孫 嘉,齊 實*,澎 湃,黃 媛,劉孝盈,楊愛民(.北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京 00083；.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 00038)

十三種農(nóng)村水資源保護措施適宜性評價

孫 嘉1,齊 實1*,澎 湃1,黃 媛1,劉孝盈2,楊愛民2(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京 100083；2.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

依據(jù)“源頭—過程—末端”防控體系對13種常見的農(nóng)村水資源保護措施進行分類,在此基礎(chǔ)上,建立AHP評價模型,根據(jù)影響水資源保護措施適宜性的13個指標對各項措施進行適宜性評價.結(jié)果表明:污染物去除率、出水水質(zhì)、建設(shè)成本及運行維護這4個因素具有較高權(quán)重值,應(yīng)在實際運用中優(yōu)先考慮.源頭控制措施中保護性耕作與“一池三改”技術(shù)可以作為首選措施;在過程控制措施中,土地處理技術(shù)措施具有較好的適宜性;在選取末端處理措施的時候,必須優(yōu)先考慮溫度及建設(shè)成本的影響.

農(nóng)村水資源；水資源保護措施；適宜性評價；AHP層次分析法

農(nóng)村水資源泛指分布在廣大農(nóng)村的河流、湖沼、溝渠、池塘、水庫等可以被利用的地表水體、土壤水和地下水體的總稱.我國是水資源相對匱乏的國家,人均水資源占有量僅為世界人均水資源占有量的1/4[1],而每年農(nóng)業(yè)用水量占到全國用水量的 65%,農(nóng)業(yè)用水平均每年缺少 300億 m3左右[2].農(nóng)村地區(qū)的發(fā)展依賴于水資源的質(zhì)量和數(shù)量[3],而現(xiàn)階段在我國由于大量的工業(yè)廢物、生活廢物、畜禽養(yǎng)殖排放廢物和農(nóng)村面源污染等造成了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞,嚴重影響了農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量及農(nóng)村居民的用水安全[4].

目前我國農(nóng)村水資源面臨的污染問題主要由化肥農(nóng)藥的不合理使用、養(yǎng)殖業(yè)及農(nóng)村工業(yè)廢水肆意排放及生活廢水與生活垃圾的亂推亂放所形成的點源與面源混合污染造成[5].現(xiàn)階段的農(nóng)村水資源保護措施主要根據(jù)不同污染源及其污染特征來選擇,測土配方、緩控施肥及保護性耕作技術(shù)被用來減少化肥及農(nóng)藥使用所產(chǎn)生的面源污染[6-8];沼氣發(fā)酵、活性污泥及生物膜技術(shù)被用于處理農(nóng)村大量的畜禽糞便[9-10];人工濕地、緩沖帶、氧化塘、土地滲濾等技術(shù)措施被廣泛用于處理農(nóng)村綜合廢水[11-13].

對這些農(nóng)村水資源保護措施進行系統(tǒng)的分類,根據(jù)這些措施的適用條件、使用效果和效益來確定每個措施的適宜性,以便最大限度的發(fā)揮每個措施的優(yōu)勢是有重要意義的.近年來國外對水資源保護措施的研究主要集中在某種措施在農(nóng)業(yè)面源污染防治中的運用模式和效果[14-15],其中緩沖帶作為被公認有效的方法已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各國農(nóng)村地區(qū)[16].通過措施及完善的管理體系進行流域管理是保證農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境安全的有效方法[17-18].在已有的這些研究中水資源保護措施作為單一的方法備受關(guān)注,但并沒有對措施進行比較分析,研究更多的集中于措施的使用而沒有涉及到如何選擇水資源保護措施.

我國農(nóng)村水資源保護措施起步較晚,尚缺乏大量的控制、治理的實踐經(jīng)驗和有效的管理措施,沒有形成完整的體系.很多相關(guān)水資源保護技術(shù)在推廣中由于運行成本、地區(qū)條件等諸多因素影響,不能得到廣泛推廣,只能在小范圍進行示范.另外一些能夠運用到實際中的技術(shù)也由于沒有做到因地制宜、以及在管理、運行中存在問題,不能充分發(fā)揮效益[19].因此,本研究根據(jù)“源頭—過程—末端”防控體系理論對目前主要采用的農(nóng)村水資源保護措施進行分類總結(jié),并利用AHP層次分析法對農(nóng)村水資源保護措施適宜性進行評價,為農(nóng)村水資源保護技術(shù)在實際中的推廣和應(yīng)用提供依據(jù).

1 農(nóng)村水資源保護措施分類

污染源產(chǎn)生至向受納水體輸出可以劃分為“源頭—過程—末端”3個環(huán)節(jié).源頭環(huán)節(jié)的治理應(yīng)當是農(nóng)業(yè)水資源保護的首選措施,是污染防治的根本和關(guān)鍵.源頭環(huán)節(jié)的治理應(yīng)包括兩方面的目標:一是弱化非點源污染發(fā)生的過程,直接阻止或減輕農(nóng)業(yè)非點源污染發(fā)生的可能性;二是盡可能降低農(nóng)田產(chǎn)污負荷強度,減小這一過程對土壤及外界水體的影響程度,為后面環(huán)節(jié)盡可能地降低產(chǎn)污負荷,從而減少過程與末端治理環(huán)節(jié)的控制成本.過程環(huán)節(jié)是污染物在污染控制系統(tǒng)中運動遷移的環(huán)節(jié),應(yīng)主要以攔截目的進行治理,削減系統(tǒng)內(nèi)的污染物濃度和減少負荷輸出為目的.末端環(huán)節(jié)是污染物在系統(tǒng)中運移直至排入收納水體當中的過程,直接作用于水體環(huán)境,攔截與控污需同時加強作用,是非點源防治的最后一道防線.

根據(jù)各措施的基本原理及治理效果,按“源頭—過程—末端”體系,對目前農(nóng)村常見水資源保護措施進行分類(13種),見表 1,在對治理措施選擇利用時,可根據(jù)不同地區(qū)農(nóng)村水資源所面臨的污染特點,有針對性的選擇.

表1 “源頭—過程—末端”措施分類Table 1 Classification of "Source, Process and Terminal" control measures

2 保護措施適宜性評價模型

應(yīng)用層次分析法-AHP法[20]建立層次評價模型.

圖1 AHP評價結(jié)構(gòu)層次模型示意Fig.1 The sketch map of AHP model

(1) 評級體系分為 3個部分組成,分別為目標層、準則層和指標層(見圖1).選取處理效果、硬件要求、外界條件和經(jīng)濟效益4個方面作為準則層,并將其細分為13個具體的指標層.

(2) 構(gòu)造判斷矩陣,即根據(jù)統(tǒng)一的1～9級標度表,對各層次因素兩兩間量化比較,形成判斷矩陣.

(3) 計算權(quán)重并進行一致性檢驗計算,對某一準則下的判斷矩陣 U,求出其最大特征根λmax及其所對應(yīng)的特征向量,所求特征向量即為各評價指標相對權(quán)重.利用公式 CR=CI /RI ,對判斷矩陣進行一致性檢驗,其中, CI = (λmax? n) /(n ?1), RI值見表2.當CR<0.1時,說明判斷矩陣具有一致性,權(quán)重分配合理.

表2 平均隨機一致性指標RI 值Table 2 RI value

3 結(jié)果分析

3.1 各指標權(quán)重分析

利用AHP層次分析法對權(quán)重分析,得到農(nóng)村水資源保護技術(shù)適宜性的13個指標影響力權(quán)重見(表3).由表3可見,污染物去除率、出水水質(zhì)、建設(shè)成本及運行維護 4個指標權(quán)重影響值超過10%,對于農(nóng)村水資源保護技術(shù)適宜性來說,在進行技術(shù)推廣運用的時候必須優(yōu)先考慮這些因素.由于農(nóng)村水環(huán)境易受到面源污染及高濃度的養(yǎng)殖廢水污染,如果選用的技術(shù)不能保證去除率和水質(zhì),勢必會影響其在農(nóng)村的推廣使用.田海龍等人的研究表明人工濕地處理技術(shù)具有較好的去除效果,去除率分別為:TN:60%,TP:50%,COD: 35%～50%,BOD:40%～60%,氨氮:50%～60%[21].封丹等[22]的研究發(fā)現(xiàn)土地滲濾技術(shù)對污水的總氮去除率不高,僅有25%左右.針對農(nóng)村水資源的特殊情況,在實際選擇相應(yīng)保護技術(shù)時必須要注意技術(shù)在去除率方面的特點.而設(shè)備的建設(shè)和維護費用也必須符合農(nóng)村基本的經(jīng)濟基礎(chǔ)條件.活性污泥技術(shù)由于其曝氣池龐大,單位成本高,占用土地較多,基建費用高,加之消耗的動力大,電力流水消耗是沼氣發(fā)酵技術(shù)的10倍之多,所以在經(jīng)濟基礎(chǔ)薄弱的地區(qū)很難推廣運用[23].

污染負荷、占地面積、需求溫度、氣溫、地形、土壤及效益這7個指標權(quán)重影響值達基本都在5%左右,在優(yōu)先考慮了前面4個指標后,也必須重視這個7個指標,尤其是需求溫度和氣溫,由于我國南北氣候差異,一些水資源保護技術(shù)例如沼氣池技術(shù)、活性污泥技術(shù)、好氧生物膜技術(shù)等都對溫度有著嚴格的要求,較低的溫度會影響處理效果.采用好氧生物膜技術(shù)處理廢水時,當廢水水溫低于巧 15℃時,微生物的活性將受到明顯影響,水溫高于 15℃時,可以保證一個較好的處理效果[24].不同的土壤類型和地形也會影響諸如植被緩沖帶技術(shù)和人工濕地技術(shù)的處理效果[25-26].所有指標中占地面積的權(quán)重值最小只有 1%,在考慮技術(shù)的適宜性時可以不對其優(yōu)先考慮.

表3 農(nóng)村水資源保護措施適宜性評價指標權(quán)重Table 3 Weights sheet of suitability evaluation factors on water conservancy measures in rural areas

3.2 適宜性評價

根據(jù)對農(nóng)村水資源保護技術(shù)各類典型技術(shù)的分類情況,結(jié)合已有相關(guān)技術(shù)研究數(shù)據(jù)及相關(guān)國家、行業(yè)標準對典型水資源保護技術(shù)進行適宜性評分,每個評價指標單項評分為 1～10分,依據(jù)表4調(diào)查資料數(shù)據(jù)進行評分,再結(jié)合13個評價指標權(quán)重,根據(jù)公式 Y =∑nW×X最后得出適宜

i=1i i性總評分(見表 5),式中 W為措施每一個指標的權(quán)重值,X為措施每一個指標的評分.

表4 農(nóng)村水資源保護措施適宜性評價參考資料Table 4 The reference of water resources conservancy measures in rural areas

表5 農(nóng)村水資源保護措施適宜性評價結(jié)果Table 5 The evaluation results on 13water conservancy measures in rural areas

3.2.1 源頭控制措施評價結(jié)果 源頭控制措施共有6種,主要針對農(nóng)藥化肥使用中產(chǎn)生的面源污染和農(nóng)村居民生活及養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便污染,從源頭對污染物進行處理從而避免污染物直接地表徑流進入水體.通過評價可以看出測土配方技術(shù)措施在控制過量化肥所產(chǎn)生的面源污染方面具有較高的綜合得分,但是從減少氮源和措施效益的角度考慮,保護性耕作技術(shù)措施相對得分較高,這與李洪文等[27]的研究結(jié)果相符.測土配方和保護性耕作都是有效控制過量氮磷進入水體的方法,在充分保證農(nóng)作物產(chǎn)量的同時保護土地資源減少面源污染.在處理農(nóng)村生活污水及養(yǎng)殖業(yè)廢水方面,“一池三改”技術(shù)以其相對低廉的成本及較好的效益得到了較高的評分.根據(jù)劉芳[28]的統(tǒng)計,采用“一池三改”技術(shù)后,農(nóng)戶養(yǎng)殖每頭豬節(jié)約成本175元,按戶年出欄9頭計,年可增收節(jié)支1575元.在人口相對較多農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)較集中的地區(qū),可以優(yōu)先考慮采用這項技術(shù)措施.

3.2.2 過程控制措施評價結(jié)果 過程控制措施主要利用阻攔及吸附的方式來削減污染物濃度和減少負荷輸出為.緩沖帶措施、人工濕地措施及入地處理措施都是具有代表性的過程控制措施.通過評分可以看出,土地處理技術(shù)措施的適應(yīng)性較好,在過程控制中具有更好的處理效果及經(jīng)濟效益.賴蘭萍[29]研究發(fā)現(xiàn),土地滲濾系統(tǒng)在處理村鎮(zhèn)生活污水時對 COD、總磷、氨氮的去除率分別可以達到 92.9%、98.4%、98.1%.由于綜合利用土壤中棲息的動物、微生物、植物根系以及土壤所具有的物理、化學(xué)特性,所以土地處理技術(shù)措施在氮磷污染過程控制中具有較好的效果,可以作為控制農(nóng)業(yè)面源污染措施的首選.而在一些擁有一定土地及經(jīng)濟條件的地區(qū),也可以選擇建設(shè)成本相對較低的人工濕地作為過程控制措施來防治污染物進入水體.由于都是利用植被根系及土壤的吸附作用來去除污染物,緩沖帶措施、人工濕地措施及入地處理措施都會受到溫度的影響.張彩瑩等[30]的研究表明氣溫變化與人工濕地單元中污染物去除率均呈現(xiàn)顯著線性正相關(guān)關(guān)系.因此在冬季氣溫較低的時期應(yīng)結(jié)合其他相應(yīng)技術(shù)來避免低溫對措施的抑制作用.

3.2.3 末端控制措施評價結(jié)果 活性污泥法和好氧生物膜法作為最成熟和最常見的污水處理措施被廣泛應(yīng)用,相比較于人工浮島技術(shù)措施,活性污泥法和好氧生物膜法能處理濃度更高的有機廢水,并具有穩(wěn)定的處理效果,在處理農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的高濃度廢水時可以作為首選.但是由于溫度對微生物活性的影響,在我國氣溫較低的北方地區(qū)這 2種措施的處理效果都會受到影響[31],尹軍等[32]的研究表明低溫會對SBR活性污泥處理工藝產(chǎn)生抑制作用,白曉慧等[33]的研究也證明低溫是造成污泥膨脹的原因之一.另外相比于人工浮島技術(shù)措施,活性污泥法及好氧生物膜法這種措施的建設(shè)成本及運行維護成本較高,對于經(jīng)濟基礎(chǔ)比較薄弱的地區(qū)不適宜采用[34].人工浮島技術(shù)就是人為將適宜的水生植物或經(jīng)改良的陸生植物移栽到水面浮島上任其生長,通過植物的根系吸收水體中的污染物,并將其貯存在植物細胞內(nèi),有效降低水體營養(yǎng)物的含量從而達到凈化水質(zhì)的目的,在一些具有大面積河流及湖泊的農(nóng)村地區(qū)可以考慮采用人工浮島措施在有效去除污染物的同時也可以提供一定景觀效益[35].

4 結(jié)論

4.1 通過AHP層次分析法,對13種常見的農(nóng)村水資源保護措施評價得出,在選擇農(nóng)村水資源保護措施時應(yīng)重點考慮污染物去除率、出水水質(zhì)、建設(shè)成本及運行維護這四個因素.

4.2 源頭控制措施中測土配方及保護性耕作為首選控制農(nóng)村化肥及農(nóng)藥污染的措施,“一池三改”技術(shù)具有較好的經(jīng)濟效益可以作為農(nóng)村生活污水處理的首選措施;從控制農(nóng)村面源污染過程的角度出發(fā),土地處理技術(shù)措施具有較好的適宜性;在選取末端處理措施的時候,必須優(yōu)先考慮溫度及建設(shè)成本的影響.

4.3 由于我國不同地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展并不相同,在實際的運用當中還應(yīng)當根據(jù)每個措施的特點和要求結(jié)合地區(qū)實際情況進行有針對的選擇.

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Technical suitability and economic feasibility evaluation on 13 water resources conservancy measures in rural areas.

SUN Jia1, QI Shi1*, PENG Pai1, HUANG Yuan1, LIU Xiao-ying2, YANG Ai-min2(1. Key Laboratory of Soil and

Water Conservation and Desertification Combating, Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China) China Environmental Science, 2014,34(12)：3242～3248

13kinds of common water resources conservancy measures were classified into three (source, process and terminal) control systems. In addition the measures of each category were evaluated by the Analytic Hierarchy Process method as well as 13 factors of the technical suitability and economic feasibility of water conservancy measures. The results indicated that pollutants removal rate, effluent water quality, cost of construction, operation, and maintenance should be given priority in real world applications they had the higher weight value than other indices. Conservation tillage and ‘One biogas pond with improvements of washroom, kitchen and sty’ could be used as the preferred methods in source control. Moreover, land treatment technology was more suitable than other process control methods. External temperature and construction costs must be considered when selecting terminal control methods.

water resources in rural areas；water resources conservancy measures；technical suitability and economic feasibility evaluation；the analytic hierarchy process

X824

A

1000-6923(2014)12-3242-07

孫 嘉(1986-),男,新疆石河子人,北京林業(yè)大學(xué)博士研究生,主要從事土壤與水環(huán)境研究.發(fā)表論文3篇.

2014-03-20

水利部水資源費研究項目( 2130331)

* 責任作者, 教授, qishi@bjfu.edu.cn