滦河流域承德市非点源污染遥感模型评估分析

冯爱萍，郝新，罗仪宁，王雪蕾*，李宣瑾，黄莉

（1.生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094；2.北京师范大学，北京 100875；3.陕西省环境监测中心站，西安 710054；4.生态环境部对外合作与交流中心，北京 100035）

氮、磷是作物生长的必需元素，人类活动对氮、磷的生物地球化学循环产生了巨大变化，直接影响了粮食安全，导致了一系列水环境问题[1]。粮食安全与水资源是未来全球面临的主要挑战之一，作为一个人口和农业大国，我国面临着更为严峻的水资源和粮食生产压力。在过去几十年中通过扩大农业用地面积和利用肥料提高农田生产力来维持其庞大的人口，农业扩张和施肥增加极大提高了作物产量，确保了我国的粮食安全，但同时也增加了非点源的流失，对水环境造成了一定影响，如水质退化和水生生态系统中的生物多样性丧失等[2]。

近几十年来，随着点源污染的控制取得了较大进展，非点源污染已成为全球关注的重要问题[3-4]。非点源污染受到气候、水文、土地利用和耕作管理等诸多因素的影响，传统的非点源污染监测方法只能在较小范围内开展，研究结果也不能较好的推广应用到其他流域[5-7]。随着计算机技术发展，在非点源污染机理研究的基础上，许多数学模型被开发出来用于预测和量化流域尺度上的非点源污染流失负荷，如AnnAG⁃NPS模型[8-10]、HSPF模型[11]、SWAT模型[12-14]等。随着遥感技术的发展，遥感数据应用于非点源污染监测可以进一步提高非点源污染监测评估的精度和准确性。

滦河流域是京津冀地区的重要水源地之一，也是京津冀都市圈最前沿的生态环境屏障，然而随着用水量的增加，废水排放量也相应增加，滦河流域承德市水环境总体上呈恶化趋势，水污染引起的“水质型缺水”，加剧了水资源的短缺，因此，亟需开展滦河流域承德市污染源解析，而非点源污染作为影响水环境质量的重要污染源，引起管理部门的广泛关注。前人的研究多集中在滦河流域水质污染解析[15-16]、单一指标或单一类型非点源污染分析[17-18]、水环境治理与保护及污染防治对策[19-20]、生态系统健康评价研究[21]等方面，缺少流域多类型、多指标非点源污染空间分区分类的评估。

本研究从管理需求出发，以滦河流域承德市为研究区，开展不同类型非点源污染的精细化评估，为管理部门开展滦河流域承德市水环境治理提供技术支撑和区域参考。非点源污染遥感分布式估算模型（DPeRS模型）可实现像元尺度多类型、多指标流域非点源污染量的精细化空间评估，因此，本研究采用DPeRS模型对滦河流域承德市农田种植源、畜禽养殖源、农村生活源、城镇生活源和水土流失源5 个类型，总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮和化学需氧量（CODCr）4 个指标的非点源污染排放负荷和入河负荷进行空间像元尺度评估，利用SWAT 模型和排污系数法评估结果进行对比论证，明确了非点源污染量及污染空间分布特征，识别了非点源污染主要类型和优控单元，并探讨分析了非点源污染贡献率及影响因子，为管理部门开展滦河流域承德市非点源污染防治提供决策支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取滦河流域承德市作为研究区（图1），对其非点源污染特征进行评估分析。滦河流域发源于巴颜图古尔山麓的小梁山，流域面积44 750 km2，地理范围39°10′~42°30′N 和115°30′~119°15′E。滦河流域承德市集水面积28 616 km2，占全市总面积的72%，占滦河流域总面积的64%。滦河流域承德市属于典型的温带大陆性季风气候，年均气温为5~12 ℃，年平降水量为400~700 mm。研究区土地利用类型主要包括耕地、林地和草地，分别占流域面积的18.8%、48.6%和28.1%，受耕作条件的限制，流域主要以旱田为主，水田仅分布在流域东南部，占比不足流域面积的0.1%。

图1 研究区概况Figure 1 Overview of the study area

1.2 非点源污染遥感模型方法

从非点源污染的发生机理和污染特点出发，非点源污染发生的条件主要有动力因素、水文条件和地形特点，降雨径流过程、侵蚀过程和污染物的迁移转化过程是非点源污染形成、影响和作用的主要特征[22]。从污染源角度，将非点源污染源类型分为农业非点源、城镇生活源和水土流失源三大类，其中，农业非点源污染主要是农业生产的化学物质大量投入、农村生活污水和垃圾的任意排放、畜禽养殖场未经处理粪便的排放和农用等因素导致[22]，因此，进一步将农业非点源污染细分为农田种植、畜禽养殖和农村生活3种类型。

DPeRS 模型是基于二元结构原理构建的遥感分布式非点源污染模型，模型算法以遥感数据为驱动，以遥感像元为基本模拟单元，耦合定量遥感模型和生态水文过程模型，实现了流域非点源污染负荷的月尺度空间估算和不同污染源在遥感像元上的空间量化表达，重点评估由降水引起的地表径流型非点源污染，DPeRS模型的技术框架体系和核心算法详见文献[23-24]。DPeRS 模型可概括为 5 种污染类型、2 个元素形态和4 个模拟指标，污染类型包括农田径流、农村生活、畜禽养殖、城镇生活和水土流失，污染物形态包括溶解态和颗粒态，模拟指标包括TN、TP和CODCr。该模型包含农田氮磷平衡核算、植被覆盖度定量遥感反演、溶解态污染负荷估算、颗粒态污染负荷估算和入河估算5大模块。

1.3 非点源污染遥感模型数据库构建

DPeRS 模型的数据主要包括地形数据、气象数据、土壤数据、土地利用数据和植被覆盖度数据及统计数据等（表1），所有数据的空间分辨率均统一转换为30 m 的栅格数据。其中，DEM 数字高程数据用于研究区坡度和坡长数据的计算[25]；利用薄板样条滑动平均法进行降水量的空间插值[26]；采用最大最小值定量反演算法进行流域植被覆盖度反演[27];统计数据为2019 年滦河流域承德市县域尺度数据，通过输入输出法核算农田氮磷表观平衡量[28]，此外，通过实地采样检测获得研究区部分点位土壤样品和生活垃圾样品的氮磷含量，为模型参数校验提供数据支撑。

表1 模型主要数据Table 1 The main data of model

1.4 非点源污染优控单元识别方法

研究采用的控制单元为《重点流域水污染防治规划（2016—2020 年）》提出的全国1 784 个控制单元，其中，滦河流域承德市的控制单元有19 个。由于源头治理和过程控制是非点源污染管理和控制的两种重要方式，本研究基于非点源污染排放负荷和入河量两项指标对非点源污染类别进行识别判定，非点源污染优先控制单元筛选方法详见文献[29]，非点源污染本底阈值为DPeRS 模型评估的2005 年、2010 年和2015年河北省非点源污染量的平均值和CODCr四项指标排放负荷的阈值分别为0.29、0.02、0.15 t·km-2和1.92 t·km-2，入河量的阈值分别为34.9、2.1、16.1 t和177.9 t[29]。

2 结果与分析

2.1 非点源污染排放负荷分布特征

采用DPeRS 模型估算的2019 年滦河流域承德市的非点源污染排放负荷的空间分布特征如图2 所示（负荷分级方法参考文献[30]），2019 年滦河流域承德市TN 的排放负荷分布范围在0~20.4 t·km-2，大部分区域 TN 排放负荷在 0~1 t·km-2，TN 排放负荷较高的区域主要分布在流域中下游距离河流较近的耕地上。排放负荷主要分布在流域中下游，空间分布特征与 TN 相似，平均排放负荷为 0.06 t·km-2。与 TN 相比，2019年滦河流域承德市TP的排放负荷相对较低，变化范围在0~6.5 t·km-2之间。与TN 的空间分布不同，流域整体TP 的排放负荷相对较大，大部分区域TP 排放负荷处于0.01~0.05 t·km-2之间。与氮磷相比，滦河流域承德市CODCr污染负荷空间分布较为分散，分布范围在0~55 t·km-2之间。

图2 滦河流域承德市非点源污染排放负荷空间分布Figure 2 Spatial distribution of non-point source pollution discharge loads of Chengde City,Luanhe River Basin

2.2 非点源污染入河负荷分布特征

本研究将滦河流域承德市划分了68 个水文单元，基于研究区水文站实测的径流量、输沙量等数据，分别核算了各水文单元溶解态污染物入河系数（值域范围0~0.19）和颗粒态污染物入河系数（值域范围0~0.076），结合2019年滦河流域承德市非点源污染排放负荷，进一步核算了2019 年滦河流域承德市非点源污染入河负荷（空间分布见图3，负荷分级方法参考文献[30]）。与非点源污染排放负荷相比，滦河流域承德市非点源污染的入河负荷相对较小，TN 的入河负荷量变化范围为0~1.28 t·km-2，而TP 的入河负荷为 0~0.01 t·km-2，且研究区大部分地区 TN 和 TP 的入河负荷小于 0.01 t·km-2和 0.000 5 t·km-2。研究区CODCr的入河负荷也相对较小，变化范围为0~0.4 t·km-2。研究区非点源污染入河负荷相对较小的原因主要是滦河流域承德市2019 年降雨量较少，导致该流域水资源量与其他年相比相对较少，从而降低了非点源污染入河负荷。

图3 滦河流域承德市非点源污染入河负荷空间分布Figure 3 Spatial distribution of non-point source pollution inflow loads of Chengde City,Luanhe River Basin

2.3 不同类型非点源污染特征

基于滦河流域承德市非点源污染排放负荷空间分布特征，进一步利用DPeRS 模型对滦河流域承德市5 种类型非点源污染排放量进行空间分类统计（图4）。结果表明，2019 年滦河流域承德市TN 和排放量分别为3 565.5 t 和1 792.0 t，农田径流型是滦河流域承德市最主要的氮型非点源污染源，2019 年农田径流型TN 和排放量分别为2 882.6 t 和1 788.1 t，分别占流域 TN 和总排放量的80.6%和99.8%。2019 年滦河流域承德市非点源污染TP 排放总量为400.03 t，水土流失是TP 首要的污染类型（占比74.2%），其次为农田径流型（28.9%）。CODCr非点源污染类型与氮磷不同，仅包括畜禽养殖型、农村生活型和城镇生活型，其中畜禽养殖型是CODCr的最主要的非点源污染源，约占总排放量的94.5%。

基于滦河流域承德市非点源污染排放负荷空间分布和入河系数估算的滦河流域承德市不同类型非点源污染的入河量分布特征如图4 所示。与滦河流域承德市TN 和非点源污染的排放特征一致，农田径流型是5 种类型中氮型非点源入河量的主要贡献类型，入河量总量分别为111.49 t和70.2 t；滦河流域承德市农田径流型TP 的入河量大于水土流失型，两者分别为4.19 t 和3.49 t，分别占TP入河总量的53.72% 和44.74%；畜禽养殖型仍是CODCr入河量的首要贡献类型，畜禽养殖型年CODCr入河量为47.09 t。

图4 滦河流域承德市非点源污染量Figure 4 Pollution amount of non-point source pollution of Chengde City in Luanhe River Basin

2.4 非点源污染优控单元识别

基于滦河流域承德市非点源污染排放负荷和入河量的空间分布特征，对滦河流域承德市19 个控制单元进行非点源污染优控单元识别，4 种污染指标非点源污染优先控制单元统计结果如表2 所示。滦河流域承德市非点源污染优控指标主要为氮磷型，TN、TP 和的优控单元主要为Ⅱ类源头控制单元，属于Ⅱ类源头控制单元的单元个数分别为12、15、10个。TN、TP 和非点源污染属于I 类优控单元的单元个数分别为3、4、3 个，没有Ⅱ类入河过程控制单元，因此滦河流域承德市非点源污染要加强源头控制，4 种污染指标非点源污染优先控制单元的空间的分布见图5。在滦河流域承德市19 个控制单元中，4号、5 号和 6 号控制单元是 TN、TP 和三种污染物的I 类优控单元。TN 和非点源污染的优控面积分别占研究区的68.47%和65.41%，而TP的非点源污染的优控面积占研究区的100%。空间分布上，I类优控单元主要分布在滦河流域承德市西南部和东南部的部分地区。

图5 滦河流域承德市非点源污染优先控制单元空间分布Figure 5 Spatial distribution of the priority control unit of non-point source pollution of Chengde City in Luanhe River Basin

表2 滦河流域承德市非点源污染优控单元信息统计表Table 2 Information of the priority control unit of non-point source pollution of Chengde City in Luanhe River Basin

2.5 非点源污染遥感模型的验证

研究采用SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型非点源污染氮磷的输出结果与DPeRS 模型模拟结果进行验证。SWAT 模型属于半分布式水文模型，模型将子流域内的地形特征、土地覆盖特征、土壤类型和坡度等级划分等信息重叠后获得模型的最小计算单元——水文响应单元（Hydrology Respond Unit，HRU），HRU 是计算各子流域的污染物向河道内的迁移转化过程的基本单元。SWAT 模型的构建和率定详见文献[31-32]，通过对比SWAT 模型HRU 尺度污染物的输出通量和DPeRS 模型模拟的污染物入河量，验证DPeRS模型模拟结果的准确性。

滦河流域承德市共划分了2 674个HRU，以HUR为基本单元，对DPeRS模型与SWAT模型的模拟结果进行对比分析，结果表明（图6），两种模型TN和TP模拟结果拟合度很好（R2分别为0.83和0.78），且两种模型输出结果的变化区间相似，表明DPeRS 模型的模拟结果是可接受的，满足研究需要。

图6 SWAT模型与DPeRS模型空间验证结果Figure 6 Spatial verification results of SWAT model and DPeRS model

3 讨论

3.1 DPeRS的适用性及滦河流域非点源污染对比

对比国内外其他非点源污染模拟模型，DPeRS模型在模型结构、运行条件和模拟指标等方面具有较大的管理应用优势。该模型以遥感像元为基本单元，与SWAT 模型提出的水文响应单元相比，在保证模拟精度的前提下极大提高了非点源污染模拟的空间分辨率[23]。同时，DPeRS 模型耦合了定量遥感模型，弥补了无资料或缺资料地区模型估算的不足。该模型的参数设置为开放模式，可根据参数丰富度进行重新构架，还可根据管理需求开展多层次的非点源污染监测与评估。模拟指标为TN、TP和CODCr，与管理部门关注的指标一致。此外，DPeRS模型实现了遥感像元尺度分类型、分指标非点源污染负荷的空间可视化，可直观提供非点源污染的关键源区，与传统总量减排核算方法相比，实现了由“点”到“面”的突破，为科学制定非点源污染防治措施提供技术支撑。WANG 等[23]采用DPeRS 模型对新安江流域非点源污染量进行模拟分析，并将模拟结果与黄山市污染源调查结果进行验证，结果表明，TN、TP和CODCr4个指标的平均模拟精度超过0.7。

张令能[18]利用SPARROW 模型对滦河流域非点源总氮污染进行模拟，结果表明流域上游产污量较小，污染较严重区域在中下游，局部区域污染严重，滦河流域承德市位于滦河流域的中上游地区，这与本研究结果一致。李越[16]利用排污系数法对2018 年滦河流域（承德市境内）上游非点源污染负荷进行估算，得出滦河流域（承德市境内）上游的农村生活源TP排放量为 0.134 t，畜禽养殖业 CODCr排放量为 213.22 t，种植业和 TP 排放量分 别 为 485.29 t 和 28.13 t；DPeRS模型模拟的2019年滦河流域承德市农村生活型TP排放量为4.77 t，畜禽养殖型CODCr排放量为1 447.67 t，农田径流型和TP排放量分别为1 788.06 t和115.73 t。滦河流域（承德市境内）上游为滦河流域承德市的一部分，对比发现，排放量数值在数量级上是可接受的，这与模型方法、数据源、模拟时间等因素有关。

3.2 非点源污染贡献

基于滦河流域承德市非点源污染入河量和地面实测的断面污染通量，可分析非点源污染对水体污染的贡献量。本研究中，主要以乌龙矶大桥断面的地面实测数据，结合DPeRS 模型模拟的该断面所在汇水区非点源污染入河量，核算出TN和TP非点源污染对河流中氮磷污染的贡献。乌龙矶大桥断面（图1a）位于滦河流域承德市滦河干流下游，其控制的汇水面积占研究区总面积的93%。经核算，由非点源污染产生的氮磷入河量分别占河流中氮磷污染通量的11%和34%（图7），与TN相比，非点源TP对水体中磷的贡献占比更大，这与TP流失主要受农业活动和水土流失影响有关。

图7 非点源污染贡献分析Figure 7 Contribution analysis of non-point source pollution

滦河流域承德市丰水期为6—8 月，枯水期为12月至次年3月，基于DPeRS 模型核算的乌龙矶大桥断面所在汇水区非点源污染月度TN 和TP 入河量，结合该断面地面实测的断面污染通量，分别核算丰水期和枯水期TN 和TP 非点源污染对河流中氮磷污染的贡献率，结果表明，丰水期和枯水期非点源污染的贡献率存在很大差别，丰水期TN 和TP 非点源污染的贡献率分别为33%和50%，而枯水期非点源污染的贡献率均小于1%，这与非点源污染的发生特征密切相关，污染物经雨水冲刷通过径流过程而汇入受纳水体，造成水体污染，因此丰水期非点源污染对水体污染的贡献率更大，重点应从源头上防范丰水期非点源污染排放。

3.3 非点源污染影响因子

降雨径流是农业非点源污染的主要驱动力，是非点源污染负荷产生的动力和输移条件的载体，下垫面地表污染物质类型及其积累数量是非点源污染的物质基础，这两个条件随时空差异具有显著的随机性，常使非点源污染负荷变化范围超过几个数量级[33]。因此，基于研究区19个控制单元，分析了降水量和土地利用因子与滦河流域承德市氮磷非点源污染负荷的相关性，结果表明，降水作为非点源污染产生的驱动因子之一，降水量与TN和TP非点源污染排放负荷的决定系数分别达到0.42 和0.79（图8）；研究区土地利用以耕地、林地和草地为主，面积占比达到95%以上，控制单元内耕地和林地面积占比与水土流失型氮磷非点源污染排放负荷的决定系数均超过0.5，草地面积占比与水土流失型氮磷非点源污染排放负荷的相关性相对较低（R2>0.3），详见图9。由此可见，加强区域水土保持工作，减少林草天然源水土流失及减少由农田养分流失引发的非点源污染排放，是区域污染防控的重点。

图8 滦河流域承德市降水量与非点源污染排放负荷的相关性分析图Figure 8 Correlation analysis chart of precipitation and non-point source pollution discharge load in Chengde City of Luanhe River Basin

图9 滦河流域承德市地类面积占比与水土流失型非点源污染排放负荷的相关性分析图Figure 9 Correlation analysis chart of land type area proportion and soil erosion type non-point source pollution discharge load in Chengde City of Luanhe River Basin

4 结论

（1）基于DPeRS 模型的非点源污染模拟结果表明，2019年滦河流域承德市TN、TP和CODCr非点源污染排放负荷分别为 0.12、0.014、0.06 t·km-2和0.05 t·km-2,排放量分别为 3 565.5、400.3、1 792.0 t 和1 531.6 t，入河量分别为119.6、7.8、70.3 t和49.8 t。滦河流域承德市氮型非点源的主要来源是农田径流型，TP非点源污染主要来源是农田径流和水土流失，CODCr非点源污染的主要污染来源是畜禽养殖。

（2）滦河流域承德市非点源污染负荷相对较高的区域主要分布在流域中部和南部，TN 非点源污染对河流中氮素污染的贡献量相对较小（约占10%），TP非点源对水体中磷的贡献占比较大（约占34%）。降水是非点源污染产生的驱动因子之一，降水量与氮磷非点源污染负荷的相关性很高，丰水期和枯水期非点源污染对河流中氮磷污染的贡献率差别很大，丰水期TN 和TP 非点源污染的贡献率分别为33%和50%，而枯水期非点源污染的贡献率均小于1%，重点应从源头上防范丰水期非点源污染排放。