上海滴水湖集水区非点源污染物输移通量的时空分布特征

吕永鹏， 杨 凯， 车 越， 谢 胜， 刘 辰， 任翔宇， 尚钊仪

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092；2.华东师范大学 上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海 200062）

0 引 言

随着城市点源污染的控制，非点源污染逐渐成为影响全球城市水环境质量的主要因素，进而成为近年来国内外研究的热点问题.集水区是指汇集水流的区域，是研究非点源污染的理想单元.如何科学度量集水区尺度下非点源污染物对水环境的影响是有效调控非点源污染的关键.

非点源污染一般由产生负荷（Load）和输移通量（Transport flux）两个参数来定量表征.产生负荷是指污染物年产生量，并未考虑污染物的迁移转化，主要反映污染物对水环境的潜在影响；而输移通量是指污染物的年入河量，反映污染物经过迁移转化后排入河流而对水环境产生的直接影响.因此，研究输移通量更有意义.输移通量的研究方法较多，以AGNPS、ANSWERS、GWLF、HSPF、SWAT、MUSIC、SWMM 和 WWHM等模型应用最为广泛.然而，上述模型对输入数据的类型和精度均有较高要求，模型参数率定困难，不适合在数据缺乏的集水区应用.起源于20世纪70年代北美地区的输出系数法（Export coefficient modeling approach，ECMA）［1］，经Johnes等学者的不断修正后［2，3］，已经在全世界得到广泛应用，并已积累大量的输出系数值［4－6］.该方法具有了数据获取方式简单、所需参数少、结果精度较高等优点.

中国东部平原河网地区具有经济发达、城市化程度高、不透水面积大、人类活动强干预下产汇流机制复杂、集水区边界模糊等显著的区域特征.若试图将国外的输出系数直接应用于平原河网地区，研究结果可能与实际情况偏差较大［7］.

鉴于此，本文以上海滴水湖集水区为例，根据区域内不同土地利用类型小集水区的实地监测数据，尝试基于平原河网地区集水区特征对经典的输出系数法进行必要修正，以期较为客观地度量出平原河网地区集水区非点源污染物的输移通量，为区域非点源污染系统调控提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 半分布式通量测算方法

完整的集水区非点源污染过程应包括非点源污染物产生，暴雨淋洗和冲刷，地表汇流与迁移转化，径流入河，入河后迁移转化和集水区输出等关键过程.早期的输出系数法假设各类土地利用的非点源污染负荷量与集水区面积成正比，显然该方法测算结果的精确度不足，且仅考虑了非点源污染物的产生，并未考虑污染物的其他重要过程［6］.如下式所示：

式中，L表示非点源污染物的产生负荷（t／a）；ci为第i类土地产生的非点源污染物的年平均负荷（t／hm2／a）；Ai为第i类土地利用的面积（hm2）.

Johnes等学者修正并建立了较完备的模型［2，3］，但仍然强调非点源污染物的产生量.如下式所示：

式中，L表示产生负荷（t／a）；Ei为第i类污染源的输出系数；Ai为第i类土地利用的集水区面积，或第i类畜禽养殖的数量，或人口数；Ii为第i类污染源的污染物输入量；p为降雨中的污染物量.

Soranno等在测算方法中考虑了污染物来源与受纳水体之间的距离，在一定程度上考虑了污染物的迁移转化过程［8］，但测算结果仍具有较大的不确定性.如下式所示：

式中，L表示非点源污染物的产生负荷（t／a）；m为土地利用类型；n为GIS系统中划分的网格数；p为网格与水体之间的距离；fi为污染物输出系数；Ap，i为距离水体为p时的第i种土地利用的面积；Tip为处于0～1之间的转化系数，表征两个网格之间的污染物迁移转化系数.

在前人研究的基础上［2，3，7－10］，本文提出一种兼具分布式和集总式特色的半分布式城市集水区非点源输移通量测算模型，并考虑了非点源类型（主要关注城市集水区内土地利用非点源污染，适当考虑城市内小范围内农村和农业非点源污染）、降雨条件、土地利用类型、非点源迁移扩散转化过程及非点源污染物入河通量等关键因素.如式4—式8所示，式中符号见表1.

1.2 集水区概况

临港新城是上海继浦东开发开放之后独具辅城作用的又一个战略重点发展区域（见图1）.滴水湖是临港新城的象征，是目前国内在潮滩上开挖的最大人工湖.受上游来水水质影响，加上集水区非点源污染物的汇入，滴水湖目前水质较差.滴水湖集水区河网密布、水系发达，是典型的平原河网地区.此外，临港新城为新开发建设的区域，点源纳管率很高，目前正处于快速的城市化进程中，其面临的非点源污染问题也是我国东部平原河网地区郊区新城建设中存在的共性问题.因此，研究滴水湖集水区非点源污染物输移通量对其他类似区域也有借鉴意义.根据滴水湖集水区的特征，文献［12］将其划分为13个二级集水区（B1—B13），137个三级集水区，是本文空间分析的基础.

表1 集水区非点源输移通量测算模型符号表Tab.1 The parameters of transport flux model of NPS at the watershed scale

图1 上海市滴水湖集水区区位及土地利用图Fig.1 Location and land use of Lake Dishui watershed in Shanghai

1.3 数据来源

非点源负荷输出系数来源文献［12，14］，降雨雨量数据由作者在该区域设立的雨量计获得，历史雨量数据来源于上海气象部门和上海市排水公司；1965、1989、1994、2000、2003、2006和2008年7个时相的土地利用数据由华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室解译；点源数据来源于全国污染源普查.

表2 滴水湖集水区土地利用非点源负荷输出系数表Tab.2 The export coefficients of NPS in Lake Dishui watershed

表3 滴水湖集水区1965—2010年的降雨数据资料统计Tab.3 Rainfall statistics from1965 to 2010 in Lake Dishui watershed

2 结果与讨论

2.1 2008年滴水湖集水区点源与非点源负荷数量特征

2008年，滴水湖集水区有631家工业企业，全年COD产生量1 101.77 t，氨氮产生量3.49 t.由于为新建区域，污水管网等基础设施建设较为完善，区域内工业污水和集中式生活污水等点源全部纳管，对水环境影响较小，非点源污染已经成为影响区域水环境的主要因素.

2008年，滴水湖集水区非点源主要包括土地利用、降雨以及分散排放的农村生活污水3类.（1）土地利用非点源的COD产生负荷为12 793.59 t，氨氮产生负荷为159.77 t，TP产生负荷为63.45 t；降雨非点源的COD产生负荷为1 328.69 t，氨氮产生负荷为95.35 t，TP产生负荷为1.56 t；分散排放的农村生活污水的COD产生负荷为353.43 t，氨氮产生负荷为35.34 t，TP产生负荷为8.86 t.（2）土地利用非点源的COD输移通量为12 159.28 t，氨氮输移通量为152.58 t，TP输移通量为60.39 t；降雨非点源的COD输移通量为1 279.93 t，氨氮输移通量为92.18 t，TP输移通量为1.51 t；分散排放的农村生活污水的COD输移通量为325.15 t，氨氮输移通量为32.52 t，TP输移通量为8.15 t.

2.2 2008年滴水湖集水区非点源污染物的输移通量及空间分布特征

2.2.1 不同类型非点源间的输移通量差异

3种非点源类型中（见图2），土地利用非点源的污染物产生负荷和输移通量最大，其次是降雨和分散排放的生活污水.由此可见，对土地利用非点源的调控对区域水环境保护具有重要意义.

2.2.2 不同类型污染物间的输移通量差异

3种主要污染物中（见图2），COD最大，氨氮次之，最小的是TP.由于氨氮和TP是影响区域水环境的关键水质指标，因此，此二指标也不容忽视.

2.2.3 二级集水区间的输移通量差异

3个二级集水区中（见图3），污染物输移通量较大的集水区是B11、B8、B6和B13，较小的集水区主要包括B1、B9、B12和B7.2008年，前者基本为城市化区域，而后者多以绿地、湿地和低密度住宅为主.可见，城市化程度是影响非点源输移通量的主要因素之一.

图2 2008年滴水湖集水区不同类型非点源污染物的产生负荷与输移通量Fig.2 Pollutants load and the transport flux of NPS in Lake Dishui watershed in 2008

图3 2008年滴水湖二级集水区非点源污染输移通量的空间分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of the transport flux of NPS in Lake Dishui second－class sub－watershed in 2008

2.2.4 二级集水区内部的输移通量差异

利用三级集水区来进一步探讨二级集水区内部空间分异.137个三级集水区中，产生负荷较大的集水区均为城市化水平较高的区域（图4中a—c）.

值得注意的是，从三级集水区视角来看，非点源的产生负荷与输移通量的空间分布并不一致（图4中（a）与（d），（b）与（e）、（c）与（f））.城市化率较大的临港新城主城区（B8）的非点源污染物输移通量反而较小，而城市化率较低的区域（如临港森林B7）的非点源污染物输移通量却较大.究其原因，可能是绿地的源汇效应的影响.绿地尤其是有效绿地（可以接纳客地径流的绿地）等“汇”对非点源污染物起到了较好的缓冲和去除作用，其对非点源污染物COD、氨氮、TP的总体去除率分别达到71.01%、69.00%和64.39%［12］.此外，对于临港新城此类新建区域而言，绿地尤其是新建绿地又同时是一种潜在的污染源.以2010年4月21日的降雨事件的EMC为例，滴水湖集水区某小区绿地和某公园绿地的COD分别为524.60 mg／L和148.65 mg／L，远超过上海市污水综合排放标准限值；氨氮分别为1.37 mg／L和0.82 mg／L，TP分别为0.38 mg／L和0.65 mg／L，但部分时段污染物瞬时浓度劣于地表水环境质量标准中的V类限值［12］.

对于绿地面积较大而有效绿地面积较小的新开发区域，由于绿地本身为非点源加之绿地对非点源污染物的削减效应并没有得到较好发挥，绿地降雨径流通过分流制雨水管网或就近直接排入河网，输移通量反而较大.因此，该类区域的非点源更应得以重视.

图4 2008年滴水湖三级集水区非点源污染输移通量的空间分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of the transport flux of NPS in Lake Dishui third－class sub－watershed in 2008

2.3 1965～2008年滴水湖集水区非点源污染变化的数量特征

总体而言，滴水湖集水区非点源污染的产生负荷和输移通量呈增加态势，而输移通量平均约为产生负荷的97.93%，绿地等“汇”对非点源的去除效应平均仅为2.07%（见图5）.此外，产生负荷和输移通量均呈现如下三阶段变化过程（见图6）：

第一阶段为解放初期至浦东开发开放前期（1965—1994年）.该阶段区域城市化率较低，沿海部分区域尚未成陆，非点源污染的产生负荷和输移通量总量较小，且变化较小.

第二阶段为浦东开发开放前期至临港新城成立前（1995—2003年）.受浦东开放的辐射效应，此阶段临港新城地区开发速度有一定增加，特别是芦潮港B12、书院B2、泥城B10和万祥B5等中心镇的城市化速度加快，非点源污染的产生负荷和输移通量总量呈增加态势，非点源污染问题逐步显现.

第三阶段为临港新城成立初期的大规模建设阶段（2004—2008年）.2004—2006年，虽然非点源污染的产生负荷和输移通量的增加速度有降低趋势，总量仍呈增加态势.2006年以后的增加速度明显加大，非点源污染问题开始凸显.

图5 1965—2008年滴水湖集水区非点源污染变化的数量特征Fig.5 The quantitative characteristic of NPS pollution from1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

图6 1965—2008年滴水湖集水区非点源污染的年均变化速率Fig.6 The average annual rate of change of NPS pollution from1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

2.4 1965—2008年滴水湖集水区非点源污染变化的结构特征

如前所述，土地利用已经成为滴水湖集水区的最主要非点源.因此，探讨土地利用非点源的结构特征具有一定的针对性.

总体而言，滴水湖集水区土地利用非点源污染物产生负荷和输移通量的结构基本一致，居住用地的COD污染最大，而农田的氨氮和TP污染较大（见图7和图8）.

此外，不同土地利用间的非点源污染物产生负荷和输移通量具有显著差异.居住用地、水产养殖用地和绿地的非点源污染物产生负荷和输移通量变化幅度较大，而商服用地的非点源污染物产生负荷和输移通量数量较小且变化较慢.对于COD而言，居住用地和水产养殖较大；对于氨氮而言，农田和水产养殖较大；对于TP而言，农田、水产养殖和居住用地较大.值得注意的是，2003年以后呈现农田、水产养殖和居住用地的非点源污染物产生负荷和输移通量呈现降低趋势，而其他用地类型的非点源污染则呈增加态势.需要说明的是，绿地也是一种非点源，绿地非点源污染物产生负荷和输移通量呈现显著增加趋势，这可能与临港区域有效绿地的面积较小，且新建绿地的污染物输出大有关［12］.

图7 1965—2008年滴水湖集水区土地利用非点源污染物产生负荷的结构特征Fig.7 The structural characteristics of the pollutants load of NPS from 1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

图8 1965—2008年滴水湖集水区土地利用非点源污染物输移通量的结构特征Fig.8 The structural characteristics of the transport flux of NPS from 1965 to 2008 in Lake Dishui watershed

2.5 1965—2008年滴水湖集水区非点源污染变化的空间分布特征

总体而言，13个二级集水区之间的相对污染程度随时间变化较小（见图9—11）.从空间分布来看，1965—2008年，各二级集水区尤其是B6、B9、B11和B12的相对污染程度总体变化较小.其余二级集水区的相对污染程度有所变化.这可能与区域的功能定位有关.

B8的非点源污染变化最为显著.B8现状为临港新城主城区，1989年以前滨海部分未成陆，故而污染程度较小，随着围海造田以及其后该区域城市化的加快，B8逐渐成为二级集水区中非点源污染较大的区域.此外，中心镇非点源污染相对较小但呈现增加态势，这可能与中心镇的低密度开发有关.

图9 1965—2008年滴水湖二级集水区非点源污染产生负荷的空间分布特征（COD）Fig.9 The spatial distribution characteristics of pollution load of NPS from1965 to 2008 in Lake Dishui second－class sub－watershed（COD）

图10 1965—2008年临港新城二级集水区非点源污染产生负荷的空间分布特征（氨氮）Fig.10 The spatial distribution characteristics of pollution load of NPS from1965 to 2008 in Lake Dishui second－class sub－watershed（NH＋4－N）

图11 1965—2008年临港新城二级集水区非点源污染产生负荷的空间分布特征（TP）Fig.11 The spatial distribution characteristics of pollution load of NPS from1965 to 2008 in Lake Dishui second－class sub－watershed（TP）

3 结 论

基于经典的输出系数法，初步探讨了适合于中国东部平原河网地区的半分布式集水区非点源输移通量测算方法.研究结果如下.

（1）上海滴水湖集水区内点源污染已经逐步得到控制，非点源污染已经成为集水区水环境质量的主要影响因素.滴水湖集水区非点源类型主要包括土地利用、降雨以及分散排放的农村生活污水3类，其中土地利用是最主要的.

（2）集水区非点源污染的产生负荷和输移通量相差较小，绿地等“汇”对非点源的去除效应平均仅为2.07%，土地利用的“汇”的作用有待提升.

（3）集水区非点源污染的产生负荷和输移通量均呈现显著增加态势，可初步划分为三个变化阶段.第一阶段为1965—1994年，非点源污染的产生负荷和输移通量总量较小，且变化较小；第二阶段为1995—2003年，非点源污染问题逐步显现；第三阶段为2004—2008年，非点源污染问题开始凸显.

（4）13个二级集水区的相对污染程度总体上随时间变化较小，与区域功能定位、城市化程度以及有效绿地面积比例有关.

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