浑河上游清原县非点源污染负荷及其空间分布特征

摘要 以浑河上游清原县为研究对象，采用输出系数法和ArcGIS平台对清原县各乡镇和浑河主要支流非点源污染总氮（TN）、总磷（TP）负荷进行估算和空间分布特征分析，探讨从行政分区和河流集水区2个尺度控制非点源污染的方法与指导治理实践。结果表明，2017年清原县TN、TP的输出负荷量分别达3 410.66、208.47 t，重点污染乡镇为清原镇、英额门镇、南口前镇、南山城镇;综合污染负荷较重的支流为长山堡河、古城子河和南杂木河，TN、TP 的输出负荷量分别为397.41、331.58、319.03 t，29.63、22.39、20.04 t;清原流域接近于主干流的区域和支流污染较重，TN、TP污染负荷空间分布有相似性。旱田是TN的主要污染来源，TP主要污染源为旱田、居民生活和养殖;非点源污染控制应关注年内雨季和春季融冻期径流的监测和治理，生活污水和垃圾的收集与处理，分散型养殖和小型加工企的环保管理。

关键词 非点源污染;输出系数法;氮磷负荷;空间分布;浑河上游清原县

中图分类号 X 522  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）06-0064-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.06.014

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Non-point Source Pollution Load and Its Spatial Distribution Characteristics of Qingyuan County in the Upper Reaches of Hunhe River

LIU Zhi-bo， WEI Jian-bing， CHENG Quan-guo

（Key Laboratory of Ecological Restoration of Regional Polluted Environment， Ministry of Education， School of Environment， Shenyang University， Shenyang， Liaoning 110044）

Abstract Taking Qingyuan County in the upper reaches of the Hunhe River as the research object，the output coefficient method and ArcGIS platform were used to estimate the total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） loads of non-point source pollution in the towns of Qingyuan County and the main tributaries of the Hun River and analyze the spatial distribution characteristics.The purpose of this paper was to explore the methods and practice of non-point source pollution control from two scales of administrative division and river catchment. The results showed that in 2017，the annual output load of TN and TP in Qingyuan County was 3 410.66 and 208.47 t，respectively， and the key pollution towns were Qingyuan Town， Yingemen Town， Nankouqian Town and Nanshan Town.The tributaries with heavy comprehensive pollution load were Changshanbao River， Guchengzi River and Nanzamu River， with the annual output loads of TN and TP were 397.41 t， 331.58 t， 319.03 t， 29.63 t，22.39 t and 20.04 t， respectively.The area and tributaries close to the main stream in Qingyuan watershed were heavily polluted， and the spatial distribution of TN and TP pollution load was similar. The main pollution sources of TN were dry-land， then TP emission mainly came from dry-land， residents’ life and breeding industry.The control of non-point source pollution should pay attention to the monitoring and treatment of runoff in rainy season and spring thawing period， the collection and treatment of domestic sewage and garbage， and the environmental management of decentralized aquaculture and small processing enterprises.

Key words Non-point source pollution;Output coefficient method;TN and TP load;Spatial distribution;Qingyuan County in upper reaches of Hunhe River

基金项目 国家自然科学基金项目（41771200，41171399）。

作者简介 刘志波（1996 —），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，研究方向：环境规划与可持续发展。*通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事景观生态学、环境生态学教学和科研工作。

收稿日期 2021-07-05

河流上游是辽东地区维护水源涵养、土壤保持、水质净化和生物多样性等生态服务功能的重点关注区。随着人口的增长和社会经济的快速发展，水资源缺乏和水污染问题不断凸显，河流源头区的生态建设和环境保护逐渐得到重视。在我国，经过长期的流域规划与治理，特别是“十一五”以来国家水体污染控制与治理科技重大专项、农村环境连片整治项目的大量实施，作为水源保护目标的大部分河流上游点源污染的排放得到了良好的控制。河流、湖泊、水库等水体的主要污染负荷也由点源污染[1]逐渐转变为农业非点源污染[2]，尤其是氮、磷等非点源污染已经成为迫切需要解决的水环境问题[3]。为更好地解决农业非点源污染的问题，采用水文水质模型进行非点源污染的时空模拟和负荷量化研究成为重要的手段。然而现有的 SWAT、HSP、GBNP 等分布式模型对数据资料要求高，参数众多且率定困难，对于广大偏远而缺乏监测资料的流域和地区，分布式机理模型参数率定和精度验证等成为模型应用的难题[4] 。因此，选取和使用对数据资料要求较低、简单实用的输出系数模型就成为国内外研究此类问题的有效解决途径之一[5]。Johnes[6]提出的输出系数法在综合考虑污染物侵蚀、迁移、转化的基础上，利用土地利用状况等资料即可估算流域污染物输出量，该方法对缺乏长期水量、水质数据流域的非点源污染负荷估算有显著优势。

浑河上游流域是国家九大饮用水源地之一大伙房水库的集水区，水库供给沈阳、抚顺、大连等7大城市2 300万人口的工业和生活用水，在辽宁省经济社会发展中具有举足轻重的战略地位。2014年9月被国务院批准确定为国家重点保护和优先修复的湖泊水库之一，根据环境部门的监测，COD出现下降，但N、P污染超标问题的解决依然面临挑战。通过实地考察，流域已无较大的工业点源，农业非点源污染成为浑河上游流域的主要污染源。近年来，很多科研院所和高校在该地区开展了有关非点源污染的大量研究，基本摸清了2条主要入库河流水质污染程度及其与土地利用的关系，但限于缺乏河流流量等水文水质模型需要的监测数据，流域非点污染负荷计算的工作一直较为缺乏。

笔者选取浑河上游清原县为研究区域，基于输出系数法，从乡镇分区和主要支流流域尺度进行非点源污染负荷评估，并分析其空间分布特征，为基于行政分区管理和集水范围治理方案制定提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

清原县位于辽宁省东部（图1），地理坐标为124°20′06″～125°28′58″E、41°47′52″～42°28′25″N，包括14个乡镇，面积3 932.96 km2。截至2017年，清原县总人口为32.2万，其中城镇人口10.5万，农业人口21.7万。产业结构以种植业和养殖业为主，耕地面积为69 427.39 hm2，主要农作物类型为水稻、玉米和大豆，农田管理方式和化肥施用管理较为粗放;主要养殖类型有大牲畜（1.82 万头）、猪（0.50万头）、羊（3.88万只）和家禽（35.23万只），主要养殖方式尚以散养为主。

1.2 数据来源及处理

研究区各乡镇人口数据（农业人口与非农业人口）来源于《2017年清原县统计年鉴》;土地利用数据以清原县统计资料为基础，结合清原县ALSO卫星遥感影像解译和现场调查获得;畜禽养殖情况以清原县畜牧局 2017 年畜禽养殖调查表为依据，并筛选出重点养殖乡镇进行现场调查核实;水系数据和流域边界采用ArcGIS 10.2软件水文分析功能模块由清原县DEM（数字地形模型）提取而来。

1.3 研究方法

1.3.1 输出系数法。

输出系数法将非点源污染源分为城镇用地、农村生活、农田、人口、牲畜等几大类，根据土地利用类型的差异、居民非点源污染物的排放和处理状况、牲畜的数量和分布，对不同的土地利用和不同牲畜采用不同的输出系数[7-8]，流域的总负荷量计算公式如下：

L=ni=1（Ei×Ai×Ii）+P（1）

式中，L 为营养物（污染物）的输出负荷（t/a）; Ei为第i 种营养源（污染源）的输出系数[t/（km2·a）或kg/（人·a）]; Ai为第i 类土地利用类型的面积（hm2）或第 i 种牲畜的数量、人口数量; Ii为第i 种营养源的营养物（污染物）的输入量（t/a）; P 为降雨输入的营养物（污染物）的数量（t/a）。对于各种土地利用类型来说， Ei 表示土地利用中所流失的营养物（污染物）的比例;对于牲畜而言，它表示牲畜排泄物直接进入受纳水体的比例，中间应考虑人类收集和储存粪肥过程中的氨挥发;对于人类而言，它反映当地人群对含磷去污剂的使用状况、饮食和生活，对于农村人口来说，由于农村没有配套的污水处理设施且农村人口分布分散，该系数主要反映农村生活污水中的营养物（污染物）进入受纳水体的比例[9]。

确定合理的输出系数是输出系数模型的关键，确定输出系数有3种常用方法，即文献分析法、试验模拟法和水文统计法[10]。该研究采用文献分析法[4，11-15]结合前期研究支流水质采样监测数据综合得到不同类型污染源的TN、TP输出系数（表1）。