基于STELLA和輸出系數(shù)法的流域非點(diǎn)源負(fù)荷預(yù)測(cè)及污染控制措施

程 靜,賈天下,歐陽(yáng)威

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)

基于STELLA和輸出系數(shù)法的流域非點(diǎn)源負(fù)荷預(yù)測(cè)及污染控制措施

程 靜,賈天下,歐陽(yáng)威

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)

以汾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,綜合考慮非點(diǎn)源污染與農(nóng)村生活、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用之間的因果關(guān)系,利用輸出系數(shù)法和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立流域非點(diǎn)源污染的STELLA模型,對(duì)汾河流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷進(jìn)行估算,并提出緩解方案。結(jié)果表明,2014年汾河流非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷為8.961×104t,農(nóng)村生活污染貢獻(xiàn)最大;當(dāng)前發(fā)展模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)TN負(fù)荷的有效控制,至2030年將增長(zhǎng)6.83%;強(qiáng)化農(nóng)村水廢處理和改善土地利用方式對(duì)TN負(fù)荷有明顯的削減效果,且綜合型發(fā)展方案比單一傾向性措施更具現(xiàn)實(shí)意義。

非點(diǎn)源污染;STELLA模型;輸出系數(shù)法;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論;TN負(fù)荷;汾河流域

近年來(lái)汾河流域點(diǎn)源污染狀況明顯改善[1-2],但不合理的土地利用[3]及粗放型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[4]導(dǎo)致非點(diǎn)源污染日益加劇,以TN的過(guò)量排放為重要特征之一。相較于點(diǎn)源污染,非點(diǎn)源污染具有顯著的分散性、潛伏性、隱蔽性、隨機(jī)性等特征,防治困難[5-6],且無(wú)法改變影響非點(diǎn)源污染的氣候、地形、土壤結(jié)構(gòu)等自然因素[7]。因此,從可控人類活動(dòng)的角度科學(xué)估算、合理預(yù)測(cè)區(qū)域非點(diǎn)源污染負(fù)荷,并針對(duì)性地提出緩解方案,對(duì)有效防控區(qū)域非點(diǎn)源污染具有重要意義。

運(yùn)用模型進(jìn)行時(shí)空模擬是非點(diǎn)源污染量化研究的重要手段[8]?，F(xiàn)有的SWAT、HSP、GBNP等分布式模型對(duì)資料要求高,參數(shù)眾多且率定困難,難以用于汾河流域等大尺度區(qū)域的污染負(fù)荷估算[9-10]。Johnes等[11]提出的輸出系數(shù)法在綜合考慮污染物侵蝕、遷移、轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上,利用土地利用狀況等資料即可估算流域污染物輸出量。該方法對(duì)缺乏長(zhǎng)期水量、水質(zhì)數(shù)據(jù)的汾河流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算有顯著優(yōu)勢(shì)[12-13]。

非點(diǎn)源污染是一個(gè)多變量巨系統(tǒng),既受區(qū)域自然地理?xiàng)l件影響,更與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高度相關(guān)[14],各變量間相互影響,關(guān)系復(fù)雜。單純的輸出系數(shù)法缺乏對(duì)人類活動(dòng)影響、各影響因子間的反饋及污染物動(dòng)態(tài)時(shí)變特征的考慮,而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法以反饋控制理論為基礎(chǔ)[15],從系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性角度建立模型,以因果邏輯關(guān)系連接變量[16],善于模擬分析非線性、多變量、多重反饋和復(fù)雜時(shí)變等問(wèn)題[17],可有效彌補(bǔ)輸出系數(shù)法的不足。

筆者以汾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,以輸出系數(shù)法為基礎(chǔ),綜合考慮非點(diǎn)源污染與農(nóng)村生活、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用之間的因果關(guān)系,利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立流域非點(diǎn)源污染的STELLA模型,對(duì)汾河流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷進(jìn)行估算,分析可控人類活動(dòng)影響下流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷的變化趨勢(shì),并結(jié)合模型的敏感度分析結(jié)果,設(shè)計(jì)、模擬減緩流域非點(diǎn)源污染的應(yīng)對(duì)方案,以期為汾河流域非點(diǎn)源污染的防治和進(jìn)一步研究提供參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河是黃河第二大支流、山西省內(nèi)最大河流,流經(jīng)忻州、太原、晉中、呂梁、臨汾、運(yùn)城6市。汾河流域地處山西省的中部和西南部,東西寬188 km,南北長(zhǎng)412 km,總面積占全省的25.3%,在山西省的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中占有重要地位。汾河流域水系圖和行政區(qū)劃圖分別見(jiàn)圖1~2。

汾河流域地處中緯度大陸性季風(fēng)帶,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,光熱資源豐富,農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)發(fā)展較早,農(nóng)村生活污水及禽畜糞便排放量大,加之長(zhǎng)期不合理的土地利用,導(dǎo)致汾河流域的水土流失和非點(diǎn)源污染問(wèn)題嚴(yán)重。

1.2 輸出系數(shù)法

輸出系數(shù)法將非點(diǎn)源污染源分為城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村生活、農(nóng)田、人口、牲畜等幾大類,根據(jù)土地利用類型的差異、居民非點(diǎn)源污染物的排放和處理狀況、牲畜的數(shù)量和分布,對(duì)不同的土地利用和不同牲畜采用不同的輸出系數(shù)[11,18]。該方法流域的總負(fù)荷量計(jì)算公式為

式中:Lj為污染物j在該流域的總負(fù)荷量;m為流域中土地利用類型的種類或牲畜、人口數(shù)量;Eij為污染物j在流域第i種土地利用類型中的輸出系數(shù)或牲畜、人口的輸出系數(shù);Ai為第i種土地利用類型的面積或牲畜、人口數(shù)量;P為由降雨輸入的營(yíng)養(yǎng)物數(shù)量。

圖1 汾河流域水系

圖2 流域行政區(qū)劃

合理確定輸出系數(shù)的取值是準(zhǔn)確估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷的關(guān)鍵。參照國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果[19-22],筆者確定汾河流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷的輸出系數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 非點(diǎn)源污染系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.3.1 模型結(jié)構(gòu)分析

構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的關(guān)鍵在于分析系統(tǒng)內(nèi)部各要素的因果關(guān)系和反饋回路[23]?；诜诤恿饔蚍屈c(diǎn)源污染與當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)、人口的關(guān)系,從人為可控的影響因素出發(fā),將非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷來(lái)源分為土地利用、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村居民生活3部分,建立模型的因果關(guān)系回路圖見(jiàn)圖3。

表1 汾河流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷輸出系數(shù)

圖3 汾河流域TN負(fù)荷系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型因果關(guān)系

1.3.2 模型建立及參數(shù)率定

模型的空間界限為汾河流域的自然地理邊界,時(shí)間界限為2001—2030年,時(shí)間步長(zhǎng)為1 a。以2000—2013年為驗(yàn)證期,驗(yàn)證期所涉參數(shù)根據(jù)歷年《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《山西省地級(jí)市統(tǒng)計(jì)公報(bào)》中的歷史數(shù)據(jù)由多元統(tǒng)計(jì)回歸法、線性插值、表函數(shù)等方法得到;以2014年為預(yù)測(cè)期基準(zhǔn)年,2015—2030年為預(yù)測(cè)期,預(yù)測(cè)期參數(shù)參考《山西省土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)》、《山西省十三五規(guī)劃綱要》得到。模型共涉及11個(gè)狀態(tài)變量,11個(gè)速率變量,46個(gè)相關(guān)參數(shù)和決策變量以及8個(gè)表函數(shù)。汾河流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷的土地利用、農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖3個(gè)子模塊分別如圖4~6所示。

在土地利用模塊(圖4)中,以TM(30 m分辨率)遙感影像為數(shù)據(jù)源,利用GIS和RS軟件得到研究區(qū)2000、2005、2010和2013年4期土地利用矢量數(shù)據(jù),并將土地利用劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種一級(jí)地類,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。利用線性插值方法和STELLA中的表函數(shù)功能表示驗(yàn)證期的土地利用數(shù)據(jù)。根據(jù)《山西省土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)》取預(yù)測(cè)期耕地、林地、草地、建設(shè)用地和未利用地的年際變化率分別為: -0.20%、0.88%、-0.29%、4.6%、-0.80%。

表2 汾河流域2000、2005、2010、2013年期土地利用面積數(shù)據(jù)103hm2

圖4 土地利用模塊

在農(nóng)村生活模塊(圖5)中,受城鎮(zhèn)化影響農(nóng)村人口年際變化較大,故用總?cè)丝诤统擎?zhèn)人口的差值表示。通過(guò)對(duì)總?cè)丝谂c城鎮(zhèn)人口歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,設(shè)定其年增長(zhǎng)率分別為0.84%、2%。

圖5 農(nóng)村生活模塊

在畜禽養(yǎng)殖模塊(圖6)中,將排放量分為大牲畜、羊、豬、家禽4部分。驗(yàn)證期各牲畜數(shù)量由表函數(shù)表示;結(jié)合歷史數(shù)據(jù)的變化規(guī)律與《山西省十三五規(guī)劃綱要》中的發(fā)展目標(biāo),設(shè)定預(yù)測(cè)期大牲畜、羊、豬、家禽數(shù)量的年際變化率分別為0.1%、1.2%、2%、1.5%。

1.3.3 模型檢驗(yàn)

依據(jù)2003—2013年《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》《山西省地級(jí)市統(tǒng)計(jì)公報(bào)》的數(shù)據(jù),選擇農(nóng)村人口、總?cè)丝?、大牲畜養(yǎng)殖量、耕地面積、建設(shè)用地面積5個(gè)關(guān)鍵變量進(jìn)行模型的有效性驗(yàn)證。表3為農(nóng)村人口、總?cè)丝?、大牲畜養(yǎng)殖量的數(shù)據(jù)對(duì)比,表4為耕地面積和建設(shè)用地面積的數(shù)據(jù)對(duì)比。由表3~4可知模擬值與歷史數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均在8%以內(nèi),系統(tǒng)擬合度較好,該模型對(duì)汾河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的模擬具有較高的可信度。

圖6 畜禽養(yǎng)殖模塊

表3 農(nóng)村人口、總?cè)丝凇⒋笊箴B(yǎng)殖量模擬值與歷史數(shù)據(jù)比較

表4 耕地面積、建設(shè)用地面積模擬值與歷史數(shù)據(jù)比較

由于不同參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響程度不同,因此以非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷為目標(biāo)變量,利用STELLA軟件中的敏感性分析功能進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析[24],確定預(yù)測(cè)期對(duì)汾河流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷影響較大的因子。綜合考慮政策控制和科學(xué)治理兩方面,本文選取了圖7所示的9個(gè)參變量進(jìn)行了敏感性測(cè)試。測(cè)試時(shí)分為3個(gè)等級(jí),以率定值為中值(A),上(5A)、下(1/5A)各浮動(dòng)500%,輸出結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可知,流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷對(duì)城鎮(zhèn)人口、總?cè)丝谂c建設(shè)用地面積的增長(zhǎng)率變化最為敏感,應(yīng)是相關(guān)部門制定控制政策與進(jìn)行污染治理時(shí)的主要切入點(diǎn);而對(duì)林地面積、大牲畜數(shù)量增長(zhǎng)率和畜禽養(yǎng)殖污染控制率的變化基本無(wú)響應(yīng),表明當(dāng)前狀況下在合理范圍內(nèi)增種林地或控制畜禽養(yǎng)殖的排污量對(duì)有效削減汾河流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷意義不大。

2 方案模擬與分析

2.1 當(dāng)前狀況模擬

根據(jù)表1的輸出系數(shù)值與流域統(tǒng)計(jì)資料,計(jì)算出2014年汾河流域的非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷量見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn),汾河流域2014年由非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的TN負(fù)荷量達(dá)到8.961×104t,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染和農(nóng)村生活污染對(duì)非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷的貢獻(xiàn)率較大,農(nóng)村生活污染為最大來(lái)源。

表5 _汾河流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷量104t

圖7 TN負(fù)荷載總量對(duì)各變量敏感性分析結(jié)果

在STELLA中對(duì)汾河流域2001—2030年的非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,圖8顯示了在當(dāng)前發(fā)展模式下,模擬期內(nèi)土地利用、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖的TN的排放量及變化趨勢(shì),圖9進(jìn)一步揭示了不同土地利用類型的TN排放情況。由圖8可見(jiàn),不合理的土地利用方式和農(nóng)村生活排放是汾河流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷的主要來(lái)源,且農(nóng)村生活TN排放量的增長(zhǎng)速度更快,是當(dāng)?shù)胤屈c(diǎn)源污染控制的關(guān)鍵。畜禽養(yǎng)殖的TN排放量相對(duì)較低,短期內(nèi)對(duì)流域的非點(diǎn)源控制效果無(wú)顯著影響,但其增長(zhǎng)速度快,在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)勢(shì)必產(chǎn)生較大影響,故在養(yǎng)殖量擴(kuò)大的同時(shí)需加強(qiáng)養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；ㄔO(shè)和禽畜糞便的集中處理,控制該源的TN產(chǎn)生量。

由圖9可知,由于化肥過(guò)量使用、污水灌溉、不合理的種植方式、落后的田間環(huán)境管理等原因,耕地與林地的TN排放量較高;但隨著耕地面積的不斷減少,其對(duì)流域TN負(fù)荷的貢獻(xiàn)率逐漸下降。隨著城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展,建設(shè)用地面積不斷擴(kuò)張,其TN排放量也急劇上升,逐步成為流域TN負(fù)荷的主要來(lái)源。因此采取有效措施降低建設(shè)區(qū)的TN排放具有重要意義。

圖8 模擬期汾河流域不同來(lái)源的TN排放情況

圖9 模擬期不同土地利用類型的TN排放情況

2.2 方案設(shè)計(jì)與模擬

基于敏感性分析與當(dāng)前狀況下的模擬結(jié)果,重點(diǎn)考慮改善土地利用方式和控制治理農(nóng)村生活污染2個(gè)方面,選取表6所示的10個(gè)決策變量設(shè)計(jì)4種非點(diǎn)源污染的防控方案并進(jìn)行對(duì)比分析,尋求符合未來(lái)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)下的減輕汾河流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷的最佳途徑。

表6 非點(diǎn)源污染防控方案的參數(shù)設(shè)置

方案1模擬了汾河流域在當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)下的非點(diǎn)源TN負(fù)荷變化情況。根據(jù)《山西省土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)》《山西省十三五規(guī)劃綱要》及相關(guān)文獻(xiàn),設(shè)定各決策變量的取值見(jiàn)表6。方案2以控制治理農(nóng)村生活污染為主,控制農(nóng)村人口并強(qiáng)化農(nóng)村的生活垃圾處理與排水系統(tǒng)改造;在土地利用和畜禽養(yǎng)殖方面僅做微小調(diào)整。方案3以改善土地利用方式為主,合理調(diào)整流域的土地利用結(jié)構(gòu),將坡度較大的耕地改為林地,并采取科學(xué)有效措施降低城鎮(zhèn)建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的非點(diǎn)源污染。方案4為綜合型發(fā)展方案,綜合考慮上述方案的優(yōu)缺點(diǎn),以維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展為核心目標(biāo)。方案2、3、4在當(dāng)前發(fā)展模式下的調(diào)整幅度見(jiàn)表6。

在STELLA中對(duì)4種發(fā)展方案分別進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果見(jiàn)圖10,可見(jiàn),在當(dāng)前發(fā)展模式下流域非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的TN負(fù)荷呈明顯上升趨勢(shì),至2030年時(shí)TN負(fù)荷較2010年增長(zhǎng)6.83%,達(dá)9.437× 104t,若不加強(qiáng)防控必會(huì)加劇當(dāng)?shù)氐乃w惡化和生態(tài)環(huán)境破壞。相較于方案1,另外3種防控方案的TN負(fù)荷均有所減少,表明強(qiáng)化農(nóng)村生活污水、垃圾的集中處理和改善土地利用方式是減輕汾河流域非點(diǎn)源TN負(fù)荷的有效途徑。4種方案中綜合型發(fā)展方案的TN削減效果最顯著,至2030年時(shí)TN負(fù)荷較2010年削減了4.35%,該方案下,2030年時(shí)的TN排放量比當(dāng)前發(fā)展模式減少了近9 800 t,比方案2和方案3分別減少1785 t和5724 t,表明在建設(shè)非點(diǎn)源污染防控項(xiàng)目與制定相關(guān)政策時(shí),綜合考慮土地利用與水廢治理比單一傾向的措施更具現(xiàn)實(shí)意義。

圖10 不同方案下非點(diǎn)源TN負(fù)荷的變化曲線

3 結(jié)論與建議

a.本文利用輸出系數(shù)法和STELLA模型對(duì)汾河流域非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化的模擬,結(jié)果表明,流域2014年由非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的TN負(fù)荷量達(dá)到8.961×104t,農(nóng)村生活污染為最大來(lái)源,占總量的40.2%;基于當(dāng)前的發(fā)展模式,在未來(lái)15年中流域的TN負(fù)荷將顯著上升,不合理的土地利用與農(nóng)村生活污染占有較大比重,畜禽養(yǎng)殖和城鎮(zhèn)化建設(shè)占比較小但增長(zhǎng)速度明顯。

b.STELLA模型的敏感性分析表明,汾河流域在當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r下,非點(diǎn)源TN負(fù)荷對(duì)城鎮(zhèn)人口、總?cè)丝谂c建設(shè)用地面積的增長(zhǎng)率變化最為敏感;而對(duì)林地面積、大牲畜數(shù)量增長(zhǎng)率和畜禽養(yǎng)殖污染控制率的變化基本無(wú)響應(yīng)。

c.不同非點(diǎn)源污染防控方案在STELLA中的仿真模擬結(jié)果表明,當(dāng)前模式會(huì)加劇流域的TN負(fù)荷,強(qiáng)化農(nóng)村生活污水、垃圾的集中處理和改善土地利用方式對(duì)TN有明顯的削減效果,而綜合型發(fā)展方案比單一傾向的措施更具現(xiàn)實(shí)意義。

d.汾河流域在今后發(fā)展中應(yīng)采取綜合性措施,發(fā)展水土保持農(nóng)業(yè)技術(shù),強(qiáng)化農(nóng)村生活固廢與污水管理,減輕農(nóng)村非點(diǎn)源污染,并通過(guò)合理規(guī)劃建設(shè)用地、推廣透水磚等方式減輕城鎮(zhèn)發(fā)展帶來(lái)的非點(diǎn)源污染。

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Prediction of non-point source load based on STELLA and export coefficient method and prevention measures

CHENG Jing,JIA Tianxia,OUYANG Wei
(State Key Laboratory of Water Environment Simulation,School of Environment, Beijing Normal University,Beijing 100875,China)

Based on comprehensive analysis of the complex causalities between non-point source pollution and rural livelihoods,social economy,and land use,a STELLA model was built with the export coefficient method and system dynamics theory to simulate and predict the total nitrogen(TN)load from non-point sources in the Fenhe River Basin. The results show that the TN load of the study area was 8.961×104t in 2014,which was mostly attributed to activities related to local rural livelihoods.The current development mode cannot effectively control the pollution and the TN load will increase by 6.83%by 2030.Reinforcing wastewater treatment and encouraging land use types less conducive to non-point source pollution will greatly reduce the TN load,and the comprehensive development solutions are more practical than the simple and biased measures.

non-point source pollution;STELLA model;export coefficient method;system dynamics;total nitrogen load;Fenhe River Basin

X52

A

1004-6933(2017)03- 0074- 08

2016 07-22 編輯:王 芳)

10.3880/ji.ssn.1004-6933.2017.03.014

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAD15B05)

程靜(1994—),女,本科生,水資源規(guī)劃與管理專業(yè)。E-mail:503450053@qq.com

歐陽(yáng)威,副教授。E-mail:wei@bnu.edu.cn