丹江口水库水源区农业面源污染物流失量估算.docx

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1、 第卷第期 年月 环境科学研究 ， 王国重，李中原。左其亭，等丹江口水库水源区农业面源污染物流失量估算环境科学研究。，（）： ， ， ， ，（）： 丹江口水库水源区农业面源污染物流失量估算 王国重，李中原，左其亭，屈建钢，李晓宇 黄河水文水资源科学研究院，河南郑州 河南省水文水资源局，河南郑州 郑州大学水利与环境学院，河南郑州 河南省水土保持监督监测总站，河南郑州 摘要：丹江口水库是南水北调中线工程的水源地，也是我国规模最大的饮用水水源保护区，农业面源污染是影响其水质的首要 因素，合理估算其水源区农业面源污染物的流失量对确保该水库水质有着重大意义在实地调研的基础上，采用分形理论估算了 丹江口水

2、库水源区河南省所在区域年、的流失量，并与输出系数法的结果进行比较结果表明：两种方法都显示该区 域污染物的流失以氮为主，其中分形理论结果显示流失量是流失量的倍（输出系数法为）；禽畜养殖产生的 污染物流失量最多，占总流失量的（输出系数法为），农田化肥产生的污染物流失量占总流失量的（输 出系数法为）；无论是、的流失总量，还是二者的总流失量，两种算法配对检验的值（双侧）均小于，具有统 计学意义；分形方法考虑了下垫面对污染物流失的影响，而输出系数法只是简单地将各区域的流失率平均化，故分形方法所得结 果比输出系数法更 为可靠研究显示，运用分形方法来研究区域面源污染是适宜的，同时也拓展了流域尺度面源污染的计

3、算 方法 关键词：分形理论；水系分维；农业面源污染；、流失 中图分类号： 文章编号： （） 文献标志码： ： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ， ， （） （） ， （ ） ， （ ） ； （ ） （ ） 收稿日期： 修订日期： 基金项目：河南省科技攻关计划项目（） 作者简介：王国重（），男，河南南阳人，高级工程师，博士，从事 水文水资源、水土保持研究， 万方数据 ， ， ， ， ， 环境科学研究 第卷 ， ， ： ； ； ； 水系是由许多弯弯曲曲的河流交汇而成，如何描 述和研究这种弯曲性及其网状结构一直困扰着学术 界年 首开先河将分形的概念引入 了地理水文学，随后他又

4、发表了专著自然界的分形 几何，标志着分形理论的诞生旧分形理论为揭示 自然界复杂事物的客观规律及其内在联系提供了新 的思路和方法 农业面源污染难以监测，因为其随机性、分散性、 隐蔽性、广泛性和不确定性的特点，一般是借助模型 来定量分析，如、等。 这些模 型多来自国外，需要大量的参数，而且参数的率定要 求也很严格，因此其模拟精度也有限 输出系数法 不考虑污染产生与发展的过程，而且参数少、操作便 捷，也有相当的精度，因此也被研究者大量采用旧 分形理论是人类解决复杂系统的有力工具，其优 势在于能够研究传统方法所不能研究的支离破碎、处 处不可微、不光滑，貌似混乱、无规则、随机现象的内部 规律，能够准确、

5、完整地界定实物的主流趋势性质归 农业面源污染带有非线性的特征 ，这就为运用分形 理论研究农业面源污染提供了可能但是这方面的文 献还十分罕见，一则是掌握和运用分形理论的人比较 少，再则是能够将分形理论与面源污染相结合的研究 更少河流水系分形是目前分形研究的热点在大量研 究的基础上，国内外学者发现水系分维数与地貌的发 育、土壤、土地的利用等因素密切相关，水系各支流的 分维数不仅反映了水系的发育程度，还代表它所处流 域的地貌侵蚀发育的阶段 卜但许多研究只是通过 软件计算水系的分形维数，而没有作更进一步的 研究 ，如将其与环境污染、流域生态相联系 丹江口水库是南水北调工程的水源地，也是我国 规模最大的

6、饮用水水源保护区。 农业面源污染是 影响水体水质的首要污染源 ，、又是导致农 业面源污染的主要因素旧 该研究以丹江口水库水 源区河南省所在的区域为研究对象，根据软 件计算水系分维值，同时结合对该区域农业面源污染 情况的调查结果，运用分形理论来估算该区域、 的污染情况，并与输出系数法的结果相比较，以证 明分形计算结果的可靠性，同时为拓展流域尺度面源 污染的估算方法提供参考 万方数据 研究区概况 丹江口水库由丹库和汉库组成，汉库位于湖北省 境内，丹库是该研究所在区域，位于河南省西南部，南 接湖北省，西邻陕西省，包含南阳市的西峡县、淅 县，以及内乡县、邓州市、三门峡卢氏县、洛阳栾川县 的部分乡镇，流

7、域总面积为 ，其中南阳市 ，三门峡市 ，洛阳市 地 理位置为 、 ，海拔为 生物资源调查结果显示，该水源区 为寡污型水体，处于中营养状态。 区域水系主要为丹江及其支流老灌河、淇河和滔 河（见图）丹江全长 ，源于陕西凤凰山， 经商南县月亮湾入淅川，淅川境内长 ，自滔 河镇申明铺以下为丹江库区；老灌河发源于栾川县 小庙岭，经卢氏、西峡，在淅川县注入丹江，上集镇奕 子营以下为库区；淇河发源于卢氏县花园寺西，至淅 川县寺湾乡老君洞附近汇人丹江，全长 ；滔河 发源于陕西商南县白鲁础乡白龙洞，流经商南县、郧 县，在淅县滔河乡注人丹江，河流全长 图 研究区河网水系提取与子流域划分 一 ” 第期 王国重等：丹

8、江口水库水源区农业面源污染物流失量估算 上述水系信息由中国科学院计算机网络信息中心 提供的数据获得，采用软件提取水系 并按照分级方法，将上述水系划分成个 子流域根据年河南省统计年鉴，结合走访调 查，确定各水系的人口、耕地面积、畜禽养殖情况 （见表） 表研究区年基本情况 计盒维数的计算与输出系数法 计盒维数的计算 分形维数是分形理论的主要参数，有多种定义和 计算方法，如相似维数（。）、豪斯道夫维数（。）、计 盒维数（。）、信息维数（）、关联维数（。）、容量维 数（。）等其中，计盒维数（。）因计算简便而最为 常用，反映的是分形体对空间的占据程度，用边长为 的小方盒子去覆盖分形体，非空小方盒的数量记

9、为 （），不断缩小的取值，相应地得到一系列的 （） 值，当卅时，则计盒维数旧 定义为 。：一墼垒盟 实际工作中，一般借助地理信息系统（）软件 利用网格法来计算计盒维数心引技术可以获得 一 。：， 。， 万方数据 研究区的总体数据，比传统的人工计算或计算机编程 计算更为客观、准确、经济、高效常用的软件主 要有、等，这里采用 ，其水系分维计算的具体步骤： 先由具 箱中的 工具，设置需要输出的网格尺 寸，同时将矢量河网数据转换成栅格文件； 打开相 应栅格文件的属性表，可以看到各子流域所占的网格 数量； 由软件将网格尺寸和各子流域相应的 网格数量点绘在双对数坐标图上，相应直线的斜率即 为各子流域水系的

10、分维数 该研究将栅（网）格尺寸从大到小依次取 、 、 、 ，则各子流 域所占栅格数如表所示根据上述步骤即可得到各 子流域的分维数 环境科学研究 第卷 水系分维数乘以不同污染物的平均流失率，即为 考虑下垫面作用的面源污染物的流失率旧 污染物的平均流失率是在实地监测和调查的基 础上计算而来，虽然不能尽善尽美，但有一定的科学 依据，也是目前所能达到的水平肥料的平均流失率 是以我国农业种植区划和优势农产品区划为依据，在 主要农作物种植区选取典型种植制度和有代表性地 貌的农田，按照不施肥和常规施肥两种处理分别设置 监测小区进行对照试验，通过对其地表径流和地下淋 溶进行为期一年的实地监测，分别计算两种处理

11、下的 肥料流失量，二者之差占肥料使用量的比例即为肥料 的平均流失率 畜禽粪便的平均流失率是指畜禽 粪便在堆放、冲洗过程中流失到水体的比率，地形、降 水条件的差异会导致各区域的流失率存在差别农村 生活污水是指农村居民在常生活或为日常生活提 供服务的活动中产生的生活污水，生活污水和畜禽粪 便的平均流失率是在对流域调查、监测分析的基础上 也能保证一定的精度该方法认为不同污染物具有不 同的输出系数输出系数乘以污染物的产生量即为流 域的面源污染负荷，其表达式。一般为 弓 ， 式中：为流域内污染物的总负荷，（ ）；为 流域内土地、禽畜或人口分类，共有类；为污染物 ，在第类土地、牲畜或人口中的输出系数；为第

12、 类土地的面积（）或牲畜（头）、人口（人）的数目； 日为降水输入的污染物数量，（ ），该研究不考 虑该项的影响该式中相关参数的取值根据研究区实 际情况同时结合已有研究结果旧确定 结果与分析 各水系面源污染物、的流失率 根据对研究区的走访调查以及已有成果心习川， 确定农田化肥中、平均流失率为和 ，村民粪尿和生活污水中、的平均流失率为 获得 和，禽畜粪尿中、的平均流失率如表 输出系数法 输出系数法是世纪年代初北美国家在评 价土地利用和湖泊富营养之间的关系时提出的，该方 法由于所需参数少、操作简便，在大中尺度的流域上 所示 各水系所在的地域和环境条件不同，导致污染物 的流失率必然有差异分形作用下农田

13、化肥、禽畜养 殖、农村生活污染物的流失率如表、所示 表研究区禽畜粪尿的平均流失率 注：）为牛、马、骡、驴粪的平均值；）为鸡、鸭、鹅粪的平均值 表分形对农田化肥、村民生活中、流失率的影响 流失率， 流失率， 子流域编号 分维数 农田化肥 入粪尿 农村生活污水 农田化肥 人粪尿 农村生活污水 勰 钉 研 孙 弛 晒 配 ：兮 巧 如 晒 ， ” ： 如 晒 凹 ：兮 ：兮 筋 ：兮 如 晒 ” ： 钉 ：宝 鸲 舛 拍 如 晒 ” ： ” 万方数据 第期 王国重等：丹江口水库水源区农业面源污染物流失量估算 表分形对农村禽畜养殖中、流失率的影响 子流域 编号 流失率，流失率， 牲畜粪 牲畜尿 猪粪

14、猪尿 羊粪 家禽粪 牲畜粪 牲畜尿 猪粪 猪尿 羊粪 家禽粪 水系分维反映了水系发育的复杂程度，分维数越 大说明水系发育的越好 由表、可知，由于引入 了分形维数，各子流域的、田流失率随着分维值 的不同而存在差异，子流域的、流失率稍大， 因其分维值稍大，相应地子流域的、流失率 则较低 面源污染物、的流失量 污染物的流失率乘以其产生量即为污染物的流 失量据年河南省统计年鉴和相关文献口矧， 同时结合河南省农村用水定额和污水排放标准，确定 研究区年流域农田化肥中、的施用量，禽 畜养殖中、的排泄量以及生活污染物中、 的产生量（见表），相应污染物的流失量见表 由表可见，研究区年共流失污染物 ，其中流失量为

15、 ，流失量 为 ，前者是后者的倍，说明研究区产 生的污染物以氮的流失为主；禽畜流失的污染物量为 ，占研究区污染物总量的，这表明 应当加强对禽畜粪尿的管理；农田中化肥产生的污染 物量为 ，占研究区污染物总量的， 说明农田中的养分流失也是农业面源污染的重要 来源 表研究区污染物、的产生 产生量，（） 产生量（） 子流域编号 农田化肥 禽畜粪尿 农村生活污水 农田化肥 禽畜粪尿 农村生活污水 万方数据 环境科学研究 第卷 从水系角度来看，子流域产生的污染物最多， 对研究区污染的贡献也最大，达；其次是子 流域；污染物流失最少的是子流域，对环境污染的 贡献率仅为相应输出系数法计算的污染物 流失量如表所示

16、 两种方法结果的比较 该研究中的两种算法都是针对同一个区域进行 的，其结果存在着必然的联系，可采用配对样本均数 的检验进行分析比较这里以两种方法计算的 流失总量、流失总量和污染物总流失量为例进行 分析，结果如表所示 由表可知，和流失总量、污染物总流失 量检验的值分别为、，均大于 。，（），其双侧检验的值分别为、 、，均小于，表明检验结果具有统计 学意义分形方法考虑了下垫面对污染物流失的影 响，同一污染物在不同区域的流失率不同；而输出系 数法则是将污染物的流失平均化，认为各区域的流失 率相同，由此可知，分形算法的结果更符合实际，优于 输出系数方法 表 输出系数法计算的污染物流失量 流失量（）流失

17、量（） 子流域编号 合计 贡献率， 农化肥 禽畜粪尿 农村生活污水 农田化肥 禽畜粪尿 农村生活污水 “ 合计 万方数据 ， ， ， 第期 王国重等：丹江口水库水源区农业面源污染物流失量估算 表两种算法的配对检验分析 配对 检验 方法 平均值 标准差 标准误值 （双侧） 分形法 流失总量 堕堂墨鏊鎏 ！：！ ！：！ ！竺：！ 差值 分形法 流失总量 笪些墨鏊鎏 竺：！ ！：！竺！ 竺：！堑！ 差值 分形法 污染物总流失量 笙些墨墼鎏 ！坚：！竺！ ！垫：！ ！：！ 差值 结论 ）研究区污染物的流失主要表现为氮的流失， 流失量是流失量的（输出系数法为 ）倍；禽畜养殖产生的污染物占污染物总量的 （输出系数法为）农田化肥产生的 污染物流失量占流失总量的（输出系数法为 ）表明应当加强对禽畜粪尿的管理，采取措 施减少农田中养分的流失 ）分形维数会对污染物的流失强度产生影响 流失强度小并不代表分形维数就小，如子流域的流 ，：