海岛非点源污染负荷估算方法研究

麻德明，彭 文，池 源，石洪华，李正光，刘晓环（.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛6600；.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 6606；.青岛市第六人民医院，山东 青岛 660；4.国家深海基地管理中心，山东 青岛 667）

海岛非点源污染负荷估算方法研究

麻德明1,2*，彭 文3，池 源2，石洪华2，李正光1,4，刘晓环1（1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛266100；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3.青岛市第六人民医院，山东 青岛 266033；4.国家深海基地管理中心，山东 青岛 266237）

基于流域单元思想，提出一种非点源污染负荷估算方法:借助GⅠS提取模拟河网，识别流域边界，并划分汇水区和子流域，为流域非点源污染的估算提供基础的数据平台.在此基础上，与土地利用专题图叠加，计算各子流域内不同土地利用类型的面积，构建非点源负荷系统，利用各污染排放系数和入海系数，结合多年的降雨量，并引入坡度因子作为限制条件，估算污染负荷总量.结果显示，南长山岛非点源全氮、全磷年负荷量分别为11539kg和2025kg.氮污染中，各污染源强的贡献率依次为居民生活＞大气沉降＞土地利用＞畜禽养殖；磷污染中，各污染源强的贡献率依次为居民生活＞土地利用＞大气沉降＞畜禽养殖.基于此，探讨海岛地区非点源污染排放特征及对水环境质量影响，可为海岛地区污染物总量调控和环境健康发展提供一种技术方法.

汇水区；排放系数；入海系数；污染负荷

海岛与外界相对隔离，形成了以农业占主导的产业模式，海岛地区农业非点源污染将是一个长期面临的问题；另一方面，随着海岛被大规模的开发利用，非点源污染问题日益加剧.《全国海岛保护规划》明确要求防治海岛污染，制定海岛主要水污染物减排规划和固体废弃物污染防治规划，防止污染海岛淡水和海水资源，增强海岛居民海洋环境保护意识.因此，开展海岛非点源污染负荷估算研究，探讨海岛地区非点源污染排放特征及对水环境质量影响，有助于识别非点源污染的关键源区和非点源污染控制优化措施，对于海岛地区污染物总量调控和环境健康发展具有重要的现实和理论指导意义.

1 非点源污染负荷估算方法

由于非点源污染问题的复杂性及监测的成本和难度，直接计算污染负荷量困难较大，模型方法逐渐发展成为相关研究的主要工具，20世纪70年代以来，美国通过在北美地区开展的一系列的研究，研发了包括输出系数模型、机理模型等在内的一系列估算方法［1］.随后，该领域的研究在世界各国引起广泛关注，学者相继开展相关研究，并取得了丰硕的成果［2-17］.目前常用的污染负荷计算方法可以归纳为以下4种：相减法、输出系数法、统计分析法和机理模型.在国内基本直接引用国外的成熟计算方法或者结合国内实际情况在原有模型基础上加以改进进行应用，也有建立在大量监测数据资料基础上提出的诸如平均浓度法、降雨量差值法［9,18］等其它方法.

以上这些方法对数据资料要求和适用范围的差异，导致他们优缺点各异，相减法不同学者存在对点源与非点源定义的认同点而影响估算结果［16］；统计分析法受限于长期连续同步监测数据匮乏；而机理模型法由于非点源污染产生机制尚不明确，除了对数据、资料要求高外， 模型参数众多，参数的率定、模型的校准和验证非常困难，仅参考国外研究者的研究结果确定参数，将会导致结果严重失真；输出系数法简化了非点源污染形成的复杂过程，大大降低了对监测数据的依赖性，比较适合数据资料相对缺乏的地区，由于一些不确定的自然和人为因素影响，该方法在平原流域河网地区的推广也受到不同程度的限制.由于计算方法大部分是由发达国家开发的，模型参数和机理并不一定完全适合于我国的区域［19］，此外，各模型的结构不尽相同，对不同时间尺度的适应性、水文学过程的模拟能力、不同类型污染负荷的计算能力以及污染物运移过程的描述等方面的性能也不尽相同［20］.因此，在实际非点源污染估算中，应根据研究区域特征，结合模型自身结构特点和数据资料选择适合的模型方法.

2 海岛非点源污染模型构建

2.1 海岛非点源污染负荷估算难点

非点源污染具有随机性、时空差异性、潜伏性和滞后性等特点，其地理边界和位置难以准确的识别和确定，加上涉及范围广、影响因素及作用过程复杂多样，对它的形成机理尚不清楚.

海岛作为一个独立的水文单元，环境容量低，集雨面积有限，难以形成较大的水系，地表径流大都直接入海［21-23］.另一方面，海岛汇流规律的特殊性，历史统计资料和实测数据相对缺乏，计算结果也难以直接检验.这些理论、技术上的困难使得海岛非点源污染负荷计算成为非点源污染研究中的难点.因此，本研究基于流域单元思想，采用溯源追踪的方法，基于陆海统筹的理念，在输出系数模型的基础上，提出一种模拟出水口和河网的非点源污染负荷估算方法.

2.2 海岛非点源污染源强识别

本研究只考虑岸线以上岛体部分产污量，暂不考虑海源的海水养殖和船舶污染.根据现场调查，海岛非点源主要包括不同的土地利用、农村居民生活、畜禽养殖和大气沉降等，其污染物主要随河流或降雨入海.

2.3 污染物指标选取

根据国家水污染控制指标，结合海岛非点源污染的主要来源和对水环境影响程度以及排污系数的可获取性，选取总氮（TN）、总磷（TP）2种作为估算的污染物指标.

2.4 建模思路

鉴于海岛区域缺少监测资料，而且无常年河水径流，本研究探索基于输出系数法开展海岛非点源污染估算方法研究，基于流域思想，利用GⅠS技术，通过模拟河流入海口进而划分汇水区和子流域，分别计算每个子流域内的污染负荷量，在输出系数模型基础上，根据地形特征，引入地形因子进行约束，同时考虑到不同源产生的污染物进入到海中量的差异性，增加了入海系数，并把大气沉降耦合到负荷估算模型中，综合分析各污染源所产生的非点源污染中TN和TP污染负荷的流域分配情况.

2.5 负荷模型构建

针对早期输出系数模型的不足，许多学者进行了改进和发展，最具代表性的是英国学者Johns［4］在1996年评价与管理土地利用变化对氮磷负荷的影响提出的比较成熟和完备的改进输出系数模型.模型在考虑不同土地利用类型的基础上，结合居民产生的非点源污染物状况、畜禽的数量和分布来确定不同污染源的输出系数.同时，模型在对总氮进行估算时还考虑了植物固氮、氮的空气沉降等因素，丰富了模型的内容，提高了对土地利用类型发生变化的估算精度［29］.模型的表达式为：

式中：L代表营养盐的流失量；Ei是第i种营养盐输出系数；Ai是汇水区内第i种土地利用类型的面积，或者是畜禽数量或者是居民人数；Ii是第i种营养盐输入源量；p是大气沉降产生的营养盐.

海岛非点源污染负荷估算模型是建立在Johns提出改进的输出系数模型的基础上，考虑的非点源强包括不同土地利用类型、居民生活、畜禽养殖和大气沉降.

2.5.1 土地利用非点源负荷 把海岛土地利用类型划分为：耕地、林地、草地、建设用地和其他用地5种类型.根据划分的子流域，分别计算每一个子流域不同土地利用类型产生的非点源负荷：

式中：Wj为土地利用类型产生污染负荷量（包括TN和TP，j=1或j=2，下同），Wij为汇水区内第i个子流域第j种污染负荷量，Sm为第m种土地利用类型的面积；Kjm为第m种土地利用类型对应第j种污染物的排污系数；Si为第i个子流域地形因子；Ljm为第m种土地利用类型对应第j种污染物的入海系数；

2.5.2 居民生活

式中：Pj为居民生活第j种污染年输出量；Num区域内人口数量；Fj是每人每年第j种污染物排污系数；Qj为第j种污染物入海系数.

2.5.3 畜禽养殖

式中：Rj为畜禽养殖第j种污染物年输出量；NOe区域内第e种畜禽数量（包括牛、羊、猪、鸡鸭等家禽）；Cje是每种畜禽第j种污染物每年排污系数；Dje为第j种污染物入海系数.

2.5.4 大气沉降

式中：Ij为大气沉降产生第j种污染物负荷量；Iij为第i个子流域第j种污染物负荷量；Ai为第i个子流域面积；Uj为第j种污染源强大气沉降系数；Si为第i个子流域地形因子；Tj为第j种大气沉降所产生污染物入海系数.

以上4种源强耦合成海岛非点源污染负荷估算模型为：

式中：Yj是海岛第j种污染物的总负荷量；Wj为土地利用产生的第j种污染物负荷量；Pj为居民生活产生的第j种污染物负荷量；Rj为畜禽养殖产生的第j种污染物负荷量；Ij为大气沉降产生的第j种污染物负荷量.由于海岛上居民和所饲养的畜禽相对比较分散，很难剥离并单独分配到每个子流域中，故居民生活和畜禽养殖通过数量统计平均分配到所占土地单元中，而且暂不考虑增加地形因子进行约束.

3 应用实例

3.1 研究区概况

长岛又称庙岛群岛，位于胶东半岛和辽东半岛之间，黄渤海交汇处，地处环渤海经济圈的连接带，岛群区属亚洲东部季风区，具有大陆性和海洋性气候特点，夏半年多偏南风，冬半年多偏北风，年平均气温12.1℃，年平均降水量为537.1mm.南长山岛位于庙岛群岛的最南部，长7.35km，宽3.85km，海岛面积13多km2，距大陆最近距离为6.7km［24］.岛上由于没有河流分布，地表水稀缺，降水补给是主要来源，加上海岛山势坡度较大、蓄水能力差，雨后地表径流直接进入海洋，居民生活用水主要依靠地下水，整个群岛地下水资源总最为344万m3，实际可利用水量为131万m3，人均占有水资源量为山东省最低水平［25-26］.

3.2 模拟汇流河网和入海口

由于南长山岛较小，岛陆无河网水系，故非点源污染随降雨入海，根据降水从高处流向低处入海原理，基于DEM数据，借助GⅠS空间分析功能，模拟出汇流河网和入海口.

图1 模拟汇流河网和入海口Fig.1 Model simulation area of the confluence of river network and estuary

从DEM中自动提取流域自然水系是基于水是沿斜坡最陡方向流动的原理，依据DEM中数据点之间的高程差来确定水流方向，然后根据水流方向计算每一个数据点的上游集水区；再利用集水区内部和集水区之间的高程数据，通过设置阈值提取所属水系的高程数据点；最后，基于水流方向数据，从源头追溯出整个水系，同时划分子流域，建立河网空间拓扑关系及编码.

3.3 汇水区及子流域划分

图2 各子流域Fig.2 Distribution of Sub-watershed

图3 坡度因子分布Fig.3 Spatial distribution of slope factor

遵循“先大后小，逐步递进”原则，按地形的分水线，从规则格网DEM提取汇水区域的方法.采用水系地表径流漫流模型，即借助ArcGⅠS软件中的ArcHydro水文分析模块，先填洼，然后根据计算的水流方向和累积流量提取整个DEM区域内河流的汇水网络，再按照不同的需要划分各子流域，完成对流域地形分割及矢量化，并统计各流域汇水区面积.

地形坡度通过对降雨形成的径流的流量和流速产生影响，从而控制TN和TP污染物的入海量.基于GⅠS对南长山岛的DEM数据计算获得整个区域的坡度因子分布（范围0°～50.3394°），在此基础上，统计分析获取每个子流域的平均坡度.

表1 南长山岛各子流域面积Table 1 The area of different sub-watershedson NanChangShan Island

3.4 排污系数和入海系数确定

排污系数反映了研究区域的独特条件，直接决定了污染负荷总量估算精度的高低，利用已有文献值存在着不确定性，因此，在对已有的成果系数进行仔细甄别、遴选和综合分析的基础上，确定适合本研究区域的排污系数.不同土地利用类型排污系数依据应兰兰等汇总不同学者研究成果的范围值［27-35］，并结合研究区域的实际情况和特征条件，确定排污系数值；居民生活部分排污系数参照《全国水环境容量核定技术指南》提供的系数［36］；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》中推荐的排污系数；大气沉降的输出系数根据Liu等［37］和宋欢欢等［38］的相关研究，并根据所在区域进行适当调整.TN和TP的排污系数见表2.

海岛非点源污染是一定时期内，由降雨形成的地表径流携带入海，要估算负荷入海量，需要确定入海系数.入海系数一般需要长期降雨时的同步监测获得，由于南长山岛缺少相关的资料，本研究利用已有的研究成果［39-44］，作为南长山岛非点源污染入海系数（表3）.

表2 排污系数Table 2 Emission coefficients of different land use

表3 入海系数（%）Table 3 Into the sea coefficients （%）

3.5 负荷总量估算及分析

利用Landsat8 30m分辨率遥感影像进行解译获取南长山岛土地利用分布图，为了便于对非点源污染负荷估算，把商服用地、工矿仓储用地、公共管理与公共服务用地、交通运输用地、住宅用地土地类型合并为建设用地来处理.经过叠加分析，分别计算10个子流域内不同土地利用类型面积（表4）.

根据山东省长岛县国民经济统计资料和长岛年鉴，截止2010年底，南长山镇居民人口6123人，牛、羊55头，猪103头，鸡、鸭5250只.

把上述已知数据代入非点源污染负荷估算模型，分别计算出各子流域不同源强产生的TN和TP总量（表5）.

图4 南长山岛土地利用分布Fig.4 Spatial distribution of land use on Nanchangshan Island

由于地形对污染负荷随降雨径流的影响较大，本研究把坡度因子作为地形影响权重对负荷总量进行约束，利用已有的研究成果［45］，坡度因子系数可定义为：

式中：L污染负荷量；m和n都为系数常量；β为研究区空间单元的坡度；θ为整个区域的平均坡度.利用文献［35，46-47］中已有的数据可以得到n的值为0.6104，研究区的平均坡度为8.88°，由前面坡度值计算可得各子流域的坡度因子系数（表1）.

基于入海系数和坡度因子系数，分别计算各子流域的污染负荷量，因居民和畜禽养殖无法剥离分配到各子流域，本研究暂不考虑进行地形约束.综上，最终估算出南长山岛非点源污染负荷量.从表6可以看出南长山岛全氮年负荷量11539kg，贡献量从大到小分别为居民生活、大气沉降、土地利用和畜禽养殖，分别约占46.5%、42.4%、7%、4.1%；全磷年负荷量2025kg，贡献量从大到小分别为居民生活、土地利用、大气沉降和畜禽养殖，分别约占53.2%、27%、11.8%、8%.从总体来看，来自居民生活的污染源强的贡献率最大，无论是全氮还是全磷基本维持在一半左右，而在全氮负荷量中，大气沉降占据了很大的比例，是个不可忽视的污染源强.

表4 各子流域土地利用类型面积Table 4 Area of different land use types in sub basins

目前没有见到针对南长山岛非点源污染负荷估算的报道，也没有相应的污染监测资料，估算的结果尚不能与实际的污染总量进行直接的对比来评定本研究的估算精度.因此，为使估算结果更接近实际，本文对海岛小区域又进行了精细划分，以更小的计算单元为基础，把已有的数据资料进行细粒度划分，同时利用地形因子加以约束.在排污系数和入海系数选择上，优先选择更接近研究区域、且通过大量的监测数据或者实验得到的排污系数，同时每一类型的排污系数在与已有的研究成果进行对比、甄别与筛选的基础上最终确定.由于南长山岛耕地较少，所以化肥、农药的使用量相对小，故耕地产生的氮磷偏少，因此不难理解氮磷主要来源于居民生活；已有研究发现黄海西部来自大气沉降的溶解无机氮和磷分别占大气与河流总输入量的58%和75%［48］，在近海海域，大气沉降可能是海洋中营养盐的重要来源［49-50］，在中国太湖地区的研究表明，大气沉降数量不可忽视且已成为该地区氮污染的重要来源［51-52］，本研究的大气沉降产生的污染负荷占据较大比例与上述学者的研究成果相符合.

表5 各子流域不同源强污染负荷量Table 5 Pollution load of different source in each sub basin

表6 南长山岛非点源污染负荷总量Table 6 Total non-point source pollution load onNanchangshan Island

4 结论

4.1 针对海岛非点源污染现状，基于输出系数模型，耦合了大气沉降源强，并以南长山岛为例，划分了10个子流域，并对每个子流域进行了地形坡度因子约束，分别估算了TN和TP的年负荷量分别为11539kg和2025kg，不难发现TN年负荷量远远大于TP，其中居民生活是最主要的污染源强，其贡献率约占50%.为减少环境污染，应当加强居民生活污水和垃圾的日常处理，识别海岛区域非点源污染的负荷量及其空间分布，为海岛管理措施的制定和环境的调控提供依据.

4.2 在氮污染中，大气沉降贡献率占到了42.4%，几乎和居民生活的贡献相同，在磷污染中，大气沉降的贡献率也达到了11.8%，作为海岛非点源污染源强的大气沉降不可忽视，说明大气沉降应当作为非点源污染估算的重要考虑因素，应及时开展大气沉降方面的实时监测工作.

4.3 在入海口布设长期观测站，特别是降雨的时候实时监测入海水质状况，进行长期动态跟踪研究；另外，建立入海主要污染物水质模型和预测模型，分析入海污染物的排放特征，特别是非点源排放状况和海水养殖排放频率估算，掌握非点源污染物的动态变化情况，逐步实现海岛及其周边海域环境质量的实时监控和预警，是下一步的研究方向.

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Study on estimation method of non-point source pollution load on Island.

MA De-ming1,2*， PENG Wen3， CHI Yuan2，SHI Hong-hua2， LI Zheng-guang1,4， LIU Xiao-huan1（1.College of Environmental Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China；2.The First Institute of Oceanography， State Oceanic Administration，Qingdao 266061， China；3.Qingdao No.6 People's Hospital， Qingdao 266033， China；4.National deepsea center， State Oceanic Administration， Qingdao 266237， China）. China Environmental Science， 2016，36（10）：3150～3158

An estimation method of non-point source （NPS） pollution load based on watershed unit ideas was discussed in this study. Firstly， extracting the river network data， identifying the watershed boundaries， anddividing the catchment and sub basin using GIS were finished. And then， the data from first step weresuperposed with the thematic maps of land use and used to calculate the area of different land use types in each sub basin. Third， the NPS pollutant load system was constructed using the emissionfactor， the coefficient of the sea and years of rainfall. Also， the slope factor was introduced as the limiting condition. At last， the total amount of pollution load was estimated. The results indicated that the total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） loads of Nanchangshan Island from NPS were respectively 11539kg and 2025kg. For TN loads， the magnitude order of the contribution of NPS was as follows: resident life＞atmospheric precipitation＞land use＞livestock. For TP loads， the magnitude order was as follows: resident life＞land use＞atmospheric precipitation＞livestock. Based on this， the characteristics of NPS and its impact on water environment quality in the island area were discussed. And， it could provide a technique method for the total amount of pollutants controland the healthy development of the island environment.

catchments；emission coefficient；into the sea coefficients；pollution load

X321

A

1000-6923（2016）10-3150-09

麻德明（1982-），男，山东胶南人，助理研究员，博士研究生，主要从事环境规划与管理研究.发表论文10余篇.

2016-02-15

国家海洋局第一海洋研究所基本科研业务费专项基金项目（2014G18）；科技基础性工作专项（2012FY112500）；海洋公益性行业科研专项（201405028）

* 责任作者， 助理研究员， mdmwolf@fio.org.cn