溫州市城區非點源總氮和總磷負荷量估算研究

王學東 黃宏

摘 要：大尺度區域/流域非點源污染定量仍然是本領域研究的難點之一。本文將輸出系數模型、GIS和蒙特卡羅模擬技術相結合，建立了大尺度區域/流域非點源污染負荷量估算方法，估算了溫州城區非點源總氮（TN）和總磷（TP）入河量。結果表明，TN負荷量在644.2-1364.0ton a-1范圍內，平均1004.1 ton a-1，其中建設用地、耕地、園地、林地和其他用地的分擔率分為27.2%、46.2%、6.5%、5.1%和14.9%。TP負荷在64.0-134.9 ton a-1范圍內，平均99.4 ton a-1，其中建設用地、耕地、園地、林地和其他用地的分擔率分為28.7%、43.3%、10.9%、3.6%和13.6%。耕地和建設用地是兩大主要污染源，未來要采取措施加強非點源污染治理。

關鍵詞：地表徑流；非點源污染；總氮；總磷；溫州市

中圖分類號：X799.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0015-03

城市地表徑流污染是城市水環境污染的重要因素。美國環保署把城市地表徑流列為導致全美河流和湖泊污染的第三大污染源。大量研究和實踐表明，即使點源污染完全被控制而忽略非點源污染，受納水體的水質很難實現根本性改善。非點源污染具有形成過程復雜、隨機性大、分布范圍廣和潛伏周期長等特點，難以定量監測[5]。因此，城市地表徑流非點源污染負荷的定量化是非點源污染控制的重要環節之一。

近年來，隨著溫州城市化的不斷推進，不透水面積不斷增加，綜合徑流系數也不斷增加，同時隨著城市人口的增長和汽車尾氣等的增加，導致城區地表徑流污染物濃度的增加，城市非點源污染已成為溫瑞塘河流域的主要污染源之一[4]。定量估算非點源污染負荷量，是進一步開展城區污染治理和水環境保護的前提和關鍵。本文基于輸出系數模型，結合GIS和蒙特卡羅模擬技術，估算了溫州城區非點源TN和TP入河量，為開展城區污染防控提供依據。

1 材料與方法

1.1 輸出系數模型

輸出系數模型于20世紀70年代初期在北美地區首先提出，其主要用來評價土地利用和湖泊富營養之間的關系，John等在實際應用中不斷改進輸出系數模型，使其得到了進一步完善和廣泛應用。模型的一般表達式為：

在輸出系數模型中，確定合理的輸出系數是關鍵所在。影響流域非點源污染物輸出系數的因素很多，主要包括流域內地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型和結構、植被、管理措施以及人類活動等。根據溫州城區土地利用現狀，將土地利用類型劃分為5類，即建設用地、耕地、園地、林地和其他用地（圖1）。參照國內外的相關研究成果，結合溫州實際，初步確定溫瑞塘河流域非點源污染負荷的輸出系數如表1所示。

1.2 蒙特卡羅模擬

在土地利用的矢量化、合并、重分類等過程中，土地利用面積的統計結果難免存在一定不確定性。因此，假設各種土地利用的面積不是確定值，而是服從均勻分布的變量，范圍為統計值的90%和110%（表2）。此外，假設各種土地利用的TN和TP輸出系數也不是確定值，也是服從均勻分布的變量，范圍為統計值的70%和130%（表3和表4）。

確定各種土地利用類型面積和輸出系數的分布和取值范圍之后，采用蒙特卡羅模擬技術模擬計算10000次，最后統計出各種土地利用類型的TN和TP入河量的平均值、標準差和95%置信區間。

2 結果與討論

2.1 TN入河量

根據溫州城區土地利用空間分布（圖1）以及土地利用TN輸出系數空間分布（圖2），基于輸出系數模型和蒙特卡羅模擬技術，估算了溫州城區各種土地利用類型的TN入河量（表5）。由表可見，溫州城區地表徑流TN入河量在644.2-1364.0ton a-1范圍內，平均1004.1ton a-1其中，建設用地、耕地、園地、林地和其他用地TN入河量分別為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，分擔率分為27.2%、46.2%、6.5%、5.1%和14.9%。建設用地TN入河量約占地表徑流TN入河量的30%，意味著加強城區地表徑流污染削減對改善溫瑞塘河水質是非常必要的。

2.2 TP入河量

根據溫州城區土地利用空間分布（圖1）以及土地利用TN輸出系數空間分布（圖3），基于輸出系數模型和蒙特卡羅模擬技術，估算了溫州城區各種土地利用類型的TP入河量（表6）。由表可見，溫州城區地表徑流TP入河量在64.0-134.9ton a-1范圍內，平均99.4ton a-1其中，建設用地、耕地、園地、林地和其他用地TP入河量分別為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，分擔率分為28.7%、43.3%、10.9%、3.6%和13.6%。建設用地TP入河量約占地表徑流TP入河量的30%，進一步意味著加強城區地表徑流污染削減對改善溫瑞塘河水質是非常必要的。

2.3 研究結果的啟示

大尺度的非點源污染負荷估算一直是非點源污染研究中的薄弱環節。在眾多非點源污染負荷估算模型中[1]，輸出系數模型避開了非點源污染發生的復雜過程，所需參數少，又具有一定的精度[7]，因此具有廣泛的適用性，特別是對于缺乏長系列監測數據的大尺度流域，發揮著重要的作用[6]。

不確定性是流域尺度非點源污染模型共同面臨的問題[8]，而蒙特卡羅模擬技術則是量度不確定性的有效辦法，可以為環境決策提供更豐富的信息[9]。考慮到不論是土地利用面積的統計結果，還是輸出系數的取值等等，都存在一定不確定性，因此引入蒙特卡羅模擬技術是十分必要的。

大尺度的非點源污染的空間變異性也十分顯著，而GIS則為研究空間變異性提供了有效的手段[3]。利用GIS技術，可以對非點源污染的關鍵源區進行精準定位，為采取針對性的防控措施提供明確的依據。輸出系數模型、蒙特卡羅模擬和GIS技術的有機結合，為在大尺度區域/流域準確量化非點源污染提供了可靠手段。

3 結論

將輸出系數模型、GIS和蒙特卡羅模擬技術相結合，建立了大尺度區域/流域非點源污染負荷量估算方法，估算了溫州城區地表徑流TN和TP入河量。結果表明，溫州城區地表徑流TN入河量在644.2-1364.0ton a-1范圍內，平均1004.1ton a-1；溫州城區地表徑流TP入河量在64.0- 134.9ton a-1范圍內，平均99.4ton a-1。

建設用地TN和TP入河量的分擔率約達30%，指示加強城區地表徑流污染削減對改善溫瑞塘河水質是非常必要的。耕地TN和TP入河量的分擔率都超過40%，指示要進一步加強農業非點源污染治理。研究結果為開展城區地表徑流削減提供了科學依據。

參考文獻

[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，朱彥輝，等.基于開源GIS的城市非點源污染負荷模擬研究[J].環境科學與技術，2015，36（11）：233-238.

[4]陳強，朱慧敏，何溶，等.基于地理加權回歸模型評估土地利用對地表水質的影響[J].環境科學學報，2015，35（5）：1571-1580.

[5]杜新忠，李敘勇，張汪壽，郝韶楠.基于GWLF模型的流域總氮負荷模擬及污染源解析[J].水資源與水工程學報，2014，25（3）：19-23.