應用輸出系數(shù)模型對太湖流域面源污染負荷測算研究

周躍龍，汪懷建* ，余 輝，王振平，

(1.江西農(nóng)業(yè)大學 國土資源與環(huán)境學院，江西 南昌 330045;2.中國環(huán)境科學研究院 湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地，北京 100012)

流域污染源控制是治理水體富營養(yǎng)化防止水華爆發(fā)的重要途徑之一［1］。在非點源污染控制，通過模型進行時空模擬，并以此為基礎，制定合理的非點源污染控制對策，是目前非點源研究的重要手段。然而在流域管理上使用的非點源污染模型，由于運算過程中需要輸入大量反映當?shù)貧庀蟆⑺?、土壤、土地利用等參?shù)，需要較高條件的數(shù)據(jù)資料，嚴格的參數(shù)率定。因此，模型在實際推廣困難較大［2－3］。20世紀70年代初期美國與加拿大在研究土地利用－營養(yǎng)負荷－湖泊富營養(yǎng)化關系的過程中提出并應用了輸出系數(shù)法或稱為單位面積負荷法，這種初期的輸出系數(shù)模型為人們研究非點源污染提供了一種新的途徑輸出系數(shù)模型，由于其數(shù)據(jù)量要求較少，精準度較高。對較大尺度上流域污染負荷測算提供了較為準確便攜的方法，被國內(nèi)外大量使用論證。因此，本文應用輸出系數(shù)模型估算太湖流域N、P營養(yǎng)鹽輸出負荷，以期為流域水環(huán)境管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域

太湖流域位于長江三角洲平原，是我國經(jīng)濟較為發(fā)達的地區(qū)。該地區(qū)人口密度大，土地利用程度高，城市化進程高。在國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07101－001)中，為能更加有效的辨析全流域的污染源分布，計算污染通量及分配問題，將太湖流域分成5個污染控制區(qū)及32個控制單元，5大污染控制區(qū)分別是:北部重污染控制區(qū)(6327 km2)包括常州市、武進區(qū)、無錫市、江陰市、常熟市、張家港市;湖西重污染控制區(qū)(6636 km2)包括丹徒區(qū)、丹陽市、金壇市、溧陽市、宜興市、句容市、高淳縣;浙西污染控制區(qū)(8272 km2)包括杭州市、余杭區(qū)、臨安市、湖州市、德清縣、長興縣、安吉縣;南部太浦污染控制區(qū)(3953 km2)及東部污染控制區(qū)(6304 km2)包括蘇州市、昆山市、吳江市、太倉市和青浦區(qū)三鎮(zhèn)。

2 材料及方法

2.1 土地利用類型

采用 2011 年 2 月 Landsat TM(Landsat Thematic Mapper)遙感數(shù)據(jù)(第 1、2、3、4、5、7 波段分辨率為30 m，第6波段分辨率為60 m)，使用遙感處理軟件Erdas8進行幾何校正(誤差小于0.5像元)并使用專家分類方法將研究區(qū)域劃分為耕地、林地、水體、草地、建設用地和未利用地6大類(圖1，表1)，并利用目視解譯結(jié)合地面調(diào)查對分類結(jié)果進行修正，制作后太湖流域土地利用類型圖(圖1)。區(qū)域內(nèi)各類土地利用面積通過ArcGIS 10.0 analysis tools模塊完成。

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

表1 環(huán)太湖河流周邊主要土地利用類型Tab.1 The main land use types of Taihu lake Watershed

2.2 輸出系數(shù)模型及輸出系數(shù)選取

2.2.1 輸出系數(shù)模型 1996年Johns等對輸出系數(shù)模型進行了完善和改進，在模型中考慮了人口密度以及畜禽所產(chǎn)生的污染［5－6］。Johns所改進后的輸出系數(shù)模型避開了污染產(chǎn)生的復雜過程，將整個污染物遷移轉(zhuǎn)化過程設定為黑箱，通過相關的矯正系數(shù)來測算污染物產(chǎn)生負荷。整個過程對數(shù)據(jù)量要求較低，測算后的結(jié)果也具有較高的精準度，因此，在數(shù)據(jù)相對缺乏的流域?qū)ξ廴疚镓摵蓽y算十分實用，被大量的相關研究者所采用［7－8］。Johns等建立的輸出系數(shù)模型方程為:

式中，Lj為污染物j在流域的總負荷量(kg/(km2·a));i為流域中的土地利用類型，共m種;Eij為污染物j在第i種土地利用類型中的輸出系數(shù)(kg/km2)或第i種畜禽每頭排泄系數(shù)(kg/a)或人口每人輸出系數(shù)(kg/a);Ai為流域中第i種土地利用類型的面積(km2)或第i種牲畜數(shù)量(頭)或人口數(shù)量(人)。

表2 歷年太湖流域輸出系數(shù)研究Tab.2 Researches of output coefficient in Taihu lake watershed

2.2.2 輸出系數(shù)選取 根據(jù)2011年江蘇省和浙江省相關地區(qū)統(tǒng)計年鑒，分別統(tǒng)計了太湖流域豬、牛、羊、家禽以及農(nóng)村和城鎮(zhèn)人口。輸出系數(shù)選取依照歷年研究相關結(jié)果。在太湖流域相關研究中，相關研究者也給出了不同土地利用下污染物輸出系數(shù)(表2)，但是由于其研究區(qū)域及尺度的差異，導致所選取的輸出系數(shù)都不能夠很好的代表全流域情況，因此，本文將近年來所涉及的相關研究，選取其均值，減少全流域計算時所帶來的誤差。具體取值見表2和表3。

表3 太湖流域畜禽及人類排污系數(shù)Tab.3 Livestock，poultry，human sewage discharge coefficient in Taihu lake watershed

3 結(jié)果與分析

3.1 流域土地利用現(xiàn)狀

見圖2太湖流域5分區(qū)土地格局比重圖，可知5分區(qū)內(nèi)耕地所占比重最大，但5分區(qū)土地利用方式有各自的特點。其中北部污染控制區(qū)各種土地利用格局所占比重依次為耕地＞建設用地＞水域＞林地＞未利用地;其中北部污染控制區(qū)各種土地利用格局所占比重依次為耕地＞建設用地＞水域＞林地＞未利用地;西部污染控制區(qū)各種土地利用格局所占比重依次為耕地＞水域＞建設用地＞林地＞未利用地;浙西污染控制區(qū)各種土地利用格局所占比重依次為林地＞耕地＞建設用地＞水域＞未利用地;東部污染控制區(qū)各種土地利用格局所占比重依次為水域＞建設用地＞耕地＞林地。

圖2 太湖流域五分區(qū)土地格局比重圖Fig.2 Land use patterns in Taihu lake watershed

3.2 太湖流域氮磷污染負荷

根據(jù)表4太湖流域5大分區(qū)總氮面源污染負荷量可知，太湖流域面源污染負荷為39.81萬t/年，其中面源污染負荷最大的為耕地，高達16.52萬t/年。其次為建設用地9.02萬t/年，以及水域產(chǎn)生的5.08萬t/年。北部污染控制區(qū)污染負荷量較高，總氮污染負荷為12.53萬t/年，依次為浙西污染控制區(qū)＞西部污染控制區(qū)＞南部污染控制區(qū)＞東部污染控制區(qū)。太湖流域現(xiàn)狀農(nóng)田肥料年平均用量為氮肥570～600 kg/hm2，磷肥79.5～99 kg/hm2，化肥平均利用率僅為30%～35%。過量的化肥投入提高了土壤的氮磷背景值，增加了氮磷向水體流失的風險和流失量［17］。蘇錫常地區(qū)自古以來是我國農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)地區(qū)之一，以精細耕作和集約化程度高而著稱，曾經(jīng)是我國重要的商品糧基地。區(qū)內(nèi)農(nóng)藥、化肥用量不僅在中國，在世界也是很高的，并且一直在呈上升趨勢，勢必對太湖水體造成一定的污染。

表4 太湖流域五大分區(qū)總氮面源污染負荷量Tab.4 Non-point source pollution of total nitrogen loading

根據(jù)表5太湖流域5大分區(qū)總磷面源污染負荷量可知，太湖流域面源污染總負荷為5.59萬t/年，其中面源污染總負荷最大的為建設用地和耕地，分別為2.01和2.00萬t/年?？偭孜廴矩摵蔀楸辈课廴究刂茀^(qū)＞浙西污染控制區(qū)＞西部污染控制區(qū)＞南部污染控制區(qū)＞東部污染控制區(qū)。

表5 太湖流域五大分區(qū)總磷面源污染負荷量Tab.5 Non-point source pollution of total phosphorus loading 萬 t/年

平原河網(wǎng)地區(qū)是河流高度發(fā)育并受到城市化深刻影響的區(qū)域，且大都為經(jīng)濟較為發(fā)達的地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)復種指數(shù)高，化肥投入量大，近郊村鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)展迅速，外來務工人員集聚，因此呈現(xiàn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展模式的相互交織，造就了其相比于其他地區(qū)更為復雜多變的面源污染特征，且縱橫密布的河流也使得水環(huán)境對面源污染的響應更為顯著和敏感。太湖流域面源污染負荷中總磷污染主要來自于建設用地。這與相關研究者在環(huán)湖河流水質(zhì)調(diào)查中總磷污染水平在北部污染區(qū)較高結(jié)論基本一致［18］。

4 結(jié)論

基于輸出系數(shù)模型結(jié)合太湖流域遙感衛(wèi)片解譯，初步計算出太湖流域總氮面源污染負荷為39.81萬t/年，總磷面源污染負荷為5.59萬t/年。其中耕地、建設用地及水面是全流域主要土地利用類型。在太湖流域面源污染負荷中，總氮污染主要來自于耕地產(chǎn)生，總磷污染主要來自于建設用地。此外，太湖流域5分區(qū)中總氮、總磷面源污染負荷依次為北部污染控制區(qū)＞浙西污染控制區(qū)＞西部污染控制區(qū)＞南部污染控制區(qū)＞東部污染控制區(qū)。

因此，加強農(nóng)業(yè)節(jié)水、減少農(nóng)田養(yǎng)分投入、進行地表徑流和滲漏養(yǎng)分的生態(tài)攔截等面源污染控制措施是減少太湖流域面源污染負荷優(yōu)先考慮的重要內(nèi)容。

［1］Young R A，Onstad C，Bosch D，et al.AGNPS:A nonpoint－source pollution model for evaluating agricultural watersheds［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1989，44(2):168－173.

［2］陸建忠，陳曉玲，肖靖靖，等.改進的輸出系數(shù)法在農(nóng)業(yè)污染源估算中的應用［J］.華中師范大學學報:自然科學版，2012，46(3):373－378.

［3］蔡明，李懷恩，莊詠濤，等.改進的輸出系數(shù)法在流域非點源污染負荷估算中的應用［J］.水利學報，2004，7(1):8.

［4］胡雪濤，陳吉寧，張?zhí)熘?，非點源污染模型研究［J］.環(huán)境科學，2002，23(3):124－128.

［5］薛利紅，楊林章.面源污染物輸出系數(shù)模型的研究進展［J］.生態(tài)學雜志，2009，28(4):755－761.

［6］應蘭蘭，侯西勇，路曉，等.我國非點源污染研究中輸出系數(shù)問題［J］.水資源與水工程學報，2009，21(6):90－95.

［7］Johnes P J，Evaluation and management of the impact of land use change on the nitrogen and phosphorus load delivered to surface waters:the export coefficient modelling approach［J］.Journal of Hydrology，1996，183(3):323－349.

［8］金蕾，華蕾，荊紅衛(wèi)，等.非點源污染負荷估算方法研究進展及對北京市的應用［J］.環(huán)境污染與防治，2010(4):72－77.

［9］李兆富，楊桂山，李恒鵬.基于改進輸出系數(shù)模型的流域營養(yǎng)鹽輸出估算［J］.環(huán)境科學，2009，30(3):668－672.

［10］李根，毛鋒.我國水土流失型非點源污染負荷及其經(jīng)濟損失評估［J］.中國水土保持，2008(2):9－11.

［11］段亮，常江，增強.地表管理與施肥方式對太湖流域旱地磷素流失的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2007，26(1):24－28.

［12］楊林章，利紅.面源污染物輸出系數(shù)模型的研究進展［J］.生態(tài)學雜志，2009(4):755－761.

［13］姚玉鑫，張英，周李，等.南太湖地區(qū)農(nóng)村小流域非點源污染調(diào)控研究［J］.資源科學，2011，33(2):230－235.

［14］邱涼，羅小勇，程紅光.長江流域大尺度空間非點源污染負荷研究［J］.人民長江，2011，42(18):81－84.

［15］趙廣舉，田鵬，穆興民，等.基于 PCRaster的流域非點源氮磷負荷估算［J］.水科學進展，2012，23(1):80－86.

［16］霍非，韓龍喜.基于柵格數(shù)據(jù)和輸出系數(shù)模型的面源污染負荷計算［C］.中國原水論壇專輯，2010:399－401.

［17］李兆富，楊桂山，李恒鵬.西營溪流域土地利用對氨素輸出影響研究［J］.環(huán)境科學，2006，27(3):499－502.

［18］劉瑞民.應用輸出系數(shù)模型估算長江上游非點源污染負荷［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2008，27(2):677－682.