小流域面源污染治理與評估模型研究進展

余志敏 袁曉燕 施衛(wèi)明

(中國科學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估模型研究進展

余志敏 袁曉燕 施衛(wèi)明

(中國科學院中科院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008)

隨著社會經濟的發(fā)展，我國水體污染狀況日益嚴重，如何有效控制水體污染已經成為環(huán)境保護工作的重點。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策，并對小流域污染治理的國內外研究進展進行了初步的總結，如小流域地形影響、污染構成及流失規(guī)律、模型的開發(fā)與應用等，進而為我國的水體環(huán)境污染治理工作提供經驗借鑒及技術參考。

小流域;水土流失;面源污染;模型

據《2008年中國環(huán)境狀況公報》顯示，我國七大水系流域Ⅰ類至Ⅲ類水質斷面比例占55%，Ⅳ類為18%，Ⅴ類為6%，劣Ⅴ類占21%;與上年相比，水質污染略有減緩，但水系水質整體污染的勢頭并未得到根本性遏制。了解流域性的面源污染來源、其發(fā)生途徑、治理與控制研究進展對于改善我國水體環(huán)境狀況有著重要的意義，也可以為相關的面源污染治理技術與控制對策提供理論依據。

小流域污染是由于流域內自然因素(降雨等)、人類生產生活等原因，產生的營養(yǎng)物質與污染物質超過流域自身的環(huán)境容量，從而造成流域內水體環(huán)境的污染。

1 污染來源

1.1 水土流失

在人類活動的影響下，降雨將大氣中污染物質攜帶下來，進入地表徑流;另一方面，地表和土壤顆粒吸附的無機營養(yǎng)物、有機殺蟲劑及重金屬等污染物通過地表徑流的浸提和沖洗作用，進入水體從而造成流域水體的污染。

1.2 農業(yè)面源

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

1.3 農村生活源

農村市政設施相對缺乏，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。在我國具有代表性的9省43縣74個村莊的調查表明，96%的村莊沒有污水處理系統(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入水體環(huán)境，對地表水及地下水體環(huán)境造成影響。全國因固體廢棄物堆存而被占用和毀損的農田面積超過13.33萬hm2，3億多農村人口面臨飲水安全問題［3］。

1.4 大氣干濕沉降

我國農業(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)進入大氣層，通過干濕沉降進入水體，造成水體污染，成為農業(yè)非點源污染中不可忽視的重要來源。中國科學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年研究認為大氣沉降氮的來源中以畜禽養(yǎng)殖糞便、化肥施用過程中氮揮發(fā)為主要部分。1968－1997年，長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

針對不同地域特征，國內許多學者都提出了相應的治理模式:根據小流域內不同功能區(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、經濟型、綜合型三大類［2］;周建平以東港小流域為例探索出一種城郊型水土保持開發(fā)治理模式［7］;于小光針對遼寧省流域分類提出“鑲嵌治理模式”、“金字塔”型治理模式、區(qū)域經濟與小流域開發(fā)治理相結合的模式［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、工程治理和土地利用方式等。生物修復包括休耕、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(農用物資的優(yōu)化使用及畜禽糞便減量控制等)、過程治理工程(產業(yè)合理配置、坡面防護工程、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);土地利用方式轉換有輪作、間作、套種、混播、填閑種植等措施。

3 研究進展

3.1 國外研究現(xiàn)狀

近年來，國外學者針對小流域污染地形地貌影響、氮磷的排放負荷及規(guī)律、流域水體的影響因素等各方面開展了大量的實驗研究［10－11］。另外，利用模型對小流域污染物質進行模擬也是面源污染研究的重點［12－13］。

Dharmasena的土壤損失研究數(shù)據說明覆草帶和遞級籬墻兩種農業(yè)保持措施可以提供超過80%的水庫小流域土壤侵蝕保護;與現(xiàn)有的輪作措施相比，岸堤僅能提供40%的保護，同時可以減少50%以上的徑流［14］。Veum等研究表明草地緩沖帶可以明顯減少徑流(8.4%)，無論草地還是林地緩沖帶都沒有對表面徑流產生溶解有機碳污染，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，山坡坡面擴散有利于減少整個流域的土壤侵蝕［16］。

Ide等對日本山區(qū)小流域的研究結果表明，在特定的排出水平時，溶解態(tài)的氮磷負荷與顆粒狀氮磷負荷排出關系相一致;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三種類型水體中，除草劑濃度在晚春和初夏的時候最高，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)測不到［18］。

Poulenard利用紅外線光譜追蹤到小流域沉積物的主要來源是河堤［19］。B?hlke等通過對水體內硫酸鹽中δ34S的研究，表明小流域大氣硫沉降與土壤積聚、生物積累、地表水停留時間的變化密切相關［20］。Honoso等人利用S和Sr同位素研究結果表明，肥料中的溶解態(tài)S通過農業(yè)地帶的土壤過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同位素可應用于判別與Sr有關的農用化學品對農業(yè)土壤的影響;將S和Sr同位素濃度數(shù)據組合起來可能成為小流域河水水質與土壤關系的新的環(huán)境診斷技術［21］。

Shiraki等校正了基于Richard方程式的模擬方法，通過分析流域降雨與徑流過程，證明低多孔性土壤加快滲漏排出時間增加了滲漏量［22］。Cho等對農業(yè)面源(AGNPS)模型在小流域的應用進行了評價，與規(guī)則的格狀試驗相比，不規(guī)則單元試驗增加了流域的徑流量，減少了流域的滲漏率和沉積量［23］。Singh等通過校正和確認表明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［24］。Pandey等利用WEEP模型研究表明沉積物產生量與侵蝕度和有效水力傳導率密切相關，徑流僅對有效水力傳導率敏感［25］。

3.2 國內研究現(xiàn)狀

我國小流域污染治理工作起步相對較晚，但流域性的面源治理逐漸得到重視，并在相關科學研究和污染治理工作中取得了一定的成果。陸海明等對天津于橋水庫周邊農業(yè)小流域進行長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］。許其功等對三峽庫區(qū)小流域農業(yè)面源氮磷流失規(guī)律研究表明，長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，氮磷的排放負荷與徑流量之間存在多項式關系［27］。張榮保等以宜興市梅林小流域為對象，建立了徑流量和面源污染負荷輸出量之間的數(shù)學統(tǒng)計模型［28］。吳志峰等在珠江三角洲地區(qū)正坑小流域的研究結果表明，旱坡地和果園兩類土地利用景觀類型具有相對較高的侵蝕模數(shù)，不同土地利用類型對非點源污染負荷的貢獻率不同，水田中氮、磷流失對非點源污染負荷有重要影響［29］。深圳茜坑水庫小流域，N、P的主要來源是化肥流失和水土流失;BOD、COD的主要來源主要是畜禽養(yǎng)殖和農村生活污水;NH4+－N的主要來源是化肥流失、水土流失和農村生活污水［30］。

而隨著面源污染物理化學過程研究的深入和對面源污染過程的廣泛監(jiān)測，污染模型研究與利用已經成為流域面源污染的重要指導手段。趙剛等將AGNPS模型與技術相結合，建立云南省撈魚河小流域試驗區(qū)基礎信息數(shù)據庫，根據現(xiàn)場觀測數(shù)據，模擬評價了幾種常用的侵蝕控制措施的效果［31］。陳欣等的研究認為AGNPS模型可用于南方丘陵區(qū)小流域磷素流失的預測與評價［32］。焦鋒等使用SWAT模型對以面源輸出為主的江蘇宜興市湖滏流域進行研究，結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造成污染的變化［33］。梅立永等利用HSPF模型對深圳西麗水庫流域進行模擬研究，結果表明果樹施肥是該水庫N、P污染的主要來源，減少化肥使用量可以使面源污染負荷明顯降低［34］。

依據在小流域面源氮、磷動態(tài)變化規(guī)律實測研究，構建流域氮磷流失規(guī)律模型的研究也取得較好的進展，如李定強等建立了降雨量－徑流量、徑流量－污染物負荷輸出量之間的數(shù)學統(tǒng)計模型［35］，饒群等結合實測數(shù)據和流域徑流模型，建立了總氮模型［36］。李懷恩等建立了一個新的流域暴雨徑流污染負荷模型，其顯著特點是微觀機理與宏觀求解的有機統(tǒng)一，既考慮了水動力學與污染物遷移轉化機理，又巧妙地解決了模型機理與實用性之間的矛盾，并通過實例證明該模型對多種不同類型的污染物(固態(tài)、液態(tài)、吸附態(tài)等)都能應用［37］。董亮等采用Arc/Info建立西湖流域非點源污染信息數(shù)據庫，并生成了西湖流域的數(shù)字地面模型，為非點源污染專題模型庫的建立奠定了基礎［38］。王曉燕等利用GIS建立北京密云水庫石匣小流域非點源污染信息的數(shù)據庫，分別以SCS方程、USLE方程和污染物遷移為核心，初步建立非點源污染負荷模型，取得了較為理想的效果［39］。

4 問題與展望

我國目前的小流域污染治理工作取得了一定成果，但仍然存在一些問題:我國幅員遼闊，地區(qū)組成流域系統(tǒng)的因素比較復雜，各流域污染情況各具特點，導致相對應的小流域模型科學實用性研究有待深入;缺乏TMDL類型相關的小流域模型研究，缺少對污染物削減目標的管理指導;現(xiàn)有的小流域模型研究工作大多偏重模型理論研究，缺少模型指導下的治理技術研究，具有參考價值的治理實例不夠。

小流域面源污染治理應當根據不同流域自身污染特點，選擇相應的污染物評估模型，在應用過程中不斷完善，逐步提高技術的科學實用性;在小流域模型開發(fā)與應用過程中，有目的性地開發(fā)與選擇一些污染物目標總量控制的TMDL類型模型，通過對流域污染物總量及日削減目標總量控制，加強對技術實際應用的管理與指導;有效的開展相關模型的工程應用，通過具體的工程應用效果對模型及治理技術進行評價與評估，為治理技術和評估模型發(fā)展提供經驗借鑒。

總之，小流域污染治理工作任重而道遠，需要科研及環(huán)保工作者因地制宜，充分利用流域內環(huán)境因素，增強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、經濟效益、社會效益有機結合起來，不斷完善相關的源頭控制與工程治理技術，為改善水體環(huán)境、推動社會的可持續(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－0001－04

2010-05-04

袁曉燕，博士生，主要研究方向為農村面源污染控制。