基于ArcGIS和MikeBasin模型的还乡河流域污染负荷通量估算

曹东卫

（河北省唐山水文水资源勘测，河北 唐山 063000）

水环境

基于ArcGIS和MikeBasin模型的还乡河流域污染负荷通量估算

曹东卫

（河北省唐山水文水资源勘测，河北 唐山 063000）

阐述了污染负荷的概念及国内外研究进展，利用ArcGIS及MikeBasin模型对还乡河流域内污染负荷产出量、污染负荷通量进行模拟，给出流域内不同污染物的流出系数及距离衰减系数。模拟结果显示，还乡河流域污染负荷产出量为化学需氧量2100.053t/a、氨氮103.615 t/a、硝酸盐氮209.073t/a；并与降雨径流模型（NAM）耦合，计算出流域内污染负荷通量。为水环境管理提供了新的思路方法。

还乡河流域；污染负荷通量；Mikebasin

污染负荷指的是经由各种不同途径进入受纳水体的污染物（点源和非点源）的量［1］。定量研究污染负荷对于流域污染控制尤其在流域水环境管理中都具有非常重要的作用。对于污染负荷中的点源污染，可以由调查和监测手段来确定其污染负荷量，而对于非点源污染，因为非点源污染过程随机、复杂，排放种类与途径不确定，时空分布不均，这时采用获取点源的方法来确定非点源的污染负荷量就较为困难。尤其对那些地势低平的平原河网区，因汇流边界不易确定，水文及水动力特征又非常复杂，因此计算非点源污染负荷量时会比较困难［2-3］。

在20世纪60年代国外就已经对非点源污染模型进行了大量研究，并提出了很多非点源污染模型，但对于中国的农业耕作方式及其他一些特征，这些模型有很多参数及模块都需要进行调整［4］。因受平原河网区河流很多而且地势平坦及人为活动的强烈干预，加之水流流向及水动力条件等多重复杂，模型很难直接应用。因此，建立能在较大空间尺度上加以普及又能反映我国非点源污染物迁移特征的数学模型已成为研究的重点。

最近几年，在非点源污染的定量化研究中，3S技术成为一种新的方向。因非点源污染的产生及运移与其所在地的土壤、地形、植被及气候等空间信息有着密切关系，所以获得精确的空间信息非常必要。借助3S技术，显著提高了非点源污染负荷模型的空间数据的数量及质量，使非点源污染模型的性能得到更为充分的发挥，极大地推动了非点源污染的定量研究［5］。

1 研究区概况

还乡河发源于迁西县新集乡的董庄子，流经新集、夹河、崖口，在偏峪汇入邱庄水库，在水库以下流经丰润、白官屯、鸦鸿桥、窝洛沽等地，于九丈窝出唐山市进入天津市宁河县，于阎庄子汇入蓟运河，全长160km，流域面积1566km2，其中本市境内河长121km，流域面积1287km2。目前该河上建有邱庄水库，总库容2.04亿m3。还乡河流域年施用化肥1857.61万kg、农药23.54万kg。施用的化肥中主要有氮肥、磷肥和钾肥，其中以氮肥为主，占化肥施用总量的71.3%，磷肥占21.7%，钾肥占7.0%。

2 污染负荷模型原理

点源污染包括企业、城市污水及其他点源污染，可采用实地监测方法或以往详细的统计资料；非点源污染主要包括农业生产使用的化肥及农药、禽畜粪便和残留、未集中排放的生活污染、降雨径流和地表沉积物污染［6-8］。

本文建立的污染负荷模型充分利用了ArcGIS空间分析功能，采用MIKE模型系统中污染负荷评估模块（LoadCalculator）模拟分散点源和非点源污染，其间与MikeBasin模型的降雨径流模块（NAM）相耦合，做为LoadCalculator的输入。Mike Basin是基于ArcGIS的，由丹麦水利研究所研发的适用于流域或区域尺度的水资源综合规划和管理工具，解决地表水产汇流计算及水质模拟等问题的综合性水资源数学模型软件。

ArcGIS在污染负荷模型中主要是对模型数据进行收集和存储、划分沿河与分散点源、生成距离与坡度栅格图等。首先，建立污染负荷模型需要采集的空间及属性数据等基础数据，搭建ArcGIS数据库；其次，借助ArcGIS空间分析功能划分沿河与分散点源，沿河点源直接进入河道，分散点源则做为污染负荷模型输入；调查得出各行政区域污染负荷量并平均分配到所在面积，按面积权重分配到各个子流域中。（本文将所在面积分为众多1km2网格）；将污染物以最短径流原则汇入河流，再利用DEM生成距离与坡度栅格，用于污染负荷模型的计算。模型采用输出系数法，综合考虑了降雨径流、污染物产生时间及运移途径、流经距离及坡度等影响因素。

3 污染负荷模型基础数据及参数

3.1 属性数据

属性数据主要有污染物的汇总数据，如点源污染、禽畜养殖、人口情况、化肥施用量等［9］，以mdb形式储存。

3.1.1 点源污染

点源污染采用2012年实测资料，直接引入点源信息到污染负荷模型中。

3.1.2 农田污染

农田污染主要是对农业生产活动中施用的各种化肥或农药所产生的特征污染物的折纯量进行加和求得，可按式（1）计算：

式中Mn为化肥或农药产生的某污染物总负荷量（kg）；Mni为第n种化肥或农药产生的某污染物的负荷量（kg）；Xni为第i种化肥或农药的施用量（kg）；Rni为第i种化肥或农药中所含某污染物的比例。

3.1.3 禽畜养殖污染

对不同种类的禽畜单位污染负荷产生量及所在行政区域数量得到某种污染负荷产生量并进行加和，可以得出某种污染物的污染负荷产生总量，可按式（2）计算：

式中Mx为禽畜污染的某种污染负荷产生总量（kg）；Mxi为第n种禽畜所产生的某种污染物的量（kg）；Xxi为第i种禽畜某污染物单位污染负荷产生量（kg）；Rxi为第i种禽畜在所在行政区域内的数量。

3.1.4 农村生活污染

根据单位人口某种污染物的污染负荷产生量及所在行政区农业人口数量可以得出该行政区域农村生活污染的某种污染负荷产生量，可按式（3）计算：

Ms=xsRs（3）式中Ms为农村生活某污染负荷产生量（kg）；xs为单位农村人口某污染物产生量（kg）；Rs为所在行政区域农业人口数量。

污染物产生后，除了向受纳水体排放，另有一部分会在原地降解吸收或损耗。模型引入流出系数来表示污染物流出量占总产生量之比。另外，由于农田与禽畜养殖污染均与降雨径流有关，可将污染物流出量按日净雨量进行分配；农村生活污染则引入时间分配系数并按一定比例分配至各月；点源污染流出系数为1，可按式（4）～式（7）分别计算：

式中Zn，Zx，Zs分别为农田污染、禽畜养殖污染和农村生活污染的流出系数；QR，QR总分别为某时刻流域降雨量及降雨总量；Fs、Fd为农村生活污染和点源污染的时间分配系数；MLn，MLx，MLs，MLd为由农田污染、禽畜养殖污染、农村生活污染和点源污染流出的某种污染物的量（kg）；Md为点源污染负荷产生量（kg）。

各种污染源其某种污染物流出总量ML为：ML＝MLn+MLx+MLs+MLd。

从污染物产生流出到入河的过程中进一步降解，距河流越近、流经地形坡度越大则污染负荷入河量就越大，同时温度对降解速率也产生影响。

式中MR为某种污染物的入河负荷量（kg）；e为自然对数；K为距离降解系数（km-1）；Dg为产生地至河网的最短距离（km）；J为地形坡度；T为平均温度（℃）。

式（8）利用距离及坡度信息表达了所在区域的地形条件，距离坡度栅格图可由DEM生成，并进而生成水流方向图和子流域汇水区图；温度可采用实测数据。可见只有距离降解系数K未定，可由出口处的水质监测数据率定确定，反映了污染物降解反应速率的不同。

3.2 污染负荷模型空间数据

空间数据主要有主干河网图、点源分布图、行政区划图、数字高程模型（DEM）等，以shapefile形式储存。

3.3 污染负荷模型主要参数

污染负荷模型主要参数均由污染负荷编辑器输入，包括土地利用、径流系数、污染负荷消减系数、处理效率、距离降解系数、降解率及其他污染源的主要属性。现仅对污染物流出系数及距离衰减系数予以说明。

3.3.1 流出系数

污染物流出系数与污染源种类、土壤性质及其堆积方式等因素有关，而且各子流域的流出系数略有差异，其平均取值如表1。

表1 还乡河流域内不同污染物的平均流出系数

3.3.2 距离衰减系数

由源头子流域产生的污染物经截留与沿途降解后，在流域出口处汇入河网，通过反复调整污染物流出系数及距离衰减系数，比较各源头子流域出口处的实测值与模拟值，可以得出距离衰减系数，如表2所示。

表2 不同污染物的距离衰减系数单位：kg/m

4 流域污染物负荷通量计算

根据调查结果，按其所在位置将其平均分布到流域的每平方公里网格，在模型中输入相应参数，并通过反复率定调整，确定流域污染负荷产生量。模拟结果显示，还乡河流域内污染负荷产出量为：化学需氧量2100.053t/a、氨氮103.615t/a、硝酸盐氮209.073t/a。还乡河流域每平方公里网格化学需氧量、氨氮、硝酸盐氮产出通量分布，通过模型计算得出还乡河流域进入还乡河的化学需氧量、氨氮、硝酸盐氮污染物负荷通量（kg/s）。如图1～图3。

图1 还乡河流域化学需氧量污染负荷通量

图2 还乡河流域硝酸盐氮污染负荷通量

图3 还乡河流域氨氮污染负荷通量

5 结语

利用ArcGIS及Mikebasin的LoadCalculator模块构建的还乡河流域污染负荷模型，可以比较精确地模拟流域的实时污染负荷通量，也可计算出流域内污染负荷总量，将其应用于水环境管理中，为污染负荷研究提供了新的思路方法，又为水环境管理提供了有效的技术手段、科学依据及决策支持。

［1］杨爱玲，朱颜明.地表水环境非点源污染研究［J］.环境科学进展，1998，7（5）：60-67.

［2］陈丁江.流域非点源污染物输移通量与总量控制研究［D］.杭州：浙江大学，2007.

［3］曹文志，洪华生，岳世平，等.GIS在农业非点源污染模拟研究中的应用［J］.厦门大学学报（自然科学版），2001，40（3）：658-663.

［4］朱华.基于遥感和GIS的水环境非点源污染研究［D］.长沙：湖南大学，2005.

［5］李硕.GIS和遥感辅助下流域模拟的空间离散化和参数化研究与应用［D］.南京：南京师范大学，2002.

［6］高强.基于GIS的河网水环境预测与信息系统及其应用［D］.广州：中山大学，2006.

［7］徐祖信，黄沈发，王敏.崇明岛生态建设与环境保护规划研究［J］.上海环境科学，2003，22（3）.

［8］李荣刚，戴其根，皮加欢.江苏太湖稻麦两熟地区生态、经济施氮量的初步研究［J］.江苏农业研究，2000，21（2）:30-35.

The pollution load flux estimation of Huanxiang River basin based on ArcGIS and M ikeBasin model

CAO Dong-wei
（Tangshan Hydrology and Water Resources Sureau of Hebei Province,Tangshan,063000,China）

This paper expounds the concept and the pollution load of domestic and foreign research progress of using Ar-cgis and Mikebasin model for the Huanxiang River basin pollution load,simulated the output,the pollution load flux in the basin,and given different pollutants of outflow coefficient and distance attenuation coefficient.Simulation results show that the Huanxiang River basin pollution load output of chemical oxygen demand（cod）was 2100.053t/a,ammonia nitrogen was 103.615 t/a and nitrate nitrogen was 209.073t/a.With rainfall and runoffmodel（NAM）coupling,calculate the basin pollu-tion load flux;Method provides a new Ideas and methods for thewater environmentmanagement.

Huanxiang river basin;pollution load flux;Mikebasin

X832

B

1672-9900（2015）01-0064-04

2015-01-27

曹东卫（1973-），男（汉族），河北唐山人，高级工程师，主要从事水环境监测与管理，水文水资源研究工作，（Tel）13803316461。