席浩郡，劉貝貝,2，黃雅娟，馬雪慶，鄧雅靜，劉芙妤，朱洪濤*，孫德智

1.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 2.中關(guān)村發(fā)展集團(tuán)

2015年北京市印發(fā)了《北京市城鄉(xiāng)結(jié)合部建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃(2015—2017年)》[1]，提出建設(shè)生態(tài)清潔小流域，全面保護(hù)水資源，治理水環(huán)境。北運(yùn)河流域是北京市覆蓋面積最廣的河流水系之一，作為北運(yùn)河源頭之一的北沙河，對(duì)于北京市生態(tài)清潔小流域的建設(shè)具有極其重要的意義[2]。研究北沙河小流域的水環(huán)境污染產(chǎn)生原因并提出相應(yīng)的治理措施，對(duì)實(shí)現(xiàn)北運(yùn)河流域的水質(zhì)還清，促進(jìn)京津冀環(huán)境治理協(xié)同發(fā)展，形成完善可持續(xù)的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

北沙河小流域下墊面構(gòu)成復(fù)雜，涵蓋從山地到城市用地等多種類型。小流域內(nèi)河道以非常規(guī)水源補(bǔ)給為主，部分河段常出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，且該地區(qū)水質(zhì)、水文數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏，尤其是在非點(diǎn)源污染負(fù)荷的測(cè)算方面。在點(diǎn)源污染逐漸得到有效控制后，非點(diǎn)源污染對(duì)區(qū)域水環(huán)境的影響逐漸突出[3]。非點(diǎn)源污染具有隨機(jī)性，污染物排放及污染途徑不確定，負(fù)荷的時(shí)空差異大等特點(diǎn)，對(duì)其監(jiān)測(cè)和控制的難度較大[4]。對(duì)于北沙河小流域這類缺乏長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的區(qū)域，構(gòu)建功能完備的非點(diǎn)源污染數(shù)據(jù)庫(kù)非常困難。因此，通過(guò)模型估算小流域污染負(fù)荷以指導(dǎo)非點(diǎn)源污染控制具有現(xiàn)實(shí)意義[5]。

非點(diǎn)源模型可分為物理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｎ锢砟Ｐ涂啥抗浪阄廴疚锏牧?，模擬污染物的衰減和轉(zhuǎn)化過(guò)程，目前使用較多的有AGNPS模型和SWAT模型[6-7]。但物理模型所需輸入的數(shù)據(jù)和參數(shù)復(fù)雜，導(dǎo)致現(xiàn)有的物理模型不能得到廣泛使用。對(duì)于數(shù)據(jù)有限的流域，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢岳煤诤性砝@過(guò)相關(guān)的復(fù)雜過(guò)程。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點(diǎn)在于，需要的輸入量很少，操作簡(jiǎn)單，模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確[8]。另外，隨著遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)即3S技術(shù)的出現(xiàn)，將GIS與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合進(jìn)行非點(diǎn)源污染估算發(fā)展迅速，展現(xiàn)出強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理和分析能力[9]。

鑒于此，筆者選用徑流曲線數(shù)模型(soil conservation service curve number，SCS-CN)、修訂的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation，RUSLE)等經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)北沙河小流域非點(diǎn)源污染氮、磷負(fù)荷進(jìn)行模擬與分析，以期為該小流域非點(diǎn)源污染控制和定量化管理提供有效手段和科學(xué)依據(jù)，也為類似流域的水環(huán)境規(guī)劃與管理提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)庫(kù)建立

1.1 研究區(qū)概況

北沙河小流域位于北京市昌平區(qū)南部，地勢(shì)西北高東南低，地面高程為34～1 418 m，坡度為1‰左右。北沙河是北運(yùn)河水系溫榆河的重要支流之一，與南沙河在沙河地區(qū)匯入沙河水庫(kù)。研究區(qū)面積為872 km2，土地利用類型豐富，包括耕地、園地、林地、草地等7種類型,土質(zhì)以褐土、棕壤為主。研究區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫為11 ℃，平均日照為2 669 h，年平均降水量為574.7 mm。受氣候影響，降水量年內(nèi)分配不均，主要集中在6—8月，占全年的84.4%，年均蒸發(fā)量為1 200 mm。北沙河小流域研究范圍如圖1所示。

圖1 北沙河小流域研究范圍Fig.1 Study area of Beishahe sub-catchment

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建立

通過(guò)資料調(diào)研、文獻(xiàn)搜索及采樣測(cè)定等方式，獲取北沙河小流域2017—2019年地形地貌、降水量、土利地用類型、植被覆蓋及污染物濃度等數(shù)據(jù)，基于ArcGIS軟件建立北沙河小流域數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)果如表1所示。

表1 北沙河小流域環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容

2 模型及參數(shù)選擇

2.1 降雨徑流模型及參數(shù)計(jì)算

2.1.1SCS-CN模型

SCS-CN模型[10]反映的是降水量與徑流量間的關(guān)系，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：Q為徑流深，mm；Pi為降水量，mm；Smax為潛在最大入滲量，mm。

徑流曲線數(shù)(CN)是用來(lái)綜合反映降雨前流域特征的參數(shù)，其反映了流域下墊面的產(chǎn)流能力?？捎蒀N求得式(1)中的Smax，計(jì)算公式如下：

Smax=25 400CN-254

(2)

2.1.2CN的計(jì)算

由于CN與流域土壤濕潤(rùn)情況、植被、坡度、水文條件、土地利用和土壤類型等因素有關(guān)，為進(jìn)行CN計(jì)算，將北沙河小流域土壤分為4種類型：A類土壤為具有良好排水性的砂土或礫石土；B類土壤為砂壤土；C類土壤為輕、中壤土；D類土壤為黏土和重黏土。土壤分類情況如表2所示。

表2 北沙河小流域土壤分類

根據(jù)前5 d的總降水量將土壤的濕潤(rùn)程度(AMC)分為干(AMCⅠ)、平均(AMCⅡ)和濕(AMCⅢ)3類，不同濕潤(rùn)狀況的CN(分別用CN1、CN2和CN3表示)可以相互轉(zhuǎn)換，計(jì)算公式如下：

CN1=[CN2-20(100-CN2)]{100-CN2+exp[2.533-0.063 5×(100-CN2)]}

(3)

CN3=CN2exp[0.006 73×(100-CN2)]

(4)

根據(jù)北沙河小流域的土地利用類型、土壤屬性及前期土壤濕潤(rùn)程度確定不同土地利用的CN[11]，結(jié)果如表3所示。

表3 北沙河小流域不同土地利用類型的CN

1)建設(shè)用地包括城鎮(zhèn)與農(nóng)村用地。

2.1.3徑流量計(jì)算

利用SCS-CN模型計(jì)算日徑流深，疊加得到年徑流深，再由柵格的累積徑流深與柵格面積相乘可得到北沙河小流域年徑流量，結(jié)果如表4所示。

表4 北沙河小流域不同土地利用類型的年徑流深和徑流量

2.2 土壤侵蝕模型

2.2.1RUSLE模型

RUSLE模型表達(dá)式為:

A=R×K×L×S×C×P

(5)

式中：A為土壤年流失量，t/(hm2·a)；R為降水侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm)；L、S分別為坡度、坡長(zhǎng)因子，無(wú)量綱；C為植被與經(jīng)營(yíng)管理因子，無(wú)量綱；P為水土保持因子，無(wú)量綱。

2.2.2模型參數(shù)計(jì)算2.2.2.1降水侵蝕力因子

由于降水資料有限，采用下式計(jì)算R[12]：

(6)

式中：Py為流域內(nèi)年平均降水量，mm；PMj為流域內(nèi)第j個(gè)月平均降水量，mm。

2.2.2.2土壤可蝕性因子

K采用Williams[13]在EPIC(erosion-productivity impact calculator)模型中發(fā)展的K因子公式計(jì)算：

(7)

式中：SAN為粒徑0.05～2.00 mm的砂粒占比，%；SIL為粒徑0.002～0.050 mm的粉砂占比，%；CLA為粒徑<0.002 mm的黏粒占比，%；TOC為土壤中有機(jī)碳占比，%；SN1=1-SAN/100。K的單位為美制，其與國(guó)際制之間轉(zhuǎn)換關(guān)系為美制×0.137。

2.2.2.3坡度、坡長(zhǎng)因子

采用下式[14]計(jì)算坡度和坡長(zhǎng)因子：

(8)

(9)

式中：θ為坡度，(°);λ為坡面的水平投影長(zhǎng)度，m;m為坡長(zhǎng)指數(shù)。

2.2.2.4植被與經(jīng)營(yíng)管理因子

植被覆蓋率(FVC)和C之間有很好的相關(guān)性。采用蔡崇法等[15]提出的方法計(jì)算C：

(10)

2.2.2.5水土保持因子

參考已有研究[13]，確定研究區(qū)不同土地利用類型的P，結(jié)果如表5所示。

表5 北沙河小流域不同土地利用類型的P

在ArcGIS中將RUSLE模型的各因子計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加，得到北沙河小流域土壤侵蝕量，并根據(jù)不同土地利用類型進(jìn)行分類，結(jié)果如表6所示。

表6 北沙河小流域不同土地利用類型土壤侵蝕量

2.3 污染物輸出模型

將非點(diǎn)源污染物分為溶解態(tài)和吸附態(tài)2類。溶解態(tài)污染物通常由降水徑流輸送到水體；吸附態(tài)污染物主要附著在土壤微粒子上，以微粒子作為遷移載體，其產(chǎn)生主要受土壤侵蝕控制[16]。

溶解態(tài)氮、磷污染物輸出負(fù)荷計(jì)算公式[17-18]如下：

LDkt=CDkt×Qkt×TDkt

(11)

式中：LDkt為溶解態(tài)污染物輸出負(fù)荷，t/km2；CDkt為溶解態(tài)污染物的濃度，mg/L；Qkt為徑流量，m3。TDkt為遷移系數(shù)，表示來(lái)自地面的溶解態(tài)污染物到流域出口的遷移比例。由于本研究?jī)H探討溶解態(tài)污染物的產(chǎn)生量和空間分異情況，忽略遷移過(guò)程中的物理化學(xué)變化，因此暫不考慮其遷移系數(shù)。

吸附態(tài)氮、磷污染物輸出負(fù)荷計(jì)算公式[17-18]如下：

LSkt=CKkt×Xkt×TSkt×Sd

(12)

式中：LSkt為吸附態(tài)污染物輸出負(fù)荷，t/km2；CKkt為吸附態(tài)污染物濃度，mg/kg；Xkt為RUSLE方程計(jì)算的年土壤侵蝕量，t/km2；TSkt為污染物富集比；Sd為流域泥沙輸移比。本研究未考慮氮、磷的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，僅探討其產(chǎn)生量和空間分異情況，因此TSkt和Sd均為1。

由于本地區(qū)降水集中在6—8月，而其余月份降水量很小，幾乎不產(chǎn)流。因此在2018年7月11日、18日、25日分別對(duì)耕地、林地、園地、草地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村用地、未利用地7種土地利用類型共15個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了3次降雨徑流的收集和監(jiān)測(cè)。徑流樣品按照30～60 min的間隔進(jìn)行收集，具體收集方法：耕地和園地，用V形塑料擋板擋住出口處進(jìn)行收集；林地、草地和未利用地，在集水區(qū)出口處收集；農(nóng)村和城鎮(zhèn)用地，在排水溝渠和溢流口處收集(主要收集道路雨水)[19]。3次降水量分別為20.3、7.7和15.6 mm，平均降水強(qiáng)度分別為0.123、0.024和0.083 mm/min。

降雨徑流監(jiān)測(cè)完成后，水樣用1 L聚乙烯瓶封裝后放進(jìn)冷凍箱并立即帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定總氮、溶解態(tài)氮、總磷、溶解態(tài)磷濃度4項(xiàng)指標(biāo)。其中，總氮和溶解態(tài)氮濃度采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定(DR3900分光光度計(jì)，哈?？萍?，總磷和溶解態(tài)磷濃度采用過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測(cè)定〔5B-3B(V8)多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀，連華科技〕，吸附態(tài)氮、吸附態(tài)磷濃度分別為總氮、總磷濃度與溶解態(tài)氮、溶解態(tài)磷濃度之差[20]。

基于上述數(shù)據(jù)，計(jì)算了北沙河小流域各種土地利用類型對(duì)應(yīng)的溶解態(tài)和吸附態(tài)氮、磷污染物的平均濃度，結(jié)果如表7和表8所示。與相關(guān)研究中測(cè)得的氮、磷污染物濃度[18,21-22]對(duì)比可知，相同土地利用類型的污染物濃度基本在同一數(shù)量級(jí)，數(shù)值差異可能與地區(qū)、時(shí)間演化相關(guān)。

表7 北沙河小流域不同土地利用類型溶解態(tài)氮、磷濃度

表8 北沙河小流域不同土地利用類型吸附態(tài)氮、磷濃度

3 結(jié)果與討論

3.1 不同形態(tài)氮、磷負(fù)荷空間分布特征

3.1.1溶解態(tài)氮、磷負(fù)荷空間特征

北沙河小流域非點(diǎn)源溶解態(tài)氮、磷負(fù)荷空間分布如圖2所示，不同土地利用類型溶解態(tài)氮、磷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表9所示。由圖2可知，流域東南部多為平原區(qū)域，產(chǎn)生的非點(diǎn)源溶解態(tài)氮、磷負(fù)荷大且均高于平均值，北沙河河道附近污染負(fù)荷輸出較大。由表9可知，北沙河小流域非點(diǎn)源溶解態(tài)氮、磷年均輸出負(fù)荷分別為166.08和9.98 t/a，年均單位面積輸出的負(fù)荷分別為0.190和0.011 t/(km2·a)；城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村用地、林地、耕地產(chǎn)生的溶解態(tài)氮負(fù)荷較高，耕地、城鎮(zhèn)用地、林地、園地產(chǎn)生的溶解態(tài)磷負(fù)荷較高。

圖2 北沙河小流域非點(diǎn)源溶解態(tài)氮、磷負(fù)荷空間分布 Fig.2 Spatial distribution of dissolved nitrogen and phosphorus loads from NPS in Beishahe sub-catchment

表9 北沙河小流域不同土地利用類型非點(diǎn)源溶解態(tài)氮、磷年均輸出負(fù)荷

3.1.2吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷空間特征

北沙河小流域不同土地利用類型吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表10所示，非點(diǎn)源吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷空間分布如圖3所示。由表10可知，北沙河小流域非點(diǎn)源吸附態(tài)氮、磷年均輸出負(fù)荷分別為379.450和93.434 t/a，年均單位面積輸出負(fù)荷分別為0.435和0.107 t/(km2·a)；不同土地利用類型中，林地輸出的吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷均最高，其次是草地，而農(nóng)村和城鎮(zhèn)用地輸出的吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷均較低。由圖3可知，流域西北部為山區(qū)，地勢(shì)高的地方土壤侵蝕量較大，表現(xiàn)為較高的吸附態(tài)氮、磷污染負(fù)荷；西北部植被覆蓋率高的地方土壤侵蝕量小，吸附態(tài)氮、磷污染負(fù)荷小。

表10 北沙河小流域不同土地利用類型非點(diǎn)源吸附態(tài)氮、磷年均輸出負(fù)荷

圖3 北沙河小流域非點(diǎn)源吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷空間分布Fig.3 Spatial distribution of absorbed nitrogen and phosphorus loads from NPS in Beishahe sub-catchment

圖4 北沙河小流域不同土地利用類型產(chǎn)生的非點(diǎn)源氮、磷負(fù)荷Fig.4 Pollution loads of NPS nitrogen and phosphorus of different land use types in Beishahe sub-catchment

3.2 流域非點(diǎn)源氮、磷污染源解析

不同土地利用類型產(chǎn)生的非點(diǎn)源氮、磷負(fù)荷如圖4所示。由圖4可知，年均總氮負(fù)荷較高的3種土地利用類型分別為農(nóng)村用地〔0.855 t/(km2·a)〕、林地〔0.713 t/(km2·a)〕和未利用地〔0.619 t/(km2·a)〕；年均總磷負(fù)荷較高的3種土地利用類型分別為草地〔0.238 t/(km2·a)〕、林地〔0.126 t/(km2·a)〕和未利用地〔0.115 t/(km2·a)〕。

不同土地利用類型中，農(nóng)村用地、城鎮(zhèn)用地和耕地產(chǎn)生的非點(diǎn)源溶解態(tài)氮、磷負(fù)荷較大。主要原因是農(nóng)村與城鎮(zhèn)人口密度大，并且伴隨工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，易造成氮、磷污染。另外，隨著城市化進(jìn)程的加快，城鄉(xiāng)結(jié)合部的不透水地面面積增加易形成地表徑流，加之污水和垃圾處理設(shè)施缺乏，導(dǎo)致農(nóng)村和城鎮(zhèn)成為非點(diǎn)源污染發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。耕地產(chǎn)生的溶解態(tài)氮、磷負(fù)荷高主要是由于農(nóng)田施肥尤其是氮肥的大量施用造成的。流域未利用地由拆遷后的居民點(diǎn)和廢棄農(nóng)田組成，雖然占地面積最小，但其表面累積的氮、磷污染物濃度高。草地和林地產(chǎn)生的溶解態(tài)氮、磷平均負(fù)荷小，表明林地和草地對(duì)污染物有一定截留作用，這與其他學(xué)者的結(jié)論類似[23]。

不同土地利用類型中，林地和草地產(chǎn)生的非點(diǎn)源吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷較大。史志華等[24]對(duì)漢口中下游的研究得出，林地和草地對(duì)非點(diǎn)源吸附態(tài)氮、磷貢獻(xiàn)較低，不同尺度上徑流、泥沙與氮、磷的作用機(jī)理會(huì)導(dǎo)致驅(qū)使流失機(jī)制的差異，流域地形、土地利用類型、植被、水文、土壤和人為活動(dòng)等都會(huì)造成流域間污染負(fù)荷顯著不同，這體現(xiàn)了面源污染過(guò)程的復(fù)雜性[25]。北沙河小流域土地利用類型中，林地和草地占流域總面積的69.4%，但林地和草地多分布在起伏大的山區(qū)，且植被覆蓋率較低，土壤表面裸露程度高，面源污染削減效率較低；加之流域土壤類型為褐土，土壤可侵蝕性強(qiáng)，易被剝離而釋放出細(xì)顆粒結(jié)合態(tài)，且沒(méi)有相應(yīng)的水土保持措施。這導(dǎo)致流域林地和草地的土壤侵蝕模數(shù)高，吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。結(jié)合圖3可知，流域中部的吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷也較高，這與其主要土地利用類型為耕地相關(guān)。因此，應(yīng)避免在雨季進(jìn)行表層施肥，而應(yīng)多采用免耕、覆蓋耕作和壟耕等保護(hù)性耕作措施；在防止水土侵蝕的同時(shí)還應(yīng)注意耕作時(shí)采取增加土層厚度、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、優(yōu)化土地利用類型等綜合治理措施。

總體來(lái)看，北沙河小流域非點(diǎn)源氮、磷流失以吸附態(tài)為主，泥沙攜帶占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。因此，應(yīng)重點(diǎn)控制流域的土壤侵蝕和水土流失，減輕吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷。雖然吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷較高，但在污染物傳輸過(guò)程中，部分吸附態(tài)氮、磷會(huì)在重力作用下沉積，從而減少其輸出量。由于鄰近水體的土地利用類型多為農(nóng)村用地和耕地，非點(diǎn)源氮、磷流失量較大，而溶解態(tài)氮、磷易遷移至水體，造成水體污染，因此溶解態(tài)氮、磷負(fù)荷對(duì)北沙河水質(zhì)的影響依然是關(guān)注的重點(diǎn)。建議在豐水期采取有效治理措施，以減少非點(diǎn)源氮、磷入河量。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)北沙河小流域非點(diǎn)源溶解態(tài)氮、磷年均輸出負(fù)荷分別為0.190和0.011 t/(km2·a)，吸附態(tài)氮、磷輸出負(fù)荷分別為0.435和0.107 t/(km2·a)。

(2)農(nóng)村和城鎮(zhèn)用地是北沙河小流域非點(diǎn)源溶解態(tài)氮、磷負(fù)荷輸出的主要區(qū)域，而林地和草地是吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷輸出的主要區(qū)域。

(3)北沙河小流域氮、磷流失主要以吸附態(tài)為主，應(yīng)重點(diǎn)控制流域的土壤侵蝕和水土流失，以降低吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷；北沙河河道附近污染負(fù)荷輸出較大，應(yīng)采取相關(guān)措施以降低對(duì)水體的污染。