应用输出系数模型对太湖流域面源污染负荷测算研究

周跃龙，汪怀建* ，余 辉，王振平，

(1.江西农业大学 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045;2.中国环境科学研究院 湖泊生态环境创新基地，北京 100012)

流域污染源控制是治理水体富营养化防止水华爆发的重要途径之一［1］。在非点源污染控制，通过模型进行时空模拟，并以此为基础，制定合理的非点源污染控制对策，是目前非点源研究的重要手段。然而在流域管理上使用的非点源污染模型，由于运算过程中需要输入大量反映当地气象、水文、土壤、土地利用等参数，需要较高条件的数据资料，严格的参数率定。因此，模型在实际推广困难较大［2－3］。20世纪70年代初期美国与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法或称为单位面积负荷法，这种初期的输出系数模型为人们研究非点源污染提供了一种新的途径输出系数模型，由于其数据量要求较少，精准度较高。对较大尺度上流域污染负荷测算提供了较为准确便携的方法，被国内外大量使用论证。因此，本文应用输出系数模型估算太湖流域N、P营养盐输出负荷，以期为流域水环境管理提供科学依据。

1 研究区域

太湖流域位于长江三角洲平原，是我国经济较为发达的地区。该地区人口密度大，土地利用程度高，城市化进程高。在国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07101－001)中，为能更加有效的辨析全流域的污染源分布，计算污染通量及分配问题，将太湖流域分成5个污染控制区及32个控制单元，5大污染控制区分别是:北部重污染控制区(6327 km2)包括常州市、武进区、无锡市、江阴市、常熟市、张家港市;湖西重污染控制区(6636 km2)包括丹徒区、丹阳市、金坛市、溧阳市、宜兴市、句容市、高淳县;浙西污染控制区(8272 km2)包括杭州市、余杭区、临安市、湖州市、德清县、长兴县、安吉县;南部太浦污染控制区(3953 km2)及东部污染控制区(6304 km2)包括苏州市、昆山市、吴江市、太仓市和青浦区三镇。

2 材料及方法

2.1 土地利用类型

采用 2011 年 2 月 Landsat TM(Landsat Thematic Mapper)遥感数据(第 1、2、3、4、5、7 波段分辨率为30 m，第6波段分辨率为60 m)，使用遥感处理软件Erdas8进行几何校正(误差小于0.5像元)并使用专家分类方法将研究区域划分为耕地、林地、水体、草地、建设用地和未利用地6大类(图1，表1)，并利用目视解译结合地面调查对分类结果进行修正，制作后太湖流域土地利用类型图(图1)。区域内各类土地利用面积通过ArcGIS 10.0 analysis tools模块完成。

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

表1 环太湖河流周边主要土地利用类型Tab.1 The main land use types of Taihu lake Watershed

2.2 输出系数模型及输出系数选取

2.2.1 输出系数模型 1996年Johns等对输出系数模型进行了完善和改进，在模型中考虑了人口密度以及畜禽所产生的污染［5－6］。Johns所改进后的输出系数模型避开了污染产生的复杂过程，将整个污染物迁移转化过程设定为黑箱，通过相关的矫正系数来测算污染物产生负荷。整个过程对数据量要求较低，测算后的结果也具有较高的精准度，因此，在数据相对缺乏的流域对污染物负荷测算十分实用，被大量的相关研究者所采用［7－8］。Johns等建立的输出系数模型方程为:

式中，Lj为污染物j在流域的总负荷量(kg/(km2·a));i为流域中的土地利用类型，共m种;Eij为污染物j在第i种土地利用类型中的输出系数(kg/km2)或第i种畜禽每头排泄系数(kg/a)或人口每人输出系数(kg/a);Ai为流域中第i种土地利用类型的面积(km2)或第i种牲畜数量(头)或人口数量(人)。

表2 历年太湖流域输出系数研究Tab.2 Researches of output coefficient in Taihu lake watershed

2.2.2 输出系数选取 根据2011年江苏省和浙江省相关地区统计年鉴，分别统计了太湖流域猪、牛、羊、家禽以及农村和城镇人口。输出系数选取依照历年研究相关结果。在太湖流域相关研究中，相关研究者也给出了不同土地利用下污染物输出系数(表2)，但是由于其研究区域及尺度的差异，导致所选取的输出系数都不能够很好的代表全流域情况，因此，本文将近年来所涉及的相关研究，选取其均值，减少全流域计算时所带来的误差。具体取值见表2和表3。

表3 太湖流域畜禽及人类排污系数Tab.3 Livestock，poultry，human sewage discharge coefficient in Taihu lake watershed

3 结果与分析

3.1 流域土地利用现状

见图2太湖流域5分区土地格局比重图，可知5分区内耕地所占比重最大，但5分区土地利用方式有各自的特点。其中北部污染控制区各种土地利用格局所占比重依次为耕地＞建设用地＞水域＞林地＞未利用地;其中北部污染控制区各种土地利用格局所占比重依次为耕地＞建设用地＞水域＞林地＞未利用地;西部污染控制区各种土地利用格局所占比重依次为耕地＞水域＞建设用地＞林地＞未利用地;浙西污染控制区各种土地利用格局所占比重依次为林地＞耕地＞建设用地＞水域＞未利用地;东部污染控制区各种土地利用格局所占比重依次为水域＞建设用地＞耕地＞林地。

图2 太湖流域五分区土地格局比重图Fig.2 Land use patterns in Taihu lake watershed

3.2 太湖流域氮磷污染负荷

根据表4太湖流域5大分区总氮面源污染负荷量可知，太湖流域面源污染负荷为39.81万t/年，其中面源污染负荷最大的为耕地，高达16.52万t/年。其次为建设用地9.02万t/年，以及水域产生的5.08万t/年。北部污染控制区污染负荷量较高，总氮污染负荷为12.53万t/年，依次为浙西污染控制区＞西部污染控制区＞南部污染控制区＞东部污染控制区。太湖流域现状农田肥料年平均用量为氮肥570～600 kg/hm2，磷肥79.5～99 kg/hm2，化肥平均利用率仅为30%～35%。过量的化肥投入提高了土壤的氮磷背景值，增加了氮磷向水体流失的风险和流失量［17］。苏锡常地区自古以来是我国农业高产、稳产地区之一，以精细耕作和集约化程度高而著称，曾经是我国重要的商品粮基地。区内农药、化肥用量不仅在中国，在世界也是很高的，并且一直在呈上升趋势，势必对太湖水体造成一定的污染。

表4 太湖流域五大分区总氮面源污染负荷量Tab.4 Non-point source pollution of total nitrogen loading

根据表5太湖流域5大分区总磷面源污染负荷量可知，太湖流域面源污染总负荷为5.59万t/年，其中面源污染总负荷最大的为建设用地和耕地，分别为2.01和2.00万t/年。总磷污染负荷为北部污染控制区＞浙西污染控制区＞西部污染控制区＞南部污染控制区＞东部污染控制区。

表5 太湖流域五大分区总磷面源污染负荷量Tab.5 Non-point source pollution of total phosphorus loading 万 t/年

平原河网地区是河流高度发育并受到城市化深刻影响的区域，且大都为经济较为发达的地区，农业生产复种指数高，化肥投入量大，近郊村镇工业发展迅速，外来务工人员集聚，因此呈现了传统农业生产方式和现代经济发展模式的相互交织，造就了其相比于其他地区更为复杂多变的面源污染特征，且纵横密布的河流也使得水环境对面源污染的响应更为显著和敏感。太湖流域面源污染负荷中总磷污染主要来自于建设用地。这与相关研究者在环湖河流水质调查中总磷污染水平在北部污染区较高结论基本一致［18］。

4 结论

基于输出系数模型结合太湖流域遥感卫片解译，初步计算出太湖流域总氮面源污染负荷为39.81万t/年，总磷面源污染负荷为5.59万t/年。其中耕地、建设用地及水面是全流域主要土地利用类型。在太湖流域面源污染负荷中，总氮污染主要来自于耕地产生，总磷污染主要来自于建设用地。此外，太湖流域5分区中总氮、总磷面源污染负荷依次为北部污染控制区＞浙西污染控制区＞西部污染控制区＞南部污染控制区＞东部污染控制区。

因此，加强农业节水、减少农田养分投入、进行地表径流和渗漏养分的生态拦截等面源污染控制措施是减少太湖流域面源污染负荷优先考虑的重要内容。

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