胡曉東, 翁松干, 李志清

(江蘇省水利科學(xué)研究院, 南京 210017)

典型農(nóng)用地降雨徑流污染物輸出特征

胡曉東, 翁松干, 李志清

(江蘇省水利科學(xué)研究院, 南京 210017)

選取常熟金涇塘地區(qū)典型農(nóng)用地為研究對(duì)象，通過(guò)人工降雨研究不同降雨條件下徑流污染物的輸出特征，并分析徑流污染對(duì)河水污染的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：小強(qiáng)度降雨徑流初期污染物輸出濃度最大，而高強(qiáng)度降雨徑流污染物輸出最大濃度相對(duì)滯后；污染物TN和CODMn輸出總量遠(yuǎn)大于TP和氨氮，且污染物輸出總量隨雨強(qiáng)增大而增加，但并不呈線性增長(zhǎng)關(guān)系；徑流污染輸出的TN和TP對(duì)金涇塘河水污染貢獻(xiàn)較大。

農(nóng)用地; 徑流; 污染;人工降雨； 輸出特征

1 研究背景

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，大量農(nóng)藥和化肥得到使用，在降雨過(guò)程中，土壤中的氮素和磷素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥以及其他污染物質(zhì)，通過(guò)地表徑流等形式流入水體，形成面源污染[1]。目前，針對(duì)地表徑流污染的研究也非常廣泛，從城市降雨徑流污染管理[2]到徑流污染遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程研究[3]，從大流域降雨徑流污染輸出特征[4]到流域徑流污染模型[5]等等均有大量研究，但對(duì)流域內(nèi)微觀單元特別是農(nóng)用地降雨徑流條件下污染物輸出特征的研究相對(duì)較少[6]。

本文試驗(yàn)區(qū)域位于常熟金涇塘，該地區(qū)農(nóng)田主要用于蔬菜種植，田間施肥量較大，通過(guò)降雨徑流進(jìn)入金涇塘，造成面源污染。本文通過(guò)人工模擬降雨，研究徑流污染物的輸出特征，并分析其對(duì)金涇塘河水污染的貢獻(xiàn)情況。

2 材料與方法

(1) 試驗(yàn)裝置。本試驗(yàn)所用裝置主要由供水水箱、泵、流量計(jì)、布水器4 部分組成, 在布水器周?chē)O(shè)計(jì)擋風(fēng)板來(lái)減小風(fēng)力對(duì)模擬降雨的影響。由供水水箱提供一次試驗(yàn)所需全部用水, 經(jīng)由泵、流量計(jì)調(diào)節(jié)流量到布水器，試驗(yàn)用水采用自來(lái)水。

(2) 試驗(yàn)過(guò)程。通過(guò)測(cè)定土壤中污染物濃度，選擇3塊互不干擾且土壤本底污染物濃度相近的農(nóng)用地，分別設(shè)置7.5，17.5，42.5 mm/h的降雨強(qiáng)度，降雨面積為2 m×2 m，徑流下游設(shè)置集水溝，溝槽內(nèi)墊置PVC塑料膜防止徑流水量下滲，集水溝尾部放置取樣設(shè)備，從產(chǎn)生徑流開(kāi)始算起的5，10，15，20，25，30，40，50，60，80，100，120 min進(jìn)行取樣分析，另外取徑流終點(diǎn)金涇塘河水進(jìn)行水質(zhì)測(cè)試。

(3) 測(cè)試方法。每試驗(yàn)地塊采5個(gè)土樣進(jìn)行污染物濃度測(cè)試，TP采用堿熔-鉬銻抗分光光度法，TN采用半微量凱氏定氮法，氨氮采用氯化鉀溶液提取-分光光度法；水樣取樣后分別對(duì)CODMn，TP，TN，氨氮進(jìn)行測(cè)試，CODMn采用高錳酸鉀法，氨氮采用鈉氏試劑比色法, TP采用鉬酸銨分光光度法,TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法進(jìn)行測(cè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 土壤污染物本底濃度

土壤本底污染物濃度決定徑流污染物的濃度,本次試驗(yàn)3塊農(nóng)用地土壤本底污染物濃度見(jiàn)表1。

表1 土壤本底污染物平均濃度Table 1 Average concentration of backgroundpollutants in soil

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，3個(gè)試驗(yàn)地塊的土壤污染物濃度差別較小，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明各地塊用于比較試驗(yàn)是符合要求的。

3.2 產(chǎn)流時(shí)間

土壤產(chǎn)流與其土壤含水量密切相關(guān)，由于本次試驗(yàn)場(chǎng)地相鄰距離很近，各試驗(yàn)農(nóng)用土含水率視為相同，本次試驗(yàn)僅觀測(cè)不同強(qiáng)度降雨條件下的產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各降雨強(qiáng)度下試驗(yàn)產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)間Table 2 Start time of test runoff under differentrainfall intensity

從表2可以看出，其中7.5 mm/h和17.5 mm/h的降雨強(qiáng)度產(chǎn)生的徑流為飽和流，也就是說(shuō)土壤含水率達(dá)到飽和狀態(tài)后才開(kāi)始產(chǎn)流；而42.5 mm/h的降雨強(qiáng)度產(chǎn)生的徑流為超滲流，土壤沒(méi)有達(dá)到飽和就產(chǎn)流。這2種情況下，雨水在土壤中的停留時(shí)間不同，對(duì)污染物溶解的程度將產(chǎn)生差異。

3.3 降雨徑流污染濃度輸出特征

對(duì)2 h降雨徑流水質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1中可以看出，不同降雨強(qiáng)度條件下的徑流污染物濃度差異較大。首先徑流中各污染物質(zhì)在不同降雨強(qiáng)度下表現(xiàn)出不同的歷時(shí)特征，在降雨強(qiáng)度為42.5 mm/h條件下，初始徑流濃度較低，在約25～40 min后，TN,TP,氨氮和CODMn的濃度到達(dá)最大值；而17.5 mm/h的降雨強(qiáng)度條件下，徑流中的TN濃度較高，但TP,氨氮和CODMn的濃度還相對(duì)較低，在15～25 min后，各污染物濃度達(dá)到最大值；而7.5 mm/h的降雨強(qiáng)度下，徑流污染物初始濃度較高，隨著降雨歷時(shí)的推進(jìn)，污染物濃度逐漸下降。

其次，從污染物質(zhì)濃度最大值數(shù)據(jù)來(lái)看，TN,TP,氨氮以及CODMn濃度最大值均出現(xiàn)在17.5 mm/h降雨強(qiáng)度下15～20 min之間的徑流中，數(shù)值分別為8.24，2.73，1.91，7.06 mg/L。

(a) TN

(b) 氨氮

(c) TP

(d) CODMn

結(jié)合產(chǎn)流時(shí)間不難看出:①大強(qiáng)度的降雨，土壤在非飽和含水率條件下開(kāi)始產(chǎn)流，其在土壤的停留時(shí)間較短，土壤污染物質(zhì)尚未溶解到水中，導(dǎo)致初期雨水中污染物濃度較低；而強(qiáng)度較小的降雨，其產(chǎn)流形式為蓄滿(mǎn)產(chǎn)流，也就是土壤包氣帶和飽水帶基本飽和后產(chǎn)生的徑流，雨水停留時(shí)間久，污染物質(zhì)溶解比較充分，因此其初期雨水中的污染物濃度較高。②從各污染物最大濃度數(shù)值來(lái)看，在3種不同降雨強(qiáng)度下，17.5 mm/h的強(qiáng)度下的產(chǎn)流污染物濃度最高，這說(shuō)明盡管較小降雨強(qiáng)度下雨水能在土壤中有更多的停留時(shí)間，有利于污染物溶解，但同時(shí)，雨強(qiáng)對(duì)土壤擾動(dòng)的作用也不容忽視。而42.5 mm/h降雨強(qiáng)度同樣具有較強(qiáng)的擾動(dòng)能力，能夠加快表層土壤中污染物質(zhì)的溶解速率，但由于其水量較大稀釋了污染物濃度，因此其徑流污染物質(zhì)濃度仍較小。

3.4 降雨徑流污染物總量輸出特征

由于本次試驗(yàn)采用人工模擬降雨的方法，因此降雨雨強(qiáng)和降雨時(shí)間可以人為設(shè)定，使得降雨量的計(jì)算可以非常精確，并由此可以計(jì)算分時(shí)段降雨中污染物總量。

從圖2中可以看出，總體污染物總量上，TN和CODMn總量較高，而氨氮和TP污染物總量輸出較小。

表3 各時(shí)段不同降雨強(qiáng)度下污染物輸出累計(jì)總量Table 3 Accumulated amount of pollutant output at different periods under different rainfall intensity mg

(a) 7.5 mm/h雨強(qiáng)

(b) 17.5 mm/h雨強(qiáng)

(c) 42.5mm/h雨強(qiáng)

另外，對(duì)分時(shí)段污染物輸出總量進(jìn)行分析，可以看出在7.5 mm/h的降雨強(qiáng)度下，前30 min的污染物輸出總量最大，隨著時(shí)間的推進(jìn)，各時(shí)段污染物輸出總量的數(shù)值反而下降。17.5 mm/h的降雨強(qiáng)度下，各時(shí)段污染物總量輸出的特征與7.5 mm/h的降雨強(qiáng)度污染物輸出特征基本類(lèi)似，僅在后期80～120 min的降雨中，污染物總量稍微有所提升。但42.5 mm/h降雨強(qiáng)度下，污染物總量輸出特征與將兩者差異較大，其降雨污染物總量輸出最大的時(shí)段集中在20～50 min這個(gè)時(shí)段，這與濃度的輸出特征相對(duì)應(yīng)。

對(duì)各時(shí)段污染物輸出累計(jì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表3所示。

分析表中數(shù)據(jù)，可以看出，對(duì)于TP和氨氮的污染物總量輸出，在形成產(chǎn)流的初期，降雨強(qiáng)度為7.5,17.5,42.5 mm/h的產(chǎn)流中污染物輸出總量差距不多，10 min以后，TP輸出總量的差異才隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大；而對(duì)于氨氮而言，42.5 mm/h降雨強(qiáng)度下10 min內(nèi)污染總輸出量最小，只有9.8 mg；TN輸出量在前10 min內(nèi)，17.5 mm/h和42.5 mm/h的差異不大，但均比7.5 mm/h的降雨強(qiáng)度下TN輸出量大；CODMn在各個(gè)時(shí)段上的輸出量均隨降雨強(qiáng)度增大而增大。但無(wú)論TP，TN，氨氮還是CODMn，其降雨污染物輸出總量與降雨強(qiáng)度間并非成線性增長(zhǎng)關(guān)系，17.5 mm/h和42.5 mm/h在120 min的降雨過(guò)程中輸出污染物總量相對(duì)于7.5 mm/h的輸出總量：TP分別為其2.2倍和3.7倍、TN分別為1.5倍和3.5倍、氨氮分別為2.2倍和4.9倍，CODMn分別為2.4倍和5.9倍。

3.5 徑流與河水污染物濃度分析

對(duì)金涇塘河水水質(zhì)進(jìn)行分析，與各降雨強(qiáng)度下徑流污染物平均濃度進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出，對(duì)河水污染貢獻(xiàn)較大的是TP和TN，而氨氮以及CODMn徑流中污染濃度相比河水要小，因此說(shuō)明河水受其他因素污染。相比較各降雨強(qiáng)度，7.5 mm/h產(chǎn)生的徑流中TN含量較高，是河水TN含量的重要污染源。

表4 不同降雨強(qiáng)度下河水及降雨徑流污染物濃度Table 4 Concentration of pollutants in river waterand rainfall runoff mg/L

4 結(jié) 論

(1) 降雨強(qiáng)度對(duì)徑流污染輸出特征有較大的影響，小強(qiáng)度降雨初期污染物濃度最大，而高強(qiáng)度降雨徑流污染物最大濃度相對(duì)滯后。但總體而言徑流污染物濃度在30 min內(nèi)均能達(dá)到最大值。

(2) 降雨徑流污染物TN和CODMn輸出總量遠(yuǎn)大于氨氮和TP，且無(wú)論雨強(qiáng)大小，初期污染物輸出總量大于后期污染物輸出總量；污染物輸出總量隨雨強(qiáng)增大而增加，但并不呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)關(guān)系。

(3) 對(duì)研究區(qū)域而言，降雨徑流污染對(duì)河水污染物質(zhì)中TN和TP貢獻(xiàn)較大，而對(duì)氨氮和CODMn貢獻(xiàn)較小。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Characteristics of Pollutant Output in Farmland Runofffrom Simulated Rainfall

HU Xiao-dong, WENG Song-gan, LI Zhi-qing

(Jiangsu Hydraulic Research Institute, Nanjing 210017, China)

The output characteristics of pollutants in farmland runoff under different artificial rainfall intensity was researched at typical farmland in Changshu suburban area. The contribution of runoff pollution to the river pollution was also discussed. Result revealed that 1) the maximum concentration of pollutant appeared at the beginning of the rainfall under small intensity, while emerged later under big rainfall intensity; 2) the summation of TN and CODMnoutputs were far larger than the output of TP and ammonia nitrogen, also the summation of pollutant increased with the increase of rainfall intensity but the change was nonlinear; 3) TN and TP had a greater contribution to the river contamination.

farmland; runoff; pollution; artificial rainfall; output characteristic

2013-10-27;

2013-11-04

江蘇省水利科技項(xiàng)目(2012064)

胡曉東(1979-),男，重慶市人，高級(jí)工程師，從事生態(tài)修復(fù)方面的研究工作，(電話(huà))025-86338564(電子信箱)challyno1@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.005

X52

A

1001-5485(2015)02-0020-04

2015,32(02):20-23