渾河上游清原縣非點源污染負荷及其空間分布特征

劉志波 魏建兵 程全國

摘要 以渾河上游清原縣為研究對象，采用輸出系數法和ArcGIS平臺對清原縣各鄉鎮和渾河主要支流非點源污染總氮（TN）、總磷（TP）負荷進行估算和空間分布特征分析，探討從行政分區和河流集水區2個尺度控制非點源污染的方法與指導治理實踐。結果表明，2017年清原縣TN、TP的輸出負荷量分別達3 410.66、208.47 t，重點污染鄉鎮為清原鎮、英額門鎮、南口前鎮、南山城鎮;綜合污染負荷較重的支流為長山堡河、古城子河和南雜木河，TN、TP 的輸出負荷量分別為397.41、331.58、319.03 t，29.63、22.39、20.04 t;清原流域接近于主干流的區域和支流污染較重，TN、TP污染負荷空間分布有相似性。旱田是TN的主要污染來源，TP主要污染源為旱田、居民生活和養殖;非點源污染控制應關注年內雨季和春季融凍期徑流的監測和治理，生活污水和垃圾的收集與處理，分散型養殖和小型加工企的環保管理。

關鍵詞 非點源污染;輸出系數法;氮磷負荷;空間分布;渾河上游清原縣

中圖分類號 X 522? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）06-0064-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.06.014

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Non-point Source Pollution Load and Its Spatial Distribution Characteristics of Qingyuan County in the Upper Reaches of Hunhe River

LIU Zhi-bo， WEI Jian-bing， CHENG Quan-guo

（Key Laboratory of Ecological Restoration of Regional Polluted Environment， Ministry of Education， School of Environment， Shenyang University， Shenyang， Liaoning 110044）

Abstract Taking Qingyuan County in the upper reaches of the Hunhe River as the research object，the output coefficient method and ArcGIS platform were used to estimate the total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） loads of non-point source pollution in the towns of Qingyuan County and the main tributaries of the Hun River and analyze the spatial distribution characteristics.The purpose of this paper was to explore the methods and practice of non-point source pollution control from two scales of administrative division and river catchment. The results showed that in 2017，the annual output load of TN and TP in Qingyuan County was 3 410.66 and 208.47 t，respectively， and the key pollution towns were Qingyuan Town， Yingemen Town， Nankouqian Town and Nanshan Town.The tributaries with heavy comprehensive pollution load were Changshanbao River， Guchengzi River and Nanzamu River， with the annual output loads of TN and TP were 397.41 t， 331.58 t， 319.03 t， 29.63 t，22.39 t and 20.04 t， respectively.The area and tributaries close to the main stream in Qingyuan watershed were heavily polluted， and the spatial distribution of TN and TP pollution load was similar. The main pollution sources of TN were dry-land， then TP emission mainly came from dry-land， residents life and breeding industry.The control of non-point source pollution should pay attention to the monitoring and treatment of runoff in rainy season and spring thawing period， the collection and treatment of domestic sewage and garbage， and the environmental management of decentralized aquaculture and small processing enterprises.

Key words Non-point source pollution;Output coefficient method;TN and TP load;Spatial distribution;Qingyuan County in upper reaches of Hunhe River

基金項目 國家自然科學基金項目（41771200，41171399）。

作者簡介 劉志波（1996 —），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：環境規劃與可持續發展。*通信作者，教授，博士，碩士生導師，從事景觀生態學、環境生態學教學和科研工作。

收稿日期 2021-07-05

河流上游是遼東地區維護水源涵養、土壤保持、水質凈化和生物多樣性等生態服務功能的重點關注區。隨著人口的增長和社會經濟的快速發展，水資源缺乏和水污染問題不斷凸顯，河流源頭區的生態建設和環境保護逐漸得到重視。在我國，經過長期的流域規劃與治理，特別是“十一五”以來國家水體污染控制與治理科技重大專項、農村環境連片整治項目的大量實施，作為水源保護目標的大部分河流上游點源污染的排放得到了良好的控制。河流、湖泊、水庫等水體的主要污染負荷也由點源污染[1]逐漸轉變為農業非點源污染[2]，尤其是氮、磷等非點源污染已經成為迫切需要解決的水環境問題[3]。為更好地解決農業非點源污染的問題，采用水文水質模型進行非點源污染的時空模擬和負荷量化研究成為重要的手段。然而現有的 SWAT、HSP、GBNP 等分布式模型對數據資料要求高，參數眾多且率定困難，對于廣大偏遠而缺乏監測資料的流域和地區，分布式機理模型參數率定和精度驗證等成為模型應用的難題[4] 。因此，選取和使用對數據資料要求較低、簡單實用的輸出系數模型就成為國內外研究此類問題的有效解決途徑之一[5]。Johnes[6]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、水質數據流域的非點源污染負荷估算有顯著優勢。

渾河上游流域是國家九大飲用水源地之一大伙房水庫的集水區，水庫供給沈陽、撫順、大連等7大城市2 300萬人口的工業和生活用水，在遼寧省經濟社會發展中具有舉足輕重的戰略地位。2014年9月被國務院批準確定為國家重點保護和優先修復的湖泊水庫之一，根據環境部門的監測，COD出現下降，但N、P污染超標問題的解決依然面臨挑戰。通過實地考察，流域已無較大的工業點源，農業非點源污染成為渾河上游流域的主要污染源。近年來，很多科研院所和高校在該地區開展了有關非點源污染的大量研究，基本摸清了2條主要入庫河流水質污染程度及其與土地利用的關系，但限于缺乏河流流量等水文水質模型需要的監測數據，流域非點污染負荷計算的工作一直較為缺乏。

筆者選取渾河上游清原縣為研究區域，基于輸出系數法，從鄉鎮分區和主要支流流域尺度進行非點源污染負荷評估，并分析其空間分布特征，為基于行政分區管理和集水范圍治理方案制定提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

清原縣位于遼寧省東部（圖1），地理坐標為124°20′06″～125°28′58″E、41°47′52″～42°28′25″N，包括14個鄉鎮，面積3 932.96 km2。截至2017年，清原縣總人口為32.2萬，其中城鎮人口10.5萬，農業人口21.7萬。產業結構以種植業和養殖業為主，耕地面積為69 427.39 hm2，主要農作物類型為水稻、玉米和大豆，農田管理方式和化肥施用管理較為粗放;主要養殖類型有大牲畜（1.82 萬頭）、豬（0.50萬頭）、羊（3.88萬只）和家禽（35.23萬只），主要養殖方式尚以散養為主。

1.2 數據來源及處理

研究區各鄉鎮人口數據（農業人口與非農業人口）來源于《2017年清原縣統計年鑒》;土地利用數據以清原縣統計資料為基礎，結合清原縣ALSO衛星遙感影像解譯和現場調查獲得;畜禽養殖情況以清原縣畜牧局 2017 年畜禽養殖調查表為依據，并篩選出重點養殖鄉鎮進行現場調查核實;水系數據和流域邊界采用ArcGIS 10.2軟件水文分析功能模塊由清原縣DEM（數字地形模型）提取而來。

1.3 研究方法

1.3.1 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[7-8]，流域的總負荷量計算公式如下：

L=ni=1（Ei×Ai×Ii）+P（1）

式中，L 為營養物（污染物）的輸出負荷（t/a）; Ei為第i 種營養源（污染源）的輸出系數[t/（km2·a）或kg/（人·a）]; Ai為第i 類土地利用類型的面積（hm2）或第 i 種牲畜的數量、人口數量; Ii為第i 種營養源的營養物（污染物）的輸入量（t/a）; P 為降雨輸入的營養物（污染物）的數量（t/a）。對于各種土地利用類型來說， Ei 表示土地利用中所流失的營養物（污染物）的比例;對于牲畜而言，它表示牲畜排泄物直接進入受納水體的比例，中間應考慮人類收集和儲存糞肥過程中的氨揮發;對于人類而言，它反映當地人群對含磷去污劑的使用狀況、飲食和生活，對于農村人口來說，由于農村沒有配套的污水處理設施且農村人口分布分散，該系數主要反映農村生活污水中的營養物（污染物）進入受納水體的比例[9]。

確定合理的輸出系數是輸出系數模型的關鍵，確定輸出系數有3種常用方法，即文獻分析法、試驗模擬法和水文統計法[10]。該研究采用文獻分析法[4，11-15]結合前期研究支流水質采樣監測數據綜合得到不同類型污染源的TN、TP輸出系數（表1）。

1.3.2 支流集水區TN、TP輸出負荷計算及空間分布圖繪制。

使用河流集水區邊界裁切縣域TN、TP輸出負荷，跨多個鄉鎮的集水區采用面積加權求平均值的方法確定河流集水TN、TP輸出負荷，其計算公式如下：

Ei=EjAj+…+EnAnn（2）

式中，Ei為第i個河流集水區的負荷，Ej為第j個鄉鎮的負荷，Aj為第j個河流集水區在第j個鄉鎮內的面積，n 為河流集水區跨越的鄉鎮數量。使用ArcGIS 10.2矢量數據屬性表輸入功能賦值支流集水區負荷并繪制空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 行政分區角度TN、TP輸出負荷估算

根據輸出系數模型計算得到研究區 2017 年 TN和 TP 輸出負荷量分別為3 410.66、208.47 t，不同鄉鎮不同類型污染源輸出量及其占比情況見表2。從表2可以看出，清原縣經濟和人口中心清源鎮TN和TP的負荷均為最高，分別為399.17、29.83 t，經濟較為落后與人口密度較小的敖家堡鄉TN和TP負荷最低，分別為149.31、7.70 t。

2.2 行政分區角度TN、TP污染負荷空間格局與構成

清原縣產業以農林業發展為主，城鎮區配套的污水管網措施不健全，農村地區居民產生的生活污水和畜禽養殖的污水大多是直接排放或通過簡易化糞池和沼氣池處理后排放;產生的沼液和沼渣被施入農田，作為農作物生產或苗木生產的基肥，與施入農田和林下中草藥而未被植物吸收利用的化肥一起，在降雨徑流和融雪徑流的沖刷下逐漸累積和匯入水體，成為地表水污染的主要來源。

從圖2可看出，TN、TP 輸出負荷的空間分布格局基本一致，最高負荷量出現在中部的清原鎮，而位于清源鎮南北兩側的敖家堡、大蘇河鎮和枸乃甸污染負荷則相對較低。TN 輸出負荷較高的鄉鎮為南口前、英額門、清原鎮、南山城，共占清原縣鄉鎮總污染負荷的 38.01%;TP 輸出負荷較高的鄉鎮為清原鎮、南山城和夏家堡，共占全縣污染負荷的34.91%，主要是因為這些鄉鎮耕地面積廣、人口密集，受到農業面源和農村生活污染的影響較大。而敖家堡、枸乃甸人口密度小，主要以林地、草地為主。污染物輸出負荷量較高的鄉鎮對地表水環境威脅性大。在各污染源分類中，TN主要來源于農田污染，其污染負荷排放量占總體的71.82%，農田中尤以旱田污染為重;TP主要來源于農田污染，占比達53.19%，農村生活和畜禽養殖污染貢獻率也較大，占比達到46.81%，畜禽養殖尤以豬和家禽的TP負荷貢獻率較大。因此減少TP污染負荷不僅要注意農村生活污水收集與治理，也要關注旱田磷肥的合理施用和豬、家禽養殖污染排放的有效控制。

2.3 主要支流集水區角度TN、TP輸出負荷

除以行政分區為單元來加強環境的管理外，目前地表水環境的保護多采取“河長制”的管理方式，以整條河流或某河段為單元，以當地的行政主管領導和相關技術人員組成河流環境保護委員會，加強河流湖泊水環境、水生態和水景觀的巡視管理和制定治理規劃。因此，提取出研究區流域邊界和主要河流，估算河流集水區的污染負荷，對于明確重點治理河流和確定治理優先順序具有指導價值。圖3為渾河上游清原流域主要支流水系及其集水區TN、TP負荷分級。

從TN負荷（圖3a）來看，各支流年負荷在150.00～397.41 t，高負荷支流為下玉城河、英額河、柳木橋河、長春屯河、長山堡河、古城子河和南雜木河，年負荷在319.03～397.41 t，較高負荷的支流為北腰堡河、十八嶺河、向陽河和南口前河，年負荷在295.45～292.26 t，這些支流應該優先考慮治理。

TP負荷空間分布（圖3b）與TN趨勢大體相似，各支流年負荷在9.40～29.63 t，高負荷支流為長山堡河、古城子河和南雜木河，年負荷在20.40～29.63 t，較高負荷的支流為北腰堡河、十八嶺河、向陽河、南口前河、斗虎屯河、下玉城河、英額河、柳木橋河和長春屯河，年負荷在15.00～17.69 t，這些支流應該優先考慮治理。從TN、TP綜合考慮的角度，長山堡河、古城子河和南雜木河是非點源污染TN、TP控制較優先的支流，TN、TP 的輸出負荷量分別為397.41、331.58、319.03，29.63、22.39、20.04 t。 結合野外調查分析，長山堡河、古城子河集水區域農業種植和養殖密度大，南雜木河集水區域居民密度大和小型加工業企業多，而這些區域污染物排放管理和集中處理設施薄弱。

3 討論

基于輸出系數模型和借助GIS技術對區域或流域尺度非點源污染TN、TP負荷進行評估，并分析其空間分布特征與治理優先順序。渾河上游清原縣主要以農業生產為主，水環境重點的治理方向為非點源污染。農村生活污水、農田地表徑流是研究區重點的治理方向，這個結論與張靜等[16]對渾河流域非點源污染負荷估算與分析結論類似。研究區畜禽養殖以散養為主，其排放的畜禽糞便、有機物殘體等對地表水環境造成污染，這與趙倩等[17]對渾河上游大蘇河鄉面源污染負荷及現狀評價結果相符。在鄉鎮中心建立配套的污水管網作為試點是治理資金投入的重點，農村地區污水管網未覆蓋的地方污水至少應該簡單處理后再排放，這與城鎮化程度和經濟發展程度密切相關，同時也說明該地區經濟發展程度尚不足以支撐環境污染治理投入，需要關注經濟發展與環境保護的協調問題。盡早將農村污水建設成網和進一步加強農田施肥管理仍是今后研究區水環境治理的重點和難點。

TN、TP負荷空間分布趨勢相似，這與李鑄衡等[18]對土地利用情景下渾河—太子河流域非點源污染模擬結論一致。根據各鄉鎮污染物TN、TP空間分布可看出水環境治理的重點應放在清原鎮、英額門鎮、南口前鎮;從主要支流TN、TP負荷空間分布格局來看，長山堡河、古城子河和南雜木河是非點源污染控制較優先的支流。

該研究確定污染源輸出系數采用了文獻分析法，為了使模型估算的準確性更高，未來的研究應考慮加入模擬試驗和實地監測的方法確定土地利用、農村生活和畜禽養殖區域的輸出系數。對比胡正等[7，19-20]基于改進的輸出系數模型對我國南方地區非點源污染估算評價，該研究采用的輸出系數模型尚未考慮降雨所帶來的營養物質對研究數據的影響，據該地區以往降雨測定表明，雨水中以氮沉降為主的營養物質濃度較低。因此，針對河流上游以森林覆蓋為主的流域，該研究選用的輸出系數模型對于非點源污染負荷的估算用于指導管理實踐是適用的，GIS技術也能夠為分析污染負荷空間分布及確定優先治理區域提供有力的支持。

4 結論

（1）渾河上游清原縣2017年非點源污染 TN、TP 的輸出負荷量分別為3 410.66、208.47 t，TN、TP 污染負荷的空間分布較為相似，重點污染鄉鎮為清原鎮、英額門鎮、南口前鎮、南山城鎮，其次為灣甸子鄉、土口子鄉、枸乃甸鄉。

（2）渾河上游清原縣2017年TN負荷主要來源為農田面源，TP負荷中農村生活和畜禽養殖污染貢獻率也較大，綜合污染負荷較重的支流為長山堡河、古城子河和南雜木河，TN、TP 的輸出負荷量分別為397.41、331.58、319.03，29.63、22.39、20.04 t。

（3）渾河上游旱田是TN 的主要污染來源，TP主要污染源為旱田、居民生活和養殖，應關注年內雨季和春季融凍期徑流的監測和治理，生活污水和垃圾的收集與處理，分散型養殖和小型加工企的環保管理。

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