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流域面源污染威胁着水环境安全[1],因其具有随机性、滞后性、广泛性和难监测性[2]等特点,使得其治理逐渐成为水环境保护与水资源利用中的重点和难点[3]。对于种植和畜禽养殖污染、农村生活污染等,可首选资源化利用,并结合水肥一体化、测土配方施肥、粪污水肥料化利用技术等农业技术措施和低影响开发技术措施,最大限度地从源头减少面源污染的排放。因此,面源污染控制的关键和热点逐渐集中在减少污染物入河方面的研究[4-7]。位于水陆群落交错区的河流生态缓冲带(后简称“缓冲带”)可截留阻控面源污染物向水体中迁移,是控制面源污染和改善水环境的有效措施之一[8-11]。在缓冲带的设计和建设过程中,应充分考虑河流沿岸面源污染的空间差异性,结合污染物入河负荷等级做出有针对性的、切实可行的植物修复方案,最大程度地发挥其生态效益、社会效益和经济效益[6]。目前,国内外学者的研究多聚焦于缓冲带的结构特征、植被配置、阻控机理及截污能力等方面[11-15],而考虑河流沿岸面源污染空间差异性的缓冲带重点区域识别研究尚鲜见报道。
结合面源污染空间差异识别缓冲带重点区域,是有效控制面源污染和改善河流水环境的重要途径。其中,模型模拟是流域面源污染负荷估算的主流手段,国内外学者多采用SWAT模型[16]、输出系数模型[17]、AnnAGNPS模型[18]、HSPF模型[19]等开展面源污染负荷估算研究,但不同模型的适用条件会受到流域特征和输入数据的限制[20]。遥感分布式面源污染评估模型(diffuse pollution estimation with remote sensing,DPeRS)在模型架构、运行条件和模拟指标等方面具有较大的管理应用优势[21]。DPeRS模型以栅格像元为模拟单元,与SWAT模型的水文响应单元(hydrological response unit,HRU)相比,在确保模型模拟精度的前提下大幅提升了流域面源污染模拟的空间分辨率[22],实现了像元尺度的面源污染负荷空间可视化,直观体现了面源污染重点防控区。
本研究以浦阳江流域(浦江县段)作为研究区,采用DPeRS面源污染评估模型对流域总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+-N) 和化学需氧量(COD)等面源污染指标的排放负荷进行了空间估算,分析了流域面源污染的空间分布特征,结合空间入河系数估算了浦阳江流域面源污染入河量,并采用面向对象的方法提取了水域岸线和缓冲带土地覆盖类型,以汇水区为单元,结合面源污染估算结果识别了浦阳江流域缓冲带重点区,以期为管理部门和相关机构有针对性地设计及建设缓冲带防护工程提供参考。
浦阳江流域(浦江县段)面源污染模型估算及河流生态缓冲带重点区域识别
Estimation of non-point source pollution model in Puyang River Basin (Pujiang County Section) and identification of key areas of riparian ecological buffer zone
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摘要: 以浦阳江流域(浦江县段)为研究区,从流域面源污染空间特征入手,提出浦阳江流域岸边带建设的重点区域。采用DPeRS面源污染负荷估算模型,具体分析了2018年浦阳江流域面源污染负荷空间分布特征,并采用面向对象方法提取了岸线和河流生态缓冲带土地覆盖类型,以汇水区为单元,结合面源污染估算结果识别了浦阳江流域河流生态缓冲带重点区。结果表明:浦阳江流域中部和中北部地区面源污染排放负荷较高,面源污染入河负荷高值区主要集中于中下游地区;该流域31个汇水区中,TN和NH4+-N重点汇水区有17个,主要分布在流域的中部和东北部;TP和COD重点汇水区有12个,集中分布于流域中部;浦阳江流域河流生态缓冲带范围内,植被类型和非植被类型面积占比分别为65.49%和34.51%,其中耕地面积占比29.36%,建筑用地占比11.89%;综合浦阳江流域面源污染重点汇水区和河流生态缓冲带现状遥感提取结果,筛选出的重点区包括下游地区的7号汇水区和中游地区的18~25号汇水区所在的河流生态缓冲带。今后,可针对其重点区域设计生态防护工程,也应结合源头减量、过程拦截、末端消纳与资源循环利用的防控策略,综合削减面源污染物入河量。Abstract: As the last line of defense for controlling non-point source pollution into the water body, the important ecological function of riparian zone is recognized by scholars. In particular, the choice of the spatial location of the ecological engineering for riparian zone plays a key role in improving the water quality of the river basin. This article taking Puyang River Basin (Pujiang County Section) as the research area extracts the key areas for the construction of the riparian ecological buffer zone in Puyang River Basin from the spatial characteristics of non-point source pollution in the river basin. Specifically, the article analyzes the spatial distribution characteristics of the non-point source pollution load in the Puyang River Basin in 2018 using the DPeRS non-point source pollution load estimation model, and extracts the land cover types of the shoreline and riparian ecological buffer zone with object-oriented method. Meanwhile, the key areas of riparian ecological buffer zone in the Puyang River Basin is identified with the results of non-point source pollution estimation regarding catchment area as unit. The results show that the central and northern parts of the Puyang River Basin have high non-point source pollution discharge loads, and high-value areas of non-point source pollution loads entering into river are mainly concentrated in the middle and lower reaches of the river basin. Among the 31 catchment areas in the river basin, there are 17 key catchment areas of non-point source pollution of TN and NH4+-N mainly distributed in the middle and northeast of the river basin. And 12 key catchment areas of non-point source pollution of TP and COD are concentrated in the central river basin. Within the riparian ecological buffer zone of the Puyang River Basin, the area ratio of vegetation types and non-vegetation types are 65.49% and 34.51%, respectively, among which cultivated land is 29.36% and construction land is 11.89%. Based on extraction results of the current situation of the key catchment areas and riparian ecological buffer zones of non-point source pollution in the Puyang River Basin with remote sensing, the selected key areas are including the buffer zone where the No. 7 catchment area in the downstream area and the No. 18~25 catchment areas in the middle reaches are located. Therefore, the ecological protection project can be designed for key riverbank buffer zones, and the prevention and control strategies of source reduction, process interception, end consumption and resource recycling should also be combined to comprehensively reduce the amount of non-point source pollutants into the river.
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表 1 DPeRS模型结构和构建原理
Table 1. Construction and theories of DPeRS model
子模块 模型描述 主方程 农田氮磷平衡估算 依据物质守恒原理,定量描述农田年均氮磷营养负荷的盈亏,作为模型中的农田污染源强 NUTbal=(Input-Output)/Area
Input=Ftlz+Mnr+Irg+Seed+Dpzt+Bnf
Output= Hvst+Gas+Water植被覆盖度反演 基于多光谱遥感数据定量描述地表植被覆盖度情况 FVC=NDVIs=(NDVI-NDVIlow)/( NDVIhigh-NDVIlow)
NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)溶解态污染负荷估算 依据降雨冲刷原理,定量描述4种类型的面源污染负荷,即城镇生活型、农田径流型、农村居民点型和畜禽养殖型 ${c_{ {\text{Dis-urb} } } } = \left\{ \begin{gathered} \sum\limits_{m = 1}^4 {\sum\limits_{j = 1}^{12} {\frac{\varepsilon }{ { {\varepsilon _0} } } \times (1 - {{\rm{e}}^{ - krt} }) \times ({\gamma _m} \times {C_{ {\text{refuse} } } } \times D + {L_m}) \times (1 - W) \times (1 - U),P \geqslant r} } \\ 0\;,\quad P < r\quad \\ \end{gathered} \right.$ ${c_{ {\text{Dis-agr} } } } = \left\{ \begin{gathered} \sum\limits_{m = 1}^2 {\sum\limits_{j = 1}^{12} {\frac{\varepsilon }{ { {\varepsilon _0} } } \times (1 - {{\rm{e}}^{ - krt} }) \times ({Q_{ {\text{bal} }\_m} } + {L_m}) \times N,P \geqslant r} } \\ 0\;,\quad P < r\quad \\ \end{gathered} \right.$ ${c_{ {\text{Dis-rur} } } } = \left\{ \begin{gathered} \sum\limits_{m = 1}^4 {\sum\limits_{j = 1}^{12} {\frac{\varepsilon }{ { {\varepsilon _0} } } \times (1 - {{\rm{e}}^{ - krt} }) \times ({\gamma _m} \times {C_{ {\text{refuse} } } } \times D + {L_m}) \times (1 - W),P \geqslant r} } \\ 0\;,\quad P < r\quad \\ \end{gathered} \right.$ ${c_{ {\text{Dis-liv} } } } = \left\{ \begin{gathered} \sum\limits_{m = 1}^4 {\sum\limits_{j = 1}^{12} {\frac{\varepsilon }{ { {\varepsilon _0} } } \times (1 - {{\rm{e}}^{ - krt} }) \times ({\gamma _m} \times {C_{ {\text{refuse} } } } \times D + {L_m}),P \geqslant r} } \\ 0\;,\quad P < r\quad \\ \end{gathered} \right.$ [22]$ N = {\text{slo}}{{\text{p}}_{{\text{co}}}} \cdot {\text{vegcove}}{{\text{r}}_{{\text{co}}}} \cdot {\text{soi}}{{\text{l}}_{{\text{co}}}} $ 颗粒态污染负荷估算 依据土壤侵蚀估算结果,定量描述颗粒态氮磷的污染负荷 $ {C_{{\text{Ads}}}} = A \cdot {Q_{\text{a}}} \cdot {E_{\text{r}}} \cdot {10^{ - 6}} $ $ A = R \cdot K \cdot L \cdot S \cdot C \cdot P $ $R =\displaystyle \sum\limits_{j = 1}^{12} {1.735} \times {10^{1.5 \times \lg (P_j^2/{P_{ {\text{year} } } }) - 0.818\;8} }$ $\begin{aligned} K = & \left\{ { {\text{0} }{\text{.2 + 0} }{\text{.3exp} }\left[ { - 0.025\;6{ { {S} }_{\text{a} } }\left( {1 - \frac{ { {S_i} } }{ { {\text{100} } } } } \right)} \right]} \right\}{\left( {\frac{ { {S_i} } }{ { {C_i + }{S_i} } } } \right)^{ {\text{0} }{\text{.3} } } } \times \left[ {1 - \frac{ {0.25{ {C}_{ {\text{org} } } } } }{ { { {C}_{ {\text{org} } } } + {\text{exp} }\left( { {\text{3} }.72 - 2{\text{.95} }{ {C}_{ {\text{org} } } } } \right)} } } \right] \times \\ & \left[ {1 - \frac{ { {\text{0} }.7(1 - {S_{\text{a} } }{\text{)} } } }{ {1 - {S_{\text{a} } } + {\exp }( - 5{\text{.51 + 22} }.9(1 - {S_{\text{a} } }{\text{))} } } } } \right] \end{aligned}$ ${K_{ {\text{China} } } } = - 0.013\;83 + 0.515\;75{K_{ {\text{EPIC} } } }\hfill \\ K = 0.131\;7 \times {K_{ {\text{China} } } }$ $S=\left\{ \begin{array}{l}10.8\sin (\theta)+0.03 \qquad \theta \leqslant {5}^{\circ}\\ 16.8\sin (\theta)-0.5 \qquad 5^{\circ} < \theta < {10}^{\circ}({\text{坡长} } > 5\; {\rm{m}})\\ 21.9\mathrm{sin}(\theta )-0.96 \qquad \theta \geqslant {10}^{\circ}\end{array} \right.$ $S=3.0{\mathrm{sin} }^{0.8}({\mathrm{tan} }^{-1}\theta )+0.56({\text{坡长} }\leqslant 5\; {\rm{m}})$ $L = {(\lambda /22.13)^m} = \left\{ \begin{gathered} m = 0.2\quad \quad \quad \quad \theta < {0.5^\circ} \hfill \\ m = 0.3\quad \quad \quad \quad {0.5^\circ} \leqslant \theta < {1.5^\circ} \hfill \\ m = 0.4\quad \quad \quad \quad {1.5^\circ} \leqslant \theta < {3^\circ } \hfill \\ m = 0.5\quad \quad \quad \quad \theta \geqslant {3^\circ} \hfill \\ \end{gathered} \right.$ $C=\left\{\begin{array}{l}1, \; \text{FVC}=0\\ 0.650\;8-0.343\;6\lg \text{FVC}, \; 0 < \text{FVC}\leqslant 78.3\%\\ 0, \; \text{FVC} > 78.3\%\end{array}\right.$ 入河量估算 依据径流系数和输沙系数,定量评估污染物入河量 ${M_{ {\text{NPS} } } } = ({C_{ {\text{Dis} } } } \cdot {\text{CR} } + {C_{ {\text{Ads} } } } \cdot {\text{SDR} }) \times S_{ \text{Area} }$ $ {\text{CR}} = {P_{{\text{year}}}}{\text{/}}{Q_{{\text{runoff}}}} $ $ {\text{SDR}} = {Q_{{\text{sed}}}}{\text{/}}A \times 100\% $ 表 2 DPeRS模型中的主要参变量列表
Table 2. The main parameters list of DPeRS model
参数符 单位 含义 参数符 单位 含义 NUTbal t·(km2·a)−1 氮磷平衡负荷 Mnr t 有机肥养分输入量 Input(t) t 养分输入量 Irg t 灌溉养分输入量 Output(t) t 养分输出量 Seed t 种子养分输入量 Area() hm2 为耕地面积和园地面积之和 Bnf t 生物固氮氮输入量 Ftlz(t) t 化肥养分输入量 Dpzt t 干湿沉降养分输入量 Hvst(t) t 作物带走养分输出量 Gas t 氨气挥发和反硝化氮输出量 Water(t) t 淋失和径流养分输出量 FVC — 植被覆盖度 NDVIs — 标准化归一化植被指数 NDVIlow — 裸土像元的NDVI NDVIhigh — 植被像元的NDVI NIR — 近红外波段地表反射率 RED — 红光波段地表反射率 CDis_urb t·km−2 城镇生活型溶解态污染负荷 ɛ 量纲一 地表径流系数 m 量纲一 污染元素类型(1TN;2TP;3COD;4NH4+-N) j 量纲一 月份 N 量纲一 自然修正因子 P mm 每月降雨量 ɛ0 量纲一 标准化地表径流系数 S 量纲一 社会修正因子 CDis_rur t·km−2 农村居民点型溶解态污染负荷 γm 量纲一 污染物转化系数 CDis_liv t·km−2 畜禽养殖型溶解态污染负荷 C t·km−2 累积垃圾/粪便量 D d 两次降雨期之间的未降雨天数 Lm t·km−2 降雨过后残留污染物量 r mm 每月标准降雨强度 Qbalm t·km−2 污染源强即氮磷平衡负荷 K 量纲一 地表冲刷系数 CDis_agr t·km−2 农田型溶解态污染负荷 CAds t·km−2 颗粒态非点源污染负荷 Er 量纲一 氮磷富集系数 Qa mg·kg−1 土壤氮磷含量 CR 量纲一 年径流系数 SDR 量纲一 输沙系数 A t·(km2·a)−1 年土壤侵蚀量 Qa mg·kg−1 土壤中的氮磷含量 LS 量纲一 坡度坡长因子 R — 降雨侵蚀力[22] K — 土壤侵蚀性因子[22] Sn — Sn=1-Sa/100,Sa土壤砂粒含量 KChina — 修正的土壤侵蚀性因子 Ci % 土壤黏粒含量 C % 土壤有机碳含量 Si % 土壤粉粒含量 KEPIC — 美国制单位的土壤侵蚀性因子[22] P 量纲一 水土保持措施措施因子 C 量纲一 生物措施因子 0.131 7 — 单位转换系数 表 3 DPeRS模型输入数据列表
Table 3. Input data list of DPeRS model
数据类型 数据来源 数据处理方法 土地利用 2018年Sentinel-2A/B MSI数据(空间分辨率10 m) 采用分层分类决策树进行土地利用分类提取 植被覆盖度 2018年Sentinel-2A/B MSI数据(空间分辨率10 m) 采用像元二分模型进行植被覆盖度反演[24] 土壤数据 国家基础信息数据1∶100万土壤类型数据 — 坡度、坡长 ASTER全球DEM数据(空间分辨率30 m) https://wist.echo.nasa.gov/api// 利用ls_cal.aml程序
计算得到[25]月降水量 国家气象数据中心下载http://ncc.cma.gov.cn 将DEM数据作为协变量,
采用薄板样条滑动平均法进行空间插值[26]乡镇级化肥施用量、耕地和园地面积、各类作物产量和播种面积、各类畜禽养殖量等 浦江县统计年鉴、现场调查数据 采用输入输出法计算农田氮磷平衡量[27] 表 4 2018年浦阳江流域(浦江县段)不同类型面源污染量统计表
Table 4. Statistics of different types of non-point source pollution in Puyang River Basin (Pujiang County Section) in 2018
污染源类型 污染物指标 污染物排
放负荷/
(kg·km−2)污染物排
放量/t污染物入
河量/t农田径流型 TN 71.30 34.14 16.34 TP 0.50 0.23 0.11 -N${\rm{NH}}_4^{+} $ 28.00 13.40 6.41 畜禽养殖型 TN 0.40 0.18 0.08 TP 0.05 0.02 0.01 -N${\rm{NH}}_4^{+} $ 0.07 0.03 0.02 COD 29.90 14.32 6.85 城镇生活型 TN 2.70 1.30 0.62 TP 0.20 0.10 0.05 -N${\rm{NH}}_4^{+} $ 3.10 1.49 0.71 COD 107.20 51.34 24.55 农村生活型 TN 1.10 0.51 0.24 TP 0.09 0.04 0.02 -N${\rm{NH}}_4^{+} $ 0.90 0.42 0.20 COD 30.10 14.40 6.89 水土流失型 TN 3.10 1.50 0.89 TP 1.10 0.52 0.31 表 5 河流生态缓冲带土地覆盖类型面积统计表
Table 5. List of area of land cover types on riparian ecological buffer zone
土地覆盖
类型面积/km² 面积占比/% 说明 耕地 5.66 29.36 包括大棚、耕地 林地 5.44 28.21 不包括小区的绿化林 草地 1.36 7.05 不包括小区的绿化草 公园绿地 0.17 0.87 小区的绿地
(包括灌木、林、草等)水体 2.47 12.84 池塘、河流、沟渠等 建筑用地 2.29 11.89 包括房屋,广场,
操场等,在建地道路 1.89 9.79 包括公路、铁路、
健步道、水泥路、土路 -
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