基于小流域划分的拉林河流域农业非点源污染物入河量估算

2016-11-18汪雪格刘洪超

中国水土保持 2016年10期

关键词：入河单元格流域

汪雪格，刘洪超，吕军，张正

(松辽流域水资源保护局松辽水环境科学研究所，吉林长春 130021)

基于小流域划分的拉林河流域农业非点源污染物入河量估算

汪雪格，刘洪超，吕军，张正

(松辽流域水资源保护局松辽水环境科学研究所，吉林长春 130021)

非点源污染；输出系数模型；子流域划分；拉林河流域

针对拉林河流域土地利用类型及气候特点，将输出系数模型和GIS技术相结合，以小流域为计算单元，对拉林河流域的非点源污染负荷进行了计算。计算结果表明：流域内COD负荷为16 454.83 t/a、TP负荷为668.80 t/a、TN负荷为1 319.08 t/a；灌区退水对流域内非点源污染负荷的贡献相对较大，由灌区退水导致的COD负荷占总量的69.37%、TP负荷占总量的85.33%；子流域2、5、7、15是流域内水土流失非点源污染整治的重点区域。

1 研究区概况

拉林河为松花江干流右岸的一级支流，河长450 km，发源于黑龙江省五常市东南张广才岭山脉的老爷岭，自东南向西北流经黑龙江省的五常市、双城市、尚志市和吉林省的舒兰市、榆树市、扶余市，于哈尔滨市以上150 km处注入松花江。拉林河流域位于东经125°34′～128°34′、北纬44°00′～45°30′，东临牡丹江流域，北侧为蚂蚁河、阿什河和松花江干流流域，西南与第二松花江流域为邻，流域面积19 923 km2。拉林河流域土地肥沃、人口密集，为黑、吉两省重要的粮食生产基地。流域内土地利用类型有水田、旱田、有林地、灌木林地、疏林地、高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地、盐碱地、城镇居住用地、农村居民地和工矿用地等，其中水田和旱田是最主要的土地利用类型。流域内分布有闻名全国的粳稻和优质玉米生产基地。近年来，由于大面积开发水田，灌区退水量迅速增加，成为拉林河流域农业面源污染最主要的污染源，严重影响了拉林河的水环境质量。

2 研究方法

借助ArcGIS平台，以汇水区为单元划分子流域，计算每个子流域的农业面源污染负荷。

2.1 子流域的划分

基于地表径流漫流模型，通过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，再根据坡降确定每个格网的水流方向提取汇流网络，最终生成汇水区小流域。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。

2.2 污染物入河系数的确定

(1)降雨引起的水土流失污染物入河系数。输出系数法是目前常用的较大尺度非点源污染负荷估算方法，但是这种方法很少考虑对营养物质迁移起决定作用的水文路径问题和在水循环过程中营养物的迁移转化过程，而流域内产生的非点源污染负荷量在随降雨径流迁移到流域出口断面的过程中受到植被截流、泥沙淤积、河流降解等方面因素的影响，最终在流域出口断面上的非点源污染负荷量将小于整个流域范围内产生的负荷量。因此，在输出系数法中引入入河系数，用来反映流域范围内所产生的非点源污染负荷量迁移至流域出口断面上的强弱程度。

各土地利用类型污染物的入河量计算公式为

(1)

式中：L为各土地利用类型某种污染物的总入河量，kg/a；Ei为第i种(i=1～4,分别代表耕地、林地、草地和建设用地)土地利用类型某种污染物的输出系数，kg/(hm2·a)；Ai为第i种土地利用类型的面积，hm2；β为污染物入河比例。

本研究各土地利用类型的输出系数采用李根[1]的研究成果。入河比例的估算需要较长期的水质和水量同步监测，本研究利用麻德明等[2]的研究成果，取值为10%。

(2)灌区退水污染物入河系数。灌区退水污染物入河系数可根据用水量、排水量和污染物监测结果推算。拉林河流域现状灌区有扶余灌区、拉林灌区、友谊灌区、龙凤山灌区、磨盘山灌区和新安灌区等，还有规划中的松卡灌区、大泥河灌区和舒东灌区(现状为水田)。通过对水田灌溉用水量、排水量进行调查，对灌溉退水量和污染物进行监测，估算灌区退水污染物入河系数，计算公式为

(2)

式中：M为某种污染物的入河系数，kg/(hm2·a)；K为灌溉用水量，m3/(hm2·a)；A为灌区退水中某种污染物的浓度，mg/L；β为污染物的退水比例，%。计算参数取值见表1。

表1 灌区退水污染负荷估算参数

3 结果分析

3.1 子流域划分结果

子流域划分流程：①DEM数据准备。选择研究区标准地形图分幅的数字高程模型grid 数据，经过投影转换、拼接、裁切、空白数据填补，得到研究区数字高程模型grid，大小为 90 m×90 m。 ②填充凹陷点。如果1个单元格四周都是高程更高的单元格，那么这个单元就叫做凹陷点，水会流入单元格且不会流走。为排除此类问题，采用 Arc/info 的 ARC命令，再进入 grid 模块，使用 Fill 命令进行数字高程模型grid 凹陷点的填充，得到 Hydro-DEM图层。③确定水流方向。以 Hydro-DEM 作为输入，计算相应的流向栅格。流向栅格中单元格的数值表示在那个单元格周围沉降最陡的方向。水文表面分析工具主要采用 Flowdirection 函数，生成水流方向的 grid 数据。④河流积流。Flowaccumulation 函数是用来累加河流网格中每一单元格与位于其上游单元格的积流，大部分单元格数值很小，但也有些单元格位于干流因而累积值非常大。做河流积流的一个重要参数是临界值，临界值的作用是控制河流网络的详细程度。一般可以根据区域地形地貌特征、区域范围和制图比例尺等，经试验确定。最终得到 StreamGrid 数据。⑤河流分割。建立一个可以唯一识别的水流分段网格，在一个特定的流段里的所有单元格都有一样的网格代码，得到 StreamLink 数据。⑥划定流域。创建一个栅格文件，在这个栅格文件中，每一个单元都拥有一个阈值(栅格代码)，标志着它属于哪个流域。将栅格文件转化成一个流域多边形文件，并对划分的小流域进行边界裁剪，最终得到拉林河流域子流域划分结果，见图1。

图1 拉林河流域小流域划分结果

3.2 非点源污染负荷计算

根据2010年拉林河流域土地利用遥感解译结果，进一步将旱田划为耕地，有林地、灌木林地和疏林地划为林地，高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地、盐碱地等划为草地，城镇居住用地、农村居民地和工矿用地划为建设用地，测算耕地、林地、草地、建设用地面积，得到拉林河流域各子流域水土流失非点源污染物入河量估算结果，见图2。依据灌区退水污染物监测数据和灌排水调查结果估算拉林河各子流域灌区退水污染物入河量，见图2。水土流失和灌区退水污染物入河量对比结果，见图3。

图2 各子流域不同污染物入河量

各子流域农业非点源污染中：污染物COD入河量以水土流失污染物为主的子流域包括1、8、16、21、27、29、32、33，其余均以灌区退水污染物为主；污染物TP入河量以水土流失污染物为主的子流域包括8、32、33，其余均以灌区退水污染物为主；污染物TN入河量全流域均以水土流失污染物为主。拉林河流域农业非点源污染中，COD为16 454.83 t/a，TP为668.80 t/a，TN为1 319.08 t/a，其中：对COD、TP贡献最大的为灌区退水污染物，分别占69.37%和85.33%；TN中水土流失污染物贡献最大，占91.56%。子流域2、5、7、15面积较大，农业面源污染物排放量占整个拉林河流域的55.00%，其中子流域2属于水土流失和灌区退水污染并重的区域，子流域5、7、15则属于以灌区退水为主要污染源的区域。