基于小流域劃分的拉林河流域農業(yè)非點源污染物入河量估算

汪雪格，劉洪超，呂 軍，張 正

(松遼流域水資源保護局 松遼水環(huán)境科學研究所，吉林 長春 130021)

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基于小流域劃分的拉林河流域農業(yè)非點源污染物入河量估算

汪雪格，劉洪超，呂 軍，張 正

(松遼流域水資源保護局 松遼水環(huán)境科學研究所，吉林 長春 130021)

非點源污染；輸出系數模型；子流域劃分；拉林河流域

針對拉林河流域土地利用類型及氣候特點，將輸出系數模型和GIS技術相結合，以小流域為計算單元，對拉林河流域的非點源污染負荷進行了計算。計算結果表明：流域內COD負荷為16 454.83 t/a、TP負荷為668.80 t/a、TN負荷為1 319.08 t/a；灌區(qū)退水對流域內非點源污染負荷的貢獻相對較大，由灌區(qū)退水導致的COD負荷占總量的69.37%、TP負荷占總量的85.33%；子流域2、5、7、15是流域內水土流失非點源污染整治的重點區(qū)域。

1 研究區(qū)概況

拉林河為松花江干流右岸的一級支流，河長450 km，發(fā)源于黑龍江省五常市東南張廣才嶺山脈的老爺嶺，自東南向西北流經黑龍江省的五常市、雙城市、尚志市和吉林省的舒蘭市、榆樹市、扶余市，于哈爾濱市以上150 km處注入松花江。拉林河流域位于東經125°34′～128°34′、北緯44°00′～45°30′，東臨牡丹江流域，北側為螞蟻河、阿什河和松花江干流流域，西南與第二松花江流域為鄰，流域面積19 923 km2。拉林河流域土地肥沃、人口密集，為黑、吉兩省重要的糧食生產基地。流域內土地利用類型有水田、旱田、有林地、灌木林地、疏林地、高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地、鹽堿地、城鎮(zhèn)居住用地、農村居民地和工礦用地等，其中水田和旱田是最主要的土地利用類型。流域內分布有聞名全國的粳稻和優(yōu)質玉米生產基地。近年來，由于大面積開發(fā)水田，灌區(qū)退水量迅速增加，成為拉林河流域農業(yè)面源污染最主要的污染源，嚴重影響了拉林河的水環(huán)境質量。

2 研究方法

借助ArcGIS平臺，以匯水區(qū)為單元劃分子流域，計算每個子流域的農業(yè)面源污染負荷。

2.1 子流域的劃分

基于地表徑流漫流模型，通過模擬地表徑流在地表從高到低的流動來生成水系，即借助ArcGIS軟件中的ArcHydro水文分析模塊，先填洼，再根據坡降確定每個格網的水流方向提取匯流網絡，最終生成匯水區(qū)小流域。利用ArcGIS可以提取不同級別的匯流網絡，對同一流域可以劃分為面積由大到小不同等級的子匯流區(qū)域。

2.2 污染物入河系數的確定

(1)降雨引起的水土流失污染物入河系數。輸出系數法是目前常用的較大尺度非點源污染負荷估算方法，但是這種方法很少考慮對營養(yǎng)物質遷移起決定作用的水文路徑問題和在水循環(huán)過程中營養(yǎng)物的遷移轉化過程，而流域內產生的非點源污染負荷量在隨降雨徑流遷移到流域出口斷面的過程中受到植被截流、泥沙淤積、河流降解等方面因素的影響，最終在流域出口斷面上的非點源污染負荷量將小于整個流域范圍內產生的負荷量。因此，在輸出系數法中引入入河系數，用來反映流域范圍內所產生的非點源污染負荷量遷移至流域出口斷面上的強弱程度。

各土地利用類型污染物的入河量計算公式為

(1)

式中：L為各土地利用類型某種污染物的總入河量，kg/a；Ei為第i種(i=1～4,分別代表耕地、林地、草地和建設用地)土地利用類型某種污染物的輸出系數，kg/(hm2·a)；Ai為第i種土地利用類型的面積，hm2；β為污染物入河比例。

本研究各土地利用類型的輸出系數采用李根[1]的研究成果。入河比例的估算需要較長期的水質和水量同步監(jiān)測，本研究利用麻德明等[2]的研究成果，取值為10%。

(2)灌區(qū)退水污染物入河系數。灌區(qū)退水污染物入河系數可根據用水量、排水量和污染物監(jiān)測結果推算。拉林河流域現(xiàn)狀灌區(qū)有扶余灌區(qū)、拉林灌區(qū)、友誼灌區(qū)、龍鳳山灌區(qū)、磨盤山灌區(qū)和新安灌區(qū)等，還有規(guī)劃中的松卡灌區(qū)、大泥河灌區(qū)和舒東灌區(qū)(現(xiàn)狀為水田)。通過對水田灌溉用水量、排水量進行調查，對灌溉退水量和污染物進行監(jiān)測，估算灌區(qū)退水污染物入河系數，計算公式為

(2)

式中：M為某種污染物的入河系數，kg/(hm2·a)；K為灌溉用水量，m3/(hm2·a)；A為灌區(qū)退水中某種污染物的濃度，mg/L；β為污染物的退水比例，%。計算參數取值見表1。

表1 灌區(qū)退水污染負荷估算參數

3 結果分析

3.1 子流域劃分結果

子流域劃分流程：①DEM數據準備。選擇研究區(qū)標準地形圖分幅的數字高程模型grid 數據，經過投影轉換、拼接、裁切、空白數據填補，得到研究區(qū)數字高程模型grid，大小為 90 m×90 m。 ②填充凹陷點。如果1個單元格四周都是高程更高的單元格，那么這個單元就叫做凹陷點，水會流入單元格且不會流走。為排除此類問題，采用 Arc/info 的 ARC命令，再進入 grid 模塊，使用 Fill 命令進行數字高程模型grid 凹陷點的填充，得到 Hydro-DEM圖層。③確定水流方向。以 Hydro-DEM 作為輸入，計算相應的流向柵格。流向柵格中單元格的數值表示在那個單元格周圍沉降最陡的方向。水文表面分析工具主要采用 Flowdirection 函數，生成水流方向的 grid 數據。④河流積流。Flowaccumulation 函數是用來累加河流網格中每一單元格與位于其上游單元格的積流，大部分單元格數值很小，但也有些單元格位于干流因而累積值非常大。做河流積流的一個重要參數是臨界值，臨界值的作用是控制河流網絡的詳細程度。一般可以根據區(qū)域地形地貌特征、區(qū)域范圍和制圖比例尺等，經試驗確定。最終得到 StreamGrid 數據。⑤河流分割。建立一個可以唯一識別的水流分段網格，在一個特定的流段里的所有單元格都有一樣的網格代碼，得到 StreamLink 數據。⑥劃定流域。創(chuàng)建一個柵格文件，在這個柵格文件中，每一個單元都擁有一個閾值(柵格代碼)，標志著它屬于哪個流域。將柵格文件轉化成一個流域多邊形文件，并對劃分的小流域進行邊界裁剪，最終得到拉林河流域子流域劃分結果，見圖1。

圖1 拉林河流域小流域劃分結果

3.2 非點源污染負荷計算

根據2010年拉林河流域土地利用遙感解譯結果，進一步將旱田劃為耕地，有林地、灌木林地和疏林地劃為林地，高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地、鹽堿地等劃為草地，城鎮(zhèn)居住用地、農村居民地和工礦用地劃為建設用地，測算耕地、林地、草地、建設用地面積，得到拉林河流域各子流域水土流失非點源污染物入河量估算結果，見圖2。依據灌區(qū)退水污染物監(jiān)測數據和灌排水調查結果估算拉林河各子流域灌區(qū)退水污染物入河量，見圖2。水土流失和灌區(qū)退水污染物入河量對比結果，見圖3。

圖2 各子流域不同污染物入河量

各子流域農業(yè)非點源污染中：污染物COD入河量以水土流失污染物為主的子流域包括1、8、16、21、27、29、32、33，其余均以灌區(qū)退水污染物為主；污染物TP入河量以水土流失污染物為主的子流域包括8、32、33，其余均以灌區(qū)退水污染物為主；污染物TN入河量全流域均以水土流失污染物為主。拉林河流域農業(yè)非點源污染中，COD為16 454.83 t/a，TP為668.80 t/a，TN為1 319.08 t/a，其中：對COD、TP貢獻最大的為灌區(qū)退水污染物，分別占69.37%和85.33%；TN中水土流失污染物貢獻最大，占91.56%。子流域2、5、7、15面積較大，農業(yè)面源污染物排放量占整個拉林河流域的55.00%，其中子流域2屬于水土流失和灌區(qū)退水污染并重的區(qū)域，子流域5、7、15則屬于以灌區(qū)退水為主要污染源的區(qū)域。

圖3 拉林河流域水土流失、灌區(qū)退水污染物入河量對比

4 結 論

本研究將輸出系數模型和ArcGIS技術相結合，對

拉林河流域非點源污染負荷進行了計算，并分析了流域內非點源污染的空間分布特征，得出以下結論：

(1)由灌區(qū)退水導致的污染負荷對流域內COD、TP的貢獻較大，其中COD占流域非點源污染負荷總量的69.37%、TP占流域非點源污染負荷總量的85.33%。因此，灌區(qū)退水整治是流域內非點源污染治理的關鍵。

(2)非點源污染空間分布特征的分析結果表明子流域2、5、7、15的非點源污染排放量較大，其非點源污染排放量占流域總量的55.00%，因此它們是流域內水土流失非點源污染整治的重點區(qū)域。

[1] 李根.我國水土流失型非點源污染負荷及其經濟損失評估[J].中國水土保持，2008(2):9-11.

[2] 麻德明,石洪華,豐愛平.基于流域單元的海灣農業(yè)非點源污染負荷估算——以萊州灣為例[J].生態(tài)學報,2014,34(1):173-181.

(責任編輯 李楊楊)

S157.1

A

1000-0941(2016)10-0065-03

汪雪格(1978—)，女，河北新樂市人，高級工程師，博士，主要研究方向為規(guī)劃環(huán)境影響評價。

2016-06-01