溫州市城區(qū)非點源總氮和總磷負荷量估算研究

王學(xué)東 黃宏

摘 要：大尺度區(qū)域/流域非點源污染定量仍然是本領(lǐng)域研究的難點之一。本文將輸出系數(shù)模型、GIS和蒙特卡羅模擬技術(shù)相結(jié)合，建立了大尺度區(qū)域/流域非點源污染負荷量估算方法，估算了溫州城區(qū)非點源總氮（TN）和總磷（TP）入河量。結(jié)果表明，TN負荷量在644.2-1364.0ton a-1范圍內(nèi)，平均1004.1 ton a-1，其中建設(shè)用地、耕地、園地、林地和其他用地的分擔(dān)率分為27.2%、46.2%、6.5%、5.1%和14.9%。TP負荷在64.0-134.9 ton a-1范圍內(nèi)，平均99.4 ton a-1，其中建設(shè)用地、耕地、園地、林地和其他用地的分擔(dān)率分為28.7%、43.3%、10.9%、3.6%和13.6%。耕地和建設(shè)用地是兩大主要污染源，未來要采取措施加強非點源污染治理。

關(guān)鍵詞：地表徑流；非點源污染；總氮；總磷；溫州市

中圖分類號：X799.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0015-03

城市地表徑流污染是城市水環(huán)境污染的重要因素。美國環(huán)保署把城市地表徑流列為導(dǎo)致全美河流和湖泊污染的第三大污染源。大量研究和實踐表明，即使點源污染完全被控制而忽略非點源污染，受納水體的水質(zhì)很難實現(xiàn)根本性改善。非點源污染具有形成過程復(fù)雜、隨機性大、分布范圍廣和潛伏周期長等特點，難以定量監(jiān)測[5]。因此，城市地表徑流非點源污染負荷的定量化是非點源污染控制的重要環(huán)節(jié)之一。

近年來，隨著溫州城市化的不斷推進，不透水面積不斷增加，綜合徑流系數(shù)也不斷增加，同時隨著城市人口的增長和汽車尾氣等的增加，導(dǎo)致城區(qū)地表徑流污染物濃度的增加，城市非點源污染已成為溫瑞塘河流域的主要污染源之一[4]。定量估算非點源污染負荷量，是進一步開展城區(qū)污染治理和水環(huán)境保護的前提和關(guān)鍵。本文基于輸出系數(shù)模型，結(jié)合GIS和蒙特卡羅模擬技術(shù)，估算了溫州城區(qū)非點源TN和TP入河量，為開展城區(qū)污染防控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 輸出系數(shù)模型

輸出系數(shù)模型于20世紀(jì)70年代初期在北美地區(qū)首先提出，其主要用來評價土地利用和湖泊富營養(yǎng)之間的關(guān)系，John等在實際應(yīng)用中不斷改進輸出系數(shù)模型，使其得到了進一步完善和廣泛應(yīng)用。模型的一般表達式為：

在輸出系數(shù)模型中，確定合理的輸出系數(shù)是關(guān)鍵所在。影響流域非點源污染物輸出系數(shù)的因素很多，主要包括流域內(nèi)地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型和結(jié)構(gòu)、植被、管理措施以及人類活動等。根據(jù)溫州城區(qū)土地利用現(xiàn)狀，將土地利用類型劃分為5類，即建設(shè)用地、耕地、園地、林地和其他用地（圖1）。參照國內(nèi)外的相關(guān)研究成果，結(jié)合溫州實際，初步確定溫瑞塘河流域非點源污染負荷的輸出系數(shù)如表1所示。

1.2 蒙特卡羅模擬

在土地利用的矢量化、合并、重分類等過程中，土地利用面積的統(tǒng)計結(jié)果難免存在一定不確定性。因此，假設(shè)各種土地利用的面積不是確定值，而是服從均勻分布的變量，范圍為統(tǒng)計值的90%和110%（表2）。此外，假設(shè)各種土地利用的TN和TP輸出系數(shù)也不是確定值，也是服從均勻分布的變量，范圍為統(tǒng)計值的70%和130%（表3和表4）。

確定各種土地利用類型面積和輸出系數(shù)的分布和取值范圍之后，采用蒙特卡羅模擬技術(shù)模擬計算10000次，最后統(tǒng)計出各種土地利用類型的TN和TP入河量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和95%置信區(qū)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 TN入河量

根據(jù)溫州城區(qū)土地利用空間分布（圖1）以及土地利用TN輸出系數(shù)空間分布（圖2），基于輸出系數(shù)模型和蒙特卡羅模擬技術(shù)，估算了溫州城區(qū)各種土地利用類型的TN入河量（表5）。由表可見，溫州城區(qū)地表徑流TN入河量在644.2-1364.0ton a-1范圍內(nèi)，平均1004.1ton a-1其中，建設(shè)用地、耕地、園地、林地和其他用地TN入河量分別為273.0±50.1ton a-1、463.9±84.6ton a-1、65.8±11.9ton a-1、51.4±9.4ton a-1和150.0±27.6ton a-1，分擔(dān)率分為27.2%、46.2%、6.5%、5.1%和14.9%。建設(shè)用地TN入河量約占地表徑流TN入河量的30%，意味著加強城區(qū)地表徑流污染削減對改善溫瑞塘河水質(zhì)是非常必要的。

2.2 TP入河量

根據(jù)溫州城區(qū)土地利用空間分布（圖1）以及土地利用TN輸出系數(shù)空間分布（圖3），基于輸出系數(shù)模型和蒙特卡羅模擬技術(shù)，估算了溫州城區(qū)各種土地利用類型的TP入河量（表6）。由表可見，溫州城區(qū)地表徑流TP入河量在64.0-134.9ton a-1范圍內(nèi)，平均99.4ton a-1其中，建設(shè)用地、耕地、園地、林地和其他用地TP入河量分別為28.5±5.2ton a-1、43.0±7.8ton a-1、10.8±2.0ton a-1、3.6±0.7ton a-1和13.5±2.5ton a-1，分擔(dān)率分為28.7%、43.3%、10.9%、3.6%和13.6%。建設(shè)用地TP入河量約占地表徑流TP入河量的30%，進一步意味著加強城區(qū)地表徑流污染削減對改善溫瑞塘河水質(zhì)是非常必要的。

2.3 研究結(jié)果的啟示

大尺度的非點源污染負荷估算一直是非點源污染研究中的薄弱環(huán)節(jié)。在眾多非點源污染負荷估算模型中[1]，輸出系數(shù)模型避開了非點源污染發(fā)生的復(fù)雜過程，所需參數(shù)少，又具有一定的精度[7]，因此具有廣泛的適用性，特別是對于缺乏長系列監(jiān)測數(shù)據(jù)的大尺度流域，發(fā)揮著重要的作用[6]。

不確定性是流域尺度非點源污染模型共同面臨的問題[8]，而蒙特卡羅模擬技術(shù)則是量度不確定性的有效辦法，可以為環(huán)境決策提供更豐富的信息[9]。考慮到不論是土地利用面積的統(tǒng)計結(jié)果，還是輸出系數(shù)的取值等等，都存在一定不確定性，因此引入蒙特卡羅模擬技術(shù)是十分必要的。

大尺度的非點源污染的空間變異性也十分顯著，而GIS則為研究空間變異性提供了有效的手段[3]。利用GIS技術(shù)，可以對非點源污染的關(guān)鍵源區(qū)進行精準(zhǔn)定位，為采取針對性的防控措施提供明確的依據(jù)。輸出系數(shù)模型、蒙特卡羅模擬和GIS技術(shù)的有機結(jié)合，為在大尺度區(qū)域/流域準(zhǔn)確量化非點源污染提供了可靠手段。

3 結(jié)論

將輸出系數(shù)模型、GIS和蒙特卡羅模擬技術(shù)相結(jié)合，建立了大尺度區(qū)域/流域非點源污染負荷量估算方法，估算了溫州城區(qū)地表徑流TN和TP入河量。結(jié)果表明，溫州城區(qū)地表徑流TN入河量在644.2-1364.0ton a-1范圍內(nèi)，平均1004.1ton a-1；溫州城區(qū)地表徑流TP入河量在64.0- 134.9ton a-1范圍內(nèi)，平均99.4ton a-1。

建設(shè)用地TN和TP入河量的分擔(dān)率約達30%，指示加強城區(qū)地表徑流污染削減對改善溫瑞塘河水質(zhì)是非常必要的。耕地TN和TP入河量的分擔(dān)率都超過40%，指示要進一步加強農(nóng)業(yè)非點源污染治理。研究結(jié)果為開展城區(qū)地表徑流削減提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻

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[3]巴特，楊昆，朱彥輝，等.基于開源GIS的城市非點源污染負荷模擬研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，36（11）：233-238.

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