山丘區小流域面源污染調查與風險評估

中圖分類號：X524；X821文獻標志碼：A

Investigation and Risk Assessment of Non-point Source Pollution in a Small Hilly Watershed

A Case Study in Qiaodian Reservoir in Jinan City

SUN Diantai ¹ ，WANG Xin2， JIANG Xin2， WU Yuanchao ³ ， LIU Yuyu ¹ （1.School of Water Conservancyand Environment，University of Jinan，Jinan 25oO22，Shandong，China; 2.Water Resources Research Institute of Shandong Province， Jinan 25O014，Shandong，China; 3.Service Center for Jinan Municipal Water Conservancy Project，Jinan 25O099，Shandong，China）

Abstract：To grasp thecurrent situationof watershed non-point source polution inreservoir-type water sources in hily areas，and explore theriskofregional pollutant discharge and countermeasures forpreventionandcontrol，QiaodianReservoir n Jinan Citywas taken asthe studyarea，andtheoutputcoeficient method combined with theequivalent polution loadintensitywas used to estimateand analyze the agricultural non-point source pollution discharge，discharge intensity anddistributioncharacteristicsofthestudyarea in2O22，andclassfytherisk levelof pollution discharge.Theresults showthattheemissionintensityofagricultural non-point sourcepolutioninthe studyareaasa wholeisonthelow side， andthe highly poluted areas are mainly located in the upper reaches of the basin.The main sources of pollution in the study areaare livestock and poultry breeding sources，and the polution emissions from domestic sources and planting sourcesare relativelysmall，the dominant areas ofbreeding sources account forahigh percentage andare mostlydistributed in theupperreachesof the basin.The polution risk inthestudyareashows atrendof increasing from the downstream （the southwestern region） to the upper reaches （the northeastern region）.

Keywords：non-point source polltion；output factor method；equal standard polutionload intensity；smallhilly watershed;Qiaodian Reservoir

近年來，水庫逐漸成為城鎮生產、生活用水的重要來源，水庫型水源地日益成為經濟社會可持續發展的重要保障[1]。與地下水水源地相比，地表水水源地具有開放性的特點，周圍自然環境和水體水質易受人類活動的影響[2]。水庫型水源地流域中的鄉村養殖和農業特色種植在促進地方經濟的發展的同時，也帶來了水源污染風險[3-4]，此外，水庫周邊的農村生活污水也會對水環境健康造成一定威脅[5]。近年來，我國對供水水庫水環境越來越重視，點源污染已逐步得到控制，面源污染成為眾多小流域水質惡化的重要因素[6]

流域污染排放量的估算方法繁多，常用的方法主要有水文模型法、輸出系數法[7]、平均濃度法等[8]。在近年的研究中，水文模型的應用較為廣泛，相關模型眾多，如土壤和水評估工具（SWAT）模型、水文模擬程序（HSPF）模型等[9]。由于大多數小流域存在基礎資料不足、面源污染監測基礎資料匱乏[10]的問題，因此建立的水文模型精度不能保證。平均濃度法在實際應用時容易受到環境變化和采樣誤差的影響。相比之下，輸出系數法避開了面源污染發生的復雜過程，所需參數少，操作簡便，適用性廣且結果較為準確[]

位于省市鋼城區東南部的喬店水庫流域的污染來源較廣，種類多，污染現狀不明且基礎資料較少，因此，本文中選擇輸出系數法估算喬店水庫面源污染排放量，利用等標污染負荷強度結合聚類分析法分析不同污染排放量和主要污染源。考慮地形坡度影響，采用秩和比法對估算得到的喬店水庫流域的污染排放強度進行等級劃分。開展供水水庫流域的污染負荷評估以及等級劃分，估算污染排放量，提出合理的評價結果，可以進一步評估水源地流域內的面源污染風險，為污染的治理與防控提供依據和參考，提出有針對性的污染控制策略。

材料與方法

1.1 研究區概況

喬店水庫位于市鋼城區東南部的辛莊街道，地理位置為東經 117^°50^′-118^°0^′ 、北緯 36^°9^′ 一36^°18^′ ，是市萊蕪、鋼城區的主要水源地，屬國家重要地表水水源地[12]，水庫總庫容為2799 萬 m³ ，總控制流域面積為 26km² 。全流域均為山丘區，地勢由南、北、東三面向西南方傾斜。多年平均降水量為750mm 左右，降水量的 70%～80% 集中在汛期，洪水暴漲暴落，水源較充足。本文中根據匯水原理及農業管理現狀將整個流域分為9個區，如圖1所示（資料來源：國家測繪地理信息局標準地圖服務網站，經ArcGIS10.2軟件數字化處理。）

1. 2 現場調研及數據搜集

在研究區開展流域調查，共調查23個村莊，通過問卷調查、口頭訪問、實地考察等方式，收集各個村落居住點的人口、排污方式、畜禽養殖類型和數量、種植類型和面積及耕作方式等相關資料。

數字高程模型（DEM）來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn），以此進行子流域的劃分和坡度計算。根據高程數據結合匯水原理，將喬店水庫以上流域劃分為9個子流域，以子流域為基本單元進行估算分析。

1.3 研究方法

1.3.1 輸出系數法

輸出系數法是根據土地利用類型與污染物輸出之間的關系而建立一種方法[13]，能夠充分利用相對容易得到的土地利用狀況等資料直接建立土地利用與受納水體非點源污染負荷的關系。

研究區流域內不存在工業活動，廢氣排放較少，對雨水水質影響不大，因此本文中排除降雨污染源和工業污染源的影響，僅計算流域農業源與生活源的污染物排放量

Q_i=Y_i+Z_i+S_i，

式中： Q_i 為面源污染物 i 的年排放量； Y_i 為養殖源中污染物 i 的年排放量； Z_i 為種植源中污染物 i 的年排放量； S_i 為生活源中污染物 i 的年排放量。

式中： q_j 為第 j 類養殖的數量（出欄量）; f_ij 為第 j 類養殖的污染物 i 的排放系數； n 為養殖種類的數量。

式中： A_g 為農作物總播種面積； e_ki 為第 k 類農作種植的污染物 i 的流失系數； A_y 為園地作物總播種面積； e_yi 為第 y 類園地種植的污染物 i 的流失系數； σ_o 為種植種類的數量； q_i 為調查年度用于種植業的含氮（含磷）化肥使用面積折純用量； q₀ 為2017年度用于種植業的含氮（含磷）化肥使用面積折純用量。

S_i=rT×365，

式中： r 為常住人口； T 為產污濃度系數。

由于各子流域的面積不同，即使污染排放量相近，對環境的影響及污染程度也不同，因此將計算的污染排放量根據面積折算成排放強度，計算公式為

式中： I_i 為污染物 i 的排放強度； A 為某流域的面積。

選取化學需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）3個指標，在輸出系數中，農業用地系數根據實地調研的作物管理方法，結合《排放源統計調查產排污核算方法和系數手冊》[14]（以下簡稱《手冊》）中給出的系數計算，氮肥、復合肥折純用量參考化肥種類相關資料以及2018年《省統計年鑒》[15]。畜禽養殖采用《手冊》以及相關文獻資料給出的產排污系數和折算標準[16]。農村生活部分的面源污染物輸出系數采用國家環保總局推薦的人口輸出系數及《手冊》中的省綜合去除率。開展水庫流域的基礎情況調查，估算2022年研究區各污染物排放水平[17]

1.3.2 等標污染負荷強度

為了統一對比各指標，將排放強度轉化為等標污染負荷強度，即單位面積所排放污染物稀釋至環境控制標準所需的水量，以消除不同指標的不同標準造成的影響[18] 。

式中： M_i 為污染物 i 的等標負荷強度； ρ₀ 為污染物i 含量標準值（取《地表水環境質量標準》中Ⅲ類水標準），以質量濃度計； M_a 為污染源 α_a 的等標負荷強度； M 為區域的等標負荷強度； L 為污染物種類的數量； ?_m 為污染源種類的數量。

計算各區域的等標污染負荷強，以每個子流域的等標污染負荷強度為基本單元，對比省平均等標污染負荷強度和流域平均強度開展分析討論[19] 。

1.3.3 聚類分析

聚類是數據挖掘、模式識別等研究方向的重要研究內容之一，在識別數據的內在結構方面具有極其重要的作用[20]。本文中選擇 K 均值聚類算法，對各污染物的等標污染負荷數據進行聚類分析。采用系統聚類方法劃分不同區域的污染物主導因素，分析不同地區的污染類型[21]。基于污染核算結果，將ArcGIS軟件中的分組分析工具用于 K 均值聚類，系統聚類分析使用統計產品與服務解決方案軟件（SPSS）。

1.3.4 秩和比

秩和比（RSR）法具有易于理解和操作、克服主觀定權缺陷、綜合能力強等特點[22]，適用于有異常值或數值為0的情況，能夠反映所有評價指標的信息及綜合水平。本文中選擇加權秩和比法劃分流域的污染排放等級，直觀體現流域各區域農業面源污染排放強度。加權秩和比法依據各評價指標的權重值，結合秩和比 R_sr 值得到加權秩和比（WRSR）值[23]，計算公式為

式中： R_sr，x 為第 x 個指標的秩和比； R_b 為第 b 個被評價單位的秩； c 為被評價單位數； d 為指標數。

當各指標權重不同時，計算WRSR值，

式中： W_rsr 為加權秩和比； w_j 為權重系數； R_cx 為第c 個被評價單位的第 x 個指標的秩。

輸出系數法并沒有考慮地形因素對污染量排放的影響。相關研究[24]表明，降雨強度、下墊面因素大致相同時，坡度和土壤中氮、磷元素流失能力具有較大的正相關性。通過ArcGIS軟件計算每個子流域的平均坡度，根據污染物進入水體的影響因素，在避免太高相關性的前提下，選擇TN和TP的等標污染負荷強度、子流域平均坡度3個指標，以特征值法主觀賦權，在計算 R_sr，x 值時根據不同權重加權，以 W_rsr 值分檔排序，進而評估污染排放風險等級。秩和比指標的權重參數見表1。

2 結果與討論

2.1 污染排放量

污染物排放強度計算結果表明，2022年喬店水庫流域3類污染源共排放 cosΩ 、TN和TP污染物338.2t ，排放量分別為 317.4，18.1，2.7t ，分別占總排放量的 93.84%.5.36% 和 0.80% 。各污染源排放量由大到小的排序為養殖源、生活源、種植源，排放量（占比）分別為 258.4t（76.4%） 、 75.0t（22.2%） 人4.8t（1.4%） 。

各子流域的污染物排放量及流域的平均值如圖2所示。由圖可知：COD、TN和TP的排放量最大的區域均為4號子流域，分別占比 29.2% 、 25.4% 和 27.5% 。1、2、4、5號子流域COD排放量大于流域的平均值，排放量最小值出現于6號子流域。2、4、5、7號子流域TN排放量大于流域的平均值，排放量最小值位于9號子流域。2、4、5號子流域的TP排放量大于流域的平均值，排放量最小值位于8號流域。綜上分析，喬店水庫流域COD、TN以及TP的高排放區域相似度較高，出現于2、4、5號子流域，分布于流域3條支流的上游，可能與子流域面積較大、農村居民生活較為密集和養殖規模較大有關。

2.2 等標污染負荷

2.2.1等標污染負荷排放強度

根據式（6）將計算得到的排放量轉化為等標污染負荷強度，研究區各子流域等標污染負荷強度如圖3所示。由圖可以看出，COD排放量較大，等標污染負荷強度平均值約為省的平均值的 86% ，其中，1、2、4、5號子流域COD排放強度大于流域的平均值，最大值出現于4號子流域，最小值出現于6號子流域。 TN 、TP的等標污染負荷強度較小，流域的平均值均遠小于省的平均值，僅分別為省的平均值的 6.9% 和 5.5% 。 ΔTN 、TP的最大等標污染負荷強度分別出現于4、2號子流域。各類污染物的高負荷區域均出現于流域上游畜禽養殖密集地區，說明養殖業對流域污染負荷影響較大；污染物最低負荷區域分別為6、8、9號子流域，均分布于流域下游及庫區附近，說明水庫管理范圍內的環境保護措施較有成效。

喬店水庫流域各類污染物及污染源的等標污染負荷占比如表2所示。污染物等標污染負荷強度由大到小的順序為TN、COD、TP，在總量中占比分別為 39.94% ！ 31.93% 和 28.13% ，各污染物排放強度較為均衡。就污染源而言，等標污染負荷強度由大到小的順序為養殖源、生活源、種植源，在總量的占比分別為 60.75% 、 23.40% 和 15.85% ，養殖源和生活源為主要污染源，貢獻了 73.97% 的COD和69.13% 的 TP 。種植源貢獻率較低，主要原因是研究區位于山丘區，耕地面積小，農藥、化肥投入也較少，生活源和養殖源的污染占比相對較高。

COD、TN、TP等標污染負荷強度最大區域的等標污染負荷強度分別為最低區域的7.4、5.1、10.0倍，變異系數分別為0.65、0.46、0.66，說明不同地區的人類活動及自然差異對污染排放強度具有較大影響。分析流域污染負荷區域特征，識別區域主要污染貢獻源，可以因地制宜地提出相應的管理措施，對流域面源污染防控有重大意義。

2.2.2 聚類分析

將研究區各污染物排放量劃分為4個污染等級，各子流域劃分為4個污染主導類型，結果分別如圖4、5所示。由圖4可知，COD、TN、TP等標污染負荷強度最大值均在流域上游東北部2、4號子流域，污染負荷強度自下游到上游由小到大分布，這是由上、下游環境管理措施及產業結構不同所致：上游地區較為發達的養殖業導致污染物排放量較大；中游地區為較為密集的居住區，因此污染負荷強度為中等。等標污染負荷強度最小值均在庫區周邊，說明水庫直接匯流區域污染物排放較少。

由圖5可以看出，流域上游污染源多以養殖源為主，中游污染源主要為生活、種植源以及混合型，下游污染源則主要為養殖、生活源。從面積占比來看，養殖源主導型區域居多，且越靠近上游，養殖源污染占比越多，不同污染源主導型區域應采取不同的污染治理措施，如研究區養殖業污染問題突出，治理重點應放在畜禽養殖方面。

（資料來源：國家測繪地理信息局標準地圖服務網站，經ArcGIS10.2軟件數字化處理。）

（資料來源：國家測繪地理信息局標準地圖服務網站，經ArcGIS10.2軟件數字化處理。）

2.3 污染風險等級劃分

根據各指標的等標污染負荷強度值計算各子流域的WRSR值，按數值大小排序、區間估計，共分為3個檔，分別對應低污染（ （0～0.222） ）、中污染（ （gt;0.222～0.758） 和高污染（ gt;0.758～1.000） 。喬店水庫流域各區域WRSR值及污染等級分區分別如表3、圖6所示。由表3可知：WRSR值較大的1、2、4、5號子流域，環形分布于種植面積較多、養殖規模較大的上游地區，最大值出現于4號子流域；WRSR值中等的3、7號子流域，分布于人口較為密集、兼有少量養殖活動的中游區域；WRSR值較小的6、8、9號子流域分布于下游庫區附近。由圖6可知：流域污染程度自西南向東北遞增，2、4號子流域為高污染地區，該區域污染負荷較為嚴重，污染發生風險最高，應作為重點治理區域進行防控。1、3、5、6、7、8號子流域為中污染地區，污染發生風險偏高，須要針對區域排放特征開展防控。9號子流域為低污染地區，是養殖種植活動較少的庫區和自然保護區，該區域污染排放較少，污染風險較低。污染等級由下游到上游呈遞增趨勢，說明喬店水庫流域的環境保護措施效果顯著。

2.4 污染防控建議

喬店水庫流域中、上游存在的畜禽養殖污染排放問題，主要原因為流域養殖業以小規模養殖戶為主，沒有形成規模化的養殖場，管理較為粗放，大量畜禽糞便未經處理就直接還田。對于養殖污染最為嚴重的流域東北部的2、4號子流域，應考慮改進管理方式，進行畜禽糞便垃圾的收集工作，推廣糞便還田新工藝，調整產業結構，減小養殖規模，降低污染物的產生與排放。

生活源排放主要存在于3號子流域及庫區附近，主要問題是居民環保意識不足，仍存在污水和生活垃圾排入河道及在河道內洗衣服的現象。對此應開展水環境保護教育宣傳，建立獎懲機制，提高流域中已建成的污水收集設施的利用率，防止中游人口密集區域大量的生活源污染物直接進入河道。也可于下游入庫區域修建矮壩、人工濕地等設施，阻擋與削減水體污染物

種植源排放問題在流域較為普遍，原因是流域土壤含沙量高，且山丘區坡度大，土壤營養物易流失。應針對當地土壤條件，選擇更為合適的農藥、化肥種類，適時適量施用，同時提高秸稈、地膜的回收率，調整種植結構，選擇需肥量更少且當地適宜種植的農林作物等

綜合而言，相對于省污染物平均等標污染負荷強度（COD、TN、TP的平均等標污染負荷強度分別為 189917，2910657，2590938m³/km²） 和省內相近大流域南四湖流域2013年污染物排放水平最小值（TN、TP的等標污染負荷強度分別為2 156 000、 780 500m³/km² ）[25]，喬店水庫流域等標污染負荷強度明顯較低（COD、TN、TP的等標污染負荷強度分別為 ，說明在氣候、地理位置、種植結構相似的情況下，由于單位面積農業規模和管理方式上的差異，喬店水庫流域農業面源污染物排放量較少，污染排放現象不嚴重。

從實地調研中發現，流域內部分區域仍存在水體富營養化問題，說明即使污染排放量相對較少，開展各類污染源的防控治理工作依然十分重要。對于喬店水庫的污染防控研究，后續的工作應重點放在以下2個方面：一是研究內源污染；二是比較流域范圍內下墊面污染流失能力。

3結論

本文中通過等標污染負荷法對喬店水庫流域污染物排放水平進行估算，得到以下結論：

1）喬店水庫流域2022年COD、 ΔTN 、TP排放量估算值分別為 317.4，18.1，2.7t，COD 排放量最大，占比約 93.84% ，是流域的主要污染排放物。TP排放量最小，占比為 0.80%

2）流域內的等標污染負荷強度由大到小的污染物順序為 ΔTN 、 cosΩ 、TP，主要污染物為TN和COD，占比分別為 39.94%.31.93% 。COD 排放強度最大值遠大于省的平均值，負荷強度平均值略小于省的平均值。 TN 、TP等標污染負荷強度的平均值和最大值均遠小于省的平均值。各個子流域、各類污染物的等標污染負荷強度存在明顯不同，不同區域相同污染物的污染負荷強度比值達到10.0，變異系數最大達到0.65，說明不同地區的人類活動及自然差異對污染排放強度具有較大影響。

3）研究區污染物排放量由大到小的污染源排序為養殖源、生活源、種植源，占比分別為 60.75% ！23.40% 和 15.85% 。污染物高排放區域分布于流域上游，且多為養殖源主導。流域下游多為生活源養殖源污染混合主導，下游及庫區附近的污染負荷強度較小，水庫管理區范圍內的環境治理措施效果顯著。

4）喬店水庫流域上游的2、4號子流域污染風險等級最高，9號子流域污染風險最低，研究區污染風險自西南到東北呈現遞增趨勢。

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（責任編輯：于海琴）