基于土地利用变化的小江流域非点源污染特征

郎海鸥，王文杰*，王 维，许 超，刘 锬，2，李泰然

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.湖南科技大学建筑与城乡规划学院，湖南 湘潭 411201

基于土地利用变化的小江流域非点源污染特征

郎海鸥1，王文杰1*，王 维1，许 超1，刘 锬1，2，李泰然1

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.湖南科技大学建筑与城乡规划学院，湖南 湘潭 411201

选取三峡库区典型支流——小江流域为研究对象，以GIS软件为分析工具，在L－THIA模型的基础上，分析小江流域非点源污染物负荷量随土地利用方式改变而产生的时空变化特征.结果表明：2007年小江流域非点源污染物TN和TP总负荷量分别为5 563.11和1 550.65 t，其中旱地的污染物负荷量最大，TN和 TP负荷量分别达到4 633.43和1 368.96 t，占总负荷量的83.29%和88.29%;从空间分布上看，非点源污染主要集中在旱地较多的东河流域和南河流域;而从时间分布上看，随着旱地面积的大幅增加，1995—2007年小江流域污染物负荷量明显增加.

时空分布特征;L－THIA模型;GIS;TN;TP;旱地

非点源污染是指溶解性或固体污染物在大面积降水和径流冲刷作用下汇入受纳水体而引起的水体污染［1］，非点源污染物中氮、磷的排放是水体发生富营养化的主要来源.国内外研究表明，由于农业生产集约化程度高，很多流域总氮(TN)和总磷(TP)负荷量比20年前分别提高了10倍以上，其中50%以上的负荷量由非点源污染贡献［2-3］，美国、日本等国家的学者研究发现，即使点源污染全部实现零排放，河流达标率也仅有65%［4-5］.

自2003年三峡水库蓄水运行以来，水体富营养化问题日益明显，支流水体富营养化发生日益增多［6-10］，非点源污染很可能是三峡水库富营养化的重要来源，因此控制非点源污染是防止三峡库区水体富营养化的重要手段.目前已有一些三峡库区非点源污染物的初步研究［11-12］，但有关其污染的成因尚缺乏深入的研究报道.因此，选取三峡水库典型代表支流——小江流域为研究对象，采用L－THIA模型估算非点源污染物负荷量［13-14］，并分析不同土地利用方式及其变化所带来的污染物负荷量时空特点，为三峡库区水污染防治对策及流域环境管理措施提供科学依据.

1 研究区概况

小江流域为三峡库区典型支流，地跨107°44′50″E ～108°53′56″E，30°39′35″N ～ 31°41′19″N，流 域 面 积5 202 km2，是三峡库区万州以下水系(除长江外)中流域面积最大的一条河流.包含四川省、重庆市的开江县、开县、云阳、万州、梁平五县(区)，其中开县面积3 959 km2，境内面积占全流域面积的76%(见图1).小江流域正源发源于开县白泉乡(白马泉)，沿程纳入一些小支流，自北向南流至开县城郊右岸纳入南河，汇口以上干流称东河，汇口以下称彭溪河，再于渠口与平行南河流向的浦里河汇合，然后转向东南流向，纵贯开县全境，经云阳县高阳镇、双江镇于双江口处汇入长江.

图1 小江流域地理位置Fig.1 The location of Xiaojiang watershed

小江流域上游为石灰岩深丘溶蚀地貌，中下游为川东平行岭谷低山丘陵.区内山区面积占总面积的63%，丘陵占31%，平坝仅占6%.流域内土壤理化性质以壤质为主，其次为砾石土和黏土，沙土面积较小;小江流域地处中纬度，气候温和湿润，属亚热带大陆性季风气候，多年平均气温18.6℃，多年平均降水量1 100～1 500 mm，多年平均径流量35.8×108m3.中国环境监测总站监测结果显示［15］，多年来小江流域水环境质量达不到地表水环境质量标准(GB3838—2002)Ⅲ类水质指标，干流彭溪河段水质全年均为Ⅳ类，临江、竹溪、三合等河段Ⅳ或Ⅴ类水质.

2 材料与方法

2.1 研究方法

采用基于SCS CN(Curve Number)法发展而来的长期水文影响评价(Long-Term Hydrologic Impacts Assessment，L － THIA)模型［16-18］，该模型能够通过输入降雨数据、土壤水文数据、土地利用数据以及CN值，计算该区域的年均径流量和非点源污染负荷量［19-21］.L－THIA作为一个易于操作的模拟工具，被广泛应用于估算历史或规划的土地利用格局对流域内径流及非点源污染的影响.

2.2 资料收集

采用的数据源主要包括：1995，2000和2007年3期的土地利用资料;1∶50 000基础地理数据;1∶50 000数字高程模型(DEM)数据;全国土壤普查1∶1 000 000土壤图;长江流域气象水文资料.具体数据来源如表1所示.

2.3 数据准备

2.3.1 流域边界数据

以全国1∶50 000 DEM为基础数据，选取小江流域所处经纬度，利用GIS的水文分析模块，根据集水区，提取小江流域，并且划定子流域.选取子流域考虑2个因素：① 选取流域分布在水利分区的上游地段，使小流域为独立的水文单元，排除外界水源的影响;② 选取子流域的出水口尽量和气象、水文监测站点位置一致，减少分析过程的误差.最终得到4个子流域，即东河流域、南河流域、浦里河流域和彭溪河流域.

表1 数据来源Table 1 The sources of data

2.3.2 土地利用变化数据

以1995，2000和2007年3期全国土地利用数据为基础，利用GIS软件将小江流域边界分别剪裁重庆、四川土地利用数据后，进行拼接，根据研究区的特点，将已有的12类土地利用类型划分为6类，分别为旱地、林地、水田、草地、建设用地和水体.最后用小江流域4个子流域边界分别剪裁2007年小江流域土地利用图，得到2007年东河、南河、浦里河和彭溪河4个子流域土地利用图.

2.3.3 土壤水文数据

以全国1∶1 000 000土壤图为基础，以GIS软件为工具，利用小江流域边界剪裁，得到小江流域土壤图，进而用小江流域4个子流域边界剪裁小江流域土壤图，分别得到东河、南河、浦里河和彭溪河4个流域土壤图.

2.3.4 降雨径流数据

以长江流域水文资料为基础，通过整理，将逐日降水量和年均径流量数据输入Execl备用.选取的时间段为2001—2003，2005和2007年，气象水文站点有13个，分别为东河关面站、大进站、岩水站、温泉站;南河巫山站、南雅站、临江站、中和站;桃溪河正坝站;浦里河合兴站、桥亭站、余家站、南门站.

2.4 计算过程

根据L－THIA模型的要求，在初始土地利用和土壤水文组合的CN值基础上，先通过输入土地利用数据、土壤水文数据计算每个栅格的CN值，进而输入降水量数据，模拟流域的径流深，再计算径流量，与实际监测的径流量数据进行对比，并调整土地利用和土壤水文组合的CN值，使得模拟径流量与实际监测数据相符，然后在模型内部集成的污染物浓度的基础上，计算分析不同土地利用对污染物负荷量的时空影响，具体技术路线如图2所示.

图2 基于L－THIA模型的污染物负荷技术流程Fig.2 The technology process of pollution load based on L-THIA modle

3 模型参数的率定和验证

选取小江子流域东河流域进行径流模拟，率定适合该研究区的CN值参数，并对率定参数进行验证.由于小江流域部分数据的空缺，在现有气象、水文资料的基础上，选用年份相近的土地利用数据进行模型的率定和验证.

3.1 参数的率定

根据2005和2007年东河流域气象水文站实测的逐日降水量、年径流量数据，2007年土地利用数据，以及土壤数据率定模型参数 CN值.按照L－THIA模型运行的步骤，依次输入参数，计算每个栅格的 CN值，模拟流域的径流深，进而计算径流量，并对比模拟径流量与实际径流量，经过多次调整最终确定CN值.将模拟结果与实测值对比(见表2)，2005年的径流量模拟误差为 3%，2007年为12%，都在误差15%之内.

表2 2005和2007年径流量的模拟值与实测值对比Table 2 Contrast between simulated value and observation value in 2005 and 2007

3.2 参数的验证

在L－THIA模型参数CN值率定的基础上，为了减少模型的不确定性，选用2000年(代替2003年)的土地利用数据和具有径流数据的2003年东河流域温泉站的径流量和逐日降水量进行参数的验证.将模拟径流量和实测径流量对比，如表3所示，模拟误差为26%，其中的部分误差可能是由于2000与2003年土地利用类型变化所致，其误差在误差允许范围(30%)之内，因此确定的参数 CN值对于该区域的研究是合理的.

表3 2003年径流量的模拟值与实测值对比Table 3 Contrast between simulated value and observation value in 2003

4 小江流域污染物负荷量的估算

基于L－THIA模型的污染物负荷量，是在计算每个栅格径流量的基础上，由各栅格单元的径流量和事件平均浓度值(Event Mean Concentration，EMC)相乘得到.事件平均浓度值(EMC)是模型内部集成值，由美国德州自然资源保护委员会(The Texas Natural Source Conservation Commission)根据大量文献和已有水质监测数据编定，径流量是在率定的CN值基础上计算的.L－THIA模型可以模拟15种非点源污染物的产生分布情况，有针对性地选择TN和TP这2种引起水体富营养化的主要污染物进行结果分析.

4.1 土地利用空间差异对污染物负荷量的影响

为分析小江流域污染物负荷量空间特征，选取2007年4个子流域(即东河流域、南河流域、浦里河流域和彭溪河流域)的土地利用数据、土壤水文数据和2007年的逐日降水量数据，通过运行L－THIA模型，探讨不同土地利用类型对小江流域污染物负荷量的影响.

4.1.1 子流域的土地利用空间特征

图3 2007年各子流域土地利用分类Fig.3 Landuse of subbasin in 2007

由图3可见，东河流域中游的东部以及下游的西部地区有连片集中的旱地，而且面积较大;南河流域中部地区的旱地集中连片，并且面积较大，最南部地区林地集中呈条状分布;浦里河流域中部旱地和水田分布较多;彭溪河各类土地利用呈交叉分散分布.将各子流域土地利用面积进行统计如表4所示，分析发现各流域土地利用面积结构组成相似，都是以旱地和林地面积最大，水田和草地面积次之，水体和建设用地面积最小.

表4 2007年各子流域土地利用空间特征Table 4 Spatial characters of landuse in subbasin in 2007 km2

4.1.2 各子流域污染物负荷量的空间差异分析

根据模型估算结果(见表5)，从总体上看，2007年小江流域的非点源污染TN负荷量为5 563.11 t，TP为1 550.67 t.其中旱地 TN负荷量最大，为4 633.43 t，占总负荷量的83.28%，且远远大于其他土地利用负荷量，其次是水田和林地，最后是草地和建设用地;旱地的 TP负荷量也最大，达到了1 368.96 t，占总负荷量的88.29%.其次是水田，林地、草地和建设用地的负荷量都远远小于旱地和水田的负荷量.

表5 2007年小江流域污染物输出变化特征Table 5 Output characters of pollution in Xiaojiang watershed in 2007 t

图4 2007年各子流域TN负荷量分布Fig.4 TN load distribution of subbasin in 2007

图5 2007年各子流域TP负荷量分布Fig.5 TP load distribution of subbasin in 2007

而从空间分布来看(见图4，5)，TN和 TP的空间特征相似，并与土地利用空间分布相对应.其中东河流域旱地集中连片分布的中游地区污染物负荷量明显较大，南河流域旱地相对集中分布的中部地区污染物负荷量较大，浦里河流域旱地和水田面积分布相对较多的中部地区污染物负荷量较大，彭溪河流域旱地分布较多的中部地区和流域出口处污染物负荷量相对较大，各流域其TN负荷量分别为2 056.89，1 618.42，1 073.19和 814.60 t，TP 负荷量分别为 566.42，459.05，300.58 和 224.60 t.

4.2 土地利用变化对非点源污染物负荷量的影响

为进一步分析土地利用类型变化对污染物负荷量所造成的影响，在假定区域降水量不变的情况下，选取1995，2000和2007年小江流域土地利用，土壤水文数据，探讨土地利用类型变化后非点源污染物负荷量的输出结果.其中的降水量选用小江流域2001—2003，2005和2007年共5年逐日降水量的平均值.

4.2.1 小江流域土地利用变化动态

根据土地利用统计(见表6)，并结合1995，2000和2007年3年的土地利用数据(见图6)分析发现，1995—2000年旱地和水田面积的变化最大，其中旱地面积的比例减少了2.20%，水田面积的比例增加了2.83%，土地利用集中变化的区域分别是位于小江流域的开江县、万州区以及梁平县的旱地转化为水田，以及位于小江流域出水口处的草地转化为旱地.2000—2007年旱地和草地面积变化最为突出，旱地面积增加了7.41%，草地面积缩减了7.33%;发生集中变化的区域是位于开县县城以北连片大面积的草地转化为旱地.从1995—2007年土地利用变化的总趋势为旱地和水田大面积的增加，草地面积大幅度的减少、林地面积有一定的减少，其他土地利用面积变化幅度较小.

4.2.2 土地利用变化对污染物负荷量的影响分析

根据模型估算，结果如图7，8所示.从图7，8可以看出，TN和TP的污染物负荷量的变化趋势基本相同，并结合污染物估算结果如表7，8所示，进行分析.1995—2000年，污染物负荷量发生明显变化的是旱地和水田，随着旱地面积的减少，旱地TN和TP的负荷量分别减少了209.26和61.82 t;随着水田面积的增加，水田TN和TP的负荷量分别增加了85.59和26.81 t.污染物负荷量发生明显变化的区域与土地利用明显变化的区域相对应，是位于小江流域的开江县、梁平县和万州区.2000—2007年，负荷量变化最突出的旱地负荷量，其TN和TP的负荷量随着旱地面积的增加，分别增加了258.02和873.30 t.污染物发生变化的区域与土地利用变化区域相符合，位于开县县城以上大面积林地和草地转化为旱地.从1995—2007年污染物负荷量变化的总体趋势是随着旱地和水田面积的大幅增加，其负荷量相应大幅增加，其他土地利用污染负荷量变

化相对较小.

表6 不同土地利用类型占小江流域总面积比例及比例变化Table 6 Area composition and rate change of different landuse in Xiaojiang watershed %

图6 1995—2007年小江流域土地利用分类Fig.6 Landuse of Xiaojiang watershed between 1995 and 2007

图7 1995—2007年小江流域污染物TN负荷量Fig.7 TN load of Xiaojiang watershed between 1995 and 2007

图8 1995—2007年小江流域污染物TP负荷量Fig.8 TP load of Xiaojiang watershed between 1995 and 2007

表7 不同土地利用的TN负荷量Table 7 TN load of different landuse t

表8 不同土地利用的TP负荷量Table 8 TP load of different landuse t

5 结论

a.小江流域1995—2007年土地利用变化比较显著，整体趋势表现为旱地和水田面积扩展，林地面积和草地面积缩小，其中旱地面积增加了5.22%，水田面积增加了3.72%，林地面积减少了2.24%，草地面积减少了7.07%，水体和建设用地面积变化都较小，不到0.5%.土地利用空间特征表现为整个流域和各子流域的土地利用结构组成相似，都以旱地和林地为主，主要分布在东河和南河流域;水田和草地次之，主要分布在东河、南河和浦里河流域;建设用地和水体面积最少，建设用地主要分布在开县县城附近，水体主要分布在河流周边.

b.小江流域非点源污染物负荷量空间差异受各类土地利用面积的影响，表现为旱地TN和TP负荷量最大，且远远大于其他土地利用类型，其次是水田，最后是林地、草地和建设用地.空间差异对于4个子流域来说，东河流域负荷量最大，南河流域次之，然后是浦里河流域，最小是彭溪河流域.4个子流域其自身负荷量较大区域分布分别为：东河流域在流域中游的西部;南河流域在流域的中部地区;浦里河流域在河流沿岸周边地区;彭溪河流域在流域中部和出水口区域.

c.小江流域非点源污染物负荷量的变化受旱地变化影响最大，总体趋势是随着大面积林地和草地转变为旱地，其负荷总量在增加.从时间上来看，1995—2000年随着旱地面积的减小其负荷量在减小，到2007年随着旱地面积的增加其污染物负荷量也大幅度增大.

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Effect of Land Use Change on Spatial-Temporal Characteristics of Non-Point Source Pollution in Xiaojiang Watershed

LANG Hai-ou1，WANG Wen-jie1，WANG Wei1，XU Chao1，LIU Tan1，2，LI Tai-ran1
1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2.School of Architecture and Urban Planning，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China

Based on the Long-term Hydrologic Impact Assessment(L-THIA)model and GIStechnology，the effect of land use change on spatial-temporal characteristics of non-point source pollution load in Xiaojiang watershed，a typical tributary of the Three Gorges reservoir area，was analyzed.The results indicated that the annual non-point source pollution load of total nitrogen and total phosphorous in 2007 were 5563.11 t and 1550.65 t，respectively.Dry farm land was the largest pollution source with annual total nitrogen load and total phosphorous load of 4633.43 t and 1368.96 t，respectively，accounting for 83.29%and 88.29%of the total load.Furthermore，the East River watershed and South River watershed were the main output areas of pollution load，due to larger dry farm land.Additionally，the output of pollution load increased significantly with the growth of dry farm land area from 1995 to 2007.

spatial-temporal distributing characteristics;L-THIA model;GIS;TN;TP;dry farm land

X52

A

1001－6929(2010)09－1158－09

2010－03－03

2010－05－19

国家“十一五”科技支撑计划项目(2008BAC34B00)

郎海鸥(1981－)，女，陕西西安人，硕士，主要从事环境演变和可持续发展等研究，langho@craes.org.cn.

*责任作者，王文杰(1970－)，男，湖南湘潭人，研究员，博士，主要从事区域生态、环境评价、遥感与地理信息系统应用等研究，wangwj@craes.org.cn