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1 第 32 卷第 8 期农业工程学报 Vol.32 No 年 4 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 基于输出系数模型的水库汇水区农业面源污染负荷估算李娜 1, 韩维峥 2, 沈梦楠 1, 于树利 (1. 吉林建筑大学松辽流域水环境教育部重点实验室, 长春 ; 2. 长春市城乡规划设计研究院, 长春 ) 2 摘要 : 面源污染是导致环境恶化的主要原因之一, 由其所引起的水体富营养化现象, 已严重威胁着水环境生态安全该文以长春市水源地新立城水库汇水区为研究对象, 选用输出系数模型对其农业非点源污染负荷进行估算, 得到结果如下 :1) 汇水区内农业非点源污染总氮总磷负荷量分别为 t/a, 且二者空间分布较一致 ;2) 总氮负荷量的贡献率大小顺序为 : 土地利用 > 畜禽养殖 > 农村人口, 总磷的污染负荷贡献率大小为 : 畜禽养殖 > 土地利用 > 农村人口 ;3) 选取水库年水质监测数据计算营养盐输出负荷, 与模型估算的输出负荷进行对比, 得到模型模拟具有较高精度, 系数选取合理可靠, 可信度高, 可在研究区范围内进行推广, 能够为长春市水源地综合整治及水利规划提供了数据支撑及科学依据关键词 : 污染 ; 土地利用 ;N;P; 输出系数模型 ; 污染负荷 ; 新立城水库 doi: /j.issn 中图分类号 :X522 文献标志码 :A 文章编号 : (2016) 李娜, 韩维峥, 沈梦楠, 于树利. 基于输出系数模型的水库汇水区农业面源污染负荷估算 [J]. 农业工程学报,2016, 32(8): doi: /j.issn Li Na, Han Weizheng, Shen Mengnan, Yu Shuli. Load evaluation of non-point source pollutants from reservoir based on export coefficient modeling[j]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(8): (in doi: /j.issn 引言水环境污染主要来自于点源和非点源 ( 也称面源污染 )2 种不同类型的污染源排放, 研究表明, 非点源污染是导致水环境恶化的主要原因之一 [1-2] 目前全球 hm 2 的退化耕地中, 约 12% 由农业非点源污染引起 [3] 中国的滇池巢湖太湖, 以及黄河淮河汉江等水域, 非点源污染凸显, 同时伴随着高原湖泊常年处于富营养化状态 [4], 成为威胁生态环境的主要原因但与点源污染相比, 面源污染具有发生时间的随机性发生方式的间歇性机理过程的复杂性排放途径及排放量的不确定性污染负荷的时空变异性模拟与控制的困难性等特点, 监测难度较大 [5-6] 输出系数模型是在土地利用 - 营养负荷 - 湖泊富营养化关系研究中提出的 [7], 所需参数少, 操作简便, 又具有一定的精度, 能够借助土地利用状况等资料, 是一种集中核算非点源污染负荷的方法 [8] 近年来, 中国学者利用输出系数模型开展了太湖 [9] 三峡库区 [10-11] 重庆 [12] 扬子江 [13] [14] 北京等地区农业非点源污染负荷研究本文以长春市水源地新立城水库汇水区作为研究对象, 结合现场调研统计年鉴数据土地利用信息和环保部十二五统计资料等, 利用输出系数模型进行汇水区总氮总磷污染负荷量负荷贡收稿日期 : 修订日期 : 基金项目 : 国家水体重大专项 (2010ZX ); 国家自然科学基金资助项目 ( ) 作者简介 : 李娜, 女, 吉林农安人, 讲师, 主要从事水环境综合治理与农业面源污染研究长春吉林建筑大学, lina @163.com 献率及强度分布研究, 为水源地综合整治和科学规划提供了数据支撑和决策依据 1 研究区概况新立城水库位于长春市南部, 地理位置为 ~ E,43 2 ~43 50 N, 以供给长春市工业和生活用水为主, 同时结合下游防洪防涝和养鱼等综合利用的大型水库, 汇水区总面积 km 2, 水库多年平均径流量 2.16 亿 m 3, 校核洪水位为 m, 总库容 5.92 亿 m 3, 设计供水量 0.88 亿 m 3 /a, 汇入及汇出河流均为伊通河, 水库坝址以上河长 km 水库汇水区内 16 个小流域中有主要水库 13 座, 其中包含石门水库寿山水库三联水库 3 座中型水库水库汇水区地跨长春市 9 个乡镇四平市伊通县 13 个乡镇和公主岭市磐石市 2 个镇, 共 39.6 万人, 汇水区农业耕地面积 13.3 万 hm 2, 其中旱地面积 12.9 万 hm 2, 占比达到 97%, 水田仅 0.44 万 hm 2 汇水区内还存在很多设施农业, 主要为蔬菜水果大棚 2 输出系数法及输出系数取值 2.1 输出系数模型输出系数模型是利用相对容易得到的流域土地利用类型等数据, 通过多元线性相关分析, 直接建立流域土地利用类型与面源污染输出量之间的关系, 然后通过对不同污染源类型的污染负荷求和, 得到研究区的污染输出负荷 Johns 等建立的输出系数模型方程为 m L = E A + P, (1) j ij i i= 1

2 第 8 期李娜等 : 基于输出系数模型的水库汇水区农业面源污染负荷估算 225 式中 L j 为污染物 j 在流域的总负荷量,kg/(hm 2 a);i 为流域中的土地利用类型, 共 m 种 ;E ij 为污染物 j 在第 i 种土地利用类型中的输出系数,kg/hm 2, 或第 i 种畜禽每头排泄系数,kg/a, 或人口每人输出系数,kg/a;A i 为流域中第 i 种土地利用类型的面积,hm 2, 或第 i 种畜禽数量 ( 头 ) 或人口数量 ( 人 );P 为由降雨输入的污染物总量, kg/(hm 2 a), 为与以往研究结果进行对比, 本文中亦未考虑此项的影响 2.2 输出系数值的选取一般将引起农业面源污染的因素归结为 3 类 : 农村居民生活污水及废弃物土地利用方式畜禽养殖 [15-17], 据此来研究区域农业面源污染输出负荷农村居民输出系数通过 2013 年吉林省统计年鉴 [18] 地方统计年鉴及现场调研得到, 汇水区总人口 39.6 万人, 汇水区所涉及的人口均为农村居民, 其中伊通县人口最多, 达 29.6 万人, 占流域总人口的 74.7%, 而磐石市沙河镇和公主岭市响水镇人口少根据吉林省地方标准用水定额 (DB22/ T ), 农村居民生活用水量为 50~ 60 L/( 人 d), 在本研究中取值为 55 L/( 人 d), 参考以往研究 [19], 村镇生活污水中 TN TP 的质量浓度分别为 mg/l, 选取排水系数 0.6, 得到研究区生活污水 TN TP 排泄系数分别为 kg/( 人 a) 土地利用输出系数本文应用输出系数模型研究面源污染负荷, 首先对新立城水库汇水区 2012 年 Landsat TM 的 30 m 分辨率数据进行几何精矫正, 利用人机交互目视解译的方法获取研究区土地利用矢量数据, 选取若干样本区, 结合实地调研结果进行精度检验, 分类结果可信度高, 能够用于土地利用变化分析本研究中土地利用参考全国区域委员会 1985 年公布的土地利用分类标准, 结合流域特点, 土地利用类型可分为林地草地湖泊水库农村用地水田和旱田共 7 种类型 ( 见表 1), 其中旱田面积所占比例最高, 达到 47.90%, 湖泊面积最少, 仅占 0.04%; 汇水区所涉及区域中伊通县面积最大, 为 76.73%, 公主岭面积则最小地区 District 表 1 研究区土地利用信息 Table 1 Conditions of land-use area 土地利用类型 Land-use type/km 2 湖泊水库农村用地 Lake Reservoir County land 百分比 Percentage/% 林地 Wood land 草地 Grass land 水田 Paddy land 旱田 Dry land 朝阳区 Chaoyang 净月区 Jingyue 双阳区 Shuangyang 磐石市 Panshi 公主岭市 Gongzhuling 伊通县 Yitong 合计 Total 不同土地利用方式下面源污染物输出系数的确定一般可采用试验或调研的方法确定, 但对于湖泊和水库长时期内 TN 和 TP 将富集在底泥中, 故其 TN TP 输出系数取值为 0 [20-21], 本研究中其他土地利用方式的输出系数取值尚无相关调研工作支撑或试验依据, 故参考国内相似自然条件下其他地区的研究结果而取其平均值确定, 见表 2 表 2 以往研究不同土地利用方式 TN TP 输出系数取值 Table 2 Export coefficient classification of TN & TP in relevant river basins 输出系数取值参考文献研究区域污染物 Export coefficient value/(kg hm -2 a -1 ) References Study area Pollutant 林地 Wood land 草地 Grass land 农村用地 County land 旱田 Dry land 水田 Paddy land [22] 李根和毛峰中国 TN NA NA Li Gen and Mao Feng China TP NA NA [23] 李兆富等西苕溪湿地 TN NA Li Zhaofu, et al. Xitiaoxi TP NA [24] 刘亚琼等北京地区 TN NA NA Liu Yaqiong, et al. Beijing TP NA NA [25] 马亚丽等四川泸县 TN NA Ma Yali, et al. Lu county TP NA [26] 史志华等汉江中下游 TN Shi Zhihua, et al. Hanjiang TP [27] 朱丹丹等大庆地区 TN NA NA NA Zhu Dandan et al. Daqing TP NA NA NA TN NA Ma Xiao et al. [28] 湖北省 Hubei Province TP NA 本研究取值 TN The value TP 注 :NA 代表该项无可利用的数据 ;TN 和 TP 分别代表总氮和总磷 Note: NA showed no data; TN is total nitrogen, TP is total phosphorus 畜禽养殖输出系数随着集约化畜禽养殖量的高速发展, 畜禽养殖排放的大量粪尿成为农村的新兴面源污染物, 给生态环境造成了潜在的危机通过文献比较分析与专家咨询, 采用

3 226 农业工程学报 ( 年如下公式计算畜禽粪便产生量 : 畜禽粪便量 = 畜禽养殖量日排泄系数饲养周期 (2) 研究区畜禽养殖量可以通过现场调研结果, 结合国家环保部十二五环境统计数据得到 ( 见表 3) 地区 District 表 3 研究区畜禽养殖量 Table 3 Amount of poultry in study area 肉牛 Beef cattle/ 万头奶牛 Milk cow/ 万头蛋鸡 Laying hens/ 万羽肉鸡 Broiler chickens/ 万羽猪 Pigs/ 万头朝阳区 Chaoyang 净月区 Jingyue 双阳区 Shuangyang 磐石市 Panshi 公主岭市 Gongzhuling 伊通县 Yitong 合计 Total 畜禽粪便的日排泄量与品种质量生理状态饲料组成和饲喂方式等均有关, 其取值利用以往公开发表的文献 [29] [30-31] ; 畜禽饲养周期则根据国家环保部公布的数据确定 : 猪取 199 d, 奶牛肉牛蛋鸡取 365 d, 肉鸡取 210 d; 经筛选得到研究区畜禽养殖排泄系数及养分含量, 取其排泄系数的 10% 为总氮和总磷的输出系数 [32], 见表 4 表 4 畜禽粪便排泄系数养分含量及输出系数 Table 4 Animal excreta parameter, its nutrient content and export coefficient (fresh sample) 畜禽种类 Livestock and poultry kinds 粪便排泄量按鲜量计 Amounts of excrement(fresh sample)/ (kg (a 头 ) -1 ) 质量分数 Mass fraction/% 输出系数 Export coefficient/ (t (a 万头 ) -1 ) TN TP TN TP 肉牛 Beef cattle 奶牛 Milk cow 蛋鸡 Laying hens 肉鸡 Broiler chickens 猪 Pigs 结果与讨论 3.1 汇水区各区县总氮和总磷输出负荷量根据研究区输出系数, 利用输出系数模型计算了不同污染源类型 ( 包括农村生活土地利用类型畜禽养殖 ) 产生的农业非点源污染物总氮和总磷负荷量负荷强度以及不同污染源类型的贡献率等, 农业污染源总氮总磷污染输出负荷总量见表 5 污染物 Pollutant 总氮 TN 总磷 TP 表 5 污染源总氮总磷输出负荷计算表 Table 5 TN and TP load of all kinds of nutrition source calculation table t a -1 土地利用类型 Land-use types 地区人口畜禽养殖合计 District Population 林地草地农村用地水田旱田 Livestock Total Wood land Grass land County land Paddy land Dry land 朝阳区 Chaoyang 净月区 Jingyue 双阳区 Shuangyang 磐石市 Panshi 公主 Gongzhuling 伊通县 Yitong 合计 Total 贡献率 Contribution ratio/% 朝阳区 Chaoyang 净月区 Jingyue 双阳区 Shuangyang 磐石市 Panshi 公主岭 Gongzhuling NA 伊通县 Yitong 合计 Total 贡献率 Contribution ratio/% 从表中可以看出, 汇水区范围内总氮总磷的输出负荷量分别为 t/a, 总氮负荷量是总磷的 6 倍, 以往研究中总氮与总磷污染输出比在 5~10 之间 [33-37], 本结果与以往研究相似, 但与以往北方地区 TN TP 输出量研究相比, 具有较高的 P 排放, 主要是在研究畜禽养殖所产生的 TN TP 时, 将研究区内所存在的大量肉牛与奶牛的养殖考虑在内, 造成了较高的 P 排放 [38], 若不考虑牛的养殖,TN 与 TP 的排放比将达到 8.32, 与以往结果更为接近从空间分布上看, 由于水库汇水区地跨长春市 9 个乡镇四平市伊通县 13 个乡镇和公主岭市磐石市 2 个镇, 伊通县的总氮总磷输出量在汇水区中所占比例最大, 而磐石和公主岭所占比例相对最小, 具体分布情况见图 1 从图中可以看出, 总氮和总磷污染分布较一致, 其中负荷量最大的区域为伊通镇伊丹镇和营城子镇, 伊通镇氮磷的负荷量大主要是耕地面积大, 且水田较多, 且目前中国农业生产中 N 肥平均利用率为 30%~35%,P 肥为 10%~20%, 氮磷过量施用后多随地表径流进入伊通河伊丹河, 最终进入水库 3.2 不同污染源类型对面源污染的贡献通过对比不同污染源类型所产生的氮磷污染负荷量, 得到图 2 从图 2 中可以看出, 不同污染源产生的总氮负荷量的贡献率大小顺序为 : 土地利用 > 畜禽养殖 > 农村人口, 在不同土地利用方式下, 耕地中旱田所产生的总氮负荷量较大, 草地和农村用地所产生的负荷较小污染源对总磷负荷贡献率其大小顺序为畜禽养殖 > 土地利用 > 农村人口, 结果与文献一致 [25]

4 第8期李娜等基于输出系数模型的水库汇水区农业面源污染负荷估算 a. TN 污染输出负荷量分布图 a. Distribution of TN load 227 b. TP 污染输出负荷分布图 b. Distribution of TP load 图 1 汇水区污染输出负荷量分布图 Fig.1 Distribution of TN & TP load a. TN 输出量 a. TN load b. TP 输出量 b. TP load Fig.2 图 2 不同污染源 TN TP 输出量 TN &TP load of different kinds of pollution sources 汇水区内超量的化肥施用量造成了旱田和水田对区域总氮和总磷负荷量的贡献较大减少化肥农药的施用量提高土壤肥力是降低污染负荷量的有效途径畜禽粪便因缺乏排污管道和污水集中处理系统同时畜牧业快速发展加重了汇水区由于畜禽养殖所引起的污染负荷除此农业人口所产生的农村生活垃圾和废水等因不能进入城市污水管网大部分直接排放引起氮磷负荷造成水体污染 3.3 模型检验与不确定性分析在研究中采用流域实际监测值计算营养盐输出负荷与模型估算的输出负荷结果进行对比对模型估算的精度进行检验[39] 本次研究中选取了水库年共 10 a 间水库下游出口的 TN TP 浓度其中 TN 质量浓度为 mg/l 均值为 1.16 mg/l TP 质量浓度为 mg/l 均值为 0.21 mg/l 将浓度值与多年平均径流量乘积后得到研究区 TN TP 污染输出负荷分别为 t/a 均值分别为和 t/a 其均值与输出系数模拟得到的输出负荷值相近模拟精度较高证明该模型选取的输出系数合理可靠完全符合模型的输出要求可在研究区范围内进一

5 228 农业工程学报 ( 年步应用推广本研究选用的输出系数模型通过采用相对较容易得到的土地利用状况等资料估算流域污染物输出量, 避开了物理模型建模和模拟所需大量数据资料支撑的问题, 所需参数少但是非点源污染过程机理较复杂, 受大气降水地形地貌等因素影响, 且具有较强的空间变异性, 难以准确定量某一地块的污染负荷输出变化, 在今后的研究中应进一步收集研究区高分辨率的地形土地利用土壤类型等专题图件 [40-41], 结合现场调研与试验, 确定不同地块的输出系数, 以提高研究的精度 4 结论本文通过输出系数模型, 在实地调研的基础上, 参考已有研究成果, 估算了长春市水源地新立城水库汇水区内农业面源污染总氮总磷的输出负荷量, 得到结论如下 : 1) 汇水区内农业面源污染物总氮和总磷输出负荷量分别为 t/a, 其空间分布情况相似, 伊通县输出量最大, 而磐石和公主岭则最小 2) 土地利用方式显著影响农业面源污染物总氮和总磷输出负荷, 不同污染源产生的总氮输出负荷量的贡献率大小顺序为 : 土地利用 > 畜禽养殖 > 农村人口, 总磷的污染负荷贡献率大小为 : 畜禽养殖 > 土地利用 > 农村人口 3) 将输出系数模型计算结果与水库实测数据进行对比, 总氮和总磷负荷的模拟精度较高, 所选输出系数合理可靠, 估算结果可接受并进行推广 4) 研究结果为长春市水源地综合整治和科学规划提供了数据支撑和决策依据, 降低农药化肥施用量增强土壤肥力综合治理农村生活污水及废弃物的排放改善和提高畜禽养殖业的管理水平是大幅度降低农业面源污染的关键 [ 参考文献 ] [1] Arhonditsis G, Tsirtsis G, Angelidis MO, et al. Quantification of the effects of nonpoint nutrient sources to coastal marine eutrophication: Applications to a semien closed gulf in the Mediterranean Sea[J]. Ecol Model, 2000, 129: [2] 王珊珊, 梁涛. 区域尺度农田氮磷非点源污染与模型应用分析 [J]. 地理信息科学,2005,7(4): Wang Shanshan, Liang Tao. Analysis of agricultural non-point pollution and its models application[j]. Geo-information Science, 2005, 7(4): (in Chinese with English abstract) [3] Ongley E D, Zhang X L, Yu T. Current status of agricultural and rural non-point source pollution assessment in China[J]. Environment Pollution, 2010, 158: [4] Zhang R, Wu F C, Liu C Q, et al. Characteristics of organic phosphorous fractions in different trophic sediments of lakes from the middle and lower reaches of Yangtze River region and Southwestern Plateau, China[J]. Environment Pollution, 2008, 152: [5] 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): Xue Lihong, Yang Linzhang. Research advances of export coefficient model for non-point source pollution[j]. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(4): (in Chinese with English abstract) [6] 郝芳华, 杨胜天, 程红光, 等. 大尺度区域非点源污染负荷计算方法 [J], 环境科学学报,2006,26(3): Hao Fanghua, Yang Shengtian, Cheng Hongguang, et al. The significance difficulty and key technologies of large scale model applied in estimation of non-point source pollution[j]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006, 26(3): (in [7] 应兰兰, 侯西勇, 路晓. 我国非点源污染研究中输出系数问题 [J]. 水资源与水工程学报,2010,21(6): Ying Lanlan, Hou Xiyong, Lu Xiao. Discussion on the export coefficient method in non-point source pollution studies in China[J]. Journal of Water Resources, Water Engineering, 2010, 21(6): (in [8] Wang Xuelei, Wang Qiao, Wu Chuanqing, et al. A method coupled with remote sensing data to evaluate non-point source pollution in the Xin'anjiang catchment of China[J]. Science of the Total Environment, 2012, 430: [9] 周跃龙, 汪怀建, 余辉, 等. 应用输出系数模型对太湖流域面源污染负荷测算研究 [J]. 江西农业大学学报,2014, 36(3): Zhou Yuelong, Wang Huaijian, Yu Hui, et al. Estimation of nutrient export loads in Taihu lake watershed based on the export coefficient model[j]. Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis, 2014, 36(3): (in Chinese with English abstract) [10] 龙天渝, 梁常德, 李继承, 等. 基于 SLURP 模型和输出系数法的三峡库区非点源氮磷负荷预测 [J]. 环境科学学报,2008,28(3): Long Tianyu, Liang Changde, Li Jicheng, et al. Forecasting the pollution load of non-point sources imported to the Three Gorges reservoir[j]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2008, 28(3): (in [11] Shen Zhenyao, Qiu Jiali, Hong Qian, et al. Simulation of spatial and temporal distributions of non-point source pollution load in the Three Gorges Reservoir region[j]. Science of the Total Environment, 2014, 493: [12] Wang Shumin, He Qiang, Ai Hainan, et al. Pollutant concentrations and pollution loads in storm water runoff from different land uses in Chongqing[J]. Journal of Environmental Sciences, 2013, 25: [13] Shen Zhenyao, Chen Lei, Ding Xiaowen, et al. Long-term variation ( ) and causal factors of non-point-source nitrogen and phosphorus in the upper reach of the Yangtze River[J]. Journal of hazardous materials, 2013, 252/253: [14] 刘亚琼, 杨玉林, 李法虎. 基于输出系数模型的北京地区农业面源污染负荷估算 [J]. 农业工程学报,2011,27(7):7-12. Liu Yaqiong, Yang Yulin, Li Fahu. Estimation of pollution loads from agricultural nonpoint sources in Beijing region based on export coefficient modeling approach[j]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(7): (in [15] DEFRA. The government s strategic review of diffuse water pollution from agriculture in England: Agriculture and water: A diffuse pollution[r]. London: Department for Environment, Food & Rural Affairs (DEFRA), 2002, 25. [16] 陈敏鹏, 陈吉宁, 赖斯芸. 中国农业和农村污染的清单分析与空间特征识别 [J]. 中国环境科学,2006,26(6):

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Microsoft Word - 刘慧板.doc 中国环境科学 2012,32(5):933~941 China Environmental Science 系统动力学在空港区域规划环境影响评价中的应用刘慧 1,2, 郭怀成 1*, 盛虎 1, 都小尚 1,3, 李娜 1 1, 杨永辉 (1. 北京大学环境科学与工程学院, 北京 100871; 2.

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