基于流域要素空間關(guān)系的水污染溯源研究

藍(lán)志峰 ，肖桂榮

(福州大學(xué)福建省空間信息工程研究中心，福建福州 350116)

近年來(lái)，由于城市化進(jìn)程加快，密集的人類活動(dòng)如農(nóng)業(yè)活動(dòng)中化肥的使用、工業(yè)廢水及生活污水的排放等，導(dǎo)致水體污染日益嚴(yán)重[1]。數(shù)據(jù)顯示，2015年全國(guó)廢水排放總量較2000年增加了76．9%;有近35．5%的國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)劣于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)[2]。如此嚴(yán)峻的水環(huán)境形勢(shì)給水生態(tài)系統(tǒng)和人類生產(chǎn)生活帶來(lái)重大影響。準(zhǔn)確識(shí)別和追溯水質(zhì)超標(biāo)區(qū)域的污染源已成為亟待解決的問(wèn)題之一。

為有效解決該問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者在水污染溯源方法上做了大量研究，如Wei等[3]基于反演思想，使用Bayesian法對(duì)水污染溯源問(wèn)題進(jìn)行了研究;邢利英等[4]使用改進(jìn)的共軛梯度算法重構(gòu)污染源項(xiàng)。這些方法在溯源過(guò)程中容易因模型參數(shù)誤差使溯源結(jié)果與實(shí)際發(fā)生較大偏離[5]，限制其在實(shí)際中的應(yīng)用?，F(xiàn)階段我國(guó)流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)主要以手工采樣為主，輔以移動(dòng)式快速應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與常規(guī)監(jiān)測(cè)[6]，環(huán)境監(jiān)管部門在溯源問(wèn)題上應(yīng)用最多的還是污染源排查法[7]。該方法是在現(xiàn)有流域環(huán)境監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，進(jìn)行大量應(yīng)急監(jiān)測(cè)，并收集相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，再結(jié)合系統(tǒng)科學(xué)的分析確定最有可能的污染源，該方法缺乏一定的搜索導(dǎo)則，溯源效率較低。劉穎等[8]從優(yōu)化流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)排查路徑的角度對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，但總體上時(shí)間、人力等成本還是較高。為改善上述方法中存在的問(wèn)題，同時(shí)考慮到污染溯源問(wèn)題實(shí)質(zhì)可轉(zhuǎn)化為空間搜索問(wèn)題，本文嘗試將要素的空間關(guān)系引入水污染溯源過(guò)程，從而提高溯源精度[7，9]。選取福州市第二大飲用水源地所在的敖江流域作為研究區(qū)，挖掘該流域要素之間存在的空間關(guān)系，并采用屬性標(biāo)識(shí)方式建立要素間的空間關(guān)系，以期在河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面超標(biāo)時(shí)的水污染溯源過(guò)程中引入這些關(guān)系，排除不必要搜索范圍，為水污染溯源提供一種新的思路。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

敖江是福建省第六大河流，發(fā)源于寧德市古田縣鷲峰山脈東，主流流經(jīng)寧德古田縣、福州市的閩侯縣、閩清縣、羅源縣、晉安區(qū)、連江縣，最后于連江東岱鎮(zhèn)注入東海(圖1(a))。干流全長(zhǎng)137 km，總面積2 655 km2;流域水資源豐富，多年平均降雨量在1500 mm以上，平均徑流深1 027 mm，平均流量87．7 m3/s[10]。福建省環(huán)保廳在全流域共布設(shè)4個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括CODMn、DO、濁度等。流域內(nèi)已建成的塘坂水庫(kù)是福州市區(qū)第二飲用水源地，日均引水規(guī)模超35萬(wàn)m3;在建的霍口水庫(kù)供水工程設(shè)計(jì)日引水規(guī)模達(dá)40萬(wàn)m3(圖1(b))，其水源地保護(hù)工作直接影響福州市上百萬(wàn)人的飲用水安全[11-12]。

本研究涉及的數(shù)據(jù)來(lái)源于福建省環(huán)保廳提供的環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、2015年統(tǒng)計(jì)年鑒和敖江流域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)(含等高線和土地利用圖)，同時(shí)引用NASA/SEDAC預(yù)測(cè)的人口分布數(shù)據(jù)和Landsat遙感影像數(shù)據(jù)。

2 要素關(guān)系模型構(gòu)建

2.1 流域要素確定

流域要素指在流域范圍內(nèi)構(gòu)成某一過(guò)程或情勢(shì)的因素。本文研究的是基于構(gòu)建的要素空間關(guān)系的水污染溯源，其前提是確定構(gòu)建關(guān)系所需的流域要素。通過(guò)對(duì)全流域要素梳理，選取對(duì)構(gòu)建污染溯源關(guān)系具有特定價(jià)值的要素作為構(gòu)建源，再依據(jù)要素的屬性將其分為空間要素、污染源要素、監(jiān)測(cè)要素和其他要素。

圖1 研究區(qū)概況

a.空間要素指以基本空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示現(xiàn)實(shí)世界的要素。根據(jù)污染溯源特點(diǎn)，選取的空間要素包括河網(wǎng)、匯水單元、干支流交匯點(diǎn)：①河網(wǎng)是污染物在水體中運(yùn)移的通道，它是構(gòu)建溯源空間關(guān)系的基礎(chǔ)要素之一。河網(wǎng)的提取以地形數(shù)據(jù)輔以面狀河道數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用GIS的水文分析工具依次執(zhí)行洼地填平、水流方向計(jì)算、水流積聚、矢量轉(zhuǎn)換操作，將流域河網(wǎng)劃分為4個(gè)等級(jí)，劃分結(jié)果見(jiàn)圖2。②匯水單元指水源匯入某一范圍河網(wǎng)的范圍界線。溯源過(guò)程基于該特性確定一定范圍內(nèi)污染源排出廢水與河段的納入關(guān)系。此外，匯水單元主要用途是通過(guò)構(gòu)建其間的等級(jí)與流向關(guān)系，使與其相關(guān)聯(lián)的流域要素獲取等同的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系。研究選用敖江流域地形和面狀河網(wǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS水文分析工具，執(zhí)行洼地填平、計(jì)算水流方向、水流積聚、河網(wǎng)矢量轉(zhuǎn)換和提取匯水面等步驟獲取初始匯水單元。劃分過(guò)程中，為確保匯水單元的準(zhǔn)確性和實(shí)際應(yīng)用中的適用性，不僅考慮到流域的地形、水系和匯水特征，還將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、污染源分布、行政區(qū)劃和土地利用等多種空間要素疊加分析的結(jié)果對(duì)劃分單元進(jìn)行調(diào)整，由此劃分出能體現(xiàn)污染源排放與水體水質(zhì)的輸入響應(yīng)關(guān)系的匯水單元(圖3)。③干支流交匯點(diǎn)指主干流與其沿途接納支流的合流點(diǎn)，用于指示河流主干道與支流的交匯關(guān)系。干支流交匯點(diǎn)基于等級(jí)河網(wǎng)空間疊加分析確定。

b.污染源要素指造成水環(huán)境污染的發(fā)生源，即排放有害物質(zhì)的發(fā)生源。根據(jù)污染源是否具有固定排放點(diǎn)分為點(diǎn)源和面源，其中，點(diǎn)源包含企業(yè)點(diǎn)源和畜禽養(yǎng)殖源，面源包含生活源、農(nóng)業(yè)源、水產(chǎn)養(yǎng)殖源。污染源要素主要用途是為溯源過(guò)程提供污染源分布和結(jié)構(gòu)性信息，其信息的準(zhǔn)確性將直接影響溯源的精度，具體確定方法見(jiàn)表1。

圖3 匯水單元?jiǎng)澐?/p>

c.監(jiān)測(cè)要素指用于監(jiān)控河流水質(zhì)的要素，它能反映河流水質(zhì)狀況。監(jiān)測(cè)要素包含水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站和人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)要素的主要行為是基于監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，觸發(fā)水污染溯源過(guò)程，該要素將作為觸發(fā)水污染警情信息最重要的渠道。監(jiān)測(cè)要素點(diǎn)位信息及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自環(huán)境管理部門。

d.其他要素主要指入河排污口信息，它是連通非直排污染源要素與河段的通道。將其與污水處理廠和污染源建立聯(lián)系，有助于確定污染源廢水排放去向。排污口信息由環(huán)境管理部門提供的數(shù)據(jù)確定。

2.2 要素關(guān)系模型設(shè)計(jì)

要素關(guān)系模型是將復(fù)雜溯源關(guān)系分解為若干關(guān)系子系統(tǒng)，分析各子系統(tǒng)中各要素的空間關(guān)系，建立各子系統(tǒng)內(nèi)部要素和子系統(tǒng)間的空間關(guān)聯(lián)，從而建立相互聯(lián)動(dòng)的要素關(guān)系模型。要素關(guān)系模型通過(guò)屬性標(biāo)識(shí)的方式，建立流域內(nèi)各要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，具有自動(dòng)化搜索上游河段、監(jiān)測(cè)斷面、匯水單元等能力，可用來(lái)應(yīng)對(duì)基于監(jiān)測(cè)站點(diǎn)觸發(fā)的水污染溯源。本文的要素關(guān)系模型主要包括：河段子系統(tǒng)、匯水單元子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)斷面-污染源子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)斷面-小流域-污染源子系統(tǒng)和入河排污口-污水處理廠-點(diǎn)源子系統(tǒng)。

表1 污染源要素確定方法

a.河段子系統(tǒng)。對(duì)已劃分的4個(gè)等級(jí)河網(wǎng)，使用相同等級(jí)的匯水單元進(jìn)行空間裁切，并與匯水單元等同的編碼方式建立河段之間的空間流向與等級(jí)關(guān)系，以此確定污染物空間傳輸路徑，形成全流域分等級(jí)的河流關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4 河段(匯水單元)子系統(tǒng)

b.匯水單元子系統(tǒng)。以劃分的敖江流域4個(gè)等級(jí)的匯水單元為基礎(chǔ)，依據(jù)水流流向，并參照《全國(guó)環(huán)境系統(tǒng)河流代碼河流編碼規(guī)則和水系代碼》編碼規(guī)范，以編碼的方式建立起全流域匯水單元的等級(jí)、流向、空間鄰接等關(guān)系，由此構(gòu)成匯水單元子系統(tǒng)，如圖4所示。

c.監(jiān)測(cè)斷面-污染源子系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)監(jiān)測(cè)斷面與河段、河段與匯水單元、匯水單元與污染源在現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下的空間拓?fù)潢P(guān)系建立。監(jiān)測(cè)斷面在該系統(tǒng)中起監(jiān)測(cè)水質(zhì)并觸發(fā)污染溯源過(guò)程的作用，河段用于確定污染物運(yùn)移通道，匯水單元用于劃分廢水排入某一河段的范圍界限。由此構(gòu)建起以監(jiān)測(cè)斷面為污染溯源觸發(fā)點(diǎn)，依據(jù)要素流向和包含關(guān)系往上游搜索流入河段長(zhǎng)度、匯入河段界限及界限內(nèi)包含的污染源的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)圖解見(jiàn)圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)斷面-污染源子系統(tǒng)

d.監(jiān)測(cè)斷面-小流域-污染源子系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)干支流交匯點(diǎn)的位置，將其與上下游河段建立連接關(guān)系，并標(biāo)識(shí)支流屬性，使其具備識(shí)別干支流功能。此外，利用已建河段與匯水單元流向關(guān)系和匯水單元與污染源包含關(guān)系，即可形成以水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面為追溯起點(diǎn)，確定匯入某一范圍河段的支流，并以支流為主要搜索單元、確定支流內(nèi)潛在污染源的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)圖解見(jiàn)圖6。

圖6 監(jiān)測(cè)斷面-小流域-污染源子系統(tǒng)

e.入河排污口-污水處理廠-點(diǎn)源子系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)流域內(nèi)點(diǎn)源排污廢水去向分類，根據(jù)分類結(jié)果以屬性標(biāo)識(shí)方式建立點(diǎn)源與污水處理廠和點(diǎn)源與入河排污口對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)對(duì)排污口使用與河段空間疊加的方式獲取排入河段屬性。由此構(gòu)建指定河段即可確定排入的排污口，并由排污口關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的污水處理廠和點(diǎn)源信息，子系統(tǒng)圖解見(jiàn)圖7。

圖7 入河排污口-污水處理廠-點(diǎn)源子系統(tǒng)

3 實(shí)例應(yīng)用

將構(gòu)建的要素空間關(guān)系模型應(yīng)用于敖江流域水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面觸發(fā)的水污染溯源。研究區(qū)水體長(zhǎng)期處富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[1]，近半年4個(gè)監(jiān)測(cè)頻率為4 h的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)顯示，各監(jiān)測(cè)指標(biāo)皆有超標(biāo)記錄(表2)，以CODMn次數(shù)最多。

表2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

選取敖江流域某監(jiān)測(cè)站于某日20：00：00監(jiān)測(cè)到CODMn超標(biāo)事件(圖8)進(jìn)行分析，當(dāng)日未收到相關(guān)泄露信息通報(bào)。針對(duì)該污染事件，以觸發(fā)水污染警情的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面為溯源起始斷面，利用建立的河段與河段和監(jiān)測(cè)斷面與河段的空間拓?fù)潢P(guān)系，確定起始斷面上游一定時(shí)間范圍內(nèi)CODMn不超過(guò)污染限值的斷面，時(shí)間取流經(jīng)上游斷面與起始斷面的時(shí)間間隔。受水質(zhì)監(jiān)測(cè)資源數(shù)量限制，起始斷面以上不存在監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，初步將全流域185個(gè)四級(jí)匯水單元減少到起始斷面及其上游的83個(gè)四級(jí)匯水單元。然后，由已建監(jiān)測(cè)斷面-小流域-污染源要素子系統(tǒng)獲知篩選區(qū)主要由5個(gè)子流域構(gòu)成：敖江干流、黃浦溪、西洋溪、柴峰溪和斌溪。將確立的污染源空間分布數(shù)據(jù)與篩選區(qū)域進(jìn)行空間疊加分析，可以得到，區(qū)域內(nèi)點(diǎn)源除干流分布較多的石板材加工企業(yè)和規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)外，基本不存在其他工業(yè)源污染，這與文獻(xiàn)[12]的結(jié)論一致，相比之下，面源分布較為廣泛。根據(jù)李小梅等[12]研究結(jié)果顯示，受石板材加工行業(yè)廢水污染的水體特征之一是濁度大于60，這與同時(shí)刻監(jiān)測(cè)的濁度數(shù)據(jù)13．01相差近5倍，此外，近年來(lái)流域內(nèi)多次實(shí)施全面關(guān)停石板材加工企業(yè)，基本可以排除石材加工行業(yè)作為此次CODMn超標(biāo)引發(fā)源的可能性。綜上分析，依據(jù)構(gòu)建的流域要素空間關(guān)系子系統(tǒng)已初步將潛在引發(fā)源空間范圍縮小近2/3，并將引發(fā)源結(jié)構(gòu)信息確定為面源引發(fā)為主，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)也存在一定的可能性。

圖8 某監(jiān)測(cè)站CODMn監(jiān)測(cè)值

為進(jìn)一步挖掘未知引發(fā)源分布信息，根據(jù)上述分析確定的污染源結(jié)構(gòu)，以5個(gè)子流域作為基本計(jì)算單元，使用排污系數(shù)法計(jì)算各單元COD排放量，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)～(4)，排放系數(shù)見(jiàn)表3，得到初篩范圍內(nèi)COD排放量見(jiàn)圖9。

式中： EPj、ECj、EFj、EAj分別為第 j單元生活源、畜禽養(yǎng)殖、種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖的COD排放量;NP，j為第j單元人口數(shù)量;WPr為不同行政區(qū)生活源COD排放系數(shù);NCj為第j單元畜禽數(shù)量;WCk為畜禽養(yǎng)殖區(qū)不同畜禽種類的COD排放系數(shù);NFdj為第j單元農(nóng)業(yè)種植中旱地的面積;CEdj為第j單元種植業(yè)中旱地的COD排放系數(shù);NFpj為第j單元農(nóng)業(yè)種植中水田的面積;CEpj為第j單元種植業(yè)中水田的COD排放系數(shù);NApoj為第j單元水產(chǎn)養(yǎng)殖中池塘的面積;Ppo為池塘養(yǎng)殖密度;WA為水產(chǎn)養(yǎng)殖的COD排放系數(shù);NArej為第j單元水產(chǎn)養(yǎng)殖中水庫(kù)的面積;Pre為水庫(kù)養(yǎng)殖密度。

表3 敖江流域污染源排污系數(shù)

圖9 篩選區(qū)內(nèi)COD排放量

由圖9可見(jiàn)，篩選區(qū)內(nèi)各小流域COD污染負(fù)荷存在較大差異。具體來(lái)說(shuō)，敖江干流最大，平均COD排放量1 221．3 t/a，其中農(nóng)業(yè)源占比最大，為690 t/a，占該小流域總負(fù)荷量的56．5%;其次為生活源和水產(chǎn)養(yǎng)殖源，分別為524．9 t/a和6．2 t/a，貢獻(xiàn)比例分別為43%和0．5%;畜禽養(yǎng)殖源貢獻(xiàn)量接近于0。貢獻(xiàn)量次之的黃埔溪與干流的污染特征相似，COD年度排放量達(dá)到1 217．3 t，占篩選區(qū)COD總排放量的25．4%，農(nóng)業(yè)源仍居首位，為1 101 t/a，對(duì)該小流域貢獻(xiàn)比達(dá)90．4%，其次為生活源和水產(chǎn)養(yǎng)殖源，分別為114．2t/a和2t/a，貢獻(xiàn)比僅占9．4%和0．2%，畜禽養(yǎng)殖貢獻(xiàn)量為0。與干流和黃埔溪相比，西洋溪、柴峰溪和斌溪的總量貢獻(xiàn)相對(duì)較小，西洋溪的生活源貢獻(xiàn)最大，達(dá)到569．8 t/a，占西洋溪的52．9%，其次為農(nóng)業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖，分別占40．9%、5．9%;柴峰溪和斌溪占篩選區(qū)COD總排放量較小，分別為15．1% 和11．5%，排放結(jié)構(gòu)相似，主要以農(nóng)業(yè)源為主，生活源次之，畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖貢獻(xiàn)率不大?；谝陨辖y(tǒng)計(jì)，從污染源結(jié)構(gòu)上看篩選區(qū)以面源污染為主，且以農(nóng)業(yè)源負(fù)荷最大，5個(gè)小流域中有4個(gè)小流域農(nóng)業(yè)源COD排放量占據(jù)首位，占比超50%，其次為生活源排放，水產(chǎn)養(yǎng)殖與畜禽養(yǎng)殖排放量較小。從空間分布看，干流及其左岸匯入的黃埔溪排放量較高，由構(gòu)建的生活源分布與小流域空間包含關(guān)系顯示，居民主要分布在干流沿岸和西洋溪，同時(shí)區(qū)劃圖與篩選區(qū)疊加表明，區(qū)域內(nèi)以小型集鎮(zhèn)為主，而人口密度常與污染物排放量呈現(xiàn)正相關(guān)性，這勢(shì)必造成人口分布較密集的區(qū)域污染排污量較大，引發(fā)源很可能存在于此區(qū)域。

為進(jìn)一步揭示區(qū)域污染源空間分布信息，在已建匯水單元層級(jí)關(guān)系系統(tǒng)支持下，以三級(jí)和四級(jí)匯水單元為單位，計(jì)算COD排放量，結(jié)果見(jiàn)圖10和圖11。由圖10可知篩選區(qū)空間差異更加顯著，污染物排放集聚特征也更為突出，主要集中在5個(gè)單元，分別位于西洋溪上游、篩選區(qū)敖江干流中上游鶴塘鎮(zhèn)所在地和黃埔溪主流左側(cè)，這些匯水單元具有極大可能性。由圖11可見(jiàn)，為使源分布和結(jié)構(gòu)信息更加明確，污染排放同樣集中在上游幾個(gè)匯水單元，且以西洋溪與主干流交匯處所在的鶴塘鎮(zhèn)污染物年度貢獻(xiàn)量最大。同時(shí)，個(gè)別單元基本不存在污染，這些分析結(jié)果可有效減少后期精確排查引發(fā)源的工作量。

圖10 三級(jí)匯水單元COD排放量

圖11 四級(jí)匯水單元COD排放量

4 結(jié) 語(yǔ)

從地學(xué)空間關(guān)系視角出發(fā)，以劃分的河網(wǎng)和匯水單元為基礎(chǔ)，將原本互不聯(lián)系的流域要素進(jìn)行整合，構(gòu)建了用于水污染溯源的流域要素空間關(guān)系模型。將此模型運(yùn)用于敖江水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面超標(biāo)實(shí)例中，結(jié)果表明，該模型在實(shí)際場(chǎng)景中能有效識(shí)別并篩選研究區(qū)的污染源，將未知污染源搜索半徑縮小到更小范圍，且最大限度地提供引發(fā)源分布和結(jié)構(gòu)性信息，其溯源結(jié)果對(duì)水污染事件的應(yīng)急處置具有指導(dǎo)意義，同時(shí)，也為水污染溯源引入一種新的思路和方法，若能對(duì)流域內(nèi)的污水排污口全覆蓋布點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)，結(jié)合雨水事件面源污染的特征分析，將更加快速準(zhǔn)確地對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)情況進(jìn)行判斷。該方法與傳統(tǒng)溯源相比較，既能節(jié)約污染溯源的時(shí)間成本，又可有效縮小搜索范圍，節(jié)省了環(huán)保執(zhí)法成本，溯源結(jié)果提供的信息也為環(huán)保執(zhí)法人員更進(jìn)一步實(shí)地排查提供方向指引。