于橋水庫流域污染負荷估算和管理效果評估*

李澤利 周笑白 趙興華 梅鵬蔚# 張 震 王玉秋

(1.天津市環境監測中心，天津 300191；2.南開大學環境科學與工程學院，天津 300071)

于橋水庫流域污染負荷估算和管理效果評估*

李澤利1周笑白1趙興華1梅鵬蔚1#張 震1王玉秋2

(1.天津市環境監測中心，天津 300191；2.南開大學環境科學與工程學院，天津 300071)

于橋水庫流域非點源污染已成為政府高度關注的熱點問題之一。使用非點源污染負荷模型PLOAD，以流域數字高程模型(DEM)、2010年土地利用現狀圖和不同土地利用的污染物輸出系數等作為模型主要輸入數據，結合流域現場調查監測等方式，對于橋水庫流域的TN和TP污染負荷進行估算，分析污染物的空間分布特征，模擬實施不同管理實踐下的流域TN和TP削減率。結果表明，于橋水庫流域內TN和TP污染負荷分別約為223.4、19.5t/a，分布特點為“南部高于北部，河流和水庫沿岸污染較重”。綜合管理實踐對TN和TP的削減率分別為24.49%、27.23%，其中農村人畜糞便管理、生態移民等的去除效果較顯著。

于橋水庫PLOAD非點源污染 管理實踐

Abstract: Non-point source pollution of Yuqiao Reservoir was of great concern to the government. The PLOAD model was employed to estimate the TN and TP loads generated from various land use in the watershed. The datasets included digital elevation model (DEM)，land use data of 2010 and pollutant export coefficient data，which were collected from the literature and field investigation. Several single management practices as well as the combined practice were designed，and their pollution load removal rates were estimated by the model. The results showed that the TN and TP pollution loads of Yuqiao Reservoir watershed were 223.4 and 19.5 t/a，respectively. The pollution load was higher in the southern areas than in the northern areas，and the higher load was distributed around the rivers or the reservoir. The removal rates of the TN and TP pollution loads of the combined management practices reached 24.49% and 27.23%，respectively. Among the single practices，the human and animal manure management in rural areas practice，ecological migrants practice and so on were efficiency.

Keywords: Yuqiao Reservoir; PLOAD; non-point source pollution; management practices

于橋水庫作為“引灤入津輸水工程”的調蓄水庫，自1983年通水至今，已累計向天津市安全供水271.1億m3，不僅保證了城市人民的飲水安全，也極大改善了天津市的投資環境和生態環境，為天津市經濟社會發展做出了重要貢獻。然而，隨著流域內社會經濟的發展，于橋水庫水質不容樂觀，富營養化趨勢明顯[1]。2015年4月，國務院印發了《水污染防治行動計劃》(通稱“水十條”)，明確提出“強化飲用水水源環境保護”、“確保引灤入津等調水工程水質安全”。因此，開展于橋水庫流域污染源分析與水環境管理研究，對于完成“水十條”考核任務，維持天津市的社會穩定和經濟發展，具有重要現實意義。

利用模型進行流域非點源管理已成為國內外通用且有效的手段。近年來，現代計算機及“3S”技術與非點源污染模型結合，涌現了一大批具備空間數據處理、可視化模擬等強大功能的新的非點源污染模型，使其在非點源污染的時空分布、關鍵源區識別以及最佳管理實踐(BMPs)方案制定等方面有廣泛的應用[2]，如水土評估模型SWAT[3]、農業非點源模型AnnAGNPS[4]、流域水環境模擬工具BASIN等[5]。復雜模型對環境問題的描述較精確，但需要收集大量的觀測數據和具有空間屬性的圖件作為輸入數據，模擬過程也涉及大量的復雜參數，在實際應用中要受到了諸多因素的限制。本研究采用受美國環境保護署(USEPA)支持、集成在BASIN系統里的非點源污染負荷模型PLOAD[6]1-44，該模型能在年尺度上估算非點源污染的負荷，特別是能預測和評估實施管理實踐后的效果。相對于復雜模型而言，它需要的數據量較少，能在數據缺乏的地區應用；模擬結果顯示形象直觀，對研究人員的數理知識要求不高，較易推廣應用。

PLOAD模型在國外許多流域被應用于估算非點源污染負荷[7-10]。國內也有學者運用PLOAD模型在一些流域做了案例研究。崔廣柏等[11]運用PLOAD模型識別出了太湖錫山流域的關鍵污染源區，提出了BMPs方案；周慧平等[12]利用PLOAD模型模擬了浙江省剡江流域的BOD污染負荷；熊麗君等[13]重點探討了PLOAD模型中的徑流系數的確定方法；張淼淼[14]利用PLOAD模型估算了柳河流域的非點源污染負荷。本研究采用PLOAD模型對于橋水庫流域主要污染物TN、TP污染負荷進行估算，并對已采取或擬采取的管理實踐的削減率進行分析，以期為于橋水庫流域管理提供科學依據。

1 研究區域

于橋水庫流域(見圖1)跨津冀兩個省市，流域面積2 060 km2，其中河北省境內占全流域面積的78%。流域屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風型氣候區，多年平均氣溫約為11.5 ℃，多年平均年降水量為750 mm，多年平均年蒸發量為1 000 mm。流域主要河流有淋河、沙河、黎河等，多為季節性河流，其中黎河為引灤調水輸水河道。流域地形地貌特征為北高南低，丘陵、山地、平原均有分布，海拔9～1 201 m。流域土地利用類型多樣，根據2010年土地利用現狀圖可知，流域耕地面積比例最大，為38.2%，其次依次為有林地、灌木林、建筑用地(見表1)。2010年流域內總人口約194萬人。

圖1 研究區地理位置和水系圖Fig.1 Location and river network of study area

表1 2010年研究區土地利用類型及面積比例

2 數據與方法

2.1 模型原理

2.1.1 PLOAD模型污染負荷估算

PLOAD模型在年尺度上估算流域非點源污染負荷，其估算方法如下：

LP=∑(0.01×P×PJ×Ri×Ci×Ai)

(1)

Ri=0.050+0.009×Ii

(2)式中：LP為污染物負荷，kg/a；P為降雨量，mm/a；PJ為降雨產流率，默認取0.9；Ri為第i種土地利用類型的地表徑流系數；Ci為第i種土地利用類型的污染物輸出質量濃度，mg/L；Ai為第i種土地利用類型的面積，hm2；Ii為第i種土地利用類型的不透水率，%。

地表徑流系數是指降雨產生的徑流量與降雨量之比，與流域下墊面的不透水率相關[6]7-8。

2.1.2 PLOAD模型管理實踐效果評估

PLOAD模型評估或預測實施管理實踐后的污染負荷削減率原理如下：

αj=ASBMP,j/AB×100%

(3)

LBMP,j=(LP×αj)×(1-βj)

(4)

L=∑LBMP,j+LP×AB-∑ASBMP,j/AB

(5)

式中：αj為第j種管理實踐服務面積的比例，%；ASBMP,j為第j種管理實踐的服務面積，hm2；AB為流域的總面積，hm2；LBMP,j為某區域實施第j種管理實踐后的污染負荷，kg/a；βj為第j種管理實踐污染負荷的削減率[6]8，%；L為實施管理實踐后流域最終的污染負荷，為有、無管理實踐區域產出量之和，kg/a。

注：1～44為子流域編號。圖2 于橋水庫子流域及土地利用現狀Fig.2 Sub-watersheds and land use type of Yuqiao Reservoir watershed

2.2 輸入數據

PLOAD模型的輸入數據包括地理信息系統(GIS)空間和屬性數據兩類。GIS空間數據主要包括流域邊界及子流域分區圖、土地利用現狀圖、管理實踐空間圖；屬性數據包括不同土地利用類型的污染物輸出濃度、不透水率、不同管理實踐類型的污染物削減率等。

2.2.1 子流域及土地利用圖

首先根據90 m×90 m數字高程模型(DEM)，使用水文分析工具Arc Hydro Tools生成河網和子流域，然后用ArcGIS軟件修正，其中將庫周合并為一個子流域，即33#子流域；將庫區水面作為另一個子流域，即44#子流域(見圖2)。采用該流域2010年的土地利用現狀圖，根據研究需要將土地利用類型分為草地、水域、耕地、建筑用地、有林地、灌木林和園地7大類。

2.2.2 不同土地利用類型污染物輸出濃度及不透水率

研究采用平均輸出濃度(EMC)輸入模型估算。2013年對于橋水庫流域內5種土地利用類型(耕地、園地、有林地、灌木林和建筑用地)地表徑流中營養鹽的濃度進行了測定，草地和水域參照其他學者在于橋水庫流域的研究結果[15-17]，最終確定了流域內不同土地利用類型的污染物輸出濃度(見表2)，不透水率采用模型手冊的推薦值[6]7-8。

表2 不同土地利用類型的污染物輸出質量濃度及不透水率

注：1)水域中污染物指的是大氣干濕沉降引入的污染物。

2.2.3 管理實踐及削減率

于橋水庫流域已經或計劃實施的管理實踐主要包括：農村人畜糞便管理、耕地施肥管理、庫周二級保護區內的生態移民(已完成)、庫周工業點源治理(已完成)、河流入庫口濕地建設。各管理實踐及其削減率見表3。同時，使用ArcGIS軟件提取各管理實踐涉及區域的空間矢量圖，作為模型輸入數據。

表3 于橋水庫流域管理實踐及削減率

3 結果與討論

3.1 于橋水庫流域TN、TP污染負荷及空間分布

使用PLOAD模型對于橋水庫流域未實施管理實踐前的TN和TP污染負荷進行了估算，可得流域內TN、TP污染負荷分別約為223.4、19.5 t/a。TN、TP污染負荷及輸出系數的空間分布示意圖見圖3至圖6。

圖3 TN污染負荷空間分布Fig.3 TN pollution loads distribution

圖4 TN輸出系數空間分布Fig.4 TN export coefficient distribution

TN污染負荷的空間分布特征呈現南部高于北部的趨勢，河流和水庫沿岸污染較重。各子流域TN污染負荷為173～30 371 kg/a，污染最嚴重的是33#子流域，污染負荷占全流域的13.4%。TN輸出系數為0.34～3.25 kg/(hm2·a)，污染高風險區主要集中在地勢平緩的水體附近，即7#、14#、15#和32#所在的沙河流域，17#、19#和39#所在的黎河流域以及40#所在的果河流域。從行政區劃上看，這些子流域覆蓋鄉鎮有：河北省遵化市遵化鎮、蘇家洼鎮、西三里鄉、崔家莊鄉、西留村鄉、團瓢莊鄉、東新莊鎮、平安城鎮；天津市薊縣穿芳峪鄉、馬伸橋鎮、五百戶鎮、出頭嶺鎮、西龍虎峪鎮。從土地利用類型空間分布上看，這些子流域以耕地、建筑用地為主。同時，這些子流域人口密度較高，人為活動的干擾較嚴重，農業生產和畜禽養殖所產生的非點源污染已成為主要污染源；同時，由于距離沙河、黎河河道和水庫較近，污染物很容易在降水期通過地表徑流、土壤侵蝕流失等方式進入河道，進而對于橋水庫的水質帶來影響。

圖5 TP污染負荷空間分布Fig.5 TP pollution loads distribution

圖6 TP輸出系數空間分布Fig.6 TP export coefficient distribution

TP污染負荷的空間分布特征和TN極相似。各子流域TP污染負荷為0～2 958 kg/a，污染最嚴重的是33#子流域，污染負荷占全流域的13.8%。TP輸出系數為0～0.367 kg/(hm2·a)，污染較低的子流域分布在河流的上游，其中大部分位于河北省興隆縣掛蘭峪鎮、八卦嶺鄉、孤山子鎮。這些鄉鎮特點是以山地為主，土地利用類型主要是有林地和草地，耕地很少，人類活動和畜禽養殖數量相對較少，因此污染負荷相對較低。

3.2 管理實踐對TN和TP的削減

通過運行PLOAD模型，分別輸入不同的管理實踐的相應參數，最后再輸入綜合管理實踐的相應參數，計算得到各管理實踐及綜合管理實踐對TN、TP的削減率(見表4)。

表4 不同管理實踐的削減率比較

從模擬結果來看，農村人畜糞便管理是最有效的管理實踐，TN和TP削減率分別為13.97%、16.51%；其次是生態移民，TN和TP削減率分別為6.09%、7.18%；點源治理和河流入庫口濕地建設管理實踐去除效果不明顯。流域綜合管理實踐對TN和TP的削減率分別為24.49%、27.23%。

農村人畜糞便管理是指對農村生活污水和畜禽養殖產生的污染物進行削減管理。根據前期對于橋水庫流域的調查可知，流域農業人口為155萬人，其中庫周鄉鎮約有16萬人，絕大部分農村生活污水沒有經過任何處理就隨意排放。農村分散式畜禽養殖過程中產生大量的動物糞便，未經處理而隨意堆放會污染土壤并最終污染水源。據不完全統計，僅于橋水庫周邊臨近的68個自然村，飼養牛3.35萬頭，豬27.96萬頭，羊5.96萬只，雞鴨171.7萬只。因此，未來加強農村人畜糞便管理，將會對流域水質的改善發揮較大的作用。

生態移民指的是對于橋水庫二級保護區內(22 m高程以下)的居民村落進行搬遷移民。該項措施目前已完成，將搬遷后的土地恢復為有林地和草地。經模型計算，僅該項管理實踐就可分別削減33#子流域TN、TP污染負荷的30%左右，去除效果明顯。

雖然耕地施肥管理對TN和TP的削減率不高，但是由于流域內耕地面積較大，其削減的絕對量不容小覷。對于點源治理，由于河北省的污染源調查存在一定的困難，本研究中點源僅輸入了于橋水庫二級保護區內的28家點源污染負荷，因此其TN和TP削減率明顯偏低，均為0.31%。

4 結 語

(1) 于橋水庫流域內TN污染負荷約223.4 t/a，TN輸出系數為0.34～3.25 kg/(hm2·a)；TP污染負荷約為19.5 t/a，TP輸出系數為0～0.367 kg/(hm2·a)。綜合管理實踐對TN和TP的削減率分別為24.49%和27.23%，其中農村人畜糞便管理、生態移民等實踐對去除效果較顯著。

(2) 于橋水庫流域的污染主要來自農業和農村面源污染。PLOAD模型可準確定位污染物產出位置，模擬了實施管理實踐后的子流域TN、TP的削減率，可為流域生態補償管理提供科學依據。模型自身解決了非點源空間分布不均的問題，并且模型輸入數據簡單，模型計算效率較高，不需要大量人力、物力便可實現流域的非點源污染負荷的計算和BMPs的制定。

(3) PLOAD模型運行的輸入數據中，對于橋水庫流域河北省范圍內的調研資料有限，且尚未考慮調水對于橋水庫水質的影響，因此在未來的研究中需要進一步調查和完善模型的精確度和準確度。

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EstimatingpollutionloadandevaluatingmanagementpracticesforYuqiaoReservoirwatershed

LIZeli1，ZHOUXiaobai1，ZHAOXinghua1，MEIPengyu1，ZHANGZhen1，WANGYuqiu2.

(1.EnvironmentMonitoringCenterofTianjin，Tianjin300191；2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，NankaiUniversity，Tianjin300071)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.012

2016-02-03)

李澤利，男，1984年生，博士，工程師，主要從事水污染防治工作。#

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*國家重大科技專項(No.2013ZX07603-003-006)。