為改善流域水環(huán)境質(zhì)量狀況和促進(jìn)人水和諧發(fā)展，采取科學(xué)的方法措施控制流域污染物總量已成為目前急需解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的面源污染調(diào)查方法主要有查閱統(tǒng)計(jì)資料、水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析、區(qū)域入戶調(diào)查及野外采樣等手段。地方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為污染源調(diào)查統(tǒng)計(jì)的重要依據(jù)，由于土地利用類(lèi)型、徑流量、人口數(shù)量和流域范圍等資料的缺乏，使得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的獲取存在較大困難，且數(shù)據(jù)的可靠度和時(shí)效性往往較差。在湖庫(kù)型水源地面源污染評(píng)價(jià)過(guò)程中為有效獲取模型計(jì)算參數(shù)，可利用GIS技術(shù)提高數(shù)據(jù)的可行度和輸入效率，另外還可結(jié)合TS技術(shù)模擬分析土地利用狀況、類(lèi)型等因素的時(shí)空變化特征。GIS技術(shù)的可視化功能和空間分析技術(shù)不僅能夠揭示大量數(shù)據(jù)中隱藏的內(nèi)在變化規(guī)律與空間特征，而且提高了數(shù)據(jù)的直觀性，對(duì)污染物遷移途徑和主要來(lái)源能夠有效進(jìn)行識(shí)別，從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量受污染物類(lèi)型及負(fù)荷的影響作用，并為水源地污染控制和水環(huán)境保護(hù)提供一定決策依據(jù)。
在面源污染研究方面GIS技術(shù)越來(lái)越引起人們的重視，對(duì)于面源污染控制專家系統(tǒng)和信息系統(tǒng)最早應(yīng)用于美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家。Behrendt等通過(guò)調(diào)查和監(jiān)測(cè)區(qū)域磷污染狀況，利用GIS空間建模功能分析了易污染地區(qū)不同土壤類(lèi)型吸收磷元素的能力，Zhang等認(rèn)為非點(diǎn)源污染影響分析的重要基礎(chǔ)是揭示流域水質(zhì)面源污染的空間分布規(guī)律，從而可確定污染源重點(diǎn)控制區(qū)，CookeW.H等利用GIS技術(shù)深入研究了密歇根州農(nóng)業(yè)流域的N、P流失狀況和土壤侵蝕特征，在此基礎(chǔ)上提出了最佳的農(nóng)業(yè)管理模式。目前，在非點(diǎn)源污染分析中GIS技術(shù)的研究應(yīng)用已成為大勢(shì)所趨，如賈海峰等運(yùn)用GIS技術(shù)分析石匣小流域?qū)嶒?yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果和土地利用數(shù)據(jù)，從而提出了非點(diǎn)源污染重點(diǎn)控制區(qū)域和分布特征，康啟燕等為定量描述污染物的產(chǎn)生量構(gòu)建了基于GIS技術(shù)的污染物遷移數(shù)學(xué)模型，在流域系統(tǒng)范圍內(nèi)模擬分析了污染物空間分布特征，對(duì)改變流域水質(zhì)惡化趨勢(shì)、保護(hù)水環(huán)境重點(diǎn)區(qū)域以及水污染治理具有重要的指導(dǎo)作用，鄭強(qiáng)等對(duì)太湖流域非點(diǎn)源污染入河量的時(shí)空分布規(guī)律利用GIS的空間分析功能進(jìn)行研究，結(jié)果顯示汛期為入河污染物的高峰時(shí)期且環(huán)太湖地區(qū)為高峰集中區(qū)。
當(dāng)前，對(duì)于非點(diǎn)源污染的分析過(guò)程GIS技術(shù)的應(yīng)用較為常見(jiàn)，而在湖庫(kù)型水庫(kù)面源污染控制中GIS技術(shù)的研究相對(duì)較少。本文以大凌河干流白石水庫(kù)為例，在水庫(kù)面源污染控制和解析過(guò)程中引入GIS技術(shù)，以期為流域水污染控制及面源污染負(fù)荷的消減提供一定科學(xué)依據(jù)。
一、研究概況
選擇白石水庫(kù)匯水區(qū)域作為整個(gè)研究范圍，總面積75.0km2，主體工程有取水口、水電站、泄洪排沙底孔、攔河壩和溢流表孔等。白石水庫(kù)位于大凌河干流，具有優(yōu)越的地理環(huán)境和便利的交通條件，處于錦州、阜新和朝陽(yáng)區(qū)域的中心地帶。該水庫(kù)是一座主要以農(nóng)業(yè)灌溉、防洪排澇和城市供水為主，同時(shí)兼顧一定的發(fā)電、旅游和水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能的大型水利工程，入庫(kù)河流主要有大凌河、涼水河、牤牛河、沙河等，主要為錦州、阜新等區(qū)域提供居民生活飲用水。大凌河主脈貫穿遼西、東南匯入渤海，西支與南支發(fā)源于平泉縣泉子溝及建昌縣水泉溝，二支匯合后徑流朝陽(yáng)縣、凌海市、北票市、義縣等地區(qū)。流域內(nèi)河網(wǎng)密布有涼水河子、忙牛河、老虎山河、西河等支流，景觀變化比較劇烈、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度較快，屬于遼寧省工農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心區(qū)域。
城鎮(zhèn)生活污水、水土流失、農(nóng)村固廢污染物、農(nóng)田徑流及分散式牲畜養(yǎng)殖等為白石水庫(kù)面源污染的主要來(lái)源，各污染物貢獻(xiàn)率和排放量統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表1。由表1可知，在各類(lèi)面源污染中白石水庫(kù)農(nóng)田徑流污染的占比最大，其次為農(nóng)村生活污水。
二、研究方法
2.1 水庫(kù)面源污染控制措施評(píng)價(jià)指標(biāo)
科學(xué)合理的選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)是水庫(kù)面源污染控制方案優(yōu)選決策的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建應(yīng)尊姓可性性、系統(tǒng)性性、適用性性、科學(xué)性原則。另外，選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)還要綜合考慮面源污染治理的經(jīng)濟(jì)成本因子和污染物消減等環(huán)境因子。本文從經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的角度，兼顧水庫(kù)污染源的時(shí)空分布特征對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行選擇，其中環(huán)境效益指標(biāo)包括COD、NH3-N、TN與TP消減率4項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)有運(yùn)行成本、建設(shè)成本的技術(shù)投資因子。
2.2 水資源保護(hù)方案決策模型
對(duì)飲用水源地污染控制措施利用AHP-GRAP層次分析改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行優(yōu)選，首先基于AHP原理建立水源地保護(hù)各影響因子層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，然后根據(jù)各因子分析結(jié)果建立方案層、子準(zhǔn)則層和準(zhǔn)則層判斷矩陣，通過(guò)一致性檢驗(yàn)確定各參數(shù)相對(duì)權(quán)重。然后對(duì)各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度采用GRAP法計(jì)算，水資源保護(hù)最優(yōu)措施即為AHP-GRAP法計(jì)算確定的關(guān)聯(lián)度系數(shù)最大的措施，該方法不僅綜合考慮了各子系統(tǒng)的關(guān)系特征，而且有效解決了以往定性分析主、次不分和單一因素評(píng)價(jià)的問(wèn)題。
三、結(jié)果分析
3.1 水庫(kù)面源污染控制方案布局
(1)子流域劃分。通過(guò)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)各入庫(kù)子流域的劃分，采用GIS軟件確定各支流匯水面積，統(tǒng)計(jì)計(jì)算白石水庫(kù)各入庫(kù)河流的來(lái)水量、匯水面積占比見(jiàn)表2，為便于計(jì)算分析不考慮水庫(kù)周邊的塘壩。
根據(jù)表2可知，白石水庫(kù)入?yún)R河流以大凌河為主，經(jīng)北票市后徑流白石水庫(kù)，其中68.0%以上入庫(kù)水量來(lái)源于大凌河支流。相對(duì)于其他河流牤牛河、涼水河的來(lái)水量相對(duì)較大，占比分別為20.25%、11.102%。
(2)大凌河干流白石水庫(kù)水域面積10.28km2，研究區(qū)總面積75.0km2，因此土地面積還有64.72km2，統(tǒng)計(jì)分析白石水庫(kù)內(nèi)土地利用類(lèi)型見(jiàn)表3。
根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，白石水庫(kù)一級(jí)、二級(jí)水源地保護(hù)區(qū)土地利用以耕地為主，占比分別為73.04%、56.22%，其次為林地占比分別為11.83%和30.52%。總體而言，白石水庫(kù)研究范圍內(nèi)的土地利用類(lèi)型以耕地、城鎮(zhèn)居民用地為主，而林地、草地占比相對(duì)較低。根據(jù)各土地利用類(lèi)型占水庫(kù)匯水區(qū)域比例可知，城鎮(zhèn)居民用地、耕地面積占水源保護(hù)區(qū)的比例較大，該統(tǒng)計(jì)結(jié)果與城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)田徑流污染占區(qū)域總污染比例的污染源調(diào)查結(jié)果基本保持相同。
(3)水庫(kù)保護(hù)區(qū)污染排放量分布特征。根據(jù)點(diǎn)面源污染調(diào)查資料、土地利用方式和子流域劃分結(jié)果，對(duì)白石水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)的污染排放量分布規(guī)律利用GIS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，然后結(jié)合各土地利用方式污染物排放系數(shù)計(jì)算污染物年排放量。對(duì)入庫(kù)河流匯水面積內(nèi)的污染物排放量利用GIS軟件的矢量剪切功能進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
根據(jù)表4可知，對(duì)白石水庫(kù)NH3-N、TP、TN和COD污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大的為大凌河子流域，占比分別為63.70%、65.35%、64.13%、68.38%，其次為涼水河子流域，各污染物貢獻(xiàn)率分別為20.10%、19.33%、19.45%、20.16%。大凌河與涼水河產(chǎn)生較大污染負(fù)荷量的原因?yàn)椋阂环矫鏋樵撟恿饔虻膮R水面積相對(duì)較大，占總面積的61.85%、11.10%，另一方面為大凌河、涼水河接納了朝陽(yáng)市與北票市等區(qū)域的生活污水與農(nóng)業(yè)廢水，加之農(nóng)田徑流、鄉(xiāng)鎮(zhèn)固廢污染等因素使得該區(qū)域負(fù)荷貢獻(xiàn)率較大。
(4)結(jié)合白石水庫(kù)研究范圍內(nèi)GIS土地坡度提取結(jié)果，水源保護(hù)區(qū)坡耕地均在25°以下區(qū)域，然后根據(jù)水源保護(hù)區(qū)污染防治要求和飲用水區(qū)劃技術(shù)規(guī)范，對(duì)庫(kù)區(qū)實(shí)施退耕還林措施見(jiàn)表5。
對(duì)白石水庫(kù)匯水區(qū)采取退耕還林措施可有效減少NH3-N、TP、TN和COD污染負(fù)荷量，分別為133.26t/a、47.36t/a、242.85t/a、650.18t/a，對(duì)于保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和改善水質(zhì)持續(xù)惡化的局面具有重要作用。
3.2 典型污染控制技術(shù)分析
根據(jù)白石水庫(kù)污染排放量分布規(guī)律和污染源計(jì)算結(jié)果可知，在庫(kù)區(qū)面源污染中農(nóng)田徑流污染的占比最大，其次為城鎮(zhèn)生活污水，二者污染總負(fù)荷在80%以上，因此將其作為典型污染源控制重點(diǎn)。
(1)農(nóng)田徑流典型污染控制技術(shù)。結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料和相關(guān)技術(shù)指南，對(duì)白石水庫(kù)農(nóng)田徑流污染控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)選，各項(xiàng)技術(shù)的投資指標(biāo)和污染物消減率見(jiàn)表6
選擇B0作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)選決策，在該標(biāo)準(zhǔn)下技術(shù)投資為10元/m2，對(duì)各類(lèi)污染物的去除率均達(dá)到100%。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)各污染控制技術(shù)的關(guān)聯(lián)度系數(shù)μ和各參數(shù)權(quán)重利用GRAP、AHP法進(jìn)行計(jì)算見(jiàn)表7。
根據(jù)表7可知，綜合考慮污染控制技術(shù)投資成本和以TP、TN、COD去除率為主的條件下，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)最大值為生態(tài)溝渠-生態(tài)塘農(nóng)田徑流污染控制技術(shù)的0.6810，其次為生態(tài)攔截緩沖帶的0.5732，雖然技術(shù)投資最小的為生態(tài)天然，然而其污染物去除率也較低，因此綜合關(guān)聯(lián)度為0.3865。綜上分析，生態(tài)攔截緩沖帶和生態(tài)溝渠-生態(tài)塘為白石水庫(kù)農(nóng)田徑流污染控制的主要措施，另外還要結(jié)合庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境實(shí)際情況采取人工濕地控制措施。
(2)城鎮(zhèn)生活污水控制措施。結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料和相關(guān)技術(shù)指南，對(duì)白石水庫(kù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)選，各項(xiàng)技術(shù)的投資指標(biāo)和污染物消減率見(jiàn)表8。
選擇C0作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)選決策，在該標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行成本為0.2元/m3，建設(shè)成本為1000元/m3，對(duì)各類(lèi)污染物的去除率均達(dá)到100%。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)各污染控制技術(shù)的關(guān)聯(lián)度系數(shù)μ和各參數(shù)權(quán)重利用GRAP、AHP法進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表9。
根據(jù)表9可知，綜合考慮污染控制技術(shù)投資成本和以TP、TN、COD去除率為主的條件下，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)最大值為生物接觸氧化-人工濕地生活污水處理技術(shù)的0.6810，其次為潛流式人工濕地城鎮(zhèn)生活污水控制技術(shù)，另外還可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展實(shí)際情況采取沼氣池控制技術(shù)。
3.3 污染物總量控制方案
(1)計(jì)算水環(huán)境容量。白石水庫(kù)污染物總量控制目標(biāo)設(shè)定為水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，然后結(jié)合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定Ⅱ類(lèi)水質(zhì)NH3-N、TP、TN和COD濃度臨界值為0.5mg/L、0.025mg/L、0.5mg/L、15mg/L。根據(jù)地方水污染排放標(biāo)準(zhǔn)選擇完全混合模型作為河湖水庫(kù)NH3-N、COD水環(huán)境容量計(jì)算模型，其表達(dá)式如下：
式中，W1—白石水庫(kù)NH3—N、COD水環(huán)境容量，t/a，ρ0、ρs—白石水庫(kù)水環(huán)境現(xiàn)狀與目標(biāo)控制質(zhì)量濃度，mg/L，K、T—白石水庫(kù)污染物綜合降解技術(shù)和維持設(shè)計(jì)水量的天數(shù)，a-1、d，V0、qout—代表白石水庫(kù)安全設(shè)計(jì)水量與排泄出水量，m3、m3/s。
采用吉柯奈爾-迪龍模型作為白石水庫(kù)TP、TN水環(huán)境容量計(jì)算模型，計(jì)算表達(dá)式分別如下：
其中，q=Q1/V，qs=Q/A，Q=365qout；
式中，W2—白石水庫(kù)TP、TN水環(huán)境容量，t/a，R—TP、TN滯留系數(shù)，Q、Q1—白石水庫(kù)年出庫(kù)水量與輸入水量，m3/a，q、qs—水力沖刷速率與面積水符合，a-1、m/s，A、H、V—白石水庫(kù)湖水表面積、平均水深及水庫(kù)庫(kù)容，m2、m、m3。
根據(jù)白石水庫(kù)有關(guān)數(shù)據(jù)資料和上述計(jì)算模型，對(duì)各污染指標(biāo)消減率、現(xiàn)狀符合及水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算見(jiàn)表10。
根據(jù)上表計(jì)算結(jié)果，消減率相對(duì)較大的為T(mén)N、TP、COD，對(duì)NH3-N污染物的消減率最低為23.51%。相對(duì)于NH3-N、TN、TP、COD水環(huán)境容量白石水庫(kù)現(xiàn)狀負(fù)荷消減量分別為9.61、46.78、9.25、369.81t/a，消減率分別為23.51%、52.88%、63.14%與40.85%。根據(jù)各污染物現(xiàn)狀排放量和消減率，需要消減的于NH3-N、TP、TN、COD排放量分別為112.96、108.14、465.20、918.37t/a。
在退耕還林工程建設(shè)實(shí)施后，達(dá)到消減要求的僅有NH3-N污染物，還需要進(jìn)一步消減的TP、TN、COD量分別為52.38、206.42與226.47t/a，治理工程以去除TN、TP為主要目標(biāo)。
(2)總量控制方案優(yōu)選。結(jié)合庫(kù)區(qū)水環(huán)境保護(hù)要求和生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，本研究設(shè)定了3套方案。基礎(chǔ)方案a:不采取新的治理技術(shù)，控制保護(hù)區(qū)污染源為基準(zhǔn)年水平，基本治理方案b：重點(diǎn)對(duì)大凌河、涼水河重點(diǎn)污染區(qū)進(jìn)行農(nóng)田徑流污染源控制，通過(guò)對(duì)其他入庫(kù)河流的污染控制構(gòu)建情景方案，污染控制方案c:兼顧治理農(nóng)村生活污水與農(nóng)田徑流污染方案，構(gòu)建4套治理方案。各方案污染控制參數(shù)及治理率見(jiàn)表11。
從經(jīng)濟(jì)成本控制和污染物消減量的角度對(duì)比分析各治理方案，另外還要考慮其他因素。采用生態(tài)溝-生態(tài)塘與生態(tài)攔截緩沖帶復(fù)合技術(shù)對(duì)白石水庫(kù)農(nóng)田徑流污染控制，另外輔助科學(xué)施肥、合理栽植技術(shù)措施，其投資成本在4600元/hm2左右，可實(shí)現(xiàn)NH3-N、TP、TN、COD去除率為50%、66%、57%、42%。采用人工濕地-生物接觸氧化技術(shù)處理農(nóng)村生活污水，可實(shí)現(xiàn)NH3-N、TP、TN、COD去除率為90%、92%、84%、76%。6種方案的投資費(fèi)用與污染負(fù)荷消減率見(jiàn)表11。綜合考慮投資成本和消減量等因素下，最佳方案為b，即對(duì)研究區(qū)控制農(nóng)田徑流污染。
四、結(jié)論
(1)白石水庫(kù)入?yún)R河流以大凌河為主，經(jīng)北票市后徑流白石水庫(kù)，68.0%以上入庫(kù)水量來(lái)源于大凌河支流，其次為牤牛河、涼水河。研究范圍內(nèi)的土地利用類(lèi)型以耕地、城鎮(zhèn)居民用地為主，而林地、草地占比相對(duì)較低，城鎮(zhèn)居民用地、耕地面積占水源保護(hù)區(qū)的比例較大，該統(tǒng)計(jì)結(jié)果與城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)田徑流污染占區(qū)域總污染比例的污染源調(diào)查結(jié)果基本保持相同。對(duì)白石水庫(kù)NH3-N、TP、TN和COD污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大的為大凌河子流域，占比均在60%以上，其次為涼水河子流域，占比在20%左右。
(2)綜合考慮污染控制技術(shù)投資成本和去除率為主的條件下，白石水庫(kù)農(nóng)田徑流污染控制、城鎮(zhèn)生活污水控制最優(yōu)措施分別為生態(tài)溝渠-生態(tài)塘技術(shù)與生物接觸氧化-人工濕地技術(shù)。
(3)在控制污染物總量的條件下，相對(duì)于NH3-N、TN、TP、COD水環(huán)境容量白石水庫(kù)現(xiàn)狀負(fù)荷消減率分別為23.51%、52.88%、63.14%與40.85%。在退耕還林工程建設(shè)實(shí)施后，達(dá)到消減要求的僅有NH3-N污染物，還需要進(jìn)一步消減的TP、TN、COD污染物。在實(shí)現(xiàn)剩余城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)田徑流污染全部消減目標(biāo)的條件下，選擇控制農(nóng)田徑流污染方案的投資最低，為水庫(kù)污染控制的最佳方案。
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