基于DPeRS模型的渭河典型斷面匯水區(qū)面源污染評估及污染成因分析

王玉，王雪蕾，張亞群，馮愛萍，黃莉，尹文杰，朱南華諾娃，謝成玉，郝晗，蔡雅

(1. 生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100096；2. 甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000；3.河北省衡水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北 衡水 053000)

0 前言

國務(wù)院《水污染防治行動計(jì)劃》《甘肅省水污染防治工作方案(2015—2050年)》中明確提出渭河水系考核斷面水質(zhì)優(yōu)良比例達(dá)到100%的目標(biāo)?！笆濉币詠恚瑸楦纳莆己铀|(zhì)，甘肅省連續(xù)開展了多項(xiàng)渭河流域水污染防治行動，通過現(xiàn)場督查、斷面考核、媒體曝光等措施，狠抓污染源頭、實(shí)施工業(yè)企業(yè)廢水深度治理、城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造和新擴(kuò)建工程建設(shè)等專項(xiàng)工作，樺林?jǐn)嗝嫠|(zhì)與往年相比有很大的改善，枯水期水質(zhì)惡化嚴(yán)重的問題得到有效緩解，水污染防治工作發(fā)揮了積極的作用，但長期來看渭河樺林?jǐn)嗝嬉廊淮嬖谒|(zhì)波動明顯、月度水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的風(fēng)險。面源污染作為影響水質(zhì)安全的重要污染來源，引起了管理部門的廣泛關(guān)注，其具有的隨機(jī)性、廣泛性、滯后性、模糊性、潛伏性等特點(diǎn)，加大了相應(yīng)的研究、治理和管理政策制定的難度。開展渭河樺林?jǐn)嗝鎱R水區(qū)面源污染負(fù)荷的量化分析，掌握樺林?jǐn)嗝鎱R水范圍面源污染現(xiàn)狀以及點(diǎn)源污染特征，可為斷面所在流域污染防治提供有效參考，對控制流域面源污染、改善流域水環(huán)境和促進(jìn)水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)具有重要意義。

模型評估是全面掌握面源污染情況的有效途徑之一，國內(nèi)外學(xué)者采用的面源模型眾多[1-16]，根據(jù)模擬參數(shù)是否考慮物理機(jī)制過程和時空尺度轉(zhuǎn)換，可以歸納為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型2大類。近年來，我國生態(tài)環(huán)境部加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測評估技術(shù)攻關(guān)、試點(diǎn)示范、文件發(fā)布和技術(shù)幫扶，以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心，以“天地協(xié)同監(jiān)測、模型評估核算”為基本思路，探索建立了全國農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測評估技術(shù)體系?！笆奈濉逼陂g我國國家層面農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測評估任務(wù)已出臺技術(shù)文件，未來將基于我國自主研發(fā)的遙感分布式污染估算(DPeRS)模型系統(tǒng)開展監(jiān)測評估[17]。DPeRS模型系統(tǒng)以遙感像元為基本模型運(yùn)算單位，可實(shí)現(xiàn)污染負(fù)荷空間精細(xì)化、可視化表征。與傳統(tǒng)總量減排核算方法相比，該模型引入遙感數(shù)據(jù)，有效降低了對地面數(shù)據(jù)的要求，并實(shí)現(xiàn)了從“點(diǎn)”到“面”的空間突破，可為因地制宜地制定面源污染防控方案提供技術(shù)支撐。目前該模型算法已在長三角地區(qū)4個省份完成了典型試點(diǎn)示范應(yīng)用，未來將作為主要技術(shù)方案支撐全國層面的農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測任務(wù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，流經(jīng)隴東高原、天水盆地、關(guān)中平原，至潼關(guān)入黃河，是黃河最大支流，地形地貌特征屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，丘陵溝壑縱橫，地形起伏較大，植被條件差，降水較少。樺林?jǐn)嗝?103°51′—104°55′E，34°13—35°28′N)是渭河上游天水市入境斷面，受地形特征影響, 樺林?jǐn)嗝鎱R水區(qū)區(qū)域氣候較為敏感，在我國植被區(qū)劃中屬于溫帶草原區(qū)，在我國生態(tài)地理區(qū)劃中，研究區(qū)北部為暖溫帶半干旱黃土高原中北部草原區(qū)，南部為暖溫帶半濕潤汾渭盆地落葉闊葉林、人工植被區(qū)。渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)平均海拔約2 000 m，地勢呈西高東低走勢，西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,是水土流失較為嚴(yán)重的地區(qū)。匯水區(qū)總面積約為7 845 km2，地跨甘肅省定西市和天水市，涉及6個縣級行政區(qū)，其中包括隴西縣、漳縣全縣，以及岷縣、渭源縣、武山縣、臨洮縣4個不完整縣段，其中武山縣屬天水市轄區(qū)，其他5個縣域/縣段均屬定西市轄區(qū)，渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)地理位置見圖1。

圖1 渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)地理位置示意

1.2 DPeRS模型方法

采用DPeRS模型對渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)面源污染進(jìn)行分類型分指標(biāo)估算。DPeRS模型是基于二元結(jié)構(gòu)原理構(gòu)建的遙感分布模型，該模型綜合考慮了自然要素(降水、植被蓋度、地形和地貌等)和社會經(jīng)濟(jì)要素(施肥利用效率、人口、牲畜和家禽等)對面源污染量的影響。模型算法以遙感數(shù)據(jù)為驅(qū)動數(shù)據(jù)，耦合定量遙感模型和生態(tài)水文過程模型對流域尺度面源污染負(fù)荷的時空動態(tài)進(jìn)行定量分析。模型采用交互式數(shù)據(jù)語言-可視化圖像環(huán)境(IDL-ENVI)平臺進(jìn)行開發(fā)調(diào)試。模型空間計(jì)算單元為影像柵格，模型參數(shù)考慮流域水文特征、土地利用和土壤特征等確定。具體技術(shù)路線見圖2。

圖2 DPeRS模型技術(shù)路線

1.3 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

模型輸入數(shù)據(jù)主要包括渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)2018年的月度降水量、土地利用、月度植被覆蓋度、坡度坡長、土壤數(shù)據(jù)和農(nóng)田氮磷表觀平衡量等，所有數(shù)據(jù)均統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為30 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。月降水量、植被覆蓋度、農(nóng)田氮磷表觀平衡量數(shù)據(jù)空間分布見圖3(a)(b)(c)(d)。數(shù)據(jù)來源與處理方法見表1。

圖3 渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)主要數(shù)據(jù)空間分布

表1 數(shù)據(jù)來源與處理方法

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用分布特征

采用2～8 m 高分系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，利用人機(jī)交互式解譯和面向?qū)ο笮畔⑻崛》椒ǐ@取2018年樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)的土地利用信息。渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)8 m分辨率土地利用類型空間分布見圖4。由圖4可見，渭河樺林?jǐn)嗝姹辈可嫌蔚呐R洮縣縣段、渭源縣段、隴西縣和武山縣段內(nèi)土地利用類型主要為旱地，林地和草地主要分布在西部和南部山區(qū)的漳縣和岷縣縣段。

圖4 渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)土地利用類型空間分布

渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)土地利用類型面積及占比統(tǒng)計(jì)信息見表2。由表2可見，土地利用類型中面積占比較多的依次為耕地、草地、林地、建設(shè)用地，其中耕地包括水田和旱地。耕地面積合計(jì)為4 936.39 km2，占比62.16%；林地、草地面積合計(jì)為2 596.05 km2，占比32.69%；建設(shè)用地為370.87 km2，占比4.67%；水域、未利用地面積較少，占比均不足1%。

表2 渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)土地利用類型面積及占比 km2

2.2 面源污染物排放分布特征

圖5 渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)面源污染排放負(fù)荷空間分布

表3 渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)面源污染排放負(fù)荷及排放量

2.3 面源污染入河分布特征

表4 渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)面源污染入河量 t

2.4 水土流失量空間解析

基于DPeRS模型得到2018年渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)水土流失量為74.7萬t，產(chǎn)沙量為381.8萬t。渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)水土流失量及泥沙負(fù)荷空間分布見圖7(a)(b)。

由圖7(a)可見，漳縣西部地區(qū)水土流失較為嚴(yán)重，隴西縣東部和武山縣地區(qū)的水土流失量表現(xiàn)為輕度水平以上的零散分布。由圖7(b)可見，漳縣西部、隴西縣、渭源縣縣段北部地區(qū)泥沙負(fù)荷量較高，由此攜帶的顆粒態(tài)面源污染物可能較多，應(yīng)該引起足夠重視，此外，臨洮縣縣段也存在較高泥沙負(fù)荷量，存在水土流失量較高的風(fēng)險。

圖7 渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)水土流失量及泥沙負(fù)荷空間分布

2.5 樺林?jǐn)嗝嫠|(zhì)、水量及超標(biāo)規(guī)律分析

2011—2015年樺林?jǐn)嗝嬖露人|(zhì)類別見表5。有 13個監(jiān)測月實(shí)測水質(zhì)為劣Ⅴ類，其中2013—2015年最為嚴(yán)重；“十三五”期間，2019年3月出現(xiàn)1次Ⅳ類水質(zhì)的情況。相較“十二五”期間水質(zhì)波動明顯、月度水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的情況，“十三五”以來，樺林?jǐn)嗝嫠|(zhì)有很大的改善，枯水期(1—3月)水質(zhì)惡化問題得到有效緩解。

樺林?jǐn)嗝?011—2020年的月平均流量監(jiān)測數(shù)據(jù)見表5。由表5可見，年均流量呈現(xiàn)先升后降再上升的波動態(tài)勢，其中2012—2013年出現(xiàn)小波峰后，2018—2020年出現(xiàn)最高點(diǎn)，2018年7月豐水期流量達(dá)到145 m3/s。數(shù)據(jù)顯示，樺林?jǐn)嗝婵菟?1—3月)最差水質(zhì)出現(xiàn)的年份流量相對較小，而枯水期多出現(xiàn)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象，因此可以看出，與我國東南部汛期(6—9月)污染特點(diǎn)相反，樺林?jǐn)嗝鎱R水區(qū)較少存在入河污染物旱季(1—3月)藏污納垢，汛期“零存整取”的情況，枯水期是出現(xiàn)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵時期。

表5 2011—2020年樺林?jǐn)嗝嬖露人|(zhì)類別①

表6 2011—2020年樺林?jǐn)嗝嬖缕骄髁?m3/s

2.6 面源污染類型解析

渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)不同類型面源污染入河量統(tǒng)計(jì)信息見表7。

表7 渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)面源污染入河量

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

(1)渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)生態(tài)本底脆弱，水資源匱乏，河床萎縮，生態(tài)水量難以保障，枯水期污水廠排出的廢水成為河流主要的水源，也是“十二五”期間河流水質(zhì)超標(biāo)的疑似重要原因之一。樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)氣候以干流為界，南北兩岸差異明顯，南岸降水較多；北岸及上游區(qū)屬氣候干旱，降雨量較少，土地裸露，植被稀疏區(qū)域易導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重。匯水區(qū)內(nèi)渭河上游隴西縣、渭源縣縣段人口密度較大，生產(chǎn)、生活用水量較多，同時受引蓄水工程等影響，河川徑流量明顯減少?！笆濉逼陂g水資源供需矛盾緊張，生態(tài)流量不足，有13個監(jiān)測月實(shí)測水質(zhì)為劣Ⅴ類水質(zhì)，枯水期水質(zhì)超標(biāo)問題凸顯，“十三五”期間通過施行一系列水源涵養(yǎng)與保護(hù)修復(fù)措施，水量有所提高，僅有1個監(jiān)測月為Ⅳ類水質(zhì)，其他月份均達(dá)到了Ⅱ、Ⅲ類，因此穩(wěn)定的生態(tài)流量是水質(zhì)達(dá)標(biāo)的重要因素。

(2)由于生態(tài)流量較小，樺林國控斷面所在匯水區(qū)很少出現(xiàn)汛期污染強(qiáng)度較大的情況，枯水期多因人為排放而出現(xiàn)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的情況，而匯水區(qū)人口、企業(yè)點(diǎn)源、工業(yè)比重較大的城鎮(zhèn)主要集中在干流，因此枯水期污染治理仍是保障水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵期。

(3)樺林國控斷面所在匯水區(qū)面源污染主要來自種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)，匯水區(qū)面源污染防控重點(diǎn)應(yīng)是控源(源頭治理)，主抓種植和畜禽養(yǎng)殖等污染源排放，尤其是農(nóng)田養(yǎng)分流失導(dǎo)致的面源污染排放。

3.2 建議

從甘肅省渭河樺林?jǐn)嗝嫠趨R水區(qū)面源污染排放和入河負(fù)荷空間分布來看，面源污染防控應(yīng)著重從農(nóng)田管理措施方面下手，推行測土配方施肥技術(shù)，提高化肥利用率，有效降低土壤養(yǎng)分盈余；采用滴灌、溝灌等節(jié)水灌溉措施，逐步推廣水肥一體化技術(shù)，有效降低土壤養(yǎng)分流失，進(jìn)而降低農(nóng)田生產(chǎn)過程導(dǎo)致的面源污染排放。綜上，建議從節(jié)水節(jié)肥等方面提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，保證農(nóng)田土壤養(yǎng)分供給的前提下減少養(yǎng)分流失，以降低農(nóng)田徑流導(dǎo)致的面源污染排放。