張家口冬奧會核心區(qū)非點源污染負荷估算

張 冉，夏建新，任華堂

(中央民族大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京 100081)

綠色奧運是2022 年張家口冬奧會的核心理念之一，保障張家口冬奧會核心區(qū)地表水質(zhì)達到三類水的要求是踐行綠色奧運的重要任務(wù)。地表水污染物主要來源于點源和非點源。冬奧會核心區(qū)流域點源污染處理程度不高，非點源污染疏于管理，河流水質(zhì)較差。其中點源集中排放污染治理相對容易，而非點源污染物排放分散，治理難度大。因此，準確估算非點源污染負荷是保障水質(zhì)達標的前提和基礎(chǔ)。

研究區(qū)位于張家口市清水河上游支流流域，該流域缺乏歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，近年來相關(guān)研究很少。在崇禮冬奧會臨近召開的背景下，有學(xué)者[1]開始關(guān)注清水河上游河流水質(zhì)問題，監(jiān)測分析了河流總氮（TN）、化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）和氨氮（NH4+-N）濃度的季節(jié)性變化，而非點源污染負荷方面還未見報道。非點源污染負荷估算有很多方法，主要分為輸出系數(shù)法和過程模擬法。輸出系數(shù)法相對于過程模擬法所需參數(shù)少，操作簡便，適用于缺乏長時間系列監(jiān)測數(shù)據(jù)流域的非點源污染負荷估算。輸出系數(shù)法中利用已有文獻值確定輸出系數(shù)進行計算存在著不確定性，許多學(xué)者對其進行了改進。Soranno 等[2]考慮營養(yǎng)物來源與水體之間的距離，引入傳輸系數(shù)改進了傳統(tǒng)輸出系數(shù)模型；蔡明等[3]考慮水文因素和流域損失因素，引入降雨影響系數(shù)和流域損失系數(shù)等。在傳統(tǒng)的輸出系數(shù)模型基礎(chǔ)上考慮降雨和地形因素是當前的主要研究手段[4]。胡正等[5-6]引入降雨、地形因子后分別應(yīng)用于四川達州缺資料小流域地區(qū)和寶象河流域的非點源污染負荷量估算分析。以往研究中一般利用年降雨量建立與多年平均降雨量或入河負荷量的關(guān)系得到降雨影響因子，以反映污染負荷的年際變化，而忽略了年內(nèi)降雨量變化的影響，利用月降雨量進行降雨影響因子的計算可能更為準確。

本文利用研究區(qū)月降雨量數(shù)據(jù)計算得到年降雨影響因子，運用考慮降雨和地形影響因子的輸出系數(shù)法，確定研究區(qū)主要污染物輸出系數(shù)，估算冬奧會核心區(qū)的流域非點源污染負荷量、空間分布并分析主要污染物的來源貢獻，以期為冬奧會核心區(qū)水環(huán)境安全保障提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

冬奧會核心區(qū)位于張家口市崇禮區(qū)（40°47′～41°17′N，114°17′～115°34′E），研究區(qū)土地利用類型以草地、林地和耕地為主，分別占總面積的41.54%，33.61%和22.92%，農(nóng)村居民點用地占總面積的9.09%，見圖1。農(nóng)村居民點分散位于河流兩岸，農(nóng)村人口生活、畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)用地產(chǎn)生污染物為河流非點源污染的主要來源。研究區(qū)內(nèi)河流清水河屬海河流域永定河水系上游，是洋河支流，發(fā)源于張北縣與崇禮縣交界處樺皮嶺南麓，細分為東溝和太子城河，其中太子城河流域為奧運村（原太子城村）及賽事場館所在地。東溝河流為南北走向，流經(jīng)清三營鄉(xiāng)、獅子溝鄉(xiāng)、白旗鄉(xiāng)及西灣子鎮(zhèn)，河流全長44 km，流域面積770 km2。太子城河發(fā)源于四臺嘴鄉(xiāng)水泉子村，流經(jīng)奧運村（原太子城村）以及四臺嘴鄉(xiāng)7 個行政村，在西灣子鎮(zhèn)匯入清水河，河流長約27 km，流域面積220 km2。

圖1 研究區(qū)土地利用類型Fig.1 Land use types in the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用到的數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)土地利用類型、數(shù)字高程模型（DEM）、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，具體來源如下：

(1)在地理空間數(shù)據(jù)云獲得研究區(qū)的30 m×30 m 精度的DEM 數(shù)據(jù)（http://www.gscloud.cn/）。利用Arcgis10.2 對崇禮區(qū)的DEM 柵格數(shù)據(jù)進行裁剪處理后，提取研究區(qū)的河流水系，得到研究區(qū)流域地形數(shù)據(jù)。

(2)崇禮區(qū)的土地利用類型/植被覆蓋數(shù)據(jù)來源于地理國情監(jiān)測云平臺（http://www.dsac.cn/）。土地利用類型/植被覆蓋數(shù)據(jù)來源于崇禮區(qū)2015 年的土地利用/植被覆蓋數(shù)據(jù)，利用Arcgis10.2 進行裁剪得到研究區(qū)的土地利用類型數(shù)據(jù)。(3)人口、畜禽養(yǎng)殖、降雨量數(shù)據(jù)由2007—2017 年張家口市經(jīng)濟年鑒[7]中得到。

1.3 研究方法

1.3.1 計算方法 采用最早由Johnes 提出的輸出系數(shù)模型[8]進行計算：

式中：L 為污染物的產(chǎn)生量；n 為污染源的種類；Ek為第k 種污染源的輸出系數(shù)；Ak為第k 種牲畜的數(shù)量；Ik為第k 種污染源的污染物輸出量；P 為由降雨輸入的污染物。

降雨和地形是非點源污染物的主要驅(qū)動力和重要影響因素?？紤]到降雨和地形對非點源污染影響的時間和空間不均勻性，引入降雨影響因子和地形影響因子的輸出系數(shù)模型[9]，其表達式為：

式中：Li為第i 種污染物的污染負荷量； α為降雨影響因子； β為地形影響因子；Ei,j為第i 種污染物的第j 種污染源的輸出系數(shù)；Aj(Ij)為第j 種污染源的污染物輸出量。

1.3.2 輸出系數(shù)的確定 本文輸出系數(shù)采用查閱文獻法，參考以往相關(guān)研究成果[10-12]，已有文獻中輸出系數(shù)不能反映研究區(qū)特殊條件，結(jié)合研究區(qū)實地調(diào)研的實際情況進行調(diào)整后確定。污染物隨降雨徑流遷移入河過程中會有一定比例的滯留和衰減。現(xiàn)有研究成果中農(nóng)村生活污染源產(chǎn)生污染物的入河系數(shù)為0.01～0.10；農(nóng)業(yè)污染源產(chǎn)生污染物的入河系數(shù)為0.10～0.30；散養(yǎng)畜禽污染源的污染物入河系數(shù)為0.10～0.30[13]。入河系數(shù)大小與降雨產(chǎn)生徑流量大小直接相關(guān)，徑流量越大，污染物入河系數(shù)越大。本文研究區(qū)流域徑流量較小，污染物入河過程中的滯留量和衰減量相對較高，初步確定TN、COD、TP 和NH4+-N等4 種污染物的入河系數(shù)分別為0.04、0.02、0.01 和0.01，以其他北方相似流域污染物輸出系數(shù)為基礎(chǔ)，估算得到研究區(qū)污染源輸出系數(shù)見表1。

表1 不同污染源的污染物輸出系數(shù)Tab.1 Pollutant export coefficients of different pollutant sources

1.3.3 降雨及地形影響因子計算 根據(jù)土壤流失方程中降雨侵蝕力影響因子的計算方法，應(yīng)用前人通過河北省各氣象臺站的降雨數(shù)據(jù)建立的降雨侵蝕力估算模型[14]式（4），計算了降雨侵蝕力因子，進而得到研究區(qū)的降雨影響因子α。由于研究區(qū)域?qū)儆谛×饔颍臻g降雨量的不均勻性對降雨侵蝕力因子的影響不予考慮。

式中： Ri為第i 年降雨侵蝕力（MJ·mm·ha·h-1）；為多年平均降雨侵蝕力（MJ·mm·ha·h-1·a-1）；Fi為年降雨量中逐月雨量對降雨侵蝕力的影響；Pi,j為第i 年第j 月平均降雨量（mm）；P 為多年平均降雨量（mm）。

流域地形坡度主要通過影響坡面徑流量來影響其攜帶的污染物的量，最終影響污染物的遷移變化。為了反映不同子流域的污染負荷的輸出量，對研究區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)進行了坡度分析，研究區(qū)的坡度分析結(jié)果如圖2 所示，得到研究區(qū)的平均坡度為15.76°。

圖2 流域坡度分布Fig.2 Watershed slope distribution

根據(jù)以往相關(guān)研究[9]，地形影響因子β 可以定義為式（6）。結(jié)合研究區(qū)的DEM 和土地利用類型數(shù)據(jù)，利用Arcmap10.2 將研究區(qū)劃分為17 個子流域，考慮了不同子流域坡度空間差異對污染負荷量輸出的空間分布影響，對不同子流域的土地利用類型進行了分區(qū)統(tǒng)計后，再根據(jù)各子流域坡度與流域平均坡度的空間差異對不同子流域輸出污染負荷進行計算。

式中：L 為污染負荷量（kg）；d 為常量； θj為不同子流域的平均坡度為研究區(qū)的平均坡度（°）。

1.4 計算結(jié)果驗證

大多數(shù)非點源污染物是在汛期排入水體，因此，為了驗證計算結(jié)果的可靠性，采用以往研究中2016 年7—9 月份汛期東溝沿程河道斷面水質(zhì)監(jiān)測平均值[1]與年徑流量乘積得到污染負荷量與本文計算結(jié)果進行對比（圖3）。

經(jīng)計算：TN、COD、TP 和NH4+-N 輸出負荷量計算值與實測值的相對誤差分別為10.54%、9.69%、24.86%和35.76%，均在允許范圍內(nèi)。這證明本文計算方法與確定的輸出系數(shù)值合適，本文對研究區(qū)非點源污染負荷的估算結(jié)果合理。

圖3 計算值與實測值對比Fig.3 Comparison of calculated and measured values

2 結(jié)果分析

2.1 非點源污染物負荷量

研究區(qū)非點源污染負荷估算將污染源分為非土地利用因素和土地利用因素兩部分分別進行計算，非土地利用因素包括畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)人口生活輸出的非點源污染。其中，畜禽養(yǎng)殖包括牲畜和禽類，牲畜分為大牲畜（如牛和馬等）、小型牲畜（豬和羊）。土地利用因素將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地和建設(shè)用地。

2.1.1 非土地利用因素產(chǎn)生的污染負荷 應(yīng)用輸出系數(shù)法對冬奧會核心區(qū)流域2007—2016 年非點源總氮（TN）、化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）和氨氮（NH4+-N）負荷量進行了計算。圖4 給出了2007—2016 年非土地利用因素污染源輸出的污染物負荷量。

圖4 非土地利用因素污染源輸出負荷量Fig.4 Non-land use factor pollution source export load

可見，年輸出的TN 負荷量為1 154.25～17 540.39 kg，年均輸出TN 負荷量為9 694.48 kg；年輸出COD負荷量為2 114.76～34 552.41 kg，年均COD 輸出量為18 995.29 kg；年輸出TP 負荷量為51.29～842.54 kg，年均TP 輸出量為446.09 kg；年輸出NH4+-N 負荷量為34.40～514.88 kg，年均輸出NH4+-N 負荷量為294.05 kg。非土地利用因素污染源輸出負荷量年際差異較大，主要與年際降雨侵蝕力變化影響有關(guān)，輸出污染負荷與降雨侵蝕力成正比，污染負荷總量年際變化整體趨勢與各污染源輸出量波動變化一致；其次與各年份不同污染源數(shù)量變化有關(guān)，其中農(nóng)業(yè)人口與養(yǎng)殖大牲畜數(shù)量比較穩(wěn)定，而養(yǎng)殖豬輸出污染負荷量逐年遞增，養(yǎng)殖羊輸出污染負荷逐年遞減，禽類輸出污染負荷年際波動分布，與污染源數(shù)量增減趨勢相同。

2.1.2 土地利用因素產(chǎn)生的污染負荷 利用崇禮區(qū)土地利用類型/植被覆蓋遙感數(shù)據(jù)得到研究區(qū)土地利用類型，計算得到了的不同土地利用類型輸出污染物負荷量，圖5 給出了不同土地利用類型的污染物輸出負荷量。

由圖5 可見：研究區(qū)不同土地利用類型年輸出TN 污染負荷量為33 372.94 kg；COD 污染負荷量為21 453.45 kg；年輸出TP 污染負荷量為512.82 kg；年輸出NH4+-N 污染負荷量為1 129.78 kg。對比不同土地利用類型輸出的污染物結(jié)果來看，耕地是非點源污染負荷的主要污染來源，其次為草地和林地，建設(shè)用地輸出的污染負荷量相對較少。

圖5 不同土地利用類型輸出污染物負荷量Fig.5 Export pollutant load of different land use types

2.2 污染物來源及其空間分布

圖6 給出了2016 年4 種污染物負荷量的不同類型污染源輸出污染物的來源貢獻結(jié)果。TN 污染負荷量的來源貢獻分析結(jié)果表明：耕地（49.82%）為輸出總氮污染負荷量的最大來源，其次為草地（18.34%）、大牲畜（13.60%）和農(nóng)業(yè)人口生活（9.91%）。COD 污染負荷量的主要來源貢獻大小依次為農(nóng)業(yè)人口生活（36.95%）、耕地（17.73%）、林地（15.59%）和草地（14.28%）。TP 污染負荷量來源貢獻分析結(jié)果表明：農(nóng)業(yè)人口生活（43.81%）和耕地（33.27%）為主要污染源，其次為草地（10.85%）。NH4+-N 污染負荷量來源貢獻結(jié)果分析表明：主要貢獻量大小依次為：耕地（61.25%）、農(nóng)業(yè)人口生活（11.83%）、林地（8.96%）、大牲畜（7.72%）和草地（5.33%）。

考慮了不同子流域坡度因子β 的影響，對不同子流域污染源進行分區(qū)統(tǒng)計后，利用輸出系數(shù)法進行了計算，揭示了2016 年4 種污染物輸出負荷量來源的空間分布情況，見圖7。

圖6 污染物負荷量來源貢獻Fig.6 Pollutant load source contribution

圖7 污染負荷量空間分布Fig.7 Spatial distribution of pollutant load

總體來看：不同子流域輸出非點源污染負荷分布不均勻，TN 輸出負荷量主要分布在獅子溝鄉(xiāng)和西灣子鎮(zhèn)南部（9 421～12 664 kg）以及清三營鄉(xiāng)、白旗鄉(xiāng)和四臺嘴鄉(xiāng)部分子流域（5 226～9 421 kg）；COD 輸出負荷量在西灣子鎮(zhèn)南部子流域最高為15 634 kg，其次為獅子溝鄉(xiāng)北部、白旗鄉(xiāng)西部、西灣子鎮(zhèn)西部和四臺嘴鄉(xiāng)南部子流域（6 045～10 354 kg）；TP 輸出負荷量在西灣子鎮(zhèn)南部子流域最高為334 kg，其次為獅子溝鄉(xiāng)北部、白旗鄉(xiāng)西部以及四臺嘴鄉(xiāng)南部子流域（163～236 kg）；NH4+-N 輸出負荷量主要分布在西灣子鎮(zhèn)西南部（424 kg），其次為獅子溝鄉(xiāng)、清三營鄉(xiāng)、白旗鄉(xiāng)部分子流域以及四臺嘴鄉(xiāng)南部子流域（170～316 kg）。

3 結(jié) 語

為分析冬奧會核心區(qū)非點源排放污染物對流域水環(huán)境的影響，采用輸出系數(shù)法計算了張家口冬奧會核心區(qū)的非點源污染負荷量、空間分布，分析了不同類型污染負荷的來源。通過實測水質(zhì)監(jiān)測值驗證了輸出系數(shù)法計算結(jié)果的準確性，得到以下結(jié)論：

（1）2007—2016 年非土地利用因素污染源年輸出的TN 負荷量為1 154.25～17 540.39 kg；年輸出COD為2 114.76～34 552.41 kg；年輸出TP 負荷量為51.29～842.54 kg；年輸出NH4+-N 負荷量為34.40～514.88 kg。

（2）不同土地利用類型污染源年輸出TN 污染負荷量為33 372.94 kg；COD 污染負荷量為21 453.45 kg；TP 的污染負荷量為512.82 kg；NH4+-N 的污染負荷量為1 129.78 kg。

（3）從4 種污染物的貢獻來源來看，TN 的輸出負荷量中貢獻最大的是耕地，其次為草地、大牲畜養(yǎng)殖以及農(nóng)業(yè)人口生活。COD 污染負荷量的主要來源貢獻依次為農(nóng)業(yè)人口生活>耕地>林地>草地。TP 污染負荷量來源貢獻中農(nóng)業(yè)人口生活和耕地為主要污染源，其次為草地。NH4+-N 污染負荷量主要來源于耕地，其次為農(nóng)業(yè)人口生活和大牲畜養(yǎng)殖。

（4）污染物輸出負荷量的空間分布不均。東溝上游子流域和下游出口子流域的輸出量比較高；太子城河流域中下游子流域輸出負荷量相對較高。

（5）從冬奧會核心區(qū)建設(shè)及長遠發(fā)展來看，冬奧會舉辦期間以及未來人口增多，河流水質(zhì)要達到冬奧會對地表水質(zhì)的要求標準將面臨巨大困難和挑戰(zhàn)。因此，需要點源污染與非點源污染協(xié)同控制，不僅要對點源污染實行高標準污水處理工程進行削減，還要合理規(guī)范畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，科學(xué)管理農(nóng)業(yè)用地化肥農(nóng)藥的使用，減少非點源污染負荷輸出量，切實履行綠色奧運的重要理念。