基于3S技術(shù)的環(huán)羅源灣區(qū)域氮磷污染物入海通量研究

蔡芫鑌，陳燕紅

（1.福州市環(huán)境科學(xué)研究院，福州 350011；2.福州大學(xué)至誠學(xué)院，福州 350005）

基于3S技術(shù)的環(huán)羅源灣區(qū)域氮磷污染物入海通量研究

蔡芫鑌1，陳燕紅2

（1.福州市環(huán)境科學(xué)研究院，福州 350011；2.福州大學(xué)至誠學(xué)院，福州 350005）

使用基于柵格的地理信息系統(tǒng)，采用徑流曲線方法和污染物流失方程，計算環(huán)羅源灣陸域氮磷污染物入海通量及其空間分布。結(jié)果表明，起步溪流域是羅源灣海域最主要的陸域污染來源，水土流失和生活污染對海域的污染輸入顯著。

污染物；入海通量；污染源；羅源灣

1 研究區(qū)域概況

羅源灣位于福建省東北部沿海，海灣總面積179.56km2，岸線長155.6km。灣內(nèi)海底地形復(fù)雜，具有明顯差異性，最大水深達74m。羅源灣西北、西和南側(cè)部分地段分別為淤泥質(zhì)、沙質(zhì)和人工海岸。岸線主要由巖基海岸組成，北鄰三沙灣，南隔黃岐半島與閩江口連接，是閩東北優(yōu)良港灣之一。

綜合考慮環(huán)羅源灣區(qū)域的自然屬性與數(shù)據(jù)收集情況，借助GIS、RS和GPS手段，運用模型方法，將羅源灣規(guī)劃區(qū)劃分為25個子流域和3個海區(qū)，各單元分布如圖1所示。

圖1 羅源灣規(guī)劃區(qū)陸域與海域生態(tài)環(huán)境調(diào)查單元劃分Fig.1 Eco－environmental investigation units of the panning region of Luoyuanwan

2 研究內(nèi)容與研究方法

針對陸域入海污染物進行估算、評價和預(yù)測，并分析陸域非點源污染來源及貢獻。

結(jié)果表明，在采取有效控制措施的前提下，工業(yè)污染源在近岸海域污染中的污染負荷總量相對較小。運用柵格GIS與徑流曲線方法（SCS－CN）、污染物流失方程計算進入羅源灣海域的陸域非點源污染（TN、TP）貢獻及空間分布，以識別污染關(guān)鍵區(qū)域

3 環(huán)羅源灣區(qū)域氮磷污染物通量估算

3.1 布點采樣監(jiān)測

采樣時間始于2009年5月，以豐水期、平水期、枯水期3個水文代表性階段為時間劃分界限，對環(huán)羅源灣地區(qū)陸源總氮總磷進行為期1a的采樣監(jiān)測，結(jié)果見表1，各采樣點位置見圖2。

表1 各匯水區(qū)出口斷面TN、TP監(jiān)測結(jié)果（mg/l）Table 1 TN and TP monitorings of catchments areas

圖2 羅源灣區(qū)域采樣點位圖Fig.2 Locations of sampling points

3.2 陸域非點源氮磷流失量驗算

3.2.1 泥沙輸移比

通常認為，輸沙比與地面土壤性質(zhì)、源距出口距離及流域面積等有關(guān)。已有關(guān)于估計SDR的重要研究［1］，發(fā)現(xiàn)SDR與流域的大小有關(guān)。通過SDR曲線（USDA，1972）可以看出SDR與流域的關(guān)系。由于SDR曲線較為簡明，基于流域大小的SDR曲線被廣泛使用。公式1是通過300個流域的數(shù)據(jù)回歸產(chǎn)生的SDR曲線（Vanoni，1975）而獲取的。Boyce（1975）以及 USDA（1972）也回歸出SDR曲線，見公式2和3

式中，A為流域面積（km2）。

環(huán)羅源灣區(qū)域森林覆蓋率較高 但由于屬基巖海岸，地勢以低山、丘陵為主，地形條件利于輸沙，且匯水區(qū)域較小，徑流流程短。因此本文利用Vanoni公式分別計算各匯水區(qū)被侵蝕進河流的泥沙量，從而得出各匯水區(qū)的泥沙輸移比，計算結(jié)果見表2。

表2 環(huán)羅源灣規(guī)劃區(qū)各匯水區(qū)輸移比、單元基流與徑流計算結(jié)果表Table 2 Calculations of SDR，base flow and runoff for each catchment areas

3.2.2 徑流量估算——SCS曲線方程

在GIS軟件ArcView3.2中完成SCS模型對環(huán)羅源灣區(qū)域的不同降雨條件下的徑流系數(shù)的計算。SCS模型綜合考慮了匯水區(qū)降雨、土壤類型、土地利用方式及管理水平、前期土壤濕潤狀況與徑流之間的關(guān)系，是美國土壤保持局根據(jù)3 000多份試驗資料制定的計算降雨過程徑流深度Q的經(jīng)驗公式，全年日徑流深的和就是年徑流深（USDA－SCS，1972）。

式中，Q為徑流量（mm）；R為降雨量（mm）；S為水土保持參數(shù)。式中只有一個未知參數(shù)S，由于其影響因素復(fù)雜，不便取值。為此，SCS在歸納了3 000多種土壤資料的基礎(chǔ)上，提出無量綱參數(shù)CN，即徑流曲線數(shù)（Runoff Curve Number），來推求S 值［2］，關(guān)系式如下（式5）。

參照二次土壤普查的成果——《福建土壤》、《福建土種志》，確定流域的土壤質(zhì)地，并在此基礎(chǔ)上繪制土壤水文類型分布圖。根據(jù)環(huán)羅源灣區(qū)域的土壤、水文狀況和土地利用類型，參照SCS曲線計算方法提供的取值條件（USDA－SCS，1972；Boughton，1989），利用校正公式計算［3］確定不同土地利用方式的CN值，如表3所示。

根據(jù)2009年冬眠期雨量大于20mm，生長期雨量大于10mm的所有場次的日降雨及其前5d雨量，確定其AMC和CN值，利用公式計算不同土地利用方式下各場次降雨的徑流量并逐日累加，得到不同土地利用方式下的逐月徑流量數(shù)據(jù) 并累加成不同土地利用方式下的全年徑流量數(shù)據(jù)Qkt值（圖3、表3）。

表3 環(huán)羅源規(guī)劃區(qū)不同土地利用類型CN值Table 3 CNvalues of various land types in the region

圖3 環(huán)羅源灣規(guī)劃區(qū)年徑流深分布圖（2009年）Fig.3 Annual runoff depth distribution over the region for 2009

3.2.3 污染物輸出模型

利用匯水區(qū)土壤類型分布及所占比例進行權(quán)重分析計算，得到該區(qū)污染物含量平均值，如下公式：

式中，C為某土壤類型污染物含量（%）；Sn為某類土壤類型在匯流區(qū)內(nèi)所占面積；S為流區(qū)總面積。

（1）顆粒態(tài)氮磷污染物負荷模型

參照相關(guān)研究（施為光，2000），負荷模型為：

式中，a為單位換算常數(shù)；LSkt為土壤流失總氮量（t）；CSkt為土壤氮磷污染物濃度（%）；AR 為土壤流失量（t）；TSkt為污染物富集比，本文取1；Sd為流域泥沙輸移比。

（2）溶解態(tài)氮磷污染物負荷模型

參照相關(guān)研究［4］（焦荔，1991；王曉燕，1996；施為光，2000），負荷模型為：

式中，LDkt為溶解態(tài)污染物負荷（kg/hm2）；CDkt為徑流溶解態(tài)污染物濃度（mg/kg）；Qkt為徑流量（mm）；b為單位換算系數(shù)。

基流計算根據(jù)福州市環(huán)科院的河道監(jiān)測結(jié)果，利用無雨時匯水區(qū)常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算河流中污染物均值，通過河流斷面測量圖積分計算得到斷面面積，最終得出環(huán)羅源灣各匯水區(qū)全年基流量。基流污染物模擬部分選用2009年6、10、11月及2010年1月污染物總量數(shù)據(jù) 考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)主要用于計算基流中污染物含量，因此選取監(jiān)測當天及其前2d無雨時的氣象數(shù)據(jù)。由于監(jiān)測點位數(shù)量有限，土壤狀況及土地利用現(xiàn)狀調(diào)查詳盡程度不一，因此實際工作中采用樹狀聚類法、臨近法對各匯水區(qū)進行聚類，合并（聯(lián)系）規(guī)則選用單聯(lián)法，測度方法采用歐式距離法。結(jié)果見表2。

Q＝c×Sr×v （9）其中，Q為全年基流量（m3）；c為單位換算系數(shù)；Sr為河流斷面面積（m2）；v為河流的流速（m/s）。

根據(jù)環(huán)羅源灣區(qū)域地形、地貌、下墊面條件、土壤含水量空間分布及人類活動影響的情況 經(jīng)過綜合分析環(huán)羅源灣地區(qū)水文站（赤橋站和永泰站）常年監(jiān)測數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)計算修正。

3.2.4 估算驗證

根據(jù)區(qū)域污染源分布狀況，選取本底較好、污染較少的碧里小流域進行污染物估算模型結(jié)果驗證，碧里流域面積12.23km2，是一個封閉的小流域，其土地利用/土地覆蓋以天然林地、農(nóng)田和村莊為主。表4是實際監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)。參照當天的水質(zhì)數(shù)據(jù)，得出流域污染負荷的年流失量，并與計算結(jié)果進行了對照（表5），以驗證模型計算結(jié)果。

表4 碧里小流域地表水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 4 Monitor data of surface water quality in the Bili watershed

表5 計算結(jié)果與實測結(jié)果對照表Table 5 Comparison between calculated results and measured results

由表5可知，模型計算結(jié)果獲得的TN和TP的污染負荷與計算值偏差分別為－19.31%和26.74%，模型計算誤差在可接受范圍內(nèi)，且驗證結(jié)果可信。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)羅源灣海域污染控制和實際工作需要，將規(guī)劃區(qū)內(nèi)的各匯水區(qū)歸并為12個子流域（圖4），并在此基礎(chǔ)上核算環(huán)羅源灣區(qū)陸域入海污染物總量。最后將各子流域入海污染物總量進行統(tǒng)計匯總，結(jié)果見表6。結(jié)合圖表，得出以下結(jié)論：

（1）由于氮、磷類污染物質(zhì)擁有顆粒態(tài)、吸附態(tài)等多種存在形式，且其污染物的輸移轉(zhuǎn)化過程較為復(fù)雜，在計算氮磷污染物通量時，采用無雨季節(jié)基流中污染物含量與降雨產(chǎn)生的地表徑流中污染物含量相加和的方法，更能準確表征入海污染物總量。

（2）子流域1向羅源灣海區(qū)輸送的污染物總量最大，TN、TP分別占全流域輸入總量的50.86%和52.63%，這表明起步溪流域仍然是羅源灣海域最主要的陸域污染來源。子流域11的入海污染物輸入量居其次，這充分說明水土流失和生活污染對海區(qū)污染物的輸入貢獻顯著。子流域4和子流域7的污染物入?？偭枯^小，這與其流域內(nèi)較少的人類活動和良好的土壤狀況息息相關(guān)。

表6 羅源灣各子流域入海污染物總量統(tǒng)計表Table 6 Total contaminant fluxes from the sub－watersheds in the region

（3）通過對環(huán)羅源灣陸域污染物入海通量研究，為區(qū)域各匯水區(qū)的污染綜合治理和控制規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)，為海洋環(huán)境污染評估提供了重要的邊界條件；同時，在研究匯水區(qū)營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化及其循環(huán)機制和生態(tài)環(huán)境變化方面，奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖4 子流域劃分及流域入?？诜植棘F(xiàn)狀結(jié)果圖Fig.4 Distribution of sub－watersheds and their exits

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［4］焦荔，方志發(fā).千島湖網(wǎng)箱養(yǎng)魚對水質(zhì)的影響［J］.環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，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－h(huán)ong2
（1.Environmental Sciences Institute of Fuzhou，F(xiàn)uzhou 350011，China；2.Zhicheng College，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 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

課題項目：羅源灣入海測量項目（國家海洋局第三海洋研究所）

蔡芫鑌（1982－ ），男，福建福州人，碩士，工程師，主要從事流域環(huán)境分析、環(huán)境規(guī)劃與管理及數(shù)字模型模擬研究。