖(圖1)。區(qū)域內(nèi)各類(lèi)土地利用面積通過(guò)ArcGIS 10.0 analysis tools模塊完成。

圖1 太湖流域土地利用解析圖Fig.1 The taihu lake watershed land use image resolution

表1 環(huán)太湖河流周邊主要土地利用類(lèi)型Tab.1 The main land use types of Taihu lake Watershed

2.2 輸出系數(shù)模型及輸出系數(shù)選取

2.2.1 輸出系數(shù)模型 1996年Johns等對(duì)輸出系數(shù)模型進(jìn)行了完善和改進(jìn)，在模型中考慮了人口密度以及畜禽所產(chǎn)生的污染［5－6］。Johns所改進(jìn)后的輸出系數(shù)模型避開(kāi)了污染產(chǎn)生的復(fù)雜過(guò)程，將整個(gè)污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程設(shè)定為黑箱，通過(guò)相關(guān)的矯正系數(shù)來(lái)測(cè)算污染物產(chǎn)生負(fù)荷。整個(gè)過(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)量要求較低，測(cè)算后的結(jié)果也具有較高的精準(zhǔn)度，因此，在數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏的流域?qū)ξ廴疚镓?fù)荷測(cè)算十分實(shí)用，被大量的相關(guān)研究者所采用［7－8］。Johns等建立的輸出系數(shù)模型方程為:

式中，Lj為污染物j在流域的總負(fù)荷量(kg/(km2·a));i為流域中的土地利用類(lèi)型，共m種;Eij為污染物j在第i種土地利用類(lèi)型中的輸出系數(shù)(kg/km2)或第i種畜禽每頭排泄系數(shù)(kg/a)或人口每人輸出系數(shù)(kg/a);Ai為流域中第i種土地利用類(lèi)型的面積(km2)或第i種牲畜數(shù)量(頭)或人口數(shù)量(人)。

表2 歷年太湖流域輸出系數(shù)研究Tab.2 Researches of output coefficient in Taihu lake watershed

2.2.2 輸出系數(shù)選取 根據(jù)2011年江蘇省和浙江省相關(guān)地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒，分別統(tǒng)計(jì)了太湖流域豬、牛、羊、家禽以及農(nóng)村和城鎮(zhèn)人口。輸出系數(shù)選取依照歷年研究相關(guān)結(jié)果。在太湖流域相關(guān)研究中，相關(guān)研究者也給出了不同土地利用下污染物輸出系數(shù)(表2)，但是由于其研究區(qū)域及尺度的差異，導(dǎo)致所選取的輸出系數(shù)都不能夠很好的代表全流域情況，因此，本文將近年來(lái)所涉及的相關(guān)研究，選取其均值，減少全流域計(jì)算時(shí)所帶來(lái)的誤差。具體取值見(jiàn)表2和表3。

表3 太湖流域畜禽及人類(lèi)排污系數(shù)Tab.3 Livestock，poultry，human sewage discharge coefficient in Taihu lake watershed

3 結(jié)果與分析

3.1 流域土地利用現(xiàn)狀

見(jiàn)圖2太湖流域5分區(qū)土地格局比重圖，可知5分區(qū)內(nèi)耕地所占比重最大，但5分區(qū)土地利用方式有各自的特點(diǎn)。其中北部污染控制區(qū)各種土地利用格局所占比重依次為耕地＞建設(shè)用地＞水域＞林地＞未利用地;其中北部污染控制區(qū)各種土地利用格局所占比重依次為耕地＞建設(shè)用地＞水域＞林地＞未利用地;西部污染控制區(qū)各種土地利用格局所占比重依次為耕地＞水域＞建設(shè)用地＞林地＞未利用地;浙西污染控制區(qū)各種土地利用格局所占比重依次為林地＞耕地＞建設(shè)用地＞水域＞未利用地;東部污染控制區(qū)各種土地利用格局所占比重依次為水域＞建設(shè)用地＞耕地＞林地。

圖2 太湖流域五分區(qū)土地格局比重圖Fig.2 Land use patterns in Taihu lake watershed

3.2 太湖流域氮磷污染負(fù)荷

根據(jù)表4太湖流域5大分區(qū)總氮面源污染負(fù)荷量可知，太湖流域面源污染負(fù)荷為39.81萬(wàn)t/年，其中面源污染負(fù)荷最大的為耕地，高達(dá)16.52萬(wàn)t/年。其次為建設(shè)用地9.02萬(wàn)t/年，以及水域產(chǎn)生的5.08萬(wàn)t/年。北部污染控制區(qū)污染負(fù)荷量較高，總氮污染負(fù)荷為12.53萬(wàn)t/年，依次為浙西污染控制區(qū)＞西部污染控制區(qū)＞南部污染控制區(qū)＞東部污染控制區(qū)。太湖流域現(xiàn)狀農(nóng)田肥料年平均用量為氮肥570～600 kg/hm2，磷肥79.5～99 kg/hm2，化肥平均利用率僅為30%～35%。過(guò)量的化肥投入提高了土壤的氮磷背景值，增加了氮磷向水體流失的風(fēng)險(xiǎn)和流失量［17］。蘇錫常地區(qū)自古以來(lái)是我國(guó)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)地區(qū)之一，以精細(xì)耕作和集約化程度高而著稱(chēng)，曾經(jīng)是我國(guó)重要的商品糧基地。區(qū)內(nèi)農(nóng)藥、化肥用量不僅在中國(guó)，在世界也是很高的，并且一直在呈上升趨勢(shì)，勢(shì)必對(duì)太湖水體造成一定的污染。

表4 太湖流域五大分區(qū)總氮面源污染負(fù)荷量Tab.4 Non-point source pollution of total nitrogen loading

根據(jù)表5太湖流域5大分區(qū)總磷面源污染負(fù)荷量可知，太湖流域面源污染總負(fù)荷為5.59萬(wàn)t/年，其中面源污染總負(fù)荷最大的為建設(shè)用地和耕地，分別為2.01和2.00萬(wàn)t/年?？偭孜廴矩?fù)荷為北部污染控制區(qū)＞浙西污染控制區(qū)＞西部污染控制區(qū)＞南部污染控制區(qū)＞東部污染控制區(qū)。

表5 太湖流域五大分區(qū)總磷面源污染負(fù)荷量Tab.5 Non-point source pollution of total phosphorus loading 萬(wàn) t/年

平原河網(wǎng)地區(qū)是河流高度發(fā)育并受到城市化深刻影響的區(qū)域，且大都為經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)復(fù)種指數(shù)高，化肥投入量大，近郊村鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)展迅速，外來(lái)務(wù)工人員集聚，因此呈現(xiàn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的相互交織，造就了其相比于其他地區(qū)更為復(fù)雜多變的面源污染特征，且縱橫密布的河流也使得水環(huán)境對(duì)面源污染的響應(yīng)更為顯著和敏感。太湖流域面源污染負(fù)荷中總磷污染主要來(lái)自于建設(shè)用地。這與相關(guān)研究者在環(huán)湖河流水質(zhì)調(diào)查中總磷污染水平在北部污染區(qū)較高結(jié)論基本一致［18］。

4 結(jié)論

基于輸出系數(shù)模型結(jié)合太湖流域遙感衛(wèi)片解譯，初步計(jì)算出太湖流域總氮面源污染負(fù)荷為39.81萬(wàn)t/年，總磷面源污染負(fù)荷為5.59萬(wàn)t/年。其中耕地、建設(shè)用地及水面是全流域主要土地利用類(lèi)型。在太湖流域面源污染負(fù)荷中，總氮污染主要來(lái)自于耕地產(chǎn)生，總磷污染主要來(lái)自于建設(shè)用地。此外，太湖流域5分區(qū)中總氮、總磷面源污染負(fù)荷依次為北部污染控制區(qū)＞浙西污染控制區(qū)＞西部污染控制區(qū)＞南部污染控制區(qū)＞東部污染控制區(qū)。

因此，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水、減少農(nóng)田養(yǎng)分投入、進(jìn)行地表徑流和滲漏養(yǎng)分的生態(tài)攔截等面源污染控制措施是減少太湖流域面源污染負(fù)荷優(yōu)先考慮的重要內(nèi)容。

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