基于改进输出系数模型的农业源污染物负荷核算

胡晴1 郭怀成1 王雨琪1,2 张扬1 李政1 付正辉3 陆文涛4,†

1.北京大学环境科学与工程学院, 北京 100871; 2.清华大学附属小学, 北京 100084; 3.中国环境科学研究院, 北京 100012; 4.生态环境部环境规划院, 北京 100012; †通信作者, E-mail: luwt@caep.org.cn

摘要 选择滇池流域作为案例, 考虑区域自然地理、水文气象以及人类活动影响等因素的差异性, 利用1 km×1 km栅格数据, 开展农业源污染物TN和TP入水体系数的精细化模拟测算, 得出降雨驱动因子、地形驱动因子、地表径流因子、地下蓄渗/地下水径流因子和截留因子, 计算得到2016年滇池流域农业源TN和TP的平均综合入水体系数分别为0.447和0.342, 进而估算得到滇池流域2016年全年农业源污染物TN和TP实际入水体负荷量分别为577.39和 167.62 t。研究结果表明, 滇池流域农业源污染物排放量和入水体负荷量存在显著的空间分布差异, 81.0%的氮排放量和74.2%的磷排放量集中分布在草海陆域和外海北岸, 排放量最大的是位于外海的盘龙江上游, 分别占氮、磷总排放量的21.9%和20.2%。此外, 农业源污染物TN和TP排放量中, 来自畜禽养殖的污染占比超过90%, 应作为农业源污染控制的重点关注目标。关键词 农业源; 输出系数; 入水体系数; 负荷量; 滇池

随着流域水环境污染问题日益突出, 作为水环境污染成因中面源污染的主要来源, 农业污染是造成水体富营养化的主要原因之一, 严重地威胁着水体的生态环境[1–2]。由于流域的时空变化及面源污染产生和迁移过程中受到自然地理条件的影响, 面源污染的过程机制更加复杂, 不确定性更大, 使得

[3–5]模拟与监测的难度加大 。目前, 国内外常用的面源污染负荷计算方法主要有输出系数模型、实证模型和机理模型三类[6]。输出系数模型起源于20世纪70 年代[7], 1996年, Johnes[8]在总结以往输出系数法研究成果的基础上, 综合考虑土地利用类型、牲畜数量和分布、农村居民生活排放和处理水平等不同农业源类型的输出系数, 对传统输出系数模型进行改进。该模型因所需参数少、对基础资料要求较低、操作简便和精度较高等特点而得到广泛应用,成为输出系数法的经典模型[9–12]。由于传统的流域输出系数模型没有考虑地下的空间异质性和降雨径流过程等问题, 导致模型存在一些局限性。Yuan等[13]引入降雨因子和地形因子,模拟农户生计对面源污染的影响。Cheng等[14]考虑降水和地形因素, 发现农村人口的污染物排放是中国北方半干旱区流域面源 TN污染的重要原因。Wang等[15]加入截留系数来计算三峡库区不同土地利用类型的非点源氮磷污染负荷。庞树江等[16]在总氮输出系数模型中引入地表径流因子、土壤水淋

[17]溶因子和景观截留因子。龙天渝等 定义降雨侵蚀力影响系数, 并基于地形指数和植被覆盖度, 提出入河系数的空间分布式, 对三峡库区2002—2012年总磷总氮负荷进行模拟, 结果表明降雨侵蚀力是影响年际变化的主要因素, 畜禽养殖对氮的贡献最大, 土地利用对磷的贡献最大。

对输出系数模型的改进, 目前考虑最多的是降雨和地形因素, 也有部分研究考虑地表径流、地下径流和植被截留等因素[15–17], 但很少有研究考虑农业非点源污染物输移的全过程, 结合各方面因素来计算综合入水体系数。

本研究在输出系数模型的基础上, 考虑区域自然地理、水文气象以及人类活动影响等因素的差异性, 建立“驱动因子–传输因子–下渗因子–滞留因子”为主体的全过程入水体系数核算技术体系。针对农业源污染物总氮(TN)和总磷(TP), 选择云南省昆明市滇池流域作为典型流域, 计算滇池流域1 km×1 km栅格的降雨驱动因子、地形驱动因子、地表径流因子、地下蓄渗/地下水径流因子以及截留因子(五因子), 进而得到综合入河系数。根据由五因子核算体系得出的综合入水体系数, 以区县为单位估算典型流域的农业源污染物入水体负荷量, 从而获得较可靠的农业源污染物入水体系数和负荷量计算体系。

1 研究区概况

滇池流域(北纬 24°29'—25°28', 东经 102°29'— 103°01')位于中国云南省东部。流域四周为丘陵和山地, 东部自北而南分别以嵩明梁王山脉、长虫山、西山和晋宁照壁山为界。地形特点是周边高,中间为滇池盆地。滇池流域面积为2920 km2, 沿北偏东方向延伸, 东西宽约47 km, 南北长约109 km。滇池湖面呈弓形, 弓背向东, 湖岸线长163 km, 湖面东西平均宽7.5 km, 南北长40 km, 最宽处 12.5 km, 最窄处不足百米。当水位为正常水位1887.4 m时, 平均水深5.3 m, “海眼”最大水深11.2 m, 湖面面积约309 km2, 相应的蓄水容积为15.6 亿 m3。滇池具有工农业用水、调蓄、防洪、旅游、航运、水产养殖和调节气候等多种功能, 对昆明经济社会的发展和宜人气候的形成起着重要作用[18–19]。

2 数据与方法2.1 数据来源

雨量数据来源于中国大气同化驱动数据集CMADS, 采用反距离加权插值法[20]得到滇池流域基本测算单元 2008—2016 年的降雨量分布(表 1);滇池流域坡度数据提取自SRTM1 DEM (30 m×30