六股河流域農業非點源污染物入河量估算

費卓越

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

非點源污染是指土壤、地面和大氣中的污染物，在降雨淋溶及徑流沖刷作用下流入江河、水庫、湖泊、海洋等水體所造成的污染[1]。研究表明，水環境狀況在很大程度上取決于非點源污染程度，即使點源污染得到有效的控制，江河、海洋、湖泊的水質達標率也只有65%、78%和42%。據統計，遼寧境內的河流受非點源污染的比例已超過點源污染，并成為飲水安全的主要威脅因素。

1 流域概況

六股河流域位于葫蘆島市的建昌縣、興城市、綏中縣范圍內，于綏中縣小李莊鄉大漁廠村附近注入渤海，地理坐標介于E120°00′-120°24′、N40°09′-41°00′之間。六股河為葫蘆島市最大的一條獨流入海河流，河流全長162km，流域面積3069km2，河道比降為1.61‰。流域內地勢由西北向東南傾斜，平均高程在200m，山地占54%，丘陵占33%，平原占11%，沙丘占2%，山地主要分布在流域的西北部。

六股河流域的西北部、北部、東北部與大小凌河流域接壤，東部與獨流入海的煙臺河相鄰，南部為綏中縣境內沿海諸河，與小莊子河、貓眼河、狗河、石河相鄰。流域內有工礦用地、農村居民地、城鎮居住用地、鹽堿地、低覆蓋草地、中覆蓋草地、高覆蓋草地、疏林地、灌木林地、有林地、旱田、水田等土地利用類型，并且分布有優質玉米和粳稻生產基地。近年來，隨著水田的大范圍開發灌區退水量急劇增大，加之防治水污染基礎設施的薄弱，工農業、生活污水排放失控和管理落后等因素，使河道水體遭到不同程度的污染。灌區退水已成為六股河流域非點源污染的主要來源，并對流域水環境質量造成不同程度的影響。流域內嚴重的水土流失和脆弱的生態環境極大的制約著經濟的發展，因此必須加快水土流失治理，切實改善水體環境和人居生活條件，這是推動經濟可持續發展及實現農民脫貧致富的根本途徑。通過小流域綜合治理，為加快現代農業發展、減輕區域防洪威脅以及調整經濟結構提供保障。

2 研究方法

2.1 子流域劃分

以匯水區為基本單元，借助Arc GIS軟件劃分子流域并計算其非點源污染負荷。采用漫流模型模擬從高到低地表徑流的流動過程，由此生成水系，然后利用Arc Hydro模塊按照每個格網的水流方向與坡降，經填洼處理提取匯流網絡及匯水區小流域，生成不同級別的匯流網絡，按從大到小劃分同一流域不同等級的子匯流區，詳細流程如下：

步驟1：DEM數據準備。將數字高程模型grid數據投影轉換、拼接、裁切，經過空白數據填補獲取研究區標準地形圖分幅的grid數據，分辨率90m×90m。

步驟2：填充凹陷點。一般地，把高程更高的單元格所圍繞的單元格稱為凹陷點，流入該單元格的水體不會再流走。為了解決以上問題，可以執行Arc/info的ARC命令進入grid模塊，對grid凹陷點使用Fill命令填充，從而獲取DEM圖層。

步驟3：確定水流方向。輸入DEM圖層計算流向格柵，單元格周圍最陡的沉降方向用流向柵格中單元格的數值反映，水流方向的grid數據可利用Flow direction函數等水文表面分析工具生成。

步驟4：河流積流。對于河流網格中上游單元格積流與每個單元格的累加可利用Flow accumulation函數來實現，單元格數值大部分都比較小，但位于干流的部分單元格累積值也可能較大。臨界值屬于河流積流計算的關鍵參數，其主要功能就是對河流網絡詳細程度進行控制，可以結合制度比例尺、區域范圍、地形地貌特征和實踐經驗來確定，從而輸出Stream Grid數據。

步驟5：河流分割。在一個特定的流段里生成能夠唯一識別的水流分段網格，即網格代碼在所有單元格內統一，從而獲取相應的Stream Link數據。

步驟6：劃定流域。創建一個擁有格柵代碼(閾值)的格柵文件，格柵代碼可用于識別其所屬流域。經轉化處理，生成一個流域多邊形文件并裁剪各個小流域邊界，最終獲取六股河流域子流域水系，即馬道子河(子流域1)、八家子河(子流域2)、黑水河(子流域3)、王寶河(子流域4)。其中，黑水河發源于建昌縣養馬甸子鄉，流經建昌縣的和尚房子鄉、綏中縣的葛家鄉、寬甸鎮、于西平鄉匯入六股河；王寶河發源于綏中縣大王廟鎮，流經黃家鄉、高甸子鄉、于高臺堡鄉匯入六股河。

2.2 污染物入河系數的確定

2.2.1 降雨徑流

目前，對于較大尺度非點源污染負荷比較常用的估算方法是輸出系數法，然而這種方法較少考慮水循環過程中營養物的遷移轉化以及水文路徑等決定營養物質遷移的因素，在隨降雨徑流遷移到流域出口斷面的過程中流域內產生的非點源污染負荷量受河流降解、泥沙淤積、植被截流等因素的影響，這導致整個流域范圍內產生的非點源污染負荷量將大于流域出口斷面上的負荷量。所以，可將入河系數引入輸出系數法中，用以反映遷移至流域出口斷面上的非點源污染負荷量，占流域范圍內產生污染負荷量的貢獻率。對此，利用以下計算公式確定不同用地類型的污染物入河量，即：

(1)

式中：L為某種污染物在各用地類型中的總入河量，kg/a；Ei、Ai為某種污染物在用地類型i中的輸出系數(kg/hm2·a)及其面積，i取1-4，依次代表建設用地、草地、林地和耕地；β污染物入河比例。借鑒李根等研究成果，確定不同用地類型的輸出系數Ei；因需要長期的水量、水質同步監測數據才能準確估算入河比例，故考慮麻德明等[13]研究資料確定β值取10%。

2.2.2 灌區退水

根據污染物、排水量和用水量監測結果推算灌區退水污染物入河系數，王石灌區為現狀六股河流域內的灌區。通過調查監測水田排水量、灌溉用水量、污染物以及灌區退水量估算污染物入河系數，其表達式為：

M=KAβ×10-5

(2)

式中：M為某污染物入河系數。kg/hm2·a；K、A為灌溉用水量，m3/hm2·a和灌區退水中某污染物濃度，mg/L；β為污染物退水比例(%)，各參數值如表1。

表1 估算參數值

3 農業非點源污染負荷計算

以2020年六股河流域土地利用遙感解譯數據為基礎，進一步將疏林地、灌木林地、有林地劃分為林地，旱田劃分為耕地，工礦用地、農村居民地和城鎮居住用地劃為建設用地，鹽堿地、低覆蓋草地、中覆蓋草地、高覆蓋草地等劃為草地，通過對林地、耕地、建設用地和草地面積的測算估算出水土流失非點源污染物入河量。然后依據灌排水調查結果和污染物監測數據估算出灌區退水污染物入河量，如圖1。六股河流域灌區退水和水土流失引起的污染物入河量，對比結果如圖2。

圖2 六股河灌區退水、水土流失入河量對比

(a)COD (b)TP

(c)TN

從圖1可知，農業非點源污染中COD入河量以降雨徑流水土流失為主的子流域為1、2，即馬道子河、八家子河，而子流域3、4的COD入河量以灌區退水為主；農業非點源污染中TP入河量以降雨徑流水土流失為主的子流域為1，即馬道子河，而子流域2、3、4的TP入河量以灌區退水為主；同時，農業非點源污染中TN入河量各子流域均以水土流失為主。

從圖2可知，六股河流域農業非點源污染中COD、TP、TN的入河量為6751.5t/a、273.7t/a、602.2t/a，其中灌區退水污染物對COD、TP的貢獻率較大，其所占總污染負荷的65.70%和78.66%；水土流失污染物對TN的貢獻率最大，所占比例達到92.59%。面積較大的子流域2、4其農業面源污染物排放量占比較高，整個六股河流域污染物入河量的60%都是來源于子流域2、4，并且灌區退水與水土流失污染并重的為子流域2，污染源以灌區為主的為子流域4。

4 結 論

綜合利用Arc GIS技術與輸出系數模型，估算了六股河流域的非點源污染負荷，在此基礎上探究了其空間分布特征，主要結論如下：

1)灌區退水污染物對六股河流域COD、TP的貢獻率較大，其所占總污染負荷的65.70%和78.66%。所以，六股河流域非點源污染整治的重點的王石灌區退水。

2)在空間上揭示了非點源污染的分布特征，結果發現面積較大的子流域2、4的農業面源污染物排放量占比較高，整個六股河流域污染物入河量的60%都是來源于此，子流域4的污染源以灌區退水為主，子流域2污染源包括灌區退水與水土流失。