海島非點源污染負荷估算方法研究

麻德明，彭 文，池 源，石洪華，李正光，劉曉環（.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島6600；.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 6606；.青島市第六人民醫院，山東 青島 660；4.國家深海基地管理中心，山東 青島 667）

海島非點源污染負荷估算方法研究

麻德明1,2*，彭 文3，池 源2，石洪華2，李正光1,4，劉曉環1（1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島266100；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.青島市第六人民醫院，山東 青島 266033；4.國家深海基地管理中心，山東 青島 266237）

基于流域單元思想，提出一種非點源污染負荷估算方法:借助GⅠS提取模擬河網，識別流域邊界，并劃分匯水區和子流域，為流域非點源污染的估算提供基礎的數據平臺.在此基礎上，與土地利用專題圖疊加，計算各子流域內不同土地利用類型的面積，構建非點源負荷系統，利用各污染排放系數和入海系數，結合多年的降雨量，并引入坡度因子作為限制條件，估算污染負荷總量.結果顯示，南長山島非點源全氮、全磷年負荷量分別為11539kg和2025kg.氮污染中，各污染源強的貢獻率依次為居民生活＞大氣沉降＞土地利用＞畜禽養殖；磷污染中，各污染源強的貢獻率依次為居民生活＞土地利用＞大氣沉降＞畜禽養殖.基于此，探討海島地區非點源污染排放特征及對水環境質量影響，可為海島地區污染物總量調控和環境健康發展提供一種技術方法.

匯水區；排放系數；入海系數；污染負荷

海島與外界相對隔離，形成了以農業占主導的產業模式，海島地區農業非點源污染將是一個長期面臨的問題；另一方面，隨著海島被大規模的開發利用，非點源污染問題日益加劇.《全國海島保護規劃》明確要求防治海島污染，制定海島主要水污染物減排規劃和固體廢棄物污染防治規劃，防止污染海島淡水和海水資源，增強海島居民海洋環境保護意識.因此，開展海島非點源污染負荷估算研究，探討海島地區非點源污染排放特征及對水環境質量影響，有助于識別非點源污染的關鍵源區和非點源污染控制優化措施，對于海島地區污染物總量調控和環境健康發展具有重要的現實和理論指導意義.

1 非點源污染負荷估算方法

由于非點源污染問題的復雜性及監測的成本和難度，直接計算污染負荷量困難較大，模型方法逐漸發展成為相關研究的主要工具，20世紀70年代以來，美國通過在北美地區開展的一系列的研究，研發了包括輸出系數模型、機理模型等在內的一系列估算方法［1］.隨后，該領域的研究在世界各國引起廣泛關注，學者相繼開展相關研究，并取得了豐碩的成果［2-17］.目前常用的污染負荷計算方法可以歸納為以下4種：相減法、輸出系數法、統計分析法和機理模型.在國內基本直接引用國外的成熟計算方法或者結合國內實際情況在原有模型基礎上加以改進進行應用，也有建立在大量監測數據資料基礎上提出的諸如平均濃度法、降雨量差值法［9,18］等其它方法.

以上這些方法對數據資料要求和適用范圍的差異，導致他們優缺點各異，相減法不同學者存在對點源與非點源定義的認同點而影響估算結果［16］；統計分析法受限于長期連續同步監測數據匱乏；而機理模型法由于非點源污染產生機制尚不明確，除了對數據、資料要求高外， 模型參數眾多，參數的率定、模型的校準和驗證非常困難，僅參考國外研究者的研究結果確定參數，將會導致結果嚴重失真；輸出系數法簡化了非點源污染形成的復雜過程，大大降低了對監測數據的依賴性，比較適合數據資料相對缺乏的地區，由于一些不確定的自然和人為因素影響，該方法在平原流域河網地區的推廣也受到不同程度的限制.由于計算方法大部分是由發達國家開發的，模型參數和機理并不一定完全適合于我國的區域［19］，此外，各模型的結構不盡相同，對不同時間尺度的適應性、水文學過程的模擬能力、不同類型污染負荷的計算能力以及污染物運移過程的描述等方面的性能也不盡相同［20］.因此，在實際非點源污染估算中，應根據研究區域特征，結合模型自身結構特點和數據資料選擇適合的模型方法.

2 海島非點源污染模型構建

2.1 海島非點源污染負荷估算難點

非點源污染具有隨機性、時空差異性、潛伏性和滯后性等特點，其地理邊界和位置難以準確的識別和確定，加上涉及范圍廣、影響因素及作用過程復雜多樣，對它的形成機理尚不清楚.

海島作為一個獨立的水文單元，環境容量低，集雨面積有限，難以形成較大的水系，地表徑流大都直接入海［21-23］.另一方面，海島匯流規律的特殊性，歷史統計資料和實測數據相對缺乏，計算結果也難以直接檢驗.這些理論、技術上的困難使得海島非點源污染負荷計算成為非點源污染研究中的難點.因此，本研究基于流域單元思想，采用溯源追蹤的方法，基于陸海統籌的理念，在輸出系數模型的基礎上，提出一種模擬出水口和河網的非點源污染負荷估算方法.

2.2 海島非點源污染源強識別

本研究只考慮岸線以上島體部分產污量，暫不考慮海源的海水養殖和船舶污染.根據現場調查，海島非點源主要包括不同的土地利用、農村居民生活、畜禽養殖和大氣沉降等，其污染物主要隨河流或降雨入海.

2.3 污染物指標選取

根據國家水污染控制指標，結合海島非點源污染的主要來源和對水環境影響程度以及排污系數的可獲取性，選取總氮（TN）、總磷（TP）2種作為估算的污染物指標.

2.4 建模思路

鑒于海島區域缺少監測資料，而且無常年河水徑流，本研究探索基于輸出系數法開展海島非點源污染估算方法研究，基于流域思想，利用GⅠS技術，通過模擬河流入海口進而劃分匯水區和子流域，分別計算每個子流域內的污染負荷量，在輸出系數模型基礎上，根據地形特征，引入地形因子進行約束，同時考慮到不同源產生的污染物進入到海中量的差異性，增加了入海系數，并把大氣沉降耦合到負荷估算模型中，綜合分析各污染源所產生的非點源污染中TN和TP污染負荷的流域分配情況.

2.5 負荷模型構建

針對早期輸出系數模型的不足，許多學者進行了改進和發展，最具代表性的是英國學者Johns［4］在1996年評價與管理土地利用變化對氮磷負荷的影響提出的比較成熟和完備的改進輸出系數模型.模型在考慮不同土地利用類型的基礎上，結合居民產生的非點源污染物狀況、畜禽的數量和分布來確定不同污染源的輸出系數.同時，模型在對總氮進行估算時還考慮了植物固氮、氮的空氣沉降等因素，豐富了模型的內容，提高了對土地利用類型發生變化的估算精度［29］.模型的表達式為：

式中：L代表營養鹽的流失量；Ei是第i種營養鹽輸出系數；Ai是匯水區內第i種土地利用類型的面積，或者是畜禽數量或者是居民人數；Ii是第i種營養鹽輸入源量；p是大氣沉降產生的營養鹽.

海島非點源污染負荷估算模型是建立在Johns提出改進的輸出系數模型的基礎上，考慮的非點源強包括不同土地利用類型、居民生活、畜禽養殖和大氣沉降.

2.5.1 土地利用非點源負荷 把海島土地利用類型劃分為：耕地、林地、草地、建設用地和其他用地5種類型.根據劃分的子流域，分別計算每一個子流域不同土地利用類型產生的非點源負荷：

式中：Wj為土地利用類型產生污染負荷量（包括TN和TP，j=1或j=2，下同），Wij為匯水區內第i個子流域第j種污染負荷量，Sm為第m種土地利用類型的面積；Kjm為第m種土地利用類型對應第j種污染物的排污系數；Si為第i個子流域地形因子；Ljm為第m種土地利用類型對應第j種污染物的入海系數；

2.5.2 居民生活

式中：Pj為居民生活第j種污染年輸出量；Num區域內人口數量；Fj是每人每年第j種污染物排污系數；Qj為第j種污染物入海系數.

2.5.3 畜禽養殖

式中：Rj為畜禽養殖第j種污染物年輸出量；NOe區域內第e種畜禽數量（包括牛、羊、豬、雞鴨等家禽）；Cje是每種畜禽第j種污染物每年排污系數；Dje為第j種污染物入海系數.

2.5.4 大氣沉降

式中：Ij為大氣沉降產生第j種污染物負荷量；Iij為第i個子流域第j種污染物負荷量；Ai為第i個子流域面積；Uj為第j種污染源強大氣沉降系數；Si為第i個子流域地形因子；Tj為第j種大氣沉降所產生污染物入海系數.

以上4種源強耦合成海島非點源污染負荷估算模型為：

式中：Yj是海島第j種污染物的總負荷量；Wj為土地利用產生的第j種污染物負荷量；Pj為居民生活產生的第j種污染物負荷量；Rj為畜禽養殖產生的第j種污染物負荷量；Ij為大氣沉降產生的第j種污染物負荷量.由于海島上居民和所飼養的畜禽相對比較分散，很難剝離并單獨分配到每個子流域中，故居民生活和畜禽養殖通過數量統計平均分配到所占土地單元中，而且暫不考慮增加地形因子進行約束.

3 應用實例

3.1 研究區概況

長島又稱廟島群島，位于膠東半島和遼東半島之間，黃渤海交匯處，地處環渤海經濟圈的連接帶，島群區屬亞洲東部季風區，具有大陸性和海洋性氣候特點，夏半年多偏南風，冬半年多偏北風，年平均氣溫12.1℃，年平均降水量為537.1mm.南長山島位于廟島群島的最南部，長7.35km，寬3.85km，海島面積13多km2，距大陸最近距離為6.7km［24］.島上由于沒有河流分布，地表水稀缺，降水補給是主要來源，加上海島山勢坡度較大、蓄水能力差，雨后地表徑流直接進入海洋，居民生活用水主要依靠地下水，整個群島地下水資源總最為344萬m3，實際可利用水量為131萬m3，人均占有水資源量為山東省最低水平［25-26］.

3.2 模擬匯流河網和入海口

由于南長山島較小，島陸無河網水系，故非點源污染隨降雨入海，根據降水從高處流向低處入海原理，基于DEM數據，借助GⅠS空間分析功能，模擬出匯流河網和入海口.

圖1 模擬匯流河網和入海口Fig.1 Model simulation area of the confluence of river network and estuary

從DEM中自動提取流域自然水系是基于水是沿斜坡最陡方向流動的原理，依據DEM中數據點之間的高程差來確定水流方向，然后根據水流方向計算每一個數據點的上游集水區；再利用集水區內部和集水區之間的高程數據，通過設置閾值提取所屬水系的高程數據點；最后，基于水流方向數據，從源頭追溯出整個水系，同時劃分子流域，建立河網空間拓撲關系及編碼.

3.3 匯水區及子流域劃分

圖2 各子流域Fig.2 Distribution of Sub-watershed

圖3 坡度因子分布Fig.3 Spatial distribution of slope factor

遵循“先大后小，逐步遞進”原則，按地形的分水線，從規則格網DEM提取匯水區域的方法.采用水系地表徑流漫流模型，即借助ArcGⅠS軟件中的ArcHydro水文分析模塊，先填洼，然后根據計算的水流方向和累積流量提取整個DEM區域內河流的匯水網絡，再按照不同的需要劃分各子流域，完成對流域地形分割及矢量化，并統計各流域匯水區面積.

地形坡度通過對降雨形成的徑流的流量和流速產生影響，從而控制TN和TP污染物的入海量.基于GⅠS對南長山島的DEM數據計算獲得整個區域的坡度因子分布（范圍0°～50.3394°），在此基礎上，統計分析獲取每個子流域的平均坡度.

表1 南長山島各子流域面積Table 1 The area of different sub-watershedson NanChangShan Island

3.4 排污系數和入海系數確定

排污系數反映了研究區域的獨特條件，直接決定了污染負荷總量估算精度的高低，利用已有文獻值存在著不確定性，因此，在對已有的成果系數進行仔細甄別、遴選和綜合分析的基礎上，確定適合本研究區域的排污系數.不同土地利用類型排污系數依據應蘭蘭等匯總不同學者研究成果的范圍值［27-35］，并結合研究區域的實際情況和特征條件，確定排污系數值；居民生活部分排污系數參照《全國水環境容量核定技術指南》提供的系數［36］；畜禽飼養用地內各畜禽種類排污系統采用國家環保總局環發［2004］43號文件《關于減免家禽業排污費等有關問題的通知》中推薦的排污系數；大氣沉降的輸出系數根據Liu等［37］和宋歡歡等［38］的相關研究，并根據所在區域進行適當調整.TN和TP的排污系數見表2.

海島非點源污染是一定時期內，由降雨形成的地表徑流攜帶入海，要估算負荷入海量，需要確定入海系數.入海系數一般需要長期降雨時的同步監測獲得，由于南長山島缺少相關的資料，本研究利用已有的研究成果［39-44］，作為南長山島非點源污染入海系數（表3）.

表2 排污系數Table 2 Emission coefficients of different land use

表3 入海系數（%）Table 3 Into the sea coefficients （%）

3.5 負荷總量估算及分析

利用Landsat8 30m分辨率遙感影像進行解譯獲取南長山島土地利用分布圖，為了便于對非點源污染負荷估算，把商服用地、工礦倉儲用地、公共管理與公共服務用地、交通運輸用地、住宅用地土地類型合并為建設用地來處理.經過疊加分析，分別計算10個子流域內不同土地利用類型面積（表4）.

根據山東省長島縣國民經濟統計資料和長島年鑒，截止2010年底，南長山鎮居民人口6123人，牛、羊55頭，豬103頭，雞、鴨5250只.

把上述已知數據代入非點源污染負荷估算模型，分別計算出各子流域不同源強產生的TN和TP總量（表5）.

圖4 南長山島土地利用分布Fig.4 Spatial distribution of land use on Nanchangshan Island

由于地形對污染負荷隨降雨徑流的影響較大，本研究把坡度因子作為地形影響權重對負荷總量進行約束，利用已有的研究成果［45］，坡度因子系數可定義為：

式中：L污染負荷量；m和n都為系數常量；β為研究區空間單元的坡度；θ為整個區域的平均坡度.利用文獻［35，46-47］中已有的數據可以得到n的值為0.6104，研究區的平均坡度為8.88°，由前面坡度值計算可得各子流域的坡度因子系數（表1）.

基于入海系數和坡度因子系數，分別計算各子流域的污染負荷量，因居民和畜禽養殖無法剝離分配到各子流域，本研究暫不考慮進行地形約束.綜上，最終估算出南長山島非點源污染負荷量.從表6可以看出南長山島全氮年負荷量11539kg，貢獻量從大到小分別為居民生活、大氣沉降、土地利用和畜禽養殖，分別約占46.5%、42.4%、7%、4.1%；全磷年負荷量2025kg，貢獻量從大到小分別為居民生活、土地利用、大氣沉降和畜禽養殖，分別約占53.2%、27%、11.8%、8%.從總體來看，來自居民生活的污染源強的貢獻率最大，無論是全氮還是全磷基本維持在一半左右，而在全氮負荷量中，大氣沉降占據了很大的比例，是個不可忽視的污染源強.

表4 各子流域土地利用類型面積Table 4 Area of different land use types in sub basins

目前沒有見到針對南長山島非點源污染負荷估算的報道，也沒有相應的污染監測資料，估算的結果尚不能與實際的污染總量進行直接的對比來評定本研究的估算精度.因此，為使估算結果更接近實際，本文對海島小區域又進行了精細劃分，以更小的計算單元為基礎，把已有的數據資料進行細粒度劃分，同時利用地形因子加以約束.在排污系數和入海系數選擇上，優先選擇更接近研究區域、且通過大量的監測數據或者實驗得到的排污系數，同時每一類型的排污系數在與已有的研究成果進行對比、甄別與篩選的基礎上最終確定.由于南長山島耕地較少，所以化肥、農藥的使用量相對小，故耕地產生的氮磷偏少，因此不難理解氮磷主要來源于居民生活；已有研究發現黃海西部來自大氣沉降的溶解無機氮和磷分別占大氣與河流總輸入量的58%和75%［48］，在近海海域，大氣沉降可能是海洋中營養鹽的重要來源［49-50］，在中國太湖地區的研究表明，大氣沉降數量不可忽視且已成為該地區氮污染的重要來源［51-52］，本研究的大氣沉降產生的污染負荷占據較大比例與上述學者的研究成果相符合.

表5 各子流域不同源強污染負荷量Table 5 Pollution load of different source in each sub basin

表6 南長山島非點源污染負荷總量Table 6 Total non-point source pollution load onNanchangshan Island

4 結論

4.1 針對海島非點源污染現狀，基于輸出系數模型，耦合了大氣沉降源強，并以南長山島為例，劃分了10個子流域，并對每個子流域進行了地形坡度因子約束，分別估算了TN和TP的年負荷量分別為11539kg和2025kg，不難發現TN年負荷量遠遠大于TP，其中居民生活是最主要的污染源強，其貢獻率約占50%.為減少環境污染，應當加強居民生活污水和垃圾的日常處理，識別海島區域非點源污染的負荷量及其空間分布，為海島管理措施的制定和環境的調控提供依據.

4.2 在氮污染中，大氣沉降貢獻率占到了42.4%，幾乎和居民生活的貢獻相同，在磷污染中，大氣沉降的貢獻率也達到了11.8%，作為海島非點源污染源強的大氣沉降不可忽視，說明大氣沉降應當作為非點源污染估算的重要考慮因素，應及時開展大氣沉降方面的實時監測工作.

4.3 在入海口布設長期觀測站，特別是降雨的時候實時監測入海水質狀況，進行長期動態跟蹤研究；另外，建立入海主要污染物水質模型和預測模型，分析入海污染物的排放特征，特別是非點源排放狀況和海水養殖排放頻率估算，掌握非點源污染物的動態變化情況，逐步實現海島及其周邊海域環境質量的實時監控和預警，是下一步的研究方向.

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Study on estimation method of non-point source pollution load on Island.

MA De-ming1,2*， PENG Wen3， CHI Yuan2，SHI Hong-hua2， LI Zheng-guang1,4， LIU Xiao-huan1（1.College of Environmental Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China；2.The First Institute of Oceanography， State Oceanic Administration，Qingdao 266061， China；3.Qingdao No.6 People's Hospital， Qingdao 266033， China；4.National deepsea center， State Oceanic Administration， Qingdao 266237， China）. China Environmental Science， 2016，36（10）：3150～3158

An estimation method of non-point source （NPS） pollution load based on watershed unit ideas was discussed in this study. Firstly， extracting the river network data， identifying the watershed boundaries， anddividing the catchment and sub basin using GIS were finished. And then， the data from first step weresuperposed with the thematic maps of land use and used to calculate the area of different land use types in each sub basin. Third， the NPS pollutant load system was constructed using the emissionfactor， the coefficient of the sea and years of rainfall. Also， the slope factor was introduced as the limiting condition. At last， the total amount of pollution load was estimated. The results indicated that the total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） loads of Nanchangshan Island from NPS were respectively 11539kg and 2025kg. For TN loads， the magnitude order of the contribution of NPS was as follows: resident life＞atmospheric precipitation＞land use＞livestock. For TP loads， the magnitude order was as follows: resident life＞land use＞atmospheric precipitation＞livestock. Based on this， the characteristics of NPS and its impact on water environment quality in the island area were discussed. And， it could provide a technique method for the total amount of pollutants controland the healthy development of the island environment.

catchments；emission coefficient；into the sea coefficients；pollution load

X321

A

1000-6923（2016）10-3150-09

麻德明（1982-），男，山東膠南人，助理研究員，博士研究生，主要從事環境規劃與管理研究.發表論文10余篇.

2016-02-15

國家海洋局第一海洋研究所基本科研業務費專項基金項目（2014G18）；科技基礎性工作專項（2012FY112500）；海洋公益性行業科研專項（201405028）

* 責任作者， 助理研究員， mdmwolf@fio.org.cn