六股河流域农业非点源污染物入河量估算

费卓越

(辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000)

0 引 言

非点源污染是指土壤、地面和大气中的污染物，在降雨淋溶及径流冲刷作用下流入江河、水库、湖泊、海洋等水体所造成的污染[1]。研究表明，水环境状况在很大程度上取决于非点源污染程度，即使点源污染得到有效的控制，江河、海洋、湖泊的水质达标率也只有65%、78%和42%。据统计，辽宁境内的河流受非点源污染的比例已超过点源污染，并成为饮水安全的主要威胁因素。

1 流域概况

六股河流域位于葫芦岛市的建昌县、兴城市、绥中县范围内，于绥中县小李庄乡大渔厂村附近注入渤海，地理坐标介于E120°00′-120°24′、N40°09′-41°00′之间。六股河为葫芦岛市最大的一条独流入海河流，河流全长162km，流域面积3069km2，河道比降为1.61‰。流域内地势由西北向东南倾斜，平均高程在200m，山地占54%，丘陵占33%，平原占11%，沙丘占2%，山地主要分布在流域的西北部。

六股河流域的西北部、北部、东北部与大小凌河流域接壤，东部与独流入海的烟台河相邻，南部为绥中县境内沿海诸河，与小庄子河、猫眼河、狗河、石河相邻。流域内有工矿用地、农村居民地、城镇居住用地、盐碱地、低覆盖草地、中覆盖草地、高覆盖草地、疏林地、灌木林地、有林地、旱田、水田等土地利用类型，并且分布有优质玉米和粳稻生产基地。近年来，随着水田的大范围开发灌区退水量急剧增大，加之防治水污染基础设施的薄弱，工农业、生活污水排放失控和管理落后等因素，使河道水体遭到不同程度的污染。灌区退水已成为六股河流域非点源污染的主要来源，并对流域水环境质量造成不同程度的影响。流域内严重的水土流失和脆弱的生态环境极大的制约着经济的发展，因此必须加快水土流失治理，切实改善水体环境和人居生活条件，这是推动经济可持续发展及实现农民脱贫致富的根本途径。通过小流域综合治理，为加快现代农业发展、减轻区域防洪威胁以及调整经济结构提供保障。

2 研究方法

2.1 子流域划分

以汇水区为基本单元，借助Arc GIS软件划分子流域并计算其非点源污染负荷。采用漫流模型模拟从高到低地表径流的流动过程，由此生成水系，然后利用Arc Hydro模块按照每个格网的水流方向与坡降，经填洼处理提取汇流网络及汇水区小流域，生成不同级别的汇流网络，按从大到小划分同一流域不同等级的子汇流区，详细流程如下：

步骤1：DEM数据准备。将数字高程模型grid数据投影转换、拼接、裁切，经过空白数据填补获取研究区标准地形图分幅的grid数据，分辨率90m×90m。

步骤2：填充凹陷点。一般地，把高程更高的单元格所围绕的单元格称为凹陷点，流入该单元格的水体不会再流走。为了解决以上问题，可以执行Arc/info的ARC命令进入grid模块，对grid凹陷点使用Fill命令填充，从而获取DEM图层。

步骤3：确定水流方向。输入DEM图层计算流向格栅，单元格周围最陡的沉降方向用流向栅格中单元格的数值反映，水流方向的grid数据可利用Flow direction函数等水文表面分析工具生成。

步骤4：河流积流。对于河流网格中上游单元格积流与每个单元格的累加可利用Flow accumulation函数来实现，单元格数值大部分都比较小，但位于干流的部分单元格累积值也可能较大。临界值属于河流积流计算的关键参数，其主要功能就是对河流网络详细程度进行控制，可以结合制度比例尺、区域范围、地形地貌特征和实践经验来确定，从而输出Stream Grid数据。

步骤5：河流分割。在一个特定的流段里生成能够唯一识别的水流分段网格，即网格代码在所有单元格内统一，从而获取相应的Stream Link数据。

步骤6：划定流域。创建一个拥有格栅代码(阈值)的格栅文件，格栅代码可用于识别其所属流域。经转化处理，生成一个流域多边形文件并裁剪各个小流域边界，最终获取六股河流域子流域水系，即马道子河(子流域1)、八家子河(子流域2)、黑水河(子流域3)、王宝河(子流域4)。其中，黑水河发源于建昌县养马甸子乡，流经建昌县的和尚房子乡、绥中县的葛家乡、宽甸镇、于西平乡汇入六股河；王宝河发源于绥中县大王庙镇，流经黄家乡、高甸子乡、于高台堡乡汇入六股河。

2.2 污染物入河系数的确定

2.2.1 降雨径流

目前，对于较大尺度非点源污染负荷比较常用的估算方法是输出系数法，然而这种方法较少考虑水循环过程中营养物的迁移转化以及水文路径等决定营养物质迁移的因素，在随降雨径流迁移到流域出口断面的过程中流域内产生的非点源污染负荷量受河流降解、泥沙淤积、植被截流等因素的影响，这导致整个流域范围内产生的非点源污染负荷量将大于流域出口断面上的负荷量。所以，可将入河系数引入输出系数法中，用以反映迁移至流域出口断面上的非点源污染负荷量，占流域范围内产生污染负荷量的贡献率。对此，利用以下计算公式确定不同用地类型的污染物入河量，即：

(1)

式中：L为某种污染物在各用地类型中的总入河量，kg/a；Ei、Ai为某种污染物在用地类型i中的输出系数(kg/hm2·a)及其面积，i取1-4，依次代表建设用地、草地、林地和耕地；β污染物入河比例。借鉴李根等研究成果，确定不同用地类型的输出系数Ei；因需要长期的水量、水质同步监测数据才能准确估算入河比例，故考虑麻德明等[13]研究资料确定β值取10%。

2.2.2 灌区退水

根据污染物、排水量和用水量监测结果推算灌区退水污染物入河系数，王石灌区为现状六股河流域内的灌区。通过调查监测水田排水量、灌溉用水量、污染物以及灌区退水量估算污染物入河系数，其表达式为：

M=KAβ×10-5

(2)

式中：M为某污染物入河系数。kg/hm2·a；K、A为灌溉用水量，m3/hm2·a和灌区退水中某污染物浓度，mg/L；β为污染物退水比例(%)，各参数值如表1。

表1 估算参数值

3 农业非点源污染负荷计算

以2020年六股河流域土地利用遥感解译数据为基础，进一步将疏林地、灌木林地、有林地划分为林地，旱田划分为耕地，工矿用地、农村居民地和城镇居住用地划为建设用地，盐碱地、低覆盖草地、中覆盖草地、高覆盖草地等划为草地，通过对林地、耕地、建设用地和草地面积的测算估算出水土流失非点源污染物入河量。然后依据灌排水调查结果和污染物监测数据估算出灌区退水污染物入河量，如图1。六股河流域灌区退水和水土流失引起的污染物入河量，对比结果如图2。

图2 六股河灌区退水、水土流失入河量对比

(a)COD (b)TP

(c)TN

从图1可知，农业非点源污染中COD入河量以降雨径流水土流失为主的子流域为1、2，即马道子河、八家子河，而子流域3、4的COD入河量以灌区退水为主；农业非点源污染中TP入河量以降雨径流水土流失为主的子流域为1，即马道子河，而子流域2、3、4的TP入河量以灌区退水为主；同时，农业非点源污染中TN入河量各子流域均以水土流失为主。

从图2可知，六股河流域农业非点源污染中COD、TP、TN的入河量为6751.5t/a、273.7t/a、602.2t/a，其中灌区退水污染物对COD、TP的贡献率较大，其所占总污染负荷的65.70%和78.66%；水土流失污染物对TN的贡献率最大，所占比例达到92.59%。面积较大的子流域2、4其农业面源污染物排放量占比较高，整个六股河流域污染物入河量的60%都是来源于子流域2、4，并且灌区退水与水土流失污染并重的为子流域2，污染源以灌区为主的为子流域4。

4 结 论

综合利用Arc GIS技术与输出系数模型，估算了六股河流域的非点源污染负荷，在此基础上探究了其空间分布特征，主要结论如下：

1)灌区退水污染物对六股河流域COD、TP的贡献率较大，其所占总污染负荷的65.70%和78.66%。所以，六股河流域非点源污染整治的重点的王石灌区退水。

2)在空间上揭示了非点源污染的分布特征，结果发现面积较大的子流域2、4的农业面源污染物排放量占比较高，整个六股河流域污染物入河量的60%都是来源于此，子流域4的污染源以灌区退水为主，子流域2污染源包括灌区退水与水土流失。