温州市城区非点源总氮和总磷负荷量估算研究

王学东 黄宏

摘 要：大尺度区域/流域非点源污染定量仍然是本领域研究的难点之一。本文将输出系数模型、GIS和蒙特卡罗模拟技术相结合，建立了大尺度区域/流域非点源污染负荷量估算方法，估算了温州城区非点源总氮（TN）和总磷（TP）入河量。结果表明，TN负荷量在644.2-1364.0ton a-1范围内，平均1004.1 ton a-1，其中建设用地、耕地、园地、林地和其他用地的分担率分为27.2%、46.2%、6.5%、5.1%和14.9%。TP负荷在64.0-134.9 ton a-1范围内，平均99.4 ton a-1，其中建设用地、耕地、园地、林地和其他用地的分担率分为28.7%、43.3%、10.9%、3.6%和13.6%。耕地和建设用地是两大主要污染源，未来要采取措施加强非点源污染治理。

关键词：地表径流；非点源污染；总氮；总磷；温州市

中图分类号：X799.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0015-03

城市地表径流污染是城市水环境污染的重要因素。美国环保署把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源。大量研究和实践表明，即使点源污染完全被控制而忽略非点源污染，受纳水体的水质很难实现根本性改善。非点源污染具有形成过程复杂、随机性大、分布范围广和潜伏周期长等特点，难以定量监测[5]。因此，城市地表径流非点源污染负荷的定量化是非点源污染控制的重要环节之一。

近年来，随着温州城市化的不断推进，不透水面积不断增加，综合径流系数也不断增加，同时随着城市人口的增长和汽车尾气等的增加，导致城区地表径流污染物浓度的增加，城市非点源污染已成为温瑞塘河流域的主要污染源之一[4]。定量估算非点源污染负荷量，是进一步开展城区污染治理和水环境保护的前提和关键。本文基于输出系数模型，结合GIS和蒙特卡罗模拟技术，估算了温州城区非点源TN和TP入河量，为开展城区污染防控提供依据。

1 材料与方法

1.1 输出系数模型

输出系数模型于20世纪70年代初期在北美地区首先提出，其主要用来评价土地利用和湖泊富营养之间的关系，John等在实际应用中不断改进输出系数模型，使其得到了进一步完善和广泛应用。模型的一般表达式为：

在输出系数模型中，确定合理的输出系数是关键所在。影响流域非点源污染物输出系数的因素很多，主要包括流域内地形地貌、水文、气候、土地利用、土壤类型和結构、植被、管理措施以及人类活动等。根据温州城区土地利用现状，将土地利用类型划分为5类，即建设用地、耕地、园地、林地和其他用地（图1）。参照国内外的相关研究成果，结合温州实际，初步确定温瑞塘河流域非点源污染负荷的输出系数如表1所示。

1.2 蒙特卡罗模拟

在土地利用的矢量化、合并、重分类等过程中，土地利用面积的统计结果难免存在一定不确定性。因此，假设各种土地利用的面积不是确定值，而是服从均匀分布的变量，范围为统计值的90%和110%（表2）。此外，假设各种土地利用的TN和TP输出系数也不是确定值，也是服从均匀分布的变量，范围为统计值的70%和130%（表3和表4）。

确定各种土地利用类型面积和输出系数的分布和取值范围之后，采用蒙特卡罗模拟技术模拟计算10000次，最后统计出各种土地利用类型的TN和TP入河量的平均值、标准差和95%置信区间。

2 结果与讨论

2.1 TN入河量

根据温州城区土地利用空间分布（图1）以及土地利用TN输出系数空间分布（图2），基于输出系数模型和蒙特卡罗模拟技术，估算了温州城区各种土地利用类型的TN入河量（表5）。由表可见，温州城区地表径流TN入河量在644.2-1364.0ton a-1范围内，平均1004.1ton a-1其中，建设用地、耕地、园地、林地和其他用地TN入河量分别为273.0±50.1ton a-1、463.9±84.6ton a-1、65.8±11.9ton a-1、51.4±9.4ton a-1和150.0±27.6ton a-1，分担率分为27.2%、46.2%、6.5%、5.1%和14.9%。建设用地TN入河量约占地表径流TN入河量的30%，意味着加强城区地表径流污染削减对改善温瑞塘河水质是非常必要的。

2.2 TP入河量

根据温州城区土地利用空间分布（图1）以及土地利用TN输出系数空间分布（图3），基于输出系数模型和蒙特卡罗模拟技术，估算了温州城区各种土地利用类型的TP入河量（表6）。由表可见，温州城区地表径流TP入河量在64.0-134.9ton a-1范围内，平均99.4ton a-1其中，建设用地、耕地、园地、林地和其他用地TP入河量分别为28.5±5.2ton a-1、43.0±7.8ton a-1、10.8±2.0ton a-1、3.6±0.7ton a-1和13.5±2.5ton a-1，分担率分为28.7%、43.3%、10.9%、3.6%和13.6%。建设用地TP入河量约占地表径流TP入河量的30%，进一步意味着加强城区地表径流污染削减对改善温瑞塘河水质是非常必要的。

2.3 研究结果的启示

大尺度的非点源污染负荷估算一直是非点源污染研究中的薄弱环节。在众多非点源污染负荷估算模型中[1]，输出系数模型避开了非点源污染发生的复杂过程，所需参数少，又具有一定的精度[7]，因此具有广泛的适用性，特别是对于缺乏长系列监测数据的大尺度流域，发挥着重要的作用[6]。

不确定性是流域尺度非点源污染模型共同面临的问题[8]，而蒙特卡罗模拟技术则是量度不确定性的有效办法，可以为环境决策提供更丰富的信息[9]。考虑到不论是土地利用面积的统计结果，还是输出系数的取值等等，都存在一定不确定性，因此引入蒙特卡罗模拟技术是十分必要的。

大尺度的非点源污染的空间变异性也十分显著，而GIS则为研究空间变异性提供了有效的手段[3]。利用GIS技术，可以对非点源污染的关键源区进行精准定位，为采取针对性的防控措施提供明确的依据。输出系数模型、蒙特卡罗模拟和GIS技术的有机结合，为在大尺度区域/流域准确量化非点源污染提供了可靠手段。

3 结论

将输出系数模型、GIS和蒙特卡罗模拟技术相结合，建立了大尺度区域/流域非点源污染负荷量估算方法，估算了温州城区地表径流TN和TP入河量。结果表明，温州城区地表径流TN入河量在644.2-1364.0ton a-1范围内，平均1004.1ton a-1；温州城区地表径流TP入河量在64.0- 134.9ton a-1范围内，平均99.4ton a-1。

建设用地TN和TP入河量的分担率约达30%，指示加强城区地表径流污染削减对改善温瑞塘河水质是非常必要的。耕地TN和TP入河量的分担率都超过40%，指示要进一步加强农业非点源污染治理。研究结果为开展城区地表径流削减提供了科学依据。

参考文献

[1]Al-Abed NA， White HR. Calibration of the Hydrological Simulation Program Fortran （HSPF） model using automatic calibration and geographical information systems[J]. Hydrological Processes，2002，16（16）：3169-3188.

[2]Nasr A，Bruen M，Jordan P，Richard M， Kiely G， Byrne P. A comparison of SWAT， HSPF and SHETRAN/GOPC for modelling phosphorus export from three catchments in Ireland[J].Water Research，2007，41（5）：1065-1073.

[3]巴特，楊昆，朱彦辉，等.基于开源GIS的城市非点源污染负荷模拟研究[J].环境科学与技术，2015，36（11）：233-238.

[4]陈强，朱慧敏，何溶，等.基于地理加权回归模型评估土地利用对地表水质的影响[J].环境科学学报，2015，35（5）：1571-1580.

[5]杜新忠，李叙勇，张汪寿，郝韶楠.基于GWLF模型的流域总氮负荷模拟及污染源解析[J].水资源与水工程学报，2014，25（3）：19-23.