基于STELLA和輸出系數法的流域非點源負荷預測及污染控制措施

程 靜,賈天下,歐陽威

(北京師范大學環境學院水環境模擬國家重點實驗室,北京 100875)

基于STELLA和輸出系數法的流域非點源負荷預測及污染控制措施

程 靜,賈天下,歐陽威

(北京師范大學環境學院水環境模擬國家重點實驗室,北京 100875)

以汾河流域為研究對象,綜合考慮非點源污染與農村生活、社會經濟、土地利用之間的因果關系,利用輸出系數法和系統動力學理論建立流域非點源污染的STELLA模型,對汾河流域非點源污染TN負荷進行估算,并提出緩解方案。結果表明,2014年汾河流非點源污染TN負荷為8.961×104t,農村生活污染貢獻最大;當前發展模式無法實現TN負荷的有效控制,至2030年將增長6.83%;強化農村水廢處理和改善土地利用方式對TN負荷有明顯的削減效果,且綜合型發展方案比單一傾向性措施更具現實意義。

非點源污染;STELLA模型;輸出系數法;系統動力學理論;TN負荷;汾河流域

近年來汾河流域點源污染狀況明顯改善[1-2],但不合理的土地利用[3]及粗放型的農業生產方式[4]導致非點源污染日益加劇,以TN的過量排放為重要特征之一。相較于點源污染,非點源污染具有顯著的分散性、潛伏性、隱蔽性、隨機性等特征,防治困難[5-6],且無法改變影響非點源污染的氣候、地形、土壤結構等自然因素[7]。因此,從可控人類活動的角度科學估算、合理預測區域非點源污染負荷,并針對性地提出緩解方案,對有效防控區域非點源污染具有重要意義。

運用模型進行時空模擬是非點源污染量化研究的重要手段[8]。現有的SWAT、HSP、GBNP等分布式模型對資料要求高,參數眾多且率定困難,難以用于汾河流域等大尺度區域的污染負荷估算[9-10]。Johnes等[11]提出的輸出系數法在綜合考慮污染物侵蝕、遷移、轉化的基礎上,利用土地利用狀況等資料即可估算流域污染物輸出量。該方法對缺乏長期水量、水質數據的汾河流域的非點源污染負荷估算有顯著優勢[12-13]。

非點源污染是一個多變量巨系統,既受區域自然地理條件影響,更與人類社會經濟活動高度相關[14],各變量間相互影響,關系復雜。單純的輸出系數法缺乏對人類活動影響、各影響因子間的反饋及污染物動態時變特征的考慮,而系統動力學方法以反饋控制理論為基礎[15],從系統性、動態性角度建立模型,以因果邏輯關系連接變量[16],善于模擬分析非線性、多變量、多重反饋和復雜時變等問題[17],可有效彌補輸出系數法的不足。

筆者以汾河流域為研究對象,以輸出系數法為基礎,綜合考慮非點源污染與農村生活、社會經濟、土地利用之間的因果關系,利用系統動力學理論建立流域非點源污染的STELLA模型,對汾河流域非點源污染TN負荷進行估算,分析可控人類活動影響下流域非點源污染TN負荷的變化趨勢,并結合模型的敏感度分析結果,設計、模擬減緩流域非點源污染的應對方案,以期為汾河流域非點源污染的防治和進一步研究提供參考。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

汾河是黃河第二大支流、山西省內最大河流,流經忻州、太原、晉中、呂梁、臨汾、運城6市。汾河流域地處山西省的中部和西南部,東西寬188 km,南北長412 km,總面積占全省的25.3%,在山西省的經濟社會發展中占有重要地位。汾河流域水系圖和行政區劃圖分別見圖1~2。

汾河流域地處中緯度大陸性季風帶,屬溫帶大陸性季風氣候,光熱資源豐富,農業和畜牧業發展較早,農村生活污水及禽畜糞便排放量大,加之長期不合理的土地利用,導致汾河流域的水土流失和非點源污染問題嚴重。

1.2 輸出系數法

輸出系數法將非點源污染源分為城鎮用地、農村生活、農田、人口、牲畜等幾大類,根據土地利用類型的差異、居民非點源污染物的排放和處理狀況、牲畜的數量和分布,對不同的土地利用和不同牲畜采用不同的輸出系數[11,18]。該方法流域的總負荷量計算公式為

式中:Lj為污染物j在該流域的總負荷量;m為流域中土地利用類型的種類或牲畜、人口數量;Eij為污染物j在流域第i種土地利用類型中的輸出系數或牲畜、人口的輸出系數;Ai為第i種土地利用類型的面積或牲畜、人口數量;P為由降雨輸入的營養物數量。

圖1 汾河流域水系

圖2 流域行政區劃

合理確定輸出系數的取值是準確估算非點源污染負荷的關鍵。參照國內外的相關研究成果[19-22],筆者確定汾河流域非點源污染TN負荷的輸出系數見表1。

1.3 非點源污染系統動力學模型

1.3.1 模型結構分析

構建系統動力學模型的關鍵在于分析系統內部各要素的因果關系和反饋回路[23]。基于汾河流域非點源污染與當地社會、經濟、人口的關系,從人為可控的影響因素出發,將非點源污染TN負荷來源分為土地利用、畜禽養殖和農村居民生活3部分,建立模型的因果關系回路圖見圖3。

表1 汾河流域非點源污染TN負荷輸出系數

圖3 汾河流域TN負荷系統動力學模型因果關系

1.3.2 模型建立及參數率定

模型的空間界限為汾河流域的自然地理邊界,時間界限為2001—2030年,時間步長為1 a。以2000—2013年為驗證期,驗證期所涉參數根據歷年《山西省統計年鑒》、《山西省地級市統計公報》中的歷史數據由多元統計回歸法、線性插值、表函數等方法得到;以2014年為預測期基準年,2015—2030年為預測期,預測期參數參考《山西省土地利用總體規劃(2006—2020)》、《山西省十三五規劃綱要》得到。模型共涉及11個狀態變量,11個速率變量,46個相關參數和決策變量以及8個表函數。汾河流域非點源污染TN負荷的土地利用、農村生活和畜禽養殖3個子模塊分別如圖4~6所示。

在土地利用模塊(圖4)中,以TM(30 m分辨率)遙感影像為數據源,利用GIS和RS軟件得到研究區2000、2005、2010和2013年4期土地利用矢量數據,并將土地利用劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種一級地類,統計結果見表2。利用線性插值方法和STELLA中的表函數功能表示驗證期的土地利用數據。根據《山西省土地利用總體規劃(2006—2020)》取預測期耕地、林地、草地、建設用地和未利用地的年際變化率分別為: -0.20%、0.88%、-0.29%、4.6%、-0.80%。

表2 汾河流域2000、2005、2010、2013年期土地利用面積數據103hm2

圖4 土地利用模塊

在農村生活模塊(圖5)中,受城鎮化影響農村人口年際變化較大,故用總人口和城鎮人口的差值表示。通過對總人口與城鎮人口歷史數據的統計分析,設定其年增長率分別為0.84%、2%。

圖5 農村生活模塊

在畜禽養殖模塊(圖6)中,將排放量分為大牲畜、羊、豬、家禽4部分。驗證期各牲畜數量由表函數表示;結合歷史數據的變化規律與《山西省十三五規劃綱要》中的發展目標,設定預測期大牲畜、羊、豬、家禽數量的年際變化率分別為0.1%、1.2%、2%、1.5%。

1.3.3 模型檢驗

依據2003—2013年《山西省統計年鑒》《山西省地級市統計公報》的數據,選擇農村人口、總人口、大牲畜養殖量、耕地面積、建設用地面積5個關鍵變量進行模型的有效性驗證。表3為農村人口、總人口、大牲畜養殖量的數據對比,表4為耕地面積和建設用地面積的數據對比。由表3~4可知模擬值與歷史數據的相對誤差均在8%以內,系統擬合度較好,該模型對汾河流域非點源污染負荷的模擬具有較高的可信度。

圖6 畜禽養殖模塊

表3 農村人口、總人口、大牲畜養殖量模擬值與歷史數據比較

表4 耕地面積、建設用地面積模擬值與歷史數據比較

由于不同參數對模擬結果的影響程度不同,因此以非點源污染TN負荷為目標變量,利用STELLA軟件中的敏感性分析功能進行關鍵參數的敏感性分析[24],確定預測期對汾河流域非點源污染TN負荷影響較大的因子。綜合考慮政策控制和科學治理兩方面,本文選取了圖7所示的9個參變量進行了敏感性測試。測試時分為3個等級,以率定值為中值(A),上(5A)、下(1/5A)各浮動500%,輸出結果見圖7。

由圖7可知,流域非點源污染TN負荷對城鎮人口、總人口與建設用地面積的增長率變化最為敏感,應是相關部門制定控制政策與進行污染治理時的主要切入點;而對林地面積、大牲畜數量增長率和畜禽養殖污染控制率的變化基本無響應,表明當前狀況下在合理范圍內增種林地或控制畜禽養殖的排污量對有效削減汾河流域非點源污染TN負荷意義不大。

2 方案模擬與分析

2.1 當前狀況模擬

根據表1的輸出系數值與流域統計資料,計算出2014年汾河流域的非點源污染TN負荷量見表5。由表5可見,汾河流域2014年由非點源污染產生的TN負荷量達到8.961×104t,農業生產污染和農村生活污染對非點源污染TN負荷的貢獻率較大,農村生活污染為最大來源。

表5 _汾河流域非點源污染TN負荷量104t

圖7 TN負荷載總量對各變量敏感性分析結果

在STELLA中對汾河流域2001—2030年的非點源污染TN負荷變化情況進行動態模擬,圖8顯示了在當前發展模式下,模擬期內土地利用、農村生活、畜禽養殖的TN的排放量及變化趨勢,圖9進一步揭示了不同土地利用類型的TN排放情況。由圖8可見,不合理的土地利用方式和農村生活排放是汾河流域非點源污染TN負荷的主要來源,且農村生活TN排放量的增長速度更快,是當地非點源污染控制的關鍵。畜禽養殖的TN排放量相對較低,短期內對流域的非點源控制效果無顯著影響,但其增長速度快,在更長的時間尺度內勢必產生較大影響,故在養殖量擴大的同時需加強養殖業規模化建設和禽畜糞便的集中處理,控制該源的TN產生量。

由圖9可知,由于化肥過量使用、污水灌溉、不合理的種植方式、落后的田間環境管理等原因,耕地與林地的TN排放量較高;但隨著耕地面積的不斷減少,其對流域TN負荷的貢獻率逐漸下降。隨著城鎮化的加速發展,建設用地面積不斷擴張,其TN排放量也急劇上升,逐步成為流域TN負荷的主要來源。因此采取有效措施降低建設區的TN排放具有重要意義。

圖8 模擬期汾河流域不同來源的TN排放情況

圖9 模擬期不同土地利用類型的TN排放情況

2.2 方案設計與模擬

基于敏感性分析與當前狀況下的模擬結果,重點考慮改善土地利用方式和控制治理農村生活污染2個方面,選取表6所示的10個決策變量設計4種非點源污染的防控方案并進行對比分析,尋求符合未來社會發展趨勢下的減輕汾河流域非點源污染TN負荷的最佳途徑。

表6 非點源污染防控方案的參數設置

方案1模擬了汾河流域在當前發展趨勢下的非點源TN負荷變化情況。根據《山西省土地利用總體規劃(2006—2020)》《山西省十三五規劃綱要》及相關文獻,設定各決策變量的取值見表6。方案2以控制治理農村生活污染為主,控制農村人口并強化農村的生活垃圾處理與排水系統改造;在土地利用和畜禽養殖方面僅做微小調整。方案3以改善土地利用方式為主,合理調整流域的土地利用結構,將坡度較大的耕地改為林地,并采取科學有效措施降低城鎮建設和農業生產造成的非點源污染。方案4為綜合型發展方案,綜合考慮上述方案的優缺點,以維持社會經濟與生態環境協調發展為核心目標。方案2、3、4在當前發展模式下的調整幅度見表6。

在STELLA中對4種發展方案分別進行模擬,模擬結果見圖10,可見,在當前發展模式下流域非點源污染產生的TN負荷呈明顯上升趨勢,至2030年時TN負荷較2010年增長6.83%,達9.437× 104t,若不加強防控必會加劇當地的水體惡化和生態環境破壞。相較于方案1,另外3種防控方案的TN負荷均有所減少,表明強化農村生活污水、垃圾的集中處理和改善土地利用方式是減輕汾河流域非點源TN負荷的有效途徑。4種方案中綜合型發展方案的TN削減效果最顯著,至2030年時TN負荷較2010年削減了4.35%,該方案下,2030年時的TN排放量比當前發展模式減少了近9 800 t,比方案2和方案3分別減少1785 t和5724 t,表明在建設非點源污染防控項目與制定相關政策時,綜合考慮土地利用與水廢治理比單一傾向的措施更具現實意義。

圖10 不同方案下非點源TN負荷的變化曲線

3 結論與建議

a.本文利用輸出系數法和STELLA模型對汾河流域非點源污染TN負荷動態變化的模擬,結果表明,流域2014年由非點源污染產生的TN負荷量達到8.961×104t,農村生活污染為最大來源,占總量的40.2%;基于當前的發展模式,在未來15年中流域的TN負荷將顯著上升,不合理的土地利用與農村生活污染占有較大比重,畜禽養殖和城鎮化建設占比較小但增長速度明顯。

b.STELLA模型的敏感性分析表明,汾河流域在當前發展狀況下,非點源TN負荷對城鎮人口、總人口與建設用地面積的增長率變化最為敏感;而對林地面積、大牲畜數量增長率和畜禽養殖污染控制率的變化基本無響應。

c.不同非點源污染防控方案在STELLA中的仿真模擬結果表明,當前模式會加劇流域的TN負荷,強化農村生活污水、垃圾的集中處理和改善土地利用方式對TN有明顯的削減效果,而綜合型發展方案比單一傾向的措施更具現實意義。

d.汾河流域在今后發展中應采取綜合性措施,發展水土保持農業技術,強化農村生活固廢與污水管理,減輕農村非點源污染,并通過合理規劃建設用地、推廣透水磚等方式減輕城鎮發展帶來的非點源污染。

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Prediction of non-point source load based on STELLA and export coefficient method and prevention measures

CHENG Jing,JIA Tianxia,OUYANG Wei
(State Key Laboratory of Water Environment Simulation,School of Environment, Beijing Normal University,Beijing 100875,China)

Based on comprehensive analysis of the complex causalities between non-point source pollution and rural livelihoods,social economy,and land use,a STELLA model was built with the export coefficient method and system dynamics theory to simulate and predict the total nitrogen(TN)load from non-point sources in the Fenhe River Basin. The results show that the TN load of the study area was 8.961×104t in 2014,which was mostly attributed to activities related to local rural livelihoods.The current development mode cannot effectively control the pollution and the TN load will increase by 6.83%by 2030.Reinforcing wastewater treatment and encouraging land use types less conducive to non-point source pollution will greatly reduce the TN load,and the comprehensive development solutions are more practical than the simple and biased measures.

non-point source pollution;STELLA model;export coefficient method;system dynamics;total nitrogen load;Fenhe River Basin

X52

A

1004-6933(2017)03- 0074- 08

2016 07-22 編輯:王 芳)

10.3880/ji.ssn.1004-6933.2017.03.014

國家科技支撐計劃(2012BAD15B05)

程靜(1994—),女,本科生,水資源規劃與管理專業。E-mail:503450053@qq.com

歐陽威,副教授。E-mail:wei@bnu.edu.cn