基于控制單元劃分的大遼河流域污染物空間分布及來源解析

翁巧然，呂旭波，孫明東，徐香勤*，程全國*

1.沈陽大學環境學院

2.中國環境科學研究院水生態環境研究所

水在地表生態平衡中發揮著至關重要的作用，水環境受損已經成為許多國家和地區面臨的主要環境問題之一，威脅著人類的健康和經濟社會的可持續發展[1-2]。水環境污染包括點源污染和非點源污染[3-4]，其點源和非點源污染會對水環境產生綜合影響。受區域社會經濟發展、水文條件、下墊面等方面的差異，不同流域水體中點源和非點源污染貢獻率存在較大差異[5]。因此，定量估算各類污染物相對貢獻并對其來源進行解析，可為流域污染治理及控源減排工作提供重要依據。

在流域水環境污染治理相關研究中，準確核算流域污染負荷并估算污染物入河量是一項基礎性的工作，是識別出研究區污染物關鍵源區的重要環節。El-Nakib等[6]對貝魯特流域點源和非點源污染負荷進行估算，結果表明點源是整個流域水質受損的主要原因；Matej-?ukowicz等[7]估算了奧利瓦河流的生物污染物負荷，結果表明污染主要來源于城市化集水區；高艷妮等[8]估算了遼河保護區2010——2018年農田地表徑流污染物入河量；宋梓菡等[9]對哈爾濱市主城區河流污染物COD、TN、TP年入河量進行估算，發現城郊污染較嚴重，主要來源于農村生活源和農田面源；李艷紅等[10]對信江流域污染負荷進行了估算，王晉虎等[11]對京杭運河（蘇州段）污染負荷進行了估算。點源污染物具有集中排放、便于監測和統計的特點，而非點源污染由于來源復雜、輸出途徑不確定、受外界條件影響大、不易監測等特點，污染入河量估算具有較大不確定性[12-15]。國內外學者雖然對流域污染物入河量估算及來源解析開展了大量研究，但將污染物來源及其貢獻細化到流域控制單元和行政區的分析研究較少。

大遼河作為遼東灣第二大入海河流，沿海地區工農業活動發達，同時匯集了遼河流域多個城市的生產、生活污水，污染來源范圍廣、輸移路徑復雜。為分析大遼河流域污染物入河量及其來源，筆者建立“流域——控制單元——行政區”空間拓撲關系，以2019年為基準年，對大遼河流域國控斷面水質情況、各控制單元內污染物入河量及空間分布特征進行分析，綜合考慮點源和非點源污染的影響，對控制單元出口超標斷面污染物來源進行解析，并提出管控對策建議，以期為大遼河流域水環境改善提供科學依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

大遼河流域位于遼寧省東部地區，發源于撫順市清原滿族自治縣灣甸子鎮長白山支脈的滾馬嶺西側，途經撫順、沈陽、本溪、遼陽、鞍山、盤錦等地，交匯于三岔河附近成大遼河，至營口市注入遼東灣，流域面積為2.73萬km2，由渾河、太子河、大遼河水系構成。渾河全長415 km，流域面積為1.15萬km2；太子河全長413 km，流域面積為1.39萬km2。研究區域水系如圖1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 控制單元劃分

采用ArcGIS軟件的水文分析模塊，基于流域數字高程模型（DEM）劃定流域邊界。結合大遼河流域水系分布特征和鄉鎮級行政區劃，最終將流域劃分成26個控制單元，編號為C1～C26（圖1和表1）。

表1 大遼河流域縣級行政區所在控制單元Table 1 Control unit of county-level administrative region in Daliao River Basin

圖1 研究區水系及控制單元Fig.1 Water system and control unit in the study area

1.2.2 水質評價方法

采用單因子評價法對大遼河流域控制斷面水質進行評價，并計算各超標因子超標倍數。單因子污染指數（Pi）的計算公式如下：

式中：Ci為污染物i的實測濃度，mg/L；Si為污染物i的評價標準值，mg/L，本研究采用《水污染防治行動計劃》中確定的2020年國控斷面水質考核目標作為評價標準。

參照《地表水環境質量評價辦法（試行）》中推薦的方法計算超標倍數，計算公式為：

式中：R為超標倍數；Tm為某指標的實測濃度，mg/L；Th為該指標的水質標準值，mg/L。

1.2.3 入河量估算方法

點源污染物入河量采用統計法進行核算。根據環境統計數據，統計存在直接排放進入環境的工業企業、城鎮污水處理廠以及規模化畜禽養殖場的COD、NH3-N、TN和TP的量，在數據校核的基礎上，按控制單元直接核算，計算公式為：

式中：W為點源污染物入河量，t/a；Q為廢水排放量，t/a；B為點源污染物濃度，mg/L；d為入河系數。

非點源污染物入河量利用輸出系數模型進行核算。輸出系數模型最早于20世紀70年代初期由美國和加拿大提出，主要應用于研究土地利用和湖泊營養之間關系，而后經過Jonhes等[16-18]對模型的不斷改進，將牲畜、人口等因素融入其中，使得模型得到進一步完善和推廣。計算公式為：

式中：Lj為污染物j在流域中的總入河量，t/a；x為流域中土地利用類型或畜禽種類或人口，分別共n種；Exj為污染物j在x種土地利用類型的輸出系數或第x種畜禽的輸出系數或人的輸出系數，t/（km2·a）或kg/[人 (頭或羽)·a]；Ax為第x種土地利用類型面積（km2）或人口數量（人）或畜禽數量（頭）；p為來自降水的污染物輸出量，t/a，本研究不考慮此項的影響。

1.2.4 輸出系數及入河系數的確定

非點源輸出系數的確定主要通過查閱文獻法、實地野外監測法和數學統計方法[19]。本研究通過查閱相關文獻，并結合研究區以往研究成果選取相關輸出系數。不同土地利用類型和農村生活源輸出系數取值參考同一地區相似環境條件下的研究成果[20-23]綜合取值；分散式畜禽養殖污染源輸出系數參照第二次全國污染普查《農業源產排污核算方法和系數手冊》中推薦的遼寧省排污系數進行取值。不同類型污染源輸出系數見表2。

表2 大遼河流域輸出系數Table 2 Daliao River Basin output coefficient

點源入河系數主要依據污染源排放口到入河排污口的距離來確定（表3）。非點源入河系數參考相關研究成果，農村生活源入河系數取0.2[23]，土地利用類型污染源入河系數取0.11[23]，分散式畜禽養殖污染源取0.13[24-25]。

表3 點源入河距離修正系數取值Table 3 Coefficient from point source inflow into river

1.2.5 河流污染物通量估算方法

污染物通量的估算方法眾多[26-27]，考慮到大遼河流域水質監測頻率基本以月為單位的實際情況，參考富國[28]的相關研究，污染物通量的計算公式為：

式中：F為污染物年通量，t/a；Iy為第y個月的污染物濃度，mg/L；Ny為第y個月的徑流量，108m3。

1.3 數據來源及處理

數據主要包括2019年國控斷面逐月水質數據、環境統計數據、不同土地利用類型及面積、畜禽養殖數量、農村人口數量、流域DEM數據及水文數據等（表4）。運用ArcGIS10.7、Origin2018軟件實現數據處理和分析。

表4 數據來源及說明Table 4 Data sources and description

2 結果與分析

2.1 水質狀況分析

研究區共包含28個國控斷面，基于2019年各國控斷面逐月污染物濃度，采用單因子評價法對各斷面水質進行評價，結果如表5所示。大遼河流域整體污染較為嚴重，逐月水質達到水質目標考核要求的斷面僅為8個，占比為29%。不達標斷面中，劣Ⅴ類水質斷面為11個，占比為39%，分別為S2、S3、S4、S10、S12、S13、S16、S17、S18、S21、S23斷面，超標污染物以COD、NH3-N為主，其中S18、S23、S16、S10斷面月超標率較大，超標率分別為83%、83%、58%、55%。

表5 2019年大遼河流域國控斷面逐月水質評價結果Table 5 Results of monthly water quality evaluation of state-controlled sections in Daliao River Basin in 2019

2.2 污染物入河量估算結果

依照式（3）和式（4），計算2019年大遼河流域各控制單元主要污染物COD、NH3-N、TN、TP的入河量，結果如表6所示。大遼河流域COD、NH3-N、TN、TP 入河量分別為 59 195.5、3 115.5、18 229.7、538.3 t/a；從入河量結構上看，4種污染物點源入河量占比分別為47.3%、57.5%、68.3%、59.9%，除COD外，其余3種污染物點源入河量占比大于非點源；總體呈現為城鎮生活源＞農村生活源＞分散式畜禽養殖污染源＞不同土地利用類型（含林地、草地、耕地、城鎮用地）污染源＞工業源＞規模化畜禽養殖污染源。

表6 2019年大遼河流域主要污染物入河量Table 6 Inflow of major pollutants into Daliao River Basin in 2019 t/a

2.3 污染物空間分布特征

利用GIS中的自然間斷點分級法將大遼河流域各控制單元內污染物入河量分成7個等級，結果如圖2所示。研究區內COD、NH3-N、TN、TP入河量空間分布較為相似，均呈現出中部＞西南部＞東北部，且入河量最大的控制單元均集中在C11。大遼河流域26個控制單元中，COD、NH3-N、TN、TP入河量排名前7的控制單元均為C3、C6、C8、C11、C13、C15、C17，以上7個控制單元的COD、NH3-N、TN、TP入河量對大遼河的貢獻率分別為68%、73%、77%、72%，因此，應將這7個控制單元作為重點單元進行管控。進一步分析污染源結構（圖3），可以看出這7個控制單元污染物均以城鎮生活源和農村生活源為主。

圖2 2019年大遼河流域污染物入河量空間分布Fig.2 Spatial distribution map of pollutant inflow into Daliao River Basin in 2019

圖3 2019年大遼河流域不同控制單元污染源結構Fig.3 Pollution source structure of different control units in Daliao River Basin in 2019

2.4 水質超標斷面污染物來源解析

基于大遼河流域各控制單元內斷面水質評價及污染源計算結果，結合流域匯水單元，對控制單元出口超標斷面進行污染源解析，各控制單元污染源貢獻如圖4所示。

（1）COD關鍵源區識別

由圖4可知，S2、S5斷面受城鎮生活和農村生活源共同影響；S9斷面主要以非點源污染為主，其中分散式畜禽養殖污染源和農村生活源貢獻率較大；S10、S18斷面COD均為劣Ⅴ類，城鎮生活源是首要污染源；S16斷面位于海城河，農村生活源是首要污染源；S21斷面的首要污染源為分散式畜禽養殖污染源；S27斷面位于下達河入湯河水庫口，雖未處于控制單元出口位置，但從水質數據來看，豐水期COD超標0.4倍，結合污染源入河量結果，受非點源影響較大。

圖4 2019年大遼河流域各控制單元不同污染源對COD、NH3-N、TP入河量貢獻率Fig.4 Contribution rate of different pollution sources to COD, NH3-N, TP inflow of each control unit in Daliao River Basin in 2019

（2）NH3-N關鍵源區識別

S1、S2、S3、S5、S17斷面主要受農村生活源和城鎮生活源共同影響；S8斷面位于C7控制單元出口，受非點源影響較大，其中農村生活源和不同土地利用類型污染源貢獻率較高；S10、S12、S16、S18斷面NH3-N濃度均處于劣Ⅴ類水平，其中S10、S12斷面主要受城鎮生活源污染影響，S16、S18斷面主要受農村生活源影響。

（3）TP 關鍵源區識別

S15、S25、S26斷面在豐水期達不到水質目標要求，其分別位于控制單元C20、C14、C16出口位置，不同土地利用類型污染源貢獻率最大，耕地和林地源是其主要污染來源；S10、S18斷面TP濃度均為劣Ⅴ類，城鎮生活源貢獻率最高，為首要污染源；S16斷面受不同土地利用類型污染源影響較大。

2.5 核算結果校驗

根據2.2節，研究區2019年污染物COD、NH3-N、TN和TP入河量分別為59 195.5、3 115.5、18 229.7、538.3 t/a。本研究采用污染物通量估算方法，選取大遼河流域遼河公園入海斷面對入河量估算結果進行驗證。因缺少2019年大遼河流域徑流量數據，因此基于2015——2018年唐馬寨、邢家窩棚、海城站逐月流量數據，遼河公園COD、NH3-N、TN和TP污染物逐月水質監測數據，依據式（5），得到研究區2015——2018年的通量結果。經趨勢模擬分析得到大遼河流域2019年COD、NH3-N、TN和TP通量分別為56 610.32、3 680.32、18 836.43和 448.85 t/a。經驗證，入河量估算結果與通量模擬結果之間的相對誤差分別為5%、-15%、-3%、20%，誤差較小，證明輸出系數及入河系數的取值合理可靠，適用于研究區范圍內污染負荷估算。

3 結論與建議

3.1 結論

（1）2019年大遼河流域，逐月水質能達到考核要求的斷面占29%，不達標斷面中，劣Ⅴ類水質斷面為11個，超標污染物以COD、NH3-N為主。超標斷面中，COD、NH3-N主要來源為城鎮生活源、農村生活源和分散式畜禽養殖污染源，TP主要來源于不同土地利用類型污染源和城鎮生活源。

（2）大遼河流域COD、NH3-N、TN和TP入河量分別為 59 195.5、3 115.5、18 229.7和 538.3 t/a，從污染源貢獻上看，總體呈現城鎮生活源＞農村生活源＞分散式畜禽養殖污染源＞不同土地利用類型（含林地、草地、耕地、城鎮用地）污染源＞工業源＞規模化畜禽養殖污染源。

（3）COD、NH3-N、TN、TP污染物入河量空間分布總體呈現出中部＞西南部＞東北部。其中，控制單元C3、C6、C8、C11、C13、C15、C17是重點管控單元，其COD、NH3-N、TN、TP對大遼河流域貢獻率分別為68%、73%、77%、72%。該7個控制單元污染物入河量均以城鎮生活源和農村生活源為主。

（4）將污染物入河量估算結果與污染物通量估算結果進行校驗，得出入河量估算結果與通量模擬結果相對誤差分別為5%、-15%、-3%、20%，誤差較小，證明輸出系數及入河系數的取值合理可靠，適用于研究區范圍內污染負荷估算。

3.2 建議

根據大遼河流域污染源分析結果，從源頭削減和控制污染物的角度，提出以下對策建議：1）推進城鎮生活污染治理。加快流域內污水管網建設，提高城鎮生活污水收集率和處理量；加快推進城鎮污水處理設施提標改造。2）推進農村污染綜合整治。加快農村污水處理管網建設，因地制宜建設污水處理廠；加強宣傳力度，提高居民水環境保護意識。3）加強農業面源污染控制。推廣生態農耕方式，規范農產品種植結構與布局，減少農藥使用；實行測土配方施肥，按農作物產量和土壤肥力，精確施肥；因地制宜，建立生態緩沖帶，減少農業面源污染。4）防治畜禽養殖污染。優化畜禽養殖產業，通過集中收集，采用制肥廠、堆肥發酵等方式實現資源化利用；創新生態養殖，結合流域范圍內農業種植對畜禽廢物的消納能力，合理規劃畜禽養殖規模，建設循環產業鏈。