基于3S技术的环罗源湾区域氮磷污染物入海通量研究

蔡芫镔，陈燕红

（1.福州市环境科学研究院，福州 350011；2.福州大学至诚学院，福州 350005）

基于3S技术的环罗源湾区域氮磷污染物入海通量研究

蔡芫镔1，陈燕红2

（1.福州市环境科学研究院，福州 350011；2.福州大学至诚学院，福州 350005）

使用基于栅格的地理信息系统，采用径流曲线方法和污染物流失方程，计算环罗源湾陆域氮磷污染物入海通量及其空间分布。结果表明，起步溪流域是罗源湾海域最主要的陆域污染来源，水土流失和生活污染对海域的污染输入显著。

污染物；入海通量；污染源；罗源湾

1 研究区域概况

罗源湾位于福建省东北部沿海，海湾总面积179.56km2，岸线长155.6km。湾内海底地形复杂，具有明显差异性，最大水深达74m。罗源湾西北、西和南侧部分地段分别为淤泥质、沙质和人工海岸。岸线主要由岩基海岸组成，北邻三沙湾，南隔黄岐半岛与闽江口连接，是闽东北优良港湾之一。

综合考虑环罗源湾区域的自然属性与数据收集情况，借助GIS、RS和GPS手段，运用模型方法，将罗源湾规划区划分为25个子流域和3个海区，各单元分布如图1所示。

图1 罗源湾规划区陆域与海域生态环境调查单元划分Fig.1 Eco－environmental investigation units of the panning region of Luoyuanwan

2 研究内容与研究方法

针对陆域入海污染物进行估算、评价和预测，并分析陆域非点源污染来源及贡献。

结果表明，在采取有效控制措施的前提下，工业污染源在近岸海域污染中的污染负荷总量相对较小。运用栅格GIS与径流曲线方法（SCS－CN）、污染物流失方程计算进入罗源湾海域的陆域非点源污染（TN、TP）贡献及空间分布，以识别污染关键区域

3 环罗源湾区域氮磷污染物通量估算

3.1 布点采样监测

采样时间始于2009年5月，以丰水期、平水期、枯水期3个水文代表性阶段为时间划分界限，对环罗源湾地区陆源总氮总磷进行为期1a的采样监测，结果见表1，各采样点位置见图2。

表1 各汇水区出口断面TN、TP监测结果（mg/l）Table 1 TN and TP monitorings of catchments areas

图2 罗源湾区域采样点位图Fig.2 Locations of sampling points

3.2 陆域非点源氮磷流失量验算

3.2.1 泥沙输移比

通常认为，输沙比与地面土壤性质、源距出口距离及流域面积等有关。已有关于估计SDR的重要研究［1］，发现SDR与流域的大小有关。通过SDR曲线（USDA，1972）可以看出SDR与流域的关系。由于SDR曲线较为简明，基于流域大小的SDR曲线被广泛使用。公式1是通过300个流域的数据回归产生的SDR曲线（Vanoni，1975）而获取的。Boyce（1975）以及 USDA（1972）也回归出SDR曲线，见公式2和3

式中，A为流域面积（km2）。

环罗源湾区域森林覆盖率较高 但由于属基岩海岸，地势以低山、丘陵为主，地形条件利于输沙，且汇水区域较小，径流流程短。因此本文利用Vanoni公式分别计算各汇水区被侵蚀进河流的泥沙量，从而得出各汇水区的泥沙输移比，计算结果见表2。

表2 环罗源湾规划区各汇水区输移比、单元基流与径流计算结果表Table 2 Calculations of SDR，base flow and runoff for each catchment areas

3.2.2 径流量估算——SCS曲线方程

在GIS软件ArcView3.2中完成SCS模型对环罗源湾区域的不同降雨条件下的径流系数的计算。SCS模型综合考虑了汇水区降雨、土壤类型、土地利用方式及管理水平、前期土壤湿润状况与径流之间的关系，是美国土壤保持局根据3 000多份试验资料制定的计算降雨过程径流深度Q的经验公式，全年日径流深的和就是年径流深（USDA－SCS，1972）。

式中，Q为径流量（mm）；R为降雨量（mm）；S为水土保持参数。式中只有一个未知参数S，由于其影响因素复杂，不便取值。为此，SCS在归纳了3 000多种土壤资料的基础上，提出无量纲参数CN，即径流曲线数（Runoff Curve Number），来推求S 值［2］，关系式如下（式5）。

参照二次土壤普查的成果——《福建土壤》、《福建土种志》，确定流域的土壤质地，并在此基础上绘制土壤水文类型分布图。根据环罗源湾区域的土壤、水文状况和土地利用类型，参照SCS曲线计算方法提供的取值条件（USDA－SCS，1972；Boughton，1989），利用校正公式计算［3］确定不同土地利用方式的CN值，如表3所示。

根据2009年冬眠期雨量大于20mm，生长期雨量大于10mm的所有场次的日降雨及其前5d雨量，确定其AMC和CN值，利用公式计算不同土地利用方式下各场次降雨的径流量并逐日累加，得到不同土地利用方式下的逐月径流量数据 并累加成不同土地利用方式下的全年径流量数据Qkt值（图3、表3）。

表3 环罗源规划区不同土地利用类型CN值Table 3 CNvalues of various land types in the region

图3 环罗源湾规划区年径流深分布图（2009年）Fig.3 Annual runoff depth distribution over the region for 2009

3.2.3 污染物输出模型

利用汇水区土壤类型分布及所占比例进行权重分析计算，得到该区污染物含量平均值，如下公式：

式中，C为某土壤类型污染物含量（%）；Sn为某类土壤类型在汇流区内所占面积；S为流区总面积。

（1）颗粒态氮磷污染物负荷模型

参照相关研究（施为光，2000），负荷模型为：

式中，a为单位换算常数；LSkt为土壤流失总氮量（t）；CSkt为土壤氮磷污染物浓度（%）；AR 为土壤流失量（t）；TSkt为污染物富集比，本文取1；Sd为流域泥沙输移比。

（2）溶解态氮磷污染物负荷模型

参照相关研究［4］（焦荔，1991；王晓燕，1996；施为光，2000），负荷模型为：

式中，LDkt为溶解态污染物负荷（kg/hm2）；CDkt为径流溶解态污染物浓度（mg/kg）；Qkt为径流量（mm）；b为单位换算系数。

基流计算根据福州市环科院的河道监测结果，利用无雨时汇水区常规监测数据计算河流中污染物均值，通过河流断面测量图积分计算得到断面面积，最终得出环罗源湾各汇水区全年基流量。基流污染物模拟部分选用2009年6、10、11月及2010年1月污染物总量数据 考虑到监测数据主要用于计算基流中污染物含量，因此选取监测当天及其前2d无雨时的气象数据。由于监测点位数量有限，土壤状况及土地利用现状调查详尽程度不一，因此实际工作中采用树状聚类法、临近法对各汇水区进行聚类，合并（联系）规则选用单联法，测度方法采用欧式距离法。结果见表2。

Q＝c×Sr×v （9）其中，Q为全年基流量（m3）；c为单位换算系数；Sr为河流断面面积（m2）；v为河流的流速（m/s）。

根据环罗源湾区域地形、地貌、下垫面条件、土壤含水量空间分布及人类活动影响的情况 经过综合分析环罗源湾地区水文站（赤桥站和永泰站）常年监测数据，做出相应计算修正。

3.2.4 估算验证

根据区域污染源分布状况，选取本底较好、污染较少的碧里小流域进行污染物估算模型结果验证，碧里流域面积12.23km2，是一个封闭的小流域，其土地利用/土地覆盖以天然林地、农田和村庄为主。表4是实际监测的水质数据。参照当天的水质数据，得出流域污染负荷的年流失量，并与计算结果进行了对照（表5），以验证模型计算结果。

表4 碧里小流域地表水质监测数据Table 4 Monitor data of surface water quality in the Bili watershed

表5 计算结果与实测结果对照表Table 5 Comparison between calculated results and measured results

由表5可知，模型计算结果获得的TN和TP的污染负荷与计算值偏差分别为－19.31%和26.74%，模型计算误差在可接受范围内，且验证结果可信。

4 结果与分析

根据罗源湾海域污染控制和实际工作需要，将规划区内的各汇水区归并为12个子流域（图4），并在此基础上核算环罗源湾区陆域入海污染物总量。最后将各子流域入海污染物总量进行统计汇总，结果见表6。结合图表，得出以下结论：

（1）由于氮、磷类污染物质拥有颗粒态、吸附态等多种存在形式，且其污染物的输移转化过程较为复杂，在计算氮磷污染物通量时，采用无雨季节基流中污染物含量与降雨产生的地表径流中污染物含量相加和的方法，更能准确表征入海污染物总量。

（2）子流域1向罗源湾海区输送的污染物总量最大，TN、TP分别占全流域输入总量的50.86%和52.63%，这表明起步溪流域仍然是罗源湾海域最主要的陆域污染来源。子流域11的入海污染物输入量居其次，这充分说明水土流失和生活污染对海区污染物的输入贡献显著。子流域4和子流域7的污染物入海总量较小，这与其流域内较少的人类活动和良好的土壤状况息息相关。

表6 罗源湾各子流域入海污染物总量统计表Table 6 Total contaminant fluxes from the sub－watersheds in the region

（3）通过对环罗源湾陆域污染物入海通量研究，为区域各汇水区的污染综合治理和控制规划提供了科学依据，为海洋环境污染评估提供了重要的边界条件；同时，在研究汇水区营养盐结构变化及其循环机制和生态环境变化方面，奠定了数据基础。

图4 子流域划分及流域入海口分布现状结果图Fig.4 Distribution of sub－watersheds and their exits

［1］Haith D A，Tubbs L J.Watershed loading functions for nonpoint sources［J］.Journal of the Environmental Engineering Division，1981，107（1）：121－137.

［2］张美华，王晓燕，秦福来.SCS模型在密云石匣试验小区降雨径流量估算中的应用［J］.首都师范大学学报（自然科学版），2004，12（25）：155－158.

［3］Budhendra Bhaduri，Jon Harbor，Bernie Engel，Matt Grove.Assessing watershed－scale，long－term hydrologic impacts of land－use change using a GIS－NPS model［J］.Environmental Management，2000，26（6）：643－658.

［4］焦荔，方志发.千岛湖网箱养鱼对水质的影响［J］.环境监测管理与技术，2007，19（4）：24－25.

RESEARCH ON NITROGEN AND PHOSPHORUS CONTAMINANT FLUXES INTO THE LUOYUANWAN GULF BASED ON“3S”TECHNOLOGY

Cai Yuan－bin1，Chen Yan－hong2
（1.Environmental Sciences Institute of Fuzhou，Fuzhou 350011，China；2.Zhicheng College，Fuzhou University，Fuzhou 350005，China）

Raster geographic information system，runoff curve and equation of contaminant loss are used to calculate the fluxes of terrestrial nitrogen and phosphorus contaminants into the Luoyuanwan sea area and their spatial distribution.The calculations indicate that the Qibuxi watershed is the primary source of terrestrial contamination for the sea and soil erosion as well as domestic contamination contributes greatly to its pollution.

contaminant；sea flux；contamination source；Luoyuanwan

X55

A

1006－4362（2011）04－0097－06

2011－04－18 改回日期：2011－10－09

课题项目：罗源湾入海测量项目（国家海洋局第三海洋研究所）

蔡芫镔（1982－ ），男，福建福州人，硕士，工程师，主要从事流域环境分析、环境规划与管理及数字模型模拟研究。