張 冉，夏建新，任華堂

(中央民族大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京 100081)

綠色奧運(yùn)是2022 年張家口冬奧會(huì)的核心理念之一，保障張家口冬奧會(huì)核心區(qū)地表水質(zhì)達(dá)到三類水的要求是踐行綠色奧運(yùn)的重要任務(wù)。地表水污染物主要來源于點(diǎn)源和非點(diǎn)源。冬奧會(huì)核心區(qū)流域點(diǎn)源污染處理程度不高，非點(diǎn)源污染疏于管理，河流水質(zhì)較差。其中點(diǎn)源集中排放污染治理相對(duì)容易，而非點(diǎn)源污染物排放分散，治理難度大。因此，準(zhǔn)確估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷是保障水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提和基礎(chǔ)。

研究區(qū)位于張家口市清水河上游支流流域，該流域缺乏歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，近年來相關(guān)研究很少。在崇禮冬奧會(huì)臨近召開的背景下，有學(xué)者[1]開始關(guān)注清水河上游河流水質(zhì)問題，監(jiān)測(cè)分析了河流總氮（TN）、化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）和氨氮（NH4+-N）濃度的季節(jié)性變化，而非點(diǎn)源污染負(fù)荷方面還未見報(bào)道。非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算有很多方法，主要分為輸出系數(shù)法和過程模擬法。輸出系數(shù)法相對(duì)于過程模擬法所需參數(shù)少，操作簡便，適用于缺乏長時(shí)間系列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算。輸出系數(shù)法中利用已有文獻(xiàn)值確定輸出系數(shù)進(jìn)行計(jì)算存在著不確定性，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。Soranno 等[2]考慮營養(yǎng)物來源與水體之間的距離，引入傳輸系數(shù)改進(jìn)了傳統(tǒng)輸出系數(shù)模型；蔡明等[3]考慮水文因素和流域損失因素，引入降雨影響系數(shù)和流域損失系數(shù)等。在傳統(tǒng)的輸出系數(shù)模型基礎(chǔ)上考慮降雨和地形因素是當(dāng)前的主要研究手段[4]。胡正等[5-6]引入降雨、地形因子后分別應(yīng)用于四川達(dá)州缺資料小流域地區(qū)和寶象河流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量估算分析。以往研究中一般利用年降雨量建立與多年平均降雨量或入河負(fù)荷量的關(guān)系得到降雨影響因子，以反映污染負(fù)荷的年際變化，而忽略了年內(nèi)降雨量變化的影響，利用月降雨量進(jìn)行降雨影響因子的計(jì)算可能更為準(zhǔn)確。

本文利用研究區(qū)月降雨量數(shù)據(jù)計(jì)算得到年降雨影響因子，運(yùn)用考慮降雨和地形影響因子的輸出系數(shù)法，確定研究區(qū)主要污染物輸出系數(shù)，估算冬奧會(huì)核心區(qū)的流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷量、空間分布并分析主要污染物的來源貢獻(xiàn)，以期為冬奧會(huì)核心區(qū)水環(huán)境安全保障提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

冬奧會(huì)核心區(qū)位于張家口市崇禮區(qū)（40°47′～41°17′N，114°17′～115°34′E），研究區(qū)土地利用類型以草地、林地和耕地為主，分別占總面積的41.54%，33.61%和22.92%，農(nóng)村居民點(diǎn)用地占總面積的9.09%，見圖1。農(nóng)村居民點(diǎn)分散位于河流兩岸，農(nóng)村人口生活、畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)用地產(chǎn)生污染物為河流非點(diǎn)源污染的主要來源。研究區(qū)內(nèi)河流清水河屬海河流域永定河水系上游，是洋河支流，發(fā)源于張北縣與崇禮縣交界處樺皮嶺南麓，細(xì)分為東溝和太子城河，其中太子城河流域?yàn)閵W運(yùn)村（原太子城村）及賽事場(chǎng)館所在地。東溝河流為南北走向，流經(jīng)清三營鄉(xiāng)、獅子溝鄉(xiāng)、白旗鄉(xiāng)及西灣子鎮(zhèn)，河流全長44 km，流域面積770 km2。太子城河發(fā)源于四臺(tái)嘴鄉(xiāng)水泉子村，流經(jīng)奧運(yùn)村（原太子城村）以及四臺(tái)嘴鄉(xiāng)7 個(gè)行政村，在西灣子鎮(zhèn)匯入清水河，河流長約27 km，流域面積220 km2。

圖1 研究區(qū)土地利用類型Fig.1 Land use types in the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用到的數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)土地利用類型、數(shù)字高程模型（DEM）、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，具體來源如下：

(1)在地理空間數(shù)據(jù)云獲得研究區(qū)的30 m×30 m 精度的DEM 數(shù)據(jù)（http://www.gscloud.cn/）。利用Arcgis10.2 對(duì)崇禮區(qū)的DEM 柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪處理后，提取研究區(qū)的河流水系，得到研究區(qū)流域地形數(shù)據(jù)。

(2)崇禮區(qū)的土地利用類型/植被覆蓋數(shù)據(jù)來源于地理國情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)（http://www.dsac.cn/）。土地利用類型/植被覆蓋數(shù)據(jù)來源于崇禮區(qū)2015 年的土地利用/植被覆蓋數(shù)據(jù)，利用Arcgis10.2 進(jìn)行裁剪得到研究區(qū)的土地利用類型數(shù)據(jù)。(3)人口、畜禽養(yǎng)殖、降雨量數(shù)據(jù)由2007—2017 年張家口市經(jīng)濟(jì)年鑒[7]中得到。

1.3 研究方法

1.3.1 計(jì)算方法 采用最早由Johnes 提出的輸出系數(shù)模型[8]進(jìn)行計(jì)算：

式中：L 為污染物的產(chǎn)生量；n 為污染源的種類；Ek為第k 種污染源的輸出系數(shù)；Ak為第k 種牲畜的數(shù)量；Ik為第k 種污染源的污染物輸出量；P 為由降雨輸入的污染物。

降雨和地形是非點(diǎn)源污染物的主要驅(qū)動(dòng)力和重要影響因素?？紤]到降雨和地形對(duì)非點(diǎn)源污染影響的時(shí)間和空間不均勻性，引入降雨影響因子和地形影響因子的輸出系數(shù)模型[9]，其表達(dá)式為：

式中：Li為第i 種污染物的污染負(fù)荷量； α為降雨影響因子； β為地形影響因子；Ei,j為第i 種污染物的第j 種污染源的輸出系數(shù)；Aj(Ij)為第j 種污染源的污染物輸出量。

1.3.2 輸出系數(shù)的確定 本文輸出系數(shù)采用查閱文獻(xiàn)法，參考以往相關(guān)研究成果[10-12]，已有文獻(xiàn)中輸出系數(shù)不能反映研究區(qū)特殊條件，結(jié)合研究區(qū)實(shí)地調(diào)研的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整后確定。污染物隨降雨徑流遷移入河過程中會(huì)有一定比例的滯留和衰減?，F(xiàn)有研究成果中農(nóng)村生活污染源產(chǎn)生污染物的入河系數(shù)為0.01～0.10；農(nóng)業(yè)污染源產(chǎn)生污染物的入河系數(shù)為0.10～0.30；散養(yǎng)畜禽污染源的污染物入河系數(shù)為0.10～0.30[13]。入河系數(shù)大小與降雨產(chǎn)生徑流量大小直接相關(guān)，徑流量越大，污染物入河系數(shù)越大。本文研究區(qū)流域徑流量較小，污染物入河過程中的滯留量和衰減量相對(duì)較高，初步確定TN、COD、TP 和NH4+-N等4 種污染物的入河系數(shù)分別為0.04、0.02、0.01 和0.01，以其他北方相似流域污染物輸出系數(shù)為基礎(chǔ)，估算得到研究區(qū)污染源輸出系數(shù)見表1。

表1 不同污染源的污染物輸出系數(shù)Tab.1 Pollutant export coefficients of different pollutant sources

1.3.3 降雨及地形影響因子計(jì)算 根據(jù)土壤流失方程中降雨侵蝕力影響因子的計(jì)算方法，應(yīng)用前人通過河北省各氣象臺(tái)站的降雨數(shù)據(jù)建立的降雨侵蝕力估算模型[14]式（4），計(jì)算了降雨侵蝕力因子，進(jìn)而得到研究區(qū)的降雨影響因子α。由于研究區(qū)域?qū)儆谛×饔?，空間降雨量的不均勻性對(duì)降雨侵蝕力因子的影響不予考慮。

式中： Ri為第i 年降雨侵蝕力（MJ·mm·ha·h-1）；為多年平均降雨侵蝕力（MJ·mm·ha·h-1·a-1）；Fi為年降雨量中逐月雨量對(duì)降雨侵蝕力的影響；Pi,j為第i 年第j 月平均降雨量（mm）；P 為多年平均降雨量（mm）。

流域地形坡度主要通過影響坡面徑流量來影響其攜帶的污染物的量，最終影響污染物的遷移變化。為了反映不同子流域的污染負(fù)荷的輸出量，對(duì)研究區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)進(jìn)行了坡度分析，研究區(qū)的坡度分析結(jié)果如圖2 所示，得到研究區(qū)的平均坡度為15.76°。

圖2 流域坡度分布Fig.2 Watershed slope distribution

根據(jù)以往相關(guān)研究[9]，地形影響因子β 可以定義為式（6）。結(jié)合研究區(qū)的DEM 和土地利用類型數(shù)據(jù)，利用Arcmap10.2 將研究區(qū)劃分為17 個(gè)子流域，考慮了不同子流域坡度空間差異對(duì)污染負(fù)荷量輸出的空間分布影響，對(duì)不同子流域的土地利用類型進(jìn)行了分區(qū)統(tǒng)計(jì)后，再根據(jù)各子流域坡度與流域平均坡度的空間差異對(duì)不同子流域輸出污染負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

式中：L 為污染負(fù)荷量（kg）；d 為常量； θj為不同子流域的平均坡度為研究區(qū)的平均坡度（°）。

1.4 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

大多數(shù)非點(diǎn)源污染物是在汛期排入水體，因此，為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，采用以往研究中2016 年7—9 月份汛期東溝沿程河道斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)平均值[1]與年徑流量乘積得到污染負(fù)荷量與本文計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（圖3）。

經(jīng)計(jì)算：TN、COD、TP 和NH4+-N 輸出負(fù)荷量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為10.54%、9.69%、24.86%和35.76%，均在允許范圍內(nèi)。這證明本文計(jì)算方法與確定的輸出系數(shù)值合適，本文對(duì)研究區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的估算結(jié)果合理。

圖3 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3 Comparison of calculated and measured values

2 結(jié)果分析

2.1 非點(diǎn)源污染物負(fù)荷量

研究區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算將污染源分為非土地利用因素和土地利用因素兩部分分別進(jìn)行計(jì)算，非土地利用因素包括畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)人口生活輸出的非點(diǎn)源污染。其中，畜禽養(yǎng)殖包括牲畜和禽類，牲畜分為大牲畜（如牛和馬等）、小型牲畜（豬和羊）。土地利用因素將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地和建設(shè)用地。

2.1.1 非土地利用因素產(chǎn)生的污染負(fù)荷 應(yīng)用輸出系數(shù)法對(duì)冬奧會(huì)核心區(qū)流域2007—2016 年非點(diǎn)源總氮（TN）、化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）和氨氮（NH4+-N）負(fù)荷量進(jìn)行了計(jì)算。圖4 給出了2007—2016 年非土地利用因素污染源輸出的污染物負(fù)荷量。

圖4 非土地利用因素污染源輸出負(fù)荷量Fig.4 Non-land use factor pollution source export load

可見，年輸出的TN 負(fù)荷量為1 154.25～17 540.39 kg，年均輸出TN 負(fù)荷量為9 694.48 kg；年輸出COD負(fù)荷量為2 114.76～34 552.41 kg，年均COD 輸出量為18 995.29 kg；年輸出TP 負(fù)荷量為51.29～842.54 kg，年均TP 輸出量為446.09 kg；年輸出NH4+-N 負(fù)荷量為34.40～514.88 kg，年均輸出NH4+-N 負(fù)荷量為294.05 kg。非土地利用因素污染源輸出負(fù)荷量年際差異較大，主要與年際降雨侵蝕力變化影響有關(guān)，輸出污染負(fù)荷與降雨侵蝕力成正比，污染負(fù)荷總量年際變化整體趨勢(shì)與各污染源輸出量波動(dòng)變化一致；其次與各年份不同污染源數(shù)量變化有關(guān)，其中農(nóng)業(yè)人口與養(yǎng)殖大牲畜數(shù)量比較穩(wěn)定，而養(yǎng)殖豬輸出污染負(fù)荷量逐年遞增，養(yǎng)殖羊輸出污染負(fù)荷逐年遞減，禽類輸出污染負(fù)荷年際波動(dòng)分布，與污染源數(shù)量增減趨勢(shì)相同。

2.1.2 土地利用因素產(chǎn)生的污染負(fù)荷 利用崇禮區(qū)土地利用類型/植被覆蓋遙感數(shù)據(jù)得到研究區(qū)土地利用類型，計(jì)算得到了的不同土地利用類型輸出污染物負(fù)荷量，圖5 給出了不同土地利用類型的污染物輸出負(fù)荷量。

由圖5 可見：研究區(qū)不同土地利用類型年輸出TN 污染負(fù)荷量為33 372.94 kg；COD 污染負(fù)荷量為21 453.45 kg；年輸出TP 污染負(fù)荷量為512.82 kg；年輸出NH4+-N 污染負(fù)荷量為1 129.78 kg。對(duì)比不同土地利用類型輸出的污染物結(jié)果來看，耕地是非點(diǎn)源污染負(fù)荷的主要污染來源，其次為草地和林地，建設(shè)用地輸出的污染負(fù)荷量相對(duì)較少。

圖5 不同土地利用類型輸出污染物負(fù)荷量Fig.5 Export pollutant load of different land use types

2.2 污染物來源及其空間分布

圖6 給出了2016 年4 種污染物負(fù)荷量的不同類型污染源輸出污染物的來源貢獻(xiàn)結(jié)果。TN 污染負(fù)荷量的來源貢獻(xiàn)分析結(jié)果表明：耕地（49.82%）為輸出總氮污染負(fù)荷量的最大來源，其次為草地（18.34%）、大牲畜（13.60%）和農(nóng)業(yè)人口生活（9.91%）。COD 污染負(fù)荷量的主要來源貢獻(xiàn)大小依次為農(nóng)業(yè)人口生活（36.95%）、耕地（17.73%）、林地（15.59%）和草地（14.28%）。TP 污染負(fù)荷量來源貢獻(xiàn)分析結(jié)果表明：農(nóng)業(yè)人口生活（43.81%）和耕地（33.27%）為主要污染源，其次為草地（10.85%）。NH4+-N 污染負(fù)荷量來源貢獻(xiàn)結(jié)果分析表明：主要貢獻(xiàn)量大小依次為：耕地（61.25%）、農(nóng)業(yè)人口生活（11.83%）、林地（8.96%）、大牲畜（7.72%）和草地（5.33%）。

考慮了不同子流域坡度因子β 的影響，對(duì)不同子流域污染源進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)后，利用輸出系數(shù)法進(jìn)行了計(jì)算，揭示了2016 年4 種污染物輸出負(fù)荷量來源的空間分布情況，見圖7。

圖6 污染物負(fù)荷量來源貢獻(xiàn)Fig.6 Pollutant load source contribution

圖7 污染負(fù)荷量空間分布Fig.7 Spatial distribution of pollutant load

總體來看：不同子流域輸出非點(diǎn)源污染負(fù)荷分布不均勻，TN 輸出負(fù)荷量主要分布在獅子溝鄉(xiāng)和西灣子鎮(zhèn)南部（9 421～12 664 kg）以及清三營鄉(xiāng)、白旗鄉(xiāng)和四臺(tái)嘴鄉(xiāng)部分子流域（5 226～9 421 kg）；COD 輸出負(fù)荷量在西灣子鎮(zhèn)南部子流域最高為15 634 kg，其次為獅子溝鄉(xiāng)北部、白旗鄉(xiāng)西部、西灣子鎮(zhèn)西部和四臺(tái)嘴鄉(xiāng)南部子流域（6 045～10 354 kg）；TP 輸出負(fù)荷量在西灣子鎮(zhèn)南部子流域最高為334 kg，其次為獅子溝鄉(xiāng)北部、白旗鄉(xiāng)西部以及四臺(tái)嘴鄉(xiāng)南部子流域（163～236 kg）；NH4+-N 輸出負(fù)荷量主要分布在西灣子鎮(zhèn)西南部（424 kg），其次為獅子溝鄉(xiāng)、清三營鄉(xiāng)、白旗鄉(xiāng)部分子流域以及四臺(tái)嘴鄉(xiāng)南部子流域（170～316 kg）。

3 結(jié) 語

為分析冬奧會(huì)核心區(qū)非點(diǎn)源排放污染物對(duì)流域水環(huán)境的影響，采用輸出系數(shù)法計(jì)算了張家口冬奧會(huì)核心區(qū)的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量、空間分布，分析了不同類型污染負(fù)荷的來源。通過實(shí)測(cè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)值驗(yàn)證了輸出系數(shù)法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，得到以下結(jié)論：

（1）2007—2016 年非土地利用因素污染源年輸出的TN 負(fù)荷量為1 154.25～17 540.39 kg；年輸出COD為2 114.76～34 552.41 kg；年輸出TP 負(fù)荷量為51.29～842.54 kg；年輸出NH4+-N 負(fù)荷量為34.40～514.88 kg。

（2）不同土地利用類型污染源年輸出TN 污染負(fù)荷量為33 372.94 kg；COD 污染負(fù)荷量為21 453.45 kg；TP 的污染負(fù)荷量為512.82 kg；NH4+-N 的污染負(fù)荷量為1 129.78 kg。

（3）從4 種污染物的貢獻(xiàn)來源來看，TN 的輸出負(fù)荷量中貢獻(xiàn)最大的是耕地，其次為草地、大牲畜養(yǎng)殖以及農(nóng)業(yè)人口生活。COD 污染負(fù)荷量的主要來源貢獻(xiàn)依次為農(nóng)業(yè)人口生活>耕地>林地>草地。TP 污染負(fù)荷量來源貢獻(xiàn)中農(nóng)業(yè)人口生活和耕地為主要污染源，其次為草地。NH4+-N 污染負(fù)荷量主要來源于耕地，其次為農(nóng)業(yè)人口生活和大牲畜養(yǎng)殖。

（4）污染物輸出負(fù)荷量的空間分布不均。東溝上游子流域和下游出口子流域的輸出量比較高；太子城河流域中下游子流域輸出負(fù)荷量相對(duì)較高。

（5）從冬奧會(huì)核心區(qū)建設(shè)及長遠(yuǎn)發(fā)展來看，冬奧會(huì)舉辦期間以及未來人口增多，河流水質(zhì)要達(dá)到冬奧會(huì)對(duì)地表水質(zhì)的要求標(biāo)準(zhǔn)將面臨巨大困難和挑戰(zhàn)。因此，需要點(diǎn)源污染與非點(diǎn)源污染協(xié)同控制，不僅要對(duì)點(diǎn)源污染實(shí)行高標(biāo)準(zhǔn)污水處理工程進(jìn)行削減，還要合理規(guī)范畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，科學(xué)管理農(nóng)業(yè)用地化肥農(nóng)藥的使用，減少非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出量，切實(shí)履行綠色奧運(yùn)的重要理念。