基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算——以莱州湾为例<br/>

基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算——以莱州湾为例

2014-12-21麻德明石洪华丰爱平

生态学报 2014年1期

麻德明，石洪华，丰爱平

(国家海洋局第一海洋研究所，青岛 266061)

水环境污染问题已经是影响人类社会可持续发展的主要制约因素，正越来越受到人们的关注。全球有30%—50%的地表水体受到非点源污染的影响［1］。研究表明，非点源污染是导致地表水污染的主要原因，其中又以农业非点源污染贡献率最大。在美国，即使点源污染全面控制之后，水体的质量也并未因此而有所改善。美国的非点源污染约占污染总量的2/3，其中农业非点源污染占非点源污染总量的68%—83%，农业非点源污染已经成为全美河流污染的第一污染源［2］。荷兰农业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染总量的60%和40%—50%［3］。在我国，非点源污染问题也日益严重，农业非点源污染已经成为水质恶化的主要原因之一。因此，加强农业非点源污染研究对我国水污染防治具有重要意义。

农业非点源污染是指在农业生产活动中，农田中的土粒、氮素、磷、农药及其他有机或无机污染物质，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏，进入水体而形成的水环境污染［4］。随着沿海经济的快速发展，农业非点源污染正日益成为水体富营养化最主要的污染源，并已成为当前限制我国经济可持续发展的重要因素，控制陆源污染是防治海洋污染的关键，而陆源污染物定量估算则是控制陆源污染的基础。

海湾区域非点源污染的研究在国外较早引起学者的重视［5－7］，国内在该领域的研究还相对薄弱。在我国沿海城市工业、生活污水等点源污染治理程度逐步提高的前提下，近岸海域水环境仍然没有明显的改善，局部区域甚至还面临着恶化的趋势［8］，非点源污染作为海湾主要污染源之一日益受到管理部门和研究学者的重视。由于非点源污染的发生具有随机性和复杂性，计算非点源污染负荷的难度比较大，随着水环境实施总量控制的管理，非点源污染的定量化尤为重要［9］。目前，估算非点源污染的传统方法有很多［10－23］，归纳起来主要可以分为4种:断面实测总负荷减去点源负荷的方法、水文估算法、输出系数法(单位负荷法)和模型估算法，这4种方法各有优缺点。一般来说，农业非点源污染包括农田径流、畜禽养殖、水产养殖和农村生活4个主要来源。本文以流域单元划分的思想为基础，借助GIS技术，以汇水区为单元，尝试建立适宜的机理模型，提出一种基于流域单元的农业非点源污染负荷估算方法，应用于莱州湾入海流域，从以上4个方面来定量地估算农业非点源主要污染物入海总量。

1 研究区概况

莱州湾位于山东半岛北侧，渤海南部，是山东省最大的海湾，也是山东半岛城市群经济圈的腹地。湾口东起屺姆岛的高角，西至现代黄河新入海口。莱州湾总面积23370 km2，海岸线577.91 km，海域面积约11603 km2，其中浅海面积8726 km2，滩涂广袤，海洋渔业生物资源和土地资源丰富，盛产蟹、蛤、虾等，还是许多海洋生物的产卵场和索饵场。本区域海洋渔业、海洋油气业、海洋盐业、海洋化工、海洋矿业、海洋交通运输业等主要海洋产业优势明显，在全省海洋经济中占有重要地位。本海区地处中纬度，水温分布有明显的季节性，冬季(2月)近海在0℃以下，有冰冻出现;春季(5月)在14℃左右。夏季(8月)表层水温可达26℃;秋季(11月)在11℃左右。东部海水较清，西南部较混浊，海湾东部有两个附属小湾，即龙口湾和太平湾。湾东南部海底有一西北东南走向的水下浅滩，即“莱州浅滩”。莱州湾的海岸由3部份组成:高角至虎头崖为沙质岸段，虎头崖至淄脉沟为粉砂淤泥质岸，淄脉沟以北为现代黄河三角洲的迅速淤进型岸段。沿岸自北向南、自西向东有小岛河、溢洪河、广利河、淄脉沟、小清河、弥河、白浪河、虞河、潍河、胶莱河、沙河、王河和界河等十几条较大河流，这些河流是造成海岸的最活跃的参与者。随着经济、人口的迅速增长，莱州湾的环境问题日趋严重［24］。

2 汇水区和子流域划分方法

河网的提取、汇水区和子流域的划分，借助已经成熟的美国ESRI公司的ARC/INFO软件中的ArcHydro模块。

2.1 ArcHydro模型介绍

ArcHydro模块是由得克萨斯大学的水资源研究中心(Center for research in Water Resources，CRWR)基于ARC/INFO联合ESRI开发的，其数据模型是把水文的地表水流模拟和GIS数据结构相结合形成的。ArcHydro数据模型包括5个部分:Drainage(汇流)、Hydrography(水文地形)、Channel(河道)、Network(水文网络)和TimeSeries(时间序列)。

2.2 流域划分

采用地表径流漫流模型，模拟地表径流在地表从高到低的流动来生成水系，即借助ArcGIS软件中的ArcHydro水文分析模块，先填洼，然后根据坡降确定每个格网的水流方向的方法提取汇流网络，最终生成汇水区。利用ArcGIS可以提取不同级别的汇流网络，对同一流域可以划分为面积由大到小不同等级的子汇流区域。

(1)数据预处理

数据源采用SRTM DEM(分辨率90 m)，首先利用ArcGIS的Mosaic To New Raster工具，把涉及研究区域的两幅DEM进行合并，然后利用 ArcGIS的Extract by Polygon工具，裁减出研究区域的DEM数据。如图1所示。

图1 研究区域DEMFig.1 the study area of DEM

(2)洼地填充

DEM是比较光滑的地形表面的模拟，但由于内插的原因以及一些真实地形(如喀斯特地貌)的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的区域。在进行地表水流模拟时，会得到不合理的或错误的水流方向。因此，在进行水流方向的计算之前，利用ArcHydro模块中Fill功能，把洼地点的高程升高，与洼地边缘的最低点的高程相同，生成无洼地DEM。

(3)流向计算

流向计算基于无洼地DEM，通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定(D8算法)，应用ArcHydro模块下的Flow Direction功能，生成格网流向图，每个格网值表示它流向相邻像元的方向。

(4)汇流累积量计算

基于无洼地DEM的水流方向的计算，执行ArcHydro模块中Flow Accumulation命令计算出每个格网上游累积汇流数，得到汇流累积量分布图。

(5)河网提取

基于汇流累积矩阵，首先执行map algebra工具集中的Raster Calculator工具中的con命令;然后设置阈值，阈值的设定在河网的提出过程中非常关键，直接影响到河网的提取结果，本研究经多次试验，设定阈值为10000，其单位是栅格数，可获得基于DEM的水系栅格图;最后进行栅格河网失量化，执行ArcHydro模块中的stream to feature命令，得到矢量形式的河网分布图(图2)。

图2 莱州湾入海河网分布图Fig.2 The distribution map of river network into Laizhou Bay

(6)流域划分

流域又称集水区域，是指流经其中的水流和其它物质从一个公共的出水口排出从而形成一个集中的排水区域，是给定点的汇水区域。汇水区划分基于水流方向数据，执行basin命令，获得汇水区，如图3所示。

图3 莱州湾入海河流汇水区Fig.3 Rivers into Laizhou Bay catchments

(7)子流域划分

子流域的划分是水文模拟的重要一步，也是流域农业污染的重要研究步骤。本研究基于DEM，根据河流入海口的位置，结合实际情况，从北向南，从东到西，划分为十一大子流域，包括小岛河流域;溢洪河、广利河和滋脉河(沟)/支脉河流域;小清河流域;弥河流域;白浪河流域;虞河流域;潍河流域;胶莱河流域;沙河流域;王河流域和界河流域。各子流域如图4所示。

图4 莱州湾子流域分布图Fig.4 The distribution map of Laizhou Bay sub-watershed

2.3 子流域汇水区面积计算

在划分出汇水区和子流域的基础上，经等面积投影，计算出各入海河流子流域的汇水区面积，如表1所示。

表1 莱州湾各子流域面积Table 1 The area of Laizhou Bay sub-watershed

3 污染排放系数与入河系数

根据调查，认为海湾农业非点源污染主要来源于农业种植、畜禽养殖污染物、农村生活污水排放和海水养殖。因此，在划分汇水区和子流域的基础上，重点研究该区内由农田耕作、畜禽饲养、海水养殖、农村居民生活所排放的农业非点源污染中COD、NH3－N、TN和TP污染负荷的流域分配情况。

汇水区内各污染物总量为:

式中，Wi为第 i种(1、2、3、4 分别代表 COD、NH3－N、TN、TP)农业污染负荷总量，Wij是土地利用类型为j种(1、2、3、4分别代表农田、畜禽饲养用地、海水养殖用地、农村居住地)污染物的污染负荷;Si为第j种土地利用类型的面积，其中j=4为汇水中农村人口总数;Kij为第j种土地利用类型对应第i种污染物的排污系数［25－29］，其中，农田耕作和农村居民部分排污系数参照《全国水环境容量核定技术指南》提供的系数［30］;畜禽饲养用地内各畜禽种类排污系统采用国家环保总局环发［2004］43号文件《关于减免家禽业排污费等有关问题的通知》中提供的排污系数［26］;海水养殖排污系数参见黄渤海海水养殖污染排放成果［31－32］(表 2)。

农业非点源污染入河量是指一定时期内，由地表径流携带进入河流等地表水体的污染负荷。要估算入河量，需要确定入河系数。入河系数需要较长期对水质和水量的同步监测，本文利用已有的研究成果［33－36］(表 3)。

表2 排污系数Table 2 Pollutant emission coefficients

表3 入河系数Table 3 Into the river coefficients

4 污染排放总量估算与精度评定

利用2005年的山东省土地利用图和2010年的海水养殖分布图(图5)，土地利用现状图包括居民用地、草地、林地、耕地等类型，由于本研究是针对农业非点源污染进行估算，因此只考虑农用地，而农村居住地则通过农村居民数进行估算，畜禽饲养用地通过畜禽种类的数量进行估算，汇水区内2005年到2010年间耕地的面积变化不大，对估算结果的影响在允许误差范围内，故可作为2010年的污染物估算结果。把土地利用现状图和海水养殖分布图与汇水区进行叠加，分别计算不同土地利用类型的汇水区面积，利用上面的污染排放系数，估算出各子流域污染排放量。

图5 莱州湾汇水区土地利用分布图Fig.5 the land-use map of Laizhou Bay catchments

经过叠加分析，计算得到汇水区内耕地面积约为2392810 hm2;海水养殖面积为1.7 hm2;根据山东省2011年统计年鉴［37］，截至到2010年底，汇水区内农村人口数约为360.85万人;牛总数约为529.66万头，猪为1106.27万头;鸡、鸭等家禽约为44825.05万只。

由上述的公式计算可得，COD的每年污染总量约为3095461 t;NH3－N的每年污染总量约为297917 t;TN的每年污染总量约为698870 t;TP的每年污染总量约为217118 t。再根据表3中的各污染物的入河系数，计算得到 COD、NH3－N、TN 和 TP每年的入河总量分别为:236933、23956、53684 t和 15922 t。利用子流域所占的面积，分别计算出各子流域的COD、NH3－N、TN 和 TP 每年的入河总量(表4)。

目前还没有见到针对莱州湾污染总量的估算，相应的污染监测也没有形成每年入湾的农业非点源污染总量数据，不能与实际的污染总量进行直接的对比来评定本文的估算精度，但从已有对小清河流域氮素污染总量的研究成果来看，朱虎［38］计算2006年小清河流域年均氮失潜力为10.44×103—36.86×103t，平均23.65×103t，本文估算的小清河流域全氮和氨氮的总入海量为25477 t，在其范围值内，基本与平均量相同，比较接近实际情况，其精度具有一定的可靠性。

表4 莱州湾各子流域入海主要污染物排放量/tTable 4 Each sub-watershed emissions of major pollutants into Laizhou Bay

5 结论

本文借助GIS技术，提出一种基于流域单元的农业非点源污染负荷的估算方法，并以莱州湾为例，分别估算了由农业污染引起的非点源污染物COD、NH3－N、TN和TP入海污染总量。上述4种农业非点源污染物的定量化估算表明，莱州湾农业非点源污染主要是由农业生产过程所产生的;从主要污染物角度来看，4种主要污染物中COD入海量最大，TN次之，然后是 NH3－N 和 TP，COD、NH3－N、TN 和 TP 的排放量占总排放量的比例分别为71.69%、7.25%、16.24%和4.82%，这为莱州湾环境污染原因诊断和调控措施的制定更有针对性。该研究通过探索适合的流域农业非点源污染负荷计算方法，来识别流域非点源污染的负荷量及其空间分布，从而为相应流域管理措施的制定和海洋环境的调控提供依据。

虽然对莱州湾入海非点源负荷进行了定量估算，但由于缺乏详细的、长序列的、以及农业非点源污染专项监测资料，并且海湾污染是一个非常复杂的机理过程，其农业非点源污染影响因素众多，各污染系数主要采用文献中的方法确定，并不一定完全适应于莱州湾区域，今后应更多地通过典型区域的污染发生学试验研究来确定各类系数的值;其次由于DEM的分辨率为90 m，缺乏部分特殊地形的细部特征，在汇水区划分上不够精细。可以预计，随着人们对非点源污染机制、过程的深入理解，海湾农业非点源污染必将获得进一步发展，为流域非点源的管理、控制提供更好的技术支持。

我国海湾区域农业非点源污染控制还处于探索阶段，国家尚未进行全面调控，缺乏对造成海湾污染的农业非点源进行全面、系统的认识和研究，但非点源污染对于近岸海湾主体的影响日益突出，因此，正确的引导政府管理部门和公众提高对非点源污染的重视并采取有效的调控措施，对保护海湾水环境意义重大。期望进一步开展海湾非点源污染总量控制、管理计划等方面的研究。

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