馮愛萍，郝新，羅儀寧，王雪蕾*，李宣瑾，黃莉

（1.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京 100094；2.北京師范大學，北京 100875；3.陜西省環(huán)境監(jiān)測中心站，西安 710054；4.生態(tài)環(huán)境部對外合作與交流中心，北京 100035）

氮、磷是作物生長的必需元素，人類活動對氮、磷的生物地球化學循環(huán)產(chǎn)生了巨大變化，直接影響了糧食安全，導致了一系列水環(huán)境問題[1]。糧食安全與水資源是未來全球面臨的主要挑戰(zhàn)之一，作為一個人口和農(nóng)業(yè)大國，我國面臨著更為嚴峻的水資源和糧食生產(chǎn)壓力。在過去幾十年中通過擴大農(nóng)業(yè)用地面積和利用肥料提高農(nóng)田生產(chǎn)力來維持其龐大的人口，農(nóng)業(yè)擴張和施肥增加極大提高了作物產(chǎn)量，確保了我國的糧食安全，但同時也增加了非點源的流失，對水環(huán)境造成了一定影響，如水質(zhì)退化和水生生態(tài)系統(tǒng)中的生物多樣性喪失等[2]。

近幾十年來，隨著點源污染的控制取得了較大進展，非點源污染已成為全球關注的重要問題[3-4]。非點源污染受到氣候、水文、土地利用和耕作管理等諸多因素的影響，傳統(tǒng)的非點源污染監(jiān)測方法只能在較小范圍內(nèi)開展，研究結(jié)果也不能較好的推廣應用到其他流域[5-7]。隨著計算機技術發(fā)展，在非點源污染機理研究的基礎上，許多數(shù)學模型被開發(fā)出來用于預測和量化流域尺度上的非點源污染流失負荷，如AnnAG?NPS模型[8-10]、HSPF模型[11]、SWAT模型[12-14]等。隨著遙感技術的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)應用于非點源污染監(jiān)測可以進一步提高非點源污染監(jiān)測評估的精度和準確性。

灤河流域是京津冀地區(qū)的重要水源地之一，也是京津冀都市圈最前沿的生態(tài)環(huán)境屏障，然而隨著用水量的增加，廢水排放量也相應增加，灤河流域承德市水環(huán)境總體上呈惡化趨勢，水污染引起的“水質(zhì)型缺水”，加劇了水資源的短缺，因此，亟需開展灤河流域承德市污染源解析，而非點源污染作為影響水環(huán)境質(zhì)量的重要污染源，引起管理部門的廣泛關注。前人的研究多集中在灤河流域水質(zhì)污染解析[15-16]、單一指標或單一類型非點源污染分析[17-18]、水環(huán)境治理與保護及污染防治對策[19-20]、生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究[21]等方面，缺少流域多類型、多指標非點源污染空間分區(qū)分類的評估。

本研究從管理需求出發(fā)，以灤河流域承德市為研究區(qū)，開展不同類型非點源污染的精細化評估，為管理部門開展灤河流域承德市水環(huán)境治理提供技術支撐和區(qū)域參考。非點源污染遙感分布式估算模型（DPeRS模型）可實現(xiàn)像元尺度多類型、多指標流域非點源污染量的精細化空間評估，因此，本研究采用DPeRS模型對灤河流域承德市農(nóng)田種植源、畜禽養(yǎng)殖源、農(nóng)村生活源、城鎮(zhèn)生活源和水土流失源5 個類型，總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮和化學需氧量（CODCr）4 個指標的非點源污染排放負荷和入河負荷進行空間像元尺度評估，利用SWAT 模型和排污系數(shù)法評估結(jié)果進行對比論證，明確了非點源污染量及污染空間分布特征，識別了非點源污染主要類型和優(yōu)控單元，并探討分析了非點源污染貢獻率及影響因子，為管理部門開展灤河流域承德市非點源污染防治提供決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取灤河流域承德市作為研究區(qū)（圖1），對其非點源污染特征進行評估分析。灤河流域發(fā)源于巴顏圖古爾山麓的小梁山，流域面積44 750 km2，地理范圍39°10′~42°30′N 和115°30′~119°15′E。灤河流域承德市集水面積28 616 km2，占全市總面積的72%，占灤河流域總面積的64%。灤河流域承德市屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為5~12 ℃，年平降水量為400~700 mm。研究區(qū)土地利用類型主要包括耕地、林地和草地，分別占流域面積的18.8%、48.6%和28.1%，受耕作條件的限制，流域主要以旱田為主，水田僅分布在流域東南部，占比不足流域面積的0.1%。

圖1 研究區(qū)概況Figure 1 Overview of the study area

1.2 非點源污染遙感模型方法

從非點源污染的發(fā)生機理和污染特點出發(fā)，非點源污染發(fā)生的條件主要有動力因素、水文條件和地形特點，降雨徑流過程、侵蝕過程和污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程是非點源污染形成、影響和作用的主要特征[22]。從污染源角度，將非點源污染源類型分為農(nóng)業(yè)非點源、城鎮(zhèn)生活源和水土流失源三大類，其中，農(nóng)業(yè)非點源污染主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的化學物質(zhì)大量投入、農(nóng)村生活污水和垃圾的任意排放、畜禽養(yǎng)殖場未經(jīng)處理糞便的排放和農(nóng)用等因素導致[22]，因此，進一步將農(nóng)業(yè)非點源污染細分為農(nóng)田種植、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活3種類型。

DPeRS 模型是基于二元結(jié)構(gòu)原理構(gòu)建的遙感分布式非點源污染模型，模型算法以遙感數(shù)據(jù)為驅(qū)動，以遙感像元為基本模擬單元，耦合定量遙感模型和生態(tài)水文過程模型，實現(xiàn)了流域非點源污染負荷的月尺度空間估算和不同污染源在遙感像元上的空間量化表達，重點評估由降水引起的地表徑流型非點源污染，DPeRS模型的技術框架體系和核心算法詳見文獻[23-24]。DPeRS 模型可概括為 5 種污染類型、2 個元素形態(tài)和4 個模擬指標，污染類型包括農(nóng)田徑流、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)生活和水土流失，污染物形態(tài)包括溶解態(tài)和顆粒態(tài)，模擬指標包括TN、TP和CODCr。該模型包含農(nóng)田氮磷平衡核算、植被覆蓋度定量遙感反演、溶解態(tài)污染負荷估算、顆粒態(tài)污染負荷估算和入河估算5大模塊。

1.3 非點源污染遙感模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

DPeRS 模型的數(shù)據(jù)主要包括地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)和植被覆蓋度數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)等（表1），所有數(shù)據(jù)的空間分辨率均統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為30 m 的柵格數(shù)據(jù)。其中，DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)用于研究區(qū)坡度和坡長數(shù)據(jù)的計算[25]；利用薄板樣條滑動平均法進行降水量的空間插值[26]；采用最大最小值定量反演算法進行流域植被覆蓋度反演[27];統(tǒng)計數(shù)據(jù)為2019 年灤河流域承德市縣域尺度數(shù)據(jù)，通過輸入輸出法核算農(nóng)田氮磷表觀平衡量[28]，此外，通過實地采樣檢測獲得研究區(qū)部分點位土壤樣品和生活垃圾樣品的氮磷含量，為模型參數(shù)校驗提供數(shù)據(jù)支撐。

表1 模型主要數(shù)據(jù)Table 1 The main data of model

1.4 非點源污染優(yōu)控單元識別方法

研究采用的控制單元為《重點流域水污染防治規(guī)劃（2016—2020 年）》提出的全國1 784 個控制單元，其中，灤河流域承德市的控制單元有19 個。由于源頭治理和過程控制是非點源污染管理和控制的兩種重要方式，本研究基于非點源污染排放負荷和入河量兩項指標對非點源污染類別進行識別判定，非點源污染優(yōu)先控制單元篩選方法詳見文獻[29]，非點源污染本底閾值為DPeRS 模型評估的2005 年、2010 年和2015年河北省非點源污染量的平均值和CODCr四項指標排放負荷的閾值分別為0.29、0.02、0.15 t·km-2和1.92 t·km-2，入河量的閾值分別為34.9、2.1、16.1 t和177.9 t[29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 非點源污染排放負荷分布特征

采用DPeRS 模型估算的2019 年灤河流域承德市的非點源污染排放負荷的空間分布特征如圖2 所示（負荷分級方法參考文獻[30]），2019 年灤河流域承德市TN 的排放負荷分布范圍在0~20.4 t·km-2，大部分區(qū)域 TN 排放負荷在 0~1 t·km-2，TN 排放負荷較高的區(qū)域主要分布在流域中下游距離河流較近的耕地上。排放負荷主要分布在流域中下游，空間分布特征與 TN 相似，平均排放負荷為 0.06 t·km-2。與 TN 相比，2019年灤河流域承德市TP的排放負荷相對較低，變化范圍在0~6.5 t·km-2之間。與TN 的空間分布不同，流域整體TP 的排放負荷相對較大，大部分區(qū)域TP 排放負荷處于0.01~0.05 t·km-2之間。與氮磷相比，灤河流域承德市CODCr污染負荷空間分布較為分散，分布范圍在0~55 t·km-2之間。

圖2 灤河流域承德市非點源污染排放負荷空間分布Figure 2 Spatial distribution of non-point source pollution discharge loads of Chengde City,Luanhe River Basin

2.2 非點源污染入河負荷分布特征

本研究將灤河流域承德市劃分了68 個水文單元，基于研究區(qū)水文站實測的徑流量、輸沙量等數(shù)據(jù)，分別核算了各水文單元溶解態(tài)污染物入河系數(shù)（值域范圍0~0.19）和顆粒態(tài)污染物入河系數(shù)（值域范圍0~0.076），結(jié)合2019年灤河流域承德市非點源污染排放負荷，進一步核算了2019 年灤河流域承德市非點源污染入河負荷（空間分布見圖3，負荷分級方法參考文獻[30]）。與非點源污染排放負荷相比，灤河流域承德市非點源污染的入河負荷相對較小，TN 的入河負荷量變化范圍為0~1.28 t·km-2，而TP 的入河負荷為 0~0.01 t·km-2，且研究區(qū)大部分地區(qū) TN 和 TP 的入河負荷小于 0.01 t·km-2和 0.000 5 t·km-2。研究區(qū)CODCr的入河負荷也相對較小，變化范圍為0~0.4 t·km-2。研究區(qū)非點源污染入河負荷相對較小的原因主要是灤河流域承德市2019 年降雨量較少，導致該流域水資源量與其他年相比相對較少，從而降低了非點源污染入河負荷。

圖3 灤河流域承德市非點源污染入河負荷空間分布Figure 3 Spatial distribution of non-point source pollution inflow loads of Chengde City,Luanhe River Basin

2.3 不同類型非點源污染特征

基于灤河流域承德市非點源污染排放負荷空間分布特征，進一步利用DPeRS 模型對灤河流域承德市5 種類型非點源污染排放量進行空間分類統(tǒng)計（圖4）。結(jié)果表明，2019 年灤河流域承德市TN 和排放量分別為3 565.5 t 和1 792.0 t，農(nóng)田徑流型是灤河流域承德市最主要的氮型非點源污染源，2019 年農(nóng)田徑流型TN 和排放量分別為2 882.6 t 和1 788.1 t，分別占流域 TN 和總排放量的80.6%和99.8%。2019 年灤河流域承德市非點源污染TP 排放總量為400.03 t，水土流失是TP 首要的污染類型（占比74.2%），其次為農(nóng)田徑流型（28.9%）。CODCr非點源污染類型與氮磷不同，僅包括畜禽養(yǎng)殖型、農(nóng)村生活型和城鎮(zhèn)生活型，其中畜禽養(yǎng)殖型是CODCr的最主要的非點源污染源，約占總排放量的94.5%。

基于灤河流域承德市非點源污染排放負荷空間分布和入河系數(shù)估算的灤河流域承德市不同類型非點源污染的入河量分布特征如圖4 所示。與灤河流域承德市TN 和非點源污染的排放特征一致，農(nóng)田徑流型是5 種類型中氮型非點源入河量的主要貢獻類型，入河量總量分別為111.49 t和70.2 t；灤河流域承德市農(nóng)田徑流型TP 的入河量大于水土流失型，兩者分別為4.19 t 和3.49 t，分別占TP入河總量的53.72% 和44.74%；畜禽養(yǎng)殖型仍是CODCr入河量的首要貢獻類型，畜禽養(yǎng)殖型年CODCr入河量為47.09 t。

圖4 灤河流域承德市非點源污染量Figure 4 Pollution amount of non-point source pollution of Chengde City in Luanhe River Basin

2.4 非點源污染優(yōu)控單元識別

基于灤河流域承德市非點源污染排放負荷和入河量的空間分布特征，對灤河流域承德市19 個控制單元進行非點源污染優(yōu)控單元識別，4 種污染指標非點源污染優(yōu)先控制單元統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。灤河流域承德市非點源污染優(yōu)控指標主要為氮磷型，TN、TP 和的優(yōu)控單元主要為Ⅱ類源頭控制單元，屬于Ⅱ類源頭控制單元的單元個數(shù)分別為12、15、10個。TN、TP 和非點源污染屬于I 類優(yōu)控單元的單元個數(shù)分別為3、4、3 個，沒有Ⅱ類入河過程控制單元，因此灤河流域承德市非點源污染要加強源頭控制，4 種污染指標非點源污染優(yōu)先控制單元的空間的分布見圖5。在灤河流域承德市19 個控制單元中，4號、5 號和 6 號控制單元是 TN、TP 和三種污染物的I 類優(yōu)控單元。TN 和非點源污染的優(yōu)控面積分別占研究區(qū)的68.47%和65.41%，而TP的非點源污染的優(yōu)控面積占研究區(qū)的100%?？臻g分布上，I類優(yōu)控單元主要分布在灤河流域承德市西南部和東南部的部分地區(qū)。

圖5 灤河流域承德市非點源污染優(yōu)先控制單元空間分布Figure 5 Spatial distribution of the priority control unit of non-point source pollution of Chengde City in Luanhe River Basin

表2 灤河流域承德市非點源污染優(yōu)控單元信息統(tǒng)計表Table 2 Information of the priority control unit of non-point source pollution of Chengde City in Luanhe River Basin

2.5 非點源污染遙感模型的驗證

研究采用SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型非點源污染氮磷的輸出結(jié)果與DPeRS 模型模擬結(jié)果進行驗證。SWAT 模型屬于半分布式水文模型，模型將子流域內(nèi)的地形特征、土地覆蓋特征、土壤類型和坡度等級劃分等信息重疊后獲得模型的最小計算單元——水文響應單元（Hydrology Respond Unit，HRU），HRU 是計算各子流域的污染物向河道內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過程的基本單元。SWAT 模型的構(gòu)建和率定詳見文獻[31-32]，通過對比SWAT 模型HRU 尺度污染物的輸出通量和DPeRS 模型模擬的污染物入河量，驗證DPeRS模型模擬結(jié)果的準確性。

灤河流域承德市共劃分了2 674個HRU，以HUR為基本單元，對DPeRS模型與SWAT模型的模擬結(jié)果進行對比分析，結(jié)果表明（圖6），兩種模型TN和TP模擬結(jié)果擬合度很好（R2分別為0.83和0.78），且兩種模型輸出結(jié)果的變化區(qū)間相似，表明DPeRS 模型的模擬結(jié)果是可接受的，滿足研究需要。

圖6 SWAT模型與DPeRS模型空間驗證結(jié)果Figure 6 Spatial verification results of SWAT model and DPeRS model

3 討論

3.1 DPeRS的適用性及灤河流域非點源污染對比

對比國內(nèi)外其他非點源污染模擬模型，DPeRS模型在模型結(jié)構(gòu)、運行條件和模擬指標等方面具有較大的管理應用優(yōu)勢。該模型以遙感像元為基本單元，與SWAT 模型提出的水文響應單元相比，在保證模擬精度的前提下極大提高了非點源污染模擬的空間分辨率[23]。同時，DPeRS 模型耦合了定量遙感模型，彌補了無資料或缺資料地區(qū)模型估算的不足。該模型的參數(shù)設置為開放模式，可根據(jù)參數(shù)豐富度進行重新構(gòu)架，還可根據(jù)管理需求開展多層次的非點源污染監(jiān)測與評估。模擬指標為TN、TP和CODCr，與管理部門關注的指標一致。此外，DPeRS模型實現(xiàn)了遙感像元尺度分類型、分指標非點源污染負荷的空間可視化，可直觀提供非點源污染的關鍵源區(qū)，與傳統(tǒng)總量減排核算方法相比，實現(xiàn)了由“點”到“面”的突破，為科學制定非點源污染防治措施提供技術支撐。WANG 等[23]采用DPeRS 模型對新安江流域非點源污染量進行模擬分析，并將模擬結(jié)果與黃山市污染源調(diào)查結(jié)果進行驗證，結(jié)果表明，TN、TP和CODCr4個指標的平均模擬精度超過0.7。

張令能[18]利用SPARROW 模型對灤河流域非點源總氮污染進行模擬，結(jié)果表明流域上游產(chǎn)污量較小，污染較嚴重區(qū)域在中下游，局部區(qū)域污染嚴重，灤河流域承德市位于灤河流域的中上游地區(qū)，這與本研究結(jié)果一致。李越[16]利用排污系數(shù)法對2018 年灤河流域（承德市境內(nèi)）上游非點源污染負荷進行估算，得出灤河流域（承德市境內(nèi)）上游的農(nóng)村生活源TP排放量為 0.134 t，畜禽養(yǎng)殖業(yè) CODCr排放量為 213.22 t，種植業(yè)和 TP 排放量分 別 為 485.29 t 和 28.13 t；DPeRS模型模擬的2019年灤河流域承德市農(nóng)村生活型TP排放量為4.77 t，畜禽養(yǎng)殖型CODCr排放量為1 447.67 t，農(nóng)田徑流型和TP排放量分別為1 788.06 t和115.73 t。灤河流域（承德市境內(nèi)）上游為灤河流域承德市的一部分，對比發(fā)現(xiàn)，排放量數(shù)值在數(shù)量級上是可接受的，這與模型方法、數(shù)據(jù)源、模擬時間等因素有關。

3.2 非點源污染貢獻

基于灤河流域承德市非點源污染入河量和地面實測的斷面污染通量，可分析非點源污染對水體污染的貢獻量。本研究中，主要以烏龍磯大橋斷面的地面實測數(shù)據(jù)，結(jié)合DPeRS 模型模擬的該斷面所在匯水區(qū)非點源污染入河量，核算出TN和TP非點源污染對河流中氮磷污染的貢獻。烏龍磯大橋斷面（圖1a）位于灤河流域承德市灤河干流下游，其控制的匯水面積占研究區(qū)總面積的93%。經(jīng)核算，由非點源污染產(chǎn)生的氮磷入河量分別占河流中氮磷污染通量的11%和34%（圖7），與TN相比，非點源TP對水體中磷的貢獻占比更大，這與TP流失主要受農(nóng)業(yè)活動和水土流失影響有關。

圖7 非點源污染貢獻分析Figure 7 Contribution analysis of non-point source pollution

灤河流域承德市豐水期為6—8 月，枯水期為12月至次年3月，基于DPeRS 模型核算的烏龍磯大橋斷面所在匯水區(qū)非點源污染月度TN 和TP 入河量，結(jié)合該斷面地面實測的斷面污染通量，分別核算豐水期和枯水期TN 和TP 非點源污染對河流中氮磷污染的貢獻率，結(jié)果表明，豐水期和枯水期非點源污染的貢獻率存在很大差別，豐水期TN 和TP 非點源污染的貢獻率分別為33%和50%，而枯水期非點源污染的貢獻率均小于1%，這與非點源污染的發(fā)生特征密切相關，污染物經(jīng)雨水沖刷通過徑流過程而匯入受納水體，造成水體污染，因此豐水期非點源污染對水體污染的貢獻率更大，重點應從源頭上防范豐水期非點源污染排放。

3.3 非點源污染影響因子

降雨徑流是農(nóng)業(yè)非點源污染的主要驅(qū)動力，是非點源污染負荷產(chǎn)生的動力和輸移條件的載體，下墊面地表污染物質(zhì)類型及其積累數(shù)量是非點源污染的物質(zhì)基礎，這兩個條件隨時空差異具有顯著的隨機性，常使非點源污染負荷變化范圍超過幾個數(shù)量級[33]。因此，基于研究區(qū)19個控制單元，分析了降水量和土地利用因子與灤河流域承德市氮磷非點源污染負荷的相關性，結(jié)果表明，降水作為非點源污染產(chǎn)生的驅(qū)動因子之一，降水量與TN和TP非點源污染排放負荷的決定系數(shù)分別達到0.42 和0.79（圖8）；研究區(qū)土地利用以耕地、林地和草地為主，面積占比達到95%以上，控制單元內(nèi)耕地和林地面積占比與水土流失型氮磷非點源污染排放負荷的決定系數(shù)均超過0.5，草地面積占比與水土流失型氮磷非點源污染排放負荷的相關性相對較低（R2>0.3），詳見圖9。由此可見，加強區(qū)域水土保持工作，減少林草天然源水土流失及減少由農(nóng)田養(yǎng)分流失引發(fā)的非點源污染排放，是區(qū)域污染防控的重點。

圖8 灤河流域承德市降水量與非點源污染排放負荷的相關性分析圖Figure 8 Correlation analysis chart of precipitation and non-point source pollution discharge load in Chengde City of Luanhe River Basin

圖9 灤河流域承德市地類面積占比與水土流失型非點源污染排放負荷的相關性分析圖Figure 9 Correlation analysis chart of land type area proportion and soil erosion type non-point source pollution discharge load in Chengde City of Luanhe River Basin

4 結(jié)論

（1）基于DPeRS 模型的非點源污染模擬結(jié)果表明，2019年灤河流域承德市TN、TP和CODCr非點源污染排放負荷分別為 0.12、0.014、0.06 t·km-2和0.05 t·km-2,排放量分別為 3 565.5、400.3、1 792.0 t 和1 531.6 t，入河量分別為119.6、7.8、70.3 t和49.8 t。灤河流域承德市氮型非點源的主要來源是農(nóng)田徑流型，TP非點源污染主要來源是農(nóng)田徑流和水土流失，CODCr非點源污染的主要污染來源是畜禽養(yǎng)殖。

（2）灤河流域承德市非點源污染負荷相對較高的區(qū)域主要分布在流域中部和南部，TN 非點源污染對河流中氮素污染的貢獻量相對較?。s占10%），TP非點源對水體中磷的貢獻占比較大（約占34%）。降水是非點源污染產(chǎn)生的驅(qū)動因子之一，降水量與氮磷非點源污染負荷的相關性很高，豐水期和枯水期非點源污染對河流中氮磷污染的貢獻率差別很大，豐水期TN 和TP 非點源污染的貢獻率分別為33%和50%，而枯水期非點源污染的貢獻率均小于1%，重點應從源頭上防范豐水期非點源污染排放。