基于小流域劃分的拉林河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物入河量估算

汪雪格，劉洪超，呂 軍，張 正

(松遼流域水資源保護(hù)局 松遼水環(huán)境科學(xué)研究所，吉林 長春 130021)

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基于小流域劃分的拉林河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物入河量估算

汪雪格，劉洪超，呂 軍，張 正

(松遼流域水資源保護(hù)局 松遼水環(huán)境科學(xué)研究所，吉林 長春 130021)

非點(diǎn)源污染；輸出系數(shù)模型；子流域劃分；拉林河流域

針對拉林河流域土地利用類型及氣候特點(diǎn)，將輸出系數(shù)模型和GIS技術(shù)相結(jié)合，以小流域?yàn)橛?jì)算單元，對拉林河流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：流域內(nèi)COD負(fù)荷為16 454.83 t/a、TP負(fù)荷為668.80 t/a、TN負(fù)荷為1 319.08 t/a；灌區(qū)退水對流域內(nèi)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)相對較大，由灌區(qū)退水導(dǎo)致的COD負(fù)荷占總量的69.37%、TP負(fù)荷占總量的85.33%；子流域2、5、7、15是流域內(nèi)水土流失非點(diǎn)源污染整治的重點(diǎn)區(qū)域。

1 研究區(qū)概況

拉林河為松花江干流右岸的一級支流，河長450 km，發(fā)源于黑龍江省五常市東南張廣才嶺山脈的老爺嶺，自東南向西北流經(jīng)黑龍江省的五常市、雙城市、尚志市和吉林省的舒蘭市、榆樹市、扶余市，于哈爾濱市以上150 km處注入松花江。拉林河流域位于東經(jīng)125°34′～128°34′、北緯44°00′～45°30′，東臨牡丹江流域，北側(cè)為螞蟻河、阿什河和松花江干流流域，西南與第二松花江流域?yàn)猷彛饔蛎娣e19 923 km2。拉林河流域土地肥沃、人口密集，為黑、吉兩省重要的糧食生產(chǎn)基地。流域內(nèi)土地利用類型有水田、旱田、有林地、灌木林地、疏林地、高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地、鹽堿地、城鎮(zhèn)居住用地、農(nóng)村居民地和工礦用地等，其中水田和旱田是最主要的土地利用類型。流域內(nèi)分布有聞名全國的粳稻和優(yōu)質(zhì)玉米生產(chǎn)基地。近年來，由于大面積開發(fā)水田，灌區(qū)退水量迅速增加，成為拉林河流域農(nóng)業(yè)面源污染最主要的污染源，嚴(yán)重影響了拉林河的水環(huán)境質(zhì)量。

2 研究方法

借助ArcGIS平臺，以匯水區(qū)為單元劃分子流域，計(jì)算每個(gè)子流域的農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷。

2.1 子流域的劃分

基于地表徑流漫流模型，通過模擬地表徑流在地表從高到低的流動來生成水系，即借助ArcGIS軟件中的ArcHydro水文分析模塊，先填洼，再根據(jù)坡降確定每個(gè)格網(wǎng)的水流方向提取匯流網(wǎng)絡(luò)，最終生成匯水區(qū)小流域。利用ArcGIS可以提取不同級別的匯流網(wǎng)絡(luò)，對同一流域可以劃分為面積由大到小不同等級的子匯流區(qū)域。

2.2 污染物入河系數(shù)的確定

(1)降雨引起的水土流失污染物入河系數(shù)。輸出系數(shù)法是目前常用的較大尺度非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算方法，但是這種方法很少考慮對營養(yǎng)物質(zhì)遷移起決定作用的水文路徑問題和在水循環(huán)過程中營養(yǎng)物的遷移轉(zhuǎn)化過程，而流域內(nèi)產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量在隨降雨徑流遷移到流域出口斷面的過程中受到植被截流、泥沙淤積、河流降解等方面因素的影響，最終在流域出口斷面上的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量將小于整個(gè)流域范圍內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)荷量。因此，在輸出系數(shù)法中引入入河系數(shù)，用來反映流域范圍內(nèi)所產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量遷移至流域出口斷面上的強(qiáng)弱程度。

各土地利用類型污染物的入河量計(jì)算公式為

(1)

式中：L為各土地利用類型某種污染物的總?cè)牒恿浚琸g/a；Ei為第i種(i=1～4,分別代表耕地、林地、草地和建設(shè)用地)土地利用類型某種污染物的輸出系數(shù)，kg/(hm2·a)；Ai為第i種土地利用類型的面積，hm2；β為污染物入河比例。

本研究各土地利用類型的輸出系數(shù)采用李根[1]的研究成果。入河比例的估算需要較長期的水質(zhì)和水量同步監(jiān)測，本研究利用麻德明等[2]的研究成果，取值為10%。

(2)灌區(qū)退水污染物入河系數(shù)。灌區(qū)退水污染物入河系數(shù)可根據(jù)用水量、排水量和污染物監(jiān)測結(jié)果推算。拉林河流域現(xiàn)狀灌區(qū)有扶余灌區(qū)、拉林灌區(qū)、友誼灌區(qū)、龍鳳山灌區(qū)、磨盤山灌區(qū)和新安灌區(qū)等，還有規(guī)劃中的松卡灌區(qū)、大泥河灌區(qū)和舒東灌區(qū)(現(xiàn)狀為水田)。通過對水田灌溉用水量、排水量進(jìn)行調(diào)查，對灌溉退水量和污染物進(jìn)行監(jiān)測，估算灌區(qū)退水污染物入河系數(shù)，計(jì)算公式為

(2)

式中：M為某種污染物的入河系數(shù)，kg/(hm2·a)；K為灌溉用水量，m3/(hm2·a)；A為灌區(qū)退水中某種污染物的濃度，mg/L；β為污染物的退水比例，%。計(jì)算參數(shù)取值見表1。

表1 灌區(qū)退水污染負(fù)荷估算參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 子流域劃分結(jié)果

子流域劃分流程：①DEM數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。選擇研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地形圖分幅的數(shù)字高程模型grid 數(shù)據(jù)，經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換、拼接、裁切、空白數(shù)據(jù)填補(bǔ)，得到研究區(qū)數(shù)字高程模型grid，大小為 90 m×90 m。 ②填充凹陷點(diǎn)。如果1個(gè)單元格四周都是高程更高的單元格，那么這個(gè)單元就叫做凹陷點(diǎn)，水會流入單元格且不會流走。為排除此類問題，采用 Arc/info 的 ARC命令，再進(jìn)入 grid 模塊，使用 Fill 命令進(jìn)行數(shù)字高程模型grid 凹陷點(diǎn)的填充，得到 Hydro-DEM圖層。③確定水流方向。以 Hydro-DEM 作為輸入，計(jì)算相應(yīng)的流向柵格。流向柵格中單元格的數(shù)值表示在那個(gè)單元格周圍沉降最陡的方向。水文表面分析工具主要采用 Flowdirection 函數(shù)，生成水流方向的 grid 數(shù)據(jù)。④河流積流。Flowaccumulation 函數(shù)是用來累加河流網(wǎng)格中每一單元格與位于其上游單元格的積流，大部分單元格數(shù)值很小，但也有些單元格位于干流因而累積值非常大。做河流積流的一個(gè)重要參數(shù)是臨界值，臨界值的作用是控制河流網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)程度。一般可以根據(jù)區(qū)域地形地貌特征、區(qū)域范圍和制圖比例尺等，經(jīng)試驗(yàn)確定。最終得到 StreamGrid 數(shù)據(jù)。⑤河流分割。建立一個(gè)可以唯一識別的水流分段網(wǎng)格，在一個(gè)特定的流段里的所有單元格都有一樣的網(wǎng)格代碼，得到 StreamLink 數(shù)據(jù)。⑥劃定流域。創(chuàng)建一個(gè)柵格文件，在這個(gè)柵格文件中，每一個(gè)單元都擁有一個(gè)閾值(柵格代碼)，標(biāo)志著它屬于哪個(gè)流域。將柵格文件轉(zhuǎn)化成一個(gè)流域多邊形文件，并對劃分的小流域進(jìn)行邊界裁剪，最終得到拉林河流域子流域劃分結(jié)果，見圖1。

圖1 拉林河流域小流域劃分結(jié)果

3.2 非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)2010年拉林河流域土地利用遙感解譯結(jié)果，進(jìn)一步將旱田劃為耕地，有林地、灌木林地和疏林地劃為林地，高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地、鹽堿地等劃為草地，城鎮(zhèn)居住用地、農(nóng)村居民地和工礦用地劃為建設(shè)用地，測算耕地、林地、草地、建設(shè)用地面積，得到拉林河流域各子流域水土流失非點(diǎn)源污染物入河量估算結(jié)果，見圖2。依據(jù)灌區(qū)退水污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)和灌排水調(diào)查結(jié)果估算拉林河各子流域灌區(qū)退水污染物入河量，見圖2。水土流失和灌區(qū)退水污染物入河量對比結(jié)果，見圖3。

圖2 各子流域不同污染物入河量

各子流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中：污染物COD入河量以水土流失污染物為主的子流域包括1、8、16、21、27、29、32、33，其余均以灌區(qū)退水污染物為主；污染物TP入河量以水土流失污染物為主的子流域包括8、32、33，其余均以灌區(qū)退水污染物為主；污染物TN入河量全流域均以水土流失污染物為主。拉林河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中，COD為16 454.83 t/a，TP為668.80 t/a，TN為1 319.08 t/a，其中：對COD、TP貢獻(xiàn)最大的為灌區(qū)退水污染物，分別占69.37%和85.33%；TN中水土流失污染物貢獻(xiàn)最大，占91.56%。子流域2、5、7、15面積較大，農(nóng)業(yè)面源污染物排放量占整個(gè)拉林河流域的55.00%，其中子流域2屬于水土流失和灌區(qū)退水污染并重的區(qū)域，子流域5、7、15則屬于以灌區(qū)退水為主要污染源的區(qū)域。

圖3 拉林河流域水土流失、灌區(qū)退水污染物入河量對比

4 結(jié) 論

本研究將輸出系數(shù)模型和ArcGIS技術(shù)相結(jié)合，對

拉林河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算，并分析了流域內(nèi)非點(diǎn)源污染的空間分布特征，得出以下結(jié)論：

(1)由灌區(qū)退水導(dǎo)致的污染負(fù)荷對流域內(nèi)COD、TP的貢獻(xiàn)較大，其中COD占流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷總量的69.37%、TP占流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷總量的85.33%。因此，灌區(qū)退水整治是流域內(nèi)非點(diǎn)源污染治理的關(guān)鍵。

(2)非點(diǎn)源污染空間分布特征的分析結(jié)果表明子流域2、5、7、15的非點(diǎn)源污染排放量較大，其非點(diǎn)源污染排放量占流域總量的55.00%，因此它們是流域內(nèi)水土流失非點(diǎn)源污染整治的重點(diǎn)區(qū)域。

[1] 李根.我國水土流失型非點(diǎn)源污染負(fù)荷及其經(jīng)濟(jì)損失評估[J].中國水土保持，2008(2):9-11.

[2] 麻德明,石洪華,豐愛平.基于流域單元的海灣農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算——以萊州灣為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(1):173-181.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

S157.1

A

1000-0941(2016)10-0065-03

汪雪格(1978—)，女，河北新樂市人，高級工程師，博士，主要研究方向?yàn)橐?guī)劃環(huán)境影響評價(jià)。

2016-06-01