流域非点源水污染排放清单估算系统构建

李淼泉，田 恬，陈 奔，李红华，吴文俊 ，段 扬，蒋洪强

（1.中科宇图科技股份有限公司，北京 100101；2.生态环境部环境规划院国家环境保护环境规划与政策模拟重点实验室，北京 100012）

引言

伴随着经济社会快速发展和城镇化水平加快，我国水环境污染问题日益加重，已逐渐成为影响美丽中国建设的重要制约因素。近年来，随着点源污染逐步得到治理，非点源污染已成为地表水污染的主要成因，尤其以农业非点源污染贡献最大[1]。研究表明，全球有30%～50%地表水受到非点源污染影响[2-3]，我国非点源水污染问题也很严重[4]，非点源排放使地表水水质下降，同时由于非点源氮磷污染突出，易导致水体发生富营养化[5]。党的十九大以来，中央越来越注重加强农业环境保护与治理，2018 年中央一号文件明确指出：“加强农业面源污染防治，开展农业绿色发展行动”，同时2018 年3 月17 日出台的《国务院机构改革方案》中决定将“监督指导农业面源污染治理职责”划归到新组建的生态环境部中，通过机构改革和相应职能调整，不断强化对农业非点源污染的综合防治。在这一大背景下，加强农业非点源相关研究，搭建非点源排放清单估算系统，摸清农业非点源排放情况，不仅对改善我国流域水环境质量具有重要作用，而且对于支撑生态环境部农业非点源监管的科学决策意义重大。

流域非点源污染负荷估算方法众多，如输出系数法、SWAT、HSPF 等在国内外均取得了许多进展[6-11]，改进输出系数法目前被认为是针对大尺度流域非点源模拟的主要方法，其结构简单、应用方便且具备一定精度，因而得到了广泛应用[12]。早在20 世纪70 年代初期，美国、加拿大的科研学者在研究土地利用—营养负荷—湖泊富营养化关系的过程中，首次提出输出系数法这一概念[13]。随后，英国学者Johnes 于1996 年对输出系数法进行了优化，将模型进一步细分为土地利用、牲畜养殖、人口数量等分项，同时考虑了空气沉降等其他因素，丰富了非点源范畴的模拟内容，提高了模型应用的可靠性[14]。随后，我国学者蔡明等考虑了流域内污染物输移损失及降雨的影响，引入了流域损失系数及降雨影响系数，使模型机制更明确，模拟更符合实际[13]。丁晓雯等在此基础上，进一步考虑了地形因素的影响，引入了地形影响因子，提高了模型在大尺度流域的模拟精度[15]。

流域非点源水污染研究以子流域为基本单元，通过控制单元来有机衔接区域治理责任和流域自然属性的相关关系[16]，然而当前对非点源水污染排放清单的处理方法往往存在缺少空间异质性、数据更新频率低等的缺点[17-18]。本文基于SOA-B/S 架构，采取了改进输出系数法和地理信息系统关键技术，构建了流域非点源污染排放清单估算系统框架，开发了流域非点源水污染排放清单估算系统。该系统从“十三五”水污染防治和水环境保护的基本要求出发，选取并改进流域非点源水污染排放清单处理技术，采用输出系数法模型，以数据库、GIS 工具、模型算法等为技术手段，充分考虑排放的空间异质性特征，实现对不同时间和空间尺度下的非点源水污染负荷估算，并选择嫩江流域为案例开展应用示范，从而为流域水环境模拟研究和流域动态总量控制奠定技术基础与数据处理标准，为决策者制定流域水环境管理措施和方案提供有力的技术支持。

1 关键模型技术

1.1 输出系数法模型

本研究采用输出系数法构建非点源水污染年度负荷与分水期负荷估算模型。输出系数法是一种基于统计学的线性数学方法，它仅考虑应用对象中的输入量和输出量，而对复杂的中间过程不予考虑。输出系数模型的一般表达式为：

式中，Li为污染物i 在Aj研究区域非点源水污染的总负荷量；Eij为污染物i 在第j 种土地利用或牲畜、人口中的输出系数；Aj为第j 种土地利用类型的面积或牲畜数量和人口数量；p 为其他参数修正[19]。

由于非点源水污染负荷估算模型规避了复杂的物理过程，着重考虑经验统计规律，因此确定合理的输出系数尤为重要。本系统主要采用查阅文献法和数学统计法相结合的方法确定参数。牲畜及人口输出系数采用查阅文献法，选取与全国各流域片区自然、地理、人文等条件相似的区域已有的研究成果作为输出系数选取的初始条件和率定范围，然后通过比较模拟值与实测值，调整输出系数，选取一组较适用于所选研究区域范围的输出系数[20]。

1.2 模型参数确定

在参数确定过程中，采用现有数据分析法和模型模拟法。前者应用已收集的环境统计数据，采用相关分析等统计学方法提取土地利用面积、人口数量、牲畜数量与非点源水污染排放量之间的相关系数；模型模拟法采用目前发展较为成熟的模拟农业非点源污染模型——SWAT 对流域非点源污染现状进行模拟[21,22]，并进一步寻找模拟结果与土地利用类型、土壤类型等核心要素的关系，提取对应的相关系数。

1.2.1 数据分析法

（1）种植业参数

种植业中选取对种植业非点源水污染影响较大的水田和旱地两种土地利用类型带来的种植业非点源水污染负荷进行参数提取和估算。考虑到种植业具有较为明显的地域差异，将我国按照十大流域片区界划分为长江流域、黄河流域、珠江流域、淮河流域、海河流域、松花江流域、辽河流域、西南诸河流域、西北诸河流域和东南诸河流域，按流域边界提取各自不同的种植业输出系数。

采用统计学方法，建立水田、旱地两种土地利用类型面积与种植业非点源污染产生量和排放量之间的线性关系。提取两种土地利用类型占地面积系数作为土地利用类型参数，将常数项作为入河系数。

（2）畜禽养殖业参数

畜禽养殖输出系数采用查阅文献法，选取与全国各流域片区自然、地理、人文等条件相似的区域已有研究成果作为输出系数选取的初始条件和率定范围，然后通过比较模拟值与实测值，调整输出系数，规避模拟与实测值误差过大的数据，选取一组较适用于所选研究区域范围的输出系数。

此外，参考《第一次全国污染普查畜禽养殖业源产排污系数手册》研究结果，确定大牲畜输出系数值，并以此为辅助率定条件，相应的资料和率定结果如土地利用参数则利用相关系数法进行提取。

（3）农村生活参数

通过文献调研方法，参考《第一次全国污染普查畜禽养殖业源产排污系数手册》及《全国水环境容量核定技术指南》成果，提取农村生活参数。

（4）径流分配系数

在进行年内非点源水污染排放清单估算时，需要将年排放清单的数值进行空间分配。在此过程中，需要对径流数据进行基流分割和年内分配系数提取。

1）基流分割

采用直线分割法中的水平线分割法完成对径流量的分割。水平线分割是以月平均流量最小值为基准，在流量过程线上水平分割，直线下方为全年基流量。水平线分割法一般选取多个水文年为代表年份，逐年绘制逐日平均流量过程线，以枯季月均流量的最小值作为基准，进行基流分割。斜直线分割法是在逐日河川径流过程线上，找到洪峰起涨点与退水段转折点，将两点以直线相连。对于凌汛期及多次洪水过程，需做分段分割，斜直线以下为汛期基流量，与枯季径流量相加为河川基流量。

图1 显示了水平线分割法原理。

图1 水平线分割法原理

2）年内分配

根据收集到的多年径流量数据，绘制P-III 型曲线，取P＜25%为丰水年，25% ＜P＜75%为平水年，P＞75%为枯水年。将各径流年进行丰、平、枯分类，提取各类别下年净流量的分布系数。

（5）其他参数

除种植业、畜禽养殖和农村生活系数外，流域非点源水污染的负荷量和排放量还受到地形、气象、土壤等其他因素的影响，在实际估算过程中，需要根据实际情况对上述因素进行修正。修正系数如表1 所示。

表1 其他因素修正系数

1.2.2 模型模拟法

采用SWAT 模型模拟流域片区农业非点源污染情况，并提取模拟结果与土地利用、土壤类型等核心因素间的关系进而提取相关参数。该方法需要准备大量数据，模拟校正期也存在较大的不确定性，本项目选用此方法主要用于对前一种方法进行校准。

由于SWAT 模型对数据格式有着较高的要求，因此在数据收集完成后，需对各类型数据进行预处理。通过使用包括dew SWAT、pcp SWAT、SWAT Weather 等转换工具，完成输入数据整理，调整数据格式以适应模型需求，完成属性数据库建设。

通过对流域划分、水文响应单元（HRU）划定、数据导入、设置模型起始和结束时间、模拟的时间尺度，运行模型，并得到运行结果。根据模型模拟结果，构建污染物排放量与土地利用、土壤类型等因素的函数关系。模型结果中，需要提取的信息包括子流域编号、面积、降雨量、土地利用类型、土壤类型、污染物输出量等。

该方法具体技术路线如图2 所示。

模型模拟法所需数据梳理如表2 所示。

表2 SWAT模型数据需求

图2 模型模拟法技术路线

2 排放清单技术方法研究

流域非点源水污染排放清单技术首先在行政区尺度采用回归分析的方法讨论土地利用类型、地形坡度特征与非点源水污染产生量和排放量之间的联系，进而得到年尺度下不同土地利用类型和年径流特征条件下的非点源水污染排放清单的输出系数[23]。然后根据研究区流域地形、水流条件，在ArcSWAT 模块下将研究流域划分为若干子流域，并将之前计算得到的输出系数代入各子流域中，得到子流域尺度下非点源水污染排放清单。最后，根据研究区年内气候条件、水流条件，提取不同流量季的入河修正系数，最终得到基于土地利用类型与地形差异的子流域非点源水污染排放动态清单。

该方法通过将非点源污染数据规范到流域尺度，综合考虑我国不同流域污染产生数据之间，以及季节性污染产生数据之间的差异，提高了污染源排放清单编制效率和科学性，可以通过技术手段分析非点源污染的减排措施和减排效益。

采用SWAT 模型模拟全国几大流域片区农业非点源污染情况，并提取模拟结果与土地利用、土壤类型等核心因素间的关系进而提取相关参数。该方法具体技术路线如图3 所示。

2.1 识别流域片区

以我国主要流域为单位进行区域划分，导入研究流域边界，识别研究流域所在位置。

2.2 构建流域非点源水污染输出系数查找表

系统输入数据主要包括土地利用、人口数量信息以及牲畜数量信息结合客户实际需求，可选择模型内设数据或自行导入相关数据的信息。各类数据主要为结构化数据，数据时间尺度主要为月尺度，部分为日更新数据。系统默认读取的上述信息基本情况如表3 所示。

将行政区尺度下的非点源水污染环统数据和流域土地利用类型进行叠加分析，通过回归分析法得到单位污染负荷与土地利用、人口、牲畜头数之间的关系，读取输出系数。搭建流域非点源污染输出系数查找表。输入包括土地利用、人口数量、牲畜数量等数据，用户可选择自行导入土地利用栅格数据、人口数量矢量数据及土地利用矢量数据，用户也可调用系统自带数据完成数据计算。

2.3 参数率定及污染负荷估算

根据输入数据，自动识别旱地、水田土地利用类型所占面积，调用参数库中对应区域的农业非点源污染系数完成农田非点源污染负荷估算；通过自动识别畜禽养殖类型数据、农村生活人口数据，调研参数库对应参数，完成畜禽养殖、农村生活非点源水污染负荷估算。最后，调用河段入河系数，完成流域非点源水污染排放清单估算。

2.4 流域非点源水污染产生量数据估算

图3 流域非点源水污染排放清单技术路线

表3 系统输入数据基本信息表

结合所述流域非点源输出系数、所述流域内各行政区划的每种土地利用类型的面积、人口数量等因素以及全国行政区划统计数据，得到所述流域非点源水污染产生量数据；利用SWAT 模型对所述流域分区，得到子流域分区，将所述流域非点源水污染产生量数据离散化，得到子流域分区的非点源水污染产生量数据。根据文献调研数据以及以往模型运行的经验数据，将所述子流域分区的非点源水污染产生量数据，分解成子流域分区不同流量季的非点源水污染产生量数据。

3 系统应用

系统充分考虑了全国地域和时间上的差异，实现了从流域信息提取、流域非点源水污染排放清单年负荷估算到年内分水期负荷估算的研究，估算结果以网格为单位，以EXCEL 表形式读取和导出，可作为其他精细化模拟模型的输入数据，服务精细化模拟过程。下面以嫩江流域为例，系统介绍流域非点源水污染排放清单年负荷估算子系统和分水期负荷估算子系统的实例应用[24,25]。在进行非点源水污染估算前，首先需确定研究区范围，系统可实现按流域、行政区、矩形和经纬度四种方式完成研究区选择步骤。识别流域所在的片区，在全国土地利用类型图中，按照全国1:100 万地形图分幅标准进行流域片区识别。

3.1 系统框架设计

系统采用SOA-B/S 架构，采用多层架构和模块化的开发方式，各模块之间相互独立，模块接口开放。从逻辑上看，系统具有典型的五层结构——基础支撑层、数据库层、应用层、展示层和用户层，具体结构如图4 所示[26]。

基础支撑层：主要包括系统运行的硬件设备、软件环境和网络设施等基础支撑。

数据库层：系统采用EF（Entity Framework）连接数据库，可读取本地微软SQL Server 数据库。数据库收集了与非点源水污染排放清单负荷估算相关的空间数据和属性数据，其中空间数据主要包括数字高程、河网水系、水文站点、土地利用、土壤类型、行政区划、流域边界等信息，属性数据库则主要包括社会经济、人口资源以及污染排放等信息。

图4 流域非点源水污染排放清单估算系统逻辑框架

应用层：主要包括3 个层次的服务，即基础服务、图形化查询服务和分析决策支持服务。基础服务为用户提供环境要素相关信息的查询、分析、比较和展示等服务；图形化查询服务是建立在地理信息系统之上的服务；分析决策支持服务是以系统数据库为基础，采用输出系数法，调用适用于不同地区的系统参数库以估算非点源水污染年负荷和年内负荷，最终为流域水环境质量管理提供决策依据，是系统的核心所在。

展示层：是用户直接查询模型估算结果的平台。系统以流域基础地理数据、污染源数据、社会经济数据等为基础，以输出系数法为研究方法，对非点源水污染排放清单进行合理估算，最终以图表、空间GIS 专题图等形式展示。

用户层：系统业务模块通过系统主模块进行组合，根据登录用户的权限，确定登录用户可以访问的业务模块。通过这个流程，构建系统入口界面，不同的用户使用不同的业务模块。

3.2 系统估算过程

3.2.1 研究区选取

研究区选择功能可通过按流域、按行政区、按矩形和按经纬度等四种形式选定要研究的研究区域。

3.2.2 输入数据

为更合理地完成对所选区域非点源水污染排放清单的估算，用户需导入土地利用类型、人口数量以及牲畜数量的相关信息。考虑到不同空间尺度的研究区所需的空间信息分辨率差异，用户可选择系统自带数据，也可自行导入上述数据。

输入数据准备完成后，调用系统参数库，通过输出系数法完成对研究区的非点源排放清单估算。执行计算完成后，系统会弹出计算完成窗口。

3.2.3 模型计算

系统通过读取研究区年净流量数据，按照直线分割法完成基流分割；然后根据系统内部径流频率曲线所区分的丰水、平水和枯水径流分配系数，自动调用匹配的径流分配系数。

分水期负荷分配结果可通过数据表、GIS 专题图和饼状图等形式获取，也可通过时间序列图的形式对不同污染物分水期排放情况进行直观分析。

基于模型模拟法，调用嫩江流域径流分配参数，根据具体年份丰枯特征，将估算得出的总负荷量进行空间分配。

3.3 结果展示

估算完成后，估算结果可通过饼状图、时间序列图、数据表和专题图四种形式进行展示。其中，排放清单数据表可展示每个计算网格的非点源水污染负荷情况估算结果，用户可将网格重组为自己所需的大小，进而服务于其他相关非点源模型模拟中。饼状图、时间序列图和专题图更为直观地展示研究区非点源水污染排放清单的时间和空间分布差异及不同类型（农业、畜禽养殖、农村生活）非点源水污染排放清单的贡献情况。

当研究区完成非点源水污染排放清单年负荷估算工作后，在分水期排放清单子系统中，用户可通过输入研究区径流信息完成分水期排放清单的分配。

表4 对嫩江流域2011—2014 年排放清单部分结果进行了展示。

表4 嫩江流域2011—2014年排放清单部分结果展示

4 结论

流域非点源水污染排放清单估算平台重点研发出非点源水污染年内负荷估算子系统和分水期负荷估算子系统，通过改进的输出系数法和SWAT 模型模拟方法，实现了对流域内不同尺度非点源水污染的负荷量和排放量的估算，实现了对流域非点源水污染的定量分析和时空可视化展示，为流域非点源水污染治理、水资源管理提供有力支持，在当前全面推行“河长制”管理模式和流域精细化水环境管理要求下，估算系统将成为水环境管理人员摸清非点源水污染情况，有效制定非点源水污染防治策略的重要支撑工具。