张家口冬奥会核心区非点源污染负荷估算

张 冉，夏建新，任华堂

(中央民族大学 生命与环境科学学院，北京 100081)

绿色奥运是2022 年张家口冬奥会的核心理念之一，保障张家口冬奥会核心区地表水质达到三类水的要求是践行绿色奥运的重要任务。地表水污染物主要来源于点源和非点源。冬奥会核心区流域点源污染处理程度不高，非点源污染疏于管理，河流水质较差。其中点源集中排放污染治理相对容易，而非点源污染物排放分散，治理难度大。因此，准确估算非点源污染负荷是保障水质达标的前提和基础。

研究区位于张家口市清水河上游支流流域，该流域缺乏历史监测数据，近年来相关研究很少。在崇礼冬奥会临近召开的背景下，有学者[1]开始关注清水河上游河流水质问题，监测分析了河流总氮（TN）、化学需氧量（COD）、总磷（TP）和氨氮（NH4+-N）浓度的季节性变化，而非点源污染负荷方面还未见报道。非点源污染负荷估算有很多方法，主要分为输出系数法和过程模拟法。输出系数法相对于过程模拟法所需参数少，操作简便，适用于缺乏长时间系列监测数据流域的非点源污染负荷估算。输出系数法中利用已有文献值确定输出系数进行计算存在着不确定性，许多学者对其进行了改进。Soranno 等[2]考虑营养物来源与水体之间的距离，引入传输系数改进了传统输出系数模型；蔡明等[3]考虑水文因素和流域损失因素，引入降雨影响系数和流域损失系数等。在传统的输出系数模型基础上考虑降雨和地形因素是当前的主要研究手段[4]。胡正等[5-6]引入降雨、地形因子后分别应用于四川达州缺资料小流域地区和宝象河流域的非点源污染负荷量估算分析。以往研究中一般利用年降雨量建立与多年平均降雨量或入河负荷量的关系得到降雨影响因子，以反映污染负荷的年际变化，而忽略了年内降雨量变化的影响，利用月降雨量进行降雨影响因子的计算可能更为准确。

本文利用研究区月降雨量数据计算得到年降雨影响因子，运用考虑降雨和地形影响因子的输出系数法，确定研究区主要污染物输出系数，估算冬奥会核心区的流域非点源污染负荷量、空间分布并分析主要污染物的来源贡献，以期为冬奥会核心区水环境安全保障提供科学依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

冬奥会核心区位于张家口市崇礼区（40°47′～41°17′N，114°17′～115°34′E），研究区土地利用类型以草地、林地和耕地为主，分别占总面积的41.54%，33.61%和22.92%，农村居民点用地占总面积的9.09%，见图1。农村居民点分散位于河流两岸，农村人口生活、畜禽养殖及农业用地产生污染物为河流非点源污染的主要来源。研究区内河流清水河属海河流域永定河水系上游，是洋河支流，发源于张北县与崇礼县交界处桦皮岭南麓，细分为东沟和太子城河，其中太子城河流域为奥运村（原太子城村）及赛事场馆所在地。东沟河流为南北走向，流经清三营乡、狮子沟乡、白旗乡及西湾子镇，河流全长44 km，流域面积770 km2。太子城河发源于四台嘴乡水泉子村，流经奥运村（原太子城村）以及四台嘴乡7 个行政村，在西湾子镇汇入清水河，河流长约27 km，流域面积220 km2。

图1 研究区土地利用类型Fig.1 Land use types in the study area

1.2 数据来源

本文所用到的数据主要包括研究区土地利用类型、数字高程模型（DEM）、统计数据，具体来源如下：

(1)在地理空间数据云获得研究区的30 m×30 m 精度的DEM 数据（http://www.gscloud.cn/）。利用Arcgis10.2 对崇礼区的DEM 栅格数据进行裁剪处理后，提取研究区的河流水系，得到研究区流域地形数据。

(2)崇礼区的土地利用类型/植被覆盖数据来源于地理国情监测云平台（http://www.dsac.cn/）。土地利用类型/植被覆盖数据来源于崇礼区2015 年的土地利用/植被覆盖数据，利用Arcgis10.2 进行裁剪得到研究区的土地利用类型数据。(3)人口、畜禽养殖、降雨量数据由2007—2017 年张家口市经济年鉴[7]中得到。

1.3 研究方法

1.3.1 计算方法 采用最早由Johnes 提出的输出系数模型[8]进行计算：

式中：L 为污染物的产生量；n 为污染源的种类；Ek为第k 种污染源的输出系数；Ak为第k 种牲畜的数量；Ik为第k 种污染源的污染物输出量；P 为由降雨输入的污染物。

降雨和地形是非点源污染物的主要驱动力和重要影响因素。考虑到降雨和地形对非点源污染影响的时间和空间不均匀性，引入降雨影响因子和地形影响因子的输出系数模型[9]，其表达式为：

式中：Li为第i 种污染物的污染负荷量； α为降雨影响因子； β为地形影响因子；Ei,j为第i 种污染物的第j 种污染源的输出系数；Aj(Ij)为第j 种污染源的污染物输出量。

1.3.2 输出系数的确定 本文输出系数采用查阅文献法，参考以往相关研究成果[10-12]，已有文献中输出系数不能反映研究区特殊条件，结合研究区实地调研的实际情况进行调整后确定。污染物随降雨径流迁移入河过程中会有一定比例的滞留和衰减。现有研究成果中农村生活污染源产生污染物的入河系数为0.01～0.10；农业污染源产生污染物的入河系数为0.10～0.30；散养畜禽污染源的污染物入河系数为0.10～0.30[13]。入河系数大小与降雨产生径流量大小直接相关，径流量越大，污染物入河系数越大。本文研究区流域径流量较小，污染物入河过程中的滞留量和衰减量相对较高，初步确定TN、COD、TP 和NH4+-N等4 种污染物的入河系数分别为0.04、0.02、0.01 和0.01，以其他北方相似流域污染物输出系数为基础，估算得到研究区污染源输出系数见表1。

表1 不同污染源的污染物输出系数Tab.1 Pollutant export coefficients of different pollutant sources

1.3.3 降雨及地形影响因子计算 根据土壤流失方程中降雨侵蚀力影响因子的计算方法，应用前人通过河北省各气象台站的降雨数据建立的降雨侵蚀力估算模型[14]式（4），计算了降雨侵蚀力因子，进而得到研究区的降雨影响因子α。由于研究区域属于小流域，空间降雨量的不均匀性对降雨侵蚀力因子的影响不予考虑。

式中： Ri为第i 年降雨侵蚀力（MJ·mm·ha·h-1）；为多年平均降雨侵蚀力（MJ·mm·ha·h-1·a-1）；Fi为年降雨量中逐月雨量对降雨侵蚀力的影响；Pi,j为第i 年第j 月平均降雨量（mm）；P 为多年平均降雨量（mm）。

流域地形坡度主要通过影响坡面径流量来影响其携带的污染物的量，最终影响污染物的迁移变化。为了反映不同子流域的污染负荷的输出量，对研究区数字高程模型（DEM）数据进行了坡度分析，研究区的坡度分析结果如图2 所示，得到研究区的平均坡度为15.76°。

图2 流域坡度分布Fig.2 Watershed slope distribution

根据以往相关研究[9]，地形影响因子β 可以定义为式（6）。结合研究区的DEM 和土地利用类型数据，利用Arcmap10.2 将研究区划分为17 个子流域，考虑了不同子流域坡度空间差异对污染负荷量输出的空间分布影响，对不同子流域的土地利用类型进行了分区统计后，再根据各子流域坡度与流域平均坡度的空间差异对不同子流域输出污染负荷进行计算。

式中：L 为污染负荷量（kg）；d 为常量； θj为不同子流域的平均坡度为研究区的平均坡度（°）。

1.4 计算结果验证

大多数非点源污染物是在汛期排入水体，因此，为了验证计算结果的可靠性，采用以往研究中2016 年7—9 月份汛期东沟沿程河道断面水质监测平均值[1]与年径流量乘积得到污染负荷量与本文计算结果进行对比（图3）。

经计算：TN、COD、TP 和NH4+-N 输出负荷量计算值与实测值的相对误差分别为10.54%、9.69%、24.86%和35.76%，均在允许范围内。这证明本文计算方法与确定的输出系数值合适，本文对研究区非点源污染负荷的估算结果合理。

图3 计算值与实测值对比Fig.3 Comparison of calculated and measured values

2 结果分析

2.1 非点源污染物负荷量

研究区非点源污染负荷估算将污染源分为非土地利用因素和土地利用因素两部分分别进行计算，非土地利用因素包括畜禽养殖和农业人口生活输出的非点源污染。其中，畜禽养殖包括牲畜和禽类，牲畜分为大牲畜（如牛和马等）、小型牲畜（猪和羊）。土地利用因素将研究区土地利用类型分为耕地、林地、草地和建设用地。

2.1.1 非土地利用因素产生的污染负荷 应用输出系数法对冬奥会核心区流域2007—2016 年非点源总氮（TN）、化学需氧量（COD）、总磷（TP）和氨氮（NH4+-N）负荷量进行了计算。图4 给出了2007—2016 年非土地利用因素污染源输出的污染物负荷量。

图4 非土地利用因素污染源输出负荷量Fig.4 Non-land use factor pollution source export load

可见，年输出的TN 负荷量为1 154.25～17 540.39 kg，年均输出TN 负荷量为9 694.48 kg；年输出COD负荷量为2 114.76～34 552.41 kg，年均COD 输出量为18 995.29 kg；年输出TP 负荷量为51.29～842.54 kg，年均TP 输出量为446.09 kg；年输出NH4+-N 负荷量为34.40～514.88 kg，年均输出NH4+-N 负荷量为294.05 kg。非土地利用因素污染源输出负荷量年际差异较大，主要与年际降雨侵蚀力变化影响有关，输出污染负荷与降雨侵蚀力成正比，污染负荷总量年际变化整体趋势与各污染源输出量波动变化一致；其次与各年份不同污染源数量变化有关，其中农业人口与养殖大牲畜数量比较稳定，而养殖猪输出污染负荷量逐年递增，养殖羊输出污染负荷逐年递减，禽类输出污染负荷年际波动分布，与污染源数量增减趋势相同。

2.1.2 土地利用因素产生的污染负荷 利用崇礼区土地利用类型/植被覆盖遥感数据得到研究区土地利用类型，计算得到了的不同土地利用类型输出污染物负荷量，图5 给出了不同土地利用类型的污染物输出负荷量。

由图5 可见：研究区不同土地利用类型年输出TN 污染负荷量为33 372.94 kg；COD 污染负荷量为21 453.45 kg；年输出TP 污染负荷量为512.82 kg；年输出NH4+-N 污染负荷量为1 129.78 kg。对比不同土地利用类型输出的污染物结果来看，耕地是非点源污染负荷的主要污染来源，其次为草地和林地，建设用地输出的污染负荷量相对较少。

图5 不同土地利用类型输出污染物负荷量Fig.5 Export pollutant load of different land use types

2.2 污染物来源及其空间分布

图6 给出了2016 年4 种污染物负荷量的不同类型污染源输出污染物的来源贡献结果。TN 污染负荷量的来源贡献分析结果表明：耕地（49.82%）为输出总氮污染负荷量的最大来源，其次为草地（18.34%）、大牲畜（13.60%）和农业人口生活（9.91%）。COD 污染负荷量的主要来源贡献大小依次为农业人口生活（36.95%）、耕地（17.73%）、林地（15.59%）和草地（14.28%）。TP 污染负荷量来源贡献分析结果表明：农业人口生活（43.81%）和耕地（33.27%）为主要污染源，其次为草地（10.85%）。NH4+-N 污染负荷量来源贡献结果分析表明：主要贡献量大小依次为：耕地（61.25%）、农业人口生活（11.83%）、林地（8.96%）、大牲畜（7.72%）和草地（5.33%）。

考虑了不同子流域坡度因子β 的影响，对不同子流域污染源进行分区统计后，利用输出系数法进行了计算，揭示了2016 年4 种污染物输出负荷量来源的空间分布情况，见图7。

图6 污染物负荷量来源贡献Fig.6 Pollutant load source contribution

图7 污染负荷量空间分布Fig.7 Spatial distribution of pollutant load

总体来看：不同子流域输出非点源污染负荷分布不均匀，TN 输出负荷量主要分布在狮子沟乡和西湾子镇南部（9 421～12 664 kg）以及清三营乡、白旗乡和四台嘴乡部分子流域（5 226～9 421 kg）；COD 输出负荷量在西湾子镇南部子流域最高为15 634 kg，其次为狮子沟乡北部、白旗乡西部、西湾子镇西部和四台嘴乡南部子流域（6 045～10 354 kg）；TP 输出负荷量在西湾子镇南部子流域最高为334 kg，其次为狮子沟乡北部、白旗乡西部以及四台嘴乡南部子流域（163～236 kg）；NH4+-N 输出负荷量主要分布在西湾子镇西南部（424 kg），其次为狮子沟乡、清三营乡、白旗乡部分子流域以及四台嘴乡南部子流域（170～316 kg）。

3 结 语

为分析冬奥会核心区非点源排放污染物对流域水环境的影响，采用输出系数法计算了张家口冬奥会核心区的非点源污染负荷量、空间分布，分析了不同类型污染负荷的来源。通过实测水质监测值验证了输出系数法计算结果的准确性，得到以下结论：

（1）2007—2016 年非土地利用因素污染源年输出的TN 负荷量为1 154.25～17 540.39 kg；年输出COD为2 114.76～34 552.41 kg；年输出TP 负荷量为51.29～842.54 kg；年输出NH4+-N 负荷量为34.40～514.88 kg。

（2）不同土地利用类型污染源年输出TN 污染负荷量为33 372.94 kg；COD 污染负荷量为21 453.45 kg；TP 的污染负荷量为512.82 kg；NH4+-N 的污染负荷量为1 129.78 kg。

（3）从4 种污染物的贡献来源来看，TN 的输出负荷量中贡献最大的是耕地，其次为草地、大牲畜养殖以及农业人口生活。COD 污染负荷量的主要来源贡献依次为农业人口生活>耕地>林地>草地。TP 污染负荷量来源贡献中农业人口生活和耕地为主要污染源，其次为草地。NH4+-N 污染负荷量主要来源于耕地，其次为农业人口生活和大牲畜养殖。

（4）污染物输出负荷量的空间分布不均。东沟上游子流域和下游出口子流域的输出量比较高；太子城河流域中下游子流域输出负荷量相对较高。

（5）从冬奥会核心区建设及长远发展来看，冬奥会举办期间以及未来人口增多，河流水质要达到冬奥会对地表水质的要求标准将面临巨大困难和挑战。因此，需要点源污染与非点源污染协同控制，不仅要对点源污染实行高标准污水处理工程进行削减，还要合理规范畜禽养殖结构，科学管理农业用地化肥农药的使用，减少非点源污染负荷输出量，切实履行绿色奥运的重要理念。