基于控制單元劃分的大遼河流域污染物空間分布及來源解析

翁巧然，呂旭波，孫明東，徐香勤*，程全國*

1.沈陽大學(xué)環(huán)境學(xué)院

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所

水在地表生態(tài)平衡中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，水環(huán)境受損已經(jīng)成為許多國家和地區(qū)面臨的主要環(huán)境問題之一，威脅著人類的健康和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。水環(huán)境污染包括點源污染和非點源污染[3-4]，其點源和非點源污染會對水環(huán)境產(chǎn)生綜合影響。受區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展、水文條件、下墊面等方面的差異，不同流域水體中點源和非點源污染貢獻率存在較大差異[5]。因此，定量估算各類污染物相對貢獻并對其來源進行解析，可為流域污染治理及控源減排工作提供重要依據(jù)。

在流域水環(huán)境污染治理相關(guān)研究中，準(zhǔn)確核算流域污染負(fù)荷并估算污染物入河量是一項基礎(chǔ)性的工作，是識別出研究區(qū)污染物關(guān)鍵源區(qū)的重要環(huán)節(jié)。El-Nakib等[6]對貝魯特流域點源和非點源污染負(fù)荷進行估算，結(jié)果表明點源是整個流域水質(zhì)受損的主要原因；Matej-?ukowicz等[7]估算了奧利瓦河流的生物污染物負(fù)荷，結(jié)果表明污染主要來源于城市化集水區(qū)；高艷妮等[8]估算了遼河保護區(qū)2010——2018年農(nóng)田地表徑流污染物入河量；宋梓菡等[9]對哈爾濱市主城區(qū)河流污染物COD、TN、TP年入河量進行估算，發(fā)現(xiàn)城郊污染較嚴(yán)重，主要來源于農(nóng)村生活源和農(nóng)田面源；李艷紅等[10]對信江流域污染負(fù)荷進行了估算，王晉虎等[11]對京杭運河（蘇州段）污染負(fù)荷進行了估算。點源污染物具有集中排放、便于監(jiān)測和統(tǒng)計的特點，而非點源污染由于來源復(fù)雜、輸出途徑不確定、受外界條件影響大、不易監(jiān)測等特點，污染入河量估算具有較大不確定性[12-15]。國內(nèi)外學(xué)者雖然對流域污染物入河量估算及來源解析開展了大量研究，但將污染物來源及其貢獻細化到流域控制單元和行政區(qū)的分析研究較少。

大遼河作為遼東灣第二大入海河流，沿海地區(qū)工農(nóng)業(yè)活動發(fā)達，同時匯集了遼河流域多個城市的生產(chǎn)、生活污水，污染來源范圍廣、輸移路徑復(fù)雜。為分析大遼河流域污染物入河量及其來源，筆者建立“流域——控制單元——行政區(qū)”空間拓?fù)潢P(guān)系，以2019年為基準(zhǔn)年，對大遼河流域國控斷面水質(zhì)情況、各控制單元內(nèi)污染物入河量及空間分布特征進行分析，綜合考慮點源和非點源污染的影響，對控制單元出口超標(biāo)斷面污染物來源進行解析，并提出管控對策建議，以期為大遼河流域水環(huán)境改善提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大遼河流域位于遼寧省東部地區(qū)，發(fā)源于撫順市清原滿族自治縣灣甸子鎮(zhèn)長白山支脈的滾馬嶺西側(cè)，途經(jīng)撫順、沈陽、本溪、遼陽、鞍山、盤錦等地，交匯于三岔河附近成大遼河，至營口市注入遼東灣，流域面積為2.73萬km2，由渾河、太子河、大遼河水系構(gòu)成。渾河全長415 km，流域面積為1.15萬km2；太子河全長413 km，流域面積為1.39萬km2。研究區(qū)域水系如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 控制單元劃分

采用ArcGIS軟件的水文分析模塊，基于流域數(shù)字高程模型（DEM）劃定流域邊界。結(jié)合大遼河流域水系分布特征和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)劃，最終將流域劃分成26個控制單元，編號為C1～C26（圖1和表1）。

表1 大遼河流域縣級行政區(qū)所在控制單元Table 1 Control unit of county-level administrative region in Daliao River Basin

圖1 研究區(qū)水系及控制單元Fig.1 Water system and control unit in the study area

1.2.2 水質(zhì)評價方法

采用單因子評價法對大遼河流域控制斷面水質(zhì)進行評價，并計算各超標(biāo)因子超標(biāo)倍數(shù)。單因子污染指數(shù)（Pi）的計算公式如下：

式中：Ci為污染物i的實測濃度，mg/L；Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L，本研究采用《水污染防治行動計劃》中確定的2020年國控斷面水質(zhì)考核目標(biāo)作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》中推薦的方法計算超標(biāo)倍數(shù)，計算公式為：

式中：R為超標(biāo)倍數(shù)；Tm為某指標(biāo)的實測濃度，mg/L；Th為該指標(biāo)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L。

1.2.3 入河量估算方法

點源污染物入河量采用統(tǒng)計法進行核算。根據(jù)環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，統(tǒng)計存在直接排放進入環(huán)境的工業(yè)企業(yè)、城鎮(zhèn)污水處理廠以及規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場的COD、NH3-N、TN和TP的量，在數(shù)據(jù)校核的基礎(chǔ)上，按控制單元直接核算，計算公式為：

式中：W為點源污染物入河量，t/a；Q為廢水排放量，t/a；B為點源污染物濃度，mg/L；d為入河系數(shù)。

非點源污染物入河量利用輸出系數(shù)模型進行核算。輸出系數(shù)模型最早于20世紀(jì)70年代初期由美國和加拿大提出，主要應(yīng)用于研究土地利用和湖泊營養(yǎng)之間關(guān)系，而后經(jīng)過Jonhes等[16-18]對模型的不斷改進，將牲畜、人口等因素融入其中，使得模型得到進一步完善和推廣。計算公式為：

式中：Lj為污染物j在流域中的總?cè)牒恿?，t/a；x為流域中土地利用類型或畜禽種類或人口，分別共n種；Exj為污染物j在x種土地利用類型的輸出系數(shù)或第x種畜禽的輸出系數(shù)或人的輸出系數(shù)，t/（km2·a）或kg/[人 (頭或羽)·a]；Ax為第x種土地利用類型面積（km2）或人口數(shù)量（人）或畜禽數(shù)量（頭）；p為來自降水的污染物輸出量，t/a，本研究不考慮此項的影響。

1.2.4 輸出系數(shù)及入河系數(shù)的確定

非點源輸出系數(shù)的確定主要通過查閱文獻法、實地野外監(jiān)測法和數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法[19]。本研究通過查閱相關(guān)文獻，并結(jié)合研究區(qū)以往研究成果選取相關(guān)輸出系數(shù)。不同土地利用類型和農(nóng)村生活源輸出系數(shù)取值參考同一地區(qū)相似環(huán)境條件下的研究成果[20-23]綜合取值；分散式畜禽養(yǎng)殖污染源輸出系數(shù)參照第二次全國污染普查《農(nóng)業(yè)源產(chǎn)排污核算方法和系數(shù)手冊》中推薦的遼寧省排污系數(shù)進行取值。不同類型污染源輸出系數(shù)見表2。

表2 大遼河流域輸出系數(shù)Table 2 Daliao River Basin output coefficient

點源入河系數(shù)主要依據(jù)污染源排放口到入河排污口的距離來確定（表3）。非點源入河系數(shù)參考相關(guān)研究成果，農(nóng)村生活源入河系數(shù)取0.2[23]，土地利用類型污染源入河系數(shù)取0.11[23]，分散式畜禽養(yǎng)殖污染源取0.13[24-25]。

表3 點源入河距離修正系數(shù)取值Table 3 Coefficient from point source inflow into river

1.2.5 河流污染物通量估算方法

污染物通量的估算方法眾多[26-27]，考慮到大遼河流域水質(zhì)監(jiān)測頻率基本以月為單位的實際情況，參考富國[28]的相關(guān)研究，污染物通量的計算公式為：

式中：F為污染物年通量，t/a；Iy為第y個月的污染物濃度，mg/L；Ny為第y個月的徑流量，108m3。

1.3 數(shù)據(jù)來源及處理

數(shù)據(jù)主要包括2019年國控斷面逐月水質(zhì)數(shù)據(jù)、環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)、不同土地利用類型及面積、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、農(nóng)村人口數(shù)量、流域DEM數(shù)據(jù)及水文數(shù)據(jù)等（表4）。運用ArcGIS10.7、Origin2018軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和分析。

表4 數(shù)據(jù)來源及說明Table 4 Data sources and description

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)狀況分析

研究區(qū)共包含28個國控斷面，基于2019年各國控斷面逐月污染物濃度，采用單因子評價法對各斷面水質(zhì)進行評價，結(jié)果如表5所示。大遼河流域整體污染較為嚴(yán)重，逐月水質(zhì)達到水質(zhì)目標(biāo)考核要求的斷面僅為8個，占比為29%。不達標(biāo)斷面中，劣Ⅴ類水質(zhì)斷面為11個，占比為39%，分別為S2、S3、S4、S10、S12、S13、S16、S17、S18、S21、S23斷面，超標(biāo)污染物以COD、NH3-N為主，其中S18、S23、S16、S10斷面月超標(biāo)率較大，超標(biāo)率分別為83%、83%、58%、55%。

表5 2019年大遼河流域國控斷面逐月水質(zhì)評價結(jié)果Table 5 Results of monthly water quality evaluation of state-controlled sections in Daliao River Basin in 2019

2.2 污染物入河量估算結(jié)果

依照式（3）和式（4），計算2019年大遼河流域各控制單元主要污染物COD、NH3-N、TN、TP的入河量，結(jié)果如表6所示。大遼河流域COD、NH3-N、TN、TP 入河量分別為 59 195.5、3 115.5、18 229.7、538.3 t/a；從入河量結(jié)構(gòu)上看，4種污染物點源入河量占比分別為47.3%、57.5%、68.3%、59.9%，除COD外，其余3種污染物點源入河量占比大于非點源；總體呈現(xiàn)為城鎮(zhèn)生活源＞農(nóng)村生活源＞分散式畜禽養(yǎng)殖污染源＞不同土地利用類型（含林地、草地、耕地、城鎮(zhèn)用地）污染源＞工業(yè)源＞規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染源。

表6 2019年大遼河流域主要污染物入河量Table 6 Inflow of major pollutants into Daliao River Basin in 2019 t/a

2.3 污染物空間分布特征

利用GIS中的自然間斷點分級法將大遼河流域各控制單元內(nèi)污染物入河量分成7個等級，結(jié)果如圖2所示。研究區(qū)內(nèi)COD、NH3-N、TN、TP入河量空間分布較為相似，均呈現(xiàn)出中部＞西南部＞東北部，且入河量最大的控制單元均集中在C11。大遼河流域26個控制單元中，COD、NH3-N、TN、TP入河量排名前7的控制單元均為C3、C6、C8、C11、C13、C15、C17，以上7個控制單元的COD、NH3-N、TN、TP入河量對大遼河的貢獻率分別為68%、73%、77%、72%，因此，應(yīng)將這7個控制單元作為重點單元進行管控。進一步分析污染源結(jié)構(gòu)（圖3），可以看出這7個控制單元污染物均以城鎮(zhèn)生活源和農(nóng)村生活源為主。

圖2 2019年大遼河流域污染物入河量空間分布Fig.2 Spatial distribution map of pollutant inflow into Daliao River Basin in 2019

圖3 2019年大遼河流域不同控制單元污染源結(jié)構(gòu)Fig.3 Pollution source structure of different control units in Daliao River Basin in 2019

2.4 水質(zhì)超標(biāo)斷面污染物來源解析

基于大遼河流域各控制單元內(nèi)斷面水質(zhì)評價及污染源計算結(jié)果，結(jié)合流域匯水單元，對控制單元出口超標(biāo)斷面進行污染源解析，各控制單元污染源貢獻如圖4所示。

（1）COD關(guān)鍵源區(qū)識別

由圖4可知，S2、S5斷面受城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活源共同影響；S9斷面主要以非點源污染為主，其中分散式畜禽養(yǎng)殖污染源和農(nóng)村生活源貢獻率較大；S10、S18斷面COD均為劣Ⅴ類，城鎮(zhèn)生活源是首要污染源；S16斷面位于海城河，農(nóng)村生活源是首要污染源；S21斷面的首要污染源為分散式畜禽養(yǎng)殖污染源；S27斷面位于下達河入湯河水庫口，雖未處于控制單元出口位置，但從水質(zhì)數(shù)據(jù)來看，豐水期COD超標(biāo)0.4倍，結(jié)合污染源入河量結(jié)果，受非點源影響較大。

圖4 2019年大遼河流域各控制單元不同污染源對COD、NH3-N、TP入河量貢獻率Fig.4 Contribution rate of different pollution sources to COD, NH3-N, TP inflow of each control unit in Daliao River Basin in 2019

（2）NH3-N關(guān)鍵源區(qū)識別

S1、S2、S3、S5、S17斷面主要受農(nóng)村生活源和城鎮(zhèn)生活源共同影響；S8斷面位于C7控制單元出口，受非點源影響較大，其中農(nóng)村生活源和不同土地利用類型污染源貢獻率較高；S10、S12、S16、S18斷面NH3-N濃度均處于劣Ⅴ類水平，其中S10、S12斷面主要受城鎮(zhèn)生活源污染影響，S16、S18斷面主要受農(nóng)村生活源影響。

（3）TP 關(guān)鍵源區(qū)識別

S15、S25、S26斷面在豐水期達不到水質(zhì)目標(biāo)要求，其分別位于控制單元C20、C14、C16出口位置，不同土地利用類型污染源貢獻率最大，耕地和林地源是其主要污染來源；S10、S18斷面TP濃度均為劣Ⅴ類，城鎮(zhèn)生活源貢獻率最高，為首要污染源；S16斷面受不同土地利用類型污染源影響較大。

2.5 核算結(jié)果校驗

根據(jù)2.2節(jié)，研究區(qū)2019年污染物COD、NH3-N、TN和TP入河量分別為59 195.5、3 115.5、18 229.7、538.3 t/a。本研究采用污染物通量估算方法，選取大遼河流域遼河公園入海斷面對入河量估算結(jié)果進行驗證。因缺少2019年大遼河流域徑流量數(shù)據(jù)，因此基于2015——2018年唐馬寨、邢家窩棚、海城站逐月流量數(shù)據(jù)，遼河公園COD、NH3-N、TN和TP污染物逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù)式（5），得到研究區(qū)2015——2018年的通量結(jié)果。經(jīng)趨勢模擬分析得到大遼河流域2019年COD、NH3-N、TN和TP通量分別為56 610.32、3 680.32、18 836.43和 448.85 t/a。經(jīng)驗證，入河量估算結(jié)果與通量模擬結(jié)果之間的相對誤差分別為5%、-15%、-3%、20%，誤差較小，證明輸出系數(shù)及入河系數(shù)的取值合理可靠，適用于研究區(qū)范圍內(nèi)污染負(fù)荷估算。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）2019年大遼河流域，逐月水質(zhì)能達到考核要求的斷面占29%，不達標(biāo)斷面中，劣Ⅴ類水質(zhì)斷面為11個，超標(biāo)污染物以COD、NH3-N為主。超標(biāo)斷面中，COD、NH3-N主要來源為城鎮(zhèn)生活源、農(nóng)村生活源和分散式畜禽養(yǎng)殖污染源，TP主要來源于不同土地利用類型污染源和城鎮(zhèn)生活源。

（2）大遼河流域COD、NH3-N、TN和TP入河量分別為 59 195.5、3 115.5、18 229.7和 538.3 t/a，從污染源貢獻上看，總體呈現(xiàn)城鎮(zhèn)生活源＞農(nóng)村生活源＞分散式畜禽養(yǎng)殖污染源＞不同土地利用類型（含林地、草地、耕地、城鎮(zhèn)用地）污染源＞工業(yè)源＞規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染源。

（3）COD、NH3-N、TN、TP污染物入河量空間分布總體呈現(xiàn)出中部＞西南部＞東北部。其中，控制單元C3、C6、C8、C11、C13、C15、C17是重點管控單元，其COD、NH3-N、TN、TP對大遼河流域貢獻率分別為68%、73%、77%、72%。該7個控制單元污染物入河量均以城鎮(zhèn)生活源和農(nóng)村生活源為主。

（4）將污染物入河量估算結(jié)果與污染物通量估算結(jié)果進行校驗，得出入河量估算結(jié)果與通量模擬結(jié)果相對誤差分別為5%、-15%、-3%、20%，誤差較小，證明輸出系數(shù)及入河系數(shù)的取值合理可靠，適用于研究區(qū)范圍內(nèi)污染負(fù)荷估算。

3.2 建議

根據(jù)大遼河流域污染源分析結(jié)果，從源頭削減和控制污染物的角度，提出以下對策建議：1）推進城鎮(zhèn)生活污染治理。加快流域內(nèi)污水管網(wǎng)建設(shè)，提高城鎮(zhèn)生活污水收集率和處理量；加快推進城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施提標(biāo)改造。2）推進農(nóng)村污染綜合整治。加快農(nóng)村污水處理管網(wǎng)建設(shè)，因地制宜建設(shè)污水處理廠；加強宣傳力度，提高居民水環(huán)境保護意識。3）加強農(nóng)業(yè)面源污染控制。推廣生態(tài)農(nóng)耕方式，規(guī)范農(nóng)產(chǎn)品種植結(jié)構(gòu)與布局，減少農(nóng)藥使用；實行測土配方施肥，按農(nóng)作物產(chǎn)量和土壤肥力，精確施肥；因地制宜，建立生態(tài)緩沖帶，減少農(nóng)業(yè)面源污染。4）防治畜禽養(yǎng)殖污染。優(yōu)化畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，通過集中收集，采用制肥廠、堆肥發(fā)酵等方式實現(xiàn)資源化利用；創(chuàng)新生態(tài)養(yǎng)殖，結(jié)合流域范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)種植對畜禽廢物的消納能力，合理規(guī)劃畜禽養(yǎng)殖規(guī)模，建設(shè)循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。