全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员期摇 摇 圆园员源年 员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
卷首语院 复杂与永续 渊 玉 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
前沿理论与学科综述
城市复合生态及生态空间管理 王如松袁李摇 锋袁韩宝龙袁等 渊 员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海洋生态系统固碳能力估算方法研究进展 石洪华袁王晓丽袁郑摇 伟袁等 渊 员圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生态系统灵敏度模型评述 姚摇 亮袁王如松袁尹摇 科袁等 渊 圆猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生活垃圾代谢的研究进展 周传斌袁徐琬莹袁曹爱新 渊 猿猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
胶州湾生物鄄物理耦合模型参数灵敏度分析 石洪华袁沈程程袁李摇 芬袁等 渊 源员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾大型底栖动物调查及与环境因子的相关性 周摇 然袁覃雪波袁彭士涛袁等 渊 缘园 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生物扰动对沉积物中污染物环境行为的影响研究进展 覃雪波袁孙红文袁彭士涛袁等 渊 缘怨 冤噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 王大尚袁李屹峰袁郑摇 华袁等 渊 苑园 冤噎
长岛自然保护区生态系统维护的条件价值评估 郑摇 伟袁沈程程袁乔明阳袁等 渊 愿圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海岛陆地生态系统固碳估算方法 王晓丽袁王摇 嫒袁石洪华袁等 渊 愿愿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
区域生态文明建设水平综合评估指标 刘某承袁苏摇 宁袁伦摇 飞袁等 渊 怨苑 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生境质量和生态响应的莱州湾生态环境质量评价 杨建强袁朱永贵袁宋文鹏袁等 渊员园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
员怨愿缘年以来黄河三角洲孤东海岸演变与生态损益分析 刘大海袁陈小英袁徐摇 伟袁等 渊员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
基于复合生态系统理论的海洋生态监控区区划指标框架研究 徐惠民袁丁德文袁石洪华袁等 渊员圆圆冤噎噎噎噎噎
我国环境功能评价与区划方案 王金南袁许开鹏袁迟妍妍袁等 渊员圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
生态产业园的复合生态效率及评价指标体系 刘晶茹袁吕摇 彬袁张摇 娜袁等 渊员猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
我国农业生态效率的时空差异 程翠云袁任景明袁王如松 渊员源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古半干旱生态脆弱矿区生态修复耦合机理与产业模式 陈玉碧袁黄锦楼袁徐华清袁等 渊员源怨冤噎噎噎噎噎噎
基于物质流分析方法的生态海岛建设研究要要要以长海县为例 陈东景袁郑摇 伟袁郭惠丽袁等 渊员缘源冤噎噎噎噎噎
再生渊污冤水灌溉生态风险与可持续利用 陈卫平袁吕斯丹袁张炜铃袁等 渊员远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算要要要以莱州湾为例 麻德明袁石洪华袁丰爱平 渊员苑猿冤噎噎噎噎噎
集约用海对海洋生态环境影响的评价方法 罗先香袁朱永贵袁张龙军袁等 渊员愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于生态系统服务的城市生态基础设施院现状尧问题与展望 李摇 锋袁王如松袁赵摇 丹 渊员怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
北京城区道路系统路网空间特征及其与 蕴杂栽和 晕阅灾陨的相关性 郭摇 振袁胡摇 聃袁李元征袁等 渊圆园员冤噎噎噎噎
基于复合生态功能的城市土地共轭生态管理 尹摇 科袁王如松袁姚摇 亮袁等 渊圆员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
重庆市森林生态系统服务功能价值评估 肖摇 强袁肖摇 洋袁欧阳志云袁等 渊圆员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾港口生态风险评估 彭士涛袁覃雪波袁周摇 然袁等 渊圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
达标污水离岸排海末端处置技术研究综述 彭士涛袁王心海 渊圆猿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆猿愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆愿鄢圆园员源鄄园员
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 北京奥林匹克公园要要要在高楼林立的大城市中袁办公楼尧居民区尧学校尧路网系统尧公园以及各种水泥尧沥青硬路面和
树木尧绿草地尧土面尧水面等等组成了复杂多样的城市生态景观袁居住着密集的人口并由于人们不断的尧强烈的干预袁
使这个城市生态系统显得尤其复杂而又多变遥 因此袁系统复杂性及灵敏度是困扰城市生态系统研究和管理的重要
因素袁建立灵敏度模型是致力于解决城市规划管理中的复杂性问题的有效方法袁网状思维与生物控制论观是其核
心袁也是灵敏度模型的思想基础遥 图为北京中轴线北端被高楼簇拥着的奥林匹克公园的仰山和龙型水系遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 1 期
2014年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.1
Jan.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41206111,41206112);海洋公益性行业科研专项经费资助项目(201005008, 201305023);国家海洋局第
一海洋研究所中央级科研院所基本科研业务经费资助项目(2013G30, 2013G27)
收稿日期:2013鄄04鄄28; 摇 摇 修订日期:2013鄄10鄄23
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: shihonghua@ fio.org.cn
DOI: 10.5846 / stxb201304280853
麻德明,石洪华,丰爱平.基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算———以莱州湾为例.生态学报,2014,34(1):173鄄181.
Ma D M, Shi H H, Feng A P.Estimation of agricultural non鄄point source pollution based on watershed unit: a case study of Laizhou Bay.Acta Ecologica
Sinica,2014,34(1):173鄄181.
基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算
———以莱州湾为例
麻德明,石洪华*,丰爱平
(国家海洋局第一海洋研究所, 青岛摇 266061)
摘要:生产力较高、生物多样性丰富、人类利用较早的区域之一,也是全球生态系统中最有价值和最受人类关注的区域之一。 同
时,海湾也是全球变化反映最敏感、陆海相互作用过程最激烈的地带,是人类活动最频繁的地域。 开展海湾入海污染物总量控
制研究对保护海洋环境和维护生态健康,协调和促进沿海经济发展与海洋的合理开发利用,实现海洋经济的可持续发展具有重
要意义。 入海污染物总量是开展海湾环境保护的重要指标,因进入海湾的河流往往较多,河流入海污染物的估算受监测频率、
流量的季节变化等因素影响,存在很多困难。 农业非点源污染是我国海湾入海污染负荷的重要来源。 基于 DEM(SRTM Data,
90 m分辨率),借助美国 ESRI公司的 ARC / INFO软件中的 ArcHydro模块,进行莱州湾主要入海河流水文分析,利用 GIS提取河
网,划定流域边界,并划分汇水区和子流域,为流域农业非点源污染入海总量的估算提供基础数据平台。 在此基础上,与该流域
土地利用专题图叠加,计算各个子流域内不同土地利用类型的面积,利用主要污染物排放系数和入河系数,估算农业污染入海
总量。 结果表明:COD、NH3 鄄N、TN和 TP 的每年入海排污总量分别约为 236933、23956、53684 t 和 15922 t。 COD、NH3 鄄N、TN 和
TP 的排放量占总排放量的比例分别为 71.69%、7.25%、16.24%和 4.82%,这说明莱州湾入海主要污染物为 COD。 在陆海统筹理
念指导下,以入海河口为源头,采取溯源追踪的思路,确定影响海湾入海污染负荷的流域单元,提供一种海岸带地区农业非点源
负荷估算方法,可为莱州湾入海污染物总量调控提供科学依据,也可作为海岸带综合管理过程中确定陆地范围的参考。
关键词:汇水区;子流域;排放系数;污染总量
Estimation of agricultural non鄄point source pollution based on watershed unit: a
case study of Laizhou Bay
MA Deming, SHI Honghua*, FENG Aiping
The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China
Abstract: The control of total amounts of pollutants has become an important measure for controlling water pollution in
China and is also an important basis for objective management of water resources. Estuary is one of the regions where the
productivity and biodiversity are higher and is utilized by human earlier. Estuary is one of the most valuable ecosystems in
the world that has attracted human忆s increasing attention. Furthermore, estuary is the most sensitive zone to respond to
global changes and a place where the most vigorous interactions between land and sea take place. Estuary is the region where
human activities take place more frequently. In particularly, estuaries are the places where a number of rivers enter into seas
and receive a large amount of pollutants from lands and human忆s life activities. Thus, estuary and coasts are vigorously
disturbed by human activities. Conducting research on controlling total amounts of pollutants that enter estuaries from lands
is of great significance for protecting marine environment, maintaining ecological health, promoting coastal economic
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development, rationally utilizing marine resources, and for achieving sustainable development of marine economy. Total
amount of pollutants that enter seas is an important index for protecting estuary environment. Because numerous rivers flow
into estuaries, estimation of total pollutants brought by rivers into sea is influenced by such factors as monitoring frequency
and seasonal changes in flow rates. The agricultural non鄄point source pollution is an important source of pollution load that
enter the estuaries in China. Based on DEM(SRTM Data with 90m resolution) and with the help of Arc Hydro module in
ARC / INFO software developed by ESRI company, we conducted hydrological analysis on major rivers that enter Laizhou
Bay by using GIS to extract river network, define watershed boundaries and divide the catchments and sub鄄watered, aiming
to provide the basic data platform for estimation of total amounts of pollutants from agricultural non鄄point pollution. On this
basis, we calculated the areas of different types of land use in various sub鄄basins by overlaying them with land鄄use thematic
map, and estimated total amounts of agricultural pollutants entering into sea by using emission factors and river load ratio of
major pollutants. Our results revealed that the annual amounts of COD, NH3鄄N, TN and TP that entered into Laizhou Bay
was about 666994, 94398, 114614 and 19574 tons, respectively, accounting for 74.48%, 10.54%, 12.80% and 2.18% of
total amounts of released pollutants, indicating COD is the major pollutant that enters Laizhou Bay. This studied was
planned and conducted under the guidance of the principle of cooperation between land and sea, by taking the estuary as the
source and with the idea of tracing sources, to determine watershed unit that influence marine pollution load. This study
could provide an estimation method of agricultural non鄄point source load and the a scientific basis for controlling total
amounts of pollutants that flow into Laizhou Bay, and can also serve as a reference for defining the land range during the
process of comprehensive management along the coastal zone.
Key Words: catchments; sub鄄watershed; emission factor; pollution total amount
摇 摇 水环境污染问题已经是影响人类社会可持续发
展的主要制约因素,正越来越受到人们的关注。 全
球有 30%—50%的地表水体受到非点源污染的影
响[1]。 研究表明,非点源污染是导致地表水污染的
主要原因,其中又以农业非点源污染贡献率最大。
在美国,即使点源污染全面控制之后,水体的质量也
并未因此而有所改善。 美国的非点源污染约占污染
总量的 2 / 3,其中农业非点源污染占非点源污染总量
的 68%—83%,农业非点源污染已经成为全美河流
污染的第一污染源[2]。 荷兰农业非点源提供的总
氮、总磷分别占水环境污染总量的 60%和 40%—
50%[3]。 在我国,非点源污染问题也日益严重,农业
非点源污染已经成为水质恶化的主要原因之一。 因
此,加强农业非点源污染研究对我国水污染防治具
有重要意义。
农业非点源污染是指在农业生产活动中,农田
中的土粒、氮素、磷、农药及其他有机或无机污染物
质,在降水或灌溉过程中,通过农田地表径流、农田
排水和地下渗漏,进入水体而形成的水环境污染[4]。
随着沿海经济的快速发展,农业非点源污染正日益
成为水体富营养化最主要的污染源,并已成为当前
限制我国经济可持续发展的重要因素,控制陆源污
染是防治海洋污染的关键,而陆源污染物定量估算
则是控制陆源污染的基础。
海湾区域非点源污染的研究在国外较早引起学
者的重视[5鄄7],国内在该领域的研究还相对薄弱。 在
我国沿海城市工业、生活污水等点源污染治理程度
逐步提高的前提下,近岸海域水环境仍然没有明显
的改善,局部区域甚至还面临着恶化的趋势[8],非点
源污染作为海湾主要污染源之一日益受到管理部门
和研究学者的重视。 由于非点源污染的发生具有随
机性和复杂性,计算非点源污染负荷的难度比较大,
随着水环境实施总量控制的管理,非点源污染的定
量化尤为重要[9]。 目前,估算非点源污染的传统方
法有很多[10鄄23],归纳起来主要可以分为 4 种:断面实
测总负荷减去点源负荷的方法、水文估算法、输出系
数法(单位负荷法)和模型估算法,这 4 种方法各有
优缺点。 一般来说,农业非点源污染包括农田径流、
畜禽养殖、水产养殖和农村生活 4 个主要来源。 本
文以流域单元划分的思想为基础,借助 GIS 技术,以
汇水区为单元,尝试建立适宜的机理模型,提出一种
基于流域单元的农业非点源污染负荷估算方法,应
471 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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用于莱州湾入海流域,从以上 4 个方面来定量地估
算农业非点源主要污染物入海总量。
1摇 研究区概况
莱州湾位于山东半岛北侧,渤海南部,是山东省
最大的海湾,也是山东半岛城市群经济圈的腹地。
湾口东起屺姆岛的高角,西至现代黄河新入海口。
莱州湾总面积 23370 km2,海岸线 577.91 km,海域面
积约 11603 km2,其中浅海面积 8726 km2,滩涂广袤,
海洋渔业生物资源和土地资源丰富,盛产蟹、蛤、虾
等,还是许多海洋生物的产卵场和索饵场。 本区域
海洋渔业、海洋油气业、海洋盐业、海洋化工、海洋矿
业、海洋交通运输业等主要海洋产业优势明显,在全
省海洋经济中占有重要地位。 本海区地处中纬度,
水温分布有明显的季节性,冬季(2 月)近海在 0 益
以下,有冰冻出现;春季(5 月)在 14 益左右。 夏季
(8 月)表层水温可达 26 益;秋季(11 月)在 11 益左
右。 东部海水较清,西南部较混浊,海湾东部有两个
附属小湾,即龙口湾和太平湾。 湾东南部海底有一
西北东南走向的水下浅滩,即“莱州浅滩冶。 莱州湾
的海岸由 3部份组成:高角至虎头崖为沙质岸段,虎
头崖至淄脉沟为粉砂淤泥质岸,淄脉沟以北为现代
黄河三角洲的迅速淤进型岸段。 沿岸自北向南、自
西向东有小岛河、溢洪河、广利河、淄脉沟、小清河、
弥河、白浪河、虞河、潍河、胶莱河、沙河、王河和界河
等十几条较大河流,这些河流是造成海岸的最活跃
的参与者。 随着经济、人口的迅速增长,莱州湾的环
境问题日趋严重[24]。
2摇 汇水区和子流域划分方法
河网的提取、汇水区和子流域的划分,借助已经
成熟的美国 ESRI 公司的 ARC / INFO 软件中的
ArcHydro模块。
2.1摇 ArcHydro模型介绍
ArcHydro模块是由得克萨斯大学的水资源研究
中心(Center for research in Water Resources, CRWR)
基于 ARC / INFO联合 ESRI开发的,其数据模型是把
水文的地表水流模拟和 GIS 数据结构相结合形成
的。 ArcHydro数据模型包括 5 个部分:Drainage(汇
流)、 Hydrography (水文地形 )、 Channel (河道 )、
Network(水文网络)和 TimeSeries(时间序列)。
2.2摇 流域划分
采用地表径流漫流模型,模拟地表径流在地表
从高到低的流动来生成水系,即借助 ArcGIS 软件中
的 ArcHydro 水文分析模块,先填洼,然后根据坡降
确定每个格网的水流方向的方法提取汇流网络,最
终生成汇水区。 利用 ArcGIS 可以提取不同级别的
汇流网络,对同一流域可以划分为面积由大到小不
同等级的子汇流区域。
(1)数据预处理
数据源采用 SRTM DEM(分辨率 90 m),首先利
用 ArcGIS的 Mosaic To New Raster工具,把涉及研究
区域的两幅 DEM 进行合并,然后利用 ArcGIS 的
Extract by Polygon 工具,裁减出研究区域的 DEM 数
据。 如图 1所示。
图 1摇 研究区域 DEM
Fig.1摇 the study area of DEM
571摇 1期 摇 摇 摇 麻德明摇 等:基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算———以莱州湾为例 摇
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摇 摇 (2)洼地填充
DEM是比较光滑的地形表面的模拟,但由于内
插的原因以及一些真实地形(如喀斯特地貌)的存
在,使得 DEM表面存在着一些凹陷的区域。 在进行
地表水流模拟时,会得到不合理的或错误的水流方
向。 因此,在进行水流方向的计算之前,利用
ArcHydro模块中 Fill 功能,把洼地点的高程升高,与
洼地边缘的最低点的高程相同,生成无洼地 DEM。
(3)流向计算
流向计算基于无洼地 DEM,通过计算中心栅格
与邻域栅格的最大距离权落差来确定(D8 算法),应
用 ArcHydro模块下的 Flow Direction 功能,生成格网
流向图,每个格网值表示它流向相邻像元的方向。
(4)汇流累积量计算
基于无洼地 DEM 的水流方向的计算,执行
ArcHydro模块中 Flow Accumulation命令计算出每个
格网上游累积汇流数,得到汇流累积量分布图。
(5)河网提取
基于汇流累积矩阵,首先执行 map algebra 工具
集中的 Raster Calculator 工具中的 con 命令;然后设
置阈值,阈值的设定在河网的提出过程中非常关键,
直接影响到河网的提取结果,本研究经多次试验,设
定阈值为 10000,其单位是栅格数,可获得基于 DEM
的水系栅格图;最后进行栅格河网失量化,执行
ArcHydro模块中的 stream to feature 命令,得到矢量
形式的河网分布图(图 2)。
图 2摇 莱州湾入海河网分布图
Fig.2摇 The distribution map of river network into Laizhou Bay
摇 摇 (6)流域划分
流域又称集水区域,是指流经其中的水流和其
它物质从一个公共的出水口排出从而形成一个集中
的排水区域,是给定点的汇水区域。 汇水区划分基
于水流方向数据,执行 basin 命令,获得汇水区,如图
3所示。
图 3摇 莱州湾入海河流汇水区
Fig.3摇 Rivers into Laizhou Bay catchments
671 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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摇 摇 (7)子流域划分
子流域的划分是水文模拟的重要一步,也是流
域农业污染的重要研究步骤。 本研究基于 DEM,根
据河流入海口的位置,结合实际情况,从北向南,从
东到西,划分为十一大子流域,包括小岛河流域;溢
洪河、广利河和滋脉河(沟) /支脉河流域;小清河流
域;弥河流域;白浪河流域;虞河流域;潍河流域;胶
莱河流域;沙河流域;王河流域和界河流域。 各子流
域如图 4所示。
图 4摇 莱州湾子流域分布图
Fig.4摇 The distribution map of Laizhou Bay sub鄄watershed
2.3摇 子流域汇水区面积计算
在划分出汇水区和子流域的基础上,经等面积
投影,计算出各入海河流子流域的汇水区面积,如表
1所示。
表 1摇 莱州湾各子流域面积
Table 1摇 The area of Laizhou Bay sub鄄watershed
序号
Serial nuber
子流域
Sub鄄watershed
流域面积 / km2
Basin area
1 小岛河流域 607.15
2 溢洪河、广利河和滋脉河(沟)流域 2104.49
3 小清河流域 10028.15
4 弥河流域 2218.21
5 白浪河流域 4536.07
6 虞河流域 1026.54
7 潍河流域 4123.06
8 胶莱河流域 4043.88
9 沙河流域 533.16
10 王河流域 854.15
11 界河流域 484.65
3摇 污染排放系数与入河系数
根据调查,认为海湾农业非点源污染主要来源
于农业种植、畜禽养殖污染物、农村生活污水排放和
海水养殖。 因此,在划分汇水区和子流域的基础上,
重点研究该区内由农田耕作、畜禽饲养、海水养殖、
农村居民生活所排放的农业非点源污染中 COD、
NH3鄄N、TN和 TP 污染负荷的流域分配情况。
汇水区内各污染物总量为:
Wi =移
4
j = 1
Wij =移
4
j = 1
Si 伊 kij
式中,Wi为第 i 种(1、2、3、4 分别代表 COD、NH3鄄N、
TN、TP)农业污染负荷总量,Wij是土地利用类型为 j
种(1、2、3、4 分别代表农田、畜禽饲养用地、海水养
殖用地、农村居住地)污染物的污染负荷;Si为第 j种
土地利用类型的面积,其中 j = 4为汇水中农村人口
总数;K ij为第 j种土地利用类型对应第 i种污染物的
排污系数[25鄄29],其中,农田耕作和农村居民部分排污
系数参照《全国水环境容量核定技术指南》提供的系
数[30];畜禽饲养用地内各畜禽种类排污系统采用国
家环保总局环发[2004]43 号文件《关于减免家禽业
排污费等有关问题的通知》中提供的排污系数[26];
海水养殖排污系数参见黄渤海海水养殖污染排放成
果[31鄄32](表 2)。
农业非点源污染入河量是指一定时期内,由地
表径流携带进入河流等地表水体的污染负荷。 要估
算入河量,需要确定入河系数。 入河系数需要较长
期对水质和水量的同步监测,本文利用已有的研究
成果[33鄄36](表 3)。
771摇 1期 摇 摇 摇 麻德明摇 等:基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算———以莱州湾为例 摇
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表 2摇 排污系数
Table 2摇 Pollutant emission coefficients
类型 Type COD NH3 鄄N TN TP
农田 Farmland / (kg·hm-2·a-1) 150 30 26.72 2.12
农村居民 Rural residents / (kg·人-1·a-1) 14.6 1.46 4.38 0.88
海水养殖 Mariculture / (kg·hm-2·a-1) 285.00 13.50 43.00 7.00
畜禽种类 牛 Bovine / (kg·头-1·a-1) 248.20 25.185 61.101 10.074
Animal species 猪 Pig / (kg·头-1·a-1) 26.606 2.153 4.507 1.699
鸡、鸭家禽 Chicken and duck poultry / (kg·只-1·a-1) 2.398 0.142 0.548 0.305
表 3摇 入河系数
Table 3摇 Into the river coefficients
类型 Type COD / % NH3 鄄N / % TN / % TP / %
农田 Farmland 10 10 10 10
农村居民 Rural residents 25 25 25 25
海水养殖 Mariculture 90 90 90 90
畜禽饲养 Animal species 7 7 7 7
4摇 污染排放总量估算与精度评定
利用 2005年的山东省土地利用图和 2010 年的
海水养殖分布图(图 5),土地利用现状图包括居民
用地、草地、林地、耕地等类型,由于本研究是针对农
业非点源污染进行估算,因此只考虑农用地,而农村
居住地则通过农村居民数进行估算,畜禽饲养用地
通过畜禽种类的数量进行估算,汇水区内 2005 年到
2010年间耕地的面积变化不大,对估算结果的影响
在允许误差范围内,故可作为 2010 年的污染物估算
结果。 把土地利用现状图和海水养殖分布图与汇水
区进行叠加,分别计算不同土地利用类型的汇水区
面积,利用上面的污染排放系数,估算出各子流域污
染排放量。
图 5摇 莱州湾汇水区土地利用分布图
Fig.5摇 the land鄄use map of Laizhou Bay catchments
摇 摇 经过叠加分析,计算得到汇水区内耕地面积约
为 2392810 hm2;海水养殖面积为 1.7 hm2;根据山东
省 2011年统计年鉴[37],截至到 2010年底,汇水区内
农村人口数约为 360.85万人;牛总数约为 529.66 万
头,猪为 1106.27 万头;鸡、鸭等家禽约为 44825.05
万只。
由上述的公式计算可得,COD 的每年污染总量
约为 3095461 t;NH3鄄N的每年污染总量约为 297917
t;TN的每年污染总量约为 698870 t;TP 的每年污染
总量约为 217118 t。 再根据表 3 中的各污染物的入
河系数,计算得到 COD、NH3鄄N、TN 和 TP 每年的入
河总量分别为:236933、23956、53684 t 和 15922 t。
利用子流域所占的面积,分别计算出各子流域的
COD、NH3鄄N、TN和 TP 每年的入河总量(表 4)。
目前还没有见到针对莱州湾污染总量的估算,
相应的污染监测也没有形成每年入湾的农业非点源
污染总量数据,不能与实际的污染总量进行直接的
对比来评定本文的估算精度,但从已有对小清河流
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域氮素污染总量的研究成果来看,朱虎[38]计算 2006
年小清河流域年均氮失潜力为 10.44伊103—36.86伊
103t,平均 23.65伊103 t,本文估算的小清河流域全氮
和氨氮的总入海量为 25477 t,在其范围值内,基本与
平均量相同,比较接近实际情况,其精度具有一定的
可靠性。
表 4摇 莱州湾各子流域入海主要污染物排放量 / t
Table 4摇 Each sub鄄watershed emissions of major pollutants into Laizhou Bay
各子流域
Sub鄄watershed COD
NH3 鄄N TN TP
小岛河流域 Xiaodao river basin 4707 476 1067 316
溢洪河、广利河和滋脉河(沟)流域 Yihong river,guangli river and zimai river basin 16316 1650 3697 1096
小清河流域 Xiaoqing river basin 77750 7861 17616 5225
弥河流域 Mi river basin 17198 1739 3897 1156
白浪河流域 Bailang river basin 35169 3556 7969 2363
虞河流域 Yu river basin 7959 805 1803 535
潍河流域 Wei river basin 31967 3232 7243 2148
胶莱河流域 Jiaolai river basin 31353 3170 7104 2107
沙河流域 Sha river basin 4134 418 937 278
王河流域 Wang river basin 6622 670 1500 445
界河流域 Jie river basin 3758 380 851 253
总计 Total 236933 23956 53684 15922
5摇 结论
本文借助 GIS 技术,提出一种基于流域单元的
农业非点源污染负荷的估算方法,并以莱州湾为例,
分别估算了由农业污染引起的非点源污染物 COD、
NH3鄄N、TN和 TP 入海污染总量。 上述 4 种农业非
点源污染物的定量化估算表明,莱州湾农业非点源
污染主要是由农业生产过程所产生的;从主要污染
物角度来看,4 种主要污染物中 COD 入海量最大,
TN次之,然后是 NH3鄄N 和 TP,COD、NH3鄄N、TN 和
TP 的排放量占总排放量的比例分别为 71. 69%、
7郾 25%、16.24%和 4.82%,这为莱州湾环境污染原因
诊断和调控措施的制定更有针对性。 该研究通过探
索适合的流域农业非点源污染负荷计算方法,来识
别流域非点源污染的负荷量及其空间分布, 从而为
相应流域管理措施的制定和海洋环境的调控提供
依据。
虽然对莱州湾入海非点源负荷进行了定量估
算,但由于缺乏详细的、长序列的、以及农业非点源
污染专项监测资料,并且海湾污染是一个非常复杂
的机理过程,其农业非点源污染影响因素众多,各污
染系数主要采用文献中的方法确定,并不一定完全
适应于莱州湾区域,今后应更多地通过典型区域的
污染发生学试验研究来确定各类系数的值;其次由
于 DEM的分辨率为 90 m,缺乏部分特殊地形的细部
特征,在汇水区划分上不够精细。 可以预计,随着人
们对非点源污染机制、过程的深入理解,海湾农业非
点源污染必将获得进一步发展,为流域非点源的管
理、控制提供更好的技术支持。
我国海湾区域农业非点源污染控制还处于探索
阶段,国家尚未进行全面调控,缺乏对造成海湾污染
的农业非点源进行全面、系统的认识和研究,但非点
源污染对于近岸海湾主体的影响日益突出,因此,正
确的引导政府管理部门和公众提高对非点源污染的
重视并采取有效的调控措施,对保护海湾水环境意
义重大。 期望进一步开展海湾非点源污染总量控
制、管理计划等方面的研究。
致谢: 感谢厦门大学黄金良博士给予的帮助。
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
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编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
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