基于GIS技术的方便水库面源污染控制方案研究

朱 亮，刘 畅，陈 琳，金梦婷，邱云鹏

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098)

湖库型水源地是我国饮用水源的重要类型之一，在我国各类型地表水源地中，湖库型水源地的比例达40%左右[1-2]。《2007年中国水资源公报》调查表明，我国湖库型水源地水质不达标情况比较严重，且存在各种程度的水体富营养化现象。湖库型水源地由于其自身特点，水体流速缓慢，导致其污染物降解速率较慢，容易形成污染物的累积，故其存在较高的水源地安全风险。

面源污染是我国湖库型水源地污染最重要的原因。面源污染传统的调查主要采用野外采样、区域入户调查、水质监测分析、查阅统计资料等手段和方法[3-4]。污染源调查统计所需的地方统计数据往往不便获取，且缺乏流域范围、人口数量、径流量、土地利用类型等基础资料；而且获得资料的时效性和可信度也较差。在湖库型水源地污染评价中，尤其是面源污染评价中，应用GIS技术可以有效地获取模型计算参数，提高数据的输入效率及准确可信度，同时，结合RS技术可根据土地类型和利用状况等时空因素的变化进行模拟[5]。GIS特有的空间分析工具及可视化特性增加了数据的直观性，可以把掩盖在大量数据中的空间特征和内在规律表现出来，有助于识别污染的主要来源和迁移途径，预报污染的负荷、变化趋势及其对水体的影响，有针对性地制定出减少污染负荷的措施方案，为水源地保护提供决策依据。

表1 方便水库保护区面源污染排放量及贡献率统计

近年来，GIS技术应用于面源污染研究已成为一大趋势。从20世纪80年代中期开始，美、日等发达国家在面源污染研究领域相继引入了信息技术和专家系统[6-9]。Behrendt等[10]利用GIS空间建模功能建立模型，在对易遭受磷元素污染的地区进行监测和调查的基础上，研究不同类型土壤对磷的吸收能力。也有学者在密歇根州农业流域的土壤侵蚀与N、P流失情况的研究[11-12]中引入了GIS技术，并由此提出了农业的最佳管理措施。目前，我国对GIS技术在非点源污染分析中的应用也越来越广泛。贾海峰等[12-13]在研究密云水库石匣小流域非点源污染的过程中，运用GIS技术对土地利用数据和实验监测结果进行分析，确定流域内非点源污染的分布规律和重点控制区；在太湖流域非点源污染研究中，郑强[14]运用GIS的空间分析功能，对污染物入河量的时空分布规律进行分析，发现其污染物入河量的时间高峰期为汛期，空间高峰区域主要集中在环太湖地区。

目前，GIS技术主要应用于非点源污染的分析过程， 而基于GIS技术的面源污染控制方案的研究仍然比较缺乏。笔者以南京市溧水区的方便水库为例，研究了GIS技术在水库面源污染解析及控制过程中的实际应用，可为水源地保护方案的制定提供科学依据。

1 研究区域概况

研究范围为整个方便水库汇水区域，总面积为77.1 km2，具体由方便水库小流域组成，其中主要入库河流为青龙桥河、四古凹河、西南村河、西村河、杨家坝河、谢家棚河、王家山河、后吕河等8条河流。

方便水库主要面源污染包括农村生活污水、农田径流、农村固废、水土流失以及分散式禽畜养殖等。方便水库保护区面源污染排放量及贡献率统计见表1。

方便水库汇水区域内各类面源污染中，第一大污染源来自于农田径流污染，其COD、TN、TP、NH3-N排放量对汇水区总量的贡献率分别为75.87%、79.08%、84.61%、78.48%。其次为农村生活污水，其COD、TN、TP和NH3-N的贡献率分别为9.24%、7.10%、4.19%和8.89%。

2 研究方法

2.1 饮用水源地污染控制措施评价决策指标选取

评价指标体系是水源地污染控制技术优选中十分重要的部分，该体系的建立应遵循科学、全面、适用和可操作性等原则。在设计评价指标时，要兼顾污染物削减等环境指标和经济成本指标。本研究从方便水库污染源时空分布特征等方面考虑，从环境和经济效益两个方面对评价指标进行选择。选取TN、TP、NH3-N和COD削减率4个指标作为环境效益指标，选取建设成本、运行成本等技术投资作为经济成本指标。

2.2 饮用水源地保护方案评价决策模型选取

运用层次(AHP)-灰色度关联法(GRAP)对饮用水源地污染控制措施进行优选。由AHP法构建层次结构关系，根据技术指标分析结果，构造判断矩阵，计算出准则层、子准则层和方案层中各评价指标的相对权重。然后，利用GRAP法计算关联度，关联度系数最大的措施即为最优措施AHP-GRAP法既对复杂系统的各层次子系统进行评价，又在子系统的基础上进行综合评价，较好地克服了以往只进行定性分析和对评价因素主次不分的不足。

3 结果与讨论

3.1 基于GIS技术的污染控制方案的布局

3.1.1 子流域划分结果

水库流域范围内各入库河流子流域的划分完成后，利用GIS软件，计算出各入库河流的汇水面积。各入库河流的汇水面积及来水量占入库水量比例计算结果见表2(水库周边塘坝忽略不计)，方便水库汇水区河网分布见图1。

表2 各入库河流的汇水面积及来水量占入库水量比例

由表2可见，青龙桥河是汇入方便水库的主要河流。该河流自溧水区共和山区汇流至方便水库，来水量占总入库水量的50%以上。除青龙桥河外，谢家棚河及西南村河相较于其他河流来水量较大，分别占总来水量的17.91%和10.16%。

图1 方便水库汇水区河网分布

3.1.2 土地利用方式调查结果

方便水库水源地保护区总面积约77.13 km2，其中水域面积10.25 km2。除水域外共有土地面积66.88 km2，方便水库汇水区域内土地利用状况见表3。

表3 方便水库汇水区域内土地利用状况

由表3可见，方便水库水源地一级保护区内大部分为耕地，比例高达72.41%，其次为林地和城乡、工矿和居民用地，所占比例均为11.75%。二级保护区内所占比例最高的仍为耕地，其次为林地，所占比例分别为54.17%和32.80%。从综合整个汇水区域来看，耕地占总面积的55.77%，水源保护区内耕地和城乡、工矿、居民用地比例过高，而林地和草地所占比例偏低。结合水库汇水区域内各类型土地利用方式所占比例可知，水源保护区内耕地和城乡、工矿、居民用地比例较高，与污染源调查结果中显示的农田径流污染和农村生活污水污染比重所占比例较大的结果相一致。

3.1.3 基于GIS模拟的污染排放量分布结果

在子流域划分、土地利用方式调查和点面源污染调查的基础上，运用GIS对流域内污染排放量分布情况进行模拟，根据不同土地利用类型污染排放系数，得到方便水库保护区污染物年排放量分布(图2)。

(a) COD (b) TN

(c) TP (d) NH3-N

由图2可见，COD、TN、TP和NH3-N污染排放量分布情况基本一致。不同的入库河流小流域其污染物排放量有明显差异。图2(a)～(d)中红色区域分别表示COD排放量为175.0～325.4 t/a、TN排放量为61.2～121.2 t/a、TP排放量为12.6～23.4 t/a和NH3-N排放量为35.4～65.8 t/a，均分布在青龙桥河流域和谢家棚河流域内；其次为橙红色区域，分别表示COD排放量为90.6～175.0 t/a、TN排放量为33.7～66.2 t/a、TP排放量为6.5～12.6 t/a和NH3-N排放量为183.0～34.5 t/a，主要分布在青龙桥河流域、西村河流域、西南村河流域以及四古凹河流域小部分区域内。后吕河流域和王家山河流域内多为深绿色和浅绿色色块，可见这两个流域污染负荷年排放量较小。

运用GIS的矢量剪切功能计算出各入库河流汇水面积内的污染排放量，方便水库保护区入库河流小流域污染排放量及贡献率统计如表4所示。

表4 方便水库保护区入库河流小流域污染排放量及贡献率统计

青龙桥河流域对COD、TN、TP和NH3-N污染负荷的贡献率均最大，分别达到了58.89%、57.70%、58.87%和58.41%；其次为谢家棚河流域，对各污染负荷的贡献率分别为17.40%、 18.06%、17.52%和17.62%。

青龙桥河流域及谢家棚河流域污染负荷产生量较大的主要原因：一方面是二者的流域汇水面积较大，青龙桥河、谢家棚河流域汇水面积各占水库总汇水面积的54.87%和17.91%；另一方面，处在这两条河流汇水区域内的农田及人口也较多，且苗木种植也多在这两个流域范围内，故农田径流污染及农村生活、农村固废污染等面源污染的排放量均较大。

3.1.4 污染控制工程布局

根据GIS对方便水库汇水区域土地坡度分析结果，保护区内不存在25°以上坡耕地，结合HJ/T338—2007《饮用水源保护区划分技术规范》《饮用水源保护区污染防治管理规定》(2010年12月22日修正版)的相关要求，对方便水库保护区实施人口搬迁和退耕还林工程。方便水库人口搬迁及退耕还林工程布局见图3。

图3 方便水库人口搬迁及退耕还林工程布局

方便水库人口搬迁及退耕还林工程量见表5。人口搬迁工程实施后，COD、TN、TP和NH3-N污染负荷分别可削减31.53 t/a、9.61 t/a、0.857 t/a和7.69 t/a；退耕还林工程实施后，COD、TN、TP和NH3-N污染负荷分别可削减660.15 t/a、245.95 t/a、47.38 t/a和133.58 t/a。合计削减：COD污染负荷691.68 t/a，TN污染负荷255.56 t/a，TP污染负荷48.24 t/a，NH3-N污染负荷141.27 t/a。

表5 方便水库人口搬迁及退耕还林工程量

3.2 典型污染控制技术分析

根据方便水库污染源以及污染排放量分布的分析可知，农田径流污染为面源污染中最主要的污染源，其次为农村生活污水。由于农田径流污染和农村生活污水污染负荷总和占总污染负荷的85%以上，故将其列为重点控制污染源。

3.2.1 农田径流污染控制技术优选

根据相关技术指南和文献资料[13-15]统计，优选出适用于方便水库的农田径流污染控制技术，各污染物削减率指标和技术投资指标如表6所示。

表6 农田径流各污染物削减率指标和技术投资指标

在最优技术决策过程中，设置的标准技术B0，对COD、TN、TP和NH3-N的去除率均为100%，技术投资为10元/m2。经AHP-GRAP法计算各指标的权重及各污染控制技术相对标准技术的灰色关联度系数μ，结果如表7所示。

表7 农田径流各指标权重及相对标准方案的灰色关联度系数

由表7可见，在以COD、TN和TP去除率为主，兼顾技术成本的情况下，生态沟渠-生态塘复合技术的灰色关联度系数最大，为0.674 5，其次为生态拦截缓冲带，灰色关联度系数为0.576 5，生态田埂虽然技术投资少，但去除率相应也低，故其灰色关联度系数仅0.387 2，所以在方便水库水源地农田径流污染控制中应该以生态沟渠-生态塘复合技术和生态拦截缓冲带技术为主，同时因地制宜地辅以人工湿地技术。

3.2.2 农村生活污水控制技术优选

根据相关技术指南和文献资料统计，优选出适用于方便水库的农村生活污水控制技术，各污染物削减率指标和技术投资指标[14-18]如表8所示。

表8 农村生活污水各污染物削减率指标和技术投资指标

在最优技术决策过程中，设置的标准技术C0，对COD、TN、TP和NH3-N的去除率均为100%，建设成本1 000元/m3，运行成本为0.2元/m3。经AHP-GRAP法计算各指标的权重及各污染控制技术相对标准技术的灰色关联度系数μ，结果如表9所示。

由表9可见，在农村生活污水污染控制技术中生物接触氧化-人工湿地处理技术的灰色关联度系数最大为0.712 6，可见在兼顾COD、TN、TP和NH3-N去除率以及技术成本的前提下，生物接触氧化-人工湿地处理技术是适用于农村生活污水控制的最优技术。

表9 农村生活污水各指标权重及相对标准方案的灰色关联度系数

3.3 水源地污染物总量控制方案

3.3.1 水环境容量的计算

以方便水库饮用水源地一级保护区Ⅱ类水质要求为污染物总量控制目标，根据GB3838—2002《地表水环境质量标准》，当水源地达到Ⅱ类水质标准时，COD、TN、TP和NH3-N的临界值分别为15 mg/L、0.5 mg/L、0.025 mg/L和0.5 mg/L。

a. COD和NH3-N水环境容量计算模型。根据GB 3839—83《制定地方水污染物排放标准的技术原则与方法》，湖泊水库COD和NH3-N的水环境容量采用完全混合模型[19]，其计算公式为

W1=365[(ρs-ρ0)V0/T+KV0ρs+(ρs-ρ0)qout]

(1)

式中：W1为方便水库COD或NH3-N的水环境容量， t/a；ρs为方便水库水环境控制目标质量浓度，mg/L；ρ0为方便水库水环境背景质量浓度，mg/L；V0为方便水库设计安全水量，m3；T为维持其设计水量的天数，可按30计；K为方便水库水体污染物的综合降解系数，a-1；qout为从方便水库排泄出的水量，m3/d。

b. TN和TP的水环境容量计算模型。方便水库TN和TP的水环境容量采用吉柯奈尔-迪龙模型[20]，其计算公式为

W2=ρsqHA/(1-R)

(2)

其中

q=Q1/V

R=0.426exp(-0.271qs)+0.571exp(-0.009 49)

qs=Q/A

Q=365qout

式中：W2为方便水库TN、TP的水环境容量,t/a；Q1为方便水库输入水量，m3/a；q为水力冲刷速率,a-1；R为氮、磷滞留系数；Q为年出库水量，m3/a；V为水库库容，m3；H为方便水库的平均水深，m；A为方便水库的湖水表面积，m2；qs为面积水负荷，m/s。

根据相关计算模型及方便水库相关计算参数，方便水库各污染指标水环境容量、现状负荷及削减率计算结果如表10所示。

表10 方便水库各污染指标水环境容量、现状负荷及削减率

由表10可见，NH3-N的削减率较小，COD、TN和TP削减率较大。其中COD、TN和TP污染负荷分别超过其环境容量366.50 t/a、46.43 t/a和9.18 t/a，削减比例达到40.54%、52.70%和62.88%。根据各污染指标的削减率和现状排放量可计算出COD、TN、TP和NH3-N需削减的排放量分别为916.19 t/a、464.26 t/a、102.02 t/a和111.93 t/a。

由退耕还林和人口搬迁实施后污染负荷的削减量可知，NH3-N已达到削减要求，COD排放量还需削减224.51 t/a，TN排放量还需削减208.70 t/a，TP排放量还需削减53.79 t/a。保护区内剩余农田2 794.93 hm2，人口31 268人。污染治理的工程措施主要针对TN和TP的去除。

3.3.2 总量控制方案的生成和选择

根据方便水库水源地水环境质量现状，制订3套方案A、B和C 。基础方案A：水源地污染源控制保持基准年水平，不采取新的措施。基本治理情景方案B：进行农田径流污染源的控制，先治理青龙桥河和谢家棚河等重点流域，然后对各其他入库河流小流域进行控制，建立1个方案。污染控制情景方案C：在农田径流污染控制的基础上，进行农村生活污水的治理，建立C1～C4 4个方案。方便水库面源污染控制方案见表11。

表11 方便水库面源污染控制方案

对生成的6个备选方案，通过污染物削减量分析和经济比较，并考虑其他影响进行优选。保护区内农田径流污染控制采用生态拦截缓冲带和生态沟渠-生态塘复合技术，同时辅以测土配方施肥等科学种植技术，对COD、TN、TP和NH3-N的去除率分别可达41%、56%、65%和50%，平均投资4 500元/hm2。农村生活污水治理采用生物接触氧化-人工湿地技术，对COD、TN、TP和NH3-N的去除率分别可达77%、85%、90%和89%，农村生活污水集中处理厂建设投资50万元/座，规模为50 m3/d，运行费用0.55元/(m3·d)，人工湿地造价140元/m2。各方案对污染负荷的削减量及投资费用见表12。

表12 各方案对污染负荷的削减量及投资费用

在综合考虑污染物削减量以及投资费用情况下，方案B为最优方案，即仅对农田径流污染进行治理。结合人口搬迁和退耕还林工程对采用方案B污染负荷进行削减，对COD的削减量为1145.78 t/a，对TN的削减量为493.59 t/a，对TP的削减量为102.02 t/a，对NH3-N的削减量为260.50 t/a，符合污染负荷削减率要求。

4 结 论

a. 在方便水库8条主要入库河流中，青龙桥河的汇水面积最大，来水量占入库总量的54.87%；其次为谢家棚河和西南村河。在整个汇水区域中，耕地面积所占比例最大，达55.77%，且大量耕地集中在青龙桥河、谢家棚河和西南村河3条水库主要来水河流流域内。污染负荷排放量最大的区域主要集中在青龙桥河和谢家棚河流域，其次为西村河和西南村河流域。青龙桥河流域对COD、TN、TP、NH3-N污染负荷贡献率最大，均在50%以上；其次为谢家棚河流域。

b. 在兼顾污染物去除率和成本的前提下，生态沟渠-生态塘技术是最优农田径流污染控制技术，其次为生态拦截缓冲带技术；生物接触氧化-人工湿地处理技术是农村生活污水最优控制技术。

c. 在总量控制前提下，方便水库COD、TN、TP和NH3-N污染负荷削减率分别为40.54%、52.70%、62.88%和24.11%，因此，方便水库水污染控制主要是对COD、TN和TP污染负荷的控制。在方便水库实施人口搬迁和退耕还林的基础上，NH3-N已可达削减要求， COD、TN和TP污染负荷削减量分别占需削减总量的75.50%、54.98%和47.28%。对剩余农田径流污染和农村生活污水进行治理时，在削减量全部达标的前提下，当仅对农田径流污染控制时，方案投资最小。

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