于橋水庫流域污染負(fù)荷估算和管理效果評估*

李澤利 周笑白 趙興華 梅鵬蔚# 張 震 王玉秋

(1.天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191；2.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071)

于橋水庫流域污染負(fù)荷估算和管理效果評估*

李澤利1周笑白1趙興華1梅鵬蔚1#張 震1王玉秋2

(1.天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191；2.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071)

于橋水庫流域非點(diǎn)源污染已成為政府高度關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。使用非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型PLOAD，以流域數(shù)字高程模型(DEM)、2010年土地利用現(xiàn)狀圖和不同土地利用的污染物輸出系數(shù)等作為模型主要輸入數(shù)據(jù)，結(jié)合流域現(xiàn)場調(diào)查監(jiān)測等方式，對于橋水庫流域的TN和TP污染負(fù)荷進(jìn)行估算，分析污染物的空間分布特征，模擬實(shí)施不同管理實(shí)踐下的流域TN和TP削減率。結(jié)果表明，于橋水庫流域內(nèi)TN和TP污染負(fù)荷分別約為223.4、19.5t/a，分布特點(diǎn)為“南部高于北部，河流和水庫沿岸污染較重”。綜合管理實(shí)踐對TN和TP的削減率分別為24.49%、27.23%，其中農(nóng)村人畜糞便管理、生態(tài)移民等的去除效果較顯著。

于橋水庫PLOAD非點(diǎn)源污染 管理實(shí)踐

Abstract: Non-point source pollution of Yuqiao Reservoir was of great concern to the government. The PLOAD model was employed to estimate the TN and TP loads generated from various land use in the watershed. The datasets included digital elevation model (DEM)，land use data of 2010 and pollutant export coefficient data，which were collected from the literature and field investigation. Several single management practices as well as the combined practice were designed，and their pollution load removal rates were estimated by the model. The results showed that the TN and TP pollution loads of Yuqiao Reservoir watershed were 223.4 and 19.5 t/a，respectively. The pollution load was higher in the southern areas than in the northern areas，and the higher load was distributed around the rivers or the reservoir. The removal rates of the TN and TP pollution loads of the combined management practices reached 24.49% and 27.23%，respectively. Among the single practices，the human and animal manure management in rural areas practice，ecological migrants practice and so on were efficiency.

Keywords: Yuqiao Reservoir; PLOAD; non-point source pollution; management practices

于橋水庫作為“引灤入津輸水工程”的調(diào)蓄水庫，自1983年通水至今，已累計(jì)向天津市安全供水271.1億m3，不僅保證了城市人民的飲水安全，也極大改善了天津市的投資環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，為天津市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。然而，隨著流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，于橋水庫水質(zhì)不容樂觀，富營養(yǎng)化趨勢明顯[1]。2015年4月，國務(wù)院印發(fā)了《水污染防治行動計(jì)劃》(通稱“水十條”)，明確提出“強(qiáng)化飲用水水源環(huán)境保護(hù)”、“確保引灤入津等調(diào)水工程水質(zhì)安全”。因此，開展于橋水庫流域污染源分析與水環(huán)境管理研究，對于完成“水十條”考核任務(wù)，維持天津市的社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

利用模型進(jìn)行流域非點(diǎn)源管理已成為國內(nèi)外通用且有效的手段。近年來，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及“3S”技術(shù)與非點(diǎn)源污染模型結(jié)合，涌現(xiàn)了一大批具備空間數(shù)據(jù)處理、可視化模擬等強(qiáng)大功能的新的非點(diǎn)源污染模型，使其在非點(diǎn)源污染的時空分布、關(guān)鍵源區(qū)識別以及最佳管理實(shí)踐(BMPs)方案制定等方面有廣泛的應(yīng)用[2]，如水土評估模型SWAT[3]、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源模型AnnAGNPS[4]、流域水環(huán)境模擬工具BASIN等[5]。復(fù)雜模型對環(huán)境問題的描述較精確，但需要收集大量的觀測數(shù)據(jù)和具有空間屬性的圖件作為輸入數(shù)據(jù)，模擬過程也涉及大量的復(fù)雜參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中要受到了諸多因素的限制。本研究采用受美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)支持、集成在BASIN系統(tǒng)里的非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型PLOAD[6]1-44，該模型能在年尺度上估算非點(diǎn)源污染的負(fù)荷，特別是能預(yù)測和評估實(shí)施管理實(shí)踐后的效果。相對于復(fù)雜模型而言，它需要的數(shù)據(jù)量較少，能在數(shù)據(jù)缺乏的地區(qū)應(yīng)用；模擬結(jié)果顯示形象直觀，對研究人員的數(shù)理知識要求不高，較易推廣應(yīng)用。

PLOAD模型在國外許多流域被應(yīng)用于估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷[7-10]。國內(nèi)也有學(xué)者運(yùn)用PLOAD模型在一些流域做了案例研究。崔廣柏等[11]運(yùn)用PLOAD模型識別出了太湖錫山流域的關(guān)鍵污染源區(qū)，提出了BMPs方案；周慧平等[12]利用PLOAD模型模擬了浙江省剡江流域的BOD污染負(fù)荷；熊麗君等[13]重點(diǎn)探討了PLOAD模型中的徑流系數(shù)的確定方法；張淼淼[14]利用PLOAD模型估算了柳河流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷。本研究采用PLOAD模型對于橋水庫流域主要污染物TN、TP污染負(fù)荷進(jìn)行估算，并對已采取或擬采取的管理實(shí)踐的削減率進(jìn)行分析，以期為于橋水庫流域管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

于橋水庫流域(見圖1)跨津冀兩個省市，流域面積2 060 km2，其中河北省境內(nèi)占全流域面積的78%。流域?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)型氣候區(qū)，多年平均氣溫約為11.5 ℃，多年平均年降水量為750 mm，多年平均年蒸發(fā)量為1 000 mm。流域主要河流有淋河、沙河、黎河等，多為季節(jié)性河流，其中黎河為引灤調(diào)水輸水河道。流域地形地貌特征為北高南低，丘陵、山地、平原均有分布，海拔9～1 201 m。流域土地利用類型多樣，根據(jù)2010年土地利用現(xiàn)狀圖可知，流域耕地面積比例最大，為38.2%，其次依次為有林地、灌木林、建筑用地(見表1)。2010年流域內(nèi)總?cè)丝诩s194萬人。

圖1 研究區(qū)地理位置和水系圖Fig.1 Location and river network of study area

表1 2010年研究區(qū)土地利用類型及面積比例

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 模型原理

2.1.1 PLOAD模型污染負(fù)荷估算

PLOAD模型在年尺度上估算流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷，其估算方法如下：

LP=∑(0.01×P×PJ×Ri×Ci×Ai)

(1)

Ri=0.050+0.009×Ii

(2)式中：LP為污染物負(fù)荷，kg/a；P為降雨量，mm/a；PJ為降雨產(chǎn)流率，默認(rèn)取0.9；Ri為第i種土地利用類型的地表徑流系數(shù)；Ci為第i種土地利用類型的污染物輸出質(zhì)量濃度，mg/L；Ai為第i種土地利用類型的面積，hm2；Ii為第i種土地利用類型的不透水率，%。

地表徑流系數(shù)是指降雨產(chǎn)生的徑流量與降雨量之比，與流域下墊面的不透水率相關(guān)[6]7-8。

2.1.2 PLOAD模型管理實(shí)踐效果評估

PLOAD模型評估或預(yù)測實(shí)施管理實(shí)踐后的污染負(fù)荷削減率原理如下：

αj=ASBMP,j/AB×100%

(3)

LBMP,j=(LP×αj)×(1-βj)

(4)

L=∑LBMP,j+LP×AB-∑ASBMP,j/AB

(5)

式中：αj為第j種管理實(shí)踐服務(wù)面積的比例，%；ASBMP,j為第j種管理實(shí)踐的服務(wù)面積，hm2；AB為流域的總面積，hm2；LBMP,j為某區(qū)域?qū)嵤┑趈種管理實(shí)踐后的污染負(fù)荷，kg/a；βj為第j種管理實(shí)踐污染負(fù)荷的削減率[6]8，%；L為實(shí)施管理實(shí)踐后流域最終的污染負(fù)荷，為有、無管理實(shí)踐區(qū)域產(chǎn)出量之和，kg/a。

注：1～44為子流域編號。圖2 于橋水庫子流域及土地利用現(xiàn)狀Fig.2 Sub-watersheds and land use type of Yuqiao Reservoir watershed

2.2 輸入數(shù)據(jù)

PLOAD模型的輸入數(shù)據(jù)包括地理信息系統(tǒng)(GIS)空間和屬性數(shù)據(jù)兩類。GIS空間數(shù)據(jù)主要包括流域邊界及子流域分區(qū)圖、土地利用現(xiàn)狀圖、管理實(shí)踐空間圖；屬性數(shù)據(jù)包括不同土地利用類型的污染物輸出濃度、不透水率、不同管理實(shí)踐類型的污染物削減率等。

2.2.1 子流域及土地利用圖

首先根據(jù)90 m×90 m數(shù)字高程模型(DEM)，使用水文分析工具Arc Hydro Tools生成河網(wǎng)和子流域，然后用ArcGIS軟件修正，其中將庫周合并為一個子流域，即33#子流域；將庫區(qū)水面作為另一個子流域，即44#子流域(見圖2)。采用該流域2010年的土地利用現(xiàn)狀圖，根據(jù)研究需要將土地利用類型分為草地、水域、耕地、建筑用地、有林地、灌木林和園地7大類。

2.2.2 不同土地利用類型污染物輸出濃度及不透水率

研究采用平均輸出濃度(EMC)輸入模型估算。2013年對于橋水庫流域內(nèi)5種土地利用類型(耕地、園地、有林地、灌木林和建筑用地)地表徑流中營養(yǎng)鹽的濃度進(jìn)行了測定，草地和水域參照其他學(xué)者在于橋水庫流域的研究結(jié)果[15-17]，最終確定了流域內(nèi)不同土地利用類型的污染物輸出濃度(見表2)，不透水率采用模型手冊的推薦值[6]7-8。

表2 不同土地利用類型的污染物輸出質(zhì)量濃度及不透水率

注：1)水域中污染物指的是大氣干濕沉降引入的污染物。

2.2.3 管理實(shí)踐及削減率

于橋水庫流域已經(jīng)或計(jì)劃實(shí)施的管理實(shí)踐主要包括：農(nóng)村人畜糞便管理、耕地施肥管理、庫周二級保護(hù)區(qū)內(nèi)的生態(tài)移民(已完成)、庫周工業(yè)點(diǎn)源治理(已完成)、河流入庫口濕地建設(shè)。各管理實(shí)踐及其削減率見表3。同時，使用ArcGIS軟件提取各管理實(shí)踐涉及區(qū)域的空間矢量圖，作為模型輸入數(shù)據(jù)。

表3 于橋水庫流域管理實(shí)踐及削減率

3 結(jié)果與討論

3.1 于橋水庫流域TN、TP污染負(fù)荷及空間分布

使用PLOAD模型對于橋水庫流域未實(shí)施管理實(shí)踐前的TN和TP污染負(fù)荷進(jìn)行了估算，可得流域內(nèi)TN、TP污染負(fù)荷分別約為223.4、19.5 t/a。TN、TP污染負(fù)荷及輸出系數(shù)的空間分布示意圖見圖3至圖6。

圖3 TN污染負(fù)荷空間分布Fig.3 TN pollution loads distribution

圖4 TN輸出系數(shù)空間分布Fig.4 TN export coefficient distribution

TN污染負(fù)荷的空間分布特征呈現(xiàn)南部高于北部的趨勢，河流和水庫沿岸污染較重。各子流域TN污染負(fù)荷為173～30 371 kg/a，污染最嚴(yán)重的是33#子流域，污染負(fù)荷占全流域的13.4%。TN輸出系數(shù)為0.34～3.25 kg/(hm2·a)，污染高風(fēng)險區(qū)主要集中在地勢平緩的水體附近，即7#、14#、15#和32#所在的沙河流域，17#、19#和39#所在的黎河流域以及40#所在的果河流域。從行政區(qū)劃上看，這些子流域覆蓋鄉(xiāng)鎮(zhèn)有：河北省遵化市遵化鎮(zhèn)、蘇家洼鎮(zhèn)、西三里鄉(xiāng)、崔家莊鄉(xiāng)、西留村鄉(xiāng)、團(tuán)瓢莊鄉(xiāng)、東新莊鎮(zhèn)、平安城鎮(zhèn)；天津市薊縣穿芳峪鄉(xiāng)、馬伸橋鎮(zhèn)、五百戶鎮(zhèn)、出頭嶺鎮(zhèn)、西龍虎峪鎮(zhèn)。從土地利用類型空間分布上看，這些子流域以耕地、建筑用地為主。同時，這些子流域人口密度較高，人為活動的干擾較嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染已成為主要污染源；同時，由于距離沙河、黎河河道和水庫較近，污染物很容易在降水期通過地表徑流、土壤侵蝕流失等方式進(jìn)入河道，進(jìn)而對于橋水庫的水質(zhì)帶來影響。

圖5 TP污染負(fù)荷空間分布Fig.5 TP pollution loads distribution

圖6 TP輸出系數(shù)空間分布Fig.6 TP export coefficient distribution

TP污染負(fù)荷的空間分布特征和TN極相似。各子流域TP污染負(fù)荷為0～2 958 kg/a，污染最嚴(yán)重的是33#子流域，污染負(fù)荷占全流域的13.8%。TP輸出系數(shù)為0～0.367 kg/(hm2·a)，污染較低的子流域分布在河流的上游，其中大部分位于河北省興隆縣掛蘭峪鎮(zhèn)、八卦嶺鄉(xiāng)、孤山子鎮(zhèn)。這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)特點(diǎn)是以山地為主，土地利用類型主要是有林地和草地，耕地很少，人類活動和畜禽養(yǎng)殖數(shù)量相對較少，因此污染負(fù)荷相對較低。

3.2 管理實(shí)踐對TN和TP的削減

通過運(yùn)行PLOAD模型，分別輸入不同的管理實(shí)踐的相應(yīng)參數(shù)，最后再輸入綜合管理實(shí)踐的相應(yīng)參數(shù)，計(jì)算得到各管理實(shí)踐及綜合管理實(shí)踐對TN、TP的削減率(見表4)。

表4 不同管理實(shí)踐的削減率比較

從模擬結(jié)果來看，農(nóng)村人畜糞便管理是最有效的管理實(shí)踐，TN和TP削減率分別為13.97%、16.51%；其次是生態(tài)移民，TN和TP削減率分別為6.09%、7.18%；點(diǎn)源治理和河流入庫口濕地建設(shè)管理實(shí)踐去除效果不明顯。流域綜合管理實(shí)踐對TN和TP的削減率分別為24.49%、27.23%。

農(nóng)村人畜糞便管理是指對農(nóng)村生活污水和畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染物進(jìn)行削減管理。根據(jù)前期對于橋水庫流域的調(diào)查可知，流域農(nóng)業(yè)人口為155萬人，其中庫周鄉(xiāng)鎮(zhèn)約有16萬人，絕大部分農(nóng)村生活污水沒有經(jīng)過任何處理就隨意排放。農(nóng)村分散式畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生大量的動物糞便，未經(jīng)處理而隨意堆放會污染土壤并最終污染水源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅于橋水庫周邊臨近的68個自然村，飼養(yǎng)牛3.35萬頭，豬27.96萬頭，羊5.96萬只，雞鴨171.7萬只。因此，未來加強(qiáng)農(nóng)村人畜糞便管理，將會對流域水質(zhì)的改善發(fā)揮較大的作用。

生態(tài)移民指的是對于橋水庫二級保護(hù)區(qū)內(nèi)(22 m高程以下)的居民村落進(jìn)行搬遷移民。該項(xiàng)措施目前已完成，將搬遷后的土地恢復(fù)為有林地和草地。經(jīng)模型計(jì)算，僅該項(xiàng)管理實(shí)踐就可分別削減33#子流域TN、TP污染負(fù)荷的30%左右，去除效果明顯。

雖然耕地施肥管理對TN和TP的削減率不高，但是由于流域內(nèi)耕地面積較大，其削減的絕對量不容小覷。對于點(diǎn)源治理，由于河北省的污染源調(diào)查存在一定的困難，本研究中點(diǎn)源僅輸入了于橋水庫二級保護(hù)區(qū)內(nèi)的28家點(diǎn)源污染負(fù)荷，因此其TN和TP削減率明顯偏低，均為0.31%。

4 結(jié) 語

(1) 于橋水庫流域內(nèi)TN污染負(fù)荷約223.4 t/a，TN輸出系數(shù)為0.34～3.25 kg/(hm2·a)；TP污染負(fù)荷約為19.5 t/a，TP輸出系數(shù)為0～0.367 kg/(hm2·a)。綜合管理實(shí)踐對TN和TP的削減率分別為24.49%和27.23%，其中農(nóng)村人畜糞便管理、生態(tài)移民等實(shí)踐對去除效果較顯著。

(2) 于橋水庫流域的污染主要來自農(nóng)業(yè)和農(nóng)村面源污染。PLOAD模型可準(zhǔn)確定位污染物產(chǎn)出位置，模擬了實(shí)施管理實(shí)踐后的子流域TN、TP的削減率，可為流域生態(tài)補(bǔ)償管理提供科學(xué)依據(jù)。模型自身解決了非點(diǎn)源空間分布不均的問題，并且模型輸入數(shù)據(jù)簡單，模型計(jì)算效率較高，不需要大量人力、物力便可實(shí)現(xiàn)流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷的計(jì)算和BMPs的制定。

(3) PLOAD模型運(yùn)行的輸入數(shù)據(jù)中，對于橋水庫流域河北省范圍內(nèi)的調(diào)研資料有限，且尚未考慮調(diào)水對于橋水庫水質(zhì)的影響，因此在未來的研究中需要進(jìn)一步調(diào)查和完善模型的精確度和準(zhǔn)確度。

[1] 武丹，王海英，張震.天津于橋水庫夏季浮游生物調(diào)查及群落結(jié)構(gòu)變化[J].湖泊科學(xué)，2013，25(5)：735-742.

[2] GASSMAN P W，REYES M R，GREEN C H，et al.The soil and water assessment tool：historical development，applications，and future research directions[R].Ames：Center for Agricultural and Rural Development Iowa State University，2007.

[3] 李丹，薛聯(lián)青，郝振純.基于SWAT模型的流域面源污染模擬影響分析[J].環(huán)境污染與防治，2008，30(3)：4-7.

[4] BINGNER R，THEURER F，YUAN Yongping.AnnAGNPS technical processes：documentation[R].Oxford：USDA-ARS National Sedimentation Laboratory，2001.

[5] SALEH A，DU Bing.Evaluation of SWAT and HSPF within BASINS program for the upper North Bosque River watershed in central texas[J].Transactions of the ASAE，2004，47(4)：1039-1049.

[6] USEPA. PLOAD 3.0 user’s manual[Z].Washington，D.C.：USEPA，2001.

[7] ENDRENY T A，SOMERLOT C，HASSETT J M.Hydrograph sensitivity to estimates of map impervious cover：a WinHSPF BASINS case study[J].Hydrological Processes，2003，17(5)：1019-1034.

[8] BORAH D K，YAGOW G，SALEH A，et al.Sediment and nutrient modeling for TMDL development and implementation[J].Transactions of the ASABE，2006，49(4)：967-986.

[9] BADAR B，ROMSHOO S A.Modeling the non-point source pollution load in an urban watershed using remote sensing and GIS：a case study of Dal Lake[J].Journal of Himalayan Ecology and Sustainable Development，2007，2(1)：21-30.

[10] LEE K S，CHUNG E S，KIM Y O.Integrated watershed management for mitigating streamflow depletion in an urbanized watershed in Korea[J].Physics & Chemistry of the Earth，2008，33(5)：382-394.

[11] 崔廣柏，扎黑爾，羅建.利用GIS定量評價太湖流域的非點(diǎn)源污染[J].湖泊科學(xué)，2003，15(3)：236-244.

[12] 周慧平，許有鵬，葛小平.GIS支持下非點(diǎn)源污染模型應(yīng)用分析[J].水土保持通報，2003，23(3)：60-63.

[13] 熊麗君，劉凌，徐祖信，等.張家港西南片地區(qū)非點(diǎn)源的計(jì)算研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2007，30(8)：3-5，23.

[14] 張淼淼.柳河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算及對水環(huán)境質(zhì)量的影響[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[15] 陸海明，尹澄清，王夏暉，等.于橋水庫周邊農(nóng)業(yè)小流域地表徑流和亞表層流的磷素流失濃度特征[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，27(10)：1702-1708.

[16] 陸海明，尹澄清，王夏暉，等.于橋水庫周邊農(nóng)業(yè)小流域氮素流失濃度特征[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2008，28(2)：349-355.

[17] 趙東美.于橋水庫庫區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染及其控制對策研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

EstimatingpollutionloadandevaluatingmanagementpracticesforYuqiaoReservoirwatershed

LIZeli1，ZHOUXiaobai1，ZHAOXinghua1，MEIPengyu1，ZHANGZhen1，WANGYuqiu2.

(1.EnvironmentMonitoringCenterofTianjin，Tianjin300191；2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，NankaiUniversity，Tianjin300071)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.012

2016-02-03)

李澤利，男，1984年生，博士，工程師，主要從事水污染防治工作。#

。

*國家重大科技專項(xiàng)(No.2013ZX07603-003-006)。