基于輸出系數(shù)模型的紅楓湖保護(hù)區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷研究

李政道, 劉鴻雁,, 姜 暢, 顧小鳳, 涂 宇

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025; 2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025)

隨著工業(yè)點(diǎn)源被逐步的控制，非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為水環(huán)境污染的主要來(lái)源[1]。我國(guó)湖泊中存在的氮磷污染有著50%以上來(lái)自于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染[2]；非點(diǎn)源污染具有形成過程復(fù)雜，隨機(jī)性大，機(jī)理模糊，分布范圍廣，影響因子復(fù)雜，潛伏周期長(zhǎng)和影響危害較大等特點(diǎn)，不利于管理者進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理[3]。國(guó)外非點(diǎn)源污染研究始于20世紀(jì)50—60年代，在美國(guó)、英國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家首先開始，研發(fā)了包括物理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷仍趦?nèi)的一系列非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算模型[4]，其中包括輸出系數(shù)法、清單分析法以及機(jī)理模型模擬估算法等[5]，使得非點(diǎn)源污染研究逐步走向成熟。荊延德等[6]利用輸出風(fēng)險(xiǎn)模型分析非點(diǎn)源污染和土地覆蓋與坡度的關(guān)系。Shen等[7]通過水土評(píng)估工具(SWAT)和小規(guī)模流域擴(kuò)展法(SWEM)來(lái)確定NPS污染物和高污染區(qū)域的時(shí)空分布；張彩玲等[8]、王文章等[9]通過輸出系數(shù)模型計(jì)算非點(diǎn)源氮磷污染負(fù)荷及其產(chǎn)生規(guī)律。由于流域監(jiān)測(cè)資料不完備，采用較為簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅葯C(jī)理模型具備更高的可操作性和可行性[10]。輸出系數(shù)法于20世紀(jì)70年代由美國(guó)和加拿大首次提出。輸出系數(shù)法是一種基于污染物的輸出系數(shù)來(lái)估算該流域內(nèi)輸出的面源污染負(fù)荷，利用土地利用方式等資料，集成來(lái)估算面源污染負(fù)荷[11]。輸出系數(shù)模型是一種輸出系數(shù)法的具體體現(xiàn)，通過土地利用類型等容易收集到的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性相關(guān)分析，然后建立起流域內(nèi)土地利用類型與面源污染輸出量的關(guān)系，對(duì)不同污染源類型的污染負(fù)荷求和，得到研究區(qū)域污染的總負(fù)荷[12-13]。

紅楓湖是貴陽(yáng)市的“三大水缸”之一，水質(zhì)質(zhì)量直接關(guān)乎區(qū)域用水安全。近年來(lái)已有較多關(guān)于紅楓湖的研究，但對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷以及與水質(zhì)的關(guān)系鮮有研究。為此，本研究通過改進(jìn)的輸出系數(shù)模型，探究紅楓湖非點(diǎn)源污染及其與水質(zhì)的關(guān)系，了解紅楓湖非點(diǎn)源污染負(fù)荷現(xiàn)狀，為紅楓湖保護(hù)區(qū)非點(diǎn)源污染的防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

紅楓湖保護(hù)區(qū)地處貴州高原中部，是貴州省最大的高原人工湖泊之一，也是喀斯特高原深水型湖泊；其橫跨貴陽(yáng)市清鎮(zhèn)市、安順市平壩區(qū)2區(qū)縣境內(nèi)。主湖距離省會(huì)貴陽(yáng)市約33 km，保護(hù)區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°19′—106°28′，北緯26°26′—26°35′，紅楓湖保護(hù)區(qū)總面積為1 596 km2，湖泊水面面積57.2 km2，總庫(kù)容6.01×108m3。由于保護(hù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，故保護(hù)區(qū)內(nèi)地貌類型多樣。保護(hù)區(qū)地勢(shì)從東南向西北減弱，地層巖性以碳酸鹽巖分布最廣。紅楓湖氣候類型屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均降水量約為1 200 mm，降雨主要集中在5—10月；保護(hù)區(qū)內(nèi)的植被屬于亞熱帶常綠闊葉林。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與分析

本研究以2016年為基準(zhǔn)年，所涉及的數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程圖、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)詳見表1。

統(tǒng)一各類型空間數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)和投影，所有操作基于ArcGIS 10.4軟件進(jìn)行，并將獲得的數(shù)據(jù)資料通過匯總軟件進(jìn)行分析(見封3附圖5)。

表1 研究區(qū)數(shù)據(jù)及來(lái)源

1.3 輸出系數(shù)模型

在輸出系數(shù)模型的基礎(chǔ)上，加入坡度影響因子對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。

(1)

式中：Lj為污染物j在流域中的總負(fù)荷量(t/a)；β為地形影響因子；i為流域中的土地利用類型，共m種；Eij為污染物j在i種土地利用類型的輸出系數(shù)或第i種畜禽每頭輸出系數(shù)或人口每人輸出系數(shù)(t/a)；Ai為流域中第i種土地利用類型面積，km2或第i種牲畜數(shù)量或者人口數(shù)量。

1.3.1 地形影響因子 地形影響著污染負(fù)荷在降雨徑流作用。因此，本研究把坡度因子作為影響權(quán)重來(lái)對(duì)污染負(fù)荷進(jìn)行校正計(jì)算;主要是通過坡度對(duì)影響徑流量的大小來(lái)控制非點(diǎn)源總氮和總磷的流失量。研究表明[22]，徑流量等于坡度的冪函數(shù)與常量的乘積。

Q=aSd

(2)

式中：Q為流量；S為坡降；a，d為常量。

通過徑流量與地形的關(guān)系，則地形影響因子β可以表示為：

(3)

式中：Sj為研究區(qū)域內(nèi)空間單元j的坡度；Save為研究區(qū)內(nèi)平均坡度。

根據(jù)有關(guān)研究成果[23-24]，d為0.610 4，并且利用GIS軟件對(duì)紅楓湖保護(hù)區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到紅楓湖保護(hù)區(qū)地面的平均坡度為7.68°，通過公式(3)可得紅楓湖地形影響因子公式為：

(4)

通過GIS模板與公式(4)計(jì)算得到紅楓湖保護(hù)區(qū)地形影響因子為0～3.591 1。

1.3.2 輸出系數(shù) 在輸出系數(shù)模型中，最為關(guān)鍵一環(huán)是輸出系數(shù)的確定。確定合理的輸出系數(shù)能夠有效的計(jì)算出流域內(nèi)的污染負(fù)荷。影響輸出系數(shù)的因素有很多，包括流域內(nèi)的地形地貌、水文、氣候、土地利用方式等及人類活動(dòng)。目前，確定輸出系數(shù)的途徑分為3類：查閱文獻(xiàn)法、實(shí)地野外檢測(cè)法和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法。相對(duì)于國(guó)外而言已經(jīng)累計(jì)的大量的成果，而在國(guó)內(nèi)，由于輸出系數(shù)模型的研究起步不久。因此，本文參照國(guó)內(nèi)外研究以及《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》和《第一次全國(guó)污染普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污手冊(cè)》，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況確定輸出系數(shù)的取值,農(nóng)村生活的輸出系數(shù)表示著當(dāng)?shù)剞r(nóng)村人口對(duì)生活污水及廢棄物的利用和處理水平[14-21]。最終得到不同土地利用方式輸出系數(shù)(表2)，人、畜禽養(yǎng)殖輸出系數(shù)(表3)。

表2 研究區(qū)土地利用方式輸出系數(shù) t/(km2·a)

表3 人、畜禽養(yǎng)殖輸出系數(shù)

1.4 入湖量計(jì)算

非點(diǎn)源污染入湖量是指在一定時(shí)期，由地表徑流攜帶進(jìn)入河流等水體的污染負(fù)荷。入湖量=產(chǎn)生量×入湖系數(shù)。要估算入河量，需要確定入河指數(shù)。入河系數(shù)是污染物入河量和流失量的比率。根據(jù)中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院發(fā)布《全國(guó)水環(huán)境容量核定工作常見問題辨析》，非點(diǎn)源污染物入河系數(shù)在0.01～0.1的范圍內(nèi)選取。入湖系數(shù)分為3類：土地利用方式入湖系數(shù)、畜禽養(yǎng)殖入湖系數(shù)和農(nóng)村生活入湖系數(shù)。土地利用方式入湖系數(shù)來(lái)源根據(jù)周懷東等[25]研究分析，西南流域內(nèi)TN，TP產(chǎn)生量分別為：1.81×106t和4.86×105t，而入河量TN，TP分別為：2.11×105t和4.40×104t，入湖系數(shù)TN，TP分別為0.13，0.09；畜禽養(yǎng)殖入湖系數(shù)來(lái)源根據(jù)2000年《全國(guó)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對(duì)策》以及研究成果[26-27]；農(nóng)村生活入湖系數(shù)來(lái)源根據(jù)相關(guān)研究[28]建議方法確定。同時(shí)，由于降雨與地形能夠影響入河系數(shù)[29-32]，根據(jù)紅楓湖保護(hù)區(qū)地形與降雨徑流劃分，結(jié)合得到紅楓湖保護(hù)區(qū)入河系數(shù)修正系數(shù)，結(jié)果詳見表4。最終入湖系數(shù)=最初入湖系數(shù)×修正系數(shù)，結(jié)果詳見表5。

表4 研究區(qū)入河修正系數(shù)

表5 研究區(qū)最終入湖系數(shù) %

1.5 工業(yè)源與城市生活源

1.5.1 工業(yè)源 由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)需求，在20世紀(jì)末期紅楓湖周邊大力發(fā)展工業(yè)，先后建立很多不同規(guī)模的工礦企業(yè)。這些企業(yè)在給當(dāng)?shù)貛?lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)也給紅楓湖帶來(lái)較大的環(huán)境污染。企業(yè)工廠在建立初期布局規(guī)劃不合理，生產(chǎn)方式粗放、耗水量大、污水處理措施不完善，使得企業(yè)工廠生產(chǎn)排放的污水直接進(jìn)去河流進(jìn)而流入湖內(nèi)，從而造成水體嚴(yán)重污染。在2003—2007年紅楓湖水質(zhì)從開始的Ⅲ類水質(zhì)急劇惡化劣Ⅴ類水質(zhì)，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)最高時(shí)達(dá)到49.5[33]。2007年開始，面對(duì)紅楓湖水質(zhì)不斷惡化的條件下，省、市加大企業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及對(duì)污染源的從頭治理；紅楓湖流域周圍企業(yè)相繼關(guān)停拆遷、或進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整、或加裝污水處理措施，企業(yè)工廠等點(diǎn)源污染來(lái)源逐漸得到有效控制，排放污水得到處理后排放。根據(jù)兩湖防治規(guī)劃以及實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，紅楓湖流域大小污染源約有157家，企業(yè)工廠主要涉及化工、冶煉、電力等行業(yè)。其中重點(diǎn)企業(yè)有貴州美豐化工有限公司、貴州平水機(jī)械有限公司、貴州華電清鎮(zhèn)發(fā)電有限公司等。重點(diǎn)企業(yè)年排放廢水總量為3.30×106t，COD約為140 t，氨氮為40 t。通過對(duì)重點(diǎn)企業(yè)工廠實(shí)際監(jiān)測(cè)以及環(huán)保部門的排污申報(bào)數(shù)據(jù)計(jì)算，紅楓湖流域工業(yè)企業(yè)2016年TN排放量為99.34 t，TP排放量為12.27 t。

1.5.2 城市生活源 紅楓湖保護(hù)區(qū)范圍涉及清鎮(zhèn)市青龍街道辦、紅楓湖鎮(zhèn)、站街鎮(zhèn)以及平壩區(qū)高峰鎮(zhèn)、馬場(chǎng)鎮(zhèn)、夏云鎮(zhèn)。根據(jù)兩湖水資源環(huán)境保護(hù)總體規(guī)劃數(shù)據(jù)，主要城鎮(zhèn)生活2016年污水量TN，TP分別為211.4和3.82 t。

2 結(jié)果分析

2.1 地形校正前后TN，TP排放量分析

未加地形影響因子計(jì)算得到TN，TP的排放量負(fù)荷與加入地形影響因子差異詳見表6。從表6得到，校正后的畜禽養(yǎng)殖的TN，TP相對(duì)偏差分別為83.75%和87.65%；未加入地形影響因子計(jì)算的非點(diǎn)源污染負(fù)荷的各類型負(fù)荷均偏大。由于地勢(shì)相對(duì)平坦的區(qū)域地形限制了產(chǎn)生和排放的過程，所以在計(jì)算的時(shí)候會(huì)偏小，因此造成未經(jīng)過地形影響因子改進(jìn)的模型計(jì)算值偏大。

表6 地形校正前后非點(diǎn)源污染TN和TP負(fù)荷 t

2.2 TN，TP輸出量分析

2.2.1 土地利用方式對(duì)TN，TP排放量分析 通過地形影響因子校正的改進(jìn)輸出系數(shù)模型，利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算出紅楓湖保護(hù)區(qū)不同土地利用類型的TN和TP污染負(fù)荷及負(fù)荷強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果詳表7。通過表7看出，在不同土地利用類型下的入湖污染負(fù)荷及負(fù)荷強(qiáng)度有著很大的差異。在TN與TP的污染負(fù)荷方面，耕地貢獻(xiàn)率最大，其次是草地以及建設(shè)用地；在污染負(fù)荷強(qiáng)度方面，耕地最大，依次是荒地以及建設(shè)用地。單方面從TN來(lái)分析，平均的污染負(fù)荷為102.65 t/a，其中作為農(nóng)用地的耕地對(duì)TN的貢獻(xiàn)最大，達(dá)到了446.06 t/a，占總負(fù)荷的72.84%，成為TN負(fù)荷的最大來(lái)源；其次是草地和建設(shè)用地，分別為79.36和52.00 t/a，對(duì)TN的貢獻(xiàn)比分別為12.96%，8.49%；TN的污染負(fù)荷強(qiáng)度平均為1.11 t/(km2·a)，耕地、荒地、建設(shè)用地的負(fù)荷強(qiáng)度均超過流域內(nèi)平均負(fù)荷值。TP平均污染負(fù)荷為6.01 t/a，最大的貢獻(xiàn)來(lái)自于耕地，為27.69 t/a，貢獻(xiàn)率于TN貢獻(xiàn)率相差無(wú)幾，高達(dá)76.79%，其次為林地、草地，分別為4.06和2.87 t/a，貢獻(xiàn)率分別為11.27%和7.97%。TP的污染負(fù)荷強(qiáng)度平均值為0.06 t/(km2·a)，只有耕地的污染負(fù)荷強(qiáng)度大于平均值，其余均小于等于平均污染負(fù)荷。

表7 紅楓湖保護(hù)區(qū)不同土地利用類型TN和TP負(fù)荷

2.2.2 畜禽養(yǎng)殖與農(nóng)村生活源對(duì)TN，TP排放量的分析 對(duì)農(nóng)村生活源與畜禽養(yǎng)殖源進(jìn)行分析，結(jié)果詳見表8。從表8得知，農(nóng)村生活產(chǎn)生的TN和TP負(fù)荷分別為204.94和20.75 t/a，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的TN，TP負(fù)荷分別為46.46和21.23 t/a。農(nóng)村生活所產(chǎn)生的污染負(fù)荷大于畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污染負(fù)荷，農(nóng)村生活對(duì)TN，TP的貢獻(xiàn)率高達(dá)81.52%，50.51%。而家禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的TN，TP污染負(fù)荷分別占總的畜禽養(yǎng)殖負(fù)荷的90.08%，99.09%。

2.2.3 輸出系數(shù)模型分析 通過改進(jìn)的輸出系數(shù)模型，計(jì)算得到紅楓湖非點(diǎn)源污染負(fù)荷TN為863.78 t，TP為77.13 t。而通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算得到TN為701.19 t，TP為232.99 t(表9)。通過表9可知，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c改進(jìn)后的輸出系數(shù)模型在TN和TP排放量差比為23.19%和-66.89%。其中農(nóng)村生活源兩者計(jì)算的值差距不大，兩者的差距主要體現(xiàn)在畜禽養(yǎng)殖方面和土地利用方面。畜禽養(yǎng)殖方面，TN，TP相較于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e少了236.62和132.28 t。土地利用方面，TN相較于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投喑?75.64 t，而TP卻少了28.51 t。

表8 農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖TN和TP入湖負(fù)荷

表9 經(jīng)典模型與輸出系數(shù)模型比較

2.3 非點(diǎn)源污染負(fù)荷占比分析

通過收集的城市生活源數(shù)據(jù)、工業(yè)源數(shù)據(jù)以及非點(diǎn)源污染負(fù)荷，對(duì)紅楓湖污染環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行分析(表10)。從表10可知，紅楓湖環(huán)境污染負(fù)荷TN為1 174.57 t，環(huán)境污染負(fù)荷TP為93.23 t，TN∶TP=12.59∶1。非點(diǎn)源污染負(fù)荷TN，TP占環(huán)境污染負(fù)荷TN，TP的73.54%，82.54%；而根據(jù)《“兩湖一庫(kù)”污染治理科技攻關(guān)預(yù)研究報(bào)告》得到，2008年非點(diǎn)源污染負(fù)荷TN與TP占比分別為：46.51%，62.85%[35]。相比較2008年，非點(diǎn)源TN，TP占比分別提高了27.03%，19.69%。

表10 紅楓湖保護(hù)區(qū)各污染負(fù)荷量

2.4 入湖量分析

通過改進(jìn)輸出系數(shù)模型，計(jì)算得到紅楓湖非點(diǎn)源污染負(fù)荷TN為863.78 t，TP為77.13 t。結(jié)合表5中的入河系數(shù)計(jì)算得到紅楓湖非點(diǎn)源污染TN，TP入湖量(表11)。從表11得到，紅楓湖2016年非點(diǎn)源入湖量TN為97.35 t，TP為11.37 t。其中對(duì)入湖量TN貢獻(xiàn)率最大為畜禽養(yǎng)殖源，占比為52.84%；入湖量TP貢獻(xiàn)率最大為農(nóng)村生活源，占比為53.56%。

表11 紅楓湖流域入湖量

3 討論與結(jié)論

(1) 非點(diǎn)源污染負(fù)荷大小為：土地利用方式>農(nóng)村生活>畜禽養(yǎng)殖。在土地利用方式中TN排放貢獻(xiàn)率大小為：耕地>草地>建設(shè)用地>林地>荒地；TP排放貢獻(xiàn)率大小為：耕地>林地>草地>建設(shè)用地>荒地；耕地是非點(diǎn)源污染的重要來(lái)源，其排放的TN，TP占非點(diǎn)源污染負(fù)荷的51.64%和35.90%。

(2) 通過改進(jìn)的輸出系數(shù)模型計(jì)算，2016年紅楓湖保護(hù)區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷TN，TP為863.78和77.14 t，占總污染負(fù)荷的73.54%和82.54%，水質(zhì)總體為Ⅱ類；相較于2008年非點(diǎn)源TN，TP占比分別提高了27.03%，19.69%；根據(jù)研究可知2008年紅楓湖總體水質(zhì)為Ⅳ和劣Ⅴ水質(zhì)，2016年紅楓湖總體水質(zhì)為Ⅱ類水質(zhì)[36]。2008年的非點(diǎn)源污染負(fù)荷占比低于2016年，但水質(zhì)依然處于Ⅳ水質(zhì)甚至劣Ⅴ水質(zhì)，這是由于城市生活污染源與工業(yè)源的粗排放以及部分的河床硬化，大部分污染在降雨徑流等作用下直接進(jìn)入水體，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。而2016年的非點(diǎn)源污染負(fù)荷雖然占比重較大，但在工業(yè)污染源和生活污染源得到治理后，非點(diǎn)源污染成為紅楓湖流域的主要污染源；而2016年紅楓湖水質(zhì)總體為Ⅱ類水質(zhì)，由于近些年湖岸生態(tài)系統(tǒng)完善、植物緩沖帶的多樣性以及生產(chǎn)方式的改善。說(shuō)明非點(diǎn)源污染雖然是紅楓湖的主要污染源，但對(duì)水質(zhì)的影響較小。

(3) 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谕恋乩迷从?jì)算中未加入土地利用方式中建設(shè)用地的影響，同時(shí)在畜禽養(yǎng)殖的計(jì)算中，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算是將每種牲畜轉(zhuǎn)換為豬糞當(dāng)量計(jì)算；而改進(jìn)的輸出系數(shù)模型增加了坡度系數(shù)，與SWAT等經(jīng)典模型相比，所需參數(shù)少，操作簡(jiǎn)便；與經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算法相比，具有更高的準(zhǔn)確性，可為喀斯特深水型湖泊非點(diǎn)源污染負(fù)荷的計(jì)算提供方法和依據(jù)。