泰州地區(qū)非點源污染關(guān)鍵源區(qū)識別

周佳楠，傅國圣，安 浩，蔣陳娟

(1.揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局，江蘇 泰州 225300)

0 引 言

非點源污染與人口增長、城市擴張、生產(chǎn)方式、降雨徑流以及土地利用等密切相關(guān)，對流域水生態(tài)環(huán)境有著嚴重影響。隨著城市化進程加快，非點源污染發(fā)生的頻率增大，采取措施進行監(jiān)測和處理的難度加大[1]。關(guān)鍵源區(qū)向受納水體輸送非點源污染的風(fēng)險性較高，識別非點源污染的關(guān)鍵源區(qū)并進行重點管理和整治，可以改善非點源污染的治理現(xiàn)狀[2]。

目前針對點源污染的研究已經(jīng)趨于成熟，非點源污染研究成為水生態(tài)環(huán)境研究的熱點問題。我國非點源污染關(guān)鍵源區(qū)識別研究主要借鑒歐美的磷素流失風(fēng)險評價方法[3]，亦稱磷指數(shù)法[4]，通過對影響非點源污染遷移的源因子和遷移因子進行分級打分后綜合判斷，是一種半定量、半經(jīng)驗性的評價方法。

本文以泰州地區(qū)為研究區(qū)域，在缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的情形下，以磷指數(shù)模型為基礎(chǔ)，借鑒張麗[5]等提出的半定量非點源污染流失危險評價模型，確定泰州地區(qū)非點源污染的源因子和遷移因子，探索該區(qū)域內(nèi)非點源污染關(guān)鍵源區(qū)的分布特征。

1 研究區(qū)域概況

泰州位于長江北岸、江蘇中部，是江蘇省經(jīng)濟發(fā)展的重點城市。區(qū)域內(nèi)氣候濕潤，降水充足，雨熱同期，河網(wǎng)分布密集，地勢中間高、南北低。泰州地區(qū)以新通揚運河為界，以北為淮河流域里下河腹部地區(qū)，以南為長江流域通南地區(qū)。里下河腹部地區(qū)地勢低洼，水網(wǎng)由四周高處向中間低處集中，湖泊分布較多。通南地區(qū)為江淮沖積平原，河網(wǎng)分布相對疏松，地勢平坦，以平原、圩洼為主。

泰州地區(qū)作為江蘇省主要的糧食生產(chǎn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，分散式的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)難以得到改變，大量施用化肥農(nóng)藥和投放各類餌料仍是保證農(nóng)牧漁業(yè)增產(chǎn)增收的主要手段，來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的非點源污染物成為水生態(tài)環(huán)境長期存在且難以得到有效治理的主要威脅。

2 研究方法

2.1 關(guān)鍵源區(qū)識別方法

非點源污染關(guān)鍵源區(qū)的形成受到降雨徑流、大氣中污染物、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、土地利用等多種因素的影響。根據(jù)不同污染物在關(guān)鍵源區(qū)形成中的不同作用，影響因子可分為源因子和遷移因子兩類[6]。

根據(jù)研究區(qū)域的相關(guān)資料，確定源因子與遷移因子，并參考研究區(qū)域的特征確定評價因子的權(quán)重與等級取值。利用源因子與遷移因子建立非點源污染流失風(fēng)險評價模型，應(yīng)用非點源污染流失危險性指數(shù)公式計算非點源污染流失危險性指數(shù)，輸出流域非點源污染流失風(fēng)險分布圖[7]。

非點源污染流失危險性指數(shù)r的計算借鑒文獻[5]提出的公式：

r=∑(SiWi) ∏(TjWj)

式中：Si為源因子i的等級值；Wi為源因子i的權(quán)重；Tj為遷移因子j的等級值；Wj為遷移因子j的權(quán)重。

2.2 評價因子確定

2.2.1 源因子

源因子主要反映不同土地利用方式下污染物輸出能力，主要受到土壤中污染物輸入、輸出以及保留能力等影響。張艷靈[8]在研究汾河水庫周邊土壤氮磷風(fēng)險分布中發(fā)現(xiàn)，源因子中氮磷的影響因子分布特征與土地利用形式有較大的相關(guān)性。由于缺乏研究區(qū)域內(nèi)土壤和化肥施用等相關(guān)信息，本文以土地利用方式作為非點源污染流失的源因子。

2.2.2 遷移因子

遷移因子為直接和間接影響污染物遷移的因子，主要包括地形、地表徑流、距離等。泰州地區(qū)降雨強度在空間上變化較小，地形變化較小，坡度<5°，因此不考慮土壤侵蝕和地形的空間差異。由于地表徑流數(shù)據(jù)資料難以掌握，暫不考慮。趙新峰[9]等認為距離河道較遠的區(qū)域盡管產(chǎn)污能力大，但在遷移過程中部分污染物被截留和吸收，最終進入河流的污染物的總量不大。李文超[10]等基于Iowa磷指數(shù)法，以鳳羽河流域為例研究高原農(nóng)業(yè)流域磷流失風(fēng)險以及關(guān)鍵源區(qū)識別時，發(fā)現(xiàn)磷流失的高風(fēng)險區(qū)域位于河流兩側(cè)100 m以內(nèi)的區(qū)域。故本文以區(qū)域至水體距離作為非點源污染的遷移因子。

2.3 評價因子權(quán)重和等級取值

2.3.1 評價因子權(quán)重

由于源因子與遷移因子均只考慮一種影響因子，故土地利用類型和區(qū)域至水體距離的權(quán)重值均取為1.0。

2.3.2 評價因子等級取值

將土地利用類型和水體距離的非點源污染輸出風(fēng)險等級分為三級，分別為低風(fēng)險、中風(fēng)險和高風(fēng)險，賦予各風(fēng)險等級一個無量綱值，1、3和5。具體分類賦值如下。

(1)土地利用類型。根據(jù)2015年度泰州市土地變更調(diào)查成果可知，泰州市共有8類一級分類土地利用類型，27類二級分類土地利用類型。通過實地考察并參考文獻[11]，分別給每個二級分類土地利用類型賦予非點源污染風(fēng)險等級值(表1)。

(2)區(qū)域至水體距離。根據(jù)潛在污染源區(qū)域到水體的距離分為3個風(fēng)險等級。河道兩側(cè)距離小于100 m的區(qū)域，地表徑流迅速，污染物遷移能力較強，容易匯入河道，水體受到的影響最大，風(fēng)險等級最高，風(fēng)險值取為5；距離河道100～300 m之間的區(qū)域，地表徑流中污染物受到一定的截留作用，污染物遷移能力減弱，污染物匯入河道的風(fēng)險居中，風(fēng)險值取為3；300 m以外的區(qū)域，距離河道較遠，地表徑流中污染物受到的截留和吸收作用較大，污染物遷移能力較弱，污染物匯入河道的可能性很小，水體受到的影響最小，風(fēng)險等級最低，風(fēng)險值取為1。

3 結(jié)果與討論

利用GIS的空間分析功能，將各種土地利用類型的風(fēng)險值添加至各類土地數(shù)據(jù)圖層的屬性值，利用反距離權(quán)重法進行空間插值，形成50 m×50 m的源因子?xùn)鸥駡D層(圖1)。利用GIS鄰域分析的多環(huán)緩沖功能和疊加分析功能生成圍繞河道小于100 m、100～300 m和大于300 m的區(qū)域，將不同距離的風(fēng)險值添加至遷移因子數(shù)據(jù)圖層的屬性值，合并數(shù)據(jù)后用反距離權(quán)重法進行空間插值，輸出50 m×50 m的遷移因子?xùn)鸥駡D層(圖2)。根據(jù)非點源污染流失危險性指數(shù)的計算公式，將源因子和遷移因子?xùn)鸥窳炕娘L(fēng)險值相乘，得到非點源污染輸出風(fēng)險的分布柵格圖層(圖3)。

3.1 源因子分布特征

據(jù)土地利用類型風(fēng)險值空間分布(圖1)，泰州地區(qū)大部分區(qū)域的土地利用類型非點源污染輸出風(fēng)險值為3，風(fēng)險值為1的區(qū)域主要集中在河網(wǎng)密集的區(qū)域(新通揚運河以北的里下河腹部地區(qū)和長江沿岸)，風(fēng)險值為5的區(qū)域零星分布并且包含在風(fēng)險值為3的區(qū)域中，所占面積較小，主要分布在城市、建制鎮(zhèn)、村莊等人口相對集中的區(qū)域和小型溝渠塘。

3.2 遷移因子分布特征

據(jù)潛在污染源區(qū)域至水體距離的空間分布(圖2)，泰州地區(qū)以新通揚運河為界，北部里下河腹部地區(qū)(興化市、姜堰區(qū)北部、海陵區(qū)北部)河流、湖泊分布較多，絕大多數(shù)區(qū)域非點源污染輸出風(fēng)險值為5，風(fēng)險值為1的區(qū)域很少，主要分布在興化市西北部；南部的通南地區(qū)以平原、圩洼為主，長江沿岸河網(wǎng)密集，風(fēng)險值為5，中東部地區(qū)河網(wǎng)分布相對稀疏，非點源污染風(fēng)險值為1，范圍較大。

表1 2015年度泰州市土地利用類型風(fēng)險等級及其說明Tab.1 Land use type risk level and description of Taizhou in 2015

3.3 非點源污染輸出風(fēng)險分布特征

從非點源污染輸出風(fēng)險分布來看(圖3)，以新通揚運河為界，北部的里下河腹部地區(qū)，大部分區(qū)域非點源污染流失風(fēng)險等級為中高風(fēng)險，低風(fēng)險區(qū)域主要分布在興化市西北部，范圍較小。這是因為里下河腹部地區(qū)河網(wǎng)密集，河湖縱橫，各種土地利用類型距離河道較近，非點源污染容易匯入河道。南部的通南地區(qū)，大部分區(qū)域非點源污染流失風(fēng)險等級為低風(fēng)險，主要分布在中東部地區(qū)，范圍較大，長江沿岸主要為中高風(fēng)險。主要是因為通南地區(qū)地形以平原、圩洼為主，長江沿岸河網(wǎng)密布，中東部地區(qū)河網(wǎng)分布相對稀疏，部分土地利用類型距離河道較遠，非點源污染經(jīng)過遷移作用后匯入河道的污染物總量較少。

泰州地區(qū)大部分區(qū)域非點源污染流失風(fēng)險等級為中高風(fēng)險，低風(fēng)險區(qū)域主要集中在興化市西北部和和通南地區(qū)。非點源污染輸出的關(guān)鍵源區(qū)主要分布在城市、建制鎮(zhèn)、村莊等人口密度大的區(qū)域以及主要河道兩側(cè)區(qū)域內(nèi)。城市、建制鎮(zhèn)、村莊等人口密度大的區(qū)域，生產(chǎn)生活的污染物排放較多，非點源污染輸出風(fēng)險等級為高風(fēng)險。主要河道兩側(cè)區(qū)域農(nóng)田和坑塘養(yǎng)殖類型較多，污染物易隨地表徑流入河，非點源污染流失風(fēng)險等級為高風(fēng)險。

4 結(jié) 語

根據(jù)泰州地區(qū)流域和地形特征，以磷指數(shù)法為基礎(chǔ)，提出以土地利用方式為源因子、以區(qū)域至水體距離為遷移因子的非點源污染流失風(fēng)險評價模型，確定了泰州地區(qū)非點源污染輸出的關(guān)鍵源區(qū)。泰州北部里下河腹部地區(qū)，由于河網(wǎng)密集，非點源污染容易匯入河道，大部分區(qū)域非點源污染流失風(fēng)險等級為中高風(fēng)險。泰州南部通南地區(qū)河網(wǎng)分布相對稀疏，低風(fēng)險區(qū)域較大，中高風(fēng)險區(qū)域較里下河腹部區(qū)小。泰州地區(qū)非點源污染輸出的關(guān)鍵源區(qū)分布在生產(chǎn)生活污染物排放較多的城市、建制鎮(zhèn)、村莊以及農(nóng)業(yè)面源污染較多的主要河道兩側(cè)農(nóng)田和坑塘養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)。本文提出的半定量的非點源污染流失風(fēng)險評價模型對于缺少基礎(chǔ)資料的平原河網(wǎng)區(qū)非點源污染關(guān)鍵源區(qū)識別具有一定借鑒意義。

圖1 不同土地利用類型非點源污染輸出風(fēng)險值分布Fig.1 Distribution of non-point source pollution risk values of different land use types

圖2 區(qū)域至水體不同距離非點源污染輸出風(fēng)險值分布Fig.2 Distribution of non-point source pollution risk values of areas different in distance from the river

圖3 泰州市非點源污染輸出風(fēng)險分布Fig.3 Distribution of the risks of non-point source pollution output in Taizhou

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