為改善流域水環境質量狀況和促進人水和諧發展，采取科學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題。傳統的面源污染調查方法主要有查閱統計資料、水質監測分析、區域入戶調查及野外采樣等手段。地方統計數據為污染源調查統計的重要依據，由于土地利用類型、徑流量、人口數量和流域范圍等資料的缺乏，使得統計數據的獲取存在較大困難，且數據的可靠度和時效性往往較差。在湖庫型水源地面源污染評價過程中為有效獲取模型計算參數，可利用GIS技術提高數據的可行度和輸入效率，另外還可結合TS技術模擬分析土地利用狀況、類型等因素的時空變化特征。GIS技術的可視化功能和空間分析技術不僅能夠揭示大量數據中隱藏的內在變化規律與空間特征，而且提高了數據的直觀性，對污染物遷移途徑和主要來源能夠有效進行識別，從而準確評價水環境質量受污染物類型及負荷的影響作用，并為水源地污染控制和水環境保護提供一定決策依據。
在面源污染研究方面GIS技術越來越引起人們的重視，對于面源污染控制專家系統和信息系統最早應用于美、日等發達國家。Behrendt等通過調查和監測區域磷污染狀況，利用GIS空間建模功能分析了易污染地區不同土壤類型吸收磷元素的能力，Zhang等認為非點源污染影響分析的重要基礎是揭示流域水質面源污染的空間分布規律，從而可確定污染源重點控制區，CookeW.H等利用GIS技術深入研究了密歇根州農業流域的N、P流失狀況和土壤侵蝕特征，在此基礎上提出了最佳的農業管理模式。目前，在非點源污染分析中GIS技術的研究應用已成為大勢所趨，如賈海峰等運用GIS技術分析石匣小流域實驗監測結果和土地利用數據，從而提出了非點源污染重點控制區域和分布特征，康啟燕等為定量描述污染物的產生量構建了基于GIS技術的污染物遷移數學模型，在流域系統范圍內模擬分析了污染物空間分布特征，對改變流域水質惡化趨勢、保護水環境重點區域以及水污染治理具有重要的指導作用，鄭強等對太湖流域非點源污染入河量的時空分布規律利用GIS的空間分析功能進行研究，結果顯示汛期為入河污染物的高峰時期且環太湖地區為高峰集中區。
當前，對于非點源污染的分析過程GIS技術的應用較為常見，而在湖庫型水庫面源污染控制中GIS技術的研究相對較少。本文以大凌河干流白石水庫為例，在水庫面源污染控制和解析過程中引入GIS技術，以期為流域水污染控制及面源污染負荷的消減提供一定科學依據。
一、研究概況
選擇白石水庫匯水區域作為整個研究范圍，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。白石水庫位于大凌河干流，具有優越的地理環境和便利的交通條件，處于錦州、阜新和朝陽區域的中心地帶。該水庫是一座主要以農業灌溉、防洪排澇和城市供水為主，同時兼顧一定的發電、旅游和水產養殖等功能的大型水利工程，入庫河流主要有大凌河、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，西支與南支發源于平泉縣泉子溝及建昌縣水泉溝，二支匯合后徑流朝陽縣、凌海市、北票市、義縣等地區。流域內河網密布有涼水河子、忙牛河、老虎山河、西河等支流，景觀變化比較劇烈、經濟增長速度較快，屬于遼寧省工農業發展的核心區域。
城鎮生活污水、水土流失、農村固廢污染物、農田徑流及分散式牲畜養殖等為白石水庫面源污染的主要來源，各污染物貢獻率和排放量統計值見表1。由表1可知，在各類面源污染中白石水庫農田徑流污染的占比最大，其次為農村生活污水。
二、研究方法
2.1 水庫面源污染控制措施評價指標
科學合理的選擇評價指標是水庫面源污染控制方案優選決策的關鍵環節，評價體系的構建應尊姓可性性、系統性性、適用性性、科學性原則。另外，選擇的評價指標還要綜合考慮面源污染治理的經濟成本因子和污染物消減等環境因子。本文從經濟與環境效益的角度，兼顧水庫污染源的時空分布特征對評價指標進行選擇，其中環境效益指標包括COD、NH3-N、TN與TP消減率4項參數，經濟成本指標有運行成本、建設成本的技術投資因子。
2.2 水資源保護方案決策模型
對飲用水源地污染控制措施利用AHP-GRAP層次分析改進灰色關聯法進行優選，首先基于AHP原理建立水源地保護各影響因子層次結構關系，然后根據各因子分析結果建立方案層、子準則層和準則層判斷矩陣，通過一致性檢驗確定各參數相對權重。然后對各指標關聯度采用GRAP法計算，水資源保護最優措施即為AHP-GRAP法計算確定的關聯度系數最大的措施，該方法不僅綜合考慮了各子系統的關系特征，而且有效解決了以往定性分析主、次不分和單一因素評價的問題。
三、結果分析
3.1 水庫面源污染控制方案布局
(1)子流域劃分。通過對研究區域內各入庫子流域的劃分，采用GIS軟件確定各支流匯水面積，統計計算白石水庫各入庫河流的來水量、匯水面積占比見表2，為便于計算分析不考慮水庫周邊的塘壩。
根據表2可知，白石水庫入匯河流以大凌河為主，經北票市后徑流白石水庫，其中68.0%以上入庫水量來源于大凌河支流。相對于其他河流牤牛河、涼水河的來水量相對較大，占比分別為20.25%、11.102%。
(2)大凌河干流白石水庫水域面積10.28km2，研究區總面積75.0km2，因此土地面積還有64.72km2，統計分析白石水庫內土地利用類型見表3。
根據表3統計結果可知，白石水庫一級、二級水源地保護區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，白石水庫研究范圍內的土地利用類型以耕地、城鎮居民用地為主，而林地、草地占比相對較低。根據各土地利用類型占水庫匯水區域比例可知，城鎮居民用地、耕地面積占水源保護區的比例較大，該統計結果與城鎮生活污水和農田徑流污染占區域總污染比例的污染源調查結果基本保持相同。
(3)水庫保護區污染排放量分布特征。根據點面源污染調查資料、土地利用方式和子流域劃分結果，對白石水庫水源保護區的污染排放量分布規律利用GIS軟件進行模擬計算，然后結合各土地利用方式污染物排放系數計算污染物年排放量。對入庫河流匯水面積內的污染物排放量利用GIS軟件的矢量剪切功能進行計算，計算結果見表4。
根據表4可知，對白石水庫NH3-N、TP、TN和COD污染負荷貢獻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，各污染物貢獻率分別為20.10%、19.33%、19.45%、20.16%。大凌河與涼水河產生較大污染負荷量的原因為：一方面為該子流域的匯水面積相對較大，占總面積的61.85%、11.10%，另一方面為大凌河、涼水河接納了朝陽市與北票市等區域的生活污水與農業廢水，加之農田徑流、鄉鎮固廢污染等因素使得該區域負荷貢獻率較大。
(4)結合白石水庫研究范圍內GIS土地坡度提取結果，水源保護區坡耕地均在25°以下區域，然后根據水源保護區污染防治要求和飲用水區劃技術規范，對庫區實施退耕還林措施見表5。
對白石水庫匯水區采取退耕還林措施可有效減少NH3-N、TP、TN和COD污染負荷量，分別為133.26t/a、47.36t/a、242.85t/a、650.18t/a，對于保護區域生態環境和改善水質持續惡化的局面具有重要作用。
3.2 典型污染控制技術分析
根據白石水庫污染排放量分布規律和污染源計算結果可知，在庫區面源污染中農田徑流污染的占比最大，其次為城鎮生活污水，二者污染總負荷在80%以上，因此將其作為典型污染源控制重點。
(1)農田徑流典型污染控制技術。結合現有文獻資料和相關技術指南，對白石水庫農田徑流污染控制技術進行優選，各項技術的投資指標和污染物消減率見表6
選擇B0作為評判標準對污染控制技術進行優選決策，在該標準下技術投資為10元/m2，對各類污染物的去除率均達到100%。相對標準技術各污染控制技術的關聯度系數μ和各參數權重利用GRAP、AHP法進行計算見表7。
根據表7可知，綜合考慮污染控制技術投資成本和以TP、TN、COD去除率為主的條件下，灰色關聯系數最大值為生態溝渠-生態塘農田徑流污染控制技術的0.6810，其次為生態攔截緩沖帶的0.5732，雖然技術投資最小的為生態天然，然而其污染物去除率也較低，因此綜合關聯度為0.3865。綜上分析，生態攔截緩沖帶和生態溝渠-生態塘為白石水庫農田徑流污染控制的主要措施，另外還要結合庫區生態環境實際情況采取人工濕地控制措施。
(2)城鎮生活污水控制措施。結合現有文獻資料和相關技術指南，對白石水庫鄉鎮生活污水控制技術進行優選，各項技術的投資指標和污染物消減率見表8。
選擇C0作為評判標準對污染控制技術進行優選決策，在該標準下運行成本為0.2元/m3，建設成本為1000元/m3，對各類污染物的去除率均達到100%。相對標準技術各污染控制技術的關聯度系數μ和各參數權重利用GRAP、AHP法進行計算，見表9。
根據表9可知，綜合考慮污染控制技術投資成本和以TP、TN、COD去除率為主的條件下，灰色關聯系數最大值為生物接觸氧化-人工濕地生活污水處理技術的0.6810，其次為潛流式人工濕地城鎮生活污水控制技術，另外還可根據當地經濟社會發展實際情況采取沼氣池控制技術。
3.3 污染物總量控制方案
(1)計算水環境容量。白石水庫污染物總量控制目標設定為水源地一級保護區Ⅱ類水質標準，然后結合地表水環境質量標準設定Ⅱ類水質NH3-N、TP、TN和COD濃度臨界值為0.5mg/L、0.025mg/L、0.5mg/L、15mg/L。根據地方水污染排放標準選擇完全混合模型作為河湖水庫NH3-N、COD水環境容量計算模型，其表達式如下：
式中，W1—白石水庫NH3—N、COD水環境容量，t/a，ρ0、ρs—白石水庫水環境現狀與目標控制質量濃度，mg/L，K、T—白石水庫污染物綜合降解技術和維持設計水量的天數，a-1、d，V0、qout—代表白石水庫安全設計水量與排泄出水量，m3、m3/s。
采用吉柯奈爾-迪龍模型作為白石水庫TP、TN水環境容量計算模型，計算表達式分別如下：
其中，q=Q1/V，qs=Q/A，Q=365qout；
式中，W2—白石水庫TP、TN水環境容量，t/a，R—TP、TN滯留系數，Q、Q1—白石水庫年出庫水量與輸入水量，m3/a，q、qs—水力沖刷速率與面積水符合，a-1、m/s，A、H、V—白石水庫湖水表面積、平均水深及水庫庫容，m2、m、m3。
根據白石水庫有關數據資料和上述計算模型，對各污染指標消減率、現狀符合及水環境容量進行計算見表10。
根據上表計算結果，消減率相對較大的為TN、TP、COD，對NH3-N污染物的消減率最低為23.51%。相對于NH3-N、TN、TP、COD水環境容量白石水庫現狀負荷消減量分別為9.61、46.78、9.25、369.81t/a，消減率分別為23.51%、52.88%、63.14%與40.85%。根據各污染物現狀排放量和消減率，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實施后，達到消減要求的僅有NH3-N污染物，還需要進一步消減的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。
(2)總量控制方案優選。結合庫區水環境保護要求和生態環境現狀，本研究設定了3套方案。基礎方案a:不采取新的治理技術，控制保護區污染源為基準年水平，基本治理方案b：重點對大凌河、涼水河重點污染區進行農田徑流污染源控制，通過對其他入庫河流的污染控制構建情景方案，污染控制方案c:兼顧治理農村生活污水與農田徑流污染方案，構建4套治理方案。各方案污染控制參數及治理率見表11。
從經濟成本控制和污染物消減量的角度對比分析各治理方案，另外還要考慮其他因素。采用生態溝-生態塘與生態攔截緩沖帶復合技術對白石水庫農田徑流污染控制，另外輔助科學施肥、合理栽植技術措施，其投資成本在4600元/hm2左右，可實現NH3-N、TP、TN、COD去除率為50%、66%、57%、42%。采用人工濕地-生物接觸氧化技術處理農村生活污水，可實現NH3-N、TP、TN、COD去除率為90%、92%、84%、76%。6種方案的投資費用與污染負荷消減率見表11。綜合考慮投資成本和消減量等因素下，最佳方案為b，即對研究區控制農田徑流污染。
四、結論
(1)白石水庫入匯河流以大凌河為主，經北票市后徑流白石水庫，68.0%以上入庫水量來源于大凌河支流，其次為牤牛河、涼水河。研究范圍內的土地利用類型以耕地、城鎮居民用地為主，而林地、草地占比相對較低，城鎮居民用地、耕地面積占水源保護區的比例較大，該統計結果與城鎮生活污水和農田徑流污染占區域總污染比例的污染源調查結果基本保持相同。對白石水庫NH3-N、TP、TN和COD污染負荷貢獻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投資成本和去除率為主的條件下，白石水庫農田徑流污染控制、城鎮生活污水控制最優措施分別為生態溝渠-生態塘技術與生物接觸氧化-人工濕地技術。
(3)在控制污染物總量的條件下，相對于NH3-N、TN、TP、COD水環境容量白石水庫現狀負荷消減率分別為23.51%、52.88%、63.14%與40.85%。在退耕還林工程建設實施后，達到消減要求的僅有NH3-N污染物，還需要進一步消減的TP、TN、COD污染物。在實現剩余城鎮生活污水和農田徑流污染全部消減目標的條件下，選擇控制農田徑流污染方案的投資最低，為水庫污染控制的最佳方案。
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