中图分类号：Ｘ５２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１-８８４４（２０１１）０１-００２６-０６
非点源污染是流域水体富营养化的重要来源，已成为国内外近２０年来水环境研究与管理的热点[１]．最早的非点源研究始于２０世纪６０年代，而后，为满足水质规划与水资源管理要求，描述地表水文过程、污染物迁移转化过程的非点源模型相继出现[２，３]．进入２０世纪９０年代，随着３Ｓ技术广泛应用于非点源模型，集成空间信息处理、数据库、可视化等技术成为非点源模型研究的新方向[４]，目前常见的非点源模型有农业非点源模型ＡＧＮＰＳ[５]，流域非点源模型ＳＷＡＴ[６]，城市暴雨径流模型ＳＷＭＭ[７]等．我国的非点源研究起步虽晚但发展迅速，目前主要研究方法可归纳为２类：一类是引入国外成熟的非点源模型，并与ＧＩＳ、ＲＳ相结合，这类方法需要大量的输入参数，且基于他国开发的模型与我国的水文地形条件具有较大差异；另一类是基于我国水文气象资料缺乏而开展的地区经验统计模型及机理模型研究，主要用于非点源负荷量估算，而对非点源的水质影响研究仍处在起步阶段．汉江是长江中游最大支流，也是南水北调中线工程和沿江区域的重要水源地．然而，１９９２—２００８年汉江中下游先后５次发生富营养化现象，水质状况呈现恶化趋势，非点源已成为河流水体污染的重要来源之一．然而关于非点源磷负荷对水质的影响研究还鲜有报道，已有研究主要集中在负荷的估算和空间分布模拟[８]，因此深入探讨非点源磷负荷对汉江中下游水质的影响，对于防控和削减水体磷污染具有重要意义．本研究运用ＧＩＳ和ＲＳ技术，结合ＳＣＳ模型和负荷输出经验方程，估算了汉江中下游年平均非点源负荷量，在此基础上根据流域特征建立了一维水质模型，分别模拟了综合考虑非点源与点源，以及单独考虑点源２种情景下河流的水质状况，从而确定了非点源磷负荷的流域分布特征及对水质污染的贡献程度，以期为有效削减及防控流域非点源污染提供理论依据．
１ 研究区概况
汉江中下游地跨湖北、河南两省（Ｎ３０°～３４°，Ｅ１１０°～１１４°），上起丹江口，下至汉口入长江河口，全长６１６ｋｍ，总流域面积６．０８万ｋｍ２．区内人口密集、经济发达，气候温暖湿润，地貌类型以山地、丘陵、岗垅、河谷盆地为主，主要土壤类型有黄棕壤、磷质石灰土、潮土等，水生资源丰富，河网密布，主要支流有北河、南河、唐白河、小清河、蛮河、双河、利河、竹皮河、汉北河等．
２ 基础数据及预处理
２．１ 基础数据
采用２００７年作为基准年．基础数据包括９０ｍ分辨率的数字高程模型，３０ｍ分辨率的ＬａｎｄｓａｔＴＭ影像，逐日水位、流量资料、１∶５万河道地形和水质断面监测数据等，１∶４００万的土壤空间分布数据以及土壤质地组成、ＴＰ背景值等，１９６１—２００６年逐日降雨数据，县级边界的矢量数据，社会经济、人口数据等．
２．２ 数据预处理
采用Ａｌｂｅｒｓ等面积圆锥投影，将所有图件统一转换为１００ｍ×１００ｍＧＲＩＤ格式．
１）子流域划分．在ＡｒｃＳＷＡＴ中对凹陷填充后的ＤＥＭ进行了流域划分，共得到３１个子流域图１．数字标号代表子流域代号，它起始于流域上游，终止于流域出口．
图１ 汉江中下游子流域分布图
２）土地利用分类．对ＴＭ进行几何校正、影像拼接、直方图匹配、颜色纠正等，运用监督分类解译得到疏林地、有林地、水田、旱地、建设用地、水域和未利用地７大类土地利用类型．
３）总磷背景值．利用ＡｒｃＧＩＳ空间分析和计算模块制作土壤ＴＰ背景值含量专题图．
４）气象、河床地形及相关数据．制作降雨、温度等专题图，设置断面数１４０个．
３ 研究方法
以１００ｍ×１００ｍ栅格作为污染负荷的基本计算单元，以子流域作为污染负荷的基本汇总单元，基于ＧＩＳ技术，采用ＳＣＳ模型和负荷输出经验方程研究了非点源负荷的空间分布特征，并建立一维水质模型计算了河道中的非点源负荷对水质的贡献程度．
３．１ 非点源负荷计算
３．１．１ ＳＣＳ模型
ＳＣＳ（Ｓｏｉｌ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ）模型是目前径流估计最常用的方法之一，它综合考虑了不同土壤类型、土地利用方式及前期土壤含水量等因素影响下降雨形成的地表径流深，模型简单但意义明确．
式中：Ｐ代表每日降雨量，ｍｍ；Ｓ代表地表潜在储水量，ｍｍ；ＣＮ代表径流曲线数，无量纲．
１）ＣＮ值确定．ＣＮ（Ｒｕｎｏｆｆ Ｃｕｒｖｅ Ｎｕｍｂｅｒ）用来反映降雨前流域特征，它与土壤湿润状况、土地利用类型以及土壤渗透率等特性密切相关．参照ＣＳ曲线计算方法提供的取值条件[９]，得到不同土地利用类型的ＣＮ值：林地５６，疏林地６４，水田７８，旱地８０，建设用地８７，水域１００，未利用地７０（图２）．
２）多年平均径流深．根据研究区９个站点的观测资料建立降雨量数据库，运用克里格插值方法得到全流域平均径流深分布图．
图２ 汉江中下游不同土地利用ＣＮ值空间分布
３．１．２ 非点源负荷输出
非点源负荷的经验输出方程为[８，１０-１２]：
式中：ＷＰ代表区域内每年产生的非点源Ｐ负荷，ｔ；Ｑｉ代表第ｉ类土地利用类型降雨形成的径流深，ｍｍ；Ｓｉ代表第ｉ类土地利用类型面积，ｍ２；ＣＰ代表第ｉ类土地利用类型降雨径流中磷污染物的输出浓度，ｍｇ／Ｌ；ｆ代表不同降雨量形成的污染物输出浓度稀释系数，无量纲；δ代表非点源负荷随流域汇流迁移的入河系数，无量纲；λ代表单位换算系数，１０-９．
１）污染物输出浓度．在相同降雨径流条件下，不同土地利用类型污染物输出浓度不同．目前关于此参数的获取主要基于实验小区测定和经验值法．由于研究条件所限，本文参考了同类研究[８，１１，１３]和经验值，得到了磷的输出浓度参数：疏林地０．０５，水田０．２５，有林地０．０６２，建设用地０．０５３，旱地０．２，未利用地０．０２，水域０ｍｇ／Ｌ．
２）污染物输出浓度的稀释系数．在降雨径流低于平均水平时，可溶性物质随着径流量的增加呈线性增长；当超过流域平均水平时，因地表磷含量背景值一定，污染物输出浓度将出现稀释现象，其稀释程度与径流量成反比[１０]．计算公式如下：
式中：ｆ代表污染物浓度稀释系数，无量纲；Ｑｉ代表第ｉ类土地利用类型多年平均降雨径流深度，ｍｍ；Q代表流域多年平均降雨径流深度，ｍｍ．
３）非点源负荷入河系数δ．它是指累积在流域坡面的非点源污染负荷，在降雨冲刷作用下随径流最终输移汇流到河道的比率，反映了非点源污染负荷从坡面产生到输移汇入河道过程中产生的衰减和损耗．本文中干流河道取值０．８０，主要支流河道取值范围为０．５０～０．６５．
３．２ 一维水质模型
污染负荷在河道的迁移转化可归纳为３种运动：１）随流输移；２）扩散运动，包括分子扩散、紊动扩散和纵向离散扩散；３）衰减转化．随流运动只改变污染负荷的空间位置，不影响污染物浓度变化；扩散运动在一维水质模型中通常不予考虑；衰减运动改变污染负荷的物质总量[１４]．因此，综合分析并参照相关研究构建了本文的一维水质模型[１５-１７]，在参数率定时考虑紊动扩散和衰减转化．模型见式（５）—（７），它遵循质量守恒和动量定理，包括连续性方程、动力方程和水质变化方程．
式中：Ａ代表蓄水量，ｍ３；Ｑ代表流量，ｍ３／ｓ；ｑ代表区间入流，ｍ３／ｓ；ｚ代表水位，ｍ；ｕ代表流速，ｍ／ｓ；Ｃ２、Ｒ分别代表河段的谢才系数和水力半径，无量纲；Ｅ代表综合扩散系数，近似为纵向离散系数，ｋｍ２／ｄ；ΣＳｉ代表河段水体污染物源漏项，ｍｇ／Ｌ·ｄ，其中，源项考虑沿岸的污染负荷输入，漏项只考虑污染负荷的在河道的衰减；Ｃ代表河段中污染负荷的浓度，ｍｇ／Ｌ；ｔ代表时间，ｄ；ｘ代表河水的流动距离，ｋｍ．
采用追赶法联解式（５）和（６），得到ｚ、Ｑ、ｕ、Ｈ等水力因素沿流程分布，将此结果作为水质方程输入，确定河流各断面的水流、水位及污染物浓度值．
３．２．１ 参数率定
１）河床糙率．根据２００７年沿程各河段比降及实测水力因子，用曼宁公式估算河道糙率值，取值范围为０．０２４～０．０４４．
２）紊动扩散系数．采用经验公式获取了离散扩散系数，按照拉格朗日紊动长度及紊动强度概念，紊动扩散系数Ｅｘ值可表达为
式中：ａ代表无量纲系数，０．１～０．２；ｕ代表摩阻流速，ｍ／ｓ；Ｉ代表水面比降；ｈ代表水位，ｍ．
３）降解系数．总磷的降解系数取０．１ｄ-１．
３．２．２ 模型边界条件
１）初始条件．根据干流各水文站及水位站的实测资料及水质监测资料，通过内插得到初始流量沿程分布，由此确定一维水质模型的初始条件．
２）边界条件．上边界取丹江口水库下泄水体的水质浓度，下边界取汉江入长江河口相应的多年平均实测水位．
３．２．３ 污染负荷统计
分别模拟只有点源以及兼顾点源和非点源２种情景下河流水质中总磷的变化情况，其中非点源磷负荷来自上文的计算结果，点源磷负荷来自２００７年研究区主要点源排放调查结果，总负荷量达２ ６８６．６ｔ．
４ 结果与分析
４．１ 径流深分析
流域径流深空间分布结果表明（图３），流域平均径流深为８１１ｍｍ，最大值１ ２５２ｍｍ，最小值５９１ｍｍ，与流域水文站实测数据８７３ｍｍ比较，相对误差为７．１％．径流深空间分布呈现自南向北、自东向西的递减趋势．从土地利用类型对径流深的影响来看，水域的径流深最大，为１ ０１６ｍｍ，其次为建设用地９１７．８ｍｍ，疏林地和有林地较低，分别为７８８．６，７１３．８ｍｍ．
４．２ 总磷负荷量及空间分布
运用ＳＣＳ模型和非点源负荷经验输出公式，估算得到汉江中下游各子流域单位非点源磷负荷的空间分布（图４），结果表明，汉江中游江汉平原以及南阳盆地区域非点源磷单位负荷量较高，均大于１．０３ａ）．归纳其原因可知，作为重要的农业生产区，江汉平原的襄阳至钟祥区段以及南阳盆地的新野、唐河、南阳、邓州等区域人口密度大、农业活动集中、化肥农药施用量大，且地势平坦，容易形成地表径流，因此携带的单位负荷量高．而在神农架林区、房县、保康、南召、南阳、内乡、镇平一带，非点源磷单位负荷量均小于０．７８ｋｇ／（ｈｍ２·ａ），最低２１号子流域，仅为０．４９ｋｇ／（ｈｍ２·ａ），主要归因于该区域森林郁闭度高，降雨形成的地表径流低，携带的单位磷负荷量较少．
图３ 汉江中下游平均径流深空间分布图
图４ 汉江中下游子流域单位非点源ＴＰ负荷空间分布图
在实际负荷迁移转化过程中，非点源负荷不是直接通过子流域汇入干流，而是由支流携带进入主干河道，因此将子流域按照主要支流进行汇总有利于指导支流的非点源防控工作．在本文中，将３１个子流域分为９个主要支流和直接入江共１０种情形，分别为北河、南河、小清河、唐白河、蛮河、双河、利河、竹皮河、汉北河和直接入江．从支流汇入的非点源负荷量分析（表１），唐白河非点源磷负荷量为２ １３３．２５ｔ／ａ，占总负荷量的３９．６４％；其次是汉北河，其流域面积次于唐白河，非点源磷负荷量居第２位；南河、蛮河再次，非点源磷负荷量分别为２６９．５４，２６５．２８ｔ／ａ，分别占总负荷率的５．０１％和４．９３％；小清河虽然流域面积小，但由于单位磷负荷高达１．１３ｋｇ／（ｈｍ２·ａ），占总负荷量的比重亦达到４．１３％；双河、利河的非点源磷负荷量较低，分别为１０７．０６，１４３．７７ｔ／ａ，分别占总负荷量的１．９９％和２．６７％；北河、竹皮河的非点源磷污染负荷量最低，占总负荷量的比重亦最低，均小于１．３４％．总体而言，汉江中游自襄樊至钟祥一带非点源磷负荷明显高于汉江下游．
表１ 非点源Ｐ负荷在主要断面及支流的分布
４．３ 模型验证
利用２００７年汉江中下游１６个水质监测断面枯水期、平水期、丰水期的实测数据，验证一维水质模型的年均预测值（图５）．按照断面划分区段分析：断面号１-２４，丹江口到襄阳；断面号２４-３６，襄阳市区；断面号３６-７８，襄阳到钟祥；断面号７８-１０８，钟祥到潜江；断面号１０８-１３０，潜江到蔡甸；断面号１３０-１４０，武汉城区．结果表明：本研究所建立一维水质模型的年平均预测值与实际断面的监测值具有一致的变化趋势，能够较好地拟合汉江中下游水质变化状况．预测模型的最大相对误差为２８．７％，平均相对误差１５％，说明本研究使用的一维水质模型具有较高的可靠性．
图５ 一维水质模型验证
４．４ 污染负荷的流域分布
根据２００７年研究区点源污染的排放量统计，主要点源磷负荷达２ ６８６．６ｔ，而运用本文估算方法得到的非点源磷负荷亦达５ ３８１．３ｔ／ａ，非点源负荷２倍高于点源负荷，占总负荷量的６６．７％，成为汉江中下游水体污染的最主要来源．
图６表示２００７年仅考虑非点源影响和不考虑非点源影响２种情景下汉江中下游总磷浓度的分布曲线．对比分析表明，汉江干流总体水质状况尚好，从丹江口到襄阳市区，总磷浓度基本小于０．１ｍｇ／Ｌ，符合国家Ⅰ类水质标准．从襄阳市区到河口，总磷浓度在０．１～０．１６ｍｇ／Ｌ之间波动，达到国家Ⅱ类水质标准，但较之其他地方，襄阳市区和武汉汉阳区水质状况差．总体而言，汉江上游的水质要明显好于下游水质．
图６ 水质污染ＴＰ沿程分布浓度曲线图
分段考虑非点源对水质状况的贡献率（图７），从丹江口坝上到襄阳，途径谷城、保康一带，非点源平均贡献率为３５％，点源污染是最主要的污染类型．而在襄阳市区，水质状况变差，ＴＰ浓度从０．０３８ｍｇ／Ｌ迅速跃升至０．１３４ｍｇ／Ｌ．从襄阳至钟祥，ＴＰ浓度为全河道最高，介于０．１２３～０．１４１ｍｇ／Ｌ，贡献率介于６３％～６５％；主要原因是点源排放量增大，且河段左邻南襄盆地，右接江汉平原，农业活动频繁，同时，该区地势平坦植被覆盖率较低，降雨径流产生的单位负荷量大．从钟祥至潜江，水质状况略有改善，ＴＰ浓度呈现下降趋势，介于０．１０５～０．１３ｍｇ／Ｌ，非点源贡献率亦降低．从潜江至蔡甸，ＴＰ浓度在０．１２ｍｇ／Ｌ附近波动，非点源的贡献率下降并保持在５０％水平，水体中ＴＰ的浓度与仅受点源影响的变化趋势一致，说明在该河段水质状况受点源排放量的影响较大．进入武汉城区，非点源的贡献率回升，接近６０％，水质状况变差．此时，单从点源考虑，ＴＰ浓度应呈减弱趋势，但综合点源和非点源的模拟结果显示ＴＰ浓度有所增长．究其原因，主要是因为城市不透水面积大，降雨过程初损小，而以气体、固体垃圾形态存在的污染物种类多，经降雨-径流过程汇聚，最终导致入河非点源数量增大，从而成为影响河段的主要因素．13
图７ 非点源污染ＴＰ贡献率曲线图
５ 结论
运用ＧＩＳ和ＲＳ技术，通过ＳＣＳ方程、负荷输出的经验模型及构建的汉江中下游一维水质模型对非点源污染进行了定量研究，结果表明：
１）研究区２００７年非点源磷负荷达５ ３８１．３０ｔ，占总污染负荷的６６．７％．用实测数据对汉江中下游一维水质模型的模拟值进行验证，变化趋势基本吻合，平均相对误差为１５％，说明模型具有良好的可靠性．
２）非点源污染已成为汉江中下游最主要的污染类型，特别是农业非点源和城市非点源影响尤其突出．其中襄阳至南漳一带是重要的农产区，非点源ＴＰ对水质的影响贡献率达到６５％，而武汉城区亦达到５８％．
３）农业非点源负荷量会随着农业生产时令发生变化，因此研究非点源负荷量及对水质污染的贡献率随着季节和枯、平、丰水期的变化关系，对于控制非点源污染具有指导意义，也是今后需要深入探讨的方向．
致谢：由衷感谢北京大学城市与环境学院李双成副教授提供的土壤数据资料及技术指导．
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作者简介：沈虹（１９８７-），女，硕士研究生，主要从事景观生态、土地利用的学习与研究.
