2013院报1期目录(三校)

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肇谈
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1 第 11 卷第 1 期中国水利水电科学研究院学报 Vol.11 No 年 3 月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research March,2013 文章编号 : (2013) 中小河流非点源污染治理负荷估算及分区分类研究崔巍, 白音包力皋, 陈文学, 陈兴茹 ( 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 ) 摘要 : 针对中小河流非点源污染治理过程中存在的河流数量众多基础资料缺乏重点难以把握等状况, 提出一套基于遥感 (RS) 和地理信息系统 (GIS) 技术的污染负荷估算方法, 识别主要污染物和污染源, 确定重点防治地区和流域以哈尔滨地区为例, 在分析非点源污染来源基础上, 使用输出系数模型 (ECM) 估算 2010 年非点源 TN TP 污染负荷及空间分布特征, 计算 TN TP 等标负荷, 确定主要污染物根据等标污染负荷空间分布差异, 将哈尔滨地区划分为 5 个污染负荷区, 以流域为单元用聚类分析法将中小河流归为 5 类, 确定了区域中小河流非点源污染防治重点关键词 : 非点源 ; 中小河流 ; 输出系数模型 ; 等标负荷 ; 聚类分析 ; 区划中图分类号 :X522 文献标识码 :A 1 研究背景我国中小河流数量多, 分布广, 与大江大河湿地湖泊等相连通, 其河流污染状况直接关系到地区可持续发展目前, 中小河流治理总体滞后, 存在着水污染加剧以及衍生的水质型缺水水生态环境恶化等一系列问题我国将中小河流治理列入十二五时期水利工作重点, 其中中小河流工业和生活点源污染源受到有效控制, 而非点源污染具有很大隐蔽性和不确定性, 所受重视和治理较滞后, 成为中小河流水体污染主要原因中小河流非点源污染防治须以污染物负荷量化为基础, 明确防治重点区域, 以使有限的人力物力充分发挥作用国内外现有非点源污染负荷计算模型中, 考虑污染物迁移机理的模型对资料要求高, 参数校准和率定复杂对中小河流而言, 其监测数据普遍缺乏文献 [1] 对东北地区近 20 年 ( 年 ) 相关研究进行统计, 指出由于缺乏气候地形土地利用和管理措施的数据量和数据精度, 精细物理型非点源污染模型 (SWAT 模型 AnnAGNPS 模型 ) 难以良好地校准和验证, 限制了其使用经验模型对资料要求较少, 但缺乏机理基础, 往往精度较低相比较而言, 输出系数模型利用相对容易得到的土地利用状况等资料, 估算流域污染物输出量, 很大程度上降低了对试验和资料的依赖性, 为中小河流非点源污染负荷估算提供了一种具有一定精度的实用方法不过, 输出系 [2-4] 数法当前多针对单个流域或行政区域开展, 而中小河流数目众多, 需科学快速地从中筛选出防治重点与优先度本文以哈尔滨市 58 条松花江一级支流非点源污染评估为例, 综合运用 RS GIS 技术和聚类分析等方法, 提出污染负荷强度估算污染物识别重点地区鉴别的方法, 不仅对哈尔滨市中小河流非点源污染治理具有指导意义, 也可供我国其它地区中小河流治理借鉴 2 研究区域概况及污染源分析哈尔滨市位于东经北纬之间下辖 8 区 7 县和 3 个县级市, 行收稿日期 : 基金项目 : 中国水科院优秀青年科研专项 ( 水集 1312) 作者简介 : 崔巍 (1979-), 男, 河南焦作人, 博士, 高级工程师, 主要从事河流治理与保护研究 joylife@126.com 14

( 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100038) 摘要 : 针对中小河流非点源污染治理过程中存在的河流数量众多基础资料缺乏重点难以把握等状况, 提出一套基于遥感 (RS) 和地理信息系统 (GIS)

2 政区划面积 5.31 万 km 2 分布有 183 条中小河流, 均属松花江水系 2010 年全市未达标河段占总评价 [5-6] 河长 ( 含松花江监测段 ) 的 23.3%, 其中劣 Ⅴ 类河段河长占 6.7% 研究显示, 松花江流域非点源污染所占比例逐年增加, 自 2000 年起松花江流域 TN TP 非点源污染负荷已超过点源, 其中 TP 远远超过点源, 非点源污染防治已经成为哈尔滨市中小河流治理的重要任务之一根据调查, 哈尔滨市中小流域非点源污染主要源自以下方面 :(1) 养殖污染畜禽养殖主要分布在城郊结合部和农村地区, 大部分规模养殖户养殖场缺乏干湿分离等污染防治措施, 部分养殖户将畜禽圈舍建在池塘边, 粪便未经处理直接排出造成水体污染 ;(2) 农药流失松花江流域化肥农药施用总量大, 有效利用率低, 大量残留的化肥农药污染地表水及地下水 ;(3) 化肥流失松花江流域中下游是国家商品粮基地, 化肥年平均施用量为 523.5kg/hm 2[7], 远高于全国平均水平 (277.5kg/hm 2 ) 化肥农药通过地表径流进入中小河流并汇入松花江 ;(4) 农村生活污水和废弃物中小流域有农业人口 500 余万, 由于农村市政设施落后, 卫生环境状况差, 生活垃圾种植业养殖业固体废物堆放处置, 暴雨冲刷下进入中小河流 3 非点源污染负荷估算 3.1 输出系数模型 20 世纪 70 年代初期, 美国加拿大在研究土地利用 - 营养负荷 - 湖泊富营养化关系的过程中, 提出并应用了输出系数模型 ( 亦称单位面积负荷法 ) 1996 年英国学者 Johns [8] 在前人成果的基础上, 经过长期的研究和实践, 提出了更为细致更为完备的输出系数模型模型在考虑土地利用分类的基础上, 结合居民非点源污染物的排放和处理状况牲畜的数量和分布来确定不同污染源的输出系数模型能较为准确的对大尺度流域的非点源污染进行评价和预测, 在北美地区得到 [9] [10] [11] 广泛应用, 我国应用于松辽流域长江上游汉江丹江流域等地区输出系数法的缺陷是未考虑对营养物质迁移起决定性作用的水文路径问题和在水循环过程中营养物质迁移转化的问题, 不能预测单场降雨所产生的非点源污染负荷 [12] 近年来, 国内外学者对模型不断改进, 提出了考虑土地利用变化的输出系数模型改进的磷输出系数模型考虑水文因素和流域损失的改进输出系数法等提高了模拟精度和时空尺度适宜性, 对资料和参数率定的要求也有所提高基于哈尔滨地区中小河流资料状况, 本文仍采用基本形式的输出系统模型 : n L = å E i A i + P (1) i = 1 式中 :L 为营养物 ( 污染物 ) 的输出负荷 ;E i 为第 i 种营养源 ( 污染来源 ) 的输出系数 ; A i 为第 i 类土地利用类型面积或第 i 种牲畜数量人口数量 ;P 为降雨输入的营养物 ( 污染物 ) 数量 E 表示区域内不同污染来源的营养物 ( 污染物 ) 输出率对于不同土地利用类型, 表示土地利用中所流失的营养物 ( 污染物 ) 比例 ; 对于牲畜而言, 表示牲畜排泄物直接进入受纳水体比例, 中间应考虑人类收集和储存粪肥过程中氨的挥发 ; 对于人类而言, 反映当地人群对含磷去污剂的使用状况饮食营养状况和生活, 其中农村没有污水处理设施, 且人口分布分散, 系数主要反映农村生活污水中的营养物 ( 污染物 ) 进入受纳水体比例降雨输入的营养物 ( 污染物 ) 数量计算公式为 : 式中 :c 为雨水中营养物浓度 (g/m 3 );a 为年降雨量 (m 3 );Q 为径流系数 P = caq (2) 3.2 输出系数的确定输出系数模型中, 影响非点源污染物输出系数因素众多, 包括流域内地形地貌水文气候土地利用土壤类型和结构植被管理措施以及人类活动等, 确定方法有查阅文献值法和试验法等本文输出系数采用查阅文献值法, 松花江流域纬度位置与耕作方式等与欧洲 [2,13-14] 和北美接近, 结合国内一些学者研究, 确定哈尔滨市 N P 输出系数如表 1, 输出系数在中国东 [3] [] 北地区也被认可和使用水体因降雨产生的非点源污染浓度参考文献降水监测估算结果, 总氮浓

域非点源污染主要源自以下方面 :(1) 养殖污染畜禽养殖主要分布在城郊结合部和农村地区, 大部分规模养殖户养殖场缺乏干湿分离等污染防治措施, 部分养殖户将畜禽圈舍建在池塘边, 粪便未经处理直接排出造成水体污染 ;(2) 农

3 表 1 哈尔滨市 N P 输出系数 N P 源 N 输出系数 P 输出系数农村生活 10-4 /(t/(ca a)) 人口大牲畜禽畜养殖 10-4 /(t/(ca a)) 猪羊家禽耕地森林土地利用 /(t/(km 2 a)) 草地城镇未利用地度为 1.27mg/L, 总磷浓度为 0.025mg/L 3.3 污染负荷估算及来源组成分析计算数据包括 2010 年哈尔滨地区土地利用数据 ( 图 1) 农村人口畜禽养殖分布数据多年平均降雨数据多年平均径流系数等数据源自解译的遥感影像哈尔滨市统计年鉴 (2010 年 ) 哈尔滨市水资源公报 (2010 年 ) 等根据式 (1), 使用 ArcGIS 9.2 的 Raster Calculator 工具, 计算出不同土地利用类型非点源 TN 和 TP 负荷强度分布栅格图 (1km 1km)( 图 2); 使用 Map Algebra 工具叠加农村人口畜禽养殖分布数据, 计算出人和禽畜非点源 TN 和 TP 负荷强度分布栅格图 ( 图 3); 根据式 (2), 使用 Raster Calculator 工具计算出降雨非点源 TN 和 TP 负荷强度分布栅格图将土地利用降雨人和牲畜非点源 TN 和 TP 负荷强度栅格图叠加求和, 得出非点源 TN 和 TP 负荷强度分布 ( 图 4) 图 1 哈尔滨市土地利用情况 (2010 年 ) 图 2 哈尔滨市土地利用非点源总氮负荷分布本文计算出哈尔滨地区 TN 强度为 2.72(t/(km 2 a)),tp 为 0.10(t/(km 2 a)), 与文献 [3] 松花江干流 TN 负荷强度 2.06(t/(km 2 a)) 和 TP 负荷强度 0.08(t/(km 2 a)) 具有一定吻合性本文所采用的输出系数准确度仍需要进一步验证, 需开展土地利用类型输出系数率定工作另外, 本文采用的农村生活和畜禽养殖数据以区县为统计单元, 影响成果精度通过统计哈尔滨地区不同污染源输出总氮总磷负荷量值, 可分析比例构成 ( 图 5 图 6) 哈尔滨市中小河流非点源 TP 负荷最主要来源是耕地面源污染, 占 45%, 第二大来源是农村人口生活, 占 21%;TN 负荷最主要来源同样是耕地面源污染, 占 53%, 第二大来源是大牲畜, 占 % 因而防治非点源污染, 最重要的是控制耕地面源污染, 农村人口生活和牲畜污染同样是防治的重点

3 污染负荷估算及来源组成分析计算数据包括 2010 年哈尔滨地区土地利用数据 ( 图 1) 农村人口畜禽养殖分布数据多年平均降雨数据多年平均径流系数等数据源自解译的遥感影像哈尔滨市统计年鉴 (2010 年 ) 哈尔滨市水资源公报

4 图 3 哈尔滨市农村人口及禽畜非点源总氮负荷分布图 4 哈尔滨市非点源 TN 负荷强度分布图 5 哈尔滨市非点源污染 TP 负荷来源组成图 6 哈尔滨市非点源污染 TN 负荷来源组成 3.4 等标污染负荷及污染负荷比计算 TN TP 属不同的污染物, 具有不同的污染源特征环境效应危害, 为能在同一尺度上加以比较, 确定主要污染物及负荷比, 需要对污染物和污染源进行标化计算, 最常用特征数是等标污染负荷污染物等标污染负荷是指单位时间排放的含该污染物的废水等标体积, 公式如表 2 根据 2010 年哈尔滨市水资源公报, 中小河流目标水质多数为 Ⅲ 类, 据此确定 TN 评价标准为 1.0mg/L,TP 评价标准为 0.2mg/L 表 2 等标污染负荷及负荷比计算公式各等标污染负荷计算公式各等标污染负荷比计算公式某污染物的等标污染负荷 Pi P i = C i C oi Q i 污染物 i 在某污染源中的污染负荷比 Ki K i = P i P iz 100% 某污染源的等标污染负荷 Pn n P n = å P i i = 1 污染物 i 在某区域中的污染负荷比 Kiz K iz = P iz P m 100% 某区域中的等标污染负荷 Pm m P m = å P n n = 1 总污染源 n 在某区域中的污染负荷比 Kn K n = P n P m 100% 区域中某污染物的总等标污染负荷 Piz z P iz = å P in n = 1 注 :Ci 为污染物的实测浓度值 (mg/l);coi 为第 i 种污染物排放标准 (mg/l);qi 为污染物的废水排放量 (m 3 /a);n 为污染物的种类 ;m 为污染源的个数 ;Pin 为第 n 个污染物 i 的等标污染负荷 ;z 为总数根据表 2 中计算公式, 利用 ARCGIS9.2 的 Raster Calculator 工具, 计算出哈尔滨市等标污染负荷空间分布状况以行政区划为统计单元, 得到区县 TP TN 污染负荷强度等标负荷及负荷比 ( 表 3) 区县 TP TN 污染负荷比基本相同,TN 占 % 左右,TP 占 % 左右,TN 是哈尔滨市中小河流非点源污染主要污染物, 是防治重点 17

标污染负荷是指单位时间排放的含该污染物的废水等标体积, 公式如表 2 根据 2010 年哈尔滨市水资源公报, 中小河流目标水质多数为 Ⅲ 类, 据此确定 TN 评价标准为 1.0mg/L,TP 评价标准为 0.

5 表 3 哈尔滨市各区县面源 TP TN 负荷地区方正依兰延寿五常通河双城尚志木兰宾县巴彦阿城呼兰市区均值 TN/(t/(km 2 a)) TP/(t/(km 2 a)) 等标负荷 TN 比重 /% TP 比重 /% 注 : 哈尔滨市区中呼兰区阿城区数据单独统计 4 中小河流非点源污染治理分区及分类使用 ARC Hydro 工具, 划分哈尔滨市松花江一级支流流域, 如图 7 所示使用 ARCGIS 的自然断点分级工具 (Nature break), 按哈尔滨市等标污染负荷空间分布状况分区, 划为重污染负荷区较重污染负荷区中度污染负荷区较轻污染负荷区和轻污染负荷区 5 个区, 如图 8 所示图 7 哈尔滨市松花江一级支流流域划分图 8 面源污染 (TP TN) 等标负荷强度分区基于因素叠加法, 将流域图层与等标污染负荷图层叠加, 以流域为统计单元输出哈尔滨市中小流域等标负荷强度采用 IBM-SPSS 9.3 统计分析软件, 采用欧氏距离平方度量法 Ward s 聚类法和 Z scores 标准化法, 将 58 个一级流域按平均等标负荷强度大小划为 5 类, 类内依照负荷大小排序限于篇幅, 表 4 列出了分类部分结果表 4 哈尔滨市松花江一级支流分类 ( 局部 ) 流域名称马蛇子河淘气河运粮河何家沟二道河少陵河棒锤河黑背河大古洞河西北河等标负荷分类 Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅳ Ⅳ Ⅴ Ⅴ 非点源污染分区结果表明, 重污染负荷区为双城市巴彦县哈尔滨市区 ( 不含呼兰和阿城区 ) 宾县等区域, 重点优先治理 ; 较重污染负荷区为呼兰区阿城区依兰县和尚志市的局部地区, 治理的优先度次之非点源污染分类结果表明, 马蛇子河淘气河等 Ⅰ 类河流面源污染负荷最大, 需重点优先治理 ; 运粮河何家沟等 Ⅱ 类河流面源污染负荷较大, 治理优先度次之 18

6 5 结论 (1) 将遥感地理信息系统输出系数法聚类分析等技术相结合, 应用于中小河流非点源污染治理, 能够科学高效地识别主要污染物和污染源, 确定出重点防治片区和流域 ;(2) 哈尔滨地区中小河流非点源污染成份中,TN 是主要污染物, 在等标负荷中占 %,TP 污染为次要污染物, 在等标负荷中占 %;(3) 哈尔滨地区中小河流非点源污染源组成中, 农业是污染物最大来源, 占 TP 总来源的 93%, 其中耕地 45%, 农村人口生活 21%; 占 TN 总来源的 92%, 其中耕地 53%, 大牲畜 %;(4) 哈尔滨地区中小河流非点源污染防治重点地区为双城宾县五常等 Ⅰ 级地区, 重点流域为马蛇子河淘气河等 Ⅰ 类河流流域, 重点领域为农业污染, 主要是耕地及农村人口污染排放相比较而言, 对 TN 污染的控制更为紧要参考文献 : [ 1 ] 杨育红, 阎百兴. 中国东北地区非点源污染研究进展 [J]. 应用生态学报,2010,21(3): [ 2 ] 蔡明, 李怀恩, 庄咏涛. 改进的输出系数法在流域非点源污染负荷估算中的应用 [J]. 水利学报,2004(7): [ 3 ] 马广文, 王业耀, 香宝, 等. 松花江流域非点源氮磷负荷及其差异特征 [J]. 农业工程学报,2011,27(2): 3-9. [ 4 ] 杨淑静. 宁夏灌区农业氮磷流失污染负荷估算研究 [D]. 北京 : 中国农业科学院,2009. [ 5 ] 岳勇, 程红光, 杨胜天, 等. 松花江流域非点源污染负荷估算与评价 [J]. 地理科学,2007,27(2): [ 6 ] 杨育红, 阎百兴, 沈波, 等. 第二松花江流域非点源污染输出负荷研究 [J]. 农业环境科学学报,2009,28 (1):1-5. [ 7 ] 金奎祥. 松花江水域农业面源污染综合防控与治理 [J]. 农场经济管理,2010(6): [ 8 ] Johnes P J. Evaluation and management of the impact of land use change on the nitrogen and phosphorus load de livered to surface waters:the export coefficient modeling approach[j]. Journal of Hydrology,1996,183: [ 9 ] 王秀娟, 刘瑞民, 何孟常. 松辽流域非点源污染 TN 时空变化特征研究 [J]. 水土保持研究,2009,(4): [ 10 ] 丁晓雯, 沈珍瑶, 刘瑞民. 长江上游非点源氮素负荷时空变化特征研究 [J]. 农业环境科学学报,2007,26 (3): [ 11 ] 李怀恩, 王莉, 史淑娟. 南水北调中线陕西水源区非点源总氮负荷估算 [J]. 西北大学学报 ( 自然科学版 ), 2010,40(3): [ 12 ] 薛利红, 杨林章. 面源污染物输出系数模型的研究进展 [J]. 生态学杂志,2009,28( 4): [ 13 ] 刘瑞民, 沈珍瑶, 丁晓雯, 等. 应用输出系数模型估算长江上游非点源污染负荷 [J]. 农业环境科学学报, 2008,27(2): [ 14 ] 金春久, 李环, 蔡宇. 松花江流域面源污染调查方法初探 [J]. 东北水利水电,2004,22(6): [ ] 李恒鹏, 刘晓玫, 杨桂山. 太湖地区西苕溪流域营养盐污染负荷结构分析 [J]. 湖泊科学,2004,( 增刊 ): ( 下转第 26 页 ) 19

牲畜 %;(4) 哈尔滨地区中小河流非点源污染防治重点地区为双城宾县五常等 Ⅰ 级地区, 重点流域为马蛇子河淘气河等 Ⅰ 类河流流域, 重点领域为农业污染, 主要是耕地及农村人口污染排放相比较而言, 对 TN 污染的控制更为紧要参考

7 ( 上接第 19 页 ) Study on estimation,regionalization and classification of nonpoint source pollution for small and midsize river basins management CUI Wei,Baiyinbaoligao,CHEN Wen-xue,CHEN Xing-ru (State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing ,China) Abstract: For dealing with problems such as the large number of rivers, lack of basic data, difficulties in setting the priorities when managing nonpoint source pollution for small and medium-sized river basins, a set of methods are put forward based on RS and GIS techniques. The methods can estimate the pollution load, identify the principal pollutant and primary pollution source, and determine the prior control area & river promptly and effectively. Taking the Harbin city as example, the non-point source total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) pollution sources are firstly analyzed. Then pollutant load distribution is es timated using export coefficient model (ECM) referring to the data of statistical yearbook,water resources bulletin and land use data in The non-point source TN & TP load proportion together with primary pollution source are identified using the equal-standard-pollution-load method. Based on this work,the Har bin region is divided into 5 subregions according to equal-standard-pollution-load. 58 small and medi um-sized river regions are classified into 5 classes using cluster analysis method. Therefore the prior area and river basin are determined. Key words: non-point source; small and midsize river basins; export coefficient model; equal-stan dard-pollution-load;cluster analysis;delineation ( 责任编辑 : 吕斌秀 ) 26

such as the large number of rivers, lack of basic data, difficulties in setting the priorities when managing nonpoint source pollution for small and medium-sized river basins, a set of methods are

说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度, 对 2015 年春季期教运行基

说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度, 对 2015 年春季期教运行基内部资料东北师范大教运行基本状态据报告 2015 年春季期教务处 2015 年 10 月 27 日说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度,