基于遙感技術的北方草原型河流面源污染貢獻解析

關鍵詞：北方草原型河流；遙感；面源污染貢獻；消落帶；水土流失

中圖分類號：X52 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）12-2856-11 doi：10.11654/jaes.2024-0950

我國地域遼闊、地形復雜，南北方流域匯水、徑流特征差異明顯。北方草原型流域地形平緩、匯水范圍大、土質相對疏松，人口密度低，普遍受溫帶大陸性氣候影響，降雨年內和年際變化及空間差異顯著，春融夏汛水文特征明顯，春季融雪（冰）或夏季較大降雨時上游地表徑流無法及時匯入河道并下泄，在河道兩岸易形成大面積的消落帶，對河道水質影響期長，流量普遍偏少，受支流來水擾動后干流水質變化顯著，同時疊加草原地區傳統畜牧方式影響，致使流域面源污染過程主要包括兩方面。一是消落帶型面源污染，消落帶是指在河流季節性水位漲落下，水域周邊土地周期性被淹沒或落干而形成的一段特殊區域[1-2]，是水域生態系統與岸上陸地生態系統的交替控制地帶。消落帶型面源污染即消落帶內的草體枯落物、畜牧排泄物等隨水位漲落過程通過吸附-解析和溶解-平衡作用向上覆水釋放污染物，進而導致面源污染問題[1，3]。二是水土流失型地表徑流面源污染，即草原地區植被以草本及小半灌木為主，固土能力有限，土壤和草場常年累積的有機物在降雨徑流的沖刷下進入受納水體而造成的污染[4]。在上述多類型面源污染綜合作用下，北方草原河流化學需氧量（COD_Cr）和高錳酸鹽指數（COD_Mn）等指標普遍在春融夏汛時期存在濃度異常升高現象，區域水環境質量綜合評價受到影響。因此，如何綜合考慮北方草原型流域地形地貌、植被覆蓋等下墊面條件差異與傳統畜牧方式影響，發揮遙感技術優勢系統全面評估流域面源污染，厘清主導水質變化的面源污染類型及其貢獻率，對于區域差異化水質考核與精細化水環境保護具有重要意義。

目前，地表徑流型面源污染研究較為成熟，研究方法包括試驗監測、數學統計和模型模擬等[5]，代表性模型有SWAT（Soil and water assessment tool）、HSPF（Hydrological simu ? lation program：Fortran）、AGNPS（Agricultural nonpoint source model） 、AnnAGNPS（Annualized AGNPS）、SPARROW（Spatially referenceregressions on watershed attributes）、SWMM（Stormwater management model）和DPeRS（Diffuse pollutionestimation with remote sensing）[6-8]等，但研究主要關注人類活動密集影響區，方法集中應用于農業和城市面源污染評估兩方面[4]，而在草原地區應用較少。在消落帶面源污染研究方面，當前研究的焦點主要集中于探討水位波動下植物、微生物群落演變、土壤養分或重金屬的賦存與遷移過程、溶解性有機質特征和重金屬環境行為等方面[2，9-12]，尚未拓展至圍繞消落帶淹水釋放所引發的面源污染通量進行定量評估，且研究區大多為庫區消落帶，對于草原消落帶面源污染的相關研究比較缺乏。

綜上所述，本研究選取位于我國北方內蒙古自治區錫林郭勒盟的草原型流域——閃電河流域，以閃電河雙山水庫至白城子斷面段所在匯水范圍為研究區，圍繞白城子斷面汛期CODCr和CODMn污染來源不清和貢獻不明等問題，充分發揮遙感技術大范圍、全覆蓋的監測優勢，綜合地面監測、實驗模擬和模型評估等多元技術手段，開展消落帶空間范圍遙感識別，構建水土流失面源污染模型評估數據庫，重點對研究區2020—2022年消落帶和水土流失面源污染量進行評估分析，并結合水質實測數據及水量遙感估算數據，量化解析面源污染對白城子斷面水質的貢獻率，以期為管理部門精準施策提供詳實的數據支撐與切實可行的操作抓手。

1 研究區概況

閃電河即灤河上游，發源于河北省沽源縣與豐寧縣兩縣交界的古巴顏屯圖固爾山，之后流經多倫、承德等地，在西山灣下游外溝門匯入豐寧縣。閃電河流域（41°55′～42°30′N，115°46′～116°20′E）總面積1 551.7km²，處于中溫帶半干旱大陸性季風氣候區，降雨季節分布不均，多年平均降水量為360 mm，60%～70% 的降雨集中在6—9月。流域內河床坡度較緩，河曲發育，主要地形為低山丘陵、河谷平原及河谷洼地，總體地勢由西南向東北傾斜。土壤類型以沼澤土、栗鈣土、草原風沙土、石灰性草甸土和鹽土為主。流域植被主要由草本植物組成，草層高度5～20 cm，覆蓋度20%～60%。流域內物產豐富、資源充足，草原濕地保存較好，是京津冀地區重要的生態屏障[13]。

白城子斷面位于閃電河與黑風河交匯下游位置，斷面上游約20 km處建有雙山水庫，該水庫泄洪頻次較低，對白城子斷面的影響較小，因此，本研究以雙山水庫至白城子斷面段所在匯水范圍為重點研究區（圖1）。研究區面積共計1 713.2 km²，其中草地面積占區域總面積的68.0%，未利用地占15.1%，耕地面積占比低于10.0%，城鄉工況等建設用地占比低于1.0%。研究區橫亙于錫林郭勒盟多倫縣與正藍旗兩地之間，農牧業系該區域關鍵產業構成要素之一，經由實地調研發現，重點區以肉牛養殖為核心主導產業。近些年來，當地政府積極致力于探索禁牧舍飼、舍飼半舍飼等畜牧模式的優化升級路徑，然而，截至當前，此類新型畜牧模式尚未達成全面性推廣與普及，在村鎮層級范圍內，依舊廣泛沿襲冬季舍飼管理，夏季草原放牧的傳統畜牧模式與慣例。

2 數據與方法

2.1 數據來源與預處理

（1）衛星遙感數據。包括土地利用類型和植被覆蓋度。土地利用基于GF-1、GF-2、GF-6等多源遙感影像，首先對影像進行輻射定標、大氣校正、去云、拼接等預處理，其次采用面向對象的自動分類方法解譯獲?。恢脖桓采w度基于Google Earth Engine 云計算平臺的Landsat-8 和Sentinel-2 地表反射率數據集（LANDSAT_LC08_C01_T1_SR、LANDSAT/LC08/C02/T1_L2 和COPERNICUS/S2_SR），采用基于歸一化植被指數（NDVI）的像元二分模型計算得到。

（2）地理空間數據。包括坡度、坡長，基于ASTER全球DEM數據，利用ls_cal.aml程序計算得到[14]。

（3）統計調查數據。包括畜禽養殖量、排泄指數等，基于《2021年錫林郭勒盟統計年鑒》及文獻調研[15]獲取。

（4）水文水質數據。月度流量數據通過遙感監測獲取，具體通過地面實測構建斷面三維數字河道和流量遙感估算模型，進一步結合衛星影像提取水面寬度計算得到[16]；月度水質數據源于2020—2022 年白城子斷面月度例行監測，加密水質數據源于白城子斷面重點區內2022 年7—9 月共9 個點位高頻采樣監測（每月上中下旬各1次）。

2.2 研究方法

2.2.1 消落帶面源污染估算方法

（1）消落帶空間分布遙感提取針對閃電河不同時相（高水位期、低水位期）米級遙感影像成像特征，采用歸一化水體指數法（NDWI）提取時間序列水域范圍，通過水體動態分布空間疊置分析，提取白城子斷面重點區內消落帶空間分布范圍。

（2）消落帶原位土柱釋放實驗

采用原位土柱原位河水浸泡實驗模擬消落帶淹沒釋放狀況[17-18]，實驗土柱載體由有機玻璃構成，高度500 mm，內徑100 mm，設計填充土層高度200 mm，上覆水高度200mm。采樣點位于白城子斷面附近消落帶覆蓋范圍內，采集基本裸土、草體覆蓋土以及糞便覆蓋土3種土柱類型，其中糞便覆蓋土柱糞便質量為15 g；采集的土柱運至實驗室避光穩定放置24 h后，分別填充原位河水200 mm；取樣間隔時間設計為2、3、5、7、10、15、20、25、30、40、50 d，每次取部分上覆水測定COD_Cr、COD_Mn濃度，每次取樣重復測定3次，結果用平均值表示。由于實驗周期較長，每次取樣測試后適時補充原位水體，保證柱內水位處于400 mm刻度線。COD_Cr指標采用重鉻酸鹽法（HJ 818—2017）測定，COD_Mn指標按照GB 11892—1989測定。

（3）消落帶面源污染輸出量估算

基于土柱淹沒釋放實驗結果，首先建立消落帶（包括植被、裸土和糞便3種類型）污染物釋放速率計算方法，其次結合消落帶淹沒概率、地面調查、統計年鑒和污染物釋放速率等數據資料，建立消落帶面源污染輸出量估算方法[19]。

2.2.3 面源污染貢獻率計算方法

基于白城子斷面水質與流量監測數據，首先計算月度污染物總通量，其次求取各類型面源污染物輸出量占總通量的比例，以此量化各類型面源污染對白城子斷面水質的貢獻率。

3 結果與分析

3.1 水質季節變化規律

2020—2022年白城子斷面COD_Cr 和COD_Mn 濃度月均值變化趨勢如圖2（a）所示（3月份因缺乏連續數據未參與平均分析），由圖可知：白城子斷面CODCr和COD_Mn月度變化規律趨于一致，5—7月兩項指標同步升高，均在7 月達到最高，分別為30.0 mg·L^-1 和9.8mg·L^-1，分別超出地表水Ⅲ類標準的1.5倍和2.0倍；8—9月呈現波動變化，但仍然接近地表水Ⅲ類限值，存在超標風險；10—12月和1—2月濃度逐步下降并趨于穩定。2022年7—9月研究區內加密高頻監測結果如圖2（b）所示，由圖可知，研究區2022年7—9月CODCr和COD_Mn濃度整體呈現下降趨勢，但7—8月兩項指標平均值均遠超地表水Ⅲ類標準，具體而言：2022 年7、8、9 月COD_Cr 濃度變化范圍分別為40.0～62.0、30.0～79.0、13.0～25.0 mg · L^-1，平均值分別為50.8、44.1、17.4 mg·L^-1，7月和8月的平均值分別超出地表水Ⅲ類標準限值的3.2倍和2.7倍；2022年7、8、9月CODMn濃度變化范圍分別為4.6～11.2、3.5～9.6、3.8～5.2 mg·L^-1，平均值分別為7.6、6.6、4.3 mg·L^-1，7月和8月的平均值分別超出地表水Ⅲ類標準限值的0.13倍和0.06倍。

3.2 消落帶面源污染特征

3.2.1 消落帶空間分布特征

研究區消落帶遙感提取結果及消落帶內地類分布如圖3所示，消落帶主要集中分布于閃電河干流沿岸，全部位于多倫縣境內。2020、2021年和2022年消落帶面積分別為14.7、18.7 km2和13.8 km²，降水是引起白城子斷面重點區內消落帶面積年際動態變化的關鍵因素。根據區域內多倫縣氣象站同期數據顯示，2020、2021 年和2022 年5—9 月累計降水量分別為336.8、428.0 mm 和213.6 mm，2021 年降水量相對較高，河流水位上升幅度高，引起消落帶面積范圍擴大。結合研究區土地利用遙感分類結果對消落帶內土地利用類型進行統計，結果顯示，2020、2021年和2022年消落帶內土地利用類型均以草地和灘地為主，二者面積之和分別占消落帶面積的93.1%、80.0% 和92.9%。需要說明的是，依據土地利用遙感監測分類體系，灘地特指河流與湖泊在平水期與洪水期水位變化間的地帶，經實地調研確認，該區域實際被低矮草叢覆蓋，由于草叢高度通常低于水面，在影像上呈現為灘地，在后續消落帶面源污染輸出量計算過程中仍視為草地覆蓋類型。此外，消落帶內零散分布有農田、林地和農村居民點等，其整體面積占比較低。

3.2.2 消落帶釋放速率變化特征

原位土柱釋放實驗模擬的上覆水濃度變化規律如圖4所示，草體、裸土和糞便覆蓋下兩種水質指標的濃度均整體呈現先升高后穩定的狀態，COD_Cr溶出濃度明顯高于COD_Mn，該現象主要是由于兩種指標的氧化效率差別較大。對于COD_Cr，草體、裸土和糞便覆蓋土柱達到平衡狀態的平衡量分別為105.0、39.6mg·L^-1和55.0 mg·L^-1；對于COD_Mn，草體、裸土和糞便覆蓋土柱達到平衡狀態的平衡量分別為12.3、3.9 mg·L^-1和4.2 mg·L^-1。在逐日釋放速率計算的基礎上，進一步計算得到草體覆蓋消落帶COD_Cr和COD_Mn的平均日釋放速率分別為747.6 mg·m^-2·d^-1和210.7 mg·m^-2·d^-1，裸土覆蓋消落帶COD_Cr和COD_Mn的日釋放速率分別為203.9 mg·m^-2·d^-1和74.3 mg·m^-2·d^-1，糞便覆蓋消落帶COD_Cr和COD_Mn的日釋放速率分別為0.2 mg·g^-1·d-1和0.01 mg·g^-1·d^-1，該結果為后續消落帶面源污染輸出量估算提供關鍵參數。

3.2.3 消落帶面源污染輸出量

對于糞便消落帶面源污染，通過查閱錫林郭勒盟最新（2020年）公開發布的統計資料，依據多倫縣牛養殖量統計數據（143 979頭），結合多倫縣縣域面積（3863 km²）以及消落帶面積所占比例，對消落帶范圍內的牛出沒量進行概化并代入公式計算。對于草地消落帶面源污染，采用消落帶內草地與灘地的遙感解譯面積代入公式計算。對于裸土消落帶，結合實地樣方調查按照草地和灘地面積的5% 比例參與計算。

2020—2022年5—9月研究區消落帶面源污染輸出量計算結果如圖5所示，可知2021年消落帶面源污染輸出量相對較高，COD_Cr和COD_Mn總輸出量分別達到819.8 t 和235.5 t。從月度變化來看，2020 年和2021年7月消落帶面源污染輸出量最高，2020年7月COD_Cr和COD_Mn輸出量分別為192.1 t和55.2 t，2021年7 月COD_Cr 和COD_Mn 輸出量分別為273.3 t 和78.5 t；2022 年以6 月最為突出，COD_Cr 和COD_Mn 輸出量分別為81.1 t和23.3 t。從不同消落帶類型來看，表現為草地輸出量gt;糞便輸出量gt;裸土輸出量的特征，2020—2022年5—9月草地、糞便和裸土面源COD_Cr月平均輸出量分別為92.6、1.3 t和8.8 t，COD_Mn月平均輸出量分別為26.1、0.5 t和2.9 t。

3.3 水土流失面源污染特征

3.3.1 水土流失面源污染空間分布特征

2020—2022年研究區水土流失面源污染入河負荷空間分布如圖6所示，由于區域土壤侵蝕以微度為主，僅坡度較高的局部地區呈現為輕度侵蝕，所以水土流失面源污染入河負荷整體處于較低水平，相對高值區主要集中分布在閃電河干流兩側和黑風河源頭地區。2020—2022 年研究區水土流失面源COD_Cr 平均入河負荷分別為7.0×10^-4、1.8×10^-3 t·km^-2 和6.0×10^-4 t·km^-2，COD_Mn平均入河負荷分別為1.0×10^-4、2.0×10^-4 t·km^-2和1.0×10^-4 t·km^-2。

3.3.2 水土流失面源污染輸出量

基于水土流失面源污染入河負荷空間估算結果，以水文分區為單元統計重點區污染物入河量，進一步估算、統計得到污染物遷移輸出至白城子斷面的污染量（圖7）。2020—2022 年5—9 月水土流失面源COD_Cr總輸出量分別為1.0、2.6 t和0.8 t，COD_Mn總輸出量分別為0.1、0.3 t和0.1 t，受降水驅動影響，2021年水土流失面源污染輸出量相對較高。月際變化上，2020年和2021年7月輸出量最高，分別占年度總輸出量的36.6%和37.7%，2022年6月輸出量最高，占年度總輸出量的44.9%。

3.4 白城子斷面面源污染貢獻解析

基于消落帶與水土流失面源污染估算結果，結合水質實測數據及水量遙感估算數據，對白城子斷面面源污染貢獻量進行解析，結果如圖8 所示。2020 年5—9月，面源污染CODCr輸出量對白城子斷面COD_Cr的貢獻率處于46.0%～76.7%之間，面源污染COD_Mn輸出量對白城子斷面COD_Mn的貢獻率處于60.0%～93.8%之間；2021年5—9月面源污染COD_Cr輸出量對白城子斷面COD_Cr的貢獻率處于45.8%～91.3%之間，面源污染COD_Mn 輸出量對白城子斷面COD_Mn 的貢獻率處于40.1%～84.3%之間；2022年5—8月，面源污染COD_Cr輸出量對白城子斷面COD_Cr的貢獻率處于50.8%～95.5%之間，面源污染CODMn輸出量對白城子斷面COD_Mn的貢獻率處于42.3%～94.6%之間。從不同類型面源污染貢獻率來看，3年間5—9月消落帶型面源污染COD_Cr和COD_Mn的平均貢獻率均達到70%，水土流失型面源污染COD_Cr和COD_Mn的平均貢獻率約為0.25%和0.10%。

4 討論

4.1 消落帶面源污染對白城子斷面水質的影響分析

消落帶是銜接水-陸生態系統的生態交錯帶，同時也是水陸生態系統間物質能量轉換最活躍、最重要的區域[22]，其生境在周期性淹水-出露和干-濕交替作用下變化劇烈[23]。植被作為消落帶生態功能的主體[24]，在河流低水位期，能有效攔截產匯流攜帶的污染物并促進其向土壤內部遷移[25]，郭振勇等[26]的研究表明，草被消落帶可以攔截68%～99%的污染物，其攔截效果受到降雨強度、草被寬度等的影響。但在汛期河流進入高水位期時，消落帶淹水過程中植被和土壤中吸附、沉淀的有機質等又會釋放到上覆水體中[25]，宮兆寧等[27]的研究表明，淹水頻次越高越有利于土壤有機質的沉淀。閃電河流域屬于典型的草原型流域，河谷為平原和洼地，河曲發育顯著，受汛期高強度陣雨或極端水文事件影響，河道過水能力有限，極易形成大面積的消落帶淹沒區，淹沒區消退過程中加劇了有機質的釋放，直接引起COD_Cr、COD_Mn等水質參數異常升高，使得消落帶面源污染成為汛期影響白城子斷面水質穩定達標的關鍵因素。

4.2 自然本底對白城子斷面水質的影響分析

“十二五”以來，我國水環境質量發生了轉折性變化[28]，在地表水環境持續向好的背景下，汛期污染問題也日益凸顯[29]，面源污染因其過程復雜、空間范圍大、隨機性強等特征，成為制約我國汛期水環境質量改善的關鍵因素[28]。在面源污染源解析中，除人為因素，如農業活動及城鎮擴張所帶來的面源污染之外，還應關注由特定區域地理條件所引發的自然面源污染。本研究基于面源污染評估結果，將發生于自然下墊面（包括草地、裸地和林地等）上的消落帶面源污染與水土流失面源污染歸為自然面源污染，其余歸為人為面源污染，進一步分析研究區自然本底和人為因素對白城子斷面水質的影響程度（圖9）。結果表明，2020—2022年5—9月自然面源輸出量對白城子斷面水質貢獻率平均值達到65%，2021年6—8月和2022年6月自然面源輸出量對白城子斷面COD_Cr貢獻率達到80%以上，而各月人為面源輸出量對白城子斷面水質貢獻率均低于10%。由此可見，白城子斷面5—9月COD_Cr和COD_Mn濃度升高主要來自陸域腐殖質，屬于自然本底因素。按照《地表水和地下水環境本底判定技術規定（暫行）》（環辦監測函〔2019〕895 號），2020—2022年7月白城子斷面COD_Cr和COD_Mn濃度扣除自然本底影響以后，水質濃度可滿足地表水Ⅲ類標準。

北方草原型河流普遍存在與閃電河相似原因導致的水質不穩定達標問題，由于受區域氣候年際變化大、數據連續性不足等因素影響，大部分斷面很難定量提出精確的背景值范圍。因此，在地區人類生產活動、企業排污狀況維持穩定，水生態狀況良好，且未發生突發環境事件的實際情況下，為科學合理地平衡自然資源稟賦與水質管理要求，建議實施“監測為主，靈活考核”的過渡性策略，避免單純以考核結果為導向而造成的片面干預，并強化水質監測的連續性與精準性，基于長時間序列監測數據合理制定背景值閾，確保水質管理工作更加貼近實際、科學有效。

5 結論

（1）2020—2022年白城子斷面COD_Cr和COD_Mn濃度月度變化規律趨于一致，5—7月同步升高，均在7月達到最高，分別超出地表水Ⅲ類標準的1.5倍和2.0倍；8—9月呈現波動變化，但仍然接近地表水Ⅲ類限值，存在超標風險。

（2）2020—2022 年研究區消落帶面積分別為14.7、18.7 km²和13.8 km²，2021年消落帶范圍最大，消落帶COD_Cr 和COD_Mn 總輸出量分別達到819.8 t 和235.5 t；3年間消落帶面源污染均表現為草地輸出量gt;糞便輸出量gt;裸土輸出量的特征，5—9月消落帶型面源污染對白城子斷面COD_Cr和COD_Mn的平均貢獻率均達到70%。

（3）2020—2022年研究區水土流失面源COD_Cr平均入河負荷分別為7.0×10^-4、1.8×10^-3 t·km^-2 和6.0×10^-4 t·km^-2，COD_Mn平均入河負荷分別為1.0×10^-4、2.0×10^-4 t·km-2和1.0×10^-4 t·km^-2。水土流失型面源污染COD_Cr和COD_Mn的平均貢獻率約為0.25%和0.10%。

（4）2020—2022年自然面源輸出量對白城子斷面水質貢獻率平均值達到65%，人為面源輸出量對白城子斷面水質貢獻率低于10%，白城子斷面5—9月COD_Cr和COD_Mn濃度升高主要來自陸域腐殖質，屬于自然本底因素。

（5）對于受自然本底顯著影響的北方草原地區河流水質不穩定達標問題，建議實施“監測為主，靈活考核”的過渡性策略，并強化水質監測的連續性與精準性。