晉江流域污染負荷空間分布及關鍵源區識別

馬 嵐，滕彥國，林學鈺，王金生（1.北京林業大學水土保持學院，水土保持國家林業局重點實驗室，北京100083；.北京師范大學水科學研究院，北京 100875）

晉江流域污染負荷空間分布及關鍵源區識別

馬 嵐1，2*，滕彥國2，林學鈺2，王金生2（1.北京林業大學水土保持學院，水土保持國家林業局重點實驗室，北京100083；2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875）

提出了利用水文和水質同步監測資料計算流域污染負荷空間分布的一般程序，并探討了采用污染負荷貢獻與集水區面積占比關系識別流域污染關鍵源區的方法，并在晉江流域進行了實例應用.結果表明:晉江下游取水口金雞斷面污染負荷主要來自東溪和西溪，枯水期CODMn、NH3-N和TP負荷分別是226.8、27.1和17.1g/s，占豐、平水期的18%～67%.豐、枯水期東溪和西溪對金雞斷面污染負荷貢獻基本相當，而平水期西溪貢獻顯著大于東溪.晉江流域污染關鍵源區分別為蓬壺-長廳橋區間、長廳橋-港龍區間、橫口-園美區間等5個斷面區間，該關鍵源區識別方法不僅較好反映了污染物濃度和污染負荷在流域內的空間分布，同時還指出了主要污染物及敏感時期，可為后期的污染治理提供依據.本研究提出的污染負荷貢獻計算程序以及關鍵源區識別方法具有較好的普適性，可為其他流域提供借鑒.

污染負荷；關鍵污染源區；空間分布；識別方法；晉江流域

晉江水系是泉州主要飲用水源，是典型的河流型飲用水源地［1］.為保障取水口水質安全，需有針對性的實行流域水環境分區分類保護與管理［2-4］，而開展該流域污染負荷空間分布和關鍵源區識別研究是實行分區管理和水源保護區劃分的重要基礎［5-7］.

目前污染關鍵源區識別研究主要圍繞非點源污染控制和水土保持等方面［8-10］，而我國多數流域水污染是點源和非點源共同作用的結果，僅從非點源污染出發難以認識流域污染全貌［11-12］.鑒于此，部分非點源模型增加了點源污染排放模塊［13-14］.然而針對大多數流域，模型應用受輸入參數及驗證資料短缺等制約［15-16］，因此用現有易獲取資料分析流域污染（點源和非點源）負荷空間分布很有必要.

本文利用流域水文水質同步監測數據，采用水文比擬法計算不同河段污染負荷貢獻，并從典型污染物濃度和負荷兩個層面提出關鍵源區識別方法，從而為河流型飲用水源保護區劃分和流域水環境分區分類管理提供依據.

1 模型與方法

1.1 研究區概況

晉江流域位于北緯24°31′～25°32′和東經117°44′～118°47′，流域總面積為5629km2，是泉州市重要的飲用水源地（圖1）.流域年均氣溫17～21℃，年均降水量1010～1756mm，降水70%集中在6～9月，且多臺風暴雨.晉江水系主要由東溪和西溪組成，東、西溪流域面積分別為1917和3101km2，兩溪于南安市雙溪口匯合入晉江干流.雙溪口以下晉江干流長29km，沿途增加區間面積611km2.位于東溪中游的山美水庫，是流域內唯一一座具有防洪、供水、灌溉和發電的大型水利樞紐工程.

圖1 水質水文監測斷面位置Fig.1 Spatial distribution of water quality and hydrology monitoring sections in the Jinjiang River Basin

流域內分布5個水文站，分別位于永春、山美、洪瀨、安溪和石礱；水質監測斷面有14個，基本實現了流域較大支流的全覆蓋（表1和圖1）.其中流域下游（雙溪口以下約10km）金雞斷面（石礱）為水量水質同步監測斷面，是泉州市區的飲用水取水口.

表1 水質監測斷面分布情況Table 1 Spatial distribution of water quality monitoring sections in the Jinjiang River Basin

1.2 程序步驟

在水文和水質監測基礎上，首先篩選關鍵水質指標，并以此作為關鍵源區識別的典型污染物進行分析.采用水量水質同步分析識別河流污染負荷空間分布具體程序（圖2）為:

（1）斷面布設與水質監測.根據流域水系及取水口位置，合理選取、布設集水區內河流水體監測斷面，并根據河流水質變化情況，合理確定監測頻次、監測指標等.監測斷面應反映河流水質的空間分布，監測頻次應覆蓋豐、平、枯水期，水質指標可結合實際根據水功能區評價要求確定.

（2）斷面流量反演.由于水質監測斷面與水文站流量監測斷面并不完全重合，因此水質監測斷面流量可采用水文比擬法進行反演.水文比擬法是以集水區間的相似性為基礎，將相似集水區的水文資料移用至研究集水區的一種簡便方法.若研究集水區與相似集水區的氣象條件和下墊面因素基本相似，即產流系數基本相同，僅集水區面積有所不同，這時只考慮面積的影響，則存在（1）式所示的關系.

式中:Q為研究集水區出口斷面流量，m3/s；F為研究集水區面積，km2；Q′為相似集水區出口斷面流量，m3/s；F′為相似集水區面積，km2.由于本研究所涉及集水區面積均較小，相鄰集水區氣象條件和下墊面因素基本相似，因此可利用現有水文監測數據，根據集水區面積計算斷面流量.

圖2 采用水量水質同步數據識別污染負荷空間分布技術流程Fig.2 Procedure for spatial distribution identification of pollutant loads using synchronous data on water quantity and quality

（3）污染物通量計算.根據實測污染物濃度Ci和反演計算的流量Qi，采用（2）式計算斷面污染物通量［17］.

式中:Wi為第i斷面污染物通量，g/s；Qi為第i斷面流量，m3/s；Ci為第i斷面的污染物濃度，mg/L.

（4）斷面區間或集水區污染負荷計算.根據監測斷面布局，可分為兩種類型:一是監測斷面以上為完整匯水單元的，如圖3的1斷面上和3斷面上，污染負荷即為該斷面匯水區的污染物通量；二是兩斷面之間的匯水區間，如1-2斷面間、2-4斷面間，該污染負荷為下游斷面減去上游斷面通量，有支流匯入的再減去其支流通量（W支），見式（3）:

式中:Wi-j為斷面區間污染負荷.如圖3所示，1-2斷面間輸出率W1-2為（W2-W1），2-4斷面間（除支流B外）負荷為（W4-W2-W3）.

圖3 斷面區間污染負荷計算示意Fig.3 Schematic for calculation of pollutant load between monitoring sections

1.3 資料來源

水質數據來自晉江流域水環境功能區日常監測以及國家水環境研究專項監測成果.水質監測主要針對常規指標進行，監測年限為2000～2011年，每隔1～2月取樣回實驗室分析.此外根據研究需要，于2009年至2011年加密布設監測斷面.水文數據通過查閱水文年鑒獲取，主要包括降水量、蒸發量、不同時段（日、月）徑流量.根據流域水文特征，設定6～9月、4～5月和11～1月分別代表豐、平、枯水期［18］，各水期的水質按相應月份取平均值.在對水文資料分析基礎上，選取2010年（平水年）為現狀年（降水量接近多年平均值且污染情況反映了流域污染現狀），分析流域污染負荷的空間分布及水質聯系.

2 結果與討論

2.1 流域水質時空變異情況

表2為2000～2011年晉江流域各監測斷面在不同水期的水質狀況.按流域水環境功能區劃要求（金雞斷面為Ⅱ類，其余斷面均為Ⅲ類，參考標準為地表水環境質量標準（GB3838-2002）［19］，下同），超標最為嚴重的是東溪長廳橋斷面，其次晉江干流金雞斷面.由于晉江水系為河流型飲用水源地，若按目標水質（Ⅱ類）標準，各斷面的超標比例均顯著上升（表2）.這說明雖然很多斷面水體達到Ⅲ類水質標準，但其部分污染物濃度及負荷仍然可能較大.從表2可以看出，晉江流域主要污染物為CODMn、NH3-N和TP，這與馬嵐等采用污染源解析方法識別的該流域主要污染物一致［2］，因此以下主要針對該3種典型污染物開展關鍵源區識別.

表2 2000～2011年晉江流域豐、平、枯水期各監測斷面典型污染物超標情況Table 2 The water quality status at different monitoring sections and flow periods in 2000～2011

斷面水質狀況在不同年份間總體相近，但降雨對其存在一定影響［18］.以2010年（平水年）為代表年對幾種典型污染物濃度空間變化進行進一步說明.總體上，長廳橋斷面NH3-N濃度顯著高于其他斷面，且3個水期均超Ⅲ類水質標準，這可能主要是由農業面源和較為集中的生活源排放引起［2，18］；除長廳橋斷面外，東溪和西溪各監測斷面的典型污染物濃度基本相當；總體上，平水期各斷面典型污染物濃度相對較大，超標比例較高（圖4和表2），這可能與該區農田灌溉排水有關［18］.

圖4 2010年（現狀年）晉江流域豐、平、枯水期各監測斷面典型污染物濃度Fig.4 The concentrations of key pollutants at different monitoring sections and river flow periods in 2010

污染物濃度可以直觀反映斷面水質現狀，但難以說明污染排放負荷及不同斷面之間的水質聯系.因此，需要進一步結合河流的流量資料和水力聯系探討污染物負荷的空間分布，從而為實現河流型飲用水源地保護的預警管理奠定基礎.

2.2 污染負荷空間分布

在收集整理晉江流域5個水文站和14個水質監測斷面數據基礎上，采用圖2程序分別計算CODMn、NH3-N、TP在豐、平、枯水期各集水區或斷面間的污染負荷.

在豐水期，飲用水源地取水口—金雞斷面CODMn輸出通量為996.6g/s，其中洪瀨（園美）-金雞斷面貢獻最大，達45%.東溪（洪瀨以上）和西溪（園美以上）對金雞斷面的貢獻基本相當，分別為27%和29%（圖5和表3）.TP與CODMn類似，東、西溪下游河段貢獻最大，占對金雞斷面污染總負荷的41%，東溪（洪瀨以上）和西溪（園美以上）對金雞斷面的貢獻分別為41%和19%（圖5和表3）.NH3-N與CODMn、TP不同，下游河段甚至出現NH3-N負荷貢獻為負值，這說明下游金雞斷面的NH3-N通量小于上游園美和洪瀨斷面，這可能是因為該河段NH3-N入河量較小，以及NH3-N在水體中發生硝化反應［20］.受到山美水庫的調節作用，東溪各斷面NH3-N通量存在較大的空間變異性.

圖5 豐水期不同河段CODMn、NH3-N和TP輸出負荷（g/s）Fig.5 Pollutant loads of CODMn， NH3-N and TP between monitoring sections in high river flow periods （g/s）

在平水期，金雞斷面CODMn的輸出通量為479.7g/s，其中西溪（園美以上）的貢獻約為東溪（洪瀨以上）的2倍（表4）.對于NH3-N而言，位于西溪干流的橫口-園美斷面污染負荷貢獻最大，達47.8%.而西溪（園美以上）和東溪（洪瀨以上）的貢獻分別為57%和36%.金雞斷面TP的輸出通量為31.2g/s，其在流域內的空間分布情況與豐水期類似，東、西溪下游到金雞斷面這一河段的貢獻為24%，東溪（洪瀨以上）和西溪（園美以上）的貢獻相當，分別為33%和42%.長廳橋-山美出口斷面的TP負荷出現負值，說明在平水期山美水庫對東溪TP具有一定的凈化作用.

表3 豐水期各集水區或河段污染負荷及其對金雞斷面貢獻Table 3 Pollutant loads and their contributions to water-intake （Jinji） section in high river flow period

表4 平水期各集水區或河段污染負荷及其對金雞斷面貢獻Table 4 Pollutant loads and their contributions to water-intake （Jinji） section in normal river flow period

在枯水期，金雞斷面CODMn、NH3-N、TP輸出通量分別是226.8、27.1、17.1g/s，均顯著小于豐水期和平水期，這說明該區域由于降雨徑流造成的面源污染仍占相當比重［18］.東、西溪下游對金雞斷面CODMn負荷貢獻達40%，而西溪（園美以上）和東溪（洪瀨以上）貢獻基本相當，分別為32%和28%.西溪（園美以上）和東溪（洪瀨以上）對金雞斷面NH3-N負荷貢獻分別為62%和34%.東溪山美水庫顯著削減了NH3-N的輸出負荷，其削減貢獻達56%.東、西溪下游對金雞斷面TP負荷貢獻為28%，西溪（園美以上）和東溪（洪瀨以上）貢獻分別為31%和41%.

在豐、枯水期，東、西溪下游（洪瀨和園美至金雞）對金雞斷面CODMn、TP輸出負荷貢獻較大，占28%～45%，而東溪（洪瀨以上）和西溪（園美以上）貢獻基本相當.而在平水期，東、西溪下游對金雞斷面污染負荷的貢獻減小，且西溪（園美以上）污染貢獻總體顯著大于東溪（表3～表5）.

表5 枯水期各集水區或河段污染負荷及其對金雞斷面貢獻Table 5 Pollutant loads and their contributions to water-intake （Jinji） section in low river flow period

除NH3-N外，不同水期金雞斷面污染輸出負荷次序為:豐水期＞平水期＞枯水期（表3～表5）.而NH3-N在平水期負荷最大，分別是枯水期和豐水期的近4倍和2.5倍，這可能是由于晉江流域通常4月開展的大規模春灌回水挾帶農田施用的氮肥流失造成的［18，21-22］.山美水庫對金雞斷面NH3-N負荷的削減作用顯著，豐、平、枯水期分別削減了總負荷的134%、34%和56%，而水庫對CODMn和TP負荷的削減作用不甚明顯.

2.3 關鍵源區識別

在流域水質評價及污染負荷空間分析基礎上，探討從污染物濃度和總量（負荷）兩方面綜合識別關鍵源區的方法，從而為水污染防治和飲用水源地保護奠定基礎.結合晉江流域飲用水源地保護的實際，列出了關鍵源區識別的具體步驟和方法:

（1）開展斷面水質評價，根據污染物濃度劃分成達標、基本達標和未達標三類水質斷面.針對晉江流域實際，超過III類水質的為未達標；介于Ⅱ-III類之間的為基本達標；達到Ⅱ類的為達標.

（2）關鍵源區識別針對未達標和基本達標斷面，滿足下列條件之一的劃定為關鍵源區.一是不達標斷面以上集水區或斷面區間；二是基本達標斷面在1年中有2個水期該斷面以上集水區或區間污染負荷占總負荷的比重大于集水區面積占比的2倍以上.這里主要從污染源與稀釋水量之間的對比關系出發，并假定流域內各斷面區間（集水區）綜合產水系數基本相同.

（3）關鍵源區識別可分不同水期（豐、平、枯水期）、不同污染物進行［18，22］，針對不同水期、污染物識別出的關鍵源區的并集為流域關鍵源區.

由表2可以看出，污染物濃度不達標斷面有長廳橋斷面、仙苑和港龍斷面（表2），因此關鍵源區分別為桃溪的蓬壺-長廳橋區間、官橋溪的仙苑上集水區以及長廳橋-港龍區間.

3種典型污染物在不同水期的斷面區間（集水區）污染負荷占比與該區面積占總流域面積占比的比值見圖6.實際上，當污染負荷占比/面積占比比值大于1時，說明該集水區的污染排放強度即大于流域平均強度；當該比值為2時，說明該集水區污染排放強度超過流域平均排放強度1倍.根據上述步驟（2），對于基本達標斷面，CODMn的關鍵源區為橫口-園美區間、洪瀨園美-金雞區間，最敏感水期為平水期.NH3-N的關鍵源區為蓬壺-長廳橋區間、港龍（山美出口）-洪瀨區間、橫口-園美區間，全年均為敏感水期； TP的關鍵源區為長廳橋-港龍區間，敏感時期為豐、枯水期.針對不同污染物排放強度的關鍵源區識別可為流域不同空間單元的開發和水環境保護提供支撐.

綜上，采用污染排放強度識別的關鍵源區包括了全部的水質超標斷面（因超標污染物不同而仙苑上集水區除外，表2），并新增了港龍（山美出口）-洪瀨、橫口-園美、洪瀨園美-金雞等排放強度較大的3個關鍵源區.該方法還給出了主要污染物及敏感時期（圖6），從而為后期的關鍵源區治理奠定了基礎.總體上，晉江流域關鍵源區包括蓬壺-長廳橋區間、仙苑上集水區、長廳橋-港龍區間、橫口-園美區間、洪瀨園美-金雞區間、港龍（山美出口）-洪瀨區間，其中蓬壺-長廳橋區間的主要污染物為NH3-N，其全年均存在水質超標和排放強度較大等問題，應該予以重點關注；其他各關鍵源區往往針對特定污染物和特定時段，在治理中應因地制宜采取措施.

圖6 各斷面區間（集水區）典型污染物負荷占比與面積占比的比值Fig.6 The ratio of pollutant load contribution to watershed area proportion derived from different section intervals to Jinjiang River Basin

3 結論

3.1 針對晉江流域實際，選取CODMn、NH3-N、TP等典型污染物指標，提出采用水文、水質監測資料計算不同水期典型污染物輸出負荷的方法，以及基于污染物濃度和負荷相結合的污染關鍵源區識別方法，為河流型飲用水源地保護及流域水質安全保障提供依據.

3.2 豐、枯水期東、西溪的下游（洪瀨和園美至金雞）對金雞斷面CODMn、TP輸出負荷貢獻較大，占28%～45%，而東溪（洪瀨以上）和西溪（園美以上）貢獻基本相當.平水期東、西溪下游對金雞斷面污染負荷的貢獻減小，且西溪（園美以上）污染貢獻總體顯著大于東溪.

3.3 晉江流域污染關鍵源區為蓬壺-長廳橋區間、長廳橋-港龍區間、橫口-園美區間、港龍（山美出口）-洪瀨區間、洪瀨園美-金雞區間，其中蓬壺-長廳橋區間NH3-N全年超標且污染物排放強度較高，因此在晉江飲用水源地保護中應予以重點關注.

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Spatial distribution of pollution load and critical source area identification in the Jinjiang River Basin.

MA Lan1，2*， TENG Yan-guo2， LIN Xue-yu2， WANG Jin-sheng2（1.Key Laboratory of Soil and Water Conservation， State Forestry Administration， College of Soil and Water Conservation， Beijing Forestry University， Beijing 100083，China；2.College of Water Sciences， Beijing Normal University， Beijing 100875， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3679～3688

Based on the monitoring data on water quantity and quality at different river cross sections， a procedure on calculating the spatial distribution of pollutant loads was suggested. A method for identifying critical source area based on the relationship between pollutant loads and catchment areas in sub-areas was further proposed. The procedure and method had been taken into practice in the Jinjiang River Basin， an important drinking water source area. The results showed that the output pollutant loads of the Jinjiang River Basin （Jinji water intake section） mainly derived from East stream （EStm） and West stream （WStm）. In low river flow periods， the output pollutant loads of CODMn， NH3-N（ammonia nitrogen） and TP （total phosphorus） were 226.8， 27.1 and 17.1g/s， which accounted for 18%～67% of high and normal flow periods. In high and low flow periods， EStm （Honglai section above） and WStm （Yuanmei section above） had almost same contribution in pollutant loads to the total outputs， but in normal flow period WStm generated significantly greater pollutant loads than EStm. Five critical source areas were indentified using the above method， including Penghu-Changtingqiao， Changtingqiao-Ganglong and Hengkou-Yuanmei section， etc. The identification method can not only mirror spatial distribution of pollutant concentrations and loads， but also define key pollutants and sensitive flow periods， which is beneficial to pollution control. The proposed procedure and method in this paper can be widely used in the other river basins in China.

pollution load；key pollution source area；spatial distribution；identification method；the Jinjiang River Basin

X522

A

1000-6923（2015）12-3679-10

馬 嵐（1981-），女，陜西寧強人，講師，博士，主要從事水環境保護研究.發表論文10余篇.

2015-06-09

國家自然科學基金資助項目（51309007）；國家水體污染控制與治理科技重大專項課題（2009ZX07419-003）

* 責任作者， 講師， mlpcz@sina.com