焦永杰 周濱 劉紅磊 李雪梅 邢美楠 司敏 趙文喜 岳昂

摘要選擇了一個下墊面受人類活動影響劇烈的研究區(qū)域——海河干流流域作為研究對象，在綜合考慮多種影響因素的基礎(chǔ)上，對復(fù)雜的模型進(jìn)行簡化，形成一種基于“源-匯”框架以及地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的流域面源污染快速評價模型，旨在為水環(huán)境管理者提供一種快速甄別流域面源污染潛在風(fēng)險的方式，為貧數(shù)據(jù)研究區(qū)域的相關(guān)研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞非點(diǎn)源污染；地理信息系統(tǒng)；框架模型；關(guān)鍵區(qū)

中圖分類號S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）11-0050-05

AbstractThis study chosen Haihe River Basin strongly influenced by anthropogenic activities. On the basis of multifactor comprehensively considering， a relatively simple spatial evaluation model has been developed through simplifying the complicated mechanism model. The new model was formed by combining with “sourcetransportation” framework and GIS technology， which can give a rapid and practical assessment method of identifying the potential nonpoint source loss risk to environmental regulators. And then it will provide guidance for similar research areas.

Key wordsNonpoint source pollution model；GIS；Framework model；Critical area

近年來，非點(diǎn)源污染在我國已引起了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，相對于點(diǎn)源污染，非點(diǎn)源污染具有不可控性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，難以在時空上實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)監(jiān)測，治理范圍更廣、難度更高，在土壤介質(zhì)中長期蓄積的污染負(fù)荷可以在短期的降雨過程中隨地表徑流匯入收納水體，造成水體惡化[1]。已有的非點(diǎn)源研究發(fā)現(xiàn)，由于地形、降水、植被覆蓋等因子的差異，同一區(qū)域內(nèi)不同景觀單元輸出污染負(fù)荷的難易程度不同，某些極易輸出污染負(fù)荷的匯水單元被稱為非點(diǎn)源污染關(guān)鍵區(qū)[2]?？茖W(xué)地識別并劃分敏感區(qū)，對于在財(cái)力、物力和時間都有限的條件下制訂非點(diǎn)源污染分期治理方案具有重要意義。

隨著以“3S”技術(shù)為代表的計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，自20世紀(jì)70年代，陸續(xù)出現(xiàn)了一批基于物化及水文機(jī)理的非點(diǎn)源污染模型，這類模型的出現(xiàn)可有效地解決非點(diǎn)源污染的隨機(jī)性和觀測點(diǎn)的不確定性，不僅可以模擬各類非點(diǎn)源的形成、遷移轉(zhuǎn)化等過程，還可以為非點(diǎn)源控制和管理的定量化提供有效的技術(shù)手段。借助流域非點(diǎn)源污染機(jī)理模型，可以幫助管理者量化污染負(fù)荷，并在空間層面快速定位污染負(fù)荷的關(guān)鍵區(qū)域，現(xiàn)已成為研究非點(diǎn)源污染最直接有效的途徑之一[3-4]。然而，現(xiàn)有的主流非點(diǎn)源模型通常所需數(shù)據(jù)量較大，且建模及操作過程通常較為繁雜，模型率定、校準(zhǔn)、情景模擬所需時間較長，以目前主流的SWAT及AGNPS模型為例，建模所需數(shù)據(jù)涵蓋了地形、土壤、土地利用、氣象、水文、營養(yǎng)物質(zhì)等方面，且需要以長時間序列、連續(xù)監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)作為模型的率定及驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫[5-6]，針對不具備模型基礎(chǔ)的管理者及現(xiàn)實(shí)中大量的貧數(shù)據(jù)研究區(qū)，該類模型的適用性通常會受到較大影響。筆者以海河干流流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，在兼顧機(jī)理需求的基礎(chǔ)上，利用地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件平臺通過柵格疊置運(yùn)算，形成一種基于“源匯”框架的流域面源污染快速評價模型，旨在為水環(huán)境管理者提供一種快速甄別流域面源污染的方式。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況海河流域是我國七大水系之一，有灤河、永定河、大清河、子牙河、漳衛(wèi)南運(yùn)河、馬頰河等支流。海河流域流經(jīng)8個省、市、自治區(qū)，共260多個縣（市、旗），總面積3 118萬 km2，包括北京市、天津市全部，河北省絕大部分，山西省東部，山東、河南的北部和遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)的一小部分，為典型的扇狀流域。

海河干流由子牙河和北運(yùn)河在天津市區(qū)三岔口匯合后，穿過市區(qū)在塘沽區(qū)大沽口海河閘入海，全長72 km，流域匯水面積2 066 km2。海河干流上游段為天津市區(qū)，中游段為開發(fā)園區(qū)，間雜農(nóng)田，下游段為濱海新區(qū)。上游河流的天然徑流歷來是天津市的主要水源。然而，自建國以來，經(jīng)多年治理，海河上游已形成節(jié)節(jié)攔蓄、處處引水、渠渠相通的新局面，進(jìn)人天津市的水量急劇減少。自20世紀(jì)80年代初，海河干流斷流天數(shù)呈明顯增多趨勢，海河上游各主要支流斷流和干涸呈常態(tài)化，非汛期時段海河已無徑流人海，水資源不足和水質(zhì)差是近年來這一地區(qū)面臨的主要水環(huán)境問題。

1.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源該研究所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及來源見表1，其中遙感數(shù)據(jù)來源為美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）Landsat 8 OLI_TRIS（美國陸地衛(wèi)星）所提供的2015年7月遙感影像，同時利用Erdas平臺的監(jiān)督分類模塊對遙感影像進(jìn)行分析，基于遙感影像解譯數(shù)據(jù)及遙感地面核查結(jié)果得到研究區(qū)域土地利用類型及植被歸一化指數(shù)（NDVI）；地形數(shù)據(jù)來自ASTER GDEM（30 m）全球數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)公布的地面氣象資料，該研究采用的氣象數(shù)據(jù)為日值地面降水?dāng)?shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)取自和諧世界土壤數(shù)據(jù)庫；水質(zhì)數(shù)據(jù)來自對于目標(biāo)水體的采樣監(jiān)測，其中總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—89），總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—89）。

1.3模型結(jié)構(gòu)框架Zhou等[7]在1993年最早提出了基于“源-匯”理念的非點(diǎn)源污染潛在流失風(fēng)險評價（針對磷素）的半定量框架模型，此后大量學(xué)者根據(jù)各自研究區(qū)域的特征在這一框架的基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行了豐富[8-9]，筆者是在這一體系的基礎(chǔ)上對原始模型進(jìn)行了部分簡化，其中源因子主要考慮下墊面不同景觀單元對面源污染負(fù)荷輸出的直接影響，匯因子主要分別考慮降雨、下墊面植被蓋度、河網(wǎng)侵蝕力、坡度地形及土壤類型因子[式（1）]，各因子按照相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)分為5級，不同因子對應(yīng)不同的等級分值，綜合風(fēng)險分級劃分采取自然斷點(diǎn)分級法[10]，遷移因子權(quán)重系數(shù)由特爾斐法確定[11]。

1.4因子匡算方法

1.4.1源因子。以土地利用類型作為源因子指示指標(biāo)，用地類型賦值參考前人研究中的經(jīng)驗(yàn)值賦值[12]。

1.4.2遷移因子。

1.4.2.1植被蓋度因子（NDVI）。利用ERDAS IMAGINE 90軟件的光譜增強(qiáng)模塊中用Indices命令對OLI影像進(jìn)行NDVI計(jì)算[式（2）]，得到研究區(qū)NDVI灰度圖。

2結(jié)果與分析

2.1影響因子空間分布特征

2.1.1土地利用。研究區(qū)域下墊面受人類擾動劇烈，圖1對區(qū)域內(nèi)各類用地面積占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中建設(shè)用地面積累計(jì)占比接近50%，其主要分布于海河干流流域的上游環(huán)內(nèi)地區(qū)（圖2a），在工業(yè)點(diǎn)源污染得到較好控制的情況下，城市面源污染是這一區(qū)域收納水體污染負(fù)荷的主要來源；各類旱田（玉米-小麥輪作區(qū)域）占研究區(qū)域的22.30%（圖1），其主要分布于下游沿河兩岸區(qū)域（圖2a），受區(qū)域人口及傳統(tǒng)農(nóng)耕模式制約，區(qū)域人均耕地面積不足200 m2，家庭式農(nóng)業(yè)管理模式仍是這一區(qū)域的主導(dǎo)農(nóng)耕模式，為了提高畝產(chǎn)回報率，過量施肥的現(xiàn)象較為普遍，特別是肥力投入較大果樹種植業(yè)，過量養(yǎng)分在表層土壤（耕層）中的大量蓄存，是這一地區(qū)收納水體汛期水質(zhì)惡化的主要原因；草地在研究區(qū)域內(nèi)面積占比較?。ǖ陀?%）（圖1），作為區(qū)域面源污染的天然吸附介質(zhì)，該類用地占比的減少，也加劇了收納水體水質(zhì)的進(jìn)一步惡化。

2.1.2植被覆蓋。研究區(qū)域內(nèi)下墊面為人類活動強(qiáng)烈擾動區(qū)域，下墊面植被蓋度較小，整體植被景觀呈現(xiàn)破碎化、稀疏化的趨勢（圖2b），特別是海河干流上游流域，整體植被蓋度低于25%，下游非建成區(qū)植被覆蓋情況有所好轉(zhuǎn)，受人類活動擾動較少的南部區(qū)域及北部部分區(qū)域植被蓋度有所增加，根據(jù)遙感解譯情況，高植被蓋度的區(qū)域可以達(dá)到70%以上。

2.1.3降水強(qiáng)度。通過對研究區(qū)域4個氣象站點(diǎn)近25年的年度平均降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并借助空間插值算法得到圖2c，由此發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)降水強(qiáng)度空間分布較為明顯，東部沿河區(qū)域普遍高于西部建成區(qū)，最高年年降水量達(dá)到541 mm，這一降水強(qiáng)度的分布特征也從降水驅(qū)動層面解釋了下游面源污染負(fù)荷普遍高于上游的原因。

2.1.4河道侵蝕。隨著污染源距離收納水體的距離不同，污染物入河量也不同，基于這一理論假設(shè)，參照前人的研究成果，得到河道侵蝕因子的空間分布（圖2d），總體上下游地區(qū)的河網(wǎng)密集程度要高于上游地區(qū)，致使下游地區(qū)成為面源污染的潛在高發(fā)區(qū)。

2.1.5坡度地形。研究區(qū)域位于九河下梢，地勢較為低洼，坡度總體差異性不大（圖2c），上游總體坡度偏高，下游偏低。

2.1.6土壤類型。土壤類型空間分布如圖2f所示，據(jù)調(diào)查，研究區(qū)域上游表層土壤中有機(jī)質(zhì)含量較高，且土壤質(zhì)地相對黏重，以海津大橋?yàn)榻绲南掠瘟饔颍韺油寥郎巴梁科毡樯撸ù笥?7%），根據(jù)美國制（USDA）粒級劃分標(biāo)準(zhǔn)定義，下游地區(qū)土壤粒級為粉壤土或壤土，在土壤有機(jī)質(zhì)含量較小的背景下（小于0.6%），土壤中的持養(yǎng)能力較弱，隨暴雨徑流流失的風(fēng)險性較高。

2.2綜合評價結(jié)果空間特征按照式（1）的模型架構(gòu)得到最終評價結(jié)果，按照自然斷點(diǎn)分級法，對評價區(qū)域依次分為5個風(fēng)險級別：低風(fēng)險區(qū)、中低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、中高風(fēng)險區(qū)及高風(fēng)險區(qū)（圖3）?？傮w上看，海河干流上游流域總體風(fēng)險較小，由于上游主要位于建成區(qū)，在沒有外來點(diǎn)源污染負(fù)荷的背景下，城市面源污染是該地區(qū)優(yōu)先防控的對象，河網(wǎng)周邊區(qū)域的風(fēng)險性略高于其他區(qū)域；而下游沿河區(qū)域是研究區(qū)域防控的重點(diǎn)區(qū)域，沿河兩側(cè)及匯水區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，特別是干流臨近區(qū)域，將是未來面源污染防控的重點(diǎn)區(qū)域，受區(qū)域降雨時空分布的影響，過量的養(yǎng)分在表層土壤中長期蓄積，通過短期暴雨徑流匯入收納河道水體，形成直接的污染負(fù)荷。此外，統(tǒng)計(jì)了各個風(fēng)險區(qū)的面積占比（圖4），發(fā)現(xiàn)中高風(fēng)險區(qū)及高風(fēng)險區(qū)面積占較小（累計(jì)占比低于18%），這與以往的相關(guān)研究類似[2，14-15]，即少數(shù)關(guān)鍵區(qū)域是污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)主體。從流域管理的層面出發(fā)，借助評價結(jié)果，可使

管理者能夠集中有限的物力、財(cái)力，精確定位流域中的水環(huán)境治理的關(guān)鍵區(qū)域，對中高風(fēng)險區(qū)及高風(fēng)險區(qū)開展針對性、集中性治理，提高流域管理的效率，降低管理成本。

2.3水質(zhì)數(shù)據(jù)佐證為了對該模型的總體評價結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對海河干流進(jìn)行了自上而下的布點(diǎn)監(jiān)測（圖5），監(jiān)測時間覆蓋了2015年全年，監(jiān)測頻次為每月1次，監(jiān)測指標(biāo)包括營養(yǎng)鹽、有機(jī)污染物、pH、重金屬等12項(xiàng)指標(biāo)。為切合該次面源污染負(fù)荷的研究主題，僅對TN、TP 2項(xiàng)營養(yǎng)鹽指標(biāo)進(jìn)行匯總分析（圖6），結(jié)果顯示，全年氮、磷的空間分布和模型評價結(jié)果基本一致，全年上游及中游區(qū)域的水體養(yǎng)分含量水平相對較低，且全年波動不大，下游區(qū)域水體養(yǎng)分含量顯著上升，TN全年平均濃度接近5 mg/L，TP全年平均濃度接近0.5 mg/L，均劣于地表水V類限值（超標(biāo)倍數(shù)超過200%），這也從側(cè)面佐證了下游區(qū)域存在較高面源污染風(fēng)險的評價結(jié)果。

3結(jié)論

該研究以海河干流流域?yàn)檠芯繉ο?，在前人對面源污染?fù)荷評估模型的基礎(chǔ)上，對前人應(yīng)用模型進(jìn)行簡化，形成一種基于“源匯”框架及GIS技術(shù)的流域面源污染多因子的快速評價模型，通過對風(fēng)險等級的空間定量輸出，發(fā)現(xiàn)海河干流流域上游區(qū)域整體水環(huán)境風(fēng)險較小，城市面源是這一區(qū)域水環(huán)境管理的重點(diǎn)，而下游沿河涉農(nóng)區(qū)域是整個流域面源污染的高發(fā)區(qū)域，潛在流失風(fēng)險明顯高于中上游區(qū)域，但中高風(fēng)險區(qū)以及中高風(fēng)險區(qū)的總體面積占比較小，進(jìn)一步印證了“少數(shù)關(guān)鍵區(qū)域”在整體面源污染防控中的重要作用，通過將評價結(jié)果和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的比對，發(fā)現(xiàn)模型可以較好地概括流域面源污染的潛在流失風(fēng)險，該模型可以為水環(huán)境管理者提供一種相對可靠且建模成本較低的面源污染風(fēng)險評價方式，以期為后續(xù)其他貧數(shù)據(jù)研究區(qū)域的相關(guān)研究提供借鑒，為高效化的流域水環(huán)境管理提供支撐。

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