余志敏 袁曉燕 施衛(wèi)明

(中國(guó)科學(xué)院中科院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008)

小流域面源污染治理與評(píng)估模型研究進(jìn)展

余志敏 袁曉燕 施衛(wèi)明

(中國(guó)科學(xué)院中科院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)水體污染狀況日益嚴(yán)重，如何有效控制水體污染已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)。本文介紹了面源污染小流域水體環(huán)境的影響因素，提出流域性污染治理的對(duì)策，并對(duì)小流域污染治理的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了初步的總結(jié)，如小流域地形影響、污染構(gòu)成及流失規(guī)律、模型的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用等，進(jìn)而為我國(guó)的水體環(huán)境污染治理工作提供經(jīng)驗(yàn)借鑒及技術(shù)參考。

小流域;水土流失;面源污染;模型

據(jù)《2008年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，我國(guó)七大水系流域Ⅰ類(lèi)至Ⅲ類(lèi)水質(zhì)斷面比例占55%，Ⅳ類(lèi)為18%，Ⅴ類(lèi)為6%，劣Ⅴ類(lèi)占21%;與上年相比，水質(zhì)污染略有減緩，但水系水質(zhì)整體污染的勢(shì)頭并未得到根本性遏制。了解流域性的面源污染來(lái)源、其發(fā)生途徑、治理與控制研究進(jìn)展對(duì)于改善我國(guó)水體環(huán)境狀況有著重要的意義，也可以為相關(guān)的面源污染治理技術(shù)與控制對(duì)策提供理論依據(jù)。

小流域污染是由于流域內(nèi)自然因素(降雨等)、人類(lèi)生產(chǎn)生活等原因，產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與污染物質(zhì)超過(guò)流域自身的環(huán)境容量，從而造成流域內(nèi)水體環(huán)境的污染。

1 污染來(lái)源

1.1 水土流失

在人類(lèi)活動(dòng)的影響下，降雨將大氣中污染物質(zhì)攜帶下來(lái)，進(jìn)入地表徑流;另一方面，地表和土壤顆粒吸附的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物、有機(jī)殺蟲(chóng)劑及重金屬等污染物通過(guò)地表徑流的浸提和沖洗作用，進(jìn)入水體從而造成流域水體的污染。

1.2 農(nóng)業(yè)面源

在種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)中，肥料使用過(guò)量，畜禽糞便缺乏處理措施等現(xiàn)象十分普遍，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)氮肥平均利用率為30%－35%，磷肥為10%－20%;農(nóng)藥年均使用量達(dá)50萬(wàn)t左右，其中約30%被農(nóng)作物吸收，而35萬(wàn)t流入江河、土壤及農(nóng)產(chǎn)品中，使全國(guó)933.萬(wàn)hm2耕地遭受了不同程度的污染;我國(guó)每年產(chǎn)出秸稈6.5億多t，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)排放的糞便及糞水超過(guò)17億t，未經(jīng)處理、利用的糞便和沖洗糞水，嚴(yán)重污染了流域的土壤和水體環(huán)境［1－2］。

1.3 農(nóng)村生活源

農(nóng)村市政設(shè)施相對(duì)缺乏，居民生活污水(包括廁所排水、洗浴洗滌和廚余污水等)直接排放入水環(huán)境。在我國(guó)具有代表性的9省43縣74個(gè)村莊的調(diào)查表明，96%的村莊沒(méi)有污水處理系統(tǒng)，生活污水隨意排放。另一方面，生活垃圾大多露天堆放，不但占用土地面積，而且垃圾滲漏液容易進(jìn)入水體環(huán)境，對(duì)地表水及地下水體環(huán)境造成影響。全國(guó)因固體廢棄物堆存而被占用和毀損的農(nóng)田面積超過(guò)13.33萬(wàn)hm2，3億多農(nóng)村人口面臨飲水安全問(wèn)題［3］。

1.4 大氣干濕沉降

我國(guó)農(nóng)業(yè)化肥施用大多采用撒施及表施，化肥利用率低，大量氮養(yǎng)分揮發(fā)進(jìn)入大氣層，通過(guò)干濕沉降進(jìn)入水體，造成水體污染，成為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中不可忽視的重要來(lái)源。中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所施衛(wèi)明等在江蘇宜興地區(qū)2007年到2009年研究認(rèn)為大氣沉降氮的來(lái)源中以畜禽養(yǎng)殖糞便、化肥施用過(guò)程中氮揮發(fā)為主要部分。1968－1997年，長(zhǎng)江流域大氣沉降氮量由4.9 kg N ha－1a－1增加到18.2 kg N ha－1a－1;每年向環(huán)境輸入氮量中氮沉降占20%－30%［4］。南京、常熟和杭州三地雨水帶入濕沉降量約為26 kg N ha－1a－1，全年大氣干濕沉降氮總量33 kg N ha－1a－1左右;水稻生長(zhǎng)季沉降的氮量高于小麥季［9，10］。

2 治理模式與措施

2.1 小流域治理模式

針對(duì)不同地域特征，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者都提出了相應(yīng)的治理模式:根據(jù)小流域內(nèi)不同功能區(qū)面積的大小，楊慧忠將小流域綜合治理模式大體上可以分為生態(tài)型、經(jīng)濟(jì)型、綜合型三大類(lèi)［2］;周建平以東港小流域?yàn)槔剿鞒鲆环N城郊型水土保持開(kāi)發(fā)治理模式［7］;于小光針對(duì)遼寧省流域分類(lèi)提出“鑲嵌治理模式”、“金字塔”型治理模式、區(qū)域經(jīng)濟(jì)與小流域開(kāi)發(fā)治理相結(jié)合的模式［8］;柴春山篩選出了適合半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)的水土流失治理模式［9］。

2.2 小流域治理措施

治理措施主要包括生物修復(fù)、工程治理和土地利用方式等。生物修復(fù)包括休耕、封山育林、退耕還林等措施;工程治理可分為污染源頭控制工程(農(nóng)用物資的優(yōu)化使用及畜禽糞便減量控制等)、過(guò)程治理工程(產(chǎn)業(yè)合理配置、坡面防護(hù)工程、溝渠治理工程等)、末端治理工程(蓄洪排洪工程、人工濕地工程、植被緩沖帶、塘處理等);土地利用方式轉(zhuǎn)換有輪作、間作、套種、混播、填閑種植等措施。

3 研究進(jìn)展

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者針對(duì)小流域污染地形地貌影響、氮磷的排放負(fù)荷及規(guī)律、流域水體的影響因素等各方面開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究［10－11］。另外，利用模型對(duì)小流域污染物質(zhì)進(jìn)行模擬也是面源污染研究的重點(diǎn)［12－13］。

Dharmasena的土壤損失研究數(shù)據(jù)說(shuō)明覆草帶和遞級(jí)籬墻兩種農(nóng)業(yè)保持措施可以提供超過(guò)80%的水庫(kù)小流域土壤侵蝕保護(hù);與現(xiàn)有的輪作措施相比，岸堤僅能提供40%的保護(hù)，同時(shí)可以減少50%以上的徑流［14］。Veum等研究表明草地緩沖帶可以明顯減少?gòu)搅?8.4%)，無(wú)論草地還是林地緩沖帶都沒(méi)有對(duì)表面徑流產(chǎn)生溶解有機(jī)碳污染，植被緩沖帶有益于減輕徑流和污染物輸出［15］。Schlunegger等研究的模型揭示了小流域排水中，沉積物輸出隨溝底沉積物抗侵蝕能力的下降而普遍增加，山坡坡面擴(kuò)散有利于減少整個(gè)流域的土壤侵蝕［16］。

Ide等對(duì)日本山區(qū)小流域的研究結(jié)果表明，在特定的排出水平時(shí)，溶解態(tài)的氮磷負(fù)荷與顆粒狀氮磷負(fù)荷排出關(guān)系相一致;絕大部分的氮以溶解態(tài)輸出，磷以顆粒狀輸出［17］。Lenwood等指出在研究流域內(nèi)三種類(lèi)型水體中，除草劑濃度在晚春和初夏的時(shí)候最高，而從8月初到4月中旬，阿特拉津和甲氨基粉的濃度都很低甚至監(jiān)測(cè)不到［18］。

Poulenard利用紅外線光譜追蹤到小流域沉積物的主要來(lái)源是河堤［19］。B?hlke等通過(guò)對(duì)水體內(nèi)硫酸鹽中δ34S的研究，表明小流域大氣硫沉降與土壤積聚、生物積累、地表水停留時(shí)間的變化密切相關(guān)［20］。Honoso等人利用S和Sr同位素研究結(jié)果表明，肥料中的溶解態(tài)S通過(guò)農(nóng)業(yè)地帶的土壤過(guò)濾作用滲透到河水中，肥料中的Sr很快溶解和混入到土壤中;S同位素分析可用于區(qū)別不同種類(lèi)的肥料，作為小流域河流污水環(huán)境診斷的有力工具;Sr同位素可應(yīng)用于判別與Sr有關(guān)的農(nóng)用化學(xué)品對(duì)農(nóng)業(yè)土壤的影響;將S和Sr同位素濃度數(shù)據(jù)組合起來(lái)可能成為小流域河水水質(zhì)與土壤關(guān)系的新的環(huán)境診斷技術(shù)［21］。

Shiraki等校正了基于Richard方程式的模擬方法，通過(guò)分析流域降雨與徑流過(guò)程，證明低多孔性土壤加快滲漏排出時(shí)間增加了滲漏量［22］。Cho等對(duì)農(nóng)業(yè)面源(AGNPS)模型在小流域的應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)價(jià)，與規(guī)則的格狀試驗(yàn)相比，不規(guī)則單元試驗(yàn)增加了流域的徑流量，減少了流域的滲漏率和沉積量［23］。Singh等通過(guò)校正和確認(rèn)表明ANSWERS模型可以有效的模擬流域在土壤適度和流域條件變化的反應(yīng)［24］。Pandey等利用WEEP模型研究表明沉積物產(chǎn)生量與侵蝕度和有效水力傳導(dǎo)率密切相關(guān)，徑流僅對(duì)有效水力傳導(dǎo)率敏感［25］。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)小流域污染治理工作起步相對(duì)較晚，但流域性的面源治理逐漸得到重視，并在相關(guān)科學(xué)研究和污染治理工作中取得了一定的成果。陸海明等對(duì)天津于橋水庫(kù)周邊農(nóng)業(yè)小流域進(jìn)行長(zhǎng)期的氮素流失研究表明，土地利用空間分布格局和遷移廊道性質(zhì)是造成該流域地表徑流氮素濃度差異的主要原因［26］。許其功等對(duì)三峽庫(kù)區(qū)小流域農(nóng)業(yè)面源氮磷流失規(guī)律研究表明，長(zhǎng)期干旱后的初期降雨徑流中的氮、磷濃度明顯高于雨季徑流中的濃度，且氮、磷濃度變化與流量變化呈現(xiàn)出大致相同的趨勢(shì)，氮磷的排放負(fù)荷與徑流量之間存在多項(xiàng)式關(guān)系［27］。張榮保等以宜興市梅林小流域?yàn)閷?duì)象，建立了徑流量和面源污染負(fù)荷輸出量之間的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型［28］。吳志峰等在珠江三角洲地區(qū)正坑小流域的研究結(jié)果表明，旱坡地和果園兩類(lèi)土地利用景觀類(lèi)型具有相對(duì)較高的侵蝕模數(shù)，不同土地利用類(lèi)型對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率不同，水田中氮、磷流失對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷有重要影響［29］。深圳茜坑水庫(kù)小流域，N、P的主要來(lái)源是化肥流失和水土流失;BOD、COD的主要來(lái)源主要是畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污水;NH4+－N的主要來(lái)源是化肥流失、水土流失和農(nóng)村生活污水［30］。

而隨著面源污染物理化學(xué)過(guò)程研究的深入和對(duì)面源污染過(guò)程的廣泛監(jiān)測(cè)，污染模型研究與利用已經(jīng)成為流域面源污染的重要指導(dǎo)手段。趙剛等將AGNPS模型與技術(shù)相結(jié)合，建立云南省撈魚(yú)河小流域試驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，模擬評(píng)價(jià)了幾種常用的侵蝕控制措施的效果［31］。陳欣等的研究認(rèn)為AGNPS模型可用于南方丘陵區(qū)小流域磷素流失的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)［32］。焦鋒等使用SWAT模型對(duì)以面源輸出為主的江蘇宜興市湖滏流域進(jìn)行研究，結(jié)果表明韜田是該流域總氮的主要輸出源，土地利用和降雨量的變化會(huì)造成污染的變化［33］。梅立永等利用HSPF模型對(duì)深圳西麗水庫(kù)流域進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明果樹(shù)施肥是該水庫(kù)N、P污染的主要來(lái)源，減少化肥使用量可以使面源污染負(fù)荷明顯降低［34］。

依據(jù)在小流域面源氮、磷動(dòng)態(tài)變化規(guī)律實(shí)測(cè)研究，構(gòu)建流域氮磷流失規(guī)律模型的研究也取得較好的進(jìn)展，如李定強(qiáng)等建立了降雨量－徑流量、徑流量－污染物負(fù)荷輸出量之間的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型［35］，饒群等結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和流域徑流模型，建立了總氮模型［36］。李懷恩等建立了一個(gè)新的流域暴雨徑流污染負(fù)荷模型，其顯著特點(diǎn)是微觀機(jī)理與宏觀求解的有機(jī)統(tǒng)一，既考慮了水動(dòng)力學(xué)與污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理，又巧妙地解決了模型機(jī)理與實(shí)用性之間的矛盾，并通過(guò)實(shí)例證明該模型對(duì)多種不同類(lèi)型的污染物(固態(tài)、液態(tài)、吸附態(tài)等)都能應(yīng)用［37］。董亮等采用Arc/Info建立西湖流域非點(diǎn)源污染信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并生成了西湖流域的數(shù)字地面模型，為非點(diǎn)源污染專(zhuān)題模型庫(kù)的建立奠定了基礎(chǔ)［38］。王曉燕等利用GIS建立北京密云水庫(kù)石匣小流域非點(diǎn)源污染信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，分別以SCS方程、USLE方程和污染物遷移為核心，初步建立非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型，取得了較為理想的效果［39］。

4 問(wèn)題與展望

我國(guó)目前的小流域污染治理工作取得了一定成果，但仍然存在一些問(wèn)題:我國(guó)幅員遼闊，地區(qū)組成流域系統(tǒng)的因素比較復(fù)雜，各流域污染情況各具特點(diǎn)，導(dǎo)致相對(duì)應(yīng)的小流域模型科學(xué)實(shí)用性研究有待深入;缺乏TMDL類(lèi)型相關(guān)的小流域模型研究，缺少對(duì)污染物削減目標(biāo)的管理指導(dǎo);現(xiàn)有的小流域模型研究工作大多偏重模型理論研究，缺少模型指導(dǎo)下的治理技術(shù)研究，具有參考價(jià)值的治理實(shí)例不夠。

小流域面源污染治理應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同流域自身污染特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的污染物評(píng)估模型，在應(yīng)用過(guò)程中不斷完善，逐步提高技術(shù)的科學(xué)實(shí)用性;在小流域模型開(kāi)發(fā)與應(yīng)用過(guò)程中，有目的性地開(kāi)發(fā)與選擇一些污染物目標(biāo)總量控制的TMDL類(lèi)型模型，通過(guò)對(duì)流域污染物總量及日削減目標(biāo)總量控制，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的管理與指導(dǎo);有效的開(kāi)展相關(guān)模型的工程應(yīng)用，通過(guò)具體的工程應(yīng)用效果對(duì)模型及治理技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)與評(píng)估，為治理技術(shù)和評(píng)估模型發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

總之，小流域污染治理工作任重而道遠(yuǎn)，需要科研及環(huán)保工作者因地制宜，充分利用流域內(nèi)環(huán)境因素，增強(qiáng)流域自身的消污納污能力，將小流域污染治理與流域生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益有機(jī)結(jié)合起來(lái)，不斷完善相關(guān)的源頭控制與工程治理技術(shù)，為改善水體環(huán)境、推動(dòng)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

(編輯:溫武軍)

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AbstractWith the development of the society and economy，the water pollution is becoming more serious in China，and controlling water pollution effectively becomes the emphasis of the environmental protection.This paper introduced the influencing factor of the non-point pollution in small watershed，then proposed some pollution control countermeasures，and preliminarily summarized the research on small watershed in the worldwide，such as landform effect，the pollutant constitution and the outflow characteristics，the model design and application of small watersheds.Though these analysis，we wish to provid some reference for the water environment pollution treatment in China.

Key wordssmall watershed;soil erosion;non－point source pollution;model

Research Evolvement of Small Watershed Pollution Management and Evaluation Model

YU Zhi-minYUAN Xiao-yanSHI Wei-ming
(Institute of Soil Science，Chinese Academy of Science，Nanjing Jiangsu 210008，China)

X52

A

1002－2104(2010)05專(zhuān)－0001－04

2010-05-04

袁曉燕，博士生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)村面源污染控制。