北京市北沙河小流域非點源氮、磷負荷估算與源解析

席浩郡，劉貝貝,2，黃雅娟，馬雪慶，鄧雅靜，劉芙妤，朱洪濤*，孫德智

1.北京林業大學環境科學與工程學院 2.中關村發展集團

2015年北京市印發了《北京市城鄉結合部建設三年行動計劃(2015—2017年)》[1]，提出建設生態清潔小流域，全面保護水資源，治理水環境。北運河流域是北京市覆蓋面積最廣的河流水系之一，作為北運河源頭之一的北沙河，對于北京市生態清潔小流域的建設具有極其重要的意義[2]。研究北沙河小流域的水環境污染產生原因并提出相應的治理措施，對實現北運河流域的水質還清，促進京津冀環境治理協同發展，形成完善可持續的生態環境系統，具有非常重要的戰略意義。

北沙河小流域下墊面構成復雜，涵蓋從山地到城市用地等多種類型。小流域內河道以非常規水源補給為主，部分河段常出現斷流現象，且該地區水質、水文數據嚴重缺乏，尤其是在非點源污染負荷的測算方面。在點源污染逐漸得到有效控制后，非點源污染對區域水環境的影響逐漸突出[3]。非點源污染具有隨機性，污染物排放及污染途徑不確定，負荷的時空差異大等特點，對其監測和控制的難度較大[4]。對于北沙河小流域這類缺乏長期監測數據的區域，構建功能完備的非點源污染數據庫非常困難。因此，通過模型估算小流域污染負荷以指導非點源污染控制具有現實意義[5]。

非點源模型可分為物理模型和經驗模型。物理模型可定量估算污染物的量，模擬污染物的衰減和轉化過程，目前使用較多的有AGNPS模型和SWAT模型[6-7]。但物理模型所需輸入的數據和參數復雜，導致現有的物理模型不能得到廣泛使用。對于數據有限的流域，經驗模型可以利用黑盒原理繞過相關的復雜過程。經驗模型的優點在于，需要的輸入量很少，操作簡單，模擬結果相對準確[8]。另外，隨著遙感技術(RS)、地理信息系統(GIS)和全球定位系統(GPS)即3S技術的出現，將GIS與經驗模型相結合進行非點源污染估算發展迅速，展現出強大的空間數據管理和分析能力[9]。

鑒于此，筆者選用徑流曲線數模型(soil conservation service curve number，SCS-CN)、修訂的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation，RUSLE)等經驗模型，對北沙河小流域非點源污染氮、磷負荷進行模擬與分析，以期為該小流域非點源污染控制和定量化管理提供有效手段和科學依據，也為類似流域的水環境規劃與管理提供參考。

1 研究區概況與數據庫建立

1.1 研究區概況

北沙河小流域位于北京市昌平區南部，地勢西北高東南低，地面高程為34～1 418 m，坡度為1‰左右。北沙河是北運河水系溫榆河的重要支流之一，與南沙河在沙河地區匯入沙河水庫。研究區面積為872 km2，土地利用類型豐富，包括耕地、園地、林地、草地等7種類型,土質以褐土、棕壤為主。研究區為大陸性季風氣候，四季分明，多年平均氣溫為11 ℃，平均日照為2 669 h，年平均降水量為574.7 mm。受氣候影響，降水量年內分配不均，主要集中在6—8月，占全年的84.4%，年均蒸發量為1 200 mm。北沙河小流域研究范圍如圖1所示。

圖1 北沙河小流域研究范圍Fig.1 Study area of Beishahe sub-catchment

1.2 數據庫建立

通過資料調研、文獻搜索及采樣測定等方式，獲取北沙河小流域2017—2019年地形地貌、降水量、土利地用類型、植被覆蓋及污染物濃度等數據，基于ArcGIS軟件建立北沙河小流域數據庫，結果如表1所示。

表1 北沙河小流域環境數據庫內容

2 模型及參數選擇

2.1 降雨徑流模型及參數計算

2.1.1SCS-CN模型

SCS-CN模型[10]反映的是降水量與徑流量間的關系，其表達式如下：

(1)

式中：Q為徑流深，mm；Pi為降水量，mm；Smax為潛在最大入滲量，mm。

徑流曲線數(CN)是用來綜合反映降雨前流域特征的參數，其反映了流域下墊面的產流能力?？捎蒀N求得式(1)中的Smax，計算公式如下：

Smax=25 400CN-254

(2)

2.1.2CN的計算

由于CN與流域土壤濕潤情況、植被、坡度、水文條件、土地利用和土壤類型等因素有關，為進行CN計算，將北沙河小流域土壤分為4種類型：A類土壤為具有良好排水性的砂土或礫石土；B類土壤為砂壤土；C類土壤為輕、中壤土；D類土壤為黏土和重黏土。土壤分類情況如表2所示。

表2 北沙河小流域土壤分類

根據前5 d的總降水量將土壤的濕潤程度(AMC)分為干(AMCⅠ)、平均(AMCⅡ)和濕(AMCⅢ)3類，不同濕潤狀況的CN(分別用CN1、CN2和CN3表示)可以相互轉換，計算公式如下：

CN1=[CN2-20(100-CN2)]{100-CN2+exp[2.533-0.063 5×(100-CN2)]}

(3)

CN3=CN2exp[0.006 73×(100-CN2)]

(4)

根據北沙河小流域的土地利用類型、土壤屬性及前期土壤濕潤程度確定不同土地利用的CN[11]，結果如表3所示。

表3 北沙河小流域不同土地利用類型的CN

1)建設用地包括城鎮與農村用地。

2.1.3徑流量計算

利用SCS-CN模型計算日徑流深，疊加得到年徑流深，再由柵格的累積徑流深與柵格面積相乘可得到北沙河小流域年徑流量，結果如表4所示。

表4 北沙河小流域不同土地利用類型的年徑流深和徑流量

2.2 土壤侵蝕模型

2.2.1RUSLE模型

RUSLE模型表達式為:

A=R×K×L×S×C×P

(5)

式中：A為土壤年流失量，t/(hm2·a)；R為降水侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·h/(MJ·mm)；L、S分別為坡度、坡長因子，無量綱；C為植被與經營管理因子，無量綱；P為水土保持因子，無量綱。

2.2.2模型參數計算2.2.2.1降水侵蝕力因子

由于降水資料有限，采用下式計算R[12]：

(6)

式中：Py為流域內年平均降水量，mm；PMj為流域內第j個月平均降水量，mm。

2.2.2.2土壤可蝕性因子

K采用Williams[13]在EPIC(erosion-productivity impact calculator)模型中發展的K因子公式計算：

(7)

式中：SAN為粒徑0.05～2.00 mm的砂粒占比，%；SIL為粒徑0.002～0.050 mm的粉砂占比，%；CLA為粒徑<0.002 mm的黏粒占比，%；TOC為土壤中有機碳占比，%；SN1=1-SAN/100。K的單位為美制，其與國際制之間轉換關系為美制×0.137。

2.2.2.3坡度、坡長因子

采用下式[14]計算坡度和坡長因子：

(8)

(9)

式中：θ為坡度，(°);λ為坡面的水平投影長度，m;m為坡長指數。

2.2.2.4植被與經營管理因子

植被覆蓋率(FVC)和C之間有很好的相關性。采用蔡崇法等[15]提出的方法計算C：

(10)

2.2.2.5水土保持因子

參考已有研究[13]，確定研究區不同土地利用類型的P，結果如表5所示。

表5 北沙河小流域不同土地利用類型的P

在ArcGIS中將RUSLE模型的各因子計算結果進行疊加，得到北沙河小流域土壤侵蝕量，并根據不同土地利用類型進行分類，結果如表6所示。

表6 北沙河小流域不同土地利用類型土壤侵蝕量

2.3 污染物輸出模型

將非點源污染物分為溶解態和吸附態2類。溶解態污染物通常由降水徑流輸送到水體；吸附態污染物主要附著在土壤微粒子上，以微粒子作為遷移載體，其產生主要受土壤侵蝕控制[16]。

溶解態氮、磷污染物輸出負荷計算公式[17-18]如下：

LDkt=CDkt×Qkt×TDkt

(11)

式中：LDkt為溶解態污染物輸出負荷，t/km2；CDkt為溶解態污染物的濃度，mg/L；Qkt為徑流量，m3。TDkt為遷移系數，表示來自地面的溶解態污染物到流域出口的遷移比例。由于本研究僅探討溶解態污染物的產生量和空間分異情況，忽略遷移過程中的物理化學變化，因此暫不考慮其遷移系數。

吸附態氮、磷污染物輸出負荷計算公式[17-18]如下：

LSkt=CKkt×Xkt×TSkt×Sd

(12)

式中：LSkt為吸附態污染物輸出負荷，t/km2；CKkt為吸附態污染物濃度，mg/kg；Xkt為RUSLE方程計算的年土壤侵蝕量，t/km2；TSkt為污染物富集比；Sd為流域泥沙輸移比。本研究未考慮氮、磷的遷移轉化過程，僅探討其產生量和空間分異情況，因此TSkt和Sd均為1。

由于本地區降水集中在6—8月，而其余月份降水量很小，幾乎不產流。因此在2018年7月11日、18日、25日分別對耕地、林地、園地、草地、城鎮用地、農村用地、未利用地7種土地利用類型共15個采樣點進行了3次降雨徑流的收集和監測。徑流樣品按照30～60 min的間隔進行收集，具體收集方法：耕地和園地，用V形塑料擋板擋住出口處進行收集；林地、草地和未利用地，在集水區出口處收集；農村和城鎮用地，在排水溝渠和溢流口處收集(主要收集道路雨水)[19]。3次降水量分別為20.3、7.7和15.6 mm，平均降水強度分別為0.123、0.024和0.083 mm/min。

降雨徑流監測完成后，水樣用1 L聚乙烯瓶封裝后放進冷凍箱并立即帶回實驗室，測定總氮、溶解態氮、總磷、溶解態磷濃度4項指標。其中，總氮和溶解態氮濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定(DR3900分光光度計，哈?？萍?，總磷和溶解態磷濃度采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測定〔5B-3B(V8)多參數水質測定儀，連華科技〕，吸附態氮、吸附態磷濃度分別為總氮、總磷濃度與溶解態氮、溶解態磷濃度之差[20]。

基于上述數據，計算了北沙河小流域各種土地利用類型對應的溶解態和吸附態氮、磷污染物的平均濃度，結果如表7和表8所示。與相關研究中測得的氮、磷污染物濃度[18,21-22]對比可知，相同土地利用類型的污染物濃度基本在同一數量級，數值差異可能與地區、時間演化相關。

表7 北沙河小流域不同土地利用類型溶解態氮、磷濃度

表8 北沙河小流域不同土地利用類型吸附態氮、磷濃度

3 結果與討論

3.1 不同形態氮、磷負荷空間分布特征

3.1.1溶解態氮、磷負荷空間特征

北沙河小流域非點源溶解態氮、磷負荷空間分布如圖2所示，不同土地利用類型溶解態氮、磷負荷統計結果如表9所示。由圖2可知，流域東南部多為平原區域，產生的非點源溶解態氮、磷負荷大且均高于平均值，北沙河河道附近污染負荷輸出較大。由表9可知，北沙河小流域非點源溶解態氮、磷年均輸出負荷分別為166.08和9.98 t/a，年均單位面積輸出的負荷分別為0.190和0.011 t/(km2·a)；城鎮用地、農村用地、林地、耕地產生的溶解態氮負荷較高，耕地、城鎮用地、林地、園地產生的溶解態磷負荷較高。

圖2 北沙河小流域非點源溶解態氮、磷負荷空間分布 Fig.2 Spatial distribution of dissolved nitrogen and phosphorus loads from NPS in Beishahe sub-catchment

表9 北沙河小流域不同土地利用類型非點源溶解態氮、磷年均輸出負荷

3.1.2吸附態氮、磷負荷空間特征

北沙河小流域不同土地利用類型吸附態氮、磷負荷統計結果如表10所示，非點源吸附態氮、磷負荷空間分布如圖3所示。由表10可知，北沙河小流域非點源吸附態氮、磷年均輸出負荷分別為379.450和93.434 t/a，年均單位面積輸出負荷分別為0.435和0.107 t/(km2·a)；不同土地利用類型中，林地輸出的吸附態氮、磷負荷均最高，其次是草地，而農村和城鎮用地輸出的吸附態氮、磷負荷均較低。由圖3可知，流域西北部為山區，地勢高的地方土壤侵蝕量較大，表現為較高的吸附態氮、磷污染負荷；西北部植被覆蓋率高的地方土壤侵蝕量小，吸附態氮、磷污染負荷小。

表10 北沙河小流域不同土地利用類型非點源吸附態氮、磷年均輸出負荷

圖3 北沙河小流域非點源吸附態氮、磷負荷空間分布Fig.3 Spatial distribution of absorbed nitrogen and phosphorus loads from NPS in Beishahe sub-catchment

圖4 北沙河小流域不同土地利用類型產生的非點源氮、磷負荷Fig.4 Pollution loads of NPS nitrogen and phosphorus of different land use types in Beishahe sub-catchment

3.2 流域非點源氮、磷污染源解析

不同土地利用類型產生的非點源氮、磷負荷如圖4所示。由圖4可知，年均總氮負荷較高的3種土地利用類型分別為農村用地〔0.855 t/(km2·a)〕、林地〔0.713 t/(km2·a)〕和未利用地〔0.619 t/(km2·a)〕；年均總磷負荷較高的3種土地利用類型分別為草地〔0.238 t/(km2·a)〕、林地〔0.126 t/(km2·a)〕和未利用地〔0.115 t/(km2·a)〕。

不同土地利用類型中，農村用地、城鎮用地和耕地產生的非點源溶解態氮、磷負荷較大。主要原因是農村與城鎮人口密度大，并且伴隨工農業生產活動，易造成氮、磷污染。另外，隨著城市化進程的加快，城鄉結合部的不透水地面面積增加易形成地表徑流，加之污水和垃圾處理設施缺乏，導致農村和城鎮成為非點源污染發生的高風險區。耕地產生的溶解態氮、磷負荷高主要是由于農田施肥尤其是氮肥的大量施用造成的。流域未利用地由拆遷后的居民點和廢棄農田組成，雖然占地面積最小，但其表面累積的氮、磷污染物濃度高。草地和林地產生的溶解態氮、磷平均負荷小，表明林地和草地對污染物有一定截留作用，這與其他學者的結論類似[23]。

不同土地利用類型中，林地和草地產生的非點源吸附態氮、磷負荷較大。史志華等[24]對漢口中下游的研究得出，林地和草地對非點源吸附態氮、磷貢獻較低，不同尺度上徑流、泥沙與氮、磷的作用機理會導致驅使流失機制的差異，流域地形、土地利用類型、植被、水文、土壤和人為活動等都會造成流域間污染負荷顯著不同，這體現了面源污染過程的復雜性[25]。北沙河小流域土地利用類型中，林地和草地占流域總面積的69.4%，但林地和草地多分布在起伏大的山區，且植被覆蓋率較低，土壤表面裸露程度高，面源污染削減效率較低；加之流域土壤類型為褐土，土壤可侵蝕性強，易被剝離而釋放出細顆粒結合態，且沒有相應的水土保持措施。這導致流域林地和草地的土壤侵蝕模數高，吸附態氮、磷負荷遠高于其他區域。結合圖3可知，流域中部的吸附態氮、磷負荷也較高，這與其主要土地利用類型為耕地相關。因此，應避免在雨季進行表層施肥，而應多采用免耕、覆蓋耕作和壟耕等保護性耕作措施；在防止水土侵蝕的同時還應注意耕作時采取增加土層厚度、提高土壤有機質含量、優化土地利用類型等綜合治理措施。

總體來看，北沙河小流域非點源氮、磷流失以吸附態為主，泥沙攜帶占絕對優勢。因此，應重點控制流域的土壤侵蝕和水土流失，減輕吸附態氮、磷負荷。雖然吸附態氮、磷負荷較高，但在污染物傳輸過程中，部分吸附態氮、磷會在重力作用下沉積，從而減少其輸出量。由于鄰近水體的土地利用類型多為農村用地和耕地，非點源氮、磷流失量較大，而溶解態氮、磷易遷移至水體，造成水體污染，因此溶解態氮、磷負荷對北沙河水質的影響依然是關注的重點。建議在豐水期采取有效治理措施，以減少非點源氮、磷入河量。

4 結語

(1)北沙河小流域非點源溶解態氮、磷年均輸出負荷分別為0.190和0.011 t/(km2·a)，吸附態氮、磷輸出負荷分別為0.435和0.107 t/(km2·a)。

(2)農村和城鎮用地是北沙河小流域非點源溶解態氮、磷負荷輸出的主要區域，而林地和草地是吸附態氮、磷負荷輸出的主要區域。

(3)北沙河小流域氮、磷流失主要以吸附態為主，應重點控制流域的土壤侵蝕和水土流失，以降低吸附態氮、磷負荷；北沙河河道附近污染負荷輸出較大，應采取相關措施以降低對水體的污染。