第二松花江流域面源污染物输出负荷研究.

1、第二松花江流域面源污染物输出负荷研究阎百兴 杨育红 王莉霞（ 中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 130012） 摘要：面源污染主要发生在汛期， 点源的污染物排放量年内相对稳定。 利用第二 松花江流域出口控制水文站和水质控制断面多年监测数据， 分别计算了第二松花 江流域CO和 NHN的面源输出负荷。结果表明，流域出口多年平均面源CO输出负荷为99930t/a、点源CO负荷为174743t/a,分别占流域出口 CO输出负荷的36% 和64%点源仍是第二松花江流域CO的主要来源；流域出口多年平均面源 NMN 输出负荷为9888t/a，占流域出口 NH-N总负荷的44%并呈逐年增长趋势。面源

2、污染输出负荷有明显的时空分布特征， 并与河流流量呈显著的正相关。 夏汛期面 源CO输出负荷（y）与同期河流流量（x）有y = -44 849+161.682x的关系。因此， 可利用气象、 水文预报数据进行流域面源污染物输出负荷的预报， 为面源污染预 防和控制提供科学基础。 建议在继续加大对流域内工业废水和生活污水治理力度 的基础上，对面源污染的防治也势在必行。关键词：第二松花江；面源；污染负荷；COD氨氮（NH N）面源污染是造成地表水体质量恶化的重要污染源。 与点源污染排放时间的连 续性、排放量的易知性、 排放途径的固定性相比， 面源污染排放具有不确定时间、 不确定途径、不确定量的特点。因此

3、，面源污染负荷量化研究是了解、掌握面源 污染状况和管理水环境质量的基础，也是面源污染研究的重点和热点 1 。常见的 面源污染负荷的量化模型有经验模型和机理功能模型两大类，前者具有参数少、 操作简单的优点。20世纪7O年代初期，美国、加拿大等国在研究土地利用 -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法2 ；根据典型流域的次暴雨径流过程中水质、 水量同步监测资料， 利用统计分析方法， 建立水质水 量相关关系模型 3；也有利用降雨量差值法 4 、平均浓度法 5等计算面源污染负 荷的报道。 已经成功应用的模型有 HSPF、 SWM、MANSWER、 SARM、 CREAM、SGLE

4、AM、S SW RRB ROTO EPIC、SWAT、AGNPS、LOAD LASCAM、SLURP和 L-THIA10 等，这些模型要求的参数多、步长短、操作复杂，不适宜在基础资料缺乏的国家 和地区应用。我国面源污染负荷研究多集中于“三湖”、 “三河”等国家重点控 制的流域和地区，东北地区面源污染负荷研究主要集中在重要水源地新立城水库 11 、松花湖12 、石头口门水库 13 ，农业区吉林西部、松嫩平原 14和辽西农业小流 域15 等，多为小流域或小区尺度的负荷研究， 计算结果为流域不同土地类型汇入 地表水的面源污染负荷之和， 而流域出口面源污染负荷仅占输入河流总负荷的一 部分，因此寻求准确

5、估算较大流域面源污染输出负荷的方法十分迫切和必要。 对 具有较长系列水质、 水量同步监测数据的大流域， 本文提出的估算面源污染负荷 的“二源分割法”仍不失其优点，是目前适合我国国情、快速简便、又具有较高 精度的理想方法之一。2006年松花江流域纳入了国家 “十一五” 重点治理流域规划， 相对点源污染 来说，对流域的面源污染负荷仍知之甚少。 因此，以第二松花江 （ 以下简称二松 ） 流域为研究对象，以国家“一控双达标”控制污染物-化学耗氧量（COD）和流域特 征污染物NHN为目标污染物，利用水利、环保部门在流域出口设置的控制水文 站（扶余站）和水质控制断面（松林断面）多年的流量和水质监测数据，对

6、 COD 和NHPN的输出负荷进行估算，研究结果将为流域污染源管理和水污染综合防治 提供科学依据。1 研究方法1.1 研究区概况第二松花江流域贯穿吉林省中、 东部地区，全长790km,流域面积78182km, 位于东经12403612850,北纬41444524（图1）。主要支流有辉发河、 拉法河、饮马河等，每年有近 5个月的冰封期。流域地处中纬度地带，属温带大 陆性季风气候，降水的区域性和季节性变率大，造成二松的年径流变化也较大， 连丰、连枯期也较长。流域多年平均径流量 172.6亿卅，其中69月径流量占全 年径流量的 68%78；34月积雪融化常形成桃花汛。流域人口总数 1818万人 （2

7、003年），耕地面积171.47万hn2,有效灌溉面积46.47万hml,化肥施用水平为 219.2 kg/hm 2。中下游地区是我国重要的商品粮基地，也是重要的工业密集区， 主要有化工城吉林、汽车城长春和石油城松原等。N匚 Jin utmi图1第二松花江流域地理位置M 圧洁IOrtMiJl 界1.2计算方法面源污染是指溶解性污染物或固体污染物在降水、径流冲刷或其它营力作用 下，汇入水体而引起的污染。产生面源污染的主要驱动力是地表径流、水田排水 和侧渗。对水体来说，只有进入水体的面源，才是有效的，其负荷计算对水体环 境质量改善才有意义。研究表明，面源污染主要是由汛期地表径流引起的，枯水季节的水

8、质污染主要是由点源排放引起的5，16。二松流域每年11月下旬至次年3 月中下旬（即枯水期），土壤、地表水体处于封冻状态，土壤冻结深度0.51.0m, 江河水面封冻厚度0.5 m没有地表径流和地表径流携带的面源污染物进入地表 水体。因此，可以认为汛期水环境质量是由点源和面源共同引起的，而枯水期水质主要受点源影响。对于整个流域，进入河流并对河流水质产生影响的污染源主要是面源和点 源，污染物由坡面经沟道、河道逐级迁移、转化、衰减及净化，最终经由流域出 口断面输出。由于进行流域面源观测或实地监测的难度很大，而模型操作复杂， 需要大量动态的水文、气象、土壤背景资料和污染物实时监测数据输入，加之污染物在产

9、流一汇流过程中转化、输移的复杂性和影响因素众多等原因， 增加了准 确确定流域污染负荷的难度。本文采用“二源分割法”，避开了面源污染物从产 生到输出流域过程的复杂性，直接从流域出口断面水质进行分析， 将点源和面源 污染物概化于流域出口断面。流域点源污染负荷年内相对比较稳定，可通过枯水 季节污染物实测浓度Ck、枯季流量Qk累积相乘求得；汛期的污染负荷包括面源和 点源负荷两部分，也可通过实测的汛期污染物浓度Cx与汛期流量Qx累积相乘求得；汛期和枯季污染负荷之差即为流域面源污染输出负荷。计算公式为：Wi = QxCx QkCk（ 1）式中：wn为面源污染输出负荷（g/s）；Qx、Qk分别为汛期、枯水期

10、河流流量（m3/s）；Cx、Ck分别为汛期、枯水期污染物浓度（mg/L）。1.3出口断面选取“二源分割法”是基于详细的水文资料和水质监测数据建立的计算方法，因此对出口断面的要求一是距离流域出口近， 二是具有多年连续的水文和水质监测 数据。本研究选取的松林（泔水缸）断面是省控水质监测断面，扶余水文站为二 松控制水文站，二者距流域出口均较近，且相距约 10km有长系列的监测资料， 是理想的流域出口断面。2结果与讨论2.1流域输出的面源污染负荷二松径流的季节变化明显，夏汛期为 6 7、8 9月份，春汛期为3、4、5月 份，枯水期为12、1、2月份。根据19852006年扶余水文站月流量数据和松林断

11、面CO监测浓度1，应用“二源分割法”，得到流域出口断面不同水期点源、面 源的输出负荷，见表1和图2图5。表1二松流域多年平均 CO输出负荷污染源时段COD 负荷（t/a）所占比例（%）点源全年17474364面源夏汛期8615731春汛期137735可见，二松流域CO点源输出负荷仍高于面源输出负荷，点源依然是流域耗氧性 有机物的主要来源；CO的面源负荷占36%其中夏汛期占31%，春汛期占5%这 与二松目前的水污染特点与季节变化一致， 也与松花江流域水质研究的相关文献 17，18结果一致。 吉林省环境监测年鉴 （1985-1997） 吉林省环境质量报告书（1998-2006）2.2输出负荷与流量

12、的相关性由图3图5可以看出，CO输出负荷与河流流量的变化趋势一致。应用 SPSS12.0统计分析软件，在显著性水平O.01时，夏汛期面源COI负荷与流量的相关系 数为0.984，春汛期为0.553 ;枯水期点源COI负荷与流量的相关系数为0.818。图2 19852006年CO输出负荷变化 PS * 枯水期流量30图3 19852006年COI点源负荷与枯水期流量NPS 夏汛期流量25O52015)au1 SPN)s PR 量流图4 19852006年COD非点源负荷与夏汛期流量卩3 2- 量流(荷负SCP50020020199589diNPS * 春汛期流量图5 19852006年COD非点

13、源负荷与春汛期流量荷负DOC5894图6 19852006年COD输出负荷因此，仅对夏汛期数据通过11种曲线模型进行曲线估计。置信区间95%寸， 夏汛期面源CO输出负荷y (t/a)和同期平均流量x(m3/s)存在一元线性关系，回 归模型为y=-44849+161.682x。枯水期流量及其点源COI负荷年际变化较小，相 对稳定；汛期CO面源负荷随汛期流量波动变化幅度较大。在某些干旱年，由于 降水驱动因子强度低，导致径流冲刷小，面源轻微，流域出口几乎体现不出面源 负荷的输出。从CO输出负荷5年滑动平均分析(图6)可以看出，“九五”期间是 转折点，出现污染负荷大幅度降低后逐渐增加的趋势，这与“九五

14、”期间企业改 制、产业结构调整和城镇污水处理厂建设等有关。2.3面源负荷年际变化及负荷率预测图4、图5可以看出，19952005年期间夏汛期面源COI负荷呈现V型变化，而 春汛期CO负荷变化则呈现M型变化。从长时间序列来看，在流域产业结构变化不 大的情况下，面源CO输出负荷每年在10万t左右。据松花江流域水污染防治规 划(2006-2010年)污染控制指标，吉林省CO排放量2010年的控制指标为22.5 万t。点源CO排放量稳步下降。吉林、长春、松原3市点源CO排放量占全省排放 量的38%(200(2006年平均)，如面源污染负荷继续保持在多年的平均水平，到2010年3市排放的点源CO为855

15、00t/a，占流域CO总负荷的44%届时二松流域面源CO负荷将超过点源，成为流域的主要污染源。而吉林省中部玉米带“粮变 肉”工程、吉林省增产百亿斤商品粮能力建设项目的实施和禽畜养殖业规模的不 断扩大，面源污染负荷还将增加。因此，加强流域面源污染的预防和控制是改善 第二松花江水质的重要措施。2.4模型精度分析利用枯水期水质和径流资料，计算得到流域多年平均点源CO输出负荷为174743t/a，与20002006年吉林、长春、松原3市点源CO平均排放量(154388 t/a )的偏差20%,考虑到点源排放量统计数据的误差和耗氧性有机物在水体中 的净化，这种误差是在可以接受的范围之内的19。用“二源分

16、割法”计算得到的20022006年流域氨氮输出负荷(图7)，点源 NUN的负荷较稳定，面源氨氮的负荷则呈增长趋势，5年平均的面源NH3-N负荷占年总负荷的44%这与吉林省环境质量报告中点源与面源 NHN的负荷率相 吻合。可见，在流域出口断面，进行流域输出负荷计算的“二源分割法”操作简 单，结果可信。_点源一非点源图7 20022006年氨氮输出负荷3结论(1) 目前第二松花江流域 COD口 NH3-N的年均点源输出负荷率分别为 64箱口 56%点源排放依然是流域水体CO和NH3-N的主要来源，应继续加大对吉林、长 春和松原3市工业废水和生活污水的处理力度。 随着“十一五”期间co减排目标的实现

17、，第二松花江流域点源 co负荷 将逐渐减少，即使面源负荷不增加，到 2010年流域面源负荷率将上升到 56%，面 源co负荷将超过点源而成为流域主要的污染源。随着吉林省规模化养殖业的迅 猛发展和增产百亿斤商品粮能力建设项目的实施，面源污染负荷势必会快速增 加，面源的负荷率还将升高。(3) 对于长达 5个月冰冻期的气候特征而言， 以流域出口断面水量、 水质监测 资料为基础，提出的流域点源和面源负荷的“二源分割法”，物理意义明确，计 算简便，精度较高，适宜于有同步水质、 水量资料的流域面源污染输出负荷计算。(4) 利用污染物负荷与流量的回归模型也可进行流域污染负荷的预报。 参考文献：1 L F L

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