李淼泉，田 恬，陳 奔，李紅華，吳文俊 ，段 揚，蔣洪強

（1.中科宇圖科技股份有限公司，北京 100101；2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院國家環(huán)境保護環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點實驗室，北京 100012）

引言

伴隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平加快，我國水環(huán)境污染問題日益加重，已逐漸成為影響美麗中國建設(shè)的重要制約因素。近年來，隨著點源污染逐步得到治理，非點源污染已成為地表水污染的主要成因，尤其以農(nóng)業(yè)非點源污染貢獻最大[1]。研究表明，全球有30%～50%地表水受到非點源污染影響[2-3]，我國非點源水污染問題也很嚴重[4]，非點源排放使地表水水質(zhì)下降，同時由于非點源氮磷污染突出，易導(dǎo)致水體發(fā)生富營養(yǎng)化[5]。黨的十九大以來，中央越來越注重加強農(nóng)業(yè)環(huán)境保護與治理，2018 年中央一號文件明確指出：“加強農(nóng)業(yè)面源污染防治，開展農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展行動”，同時2018 年3 月17 日出臺的《國務(wù)院機構(gòu)改革方案》中決定將“監(jiān)督指導(dǎo)農(nóng)業(yè)面源污染治理職責(zé)”劃歸到新組建的生態(tài)環(huán)境部中，通過機構(gòu)改革和相應(yīng)職能調(diào)整，不斷強化對農(nóng)業(yè)非點源污染的綜合防治。在這一大背景下，加強農(nóng)業(yè)非點源相關(guān)研究，搭建非點源排放清單估算系統(tǒng)，摸清農(nóng)業(yè)非點源排放情況，不僅對改善我國流域水環(huán)境質(zhì)量具有重要作用，而且對于支撐生態(tài)環(huán)境部農(nóng)業(yè)非點源監(jiān)管的科學(xué)決策意義重大。

流域非點源污染負荷估算方法眾多，如輸出系數(shù)法、SWAT、HSPF 等在國內(nèi)外均取得了許多進展[6-11]，改進輸出系數(shù)法目前被認為是針對大尺度流域非點源模擬的主要方法，其結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便且具備一定精度，因而得到了廣泛應(yīng)用[12]。早在20 世紀70 年代初期，美國、加拿大的科研學(xué)者在研究土地利用—營養(yǎng)負荷—湖泊富營養(yǎng)化關(guān)系的過程中，首次提出輸出系數(shù)法這一概念[13]。隨后，英國學(xué)者Johnes 于1996 年對輸出系數(shù)法進行了優(yōu)化，將模型進一步細分為土地利用、牲畜養(yǎng)殖、人口數(shù)量等分項，同時考慮了空氣沉降等其他因素，豐富了非點源范疇的模擬內(nèi)容，提高了模型應(yīng)用的可靠性[14]。隨后，我國學(xué)者蔡明等考慮了流域內(nèi)污染物輸移損失及降雨的影響，引入了流域損失系數(shù)及降雨影響系數(shù)，使模型機制更明確，模擬更符合實際[13]。丁曉雯等在此基礎(chǔ)上，進一步考慮了地形因素的影響，引入了地形影響因子，提高了模型在大尺度流域的模擬精度[15]。

流域非點源水污染研究以子流域為基本單元，通過控制單元來有機銜接區(qū)域治理責(zé)任和流域自然屬性的相關(guān)關(guān)系[16]，然而當(dāng)前對非點源水污染排放清單的處理方法往往存在缺少空間異質(zhì)性、數(shù)據(jù)更新頻率低等的缺點[17-18]。本文基于SOA-B/S 架構(gòu)，采取了改進輸出系數(shù)法和地理信息系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了流域非點源污染排放清單估算系統(tǒng)框架，開發(fā)了流域非點源水污染排放清單估算系統(tǒng)。該系統(tǒng)從“十三五”水污染防治和水環(huán)境保護的基本要求出發(fā)，選取并改進流域非點源水污染排放清單處理技術(shù)，采用輸出系數(shù)法模型，以數(shù)據(jù)庫、GIS 工具、模型算法等為技術(shù)手段，充分考慮排放的空間異質(zhì)性特征，實現(xiàn)對不同時間和空間尺度下的非點源水污染負荷估算，并選擇嫩江流域為案例開展應(yīng)用示范，從而為流域水環(huán)境模擬研究和流域動態(tài)總量控制奠定技術(shù)基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)處理標準，為決策者制定流域水環(huán)境管理措施和方案提供有力的技術(shù)支持。

1 關(guān)鍵模型技術(shù)

1.1 輸出系數(shù)法模型

本研究采用輸出系數(shù)法構(gòu)建非點源水污染年度負荷與分水期負荷估算模型。輸出系數(shù)法是一種基于統(tǒng)計學(xué)的線性數(shù)學(xué)方法，它僅考慮應(yīng)用對象中的輸入量和輸出量，而對復(fù)雜的中間過程不予考慮。輸出系數(shù)模型的一般表達式為：

式中，Li為污染物i 在Aj研究區(qū)域非點源水污染的總負荷量；Eij為污染物i 在第j 種土地利用或牲畜、人口中的輸出系數(shù)；Aj為第j 種土地利用類型的面積或牲畜數(shù)量和人口數(shù)量；p 為其他參數(shù)修正[19]。

由于非點源水污染負荷估算模型規(guī)避了復(fù)雜的物理過程，著重考慮經(jīng)驗統(tǒng)計規(guī)律，因此確定合理的輸出系數(shù)尤為重要。本系統(tǒng)主要采用查閱文獻法和數(shù)學(xué)統(tǒng)計法相結(jié)合的方法確定參數(shù)。牲畜及人口輸出系數(shù)采用查閱文獻法，選取與全國各流域片區(qū)自然、地理、人文等條件相似的區(qū)域已有的研究成果作為輸出系數(shù)選取的初始條件和率定范圍，然后通過比較模擬值與實測值，調(diào)整輸出系數(shù)，選取一組較適用于所選研究區(qū)域范圍的輸出系數(shù)[20]。

1.2 模型參數(shù)確定

在參數(shù)確定過程中，采用現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析法和模型模擬法。前者應(yīng)用已收集的環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用相關(guān)分析等統(tǒng)計學(xué)方法提取土地利用面積、人口數(shù)量、牲畜數(shù)量與非點源水污染排放量之間的相關(guān)系數(shù)；模型模擬法采用目前發(fā)展較為成熟的模擬農(nóng)業(yè)非點源污染模型——SWAT 對流域非點源污染現(xiàn)狀進行模擬[21,22]，并進一步尋找模擬結(jié)果與土地利用類型、土壤類型等核心要素的關(guān)系，提取對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)。

1.2.1 數(shù)據(jù)分析法

（1）種植業(yè)參數(shù)

種植業(yè)中選取對種植業(yè)非點源水污染影響較大的水田和旱地兩種土地利用類型帶來的種植業(yè)非點源水污染負荷進行參數(shù)提取和估算?？紤]到種植業(yè)具有較為明顯的地域差異，將我國按照十大流域片區(qū)界劃分為長江流域、黃河流域、珠江流域、淮河流域、海河流域、松花江流域、遼河流域、西南諸河流域、西北諸河流域和東南諸河流域，按流域邊界提取各自不同的種植業(yè)輸出系數(shù)。

采用統(tǒng)計學(xué)方法，建立水田、旱地兩種土地利用類型面積與種植業(yè)非點源污染產(chǎn)生量和排放量之間的線性關(guān)系。提取兩種土地利用類型占地面積系數(shù)作為土地利用類型參數(shù)，將常數(shù)項作為入河系數(shù)。

（2）畜禽養(yǎng)殖業(yè)參數(shù)

畜禽養(yǎng)殖輸出系數(shù)采用查閱文獻法，選取與全國各流域片區(qū)自然、地理、人文等條件相似的區(qū)域已有研究成果作為輸出系數(shù)選取的初始條件和率定范圍，然后通過比較模擬值與實測值，調(diào)整輸出系數(shù)，規(guī)避模擬與實測值誤差過大的數(shù)據(jù)，選取一組較適用于所選研究區(qū)域范圍的輸出系數(shù)。

此外，參考《第一次全國污染普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》研究結(jié)果，確定大牲畜輸出系數(shù)值，并以此為輔助率定條件，相應(yīng)的資料和率定結(jié)果如土地利用參數(shù)則利用相關(guān)系數(shù)法進行提取。

（3）農(nóng)村生活參數(shù)

通過文獻調(diào)研方法，參考《第一次全國污染普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》及《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》成果，提取農(nóng)村生活參數(shù)。

（4）徑流分配系數(shù)

在進行年內(nèi)非點源水污染排放清單估算時，需要將年排放清單的數(shù)值進行空間分配。在此過程中，需要對徑流數(shù)據(jù)進行基流分割和年內(nèi)分配系數(shù)提取。

1）基流分割

采用直線分割法中的水平線分割法完成對徑流量的分割。水平線分割是以月平均流量最小值為基準，在流量過程線上水平分割，直線下方為全年基流量。水平線分割法一般選取多個水文年為代表年份，逐年繪制逐日平均流量過程線，以枯季月均流量的最小值作為基準，進行基流分割。斜直線分割法是在逐日河川徑流過程線上，找到洪峰起漲點與退水段轉(zhuǎn)折點，將兩點以直線相連。對于凌汛期及多次洪水過程，需做分段分割，斜直線以下為汛期基流量，與枯季徑流量相加為河川基流量。

圖1 顯示了水平線分割法原理。

圖1 水平線分割法原理

2）年內(nèi)分配

根據(jù)收集到的多年徑流量數(shù)據(jù)，繪制P-III 型曲線，取P＜25%為豐水年，25% ＜P＜75%為平水年，P＞75%為枯水年。將各徑流年進行豐、平、枯分類，提取各類別下年凈流量的分布系數(shù)。

（5）其他參數(shù)

除種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活系數(shù)外，流域非點源水污染的負荷量和排放量還受到地形、氣象、土壤等其他因素的影響，在實際估算過程中，需要根據(jù)實際情況對上述因素進行修正。修正系數(shù)如表1 所示。

表1 其他因素修正系數(shù)

1.2.2 模型模擬法

采用SWAT 模型模擬流域片區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染情況，并提取模擬結(jié)果與土地利用、土壤類型等核心因素間的關(guān)系進而提取相關(guān)參數(shù)。該方法需要準備大量數(shù)據(jù)，模擬校正期也存在較大的不確定性，本項目選用此方法主要用于對前一種方法進行校準。

由于SWAT 模型對數(shù)據(jù)格式有著較高的要求，因此在數(shù)據(jù)收集完成后，需對各類型數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。通過使用包括dew SWAT、pcp SWAT、SWAT Weather 等轉(zhuǎn)換工具，完成輸入數(shù)據(jù)整理，調(diào)整數(shù)據(jù)格式以適應(yīng)模型需求，完成屬性數(shù)據(jù)庫建設(shè)。

通過對流域劃分、水文響應(yīng)單元（HRU）劃定、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、設(shè)置模型起始和結(jié)束時間、模擬的時間尺度，運行模型，并得到運行結(jié)果。根據(jù)模型模擬結(jié)果，構(gòu)建污染物排放量與土地利用、土壤類型等因素的函數(shù)關(guān)系。模型結(jié)果中，需要提取的信息包括子流域編號、面積、降雨量、土地利用類型、土壤類型、污染物輸出量等。

該方法具體技術(shù)路線如圖2 所示。

模型模擬法所需數(shù)據(jù)梳理如表2 所示。

表2 SWAT模型數(shù)據(jù)需求

圖2 模型模擬法技術(shù)路線

2 排放清單技術(shù)方法研究

流域非點源水污染排放清單技術(shù)首先在行政區(qū)尺度采用回歸分析的方法討論土地利用類型、地形坡度特征與非點源水污染產(chǎn)生量和排放量之間的聯(lián)系，進而得到年尺度下不同土地利用類型和年徑流特征條件下的非點源水污染排放清單的輸出系數(shù)[23]。然后根據(jù)研究區(qū)流域地形、水流條件，在ArcSWAT 模塊下將研究流域劃分為若干子流域，并將之前計算得到的輸出系數(shù)代入各子流域中，得到子流域尺度下非點源水污染排放清單。最后，根據(jù)研究區(qū)年內(nèi)氣候條件、水流條件，提取不同流量季的入河修正系數(shù)，最終得到基于土地利用類型與地形差異的子流域非點源水污染排放動態(tài)清單。

該方法通過將非點源污染數(shù)據(jù)規(guī)范到流域尺度，綜合考慮我國不同流域污染產(chǎn)生數(shù)據(jù)之間，以及季節(jié)性污染產(chǎn)生數(shù)據(jù)之間的差異，提高了污染源排放清單編制效率和科學(xué)性，可以通過技術(shù)手段分析非點源污染的減排措施和減排效益。

采用SWAT 模型模擬全國幾大流域片區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染情況，并提取模擬結(jié)果與土地利用、土壤類型等核心因素間的關(guān)系進而提取相關(guān)參數(shù)。該方法具體技術(shù)路線如圖3 所示。

2.1 識別流域片區(qū)

以我國主要流域為單位進行區(qū)域劃分，導(dǎo)入研究流域邊界，識別研究流域所在位置。

2.2 構(gòu)建流域非點源水污染輸出系數(shù)查找表

系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)主要包括土地利用、人口數(shù)量信息以及牲畜數(shù)量信息結(jié)合客戶實際需求，可選擇模型內(nèi)設(shè)數(shù)據(jù)或自行導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)的信息。各類數(shù)據(jù)主要為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間尺度主要為月尺度，部分為日更新數(shù)據(jù)。系統(tǒng)默認讀取的上述信息基本情況如表3 所示。

將行政區(qū)尺度下的非點源水污染環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)和流域土地利用類型進行疊加分析，通過回歸分析法得到單位污染負荷與土地利用、人口、牲畜頭數(shù)之間的關(guān)系，讀取輸出系數(shù)。搭建流域非點源污染輸出系數(shù)查找表。輸入包括土地利用、人口數(shù)量、牲畜數(shù)量等數(shù)據(jù)，用戶可選擇自行導(dǎo)入土地利用柵格數(shù)據(jù)、人口數(shù)量矢量數(shù)據(jù)及土地利用矢量數(shù)據(jù)，用戶也可調(diào)用系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)計算。

2.3 參數(shù)率定及污染負荷估算

根據(jù)輸入數(shù)據(jù)，自動識別旱地、水田土地利用類型所占面積，調(diào)用參數(shù)庫中對應(yīng)區(qū)域的農(nóng)業(yè)非點源污染系數(shù)完成農(nóng)田非點源污染負荷估算；通過自動識別畜禽養(yǎng)殖類型數(shù)據(jù)、農(nóng)村生活人口數(shù)據(jù)，調(diào)研參數(shù)庫對應(yīng)參數(shù)，完成畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活非點源水污染負荷估算。最后，調(diào)用河段入河系數(shù)，完成流域非點源水污染排放清單估算。

2.4 流域非點源水污染產(chǎn)生量數(shù)據(jù)估算

圖3 流域非點源水污染排放清單技術(shù)路線

表3 系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)基本信息表

結(jié)合所述流域非點源輸出系數(shù)、所述流域內(nèi)各行政區(qū)劃的每種土地利用類型的面積、人口數(shù)量等因素以及全國行政區(qū)劃統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到所述流域非點源水污染產(chǎn)生量數(shù)據(jù)；利用SWAT 模型對所述流域分區(qū)，得到子流域分區(qū)，將所述流域非點源水污染產(chǎn)生量數(shù)據(jù)離散化，得到子流域分區(qū)的非點源水污染產(chǎn)生量數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻調(diào)研數(shù)據(jù)以及以往模型運行的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，將所述子流域分區(qū)的非點源水污染產(chǎn)生量數(shù)據(jù)，分解成子流域分區(qū)不同流量季的非點源水污染產(chǎn)生量數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)充分考慮了全國地域和時間上的差異，實現(xiàn)了從流域信息提取、流域非點源水污染排放清單年負荷估算到年內(nèi)分水期負荷估算的研究，估算結(jié)果以網(wǎng)格為單位，以EXCEL 表形式讀取和導(dǎo)出，可作為其他精細化模擬模型的輸入數(shù)據(jù)，服務(wù)精細化模擬過程。下面以嫩江流域為例，系統(tǒng)介紹流域非點源水污染排放清單年負荷估算子系統(tǒng)和分水期負荷估算子系統(tǒng)的實例應(yīng)用[24,25]。在進行非點源水污染估算前，首先需確定研究區(qū)范圍，系統(tǒng)可實現(xiàn)按流域、行政區(qū)、矩形和經(jīng)緯度四種方式完成研究區(qū)選擇步驟。識別流域所在的片區(qū)，在全國土地利用類型圖中，按照全國1:100 萬地形圖分幅標準進行流域片區(qū)識別。

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

系統(tǒng)采用SOA-B/S 架構(gòu)，采用多層架構(gòu)和模塊化的開發(fā)方式，各模塊之間相互獨立，模塊接口開放。從邏輯上看，系統(tǒng)具有典型的五層結(jié)構(gòu)——基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)庫層、應(yīng)用層、展示層和用戶層，具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示[26]。

基礎(chǔ)支撐層：主要包括系統(tǒng)運行的硬件設(shè)備、軟件環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等基礎(chǔ)支撐。

數(shù)據(jù)庫層：系統(tǒng)采用EF（Entity Framework）連接數(shù)據(jù)庫，可讀取本地微軟SQL Server 數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫收集了與非點源水污染排放清單負荷估算相關(guān)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)主要包括數(shù)字高程、河網(wǎng)水系、水文站點、土地利用、土壤類型、行政區(qū)劃、流域邊界等信息，屬性數(shù)據(jù)庫則主要包括社會經(jīng)濟、人口資源以及污染排放等信息。

圖4 流域非點源水污染排放清單估算系統(tǒng)邏輯框架

應(yīng)用層：主要包括3 個層次的服務(wù)，即基礎(chǔ)服務(wù)、圖形化查詢服務(wù)和分析決策支持服務(wù)。基礎(chǔ)服務(wù)為用戶提供環(huán)境要素相關(guān)信息的查詢、分析、比較和展示等服務(wù)；圖形化查詢服務(wù)是建立在地理信息系統(tǒng)之上的服務(wù)；分析決策支持服務(wù)是以系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用輸出系數(shù)法，調(diào)用適用于不同地區(qū)的系統(tǒng)參數(shù)庫以估算非點源水污染年負荷和年內(nèi)負荷，最終為流域水環(huán)境質(zhì)量管理提供決策依據(jù)，是系統(tǒng)的核心所在。

展示層：是用戶直接查詢模型估算結(jié)果的平臺。系統(tǒng)以流域基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，以輸出系數(shù)法為研究方法，對非點源水污染排放清單進行合理估算，最終以圖表、空間GIS 專題圖等形式展示。

用戶層：系統(tǒng)業(yè)務(wù)模塊通過系統(tǒng)主模塊進行組合，根據(jù)登錄用戶的權(quán)限，確定登錄用戶可以訪問的業(yè)務(wù)模塊。通過這個流程，構(gòu)建系統(tǒng)入口界面，不同的用戶使用不同的業(yè)務(wù)模塊。

3.2 系統(tǒng)估算過程

3.2.1 研究區(qū)選取

研究區(qū)選擇功能可通過按流域、按行政區(qū)、按矩形和按經(jīng)緯度等四種形式選定要研究的研究區(qū)域。

3.2.2 輸入數(shù)據(jù)

為更合理地完成對所選區(qū)域非點源水污染排放清單的估算，用戶需導(dǎo)入土地利用類型、人口數(shù)量以及牲畜數(shù)量的相關(guān)信息?？紤]到不同空間尺度的研究區(qū)所需的空間信息分辨率差異，用戶可選擇系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)，也可自行導(dǎo)入上述數(shù)據(jù)。

輸入數(shù)據(jù)準備完成后，調(diào)用系統(tǒng)參數(shù)庫，通過輸出系數(shù)法完成對研究區(qū)的非點源排放清單估算。執(zhí)行計算完成后，系統(tǒng)會彈出計算完成窗口。

3.2.3 模型計算

系統(tǒng)通過讀取研究區(qū)年凈流量數(shù)據(jù)，按照直線分割法完成基流分割；然后根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部徑流頻率曲線所區(qū)分的豐水、平水和枯水徑流分配系數(shù)，自動調(diào)用匹配的徑流分配系數(shù)。

分水期負荷分配結(jié)果可通過數(shù)據(jù)表、GIS 專題圖和餅狀圖等形式獲取，也可通過時間序列圖的形式對不同污染物分水期排放情況進行直觀分析。

基于模型模擬法，調(diào)用嫩江流域徑流分配參數(shù)，根據(jù)具體年份豐枯特征，將估算得出的總負荷量進行空間分配。

3.3 結(jié)果展示

估算完成后，估算結(jié)果可通過餅狀圖、時間序列圖、數(shù)據(jù)表和專題圖四種形式進行展示。其中，排放清單數(shù)據(jù)表可展示每個計算網(wǎng)格的非點源水污染負荷情況估算結(jié)果，用戶可將網(wǎng)格重組為自己所需的大小，進而服務(wù)于其他相關(guān)非點源模型模擬中。餅狀圖、時間序列圖和專題圖更為直觀地展示研究區(qū)非點源水污染排放清單的時間和空間分布差異及不同類型（農(nóng)業(yè)、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活）非點源水污染排放清單的貢獻情況。

當(dāng)研究區(qū)完成非點源水污染排放清單年負荷估算工作后，在分水期排放清單子系統(tǒng)中，用戶可通過輸入研究區(qū)徑流信息完成分水期排放清單的分配。

表4 對嫩江流域2011—2014 年排放清單部分結(jié)果進行了展示。

表4 嫩江流域2011—2014年排放清單部分結(jié)果展示

4 結(jié)論

流域非點源水污染排放清單估算平臺重點研發(fā)出非點源水污染年內(nèi)負荷估算子系統(tǒng)和分水期負荷估算子系統(tǒng)，通過改進的輸出系數(shù)法和SWAT 模型模擬方法，實現(xiàn)了對流域內(nèi)不同尺度非點源水污染的負荷量和排放量的估算，實現(xiàn)了對流域非點源水污染的定量分析和時空可視化展示，為流域非點源水污染治理、水資源管理提供有力支持，在當(dāng)前全面推行“河長制”管理模式和流域精細化水環(huán)境管理要求下，估算系統(tǒng)將成為水環(huán)境管理人員摸清非點源水污染情況，有效制定非點源水污染防治策略的重要支撐工具。