基于遙感技術(shù)的北方草原型河流面源污染貢獻(xiàn)解析

關(guān)鍵詞：北方草原型河流；遙感；面源污染貢獻(xiàn)；消落帶；水土流失

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）12-2856-11 doi：10.11654/jaes.2024-0950

我國(guó)地域遼闊、地形復(fù)雜，南北方流域匯水、徑流特征差異明顯。北方草原型流域地形平緩、匯水范圍大、土質(zhì)相對(duì)疏松，人口密度低，普遍受溫帶大陸性氣候影響，降雨年內(nèi)和年際變化及空間差異顯著，春融夏汛水文特征明顯，春季融雪（冰）或夏季較大降雨時(shí)上游地表徑流無法及時(shí)匯入河道并下泄，在河道兩岸易形成大面積的消落帶，對(duì)河道水質(zhì)影響期長(zhǎng)，流量普遍偏少，受支流來水?dāng)_動(dòng)后干流水質(zhì)變化顯著，同時(shí)疊加草原地區(qū)傳統(tǒng)畜牧方式影響，致使流域面源污染過程主要包括兩方面。一是消落帶型面源污染，消落帶是指在河流季節(jié)性水位漲落下，水域周邊土地周期性被淹沒或落干而形成的一段特殊區(qū)域[1-2]，是水域生態(tài)系統(tǒng)與岸上陸地生態(tài)系統(tǒng)的交替控制地帶。消落帶型面源污染即消落帶內(nèi)的草體枯落物、畜牧排泄物等隨水位漲落過程通過吸附-解析和溶解-平衡作用向上覆水釋放污染物，進(jìn)而導(dǎo)致面源污染問題[1，3]。二是水土流失型地表徑流面源污染，即草原地區(qū)植被以草本及小半灌木為主，固土能力有限，土壤和草場(chǎng)常年累積的有機(jī)物在降雨徑流的沖刷下進(jìn)入受納水體而造成的污染[4]。在上述多類型面源污染綜合作用下，北方草原河流化學(xué)需氧量（COD_Cr）和高錳酸鹽指數(shù)（COD_Mn）等指標(biāo)普遍在春融夏汛時(shí)期存在濃度異常升高現(xiàn)象，區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)受到影響。因此，如何綜合考慮北方草原型流域地形地貌、植被覆蓋等下墊面條件差異與傳統(tǒng)畜牧方式影響，發(fā)揮遙感技術(shù)優(yōu)勢(shì)系統(tǒng)全面評(píng)估流域面源污染，厘清主導(dǎo)水質(zhì)變化的面源污染類型及其貢獻(xiàn)率，對(duì)于區(qū)域差異化水質(zhì)考核與精細(xì)化水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

目前，地表徑流型面源污染研究較為成熟，研究方法包括試驗(yàn)監(jiān)測(cè)、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和模型模擬等[5]，代表性模型有SWAT（Soil and water assessment tool）、HSPF（Hydrological simu ? lation program：Fortran）、AGNPS（Agricultural nonpoint source model） 、AnnAGNPS（Annualized AGNPS）、SPARROW（Spatially referenceregressions on watershed attributes）、SWMM（Stormwater management model）和DPeRS（Diffuse pollutionestimation with remote sensing）[6-8]等，但研究主要關(guān)注人類活動(dòng)密集影響區(qū)，方法集中應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和城市面源污染評(píng)估兩方面[4]，而在草原地區(qū)應(yīng)用較少。在消落帶面源污染研究方面，當(dāng)前研究的焦點(diǎn)主要集中于探討水位波動(dòng)下植物、微生物群落演變、土壤養(yǎng)分或重金屬的賦存與遷移過程、溶解性有機(jī)質(zhì)特征和重金屬環(huán)境行為等方面[2，9-12]，尚未拓展至圍繞消落帶淹水釋放所引發(fā)的面源污染通量進(jìn)行定量評(píng)估，且研究區(qū)大多為庫(kù)區(qū)消落帶，對(duì)于草原消落帶面源污染的相關(guān)研究比較缺乏。

綜上所述，本研究選取位于我國(guó)北方內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟的草原型流域——閃電河流域，以閃電河雙山水庫(kù)至白城子斷面段所在匯水范圍為研究區(qū)，圍繞白城子斷面汛期CODCr和CODMn污染來源不清和貢獻(xiàn)不明等問題，充分發(fā)揮遙感技術(shù)大范圍、全覆蓋的監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，綜合地面監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和模型評(píng)估等多元技術(shù)手段，開展消落帶空間范圍遙感識(shí)別，構(gòu)建水土流失面源污染模型評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)，重點(diǎn)對(duì)研究區(qū)2020—2022年消落帶和水土流失面源污染量進(jìn)行評(píng)估分析，并結(jié)合水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及水量遙感估算數(shù)據(jù)，量化解析面源污染對(duì)白城子斷面水質(zhì)的貢獻(xiàn)率，以期為管理部門精準(zhǔn)施策提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐與切實(shí)可行的操作抓手。

1 研究區(qū)概況

閃電河即灤河上游，發(fā)源于河北省沽源縣與豐寧縣兩縣交界的古巴顏屯圖固爾山，之后流經(jīng)多倫、承德等地，在西山灣下游外溝門匯入豐寧縣。閃電河流域（41°55′～42°30′N，115°46′～116°20′E）總面積1 551.7km²，處于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降雨季節(jié)分布不均，多年平均降水量為360 mm，60%～70% 的降雨集中在6—9月。流域內(nèi)河床坡度較緩，河曲發(fā)育，主要地形為低山丘陵、河谷平原及河谷洼地，總體地勢(shì)由西南向東北傾斜。土壤類型以沼澤土、栗鈣土、草原風(fēng)沙土、石灰性草甸土和鹽土為主。流域植被主要由草本植物組成，草層高度5～20 cm，覆蓋度20%～60%。流域內(nèi)物產(chǎn)豐富、資源充足，草原濕地保存較好，是京津冀地區(qū)重要的生態(tài)屏障[13]。

白城子斷面位于閃電河與黑風(fēng)河交匯下游位置，斷面上游約20 km處建有雙山水庫(kù)，該水庫(kù)泄洪頻次較低，對(duì)白城子斷面的影響較小，因此，本研究以雙山水庫(kù)至白城子斷面段所在匯水范圍為重點(diǎn)研究區(qū)（圖1）。研究區(qū)面積共計(jì)1 713.2 km²，其中草地面積占區(qū)域總面積的68.0%，未利用地占15.1%，耕地面積占比低于10.0%，城鄉(xiāng)工況等建設(shè)用地占比低于1.0%。研究區(qū)橫亙于錫林郭勒盟多倫縣與正藍(lán)旗兩地之間，農(nóng)牧業(yè)系該區(qū)域關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)構(gòu)成要素之一，經(jīng)由實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，重點(diǎn)區(qū)以肉牛養(yǎng)殖為核心主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。近些年來，當(dāng)?shù)卣e極致力于探索禁牧舍飼、舍飼半舍飼等畜牧模式的優(yōu)化升級(jí)路徑，然而，截至當(dāng)前，此類新型畜牧模式尚未達(dá)成全面性推廣與普及，在村鎮(zhèn)層級(jí)范圍內(nèi)，依舊廣泛沿襲冬季舍飼管理，夏季草原放牧的傳統(tǒng)畜牧模式與慣例。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

（1）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。包括土地利用類型和植被覆蓋度。土地利用基于GF-1、GF-2、GF-6等多源遙感影像，首先對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、去云、拼接等預(yù)處理，其次采用面向?qū)ο蟮淖詣?dòng)分類方法解譯獲取；植被覆蓋度基于Google Earth Engine 云計(jì)算平臺(tái)的Landsat-8 和Sentinel-2 地表反射率數(shù)據(jù)集（LANDSAT_LC08_C01_T1_SR、LANDSAT/LC08/C02/T1_L2 和COPERNICUS/S2_SR），采用基于歸一化植被指數(shù)（NDVI）的像元二分模型計(jì)算得到。

（2）地理空間數(shù)據(jù)。包括坡度、坡長(zhǎng)，基于ASTER全球DEM數(shù)據(jù)，利用ls_cal.aml程序計(jì)算得到[14]。

（3）統(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)。包括畜禽養(yǎng)殖量、排泄指數(shù)等，基于《2021年錫林郭勒盟統(tǒng)計(jì)年鑒》及文獻(xiàn)調(diào)研[15]獲取。

（4）水文水質(zhì)數(shù)據(jù)。月度流量數(shù)據(jù)通過遙感監(jiān)測(cè)獲取，具體通過地面實(shí)測(cè)構(gòu)建斷面三維數(shù)字河道和流量遙感估算模型，進(jìn)一步結(jié)合衛(wèi)星影像提取水面寬度計(jì)算得到[16]；月度水質(zhì)數(shù)據(jù)源于2020—2022 年白城子斷面月度例行監(jiān)測(cè)，加密水質(zhì)數(shù)據(jù)源于白城子斷面重點(diǎn)區(qū)內(nèi)2022 年7—9 月共9 個(gè)點(diǎn)位高頻采樣監(jiān)測(cè)（每月上中下旬各1次）。

2.2 研究方法

2.2.1 消落帶面源污染估算方法

（1）消落帶空間分布遙感提取針對(duì)閃電河不同時(shí)相（高水位期、低水位期）米級(jí)遙感影像成像特征，采用歸一化水體指數(shù)法（NDWI）提取時(shí)間序列水域范圍，通過水體動(dòng)態(tài)分布空間疊置分析，提取白城子斷面重點(diǎn)區(qū)內(nèi)消落帶空間分布范圍。

（2）消落帶原位土柱釋放實(shí)驗(yàn)

采用原位土柱原位河水浸泡實(shí)驗(yàn)?zāi)M消落帶淹沒釋放狀況[17-18]，實(shí)驗(yàn)土柱載體由有機(jī)玻璃構(gòu)成，高度500 mm，內(nèi)徑100 mm，設(shè)計(jì)填充土層高度200 mm，上覆水高度200mm。采樣點(diǎn)位于白城子斷面附近消落帶覆蓋范圍內(nèi)，采集基本裸土、草體覆蓋土以及糞便覆蓋土3種土柱類型，其中糞便覆蓋土柱糞便質(zhì)量為15 g；采集的土柱運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室避光穩(wěn)定放置24 h后，分別填充原位河水200 mm；取樣間隔時(shí)間設(shè)計(jì)為2、3、5、7、10、15、20、25、30、40、50 d，每次取部分上覆水測(cè)定COD_Cr、COD_Mn濃度，每次取樣重復(fù)測(cè)定3次，結(jié)果用平均值表示。由于實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，每次取樣測(cè)試后適時(shí)補(bǔ)充原位水體，保證柱內(nèi)水位處于400 mm刻度線。COD_Cr指標(biāo)采用重鉻酸鹽法（HJ 818—2017）測(cè)定，COD_Mn指標(biāo)按照GB 11892—1989測(cè)定。

（3）消落帶面源污染輸出量估算

基于土柱淹沒釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首先建立消落帶（包括植被、裸土和糞便3種類型）污染物釋放速率計(jì)算方法，其次結(jié)合消落帶淹沒概率、地面調(diào)查、統(tǒng)計(jì)年鑒和污染物釋放速率等數(shù)據(jù)資料，建立消落帶面源污染輸出量估算方法[19]。

2.2.3 面源污染貢獻(xiàn)率計(jì)算方法

基于白城子斷面水質(zhì)與流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，首先計(jì)算月度污染物總通量，其次求取各類型面源污染物輸出量占總通量的比例，以此量化各類型面源污染對(duì)白城子斷面水質(zhì)的貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)季節(jié)變化規(guī)律

2020—2022年白城子斷面COD_Cr 和COD_Mn 濃度月均值變化趨勢(shì)如圖2（a）所示（3月份因缺乏連續(xù)數(shù)據(jù)未參與平均分析），由圖可知：白城子斷面CODCr和COD_Mn月度變化規(guī)律趨于一致，5—7月兩項(xiàng)指標(biāo)同步升高，均在7 月達(dá)到最高，分別為30.0 mg·L^-1 和9.8mg·L^-1，分別超出地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的1.5倍和2.0倍；8—9月呈現(xiàn)波動(dòng)變化，但仍然接近地表水Ⅲ類限值，存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)；10—12月和1—2月濃度逐步下降并趨于穩(wěn)定。2022年7—9月研究區(qū)內(nèi)加密高頻監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2（b）所示，由圖可知，研究區(qū)2022年7—9月CODCr和COD_Mn濃度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但7—8月兩項(xiàng)指標(biāo)平均值均遠(yuǎn)超地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，具體而言：2022 年7、8、9 月COD_Cr 濃度變化范圍分別為40.0～62.0、30.0～79.0、13.0～25.0 mg · L^-1，平均值分別為50.8、44.1、17.4 mg·L^-1，7月和8月的平均值分別超出地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值的3.2倍和2.7倍；2022年7、8、9月CODMn濃度變化范圍分別為4.6～11.2、3.5～9.6、3.8～5.2 mg·L^-1，平均值分別為7.6、6.6、4.3 mg·L^-1，7月和8月的平均值分別超出地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值的0.13倍和0.06倍。

3.2 消落帶面源污染特征

3.2.1 消落帶空間分布特征

研究區(qū)消落帶遙感提取結(jié)果及消落帶內(nèi)地類分布如圖3所示，消落帶主要集中分布于閃電河干流沿岸，全部位于多倫縣境內(nèi)。2020、2021年和2022年消落帶面積分別為14.7、18.7 km2和13.8 km²，降水是引起白城子斷面重點(diǎn)區(qū)內(nèi)消落帶面積年際動(dòng)態(tài)變化的關(guān)鍵因素。根據(jù)區(qū)域內(nèi)多倫縣氣象站同期數(shù)據(jù)顯示，2020、2021 年和2022 年5—9 月累計(jì)降水量分別為336.8、428.0 mm 和213.6 mm，2021 年降水量相對(duì)較高，河流水位上升幅度高，引起消落帶面積范圍擴(kuò)大。結(jié)合研究區(qū)土地利用遙感分類結(jié)果對(duì)消落帶內(nèi)土地利用類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，2020、2021年和2022年消落帶內(nèi)土地利用類型均以草地和灘地為主，二者面積之和分別占消落帶面積的93.1%、80.0% 和92.9%。需要說明的是，依據(jù)土地利用遙感監(jiān)測(cè)分類體系，灘地特指河流與湖泊在平水期與洪水期水位變化間的地帶，經(jīng)實(shí)地調(diào)研確認(rèn)，該區(qū)域?qū)嶋H被低矮草叢覆蓋，由于草叢高度通常低于水面，在影像上呈現(xiàn)為灘地，在后續(xù)消落帶面源污染輸出量計(jì)算過程中仍視為草地覆蓋類型。此外，消落帶內(nèi)零散分布有農(nóng)田、林地和農(nóng)村居民點(diǎn)等，其整體面積占比較低。

3.2.2 消落帶釋放速率變化特征

原位土柱釋放實(shí)驗(yàn)?zāi)M的上覆水濃度變化規(guī)律如圖4所示，草體、裸土和糞便覆蓋下兩種水質(zhì)指標(biāo)的濃度均整體呈現(xiàn)先升高后穩(wěn)定的狀態(tài)，COD_Cr溶出濃度明顯高于COD_Mn，該現(xiàn)象主要是由于兩種指標(biāo)的氧化效率差別較大。對(duì)于COD_Cr，草體、裸土和糞便覆蓋土柱達(dá)到平衡狀態(tài)的平衡量分別為105.0、39.6mg·L^-1和55.0 mg·L^-1；對(duì)于COD_Mn，草體、裸土和糞便覆蓋土柱達(dá)到平衡狀態(tài)的平衡量分別為12.3、3.9 mg·L^-1和4.2 mg·L^-1。在逐日釋放速率計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算得到草體覆蓋消落帶COD_Cr和COD_Mn的平均日釋放速率分別為747.6 mg·m^-2·d^-1和210.7 mg·m^-2·d^-1，裸土覆蓋消落帶COD_Cr和COD_Mn的日釋放速率分別為203.9 mg·m^-2·d^-1和74.3 mg·m^-2·d^-1，糞便覆蓋消落帶COD_Cr和COD_Mn的日釋放速率分別為0.2 mg·g^-1·d-1和0.01 mg·g^-1·d^-1，該結(jié)果為后續(xù)消落帶面源污染輸出量估算提供關(guān)鍵參數(shù)。

3.2.3 消落帶面源污染輸出量

對(duì)于糞便消落帶面源污染，通過查閱錫林郭勒盟最新（2020年）公開發(fā)布的統(tǒng)計(jì)資料，依據(jù)多倫縣牛養(yǎng)殖量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（143 979頭），結(jié)合多倫縣縣域面積（3863 km²）以及消落帶面積所占比例，對(duì)消落帶范圍內(nèi)的牛出沒量進(jìn)行概化并代入公式計(jì)算。對(duì)于草地消落帶面源污染，采用消落帶內(nèi)草地與灘地的遙感解譯面積代入公式計(jì)算。對(duì)于裸土消落帶，結(jié)合實(shí)地樣方調(diào)查按照草地和灘地面積的5% 比例參與計(jì)算。

2020—2022年5—9月研究區(qū)消落帶面源污染輸出量計(jì)算結(jié)果如圖5所示，可知2021年消落帶面源污染輸出量相對(duì)較高，COD_Cr和COD_Mn總輸出量分別達(dá)到819.8 t 和235.5 t。從月度變化來看，2020 年和2021年7月消落帶面源污染輸出量最高，2020年7月COD_Cr和COD_Mn輸出量分別為192.1 t和55.2 t，2021年7 月COD_Cr 和COD_Mn 輸出量分別為273.3 t 和78.5 t；2022 年以6 月最為突出，COD_Cr 和COD_Mn 輸出量分別為81.1 t和23.3 t。從不同消落帶類型來看，表現(xiàn)為草地輸出量gt;糞便輸出量gt;裸土輸出量的特征，2020—2022年5—9月草地、糞便和裸土面源COD_Cr月平均輸出量分別為92.6、1.3 t和8.8 t，COD_Mn月平均輸出量分別為26.1、0.5 t和2.9 t。

3.3 水土流失面源污染特征

3.3.1 水土流失面源污染空間分布特征

2020—2022年研究區(qū)水土流失面源污染入河負(fù)荷空間分布如圖6所示，由于區(qū)域土壤侵蝕以微度為主，僅坡度較高的局部地區(qū)呈現(xiàn)為輕度侵蝕，所以水土流失面源污染入河負(fù)荷整體處于較低水平，相對(duì)高值區(qū)主要集中分布在閃電河干流兩側(cè)和黑風(fēng)河源頭地區(qū)。2020—2022 年研究區(qū)水土流失面源COD_Cr 平均入河負(fù)荷分別為7.0×10^-4、1.8×10^-3 t·km^-2 和6.0×10^-4 t·km^-2，COD_Mn平均入河負(fù)荷分別為1.0×10^-4、2.0×10^-4 t·km^-2和1.0×10^-4 t·km^-2。

3.3.2 水土流失面源污染輸出量

基于水土流失面源污染入河負(fù)荷空間估算結(jié)果，以水文分區(qū)為單元統(tǒng)計(jì)重點(diǎn)區(qū)污染物入河量，進(jìn)一步估算、統(tǒng)計(jì)得到污染物遷移輸出至白城子斷面的污染量（圖7）。2020—2022 年5—9 月水土流失面源COD_Cr總輸出量分別為1.0、2.6 t和0.8 t，COD_Mn總輸出量分別為0.1、0.3 t和0.1 t，受降水驅(qū)動(dòng)影響，2021年水土流失面源污染輸出量相對(duì)較高。月際變化上，2020年和2021年7月輸出量最高，分別占年度總輸出量的36.6%和37.7%，2022年6月輸出量最高，占年度總輸出量的44.9%。

3.4 白城子斷面面源污染貢獻(xiàn)解析

基于消落帶與水土流失面源污染估算結(jié)果，結(jié)合水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及水量遙感估算數(shù)據(jù)，對(duì)白城子斷面面源污染貢獻(xiàn)量進(jìn)行解析，結(jié)果如圖8 所示。2020 年5—9月，面源污染CODCr輸出量對(duì)白城子斷面COD_Cr的貢獻(xiàn)率處于46.0%～76.7%之間，面源污染COD_Mn輸出量對(duì)白城子斷面COD_Mn的貢獻(xiàn)率處于60.0%～93.8%之間；2021年5—9月面源污染COD_Cr輸出量對(duì)白城子斷面COD_Cr的貢獻(xiàn)率處于45.8%～91.3%之間，面源污染COD_Mn 輸出量對(duì)白城子斷面COD_Mn 的貢獻(xiàn)率處于40.1%～84.3%之間；2022年5—8月，面源污染COD_Cr輸出量對(duì)白城子斷面COD_Cr的貢獻(xiàn)率處于50.8%～95.5%之間，面源污染CODMn輸出量對(duì)白城子斷面COD_Mn的貢獻(xiàn)率處于42.3%～94.6%之間。從不同類型面源污染貢獻(xiàn)率來看，3年間5—9月消落帶型面源污染COD_Cr和COD_Mn的平均貢獻(xiàn)率均達(dá)到70%，水土流失型面源污染COD_Cr和COD_Mn的平均貢獻(xiàn)率約為0.25%和0.10%。

4 討論

4.1 消落帶面源污染對(duì)白城子斷面水質(zhì)的影響分析

消落帶是銜接水-陸生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)交錯(cuò)帶，同時(shí)也是水陸生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換最活躍、最重要的區(qū)域[22]，其生境在周期性淹水-出露和干-濕交替作用下變化劇烈[23]。植被作為消落帶生態(tài)功能的主體[24]，在河流低水位期，能有效攔截產(chǎn)匯流攜帶的污染物并促進(jìn)其向土壤內(nèi)部遷移[25]，郭振勇等[26]的研究表明，草被消落帶可以攔截68%～99%的污染物，其攔截效果受到降雨強(qiáng)度、草被寬度等的影響。但在汛期河流進(jìn)入高水位期時(shí)，消落帶淹水過程中植被和土壤中吸附、沉淀的有機(jī)質(zhì)等又會(huì)釋放到上覆水體中[25]，宮兆寧等[27]的研究表明，淹水頻次越高越有利于土壤有機(jī)質(zhì)的沉淀。閃電河流域?qū)儆诘湫偷牟菰土饔颍庸葹槠皆屯莸?，河曲發(fā)育顯著，受汛期高強(qiáng)度陣雨或極端水文事件影響，河道過水能力有限，極易形成大面積的消落帶淹沒區(qū)，淹沒區(qū)消退過程中加劇了有機(jī)質(zhì)的釋放，直接引起COD_Cr、COD_Mn等水質(zhì)參數(shù)異常升高，使得消落帶面源污染成為汛期影響白城子斷面水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素。

4.2 自然本底對(duì)白城子斷面水質(zhì)的影響分析

“十二五”以來，我國(guó)水環(huán)境質(zhì)量發(fā)生了轉(zhuǎn)折性變化[28]，在地表水環(huán)境持續(xù)向好的背景下，汛期污染問題也日益凸顯[29]，面源污染因其過程復(fù)雜、空間范圍大、隨機(jī)性強(qiáng)等特征，成為制約我國(guó)汛期水環(huán)境質(zhì)量改善的關(guān)鍵因素[28]。在面源污染源解析中，除人為因素，如農(nóng)業(yè)活動(dòng)及城鎮(zhèn)擴(kuò)張所帶來的面源污染之外，還應(yīng)關(guān)注由特定區(qū)域地理?xiàng)l件所引發(fā)的自然面源污染。本研究基于面源污染評(píng)估結(jié)果，將發(fā)生于自然下墊面（包括草地、裸地和林地等）上的消落帶面源污染與水土流失面源污染歸為自然面源污染，其余歸為人為面源污染，進(jìn)一步分析研究區(qū)自然本底和人為因素對(duì)白城子斷面水質(zhì)的影響程度（圖9）。結(jié)果表明，2020—2022年5—9月自然面源輸出量對(duì)白城子斷面水質(zhì)貢獻(xiàn)率平均值達(dá)到65%，2021年6—8月和2022年6月自然面源輸出量對(duì)白城子斷面COD_Cr貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上，而各月人為面源輸出量對(duì)白城子斷面水質(zhì)貢獻(xiàn)率均低于10%。由此可見，白城子斷面5—9月COD_Cr和COD_Mn濃度升高主要來自陸域腐殖質(zhì)，屬于自然本底因素。按照《地表水和地下水環(huán)境本底判定技術(shù)規(guī)定（暫行）》（環(huán)辦監(jiān)測(cè)函〔2019〕895 號(hào)），2020—2022年7月白城子斷面COD_Cr和COD_Mn濃度扣除自然本底影響以后，水質(zhì)濃度可滿足地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

北方草原型河流普遍存在與閃電河相似原因?qū)е碌乃|(zhì)不穩(wěn)定達(dá)標(biāo)問題，由于受區(qū)域氣候年際變化大、數(shù)據(jù)連續(xù)性不足等因素影響，大部分?jǐn)嗝婧茈y定量提出精確的背景值范圍。因此，在地區(qū)人類生產(chǎn)活動(dòng)、企業(yè)排污狀況維持穩(wěn)定，水生態(tài)狀況良好，且未發(fā)生突發(fā)環(huán)境事件的實(shí)際情況下，為科學(xué)合理地平衡自然資源稟賦與水質(zhì)管理要求，建議實(shí)施“監(jiān)測(cè)為主，靈活考核”的過渡性策略，避免單純以考核結(jié)果為導(dǎo)向而造成的片面干預(yù)，并強(qiáng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)的連續(xù)性與精準(zhǔn)性，基于長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合理制定背景值閾，確保水質(zhì)管理工作更加貼近實(shí)際、科學(xué)有效。

5 結(jié)論

（1）2020—2022年白城子斷面COD_Cr和COD_Mn濃度月度變化規(guī)律趨于一致，5—7月同步升高，均在7月達(dá)到最高，分別超出地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的1.5倍和2.0倍；8—9月呈現(xiàn)波動(dòng)變化，但仍然接近地表水Ⅲ類限值，存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）2020—2022 年研究區(qū)消落帶面積分別為14.7、18.7 km²和13.8 km²，2021年消落帶范圍最大，消落帶COD_Cr 和COD_Mn 總輸出量分別達(dá)到819.8 t 和235.5 t；3年間消落帶面源污染均表現(xiàn)為草地輸出量gt;糞便輸出量gt;裸土輸出量的特征，5—9月消落帶型面源污染對(duì)白城子斷面COD_Cr和COD_Mn的平均貢獻(xiàn)率均達(dá)到70%。

（3）2020—2022年研究區(qū)水土流失面源COD_Cr平均入河負(fù)荷分別為7.0×10^-4、1.8×10^-3 t·km^-2 和6.0×10^-4 t·km^-2，COD_Mn平均入河負(fù)荷分別為1.0×10^-4、2.0×10^-4 t·km-2和1.0×10^-4 t·km^-2。水土流失型面源污染COD_Cr和COD_Mn的平均貢獻(xiàn)率約為0.25%和0.10%。

（4）2020—2022年自然面源輸出量對(duì)白城子斷面水質(zhì)貢獻(xiàn)率平均值達(dá)到65%，人為面源輸出量對(duì)白城子斷面水質(zhì)貢獻(xiàn)率低于10%，白城子斷面5—9月COD_Cr和COD_Mn濃度升高主要來自陸域腐殖質(zhì)，屬于自然本底因素。

（5）對(duì)于受自然本底顯著影響的北方草原地區(qū)河流水質(zhì)不穩(wěn)定達(dá)標(biāo)問題，建議實(shí)施“監(jiān)測(cè)為主，靈活考核”的過渡性策略，并強(qiáng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)的連續(xù)性與精準(zhǔn)性。