基于輸出系數模型的云南洱海流域農業非點源污染研究

張 辰， 陸建忠*， 陳曉玲，2

(1.武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室， 武漢 430029；2.江西師范大學 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室， 南昌 330022)

基于輸出系數模型的云南洱海流域農業非點源污染研究

張 辰1， 陸建忠1*， 陳曉玲1，2

(1.武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室， 武漢 430029；2.江西師范大學 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室， 南昌 330022)

以洱海流域北部羅時江、彌苴河、永安江3個子流域作為實驗區，利用輸出系數模型對子流域內農業非點源氮、磷污染進行估算，結合羅時江、彌苴河、永安江水質監測數據，對模型輸出系數進行率定和驗證，得到一組適用于洱海流域農業非點源污染估算的輸出系數.利用該組輸出系數，對洱海流域范圍內農業非點源氮、磷污染負荷進行估算.研究表明：氮、磷污染空間分布具有一致性，鄉鎮污染輸出于地域分布中呈現出“南北高中間低”的趨勢.不同非點源氮污染貢獻率依次為大牲畜養殖>農村生活排放>種植業>生豬養殖，不同非點源磷污染貢獻率依次為種植業>農村生活排放>生豬養殖>大牲畜養殖.

輸出系數模型； 農業非點源污染； 洱海流域； TN； TP

在農業發達地區，農業活動排放的氮、磷是區域內非點源氮、磷污染的主要來源.農業非點源污染具有空間尺度大、時間跨度大、過程復雜且難以控制的特點，基于物理原理的建模困難較大、要求條件較高，且一般只適用于該區域[1].輸出系數模型對農業非點源污染產匯輸移的過程進行了黑箱式的處理，規避了其過程的復雜性與隨機性，運算簡便，所需參數少，且能保證一定的精度[2].20世紀70年代初期，美國、加拿大在研究土地利用-營養負荷-湖泊富營養化關系的過程中，首次提出并應用了輸出系數法.英國學者Johnes于1996年對輸出系數法進行了優化，將模型進一步細分為土地利用、牲畜養殖、人口等項，并考慮了空氣沉降等因素，提高了模型應用的可靠性[3].蔡明等考慮了流域內污染物輸移的損失及降雨的影響，引入了流域損失系數及降雨影響系數，使模型機理更明確，模擬更符合實際[4].丁曉雯等在此基礎上，進一步考慮了地形的影響，引入了地形影響因子，模型在大尺度流域的模擬精度得到明顯提高[5].

云南洱海流域農業活動顯著，農業非點源污染呈現出日益嚴重的趨勢.本研究基于輸出系數模型，考慮入河系數，利用子流域實測數據進行輸出系數的率定，以期得到適用于整個流域的輸出系數.在此基礎上，對全流域的氮、磷污染負荷進行估算，并進行污染源類別及空間分布的分析，為云南洱海流域農業非點源污染估算提供參考方法，并對污染控制提供技術支持.

1研究區域及數據

1.1研究區域概況

洱海位于云南省大理白族自治州境內，地跨洱源縣、大理市兩縣市，流域面積約2 565 km2，其中湖泊面積約249.4 km2.流域北部有羅時江、彌苴河、永安江等3條江河匯入洱海，東部有海潮河、玉龍溪等注入，西部則有蒼山十八溪流入，南部接納波羅江來水.其中，北部羅時江、彌苴河、永安江三條江河入湖量之和占洱海地表徑流入湖總量的50%[6]，且該三條江河流域內農業活動顯著，農田用水、居民生活污水等多以地表徑流的方式排入河道.洱海流域為小流域區域，羅時江、彌苴河、永安江3個子流域率定得到的輸出系數同樣適用于整個流域范圍[7].洱海流域水系及水質監測站點如圖1所示．

圖1 洱海流域水系及水質監測站點示意圖Fig.1 Schematic diagram of water system and water quality monitoring stations in Lake Earhai watershed

1.2數據準備

本研究中用到的數據包括2010年洱海流域社會經濟普查數據中的畜禽養殖及人口數據、行政村空間分布數據、洱海流域水文水系數據、洱海流域地形數據(DEM，Digital Elevation Model，數字高程模型)及羅時江、彌苴河、永安江等3條江河水質監測數據.

研究中利用洱海流域內各行政村空間分布數據(經緯度坐標)、洱海水系數據及洱海流域DEM，進行羅時江、彌苴河、永安江3條江河子流域的范圍劃分，及各行政村子流域歸屬的劃分.

2研究方法

2.1模型原理

輸出系數模型是一種基于統計學的線性數學模型，模型僅考慮應用對象中的輸入量及輸出量，而對復雜的中間過程不予考慮.輸出系數模型的一般表達式為：

(1)

式中，Li為污染物i在該研究區域的總負荷量；Eij為污染物i在第j種土地利用或牲畜、人口中的輸出系數；Aj為第j種土地利用類型的面積或牲畜、人口數量；P為由降雨輸入的污染物負荷量.

研究中進一步考慮入河系數的影響，入河系數是指流域出口斷面非點源污染負荷實測值與流域非點源污染實際輸出量之比，表征了非點源污染物輸移過程中的損失程度.由于目前洱海流域缺乏入湖系數的相關監測實驗，因此通過參考相似區域研究成果以確定入河系數[8-9]，其數值如表1所示.

表1 洱海流域非點源污染入河系數

因此，對上述模型修正為：

(2)

式中，λj為第j種土地利用或牲畜、人口等的入河系數，其余各量的意義未變.

2.2輸出系數的確定

輸出系數模型規避復雜的物理過程而著重考慮經驗統計規律，因此確定合理輸出系數顯得尤為重要.就國內該模型的應用研究而言，主要有3種方法確定輸出系數：查閱文獻法、野外監測法及數學統計的方法[10].研究中采用查閱文獻的方法，選取與研究區域自然、地理、人文等條件相似的云南滇池、四川、重慶等區域已有研究成果，作為輸出系數選取的初始條件及率定范圍，然后通過比較模擬值與實測值，調整輸出系數，對羅時江、彌苴河、永安江三個子流域進行綜合分析對比，規避某一子流域模擬值與實測值誤差過大的情況，以選取一組較適用于整個研究區域范圍內的輸出系數.此外，參考《第一次全國污染普查畜禽養殖業源產排污系數手冊》及朱建春[11]等研究結果，確定大牲畜、豬、羊、家禽的輸出系數值(相同單位條件下)依次遞減，并以此作為輔助率定條件.相應的資料及率定結果如表2所示.

將文獻[14-15]、[18]中模型模擬結果與率定結果進行對比(見表5、表6)，結果表明：永安江子流域誤差均較大，這與子流域劃分及基礎數據采集有關；系數率定對模型于各子流域應用起到了一定的平差作用，使輸出系數更適用于整個流域范圍，規避了模型應用過程中于某處誤差較小而另一處誤差相對較大情況的發生.通過模型運用發現，輸出系數模型參數少且意義簡單[20]，模型運算快速，可作為一種有效處理農業非點源污染研究的方法.但由于各輸出系數物理意義的欠缺，為了保證模型應用的穩定性，系數率定顯得尤為必要.

表2 相關流域TN輸出系數取值

表3 相關流域TP輸出系數取值

表4 率定后農業源污染輸出系數表

表5 小流域TN率定前后結果比較

表6 小流域TP率定前后結果比較

3結果與討論

確定洱海流域輸出系數后，可對洱海流域內各鄉鎮農業非點源污染負荷進行估算.結果表明，對入湖TN貢獻較大的鄉鎮分別為三營鎮、茈碧湖鎮、右所鎮、上關鎮、喜洲鎮、鳳羽鎮及鳳儀鎮，依次為73.19、70.51、63.58、45.88、42.49、40.48及37.45t/a.對入湖TP貢獻較大的鄉鎮分別為三營鎮、茈碧湖鎮、右所鎮、喜洲鎮、鳳儀鎮、鳳羽鎮及上關鎮，依次為8.07、6.90、6.32、5.33、4.87、4.86t/a.就鄉鎮空間分布而言(見圖2)，上述農業非點源污染貢獻較大的鄉鎮多集中在流域北部及南部地區，這與該區域農業活動發達，而中部地區旅游業發達的實際相一致.

研究表明(見圖3)，大牲畜養殖、農村生活排放、水田旱地種植、生豬養殖對流域農業非點源氮污染排放貢獻較大并依次遞減，輸出量依次為243.89、150.23、114.50、40.39t/a，對農業非點源污染輸出的貢獻比依次為：44.07%、27.14%、20.69%、7.30%.水田旱地種植、農村生活排放、生豬養殖、大牲畜養殖對流域農業非點源磷污染排放貢獻較大并依次遞減，輸出量依次為27.87、18.03、7.64、7.31t/a，對農業非點源污染輸出的貢獻比依次為：44.77%、28.96%、12.27%、11.74%.因此，對各鄉鎮農業污染源研究中，主要對農村生活、水田旱地種植、大牲畜養殖及生豬養殖進行分析對比.

圖2 洱海流域各鄉鎮入湖TN、TP量(2010)Fig.2 Agricultural TN and TP contribution of every administrative village in Lake Erhai watershed(2010)

圖3 洱海流域內主要農業污染源貢獻示意圖Fig.3 Schematic diagram of the main agricultural pollution sources in Lake Erhai watershed

對洱海流域各鄉鎮農業非點源氮污染來源研究發現(見圖4)，大牲畜養殖對各鄉鎮農業非點源氮污染貢獻均較為突出，鄧川鎮、上關鎮、茈碧湖鎮大牲畜養殖對各自鄉鎮氮排放的貢獻比依次達到60.24%、56.15%、55.74%，銀橋鎮、挖色鎮、大理鎮大牲畜養殖貢獻相對降低，但對本鄉鎮氮排放的貢獻也依次達到24.98%、23.21%、15.36%.大牲畜養殖對氮排放貢獻較大的鄉鎮多集中在流域北部，環洱海各鄉鎮中農村生活貢獻則較大，其中，大理鎮、鳳儀鎮、喜洲鎮、銀橋鎮、挖色鎮、灣橋鎮農村生活排放占本鄉鎮氮排放的比例依次為：52.92%、42.65%、40.13%、37.49%、37.33%、34.71%，這與該區域旅游業較發達且有關，與翟玥等[21]研究成果一致.就種植業而言，水田種植對洱海西部灣橋鎮、銀橋鎮、大理鎮影響最大，其貢獻占本鄉鎮氮排放的比例依次為25.09%、23.77%、20.82%，這與該區域河網分布密集有關.流域內整體而言，旱地種植對各鄉鎮農業非點源氮污染影響均較小，就其空間分布，洱海流域北部各鄉鎮的影響大于洱海流域中部及南部各鄉鎮.生豬養殖的影響主要見于洱海流域東部各鄉鎮，挖色鎮、海東鎮生豬養殖貢獻比最大，依次為18.75%、13.29%，這與該鄉鎮形成仔豬養殖示范區[22]有一定的關系.

圖4 洱海流域各鄉鎮農業非點源氮污染源貢獻比Fig.4 Contribution ratio of agricultural NPS source Nitrogen pollution sources in Lake Erhai watershed

與洱海流域農業非點源氮污染相比，種植業對磷污染的貢獻明顯增加(見圖5)，其中，三營鎮、鳳羽鎮、牛街鄉種植業的貢獻比可分別達到58.22%、54.11%、52.78%，雙廊鎮、挖色鎮、上關鎮種植業貢獻比相對較低，但也依次達到了34.31%、34.16%、32.56%.農村生活磷排放僅次于種植業，同樣呈現出一定的環洱海分布的趨勢，其中，大理鎮、鳳儀鎮、喜洲鎮、挖色鎮、上關鎮、海東鎮、雙廊鎮、灣橋鎮農村生活磷排放的貢獻均達到了30%以上.大牲畜養殖與生豬養殖磷排放的空間分布與氮排放呈現出一定的一致性，但大牲畜養殖磷排放貢獻比呈現出較大的下降趨勢.

對氮排放而言，大牲畜養殖單位輸出系數較大.參考大理市年鑒[23]及朱婷[22]等研究成果，大理市2010年牧業、種植業產值占農業總產值的54.54%、40.52%，說明該區域畜牧業較發達，這與研究結果中大牲畜養殖等的貢獻較種植業大相一致.磷排放而言，參考單位輸出系數及農業產值貢獻，一定程度上驗證了種植業貢獻較大的研究結果.

圖5 洱海流域各鄉鎮農業非點源磷污染源貢獻比Fig.5 Contribution ratio of agricultural NPS source Phosphorus pollution sources in Lake Erhai watershed

4結論

輸出系數模型作為一種經驗模型，很難找到一組大范圍適用的輸出系數，因此，在總結已有研究成果的基礎上，對輸出系數進行率定是一項非常必要的工作.本文以模型模擬值與實測值的相對誤差作為率定基礎，并加入了一些先驗知識作為輔助率定條件，得到了一組適用于洱海流域的輸出系數，并對洱海流域農業非點源氮、磷污染進行研究，得出如下結論.

洱海流域農業非點源氮、磷污染中，就TN、TP而言，其空間分布呈現出高度相關性，其中，TN量：三營鎮>茈碧湖鎮>右所鎮>上關鎮>喜洲鎮>鳳羽鎮>鳳儀鎮，TP量：三營鎮>茈碧湖鎮>右所鎮>喜洲鎮>鳳儀鎮>鳳羽鎮>上關鎮，呈現出洱海流域各鄉鎮“南北各高而中間低”的趨勢，這與洱海流域各鄉鎮的經濟結構有關.

對洱海流域農業非點源氮污染而言，大牲畜養殖貢獻顯著，尤以流域北部各鄉鎮為甚.沿洱海各鄉鎮，農村生活貢獻則明顯高于流域內其他鄉鎮.水田、旱地種植貢獻低于前兩者貢獻，但灣橋鎮、銀橋鎮、大理鎮水田種植貢獻均較高，與該區域河網密布、種植業發達有關.生豬養殖貢獻較高鄉鎮多集中于環洱海區域，尤以挖色鎮、海東鎮為甚，這與該區域形成種豬養殖示范區有關.

對洱海流域農業非點源磷污染而言，種植業影響最大，農村生活次之，牲畜養殖貢獻則明顯下降，但其空間分布與氮污染有較高的相關性.

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Study of pollution from agricultural non-point sources in LakeErhai watershed in Yunnan Province based on export coefficient model

ZHANG Chen1， LU Jianzhong1， CHEN Xiaoling1,2

(1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079;2. Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research of Ministry of Education，Jiangxi Normal University，Nanchang 330022)

The sub-watershed of Lake Erhai watershed, including Luoshijing, Mijvhe and Yonganjing, which are located in the north area, are served as the experimental area. The export coefficient is utilized to calculate the total nitrogen(TN) and total phosphorus(TP) loads from agricultural non-point sources(NPS) of this experimental area. The export coefficients of this model are calibrated and validated with the water quality monitoring data of the experimental area, aiming to get the export coefficients that could be used in the whole area of Lake Erhai watershed more effectively. The TN and TP loads from agricultural non-point sources of the whole Erhai watershed is calculated by the export coefficients. Our results suggest that the pollution from nitrogen and phosphorus have a high correlation, and their spatial distributions show the trend that the north and south of this area contribute more than the middle area. For TN loads, the magnitude order of the contribution was as follows: cattle breeding> rural life> farming> pig breeding. For TP loads, the magnitude order of the contribution was as follows: farming> rural life> pig breeding> cattle breeding.

export coefficient model; agriculture non-point source pollution; lake Erhai watershed; total nitrogen (TN); total phosphorus (TP)

2016-09-01.

國家科技重大專項項目(2013ZX07105-005);國家自然科學基金項目(41301366);江西省重大生態安全問題監控協同創新中心專項項目(JXS-EW-08);測繪地理信息公益性行業科研專項項目(201512026);測繪遙感信息工程國家重點實驗室專項科研經費項目.

1000-1190(2017)01-0108-07

X501;X508

A

*通訊聯系人.E-mail:lujzhong@whu.edu.cn.