中小河流非点源污染治理负荷估算及分区分类研究

崔 巍，白音包力皋，陈文学，陈兴茹

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

1 研究背景

我国中小河流数量多，分布广，与大江大河、湿地、湖泊等相连通，其河流污染状况直接关系到地区可持续发展。目前，中小河流治理总体滞后，存在着水污染加剧以及衍生的水质型缺水、水生态环境恶化等一系列问题。我国将中小河流治理列入“十二五”时期水利工作重点，其中中小河流工业和生活点源污染源受到有效控制，而非点源污染具有很大隐蔽性和不确定性，所受重视和治理较滞后，成为中小河流水体污染主要原因。

中小河流非点源污染防治须以污染物负荷量化为基础，明确防治重点区域，以使有限的人力物力充分发挥作用。国内外现有非点源污染负荷计算模型中，考虑污染物迁移机理的模型对资料要求高，参数校准和率定复杂。对中小河流而言，其监测数据普遍缺乏。文献[1]对东北地区近20年（1991—2008年）相关研究进行统计，指出由于缺乏气候、地形、土地利用和管理措施的数据量和数据精度，精细物理型非点源污染模型（SWAT模型、AnnAGNPS模型）难以良好地校准和验证，限制了其使用。经验模型对资料要求较少，但缺乏机理基础，往往精度较低。相比较而言，输出系数模型利用相对容易得到的土地利用状况等资料，估算流域污染物输出量，很大程度上降低了对试验和资料的依赖性，为中小河流非点源污染负荷估算提供了一种具有一定精度的实用方法。不过，输出系数法[2-4]当前多针对单个流域或行政区域开展，而中小河流数目众多，需科学、快速地从中筛选出防治重点与优先度。

本文以哈尔滨市58条松花江一级支流非点源污染评估为例，综合运用RS、GIS技术和聚类分析等方法，提出污染负荷强度估算、污染物识别、重点地区鉴别的方法，不仅对哈尔滨市中小河流非点源污染治理具有指导意义，也可供我国其它地区中小河流治理借鉴。

2 研究区域概况及污染源分析

哈尔滨市位于东经125°42′—130°10′、北纬44°04′—46°40′之间。下辖8区7县和3个县级市，行政区划面积5.31万km2。分布有183条中小河流，均属松花江水系。2010年全市未达标河段占总评价河长（含松花江监测段）的23.3%，其中劣Ⅴ类河段河长占6.7%。研究显示[5-6]，松花江流域非点源污染所占比例逐年增加，自2000年起松花江流域TN、TP非点源污染负荷已超过点源，其中TP远远超过点源，非点源污染防治已经成为哈尔滨市中小河流治理的重要任务之一。

根据调查，哈尔滨市中小流域非点源污染主要源自以下方面：（1）养殖污染。畜禽养殖主要分布在城郊结合部和农村地区，大部分规模养殖户、养殖场缺乏干湿分离等污染防治措施，部分养殖户将畜禽圈舍建在池塘边，粪便未经处理直接排出造成水体污染；（2）农药流失。松花江流域化肥、农药施用总量大，有效利用率低，大量残留的化肥农药污染地表水及地下水；（3）化肥流失。松花江流域中下游是国家商品粮基地，化肥年平均施用量为523.5kg/hm2[7]，远高于全国平均水平（277.5kg/hm2）。化肥、农药通过地表径流进入中小河流并汇入松花江；（4）农村生活污水和废弃物。中小流域有农业人口500余万，由于农村市政设施落后，卫生环境状况差，生活垃圾、种植业养殖业固体废物堆放处置，暴雨冲刷下进入中小河流。

3 非点源污染负荷估算

3.1 输出系数模型20世纪70年代初期，美国、加拿大在研究土地利用-营养负荷-湖泊富营养化关系的过程中，提出并应用了输出系数模型（亦称单位面积负荷法）。1996年英国学者Johns[8]在前人成果的基础上，经过长期的研究和实践，提出了更为细致、更为完备的输出系数模型。模型在考虑土地利用分类的基础上，结合居民非点源污染物的排放和处理状况、牲畜的数量和分布来确定不同污染源的输出系数。模型能较为准确的对大尺度流域的非点源污染进行评价和预测，在北美地区得到广泛应用，我国应用于松辽流域[9]、长江上游[10]、汉江丹江流域[11]等地区。输出系数法的缺陷是未考虑对营养物质迁移起决定性作用的水文路径问题和在水循环过程中营养物质迁移转化的问题，不能预测单场降雨所产生的非点源污染负荷。

近年来，国内外学者对模型不断改进[12]，提出了考虑土地利用变化的输出系数模型、改进的磷输出系数模型、考虑水文因素和流域损失的改进输出系数法等。提高了模拟精度和时空尺度适宜性，对资料和参数率定的要求也有所提高。基于哈尔滨地区中小河流资料状况，本文仍采用基本形式的输出系统模型：

式中：L为营养物（污染物）的输出负荷；Ei为第i种营养源（污染来源）的输出系数；Ai为第i类土地利用类型面积或第i种牲畜数量、人口数量；P为降雨输入的营养物（污染物）数量。

E表示区域内不同污染来源的营养物（污染物）输出率。对于不同土地利用类型，表示土地利用中所流失的营养物（污染物）比例；对于牲畜而言，表示牲畜排泄物直接进入受纳水体比例，中间应考虑人类收集和储存粪肥过程中氨的挥发；对于人类而言，反映当地人群对含磷去污剂的使用状况、饮食营养状况和生活，其中农村没有污水处理设施，且人口分布分散，系数主要反映农村生活污水中的营养物（污染物）进入受纳水体比例。

降雨输入的营养物（污染物）数量计算公式为：

式中：c为雨水中营养物浓度（g/m3）；a为年降雨量（m3）；Q为径流系数。

3.2 输出系数的确定输出系数模型中，影响非点源污染物输出系数因素众多，包括流域内地形地貌、水文、气候、土地利用、土壤类型和结构、植被、管理措施以及人类活动等，确定方法有查阅文献值法和试验法等。本文输出系数采用查阅文献值法，松花江流域纬度位置与耕作方式等与欧洲和北美接近，结合国内一些学者研究[2，13-14]，确定哈尔滨市N、P输出系数如表1，输出系数在中国东北地区也被认可和使用[3]。水体因降雨产生的非点源污染浓度参考文献[15]降水监测估算结果，总氮浓度为1.27mg/L，总磷浓度为0.025mg/L。

表1 哈尔滨市N、P输出系数

3.3 污染负荷估算及来源组成分析计算数据包括2010年哈尔滨地区土地利用数据（图1）、农村人口畜禽养殖分布数据、多年平均降雨数据、多年平均径流系数等。数据源自解译的遥感影像、哈尔滨市统计年鉴（2010年）、哈尔滨市水资源公报（2010年）等。

根据式（1），使用ArcGIS 9.2的Raster Calculator工具，计算出不同土地利用类型非点源TN和TP负荷强度分布栅格图（1km×1km）（图2）；使用Map Algebra工具叠加农村人口畜禽养殖分布数据，计算出人和禽畜非点源TN和TP负荷强度分布栅格图（图3）；根据式（2），使用Raster Calculator工具计算出降雨非点源TN和TP负荷强度分布栅格图。将土地利用、降雨、人和牲畜非点源TN和TP负荷强度栅格图叠加求和，得出非点源TN和TP负荷强度分布（图4）。

图1 哈尔滨市土地利用情况（2010年）

图2 哈尔滨市土地利用非点源总氮负荷分布

本文计算出哈尔滨地区TN强度为2.72（t/（km2·a）），TP为0.10（t/（km2·a）），与文献[3]松花江干流TN负荷强度2.06（t/（km2·a））和TP负荷强度0.08（t/（km2·a））具有一定吻合性。本文所采用的输出系数准确度仍需要进一步验证，需开展土地利用类型输出系数率定工作。另外，本文采用的农村生活和畜禽养殖数据以区县为统计单元，影响成果精度。

通过统计哈尔滨地区不同污染源输出总氮、总磷负荷量值，可分析比例构成（图5、图6）。哈尔滨市中小河流非点源TP负荷最主要来源是耕地面源污染，占45%，第二大来源是农村人口生活，占21%；TN负荷最主要来源同样是耕地面源污染，占53%，第二大来源是大牲畜，占15%。因而防治非点源污染，最重要的是控制耕地面源污染，农村人口生活和牲畜污染同样是防治的重点。

图3 哈尔滨市农村人口及禽畜非点源总氮负荷分布

图4 哈尔滨市非点源TN负荷强度分布

图5 哈尔滨市非点源污染TP负荷来源组成

图6 哈尔滨市非点源污染TN负荷来源组成

3.4 等标污染负荷及污染负荷比计算TN、TP属不同的污染物，具有不同的污染源特征、环境效应、危害，为能在同一尺度上加以比较，确定主要污染物及负荷比，需要对污染物和污染源进行标化计算，最常用特征数是等标污染负荷。污染物等标污染负荷是指单位时间排放的含该污染物的废水等标体积，公式如表2。根据2010年哈尔滨市水资源公报，中小河流目标水质多数为Ⅲ类，据此确定TN评价标准为1.0mg/L，TP评价标准为0.2mg/L。

表2 等标污染负荷及负荷比计算公式

根据表2中计算公式，利用ARCGIS9.2的Raster Calculator工具，计算出哈尔滨市等标污染负荷空间分布状况。以行政区划为统计单元，得到区县TP、TN污染负荷强度、等标负荷及负荷比（表3）。区县TP、TN污染负荷比基本相同，TN占84%左右，TP占16%左右，TN是哈尔滨市中小河流非点源污染主要污染物，是防治重点。

表3 哈尔滨市各区县面源TP、TN负荷

4 中小河流非点源污染治理分区及分类

使用ARC Hydro工具，划分哈尔滨市松花江一级支流流域，如图7所示。使用ARCGIS的自然断点分级工具（Nature break），按哈尔滨市等标污染负荷空间分布状况分区，划为重污染负荷区、较重污染负荷区、中度污染负荷区、较轻污染负荷区和轻污染负荷区5个区，如图8所示。

图7 哈尔滨市松花江一级支流流域划分

基于因素叠加法，将流域图层与等标污染负荷图层叠加，以流域为统计单元输出哈尔滨市中小流域等标负荷强度。采用IBM-SPSS 9.3统计分析软件，采用欧氏距离平方度量法、Ward’s聚类法和Z scores标准化法，将58个一级流域按平均等标负荷强度大小划为5类，类内依照负荷大小排序。限于篇幅，表4列出了分类部分结果。

表4 哈尔滨市松花江一级支流分类（局部）

非点源污染分区结果表明，重污染负荷区为双城市、巴彦县、哈尔滨市区（不含呼兰和阿城区）、宾县等区域，重点优先治理；较重污染负荷区为呼兰区、阿城区、依兰县和尚志市的局部地区，治理的优先度次之。

非点源污染分类结果表明，马蛇子河、淘气河等Ⅰ类河流面源污染负荷最大，需重点优先治理；运粮河、何家沟等Ⅱ类河流面源污染负荷较大，治理优先度次之。

5 结论

（1）将遥感、地理信息系统、输出系数法、聚类分析等技术相结合，应用于中小河流非点源污染治理，能够科学高效地识别主要污染物和污染源，确定出重点防治片区和流域；（2）哈尔滨地区中小河流非点源污染成份中，TN是主要污染物，在等标负荷中占84%，TP污染为次要污染物，在等标负荷中占16%；（3）哈尔滨地区中小河流非点源污染源组成中，农业是污染物最大来源，占TP总来源的93%，其中耕地45%，农村人口生活21%；占TN总来源的92%，其中耕地53%，大牲畜15%；（4）哈尔滨地区中小河流非点源污染防治重点地区为双城、宾县、五常等Ⅰ级地区，重点流域为马蛇子河、淘气河等Ⅰ类河流流域，重点领域为农业污染，主要是耕地及农村人口污染排放。相比较而言，对TN污染的控制更为紧要。

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