流域非點源水污染排放清單估算系統構建

李淼泉，田 恬，陳 奔，李紅華，吳文俊 ，段 揚，蔣洪強

（1.中科宇圖科技股份有限公司，北京 100101；2.生態環境部環境規劃院國家環境保護環境規劃與政策模擬重點實驗室，北京 100012）

引言

伴隨著經濟社會快速發展和城鎮化水平加快，我國水環境污染問題日益加重，已逐漸成為影響美麗中國建設的重要制約因素。近年來，隨著點源污染逐步得到治理，非點源污染已成為地表水污染的主要成因，尤其以農業非點源污染貢獻最大[1]。研究表明，全球有30%～50%地表水受到非點源污染影響[2-3]，我國非點源水污染問題也很嚴重[4]，非點源排放使地表水水質下降，同時由于非點源氮磷污染突出，易導致水體發生富營養化[5]。黨的十九大以來，中央越來越注重加強農業環境保護與治理，2018 年中央一號文件明確指出：“加強農業面源污染防治，開展農業綠色發展行動”，同時2018 年3 月17 日出臺的《國務院機構改革方案》中決定將“監督指導農業面源污染治理職責”劃歸到新組建的生態環境部中，通過機構改革和相應職能調整，不斷強化對農業非點源污染的綜合防治。在這一大背景下，加強農業非點源相關研究，搭建非點源排放清單估算系統，摸清農業非點源排放情況，不僅對改善我國流域水環境質量具有重要作用，而且對于支撐生態環境部農業非點源監管的科學決策意義重大。

流域非點源污染負荷估算方法眾多，如輸出系數法、SWAT、HSPF 等在國內外均取得了許多進展[6-11]，改進輸出系數法目前被認為是針對大尺度流域非點源模擬的主要方法，其結構簡單、應用方便且具備一定精度，因而得到了廣泛應用[12]。早在20 世紀70 年代初期，美國、加拿大的科研學者在研究土地利用—營養負荷—湖泊富營養化關系的過程中，首次提出輸出系數法這一概念[13]。隨后，英國學者Johnes 于1996 年對輸出系數法進行了優化，將模型進一步細分為土地利用、牲畜養殖、人口數量等分項，同時考慮了空氣沉降等其他因素，豐富了非點源范疇的模擬內容，提高了模型應用的可靠性[14]。隨后，我國學者蔡明等考慮了流域內污染物輸移損失及降雨的影響，引入了流域損失系數及降雨影響系數，使模型機制更明確，模擬更符合實際[13]。丁曉雯等在此基礎上，進一步考慮了地形因素的影響，引入了地形影響因子，提高了模型在大尺度流域的模擬精度[15]。

流域非點源水污染研究以子流域為基本單元，通過控制單元來有機銜接區域治理責任和流域自然屬性的相關關系[16]，然而當前對非點源水污染排放清單的處理方法往往存在缺少空間異質性、數據更新頻率低等的缺點[17-18]。本文基于SOA-B/S 架構，采取了改進輸出系數法和地理信息系統關鍵技術，構建了流域非點源污染排放清單估算系統框架，開發了流域非點源水污染排放清單估算系統。該系統從“十三五”水污染防治和水環境保護的基本要求出發，選取并改進流域非點源水污染排放清單處理技術，采用輸出系數法模型，以數據庫、GIS 工具、模型算法等為技術手段，充分考慮排放的空間異質性特征，實現對不同時間和空間尺度下的非點源水污染負荷估算，并選擇嫩江流域為案例開展應用示范，從而為流域水環境模擬研究和流域動態總量控制奠定技術基礎與數據處理標準，為決策者制定流域水環境管理措施和方案提供有力的技術支持。

1 關鍵模型技術

1.1 輸出系數法模型

本研究采用輸出系數法構建非點源水污染年度負荷與分水期負荷估算模型。輸出系數法是一種基于統計學的線性數學方法，它僅考慮應用對象中的輸入量和輸出量，而對復雜的中間過程不予考慮。輸出系數模型的一般表達式為：

式中，Li為污染物i 在Aj研究區域非點源水污染的總負荷量；Eij為污染物i 在第j 種土地利用或牲畜、人口中的輸出系數；Aj為第j 種土地利用類型的面積或牲畜數量和人口數量；p 為其他參數修正[19]。

由于非點源水污染負荷估算模型規避了復雜的物理過程，著重考慮經驗統計規律，因此確定合理的輸出系數尤為重要。本系統主要采用查閱文獻法和數學統計法相結合的方法確定參數。牲畜及人口輸出系數采用查閱文獻法，選取與全國各流域片區自然、地理、人文等條件相似的區域已有的研究成果作為輸出系數選取的初始條件和率定范圍，然后通過比較模擬值與實測值，調整輸出系數，選取一組較適用于所選研究區域范圍的輸出系數[20]。

1.2 模型參數確定

在參數確定過程中，采用現有數據分析法和模型模擬法。前者應用已收集的環境統計數據，采用相關分析等統計學方法提取土地利用面積、人口數量、牲畜數量與非點源水污染排放量之間的相關系數；模型模擬法采用目前發展較為成熟的模擬農業非點源污染模型——SWAT 對流域非點源污染現狀進行模擬[21,22]，并進一步尋找模擬結果與土地利用類型、土壤類型等核心要素的關系，提取對應的相關系數。

1.2.1 數據分析法

（1）種植業參數

種植業中選取對種植業非點源水污染影響較大的水田和旱地兩種土地利用類型帶來的種植業非點源水污染負荷進行參數提取和估算。考慮到種植業具有較為明顯的地域差異，將我國按照十大流域片區界劃分為長江流域、黃河流域、珠江流域、淮河流域、海河流域、松花江流域、遼河流域、西南諸河流域、西北諸河流域和東南諸河流域，按流域邊界提取各自不同的種植業輸出系數。

采用統計學方法，建立水田、旱地兩種土地利用類型面積與種植業非點源污染產生量和排放量之間的線性關系。提取兩種土地利用類型占地面積系數作為土地利用類型參數，將常數項作為入河系數。

（2）畜禽養殖業參數

畜禽養殖輸出系數采用查閱文獻法，選取與全國各流域片區自然、地理、人文等條件相似的區域已有研究成果作為輸出系數選取的初始條件和率定范圍，然后通過比較模擬值與實測值，調整輸出系數，規避模擬與實測值誤差過大的數據，選取一組較適用于所選研究區域范圍的輸出系數。

此外，參考《第一次全國污染普查畜禽養殖業源產排污系數手冊》研究結果，確定大牲畜輸出系數值，并以此為輔助率定條件，相應的資料和率定結果如土地利用參數則利用相關系數法進行提取。

（3）農村生活參數

通過文獻調研方法，參考《第一次全國污染普查畜禽養殖業源產排污系數手冊》及《全國水環境容量核定技術指南》成果，提取農村生活參數。

（4）徑流分配系數

在進行年內非點源水污染排放清單估算時，需要將年排放清單的數值進行空間分配。在此過程中，需要對徑流數據進行基流分割和年內分配系數提取。

1）基流分割

采用直線分割法中的水平線分割法完成對徑流量的分割。水平線分割是以月平均流量最小值為基準，在流量過程線上水平分割，直線下方為全年基流量。水平線分割法一般選取多個水文年為代表年份，逐年繪制逐日平均流量過程線，以枯季月均流量的最小值作為基準，進行基流分割。斜直線分割法是在逐日河川徑流過程線上，找到洪峰起漲點與退水段轉折點，將兩點以直線相連。對于凌汛期及多次洪水過程，需做分段分割，斜直線以下為汛期基流量，與枯季徑流量相加為河川基流量。

圖1 顯示了水平線分割法原理。

圖1 水平線分割法原理

2）年內分配

根據收集到的多年徑流量數據，繪制P-III 型曲線，取P＜25%為豐水年，25% ＜P＜75%為平水年，P＞75%為枯水年。將各徑流年進行豐、平、枯分類，提取各類別下年凈流量的分布系數。

（5）其他參數

除種植業、畜禽養殖和農村生活系數外，流域非點源水污染的負荷量和排放量還受到地形、氣象、土壤等其他因素的影響，在實際估算過程中，需要根據實際情況對上述因素進行修正。修正系數如表1 所示。

表1 其他因素修正系數

1.2.2 模型模擬法

采用SWAT 模型模擬流域片區農業非點源污染情況，并提取模擬結果與土地利用、土壤類型等核心因素間的關系進而提取相關參數。該方法需要準備大量數據，模擬校正期也存在較大的不確定性，本項目選用此方法主要用于對前一種方法進行校準。

由于SWAT 模型對數據格式有著較高的要求，因此在數據收集完成后，需對各類型數據進行預處理。通過使用包括dew SWAT、pcp SWAT、SWAT Weather 等轉換工具，完成輸入數據整理，調整數據格式以適應模型需求，完成屬性數據庫建設。

通過對流域劃分、水文響應單元（HRU）劃定、數據導入、設置模型起始和結束時間、模擬的時間尺度，運行模型，并得到運行結果。根據模型模擬結果，構建污染物排放量與土地利用、土壤類型等因素的函數關系。模型結果中，需要提取的信息包括子流域編號、面積、降雨量、土地利用類型、土壤類型、污染物輸出量等。

該方法具體技術路線如圖2 所示。

模型模擬法所需數據梳理如表2 所示。

表2 SWAT模型數據需求

圖2 模型模擬法技術路線

2 排放清單技術方法研究

流域非點源水污染排放清單技術首先在行政區尺度采用回歸分析的方法討論土地利用類型、地形坡度特征與非點源水污染產生量和排放量之間的聯系，進而得到年尺度下不同土地利用類型和年徑流特征條件下的非點源水污染排放清單的輸出系數[23]。然后根據研究區流域地形、水流條件，在ArcSWAT 模塊下將研究流域劃分為若干子流域，并將之前計算得到的輸出系數代入各子流域中，得到子流域尺度下非點源水污染排放清單。最后，根據研究區年內氣候條件、水流條件，提取不同流量季的入河修正系數，最終得到基于土地利用類型與地形差異的子流域非點源水污染排放動態清單。

該方法通過將非點源污染數據規范到流域尺度，綜合考慮我國不同流域污染產生數據之間，以及季節性污染產生數據之間的差異，提高了污染源排放清單編制效率和科學性，可以通過技術手段分析非點源污染的減排措施和減排效益。

采用SWAT 模型模擬全國幾大流域片區農業非點源污染情況，并提取模擬結果與土地利用、土壤類型等核心因素間的關系進而提取相關參數。該方法具體技術路線如圖3 所示。

2.1 識別流域片區

以我國主要流域為單位進行區域劃分，導入研究流域邊界，識別研究流域所在位置。

2.2 構建流域非點源水污染輸出系數查找表

系統輸入數據主要包括土地利用、人口數量信息以及牲畜數量信息結合客戶實際需求，可選擇模型內設數據或自行導入相關數據的信息。各類數據主要為結構化數據，數據時間尺度主要為月尺度，部分為日更新數據。系統默認讀取的上述信息基本情況如表3 所示。

將行政區尺度下的非點源水污染環統數據和流域土地利用類型進行疊加分析，通過回歸分析法得到單位污染負荷與土地利用、人口、牲畜頭數之間的關系，讀取輸出系數。搭建流域非點源污染輸出系數查找表。輸入包括土地利用、人口數量、牲畜數量等數據，用戶可選擇自行導入土地利用柵格數據、人口數量矢量數據及土地利用矢量數據，用戶也可調用系統自帶數據完成數據計算。

2.3 參數率定及污染負荷估算

根據輸入數據，自動識別旱地、水田土地利用類型所占面積，調用參數庫中對應區域的農業非點源污染系數完成農田非點源污染負荷估算；通過自動識別畜禽養殖類型數據、農村生活人口數據，調研參數庫對應參數，完成畜禽養殖、農村生活非點源水污染負荷估算。最后，調用河段入河系數，完成流域非點源水污染排放清單估算。

2.4 流域非點源水污染產生量數據估算

圖3 流域非點源水污染排放清單技術路線

表3 系統輸入數據基本信息表

結合所述流域非點源輸出系數、所述流域內各行政區劃的每種土地利用類型的面積、人口數量等因素以及全國行政區劃統計數據，得到所述流域非點源水污染產生量數據；利用SWAT 模型對所述流域分區，得到子流域分區，將所述流域非點源水污染產生量數據離散化，得到子流域分區的非點源水污染產生量數據。根據文獻調研數據以及以往模型運行的經驗數據，將所述子流域分區的非點源水污染產生量數據，分解成子流域分區不同流量季的非點源水污染產生量數據。

3 系統應用

系統充分考慮了全國地域和時間上的差異，實現了從流域信息提取、流域非點源水污染排放清單年負荷估算到年內分水期負荷估算的研究，估算結果以網格為單位，以EXCEL 表形式讀取和導出，可作為其他精細化模擬模型的輸入數據，服務精細化模擬過程。下面以嫩江流域為例，系統介紹流域非點源水污染排放清單年負荷估算子系統和分水期負荷估算子系統的實例應用[24,25]。在進行非點源水污染估算前，首先需確定研究區范圍，系統可實現按流域、行政區、矩形和經緯度四種方式完成研究區選擇步驟。識別流域所在的片區，在全國土地利用類型圖中，按照全國1:100 萬地形圖分幅標準進行流域片區識別。

3.1 系統框架設計

系統采用SOA-B/S 架構，采用多層架構和模塊化的開發方式，各模塊之間相互獨立，模塊接口開放。從邏輯上看，系統具有典型的五層結構——基礎支撐層、數據庫層、應用層、展示層和用戶層，具體結構如圖4 所示[26]。

基礎支撐層：主要包括系統運行的硬件設備、軟件環境和網絡設施等基礎支撐。

數據庫層：系統采用EF（Entity Framework）連接數據庫，可讀取本地微軟SQL Server 數據庫。數據庫收集了與非點源水污染排放清單負荷估算相關的空間數據和屬性數據，其中空間數據主要包括數字高程、河網水系、水文站點、土地利用、土壤類型、行政區劃、流域邊界等信息，屬性數據庫則主要包括社會經濟、人口資源以及污染排放等信息。

圖4 流域非點源水污染排放清單估算系統邏輯框架

應用層：主要包括3 個層次的服務，即基礎服務、圖形化查詢服務和分析決策支持服務。基礎服務為用戶提供環境要素相關信息的查詢、分析、比較和展示等服務；圖形化查詢服務是建立在地理信息系統之上的服務；分析決策支持服務是以系統數據庫為基礎，采用輸出系數法，調用適用于不同地區的系統參數庫以估算非點源水污染年負荷和年內負荷，最終為流域水環境質量管理提供決策依據，是系統的核心所在。

展示層：是用戶直接查詢模型估算結果的平臺。系統以流域基礎地理數據、污染源數據、社會經濟數據等為基礎，以輸出系數法為研究方法，對非點源水污染排放清單進行合理估算，最終以圖表、空間GIS 專題圖等形式展示。

用戶層：系統業務模塊通過系統主模塊進行組合，根據登錄用戶的權限，確定登錄用戶可以訪問的業務模塊。通過這個流程，構建系統入口界面，不同的用戶使用不同的業務模塊。

3.2 系統估算過程

3.2.1 研究區選取

研究區選擇功能可通過按流域、按行政區、按矩形和按經緯度等四種形式選定要研究的研究區域。

3.2.2 輸入數據

為更合理地完成對所選區域非點源水污染排放清單的估算，用戶需導入土地利用類型、人口數量以及牲畜數量的相關信息。考慮到不同空間尺度的研究區所需的空間信息分辨率差異，用戶可選擇系統自帶數據，也可自行導入上述數據。

輸入數據準備完成后，調用系統參數庫，通過輸出系數法完成對研究區的非點源排放清單估算。執行計算完成后，系統會彈出計算完成窗口。

3.2.3 模型計算

系統通過讀取研究區年凈流量數據，按照直線分割法完成基流分割；然后根據系統內部徑流頻率曲線所區分的豐水、平水和枯水徑流分配系數，自動調用匹配的徑流分配系數。

分水期負荷分配結果可通過數據表、GIS 專題圖和餅狀圖等形式獲取，也可通過時間序列圖的形式對不同污染物分水期排放情況進行直觀分析。

基于模型模擬法，調用嫩江流域徑流分配參數，根據具體年份豐枯特征，將估算得出的總負荷量進行空間分配。

3.3 結果展示

估算完成后，估算結果可通過餅狀圖、時間序列圖、數據表和專題圖四種形式進行展示。其中，排放清單數據表可展示每個計算網格的非點源水污染負荷情況估算結果，用戶可將網格重組為自己所需的大小，進而服務于其他相關非點源模型模擬中。餅狀圖、時間序列圖和專題圖更為直觀地展示研究區非點源水污染排放清單的時間和空間分布差異及不同類型（農業、畜禽養殖、農村生活）非點源水污染排放清單的貢獻情況。

當研究區完成非點源水污染排放清單年負荷估算工作后，在分水期排放清單子系統中，用戶可通過輸入研究區徑流信息完成分水期排放清單的分配。

表4 對嫩江流域2011—2014 年排放清單部分結果進行了展示。

表4 嫩江流域2011—2014年排放清單部分結果展示

4 結論

流域非點源水污染排放清單估算平臺重點研發出非點源水污染年內負荷估算子系統和分水期負荷估算子系統，通過改進的輸出系數法和SWAT 模型模擬方法，實現了對流域內不同尺度非點源水污染的負荷量和排放量的估算，實現了對流域非點源水污染的定量分析和時空可視化展示，為流域非點源水污染治理、水資源管理提供有力支持，在當前全面推行“河長制”管理模式和流域精細化水環境管理要求下，估算系統將成為水環境管理人員摸清非點源水污染情況，有效制定非點源水污染防治策略的重要支撐工具。