上海滴水湖集水區(qū)非點源污染物輸移通量的時空分布特征

呂永鵬， 楊 凱， 車 越， 謝 勝， 劉 辰， 任翔宇， 尚釗儀

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092；2.華東師范大學 上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復重點實驗室，上海 200062）

0 引 言

隨著城市點源污染的控制，非點源污染逐漸成為影響全球城市水環(huán)境質(zhì)量的主要因素，進而成為近年來國內(nèi)外研究的熱點問題.集水區(qū)是指匯集水流的區(qū)域，是研究非點源污染的理想單元.如何科學度量集水區(qū)尺度下非點源污染物對水環(huán)境的影響是有效調(diào)控非點源污染的關鍵.

非點源污染一般由產(chǎn)生負荷（Load）和輸移通量（Transport flux）兩個參數(shù)來定量表征.產(chǎn)生負荷是指污染物年產(chǎn)生量，并未考慮污染物的遷移轉(zhuǎn)化，主要反映污染物對水環(huán)境的潛在影響；而輸移通量是指污染物的年入河量，反映污染物經(jīng)過遷移轉(zhuǎn)化后排入河流而對水環(huán)境產(chǎn)生的直接影響.因此，研究輸移通量更有意義.輸移通量的研究方法較多，以AGNPS、ANSWERS、GWLF、HSPF、SWAT、MUSIC、SWMM 和 WWHM等模型應用最為廣泛.然而，上述模型對輸入數(shù)據(jù)的類型和精度均有較高要求，模型參數(shù)率定困難，不適合在數(shù)據(jù)缺乏的集水區(qū)應用.起源于20世紀70年代北美地區(qū)的輸出系數(shù)法（Export coefficient modeling approach，ECMA）［1］，經(jīng)Johnes等學者的不斷修正后［2，3］，已經(jīng)在全世界得到廣泛應用，并已積累大量的輸出系數(shù)值［4－6］.該方法具有了數(shù)據(jù)獲取方式簡單、所需參數(shù)少、結(jié)果精度較高等優(yōu)點.

中國東部平原河網(wǎng)地區(qū)具有經(jīng)濟發(fā)達、城市化程度高、不透水面積大、人類活動強干預下產(chǎn)匯流機制復雜、集水區(qū)邊界模糊等顯著的區(qū)域特征.若試圖將國外的輸出系數(shù)直接應用于平原河網(wǎng)地區(qū)，研究結(jié)果可能與實際情況偏差較大［7］.

鑒于此，本文以上海滴水湖集水區(qū)為例，根據(jù)區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型小集水區(qū)的實地監(jiān)測數(shù)據(jù)，嘗試基于平原河網(wǎng)地區(qū)集水區(qū)特征對經(jīng)典的輸出系數(shù)法進行必要修正，以期較為客觀地度量出平原河網(wǎng)地區(qū)集水區(qū)非點源污染物的輸移通量，為區(qū)域非點源污染系統(tǒng)調(diào)控提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 半分布式通量測算方法

完整的集水區(qū)非點源污染過程應包括非點源污染物產(chǎn)生，暴雨淋洗和沖刷，地表匯流與遷移轉(zhuǎn)化，徑流入河，入河后遷移轉(zhuǎn)化和集水區(qū)輸出等關鍵過程.早期的輸出系數(shù)法假設各類土地利用的非點源污染負荷量與集水區(qū)面積成正比，顯然該方法測算結(jié)果的精確度不足，且僅考慮了非點源污染物的產(chǎn)生，并未考慮污染物的其他重要過程［6］.如下式所示：

式中，L表示非點源污染物的產(chǎn)生負荷（t／a）；ci為第i類土地產(chǎn)生的非點源污染物的年平均負荷（t／hm2／a）；Ai為第i類土地利用的面積（hm2）.

Johnes等學者修正并建立了較完備的模型［2，3］，但仍然強調(diào)非點源污染物的產(chǎn)生量.如下式所示：

式中，L表示產(chǎn)生負荷（t／a）；Ei為第i類污染源的輸出系數(shù)；Ai為第i類土地利用的集水區(qū)面積，或第i類畜禽養(yǎng)殖的數(shù)量，或人口數(shù)；Ii為第i類污染源的污染物輸入量；p為降雨中的污染物量.

Soranno等在測算方法中考慮了污染物來源與受納水體之間的距離，在一定程度上考慮了污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程［8］，但測算結(jié)果仍具有較大的不確定性.如下式所示：

式中，L表示非點源污染物的產(chǎn)生負荷（t／a）；m為土地利用類型；n為GIS系統(tǒng)中劃分的網(wǎng)格數(shù)；p為網(wǎng)格與水體之間的距離；fi為污染物輸出系數(shù)；Ap，i為距離水體為p時的第i種土地利用的面積；Tip為處于0～1之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)，表征兩個網(wǎng)格之間的污染物遷移轉(zhuǎn)化系數(shù).

在前人研究的基礎上［2，3，7－10］，本文提出一種兼具分布式和集總式特色的半分布式城市集水區(qū)非點源輸移通量測算模型，并考慮了非點源類型（主要關注城市集水區(qū)內(nèi)土地利用非點源污染，適當考慮城市內(nèi)小范圍內(nèi)農(nóng)村和農(nóng)業(yè)非點源污染）、降雨條件、土地利用類型、非點源遷移擴散轉(zhuǎn)化過程及非點源污染物入河通量等關鍵因素.如式4—式8所示，式中符號見表1.

1.2 集水區(qū)概況

臨港新城是上海繼浦東開發(fā)開放之后獨具輔城作用的又一個戰(zhàn)略重點發(fā)展區(qū)域（見圖1）.滴水湖是臨港新城的象征，是目前國內(nèi)在潮灘上開挖的最大人工湖.受上游來水水質(zhì)影響，加上集水區(qū)非點源污染物的匯入，滴水湖目前水質(zhì)較差.滴水湖集水區(qū)河網(wǎng)密布、水系發(fā)達，是典型的平原河網(wǎng)地區(qū).此外，臨港新城為新開發(fā)建設的區(qū)域，點源納管率很高，目前正處于快速的城市化進程中，其面臨的非點源污染問題也是我國東部平原河網(wǎng)地區(qū)郊區(qū)新城建設中存在的共性問題.因此，研究滴水湖集水區(qū)非點源污染物輸移通量對其他類似區(qū)域也有借鑒意義.根據(jù)滴水湖集水區(qū)的特征，文獻［12］將其劃分為13個二級集水區(qū)（B1—B13），137個三級集水區(qū)，是本文空間分析的基礎.

表1 集水區(qū)非點源輸移通量測算模型符號表Tab.1 The parameters of transport flux model of NPS at the watershed scale

圖1 上海市滴水湖集水區(qū)區(qū)位及土地利用圖Fig.1 Location and land use of Lake Dishui watershed in Shanghai

1.3 數(shù)據(jù)來源

非點源負荷輸出系數(shù)來源文獻［12，14］，降雨雨量數(shù)據(jù)由作者在該區(qū)域設立的雨量計獲得，歷史雨量數(shù)據(jù)來源于上海氣象部門和上海市排水公司；1965、1989、1994、2000、2003、2006和2008年7個時相的土地利用數(shù)據(jù)由華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室解譯；點源數(shù)據(jù)來源于全國污染源普查.

表2 滴水湖集水區(qū)土地利用非點源負荷輸出系數(shù)表Tab.2 The export coefficients of NPS in Lake Dishui watershed

表3 滴水湖集水區(qū)1965—2010年的降雨數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計Tab.3 Rainfall statistics from1965 to 2010 in Lake Dishui watershed

2 結(jié)果與討論

2.1 2008年滴水湖集水區(qū)點源與非點源負荷數(shù)量特征

2008年，滴水湖集水區(qū)有631家工業(yè)企業(yè)，全年COD產(chǎn)生量1 101.77 t，氨氮產(chǎn)生量3.49 t.由于為新建區(qū)域，污水管網(wǎng)等基礎設施建設較為完善，區(qū)域內(nèi)工業(yè)污水和集中式生活污水等點源全部納管，對水環(huán)境影響較小，非點源污染已經(jīng)成為影響區(qū)域水環(huán)境的主要因素.

2008年，滴水湖集水區(qū)非點源主要包括土地利用、降雨以及分散排放的農(nóng)村生活污水3類.（1）土地利用非點源的COD產(chǎn)生負荷為12 793.59 t，氨氮產(chǎn)生負荷為159.77 t，TP產(chǎn)生負荷為63.45 t；降雨非點源的COD產(chǎn)生負荷為1 328.69 t，氨氮產(chǎn)生負荷為95.35 t，TP產(chǎn)生負荷為1.56 t；分散排放的農(nóng)村生活污水的COD產(chǎn)生負荷為353.43 t，氨氮產(chǎn)生負荷為35.34 t，TP產(chǎn)生負荷為8.86 t.（2）土地利用非點源的COD輸移通量為12 159.28 t，氨氮輸移通量為152.58 t，TP輸移通量為60.39 t；降雨非點源的COD輸移通量為1 279.93 t，氨氮輸移通量為92.18 t，TP輸移通量為1.51 t；分散排放的農(nóng)村生活污水的COD輸移通量為325.15 t，氨氮輸移通量為32.52 t，TP輸移通量為8.15 t.

2.2 2008年滴水湖集水區(qū)非點源污染物的輸移通量及空間分布特征

2.2.1 不同類型非點源間的輸移通量差異

3種非點源類型中（見圖2），土地利用非點源的污染物產(chǎn)生負荷和輸移通量最大，其次是降雨和分散排放的生活污水.由此可見，對土地利用非點源的調(diào)控對區(qū)域水環(huán)境保護具有重要意義.

2.2.2 不同類型污染物間的輸移通量差異

3種主要污染物中（見圖2），COD最大，氨氮次之，最小的是TP.由于氨氮和TP是影響區(qū)域水環(huán)境的關鍵水質(zhì)指標，因此，此二指標也不容忽視.

2.2.3 二級集水區(qū)間的輸移通量差異

3個二級集水區(qū)中（見圖3），污染物輸移通量較大的集水區(qū)是B11、B8、B6和B13，較小的集水區(qū)主要包括B1、B9、B12和B7.2008年，前者基本為城市化區(qū)域，而后者多以綠地、濕地和低密度住宅為主.可見，城市化程度是影響非點源輸移通量的主要因素之一.

圖2 2008年滴水湖集水區(qū)不同類型非點源污染物的產(chǎn)生負荷與輸移通量Fig.2 Pollutants load and the transport flux of NPS in Lake Dishui watershed in 2008

圖3 2008年滴水湖二級集水區(qū)非點源污染輸移通量的空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of the transport flux of NPS in Lake Dishui second－class sub－watershed in 2008

2.2.4 二級集水區(qū)內(nèi)部的輸移通量差異

利用三級集水區(qū)來進一步探討二級集水區(qū)內(nèi)部空間分異.137個三級集水區(qū)中，產(chǎn)生負荷較大的集水區(qū)均為城市化水平較高的區(qū)域（圖4中a—c）.

值得注意的是，從三級集水區(qū)視角來看，非點源的產(chǎn)生負荷與輸移通量的空間分布并不一致（圖4中（a）與（d），（b）與（e）、（c）與（f））.城市化率較大的臨港新城主城區(qū)（B8）的非點源污染物輸移通量反而較小，而城市化率較低的區(qū)域（如臨港森林B7）的非點源污染物輸移通量卻較大.究其原因，可能是綠地的源匯效應的影響.綠地尤其是有效綠地（可以接納客地徑流的綠地）等“匯”對非點源污染物起到了較好的緩沖和去除作用，其對非點源污染物COD、氨氮、TP的總體去除率分別達到71.01%、69.00%和64.39%［12］.此外，對于臨港新城此類新建區(qū)域而言，綠地尤其是新建綠地又同時是一種潛在的污染源.以2010年4月21日的降雨事件的EMC為例，滴水湖集水區(qū)某小區(qū)綠地和某公園綠地的COD分別為524.60 mg／L和148.65 mg／L，遠超過上海市污水綜合排放標準限值；氨氮分別為1.37 mg／L和0.82 mg／L，TP分別為0.38 mg／L和0.65 mg／L，但部分時段污染物瞬時濃度劣于地表水環(huán)境質(zhì)量標準中的V類限值［12］.

對于綠地面積較大而有效綠地面積較小的新開發(fā)區(qū)域，由于綠地本身為非點源加之綠地對非點源污染物的削減效應并沒有得到較好發(fā)揮，綠地降雨徑流通過分流制雨水管網(wǎng)或就近直接排入河網(wǎng)，輸移通量反而較大.因此，該類區(qū)域的非點源更應得以重視.

圖4 2008年滴水湖三級集水區(qū)非點源污染輸移通量的空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of the transport flux of NPS in Lake Dishui third－class sub－watershed in 2008

2.3 1965～2008年滴水湖集水區(qū)非點源污染變化的數(shù)量特征

總體而言，滴水湖集水區(qū)非點源污染的產(chǎn)生負荷和輸移通量呈增加態(tài)勢，而輸移通量平均約為產(chǎn)生負荷的97.93%，綠地等“匯”對非點源的去除效應平均僅為2.07%（見圖5）.此外，產(chǎn)生負荷和輸移通量均呈現(xiàn)如下三階段變化過程（見圖6）：

第一階段為解放初期至浦東開發(fā)開放前期（1965—1994年）.該階段區(qū)域城市化率較低，沿海部分區(qū)域尚未成陸，非點源污染的產(chǎn)生負荷和輸移通量總量較小，且變化較小.

第二階段為浦東開發(fā)開放前期至臨港新城成立前（1995—2003年）.受浦東開放的輻射效應，此階段臨港新城地區(qū)開發(fā)速度有一定增加，特別是蘆潮港B12、書院B2、泥城B10和萬祥B5等中心鎮(zhèn)的城市化速度加快，非點源污染的產(chǎn)生負荷和輸移通量總量呈增加態(tài)勢，非點源污染問題逐步顯現(xiàn).

第三階段為臨港新城成立初期的大規(guī)模建設階段（2004—2008年）.2004—2006年，雖然非點源污染的產(chǎn)生負荷和輸移通量的增加速度有降低趨勢，總量仍呈增加態(tài)勢.2006年以后的增加速度明顯加大，非點源污染問題開始凸顯.

圖5 1965—2008年滴水湖集水區(qū)非點源污染變化的數(shù)量特征Fig.5 The quantitative characteristic of NPS pollution from1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

圖6 1965—2008年滴水湖集水區(qū)非點源污染的年均變化速率Fig.6 The average annual rate of change of NPS pollution from1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

2.4 1965—2008年滴水湖集水區(qū)非點源污染變化的結(jié)構特征

如前所述，土地利用已經(jīng)成為滴水湖集水區(qū)的最主要非點源.因此，探討土地利用非點源的結(jié)構特征具有一定的針對性.

總體而言，滴水湖集水區(qū)土地利用非點源污染物產(chǎn)生負荷和輸移通量的結(jié)構基本一致，居住用地的COD污染最大，而農(nóng)田的氨氮和TP污染較大（見圖7和圖8）.

此外，不同土地利用間的非點源污染物產(chǎn)生負荷和輸移通量具有顯著差異.居住用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖用地和綠地的非點源污染物產(chǎn)生負荷和輸移通量變化幅度較大，而商服用地的非點源污染物產(chǎn)生負荷和輸移通量數(shù)量較小且變化較慢.對于COD而言，居住用地和水產(chǎn)養(yǎng)殖較大；對于氨氮而言，農(nóng)田和水產(chǎn)養(yǎng)殖較大；對于TP而言，農(nóng)田、水產(chǎn)養(yǎng)殖和居住用地較大.值得注意的是，2003年以后呈現(xiàn)農(nóng)田、水產(chǎn)養(yǎng)殖和居住用地的非點源污染物產(chǎn)生負荷和輸移通量呈現(xiàn)降低趨勢，而其他用地類型的非點源污染則呈增加態(tài)勢.需要說明的是，綠地也是一種非點源，綠地非點源污染物產(chǎn)生負荷和輸移通量呈現(xiàn)顯著增加趨勢，這可能與臨港區(qū)域有效綠地的面積較小，且新建綠地的污染物輸出大有關［12］.

圖7 1965—2008年滴水湖集水區(qū)土地利用非點源污染物產(chǎn)生負荷的結(jié)構特征Fig.7 The structural characteristics of the pollutants load of NPS from 1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

圖8 1965—2008年滴水湖集水區(qū)土地利用非點源污染物輸移通量的結(jié)構特征Fig.8 The structural characteristics of the transport flux of NPS from 1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

2.5 1965—2008年滴水湖集水區(qū)非點源污染變化的空間分布特征

總體而言，13個二級集水區(qū)之間的相對污染程度隨時間變化較?。ㄒ妶D9—11）.從空間分布來看，1965—2008年，各二級集水區(qū)尤其是B6、B9、B11和B12的相對污染程度總體變化較小.其余二級集水區(qū)的相對污染程度有所變化.這可能與區(qū)域的功能定位有關.

B8的非點源污染變化最為顯著.B8現(xiàn)狀為臨港新城主城區(qū)，1989年以前濱海部分未成陸，故而污染程度較小，隨著圍海造田以及其后該區(qū)域城市化的加快，B8逐漸成為二級集水區(qū)中非點源污染較大的區(qū)域.此外，中心鎮(zhèn)非點源污染相對較小但呈現(xiàn)增加態(tài)勢，這可能與中心鎮(zhèn)的低密度開發(fā)有關.

圖9 1965—2008年滴水湖二級集水區(qū)非點源污染產(chǎn)生負荷的空間分布特征（COD）Fig.9 The spatial distribution characteristics of pollution load of NPS from1965 to 2008 in Lake Dishui second－class sub－watershed（COD）

圖10 1965—2008年臨港新城二級集水區(qū)非點源污染產(chǎn)生負荷的空間分布特征（氨氮）Fig.10 The spatial distribution characteristics of pollution load of NPS from1965 to 2008 in Lake Dishui second－class sub－watershed（NH＋4－N）

圖11 1965—2008年臨港新城二級集水區(qū)非點源污染產(chǎn)生負荷的空間分布特征（TP）Fig.11 The spatial distribution characteristics of pollution load of NPS from1965 to 2008 in Lake Dishui second－class sub－watershed（TP）

3 結(jié) 論

基于經(jīng)典的輸出系數(shù)法，初步探討了適合于中國東部平原河網(wǎng)地區(qū)的半分布式集水區(qū)非點源輸移通量測算方法.研究結(jié)果如下.

（1）上海滴水湖集水區(qū)內(nèi)點源污染已經(jīng)逐步得到控制，非點源污染已經(jīng)成為集水區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的主要影響因素.滴水湖集水區(qū)非點源類型主要包括土地利用、降雨以及分散排放的農(nóng)村生活污水3類，其中土地利用是最主要的.

（2）集水區(qū)非點源污染的產(chǎn)生負荷和輸移通量相差較小，綠地等“匯”對非點源的去除效應平均僅為2.07%，土地利用的“匯”的作用有待提升.

（3）集水區(qū)非點源污染的產(chǎn)生負荷和輸移通量均呈現(xiàn)顯著增加態(tài)勢，可初步劃分為三個變化階段.第一階段為1965—1994年，非點源污染的產(chǎn)生負荷和輸移通量總量較小，且變化較小；第二階段為1995—2003年，非點源污染問題逐步顯現(xiàn)；第三階段為2004—2008年，非點源污染問題開始凸顯.

（4）13個二級集水區(qū)的相對污染程度總體上隨時間變化較小，與區(qū)域功能定位、城市化程度以及有效綠地面積比例有關.

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