基于改進的輸出系數模型龍溪河流域氮磷負荷評估

馬亞麗，王興繁

（甘肅農業大學水利水電工程學院，蘭州 730070）

0 引言

水環境與水生態問題一直以來備受關注，盡管自2016年提出“共抓大保護”以來，長江生態環境保護已初見成效，但水資源、水環境、水生態等諸多涉水問題依然紛繁復雜，水生態環境安全形勢依然嚴峻[1]，面源污染導致的河流、湖泊等水質惡化問題凸顯。“十二五”期間長江流域工業源的排放量下降最為顯著，而生活源和農業源的排放量下降趨勢相對較為緩慢[2]。農業源作為長江流域總磷主要污染來源，在此期間被納入國家水體污染物控制領域，與中下游相比，長江上游總磷(TP)污染最重，其中，在四川省的沱江、岷江及涪江水系多為Ⅴ～劣Ⅴ類[3]。農業源以面源形式造成水體污染，因此開展面源污染負荷評估，對于改善流域水環境及水生態具有重要意義。目前針對面源污染的評價包括輸出系數法、清單分析法以及機理模型模擬估算法等[4]。最經典的傳統輸出系數模型由Johnes在1996年建立，該模型因輸入參數少、結構簡單，被廣泛用于面源污染負荷評估，尤其針對資料在數量或質量無法滿足分布式模型模擬要求的小流域地區，具有很好的適用性[5-6]。然而傳統輸出系數模型仍存在一些問題，包括有些環境因子缺乏考慮，輸出系數的區域性差異等。因此，針對輸出系數的確定和環境因子修正等方面的改進是近年來的研究熱點，通過對模型的改進，不斷提高其在面源污染方面的模擬精度以及擴大適用范圍[7-12]。韋曉雪等[8]基于輸出系數模型對洱海流域1998—2016年磷素時空變化特征進行分析，結果表明農業面源、畜禽養殖糞便和城鎮居民生活污水是洱海流域三大污染來源，面源污染仍是主要污染源。李娜等[5]以長春市水源地新立城水庫匯水區為研究對象，選用輸出系數模型對其農業非點源污染負荷進行估算，認為該模型可在研究區范圍內進行推廣使用。劉佳昆[9]基于改進輸出系數模型對澎溪河流域非點源污染進行研究，認為坡度是影響澎溪河流域總氮流失的關鍵因素，降雨是影響總磷流失的關鍵因素。胡正等[10]在缺資料地區面源污染估算中應用改進的輸出系數模型，結果顯示TN、TP的相對誤差分別為10.87%和13.86%，模型結果驗證良好。胡富昶等[11]采用改進的輸出系數模型計算射洪縣2016年非點源污染負荷量，對比改進前后的模型結果，認為模型模擬精度提高，且其在降雨不均勻的丘陵地區具有適用性。陸建忠等[12]將改進的輸出系數模型應用于鄱陽湖流域的4個小區域內，通過計算發現，部分模擬精度有所提高。本文以長江左岸一級支流——龍溪河作為研究對象，應用改進的輸出系數模型對瀘縣龍溪河流域范圍內的7個鄉鎮、2個子流域進行氮磷負荷評估研究，確定該區域的主要污染物、污染源以及重要污染防治鄉鎮及子流域，以期為改善龍溪河流域突出的生態環境問題提供相應的規劃及防治依據。

1 流域概況

龍溪河發源于四川省登東山，屬于長江左岸一級支流，總干流長110 km，流域面積502 km2，途徑瀘縣立石、毗盧、云錦、玄灘、奇峰、兆雅、云龍等鎮以及龍馬潭區長安、石洞、魚塘、羅漢等鎮，在龍馬潭區匯入長江，其中，龍溪河瀘縣境內干流長約69 km，流域面積270 km2，涉及瀘縣7個鄉鎮、55個村（社）的人口18.4萬人，地理坐標為 105°08′30″—105°45′30″E、28°44′40″—29°20′00″N。多年平均流量為6.58 m3/s，平均深度為0.4 m，河寬40～60 m，河道地形起伏不大，海拔在316～376 m左右，平均比降為1.7‰。研究區四季分明，具有亞熱帶濕潤氣候的特點。全縣多年平均降雨量為1013.6 mm，歷年中最大可達1450.2 mm，最小僅為664.2 mm，年際變化較大。最低溫度僅為8.5℃，最高溫度為26.1℃，多年平均溫度為17.7℃。多年平均風速1.2 m/s，風力微弱，以偏北風為主，多年平均日照時數為1231.8 h。龍溪河水系分布如圖1所示。

圖1 龍溪河水系分布圖

2 研究方法

2.1 傳統輸出系數模型

1996年輸出系數模型由Johns等[6]提出，具有參數少，模型結構簡單，廣泛適用于缺資料地區非點源污染負荷的估算。

輸出系數模型一般表達式如式(1)所示[6]。

式中，Lj為污染物j在流域的總負荷量，t/a；j為污染物類型；i為流域土地利用類型的種類或畜禽養殖類型、人口；Eij為污染物j在第i種土地利用類型（畜禽養殖類型、人口）的輸出系數，t/(km2·a)或t/(104ca·a)；Ai為第i種土地利用類型的面積(km2)或牲畜、人口數量；P為由降雨輸入的營養物數量，t/a。

2.2 改進的輸出系數模型

傳統的輸出系數模型是經驗型模型，所需參數少，操作簡單，避開復雜的物理發生過程，且具有一定精度，適合在缺資料流域面源負荷評估中廣泛應用。但傳統的輸出系數模型中輸出系數只反映了某流域的一般水平，并未體現某一具體年份降雨量大小對于輸出負荷的影響以及地表起伏狀態變化對污染物遷移過程的影響。因此，針對特定區域的降雨、地形等環境因素存在差異的問題，增加降雨及地形2個修正系數[13-14]對模型進行修正。

（1）改進后的輸出系數模型如式(2)所示[13-14]。

式中，X降雨修正數，Y地形修正數，其他同輸出系數模型公式。

（2）降雨修正數如式(3)～(6)所示[10-16]。

其中，通過相關分析，建立流域年降雨量p和入河量T的回歸方程，計算如式(4)所示。

降雨時間差異數X1計算如式(5)。降雨空間差異數X2計算如式(6)。

式中，為流域多年平均降雨量，p為流域當年降雨量，C為子單元多年平均降雨量，Ci為子單元當年的降雨量。子單元分別以流域范圍內涉及的7個鄉鎮和2個子流域進行劃分，其中鄉鎮、子流域數據以村為單位進行統計。

（3）坡度對于污染負荷的影響。坡度對于污染負荷的影響主要通過對于徑流的影響反映，大量研究證實，坡度與地面徑流量呈正相關關系，地表徑流量可以表示為坡度的冪函數與常量的乘積，如式(7)所示[10-16]。

式中，Q為徑流量，s為坡度，a、q為常量。

地形修正數如式(8)所示[10-16]。

式中，s為每個子單元的平均坡度；sˉ為總流域的平均坡度；q為常量，查閱相關文獻可得q為0.6104[10-16]。現實生活中由于單純降雨產生的污染相對于其他污染較小，故在模型模擬中經常不計算在內[10]。

3 數據來源及相關系數的確定

3.1 數據來源

數字高程DEM圖（精度30 m×30 m）、各類土地利用面積數據來源于瀘縣國土局；2012年畜禽及農業人口數據以村為單位進行統計，來源于瀘縣市農業局、統計局，以及結合當地實際調查；多個氣象站逐日降雨數據來源于瀘縣氣象局、中國氣象數據網(http://data.cma.cn/site/index.html)。利用GIS軟件的統計分析功能對流域內各種數據進行統計分析，得到龍溪河流域瀘縣段各鎮以及2個子流域的各類土地利用面積、畜禽及農業人口狀況，如表1所示。

表1 土地類型面積、畜禽及人口統計結果

3.2 相關系數的確定

3.2.1 輸出系數取值 污染物輸出系數是單位時間單位面積上的負荷排放量，具有地域性差異，一般通過查閱文獻法、野外監測法和數學統計分析法等方法確定。本研究中采用的輸出系數在參考長江上游流域的總氮(TN)和總磷(TP)的輸出系數值的基礎上結合當地的實際調查結果確定[10,17]，最終取值如表2所示。

表2 研究區輸出系數取值

3.2.2 修正系數取值 應用GIS軟件對DEM數字高程圖進行坡度分析，統計分析各鎮及子流域的平均坡度值（圖2），并依據地形修正公式進行計算，得到各鎮及子流域的地形修正數；采用克里金降雨插值方法對瀘縣及周邊多個氣象站年降雨量數據進行插值，得到各鎮及子流域的年降雨量數據，并進行統計分析及降雨修正公式計算得到降雨修正數，具體結果如表3所示。

圖2 各鎮平均坡度、2012年降雨量分布

表3 研究區修正系數取值

4 結果與分析

畜禽養殖是瀘縣傳統的支柱產業，已經形成了以生豬為主導的產業結構，散養畜禽養殖量大且分散，無法集中收集處理，多數都未經處理直接排放進入水體，成為主要污染來源之一；農村生活污染源分散，污水處理設施不足，無法集中收集和處理，大部分污水散排，隨土地漫流進入水環境，對流域水質造成污染；農田化肥農藥的大量施用伴隨降雨徑流沖刷入河道，勢必成為水體污染來源之一，因此研究區非點源污染的調查主要有農村生活污染、散養禽畜養殖污染和農田徑流污染3個方面。

4.1 流域內總污染負荷分析

以龍溪河流域作為分析對象，從農田徑流污染、農村生活、畜禽養殖3類污染源，TN/TP 2種污染物角度進行分析，為了便于不同污染物之間進行統計比較，按照TN、TP等標污染負荷進行分析，即分別除以1和1/5的標準換算。具體計算結果如表4所示。

表4 研究區污染負荷綜合分析計算表

研究區范圍內，TN的總污染負荷為481.34 t/a，其中農村生活污染負荷296.61 t/a，占比61.62%，畜禽養殖污染負荷114.94 t/a，占比23.88%，農田徑流污染負荷69.78 t/a，占比14.50%，農村生活污染負荷最大，分別是畜禽養殖、農田徑流污染負荷的2.58、4.25倍。TP的總污染負荷為235.03 t/a，農村生活、畜禽養殖、農田徑流污染占比分別69.25%、24.98%、5.77%，農村生活污染負荷最大，分別是畜禽養殖和農田徑流污染負荷的2.77、12.00倍。可見流域內農村生活污染負荷最大，農田徑流污染負荷最小。TN污染負荷是TP污染負荷的2.05倍，是流域主要污染物。不同土地利用污染負荷中，建設用地總污染負荷37.51 t/a，占比最大為5.24%，其次是水稻田和旱地，分別占比3.10%、2.07%。綜上，流域內最主要的污染源為農村生活污染，主要污染物為TN，建設用地在土地利用類型中污染負荷最大。

4.2 研究區各鎮污染負荷分布

流域范圍共涉及7個鄉鎮，以村為單位統計流域范圍內數據，采用改進的輸出系數模型計算污染負荷，其分析計算結果如表5所示。

表5 各鎮污染負荷分析計算表

從TN污染負荷看，各鎮污染負荷排序依次為玄灘鎮、云錦鎮、奇峰鎮、立石鎮、云龍鎮、毗盧鎮、兆雅鎮，玄灘鎮污染負荷最大為144.27 t/a，占比29.97%，其次云錦鎮為96.07 t/a，占比19.96%，二者占比30%和20%左右；從TP污染負荷看，各鎮排序依次為玄灘鎮、云錦鎮、奇峰鎮、立石鎮、云龍鎮、毗盧鎮、兆雅鎮，玄灘鎮污染負荷70.12 t/a，占比29.84%，其次云錦鎮為46.95 t/a，占比19.98%，二者分別達到總負荷的30%和20%左右，玄灘鎮、云錦鎮是該區域的重點污染防治鄉鎮。除云龍鎮外，農村生活是TN污染負荷主要來源，其次為農田徑流、畜禽養殖，云龍鎮以畜禽養殖為主要污染來源；各鄉鎮的農村生活是TP污染負荷主要來源，其次為畜禽養殖、農田徑流，但各鄉鎮在負荷大小和占比上存在差異。綜上，玄灘鎮、云錦鎮TN/TP污染負荷基本在20%或以上，是區域的重點污染防治鄉鎮；農村生活污染基本是各鄉鎮主要污染源，TN是各鄉鎮的主要污染物。各鄉鎮TN/TP污染負荷分布圖如圖3所示。

圖3 各鎮TN/TP等標負荷排放量分布

4.3 研究區子流域污染負荷分布

龍溪河流域內兩大子流域分別為玉河溝子流域和三溪口水庫（也稱玉龍湖）子流域。從子流域的角度，評估不同污染源的TN/TP污染負荷，以及2個子流域對龍溪河流域污染負荷的貢獻率。具體子流域污染負荷如表6所示。

表6 子流域污染負荷分析計算表

玉河溝子流域TN/TP污染負荷分別為136.14、66.44 t/a，占流域比重28.28%、28.27%，三溪口水庫子流域內TN/TP污染負荷分別為為55.42、27.33 t/a，占流域比重11.51%、11.63%，玉河溝子流域污染負荷是三溪口水庫子流域的2.46、2.43倍，對龍溪河流域貢獻率約為30%、10%，可見，玉河溝子流域貢獻率更大，是龍溪河流域重點防治子流域。農村生活污染是2個子流域內的主要污染源，總負荷分別為59.32、127.18 t/a，其次為畜禽養殖、農田徑流污染。從TN污染負荷看，玉河溝子流域農村生活、畜禽養殖、農田徑流分別占比60.32%、25.34%、14.34%，三溪口水庫子流域分別占比69.11%、17.13%、13.76%，農村生活TN污染負荷占比均在60%以上；從TP污染負荷看，玉河溝子流域農村生活、畜禽養殖、農田徑流分別占比67.83%、26.52%、5.65%，三溪口水庫子流域分別占比76.90%、17.74%、5.35%，農村生活TP污染負荷占比均在65%以上。從不同土地利用污染負荷看，2個子流域的建設用地TN污染負荷大于水稻田和旱地，水稻田TP污染負荷大于建設用地和旱地。2個子流域等標負荷分布如圖4所示。

圖4 子流域TN/TP等標負荷排放量分布

4.4 模型結果驗證

基于改進的輸出系數模型進行面源污染負荷評估，為驗證模型計算結果，擬采用流域出口云龍戰旗村斷面同期逐月徑流量與監測斷面TN、TP水質數據計算得到的實測負荷量進行對比，具體計算結果見表7。經過降雨及地形因子修正后，對比模型改進前后污染負荷計算結果，TN負荷相對誤差由改進前的20.11%下降至14.74%，TP負荷相對誤差由改進前的15.79%下降至10.55%，改進后模型模擬精度有所提高。考慮到河流的自凈能力可以削減部分污染負荷，實際負荷應小于模型計算結果，改進的輸出系數模型精度較高。

表7 模擬污染負荷與實際負荷對比結果

5 結論與建議

流域范圍內，各污染源TN的污染負荷為481.34 t/a，TP的污染負荷為235.03 t/a，農村生活污染排放量最大，其次是畜禽養殖所帶來的污染，農田徑流污染負荷最小，流域內主要污染源是農村生活，主要污染物為TN。玄灘鎮和云錦鎮總負荷分別達到30%和20%左右，是該區域的重點污染防治鄉鎮，且各鄉鎮主要污染源基本均為農村生活污染，TN是各鄉鎮的主要污染物。基于流域內僅有個別鄉鎮有污水處理廠，大部分場鎮通過簡單的化糞池處理即排入水體的現狀，為了減少農村生活污染的影響，應當加快完善污水管網系統的建設和污水處理廠的建設，采用新的污水處理工藝，盡量減少進入受納水體中污染物質的含量。

玉河溝子流域、三溪口水庫子流域氮磷總負荷分別為202.58、82.75 t/a，貢獻率30%、10%左右，玉河溝子流域是龍溪河流域重點防治子流域。2個子流域內農村生活污染為重點污染源，占比均在60%以上，其次為畜禽養殖、農田徑流污染。除了加強農村生活污染防治，對畜禽養殖應實施種養結合，即通過將糞便收集、廢渣還田、加工有機肥料等方式將畜禽糞便回收利用，促進畜牧業和種植業有機結合，減少污染排放，發展循環經濟；注重養殖業發展規劃，推廣集中養殖生產模式，比如養殖小區，同時建立配套的污染處理設施，通過廢物資源化利用，比如堆肥、沼氣池等，減少污染排放量。針對農田徑流污染多為化肥施用利用率低、配比比例失調、施肥方式方法不當等所引起的化肥大量流失問題，應加強農業科學技術相應的教育宣傳，避免在降雨或灌溉的時候施肥，盡量深施肥，提倡測土后能夠配方施肥，在施用無機肥的同時多施用有機肥，減輕農田徑流所帶來的污染。