晋江流域污染负荷空间分布及关键源区识别

马 岚，滕彦国，林学钰，王金生（1.北京林业大学水土保持学院，水土保持国家林业局重点实验室，北京100083；.北京师范大学水科学研究院，北京 100875）

晋江流域污染负荷空间分布及关键源区识别

马 岚1，2*，滕彦国2，林学钰2，王金生2（1.北京林业大学水土保持学院，水土保持国家林业局重点实验室，北京100083；2.北京师范大学水科学研究院，北京 100875）

提出了利用水文和水质同步监测资料计算流域污染负荷空间分布的一般程序，并探讨了采用污染负荷贡献与集水区面积占比关系识别流域污染关键源区的方法，并在晋江流域进行了实例应用.结果表明:晋江下游取水口金鸡断面污染负荷主要来自东溪和西溪，枯水期CODMn、NH3-N和TP负荷分别是226.8、27.1和17.1g/s，占丰、平水期的18%～67%.丰、枯水期东溪和西溪对金鸡断面污染负荷贡献基本相当，而平水期西溪贡献显著大于东溪.晋江流域污染关键源区分别为蓬壶-长厅桥区间、长厅桥-港龙区间、横口-园美区间等5个断面区间，该关键源区识别方法不仅较好反映了污染物浓度和污染负荷在流域内的空间分布，同时还指出了主要污染物及敏感时期，可为后期的污染治理提供依据.本研究提出的污染负荷贡献计算程序以及关键源区识别方法具有较好的普适性，可为其他流域提供借鉴.

污染负荷；关键污染源区；空间分布；识别方法；晋江流域

晋江水系是泉州主要饮用水源，是典型的河流型饮用水源地［1］.为保障取水口水质安全，需有针对性的实行流域水环境分区分类保护与管理［2-4］，而开展该流域污染负荷空间分布和关键源区识别研究是实行分区管理和水源保护区划分的重要基础［5-7］.

目前污染关键源区识别研究主要围绕非点源污染控制和水土保持等方面［8-10］，而我国多数流域水污染是点源和非点源共同作用的结果，仅从非点源污染出发难以认识流域污染全貌［11-12］.鉴于此，部分非点源模型增加了点源污染排放模块［13-14］.然而针对大多数流域，模型应用受输入参数及验证资料短缺等制约［15-16］，因此用现有易获取资料分析流域污染（点源和非点源）负荷空间分布很有必要.

本文利用流域水文水质同步监测数据，采用水文比拟法计算不同河段污染负荷贡献，并从典型污染物浓度和负荷两个层面提出关键源区识别方法，从而为河流型饮用水源保护区划分和流域水环境分区分类管理提供依据.

1 模型与方法

1.1 研究区概况

晋江流域位于北纬24°31′～25°32′和东经117°44′～118°47′，流域总面积为5629km2，是泉州市重要的饮用水源地（图1）.流域年均气温17～21℃，年均降水量1010～1756mm，降水70%集中在6～9月，且多台风暴雨.晋江水系主要由东溪和西溪组成，东、西溪流域面积分别为1917和3101km2，两溪于南安市双溪口汇合入晋江干流.双溪口以下晋江干流长29km，沿途增加区间面积611km2.位于东溪中游的山美水库，是流域内唯一一座具有防洪、供水、灌溉和发电的大型水利枢纽工程.

图1 水质水文监测断面位置Fig.1 Spatial distribution of water quality and hydrology monitoring sections in the Jinjiang River Basin

流域内分布5个水文站，分别位于永春、山美、洪濑、安溪和石砻；水质监测断面有14个，基本实现了流域较大支流的全覆盖（表1和图1）.其中流域下游（双溪口以下约10km）金鸡断面（石砻）为水量水质同步监测断面，是泉州市区的饮用水取水口.

表1 水质监测断面分布情况Table 1 Spatial distribution of water quality monitoring sections in the Jinjiang River Basin

1.2 程序步骤

在水文和水质监测基础上，首先筛选关键水质指标，并以此作为关键源区识别的典型污染物进行分析.采用水量水质同步分析识别河流污染负荷空间分布具体程序（图2）为:

（1）断面布设与水质监测.根据流域水系及取水口位置，合理选取、布设集水区内河流水体监测断面，并根据河流水质变化情况，合理确定监测频次、监测指标等.监测断面应反映河流水质的空间分布，监测频次应覆盖丰、平、枯水期，水质指标可结合实际根据水功能区评价要求确定.

（2）断面流量反演.由于水质监测断面与水文站流量监测断面并不完全重合，因此水质监测断面流量可采用水文比拟法进行反演.水文比拟法是以集水区间的相似性为基础，将相似集水区的水文资料移用至研究集水区的一种简便方法.若研究集水区与相似集水区的气象条件和下垫面因素基本相似，即产流系数基本相同，仅集水区面积有所不同，这时只考虑面积的影响，则存在（1）式所示的关系.

式中:Q为研究集水区出口断面流量，m3/s；F为研究集水区面积，km2；Q′为相似集水区出口断面流量，m3/s；F′为相似集水区面积，km2.由于本研究所涉及集水区面积均较小，相邻集水区气象条件和下垫面因素基本相似，因此可利用现有水文监测数据，根据集水区面积计算断面流量.

图2 采用水量水质同步数据识别污染负荷空间分布技术流程Fig.2 Procedure for spatial distribution identification of pollutant loads using synchronous data on water quantity and quality

（3）污染物通量计算.根据实测污染物浓度Ci和反演计算的流量Qi，采用（2）式计算断面污染物通量［17］.

式中:Wi为第i断面污染物通量，g/s；Qi为第i断面流量，m3/s；Ci为第i断面的污染物浓度，mg/L.

（4）断面区间或集水区污染负荷计算.根据监测断面布局，可分为两种类型:一是监测断面以上为完整汇水单元的，如图3的1断面上和3断面上，污染负荷即为该断面汇水区的污染物通量；二是两断面之间的汇水区间，如1-2断面间、2-4断面间，该污染负荷为下游断面减去上游断面通量，有支流汇入的再减去其支流通量（W支），见式（3）:

式中:Wi-j为断面区间污染负荷.如图3所示，1-2断面间输出率W1-2为（W2-W1），2-4断面间（除支流B外）负荷为（W4-W2-W3）.

图3 断面区间污染负荷计算示意Fig.3 Schematic for calculation of pollutant load between monitoring sections

1.3 资料来源

水质数据来自晋江流域水环境功能区日常监测以及国家水环境研究专项监测成果.水质监测主要针对常规指标进行，监测年限为2000～2011年，每隔1～2月取样回实验室分析.此外根据研究需要，于2009年至2011年加密布设监测断面.水文数据通过查阅水文年鉴获取，主要包括降水量、蒸发量、不同时段（日、月）径流量.根据流域水文特征，设定6～9月、4～5月和11～1月分别代表丰、平、枯水期［18］，各水期的水质按相应月份取平均值.在对水文资料分析基础上，选取2010年（平水年）为现状年（降水量接近多年平均值且污染情况反映了流域污染现状），分析流域污染负荷的空间分布及水质联系.

2 结果与讨论

2.1 流域水质时空变异情况

表2为2000～2011年晋江流域各监测断面在不同水期的水质状况.按流域水环境功能区划要求（金鸡断面为Ⅱ类，其余断面均为Ⅲ类，参考标准为地表水环境质量标准（GB3838-2002）［19］，下同），超标最为严重的是东溪长厅桥断面，其次晋江干流金鸡断面.由于晋江水系为河流型饮用水源地，若按目标水质（Ⅱ类）标准，各断面的超标比例均显著上升（表2）.这说明虽然很多断面水体达到Ⅲ类水质标准，但其部分污染物浓度及负荷仍然可能较大.从表2可以看出，晋江流域主要污染物为CODMn、NH3-N和TP，这与马岚等采用污染源解析方法识别的该流域主要污染物一致［2］，因此以下主要针对该3种典型污染物开展关键源区识别.

表2 2000～2011年晋江流域丰、平、枯水期各监测断面典型污染物超标情况Table 2 The water quality status at different monitoring sections and flow periods in 2000～2011

断面水质状况在不同年份间总体相近，但降雨对其存在一定影响［18］.以2010年（平水年）为代表年对几种典型污染物浓度空间变化进行进一步说明.总体上，长厅桥断面NH3-N浓度显著高于其他断面，且3个水期均超Ⅲ类水质标准，这可能主要是由农业面源和较为集中的生活源排放引起［2，18］；除长厅桥断面外，东溪和西溪各监测断面的典型污染物浓度基本相当；总体上，平水期各断面典型污染物浓度相对较大，超标比例较高（图4和表2），这可能与该区农田灌溉排水有关［18］.

图4 2010年（现状年）晋江流域丰、平、枯水期各监测断面典型污染物浓度Fig.4 The concentrations of key pollutants at different monitoring sections and river flow periods in 2010

污染物浓度可以直观反映断面水质现状，但难以说明污染排放负荷及不同断面之间的水质联系.因此，需要进一步结合河流的流量资料和水力联系探讨污染物负荷的空间分布，从而为实现河流型饮用水源地保护的预警管理奠定基础.

2.2 污染负荷空间分布

在收集整理晋江流域5个水文站和14个水质监测断面数据基础上，采用图2程序分别计算CODMn、NH3-N、TP在丰、平、枯水期各集水区或断面间的污染负荷.

在丰水期，饮用水源地取水口—金鸡断面CODMn输出通量为996.6g/s，其中洪濑（园美）-金鸡断面贡献最大，达45%.东溪（洪濑以上）和西溪（园美以上）对金鸡断面的贡献基本相当，分别为27%和29%（图5和表3）.TP与CODMn类似，东、西溪下游河段贡献最大，占对金鸡断面污染总负荷的41%，东溪（洪濑以上）和西溪（园美以上）对金鸡断面的贡献分别为41%和19%（图5和表3）.NH3-N与CODMn、TP不同，下游河段甚至出现NH3-N负荷贡献为负值，这说明下游金鸡断面的NH3-N通量小于上游园美和洪濑断面，这可能是因为该河段NH3-N入河量较小，以及NH3-N在水体中发生硝化反应［20］.受到山美水库的调节作用，东溪各断面NH3-N通量存在较大的空间变异性.

图5 丰水期不同河段CODMn、NH3-N和TP输出负荷（g/s）Fig.5 Pollutant loads of CODMn， NH3-N and TP between monitoring sections in high river flow periods （g/s）

在平水期，金鸡断面CODMn的输出通量为479.7g/s，其中西溪（园美以上）的贡献约为东溪（洪濑以上）的2倍（表4）.对于NH3-N而言，位于西溪干流的横口-园美断面污染负荷贡献最大，达47.8%.而西溪（园美以上）和东溪（洪濑以上）的贡献分别为57%和36%.金鸡断面TP的输出通量为31.2g/s，其在流域内的空间分布情况与丰水期类似，东、西溪下游到金鸡断面这一河段的贡献为24%，东溪（洪濑以上）和西溪（园美以上）的贡献相当，分别为33%和42%.长厅桥-山美出口断面的TP负荷出现负值，说明在平水期山美水库对东溪TP具有一定的净化作用.

表3 丰水期各集水区或河段污染负荷及其对金鸡断面贡献Table 3 Pollutant loads and their contributions to water-intake （Jinji） section in high river flow period

表4 平水期各集水区或河段污染负荷及其对金鸡断面贡献Table 4 Pollutant loads and their contributions to water-intake （Jinji） section in normal river flow period

在枯水期，金鸡断面CODMn、NH3-N、TP输出通量分别是226.8、27.1、17.1g/s，均显著小于丰水期和平水期，这说明该区域由于降雨径流造成的面源污染仍占相当比重［18］.东、西溪下游对金鸡断面CODMn负荷贡献达40%，而西溪（园美以上）和东溪（洪濑以上）贡献基本相当，分别为32%和28%.西溪（园美以上）和东溪（洪濑以上）对金鸡断面NH3-N负荷贡献分别为62%和34%.东溪山美水库显著削减了NH3-N的输出负荷，其削减贡献达56%.东、西溪下游对金鸡断面TP负荷贡献为28%，西溪（园美以上）和东溪（洪濑以上）贡献分别为31%和41%.

在丰、枯水期，东、西溪下游（洪濑和园美至金鸡）对金鸡断面CODMn、TP输出负荷贡献较大，占28%～45%，而东溪（洪濑以上）和西溪（园美以上）贡献基本相当.而在平水期，东、西溪下游对金鸡断面污染负荷的贡献减小，且西溪（园美以上）污染贡献总体显著大于东溪（表3～表5）.

表5 枯水期各集水区或河段污染负荷及其对金鸡断面贡献Table 5 Pollutant loads and their contributions to water-intake （Jinji） section in low river flow period

除NH3-N外，不同水期金鸡断面污染输出负荷次序为:丰水期＞平水期＞枯水期（表3～表5）.而NH3-N在平水期负荷最大，分别是枯水期和丰水期的近4倍和2.5倍，这可能是由于晋江流域通常4月开展的大规模春灌回水挟带农田施用的氮肥流失造成的［18，21-22］.山美水库对金鸡断面NH3-N负荷的削减作用显著，丰、平、枯水期分别削减了总负荷的134%、34%和56%，而水库对CODMn和TP负荷的削减作用不甚明显.

2.3 关键源区识别

在流域水质评价及污染负荷空间分析基础上，探讨从污染物浓度和总量（负荷）两方面综合识别关键源区的方法，从而为水污染防治和饮用水源地保护奠定基础.结合晋江流域饮用水源地保护的实际，列出了关键源区识别的具体步骤和方法:

（1）开展断面水质评价，根据污染物浓度划分成达标、基本达标和未达标三类水质断面.针对晋江流域实际，超过III类水质的为未达标；介于Ⅱ-III类之间的为基本达标；达到Ⅱ类的为达标.

（2）关键源区识别针对未达标和基本达标断面，满足下列条件之一的划定为关键源区.一是不达标断面以上集水区或断面区间；二是基本达标断面在1年中有2个水期该断面以上集水区或区间污染负荷占总负荷的比重大于集水区面积占比的2倍以上.这里主要从污染源与稀释水量之间的对比关系出发，并假定流域内各断面区间（集水区）综合产水系数基本相同.

（3）关键源区识别可分不同水期（丰、平、枯水期）、不同污染物进行［18，22］，针对不同水期、污染物识别出的关键源区的并集为流域关键源区.

由表2可以看出，污染物浓度不达标断面有长厅桥断面、仙苑和港龙断面（表2），因此关键源区分别为桃溪的蓬壶-长厅桥区间、官桥溪的仙苑上集水区以及长厅桥-港龙区间.

3种典型污染物在不同水期的断面区间（集水区）污染负荷占比与该区面积占总流域面积占比的比值见图6.实际上，当污染负荷占比/面积占比比值大于1时，说明该集水区的污染排放强度即大于流域平均强度；当该比值为2时，说明该集水区污染排放强度超过流域平均排放强度1倍.根据上述步骤（2），对于基本达标断面，CODMn的关键源区为横口-园美区间、洪濑园美-金鸡区间，最敏感水期为平水期.NH3-N的关键源区为蓬壶-长厅桥区间、港龙（山美出口）-洪濑区间、横口-园美区间，全年均为敏感水期； TP的关键源区为长厅桥-港龙区间，敏感时期为丰、枯水期.针对不同污染物排放强度的关键源区识别可为流域不同空间单元的开发和水环境保护提供支撑.

综上，采用污染排放强度识别的关键源区包括了全部的水质超标断面（因超标污染物不同而仙苑上集水区除外，表2），并新增了港龙（山美出口）-洪濑、横口-园美、洪濑园美-金鸡等排放强度较大的3个关键源区.该方法还给出了主要污染物及敏感时期（图6），从而为后期的关键源区治理奠定了基础.总体上，晋江流域关键源区包括蓬壶-长厅桥区间、仙苑上集水区、长厅桥-港龙区间、横口-园美区间、洪濑园美-金鸡区间、港龙（山美出口）-洪濑区间，其中蓬壶-长厅桥区间的主要污染物为NH3-N，其全年均存在水质超标和排放强度较大等问题，应该予以重点关注；其他各关键源区往往针对特定污染物和特定时段，在治理中应因地制宜采取措施.

图6 各断面区间（集水区）典型污染物负荷占比与面积占比的比值Fig.6 The ratio of pollutant load contribution to watershed area proportion derived from different section intervals to Jinjiang River Basin

3 结论

3.1 针对晋江流域实际，选取CODMn、NH3-N、TP等典型污染物指标，提出采用水文、水质监测资料计算不同水期典型污染物输出负荷的方法，以及基于污染物浓度和负荷相结合的污染关键源区识别方法，为河流型饮用水源地保护及流域水质安全保障提供依据.

3.2 丰、枯水期东、西溪的下游（洪濑和园美至金鸡）对金鸡断面CODMn、TP输出负荷贡献较大，占28%～45%，而东溪（洪濑以上）和西溪（园美以上）贡献基本相当.平水期东、西溪下游对金鸡断面污染负荷的贡献减小，且西溪（园美以上）污染贡献总体显著大于东溪.

3.3 晋江流域污染关键源区为蓬壶-长厅桥区间、长厅桥-港龙区间、横口-园美区间、港龙（山美出口）-洪濑区间、洪濑园美-金鸡区间，其中蓬壶-长厅桥区间NH3-N全年超标且污染物排放强度较高，因此在晋江饮用水源地保护中应予以重点关注.

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Spatial distribution of pollution load and critical source area identification in the Jinjiang River Basin.

MA Lan1，2*， TENG Yan-guo2， LIN Xue-yu2， WANG Jin-sheng2（1.Key Laboratory of Soil and Water Conservation， State Forestry Administration， College of Soil and Water Conservation， Beijing Forestry University， Beijing 100083，China；2.College of Water Sciences， Beijing Normal University， Beijing 100875， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3679～3688

Based on the monitoring data on water quantity and quality at different river cross sections， a procedure on calculating the spatial distribution of pollutant loads was suggested. A method for identifying critical source area based on the relationship between pollutant loads and catchment areas in sub-areas was further proposed. The procedure and method had been taken into practice in the Jinjiang River Basin， an important drinking water source area. The results showed that the output pollutant loads of the Jinjiang River Basin （Jinji water intake section） mainly derived from East stream （EStm） and West stream （WStm）. In low river flow periods， the output pollutant loads of CODMn， NH3-N（ammonia nitrogen） and TP （total phosphorus） were 226.8， 27.1 and 17.1g/s， which accounted for 18%～67% of high and normal flow periods. In high and low flow periods， EStm （Honglai section above） and WStm （Yuanmei section above） had almost same contribution in pollutant loads to the total outputs， but in normal flow period WStm generated significantly greater pollutant loads than EStm. Five critical source areas were indentified using the above method， including Penghu-Changtingqiao， Changtingqiao-Ganglong and Hengkou-Yuanmei section， etc. The identification method can not only mirror spatial distribution of pollutant concentrations and loads， but also define key pollutants and sensitive flow periods， which is beneficial to pollution control. The proposed procedure and method in this paper can be widely used in the other river basins in China.

pollution load；key pollution source area；spatial distribution；identification method；the Jinjiang River Basin

X522

A

1000-6923（2015）12-3679-10

马 岚（1981-），女，陕西宁强人，讲师，博士，主要从事水环境保护研究.发表论文10余篇.

2015-06-09

国家自然科学基金资助项目（51309007）；国家水体污染控制与治理科技重大专项课题（2009ZX07419-003）

* 责任作者， 讲师， mlpcz@sina.com