于桥水库流域污染负荷估算和管理效果评估*

2017-11-07李泽利周笑白赵兴华梅鹏蔚王玉秋

环境污染与防治 2017年7期

关键词：土地利用流域水库

李泽利周笑白赵兴华梅鹏蔚# 张震王玉秋

(1.天津市环境监测中心，天津 300191；2.南开大学环境科学与工程学院，天津 300071)

于桥水库流域污染负荷估算和管理效果评估*

李泽利1周笑白1赵兴华1梅鹏蔚1#张震1王玉秋2

(1.天津市环境监测中心，天津 300191；2.南开大学环境科学与工程学院，天津 300071)

于桥水库流域非点源污染已成为政府高度关注的热点问题之一。使用非点源污染负荷模型PLOAD，以流域数字高程模型(DEM)、2010年土地利用现状图和不同土地利用的污染物输出系数等作为模型主要输入数据，结合流域现场调查监测等方式，对于桥水库流域的TN和TP污染负荷进行估算，分析污染物的空间分布特征，模拟实施不同管理实践下的流域TN和TP削减率。结果表明，于桥水库流域内TN和TP污染负荷分别约为223.4、19.5t/a，分布特点为“南部高于北部，河流和水库沿岸污染较重”。综合管理实践对TN和TP的削减率分别为24.49%、27.23%，其中农村人畜粪便管理、生态移民等的去除效果较显著。

于桥水库PLOAD非点源污染管理实践

Abstract: Non-point source pollution of Yuqiao Reservoir was of great concern to the government. The PLOAD model was employed to estimate the TN and TP loads generated from various land use in the watershed. The datasets included digital elevation model (DEM)，land use data of 2010 and pollutant export coefficient data，which were collected from the literature and field investigation. Several single management practices as well as the combined practice were designed，and their pollution load removal rates were estimated by the model. The results showed that the TN and TP pollution loads of Yuqiao Reservoir watershed were 223.4 and 19.5 t/a，respectively. The pollution load was higher in the southern areas than in the northern areas，and the higher load was distributed around the rivers or the reservoir. The removal rates of the TN and TP pollution loads of the combined management practices reached 24.49% and 27.23%，respectively. Among the single practices，the human and animal manure management in rural areas practice，ecological migrants practice and so on were efficiency.

Keywords: Yuqiao Reservoir; PLOAD; non-point source pollution; management practices

于桥水库作为“引滦入津输水工程”的调蓄水库，自1983年通水至今，已累计向天津市安全供水271.1亿m3，不仅保证了城市人民的饮水安全，也极大改善了天津市的投资环境和生态环境，为天津市经济社会发展做出了重要贡献。然而，随着流域内社会经济的发展，于桥水库水质不容乐观，富营养化趋势明显[1]。2015年4月，国务院印发了《水污染防治行动计划》(通称“水十条”)，明确提出“强化饮用水水源环境保护”、“确保引滦入津等调水工程水质安全”。因此，开展于桥水库流域污染源分析与水环境管理研究，对于完成“水十条”考核任务，维持天津市的社会稳定和经济发展，具有重要现实意义。

利用模型进行流域非点源管理已成为国内外通用且有效的手段。近年来，现代计算机及“3S”技术与非点源污染模型结合，涌现了一大批具备空间数据处理、可视化模拟等强大功能的新的非点源污染模型，使其在非点源污染的时空分布、关键源区识别以及最佳管理实践(BMPs)方案制定等方面有广泛的应用[2]，如水土评估模型SWAT[3]、农业非点源模型AnnAGNPS[4]、流域水环境模拟工具BASIN等[5]。复杂模型对环境问题的描述较精确，但需要收集大量的观测数据和具有空间属性的图件作为输入数据，模拟过程也涉及大量的复杂参数，在实际应用中要受到了诸多因素的限制。本研究采用受美国环境保护署(USEPA)支持、集成在BASIN系统里的非点源污染负荷模型PLOAD[6]1-44，该模型能在年尺度上估算非点源污染的负荷，特别是能预测和评估实施管理实践后的效果。相对于复杂模型而言，它需要的数据量较少，能在数据缺乏的地区应用；模拟结果显示形象直观，对研究人员的数理知识要求不高，较易推广应用。

PLOAD模型在国外许多流域被应用于估算非点源污染负荷[7-10]。国内也有学者运用PLOAD模型在一些流域做了案例研究。崔广柏等[11]运用PLOAD模型识别出了太湖锡山流域的关键污染源区，提出了BMPs方案；周慧平等[12]利用PLOAD模型模拟了浙江省剡江流域的BOD污染负荷；熊丽君等[13]重点探讨了PLOAD模型中的径流系数的确定方法；张淼淼[14]利用PLOAD模型估算了柳河流域的非点源污染负荷。本研究采用PLOAD模型对于桥水库流域主要污染物TN、TP污染负荷进行估算，并对已采取或拟采取的管理实践的削减率进行分析，以期为于桥水库流域管理提供科学依据。

1 研究区域

于桥水库流域(见图1)跨津冀两个省市，流域面积2 060 km2，其中河北省境内占全流域面积的78%。流域属于暖温带半湿润大陆性季风型气候区，多年平均气温约为11.5 ℃，多年平均年降水量为750 mm，多年平均年蒸发量为1 000 mm。流域主要河流有淋河、沙河、黎河等，多为季节性河流，其中黎河为引滦调水输水河道。流域地形地貌特征为北高南低，丘陵、山地、平原均有分布，海拔9～1 201 m。流域土地利用类型多样，根据2010年土地利用现状图可知，流域耕地面积比例最大，为38.2%，其次依次为有林地、灌木林、建筑用地(见表1)。2010年流域内总人口约194万人。

图1 研究区地理位置和水系图Fig.1 Location and river network of study area

表1 2010年研究区土地利用类型及面积比例

2 数据与方法

2.1 模型原理

2.1.1 PLOAD模型污染负荷估算

PLOAD模型在年尺度上估算流域非点源污染负荷，其估算方法如下：

LP=∑(0.01×P×PJ×Ri×Ci×Ai)

(1)

Ri=0.050+0.009×Ii

(2)式中：LP为污染物负荷，kg/a；P为降雨量，mm/a；PJ为降雨产流率，默认取0.9；Ri为第i种土地利用类型的地表径流系数；Ci为第i种土地利用类型的污染物输出质量浓度，mg/L；Ai为第i种土地利用类型的面积，hm2；Ii为第i种土地利用类型的不透水率，%。

地表径流系数是指降雨产生的径流量与降雨量之比，与流域下垫面的不透水率相关[6]7-8。

2.1.2 PLOAD模型管理实践效果评估

PLOAD模型评估或预测实施管理实践后的污染负荷削减率原理如下：

αj=ASBMP,j/AB×100%

(3)

LBMP,j=(LP×αj)×(1-βj)

(4)

L=∑LBMP,j+LP×AB-∑ASBMP,j/AB

(5)

式中：αj为第j种管理实践服务面积的比例，%；ASBMP,j为第j种管理实践的服务面积，hm2；AB为流域的总面积，hm2；LBMP,j为某区域实施第j种管理实践后的污染负荷，kg/a；βj为第j种管理实践污染负荷的削减率[6]8，%；L为实施管理实践后流域最终的污染负荷，为有、无管理实践区域产出量之和，kg/a。

注：1～44为子流域编号。图2 于桥水库子流域及土地利用现状Fig.2 Sub-watersheds and land use type of Yuqiao Reservoir watershed

2.2 输入数据

PLOAD模型的输入数据包括地理信息系统(GIS)空间和属性数据两类。GIS空间数据主要包括流域边界及子流域分区图、土地利用现状图、管理实践空间图；属性数据包括不同土地利用类型的污染物输出浓度、不透水率、不同管理实践类型的污染物削减率等。

2.2.1 子流域及土地利用图

首先根据90 m×90 m数字高程模型(DEM)，使用水文分析工具Arc Hydro Tools生成河网和子流域，然后用ArcGIS软件修正，其中将库周合并为一个子流域，即33#子流域；将库区水面作为另一个子流域，即44#子流域(见图2)。采用该流域2010年的土地利用现状图，根据研究需要将土地利用类型分为草地、水域、耕地、建筑用地、有林地、灌木林和园地7大类。

2.2.2 不同土地利用类型污染物输出浓度及不透水率

研究采用平均输出浓度(EMC)输入模型估算。2013年对于桥水库流域内5种土地利用类型(耕地、园地、有林地、灌木林和建筑用地)地表径流中营养盐的浓度进行了测定，草地和水域参照其他学者在于桥水库流域的研究结果[15-17]，最终确定了流域内不同土地利用类型的污染物输出浓度(见表2)，不透水率采用模型手册的推荐值[6]7-8。

表2 不同土地利用类型的污染物输出质量浓度及不透水率

注：1)水域中污染物指的是大气干湿沉降引入的污染物。

2.2.3 管理实践及削减率

于桥水库流域已经或计划实施的管理实践主要包括：农村人畜粪便管理、耕地施肥管理、库周二级保护区内的生态移民(已完成)、库周工业点源治理(已完成)、河流入库口湿地建设。各管理实践及其削减率见表3。同时，使用ArcGIS软件提取各管理实践涉及区域的空间矢量图，作为模型输入数据。

表3 于桥水库流域管理实践及削减率

3 结果与讨论

3.1 于桥水库流域TN、TP污染负荷及空间分布

使用PLOAD模型对于桥水库流域未实施管理实践前的TN和TP污染负荷进行了估算，可得流域内TN、TP污染负荷分别约为223.4、19.5 t/a。TN、TP污染负荷及输出系数的空间分布示意图见图3至图6。

图3 TN污染负荷空间分布Fig.3 TN pollution loads distribution

图4 TN输出系数空间分布Fig.4 TN export coefficient distribution

TN污染负荷的空间分布特征呈现南部高于北部的趋势，河流和水库沿岸污染较重。各子流域TN污染负荷为173～30 371 kg/a，污染最严重的是33#子流域，污染负荷占全流域的13.4%。TN输出系数为0.34～3.25 kg/(hm2·a)，污染高风险区主要集中在地势平缓的水体附近，即7#、14#、15#和32#所在的沙河流域，17#、19#和39#所在的黎河流域以及40#所在的果河流域。从行政区划上看，这些子流域覆盖乡镇有：河北省遵化市遵化镇、苏家洼镇、西三里乡、崔家庄乡、西留村乡、团瓢庄乡、东新庄镇、平安城镇；天津市蓟县穿芳峪乡、马伸桥镇、五百户镇、出头岭镇、西龙虎峪镇。从土地利用类型空间分布上看，这些子流域以耕地、建筑用地为主。同时，这些子流域人口密度较高，人为活动的干扰较严重，农业生产和畜禽养殖所产生的非点源污染已成为主要污染源；同时，由于距离沙河、黎河河道和水库较近，污染物很容易在降水期通过地表径流、土壤侵蚀流失等方式进入河道，进而对于桥水库的水质带来影响。

图5 TP污染负荷空间分布Fig.5 TP pollution loads distribution

图6 TP输出系数空间分布Fig.6 TP export coefficient distribution

TP污染负荷的空间分布特征和TN极相似。各子流域TP污染负荷为0～2 958 kg/a，污染最严重的是33#子流域，污染负荷占全流域的13.8%。TP输出系数为0～0.367 kg/(hm2·a)，污染较低的子流域分布在河流的上游，其中大部分位于河北省兴隆县挂兰峪镇、八卦岭乡、孤山子镇。这些乡镇特点是以山地为主，土地利用类型主要是有林地和草地，耕地很少，人类活动和畜禽养殖数量相对较少，因此污染负荷相对较低。

3.2 管理实践对TN和TP的削减

通过运行PLOAD模型，分别输入不同的管理实践的相应参数，最后再输入综合管理实践的相应参数，计算得到各管理实践及综合管理实践对TN、TP的削减率(见表4)。

表4 不同管理实践的削减率比较

从模拟结果来看，农村人畜粪便管理是最有效的管理实践，TN和TP削减率分别为13.97%、16.51%；其次是生态移民，TN和TP削减率分别为6.09%、7.18%；点源治理和河流入库口湿地建设管理实践去除效果不明显。流域综合管理实践对TN和TP的削减率分别为24.49%、27.23%。

农村人畜粪便管理是指对农村生活污水和畜禽养殖产生的污染物进行削减管理。根据前期对于桥水库流域的调查可知，流域农业人口为155万人，其中库周乡镇约有16万人，绝大部分农村生活污水没有经过任何处理就随意排放。农村分散式畜禽养殖过程中产生大量的动物粪便，未经处理而随意堆放会污染土壤并最终污染水源。据不完全统计，仅于桥水库周边临近的68个自然村，饲养牛3.35万头，猪27.96万头，羊5.96万只，鸡鸭171.7万只。因此，未来加强农村人畜粪便管理，将会对流域水质的改善发挥较大的作用。

生态移民指的是对于桥水库二级保护区内(22 m高程以下)的居民村落进行搬迁移民。该项措施目前已完成，将搬迁后的土地恢复为有林地和草地。经模型计算，仅该项管理实践就可分别削减33#子流域TN、TP污染负荷的30%左右，去除效果明显。

虽然耕地施肥管理对TN和TP的削减率不高，但是由于流域内耕地面积较大，其削减的绝对量不容小觑。对于点源治理，由于河北省的污染源调查存在一定的困难，本研究中点源仅输入了于桥水库二级保护区内的28家点源污染负荷，因此其TN和TP削减率明显偏低，均为0.31%。

4 结语

(1) 于桥水库流域内TN污染负荷约223.4 t/a，TN输出系数为0.34～3.25 kg/(hm2·a)；TP污染负荷约为19.5 t/a，TP输出系数为0～0.367 kg/(hm2·a)。综合管理实践对TN和TP的削减率分别为24.49%和27.23%，其中农村人畜粪便管理、生态移民等实践对去除效果较显著。

(2) 于桥水库流域的污染主要来自农业和农村面源污染。PLOAD模型可准确定位污染物产出位置，模拟了实施管理实践后的子流域TN、TP的削减率，可为流域生态补偿管理提供科学依据。模型自身解决了非点源空间分布不均的问题，并且模型输入数据简单，模型计算效率较高，不需要大量人力、物力便可实现流域的非点源污染负荷的计算和BMPs的制定。

(3) PLOAD模型运行的输入数据中，对于桥水库流域河北省范围内的调研资料有限，且尚未考虑调水对于桥水库水质的影响，因此在未来的研究中需要进一步调查和完善模型的精确度和准确度。

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EstimatingpollutionloadandevaluatingmanagementpracticesforYuqiaoReservoirwatershed

LIZeli1，ZHOUXiaobai1，ZHAOXinghua1，MEIPengyu1，ZHANGZhen1，WANGYuqiu2.

(1.EnvironmentMonitoringCenterofTianjin，Tianjin300191；2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，NankaiUniversity，Tianjin300071)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.012

2016-02-03)