基于GIS技術(shù)的方便水庫面源污染控制方案研究

朱 亮，劉 暢，陳 琳，金夢婷，邱云鵬

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

湖庫型水源地是我國飲用水源的重要類型之一，在我國各類型地表水源地中，湖庫型水源地的比例達(dá)40%左右[1-2]。《2007年中國水資源公報》調(diào)查表明，我國湖庫型水源地水質(zhì)不達(dá)標(biāo)情況比較嚴(yán)重，且存在各種程度的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。湖庫型水源地由于其自身特點，水體流速緩慢，導(dǎo)致其污染物降解速率較慢，容易形成污染物的累積，故其存在較高的水源地安全風(fēng)險。

面源污染是我國湖庫型水源地污染最重要的原因。面源污染傳統(tǒng)的調(diào)查主要采用野外采樣、區(qū)域入戶調(diào)查、水質(zhì)監(jiān)測分析、查閱統(tǒng)計資料等手段和方法[3-4]。污染源調(diào)查統(tǒng)計所需的地方統(tǒng)計數(shù)據(jù)往往不便獲取，且缺乏流域范圍、人口數(shù)量、徑流量、土地利用類型等基礎(chǔ)資料；而且獲得資料的時效性和可信度也較差。在湖庫型水源地污染評價中，尤其是面源污染評價中，應(yīng)用GIS技術(shù)可以有效地獲取模型計算參數(shù)，提高數(shù)據(jù)的輸入效率及準(zhǔn)確可信度，同時，結(jié)合RS技術(shù)可根據(jù)土地類型和利用狀況等時空因素的變化進行模擬[5]。GIS特有的空間分析工具及可視化特性增加了數(shù)據(jù)的直觀性，可以把掩蓋在大量數(shù)據(jù)中的空間特征和內(nèi)在規(guī)律表現(xiàn)出來，有助于識別污染的主要來源和遷移途徑，預(yù)報污染的負(fù)荷、變化趨勢及其對水體的影響，有針對性地制定出減少污染負(fù)荷的措施方案，為水源地保護提供決策依據(jù)。

表1 方便水庫保護區(qū)面源污染排放量及貢獻(xiàn)率統(tǒng)計

近年來，GIS技術(shù)應(yīng)用于面源污染研究已成為一大趨勢。從20世紀(jì)80年代中期開始，美、日等發(fā)達(dá)國家在面源污染研究領(lǐng)域相繼引入了信息技術(shù)和專家系統(tǒng)[6-9]。Behrendt等[10]利用GIS空間建模功能建立模型，在對易遭受磷元素污染的地區(qū)進行監(jiān)測和調(diào)查的基礎(chǔ)上，研究不同類型土壤對磷的吸收能力。也有學(xué)者在密歇根州農(nóng)業(yè)流域的土壤侵蝕與N、P流失情況的研究[11-12]中引入了GIS技術(shù)，并由此提出了農(nóng)業(yè)的最佳管理措施。目前，我國對GIS技術(shù)在非點源污染分析中的應(yīng)用也越來越廣泛。賈海峰等[12-13]在研究密云水庫石匣小流域非點源污染的過程中，運用GIS技術(shù)對土地利用數(shù)據(jù)和實驗監(jiān)測結(jié)果進行分析，確定流域內(nèi)非點源污染的分布規(guī)律和重點控制區(qū)；在太湖流域非點源污染研究中，鄭強[14]運用GIS的空間分析功能，對污染物入河量的時空分布規(guī)律進行分析，發(fā)現(xiàn)其污染物入河量的時間高峰期為汛期，空間高峰區(qū)域主要集中在環(huán)太湖地區(qū)。

目前，GIS技術(shù)主要應(yīng)用于非點源污染的分析過程， 而基于GIS技術(shù)的面源污染控制方案的研究仍然比較缺乏。筆者以南京市溧水區(qū)的方便水庫為例，研究了GIS技術(shù)在水庫面源污染解析及控制過程中的實際應(yīng)用，可為水源地保護方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究范圍為整個方便水庫匯水區(qū)域，總面積為77.1 km2，具體由方便水庫小流域組成，其中主要入庫河流為青龍橋河、四古凹河、西南村河、西村河、楊家壩河、謝家棚河、王家山河、后呂河等8條河流。

方便水庫主要面源污染包括農(nóng)村生活污水、農(nóng)田徑流、農(nóng)村固廢、水土流失以及分散式禽畜養(yǎng)殖等。方便水庫保護區(qū)面源污染排放量及貢獻(xiàn)率統(tǒng)計見表1。

方便水庫匯水區(qū)域內(nèi)各類面源污染中，第一大污染源來自于農(nóng)田徑流污染，其COD、TN、TP、NH3-N排放量對匯水區(qū)總量的貢獻(xiàn)率分別為75.87%、79.08%、84.61%、78.48%。其次為農(nóng)村生活污水，其COD、TN、TP和NH3-N的貢獻(xiàn)率分別為9.24%、7.10%、4.19%和8.89%。

2 研究方法

2.1 飲用水源地污染控制措施評價決策指標(biāo)選取

評價指標(biāo)體系是水源地污染控制技術(shù)優(yōu)選中十分重要的部分，該體系的建立應(yīng)遵循科學(xué)、全面、適用和可操作性等原則。在設(shè)計評價指標(biāo)時，要兼顧污染物削減等環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟成本指標(biāo)。本研究從方便水庫污染源時空分布特征等方面考慮，從環(huán)境和經(jīng)濟效益兩個方面對評價指標(biāo)進行選擇。選取TN、TP、NH3-N和COD削減率4個指標(biāo)作為環(huán)境效益指標(biāo)，選取建設(shè)成本、運行成本等技術(shù)投資作為經(jīng)濟成本指標(biāo)。

2.2 飲用水源地保護方案評價決策模型選取

運用層次(AHP)-灰色度關(guān)聯(lián)法(GRAP)對飲用水源地污染控制措施進行優(yōu)選。由AHP法構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)分析結(jié)果，構(gòu)造判斷矩陣，計算出準(zhǔn)則層、子準(zhǔn)則層和方案層中各評價指標(biāo)的相對權(quán)重。然后，利用GRAP法計算關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度系數(shù)最大的措施即為最優(yōu)措施AHP-GRAP法既對復(fù)雜系統(tǒng)的各層次子系統(tǒng)進行評價，又在子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行綜合評價，較好地克服了以往只進行定性分析和對評價因素主次不分的不足。

3 結(jié)果與討論

3.1 基于GIS技術(shù)的污染控制方案的布局

3.1.1 子流域劃分結(jié)果

水庫流域范圍內(nèi)各入庫河流子流域的劃分完成后，利用GIS軟件，計算出各入庫河流的匯水面積。各入庫河流的匯水面積及來水量占入庫水量比例計算結(jié)果見表2(水庫周邊塘壩忽略不計)，方便水庫匯水區(qū)河網(wǎng)分布見圖1。

表2 各入庫河流的匯水面積及來水量占入庫水量比例

由表2可見，青龍橋河是匯入方便水庫的主要河流。該河流自溧水區(qū)共和山區(qū)匯流至方便水庫，來水量占總?cè)霂焖康?0%以上。除青龍橋河外，謝家棚河及西南村河相較于其他河流來水量較大，分別占總來水量的17.91%和10.16%。

圖1 方便水庫匯水區(qū)河網(wǎng)分布

3.1.2 土地利用方式調(diào)查結(jié)果

方便水庫水源地保護區(qū)總面積約77.13 km2，其中水域面積10.25 km2。除水域外共有土地面積66.88 km2，方便水庫匯水區(qū)域內(nèi)土地利用狀況見表3。

表3 方便水庫匯水區(qū)域內(nèi)土地利用狀況

由表3可見，方便水庫水源地一級保護區(qū)內(nèi)大部分為耕地，比例高達(dá)72.41%，其次為林地和城鄉(xiāng)、工礦和居民用地，所占比例均為11.75%。二級保護區(qū)內(nèi)所占比例最高的仍為耕地，其次為林地，所占比例分別為54.17%和32.80%。從綜合整個匯水區(qū)域來看，耕地占總面積的55.77%，水源保護區(qū)內(nèi)耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地比例過高，而林地和草地所占比例偏低。結(jié)合水庫匯水區(qū)域內(nèi)各類型土地利用方式所占比例可知，水源保護區(qū)內(nèi)耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地比例較高，與污染源調(diào)查結(jié)果中顯示的農(nóng)田徑流污染和農(nóng)村生活污水污染比重所占比例較大的結(jié)果相一致。

3.1.3 基于GIS模擬的污染排放量分布結(jié)果

在子流域劃分、土地利用方式調(diào)查和點面源污染調(diào)查的基礎(chǔ)上，運用GIS對流域內(nèi)污染排放量分布情況進行模擬，根據(jù)不同土地利用類型污染排放系數(shù)，得到方便水庫保護區(qū)污染物年排放量分布(圖2)。

(a) COD (b) TN

(c) TP (d) NH3-N

由圖2可見，COD、TN、TP和NH3-N污染排放量分布情況基本一致。不同的入庫河流小流域其污染物排放量有明顯差異。圖2(a)～(d)中紅色區(qū)域分別表示COD排放量為175.0～325.4 t/a、TN排放量為61.2～121.2 t/a、TP排放量為12.6～23.4 t/a和NH3-N排放量為35.4～65.8 t/a，均分布在青龍橋河流域和謝家棚河流域內(nèi)；其次為橙紅色區(qū)域，分別表示COD排放量為90.6～175.0 t/a、TN排放量為33.7～66.2 t/a、TP排放量為6.5～12.6 t/a和NH3-N排放量為183.0～34.5 t/a，主要分布在青龍橋河流域、西村河流域、西南村河流域以及四古凹河流域小部分區(qū)域內(nèi)。后呂河流域和王家山河流域內(nèi)多為深綠色和淺綠色色塊，可見這兩個流域污染負(fù)荷年排放量較小。

運用GIS的矢量剪切功能計算出各入庫河流匯水面積內(nèi)的污染排放量，方便水庫保護區(qū)入庫河流小流域污染排放量及貢獻(xiàn)率統(tǒng)計如表4所示。

表4 方便水庫保護區(qū)入庫河流小流域污染排放量及貢獻(xiàn)率統(tǒng)計

青龍橋河流域?qū)OD、TN、TP和NH3-N污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率均最大，分別達(dá)到了58.89%、57.70%、58.87%和58.41%；其次為謝家棚河流域，對各污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率分別為17.40%、 18.06%、17.52%和17.62%。

青龍橋河流域及謝家棚河流域污染負(fù)荷產(chǎn)生量較大的主要原因：一方面是二者的流域匯水面積較大，青龍橋河、謝家棚河流域匯水面積各占水庫總匯水面積的54.87%和17.91%；另一方面，處在這兩條河流匯水區(qū)域內(nèi)的農(nóng)田及人口也較多，且苗木種植也多在這兩個流域范圍內(nèi)，故農(nóng)田徑流污染及農(nóng)村生活、農(nóng)村固廢污染等面源污染的排放量均較大。

3.1.4 污染控制工程布局

根據(jù)GIS對方便水庫匯水區(qū)域土地坡度分析結(jié)果，保護區(qū)內(nèi)不存在25°以上坡耕地，結(jié)合HJ/T338—2007《飲用水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》《飲用水源保護區(qū)污染防治管理規(guī)定》(2010年12月22日修正版)的相關(guān)要求，對方便水庫保護區(qū)實施人口搬遷和退耕還林工程。方便水庫人口搬遷及退耕還林工程布局見圖3。

圖3 方便水庫人口搬遷及退耕還林工程布局

方便水庫人口搬遷及退耕還林工程量見表5。人口搬遷工程實施后，COD、TN、TP和NH3-N污染負(fù)荷分別可削減31.53 t/a、9.61 t/a、0.857 t/a和7.69 t/a；退耕還林工程實施后，COD、TN、TP和NH3-N污染負(fù)荷分別可削減660.15 t/a、245.95 t/a、47.38 t/a和133.58 t/a。合計削減：COD污染負(fù)荷691.68 t/a，TN污染負(fù)荷255.56 t/a，TP污染負(fù)荷48.24 t/a，NH3-N污染負(fù)荷141.27 t/a。

表5 方便水庫人口搬遷及退耕還林工程量

3.2 典型污染控制技術(shù)分析

根據(jù)方便水庫污染源以及污染排放量分布的分析可知，農(nóng)田徑流污染為面源污染中最主要的污染源，其次為農(nóng)村生活污水。由于農(nóng)田徑流污染和農(nóng)村生活污水污染負(fù)荷總和占總污染負(fù)荷的85%以上，故將其列為重點控制污染源。

3.2.1 農(nóng)田徑流污染控制技術(shù)優(yōu)選

根據(jù)相關(guān)技術(shù)指南和文獻(xiàn)資料[13-15]統(tǒng)計，優(yōu)選出適用于方便水庫的農(nóng)田徑流污染控制技術(shù)，各污染物削減率指標(biāo)和技術(shù)投資指標(biāo)如表6所示。

表6 農(nóng)田徑流各污染物削減率指標(biāo)和技術(shù)投資指標(biāo)

在最優(yōu)技術(shù)決策過程中，設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)B0，對COD、TN、TP和NH3-N的去除率均為100%，技術(shù)投資為10元/m2。經(jīng)AHP-GRAP法計算各指標(biāo)的權(quán)重及各污染控制技術(shù)相對標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)μ，結(jié)果如表7所示。

表7 農(nóng)田徑流各指標(biāo)權(quán)重及相對標(biāo)準(zhǔn)方案的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)

由表7可見，在以COD、TN和TP去除率為主，兼顧技術(shù)成本的情況下，生態(tài)溝渠-生態(tài)塘復(fù)合技術(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)最大，為0.674 5，其次為生態(tài)攔截緩沖帶，灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.576 5，生態(tài)田埂雖然技術(shù)投資少，但去除率相應(yīng)也低，故其灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)僅0.387 2，所以在方便水庫水源地農(nóng)田徑流污染控制中應(yīng)該以生態(tài)溝渠-生態(tài)塘復(fù)合技術(shù)和生態(tài)攔截緩沖帶技術(shù)為主，同時因地制宜地輔以人工濕地技術(shù)。

3.2.2 農(nóng)村生活污水控制技術(shù)優(yōu)選

根據(jù)相關(guān)技術(shù)指南和文獻(xiàn)資料統(tǒng)計，優(yōu)選出適用于方便水庫的農(nóng)村生活污水控制技術(shù)，各污染物削減率指標(biāo)和技術(shù)投資指標(biāo)[14-18]如表8所示。

表8 農(nóng)村生活污水各污染物削減率指標(biāo)和技術(shù)投資指標(biāo)

在最優(yōu)技術(shù)決策過程中，設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)C0，對COD、TN、TP和NH3-N的去除率均為100%，建設(shè)成本1 000元/m3，運行成本為0.2元/m3。經(jīng)AHP-GRAP法計算各指標(biāo)的權(quán)重及各污染控制技術(shù)相對標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)μ，結(jié)果如表9所示。

由表9可見，在農(nóng)村生活污水污染控制技術(shù)中生物接觸氧化-人工濕地處理技術(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)最大為0.712 6，可見在兼顧COD、TN、TP和NH3-N去除率以及技術(shù)成本的前提下，生物接觸氧化-人工濕地處理技術(shù)是適用于農(nóng)村生活污水控制的最優(yōu)技術(shù)。

表9 農(nóng)村生活污水各指標(biāo)權(quán)重及相對標(biāo)準(zhǔn)方案的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)

3.3 水源地污染物總量控制方案

3.3.1 水環(huán)境容量的計算

以方便水庫飲用水源地一級保護區(qū)Ⅱ類水質(zhì)要求為污染物總量控制目標(biāo)，根據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)水源地達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時，COD、TN、TP和NH3-N的臨界值分別為15 mg/L、0.5 mg/L、0.025 mg/L和0.5 mg/L。

a. COD和NH3-N水環(huán)境容量計算模型。根據(jù)GB 3839—83《制定地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則與方法》，湖泊水庫COD和NH3-N的水環(huán)境容量采用完全混合模型[19]，其計算公式為

W1=365[(ρs-ρ0)V0/T+KV0ρs+(ρs-ρ0)qout]

(1)

式中：W1為方便水庫COD或NH3-N的水環(huán)境容量， t/a；ρs為方便水庫水環(huán)境控制目標(biāo)質(zhì)量濃度，mg/L；ρ0為方便水庫水環(huán)境背景質(zhì)量濃度，mg/L；V0為方便水庫設(shè)計安全水量，m3；T為維持其設(shè)計水量的天數(shù)，可按30計；K為方便水庫水體污染物的綜合降解系數(shù)，a-1；qout為從方便水庫排泄出的水量，m3/d。

b. TN和TP的水環(huán)境容量計算模型。方便水庫TN和TP的水環(huán)境容量采用吉柯奈爾-迪龍模型[20]，其計算公式為

W2=ρsqHA/(1-R)

(2)

其中

q=Q1/V

R=0.426exp(-0.271qs)+0.571exp(-0.009 49)

qs=Q/A

Q=365qout

式中：W2為方便水庫TN、TP的水環(huán)境容量,t/a；Q1為方便水庫輸入水量，m3/a；q為水力沖刷速率,a-1；R為氮、磷滯留系數(shù)；Q為年出庫水量，m3/a；V為水庫庫容，m3；H為方便水庫的平均水深，m；A為方便水庫的湖水表面積，m2；qs為面積水負(fù)荷，m/s。

根據(jù)相關(guān)計算模型及方便水庫相關(guān)計算參數(shù)，方便水庫各污染指標(biāo)水環(huán)境容量、現(xiàn)狀負(fù)荷及削減率計算結(jié)果如表10所示。

表10 方便水庫各污染指標(biāo)水環(huán)境容量、現(xiàn)狀負(fù)荷及削減率

由表10可見，NH3-N的削減率較小，COD、TN和TP削減率較大。其中COD、TN和TP污染負(fù)荷分別超過其環(huán)境容量366.50 t/a、46.43 t/a和9.18 t/a，削減比例達(dá)到40.54%、52.70%和62.88%。根據(jù)各污染指標(biāo)的削減率和現(xiàn)狀排放量可計算出COD、TN、TP和NH3-N需削減的排放量分別為916.19 t/a、464.26 t/a、102.02 t/a和111.93 t/a。

由退耕還林和人口搬遷實施后污染負(fù)荷的削減量可知，NH3-N已達(dá)到削減要求，COD排放量還需削減224.51 t/a，TN排放量還需削減208.70 t/a，TP排放量還需削減53.79 t/a。保護區(qū)內(nèi)剩余農(nóng)田2 794.93 hm2，人口31 268人。污染治理的工程措施主要針對TN和TP的去除。

3.3.2 總量控制方案的生成和選擇

根據(jù)方便水庫水源地水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，制訂3套方案A、B和C ?；A(chǔ)方案A：水源地污染源控制保持基準(zhǔn)年水平，不采取新的措施。基本治理情景方案B：進行農(nóng)田徑流污染源的控制，先治理青龍橋河和謝家棚河等重點流域，然后對各其他入庫河流小流域進行控制，建立1個方案。污染控制情景方案C：在農(nóng)田徑流污染控制的基礎(chǔ)上，進行農(nóng)村生活污水的治理，建立C1～C4 4個方案。方便水庫面源污染控制方案見表11。

表11 方便水庫面源污染控制方案

對生成的6個備選方案，通過污染物削減量分析和經(jīng)濟比較，并考慮其他影響進行優(yōu)選。保護區(qū)內(nèi)農(nóng)田徑流污染控制采用生態(tài)攔截緩沖帶和生態(tài)溝渠-生態(tài)塘復(fù)合技術(shù)，同時輔以測土配方施肥等科學(xué)種植技術(shù)，對COD、TN、TP和NH3-N的去除率分別可達(dá)41%、56%、65%和50%，平均投資4 500元/hm2。農(nóng)村生活污水治理采用生物接觸氧化-人工濕地技術(shù)，對COD、TN、TP和NH3-N的去除率分別可達(dá)77%、85%、90%和89%，農(nóng)村生活污水集中處理廠建設(shè)投資50萬元/座，規(guī)模為50 m3/d，運行費用0.55元/(m3·d)，人工濕地造價140元/m2。各方案對污染負(fù)荷的削減量及投資費用見表12。

表12 各方案對污染負(fù)荷的削減量及投資費用

在綜合考慮污染物削減量以及投資費用情況下，方案B為最優(yōu)方案，即僅對農(nóng)田徑流污染進行治理。結(jié)合人口搬遷和退耕還林工程對采用方案B污染負(fù)荷進行削減，對COD的削減量為1145.78 t/a，對TN的削減量為493.59 t/a，對TP的削減量為102.02 t/a，對NH3-N的削減量為260.50 t/a，符合污染負(fù)荷削減率要求。

4 結(jié) 論

a. 在方便水庫8條主要入庫河流中，青龍橋河的匯水面積最大，來水量占入庫總量的54.87%；其次為謝家棚河和西南村河。在整個匯水區(qū)域中，耕地面積所占比例最大，達(dá)55.77%，且大量耕地集中在青龍橋河、謝家棚河和西南村河3條水庫主要來水河流流域內(nèi)。污染負(fù)荷排放量最大的區(qū)域主要集中在青龍橋河和謝家棚河流域，其次為西村河和西南村河流域。青龍橋河流域?qū)OD、TN、TP、NH3-N污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大，均在50%以上；其次為謝家棚河流域。

b. 在兼顧污染物去除率和成本的前提下，生態(tài)溝渠-生態(tài)塘技術(shù)是最優(yōu)農(nóng)田徑流污染控制技術(shù)，其次為生態(tài)攔截緩沖帶技術(shù)；生物接觸氧化-人工濕地處理技術(shù)是農(nóng)村生活污水最優(yōu)控制技術(shù)。

c. 在總量控制前提下，方便水庫COD、TN、TP和NH3-N污染負(fù)荷削減率分別為40.54%、52.70%、62.88%和24.11%，因此，方便水庫水污染控制主要是對COD、TN和TP污染負(fù)荷的控制。在方便水庫實施人口搬遷和退耕還林的基礎(chǔ)上，NH3-N已可達(dá)削減要求， COD、TN和TP污染負(fù)荷削減量分別占需削減總量的75.50%、54.98%和47.28%。對剩余農(nóng)田徑流污染和農(nóng)村生活污水進行治理時，在削減量全部達(dá)標(biāo)的前提下，當(dāng)僅對農(nóng)田徑流污染控制時，方案投資最小。

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