太湖流域面源污染現(xiàn)狀及控制途徑

張紅舉,陳 方

(1.太湖流域水資源保護(hù)局,上海 200434;2.太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測(cè)局,江蘇無錫 214024)

太湖流域面源污染現(xiàn)狀及控制途徑

張紅舉1,陳 方2

(1.太湖流域水資源保護(hù)局,上海 200434;2.太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測(cè)局,江蘇無錫 214024)

分析太湖流域面源污染現(xiàn)狀,歸納面源入河路徑,采用流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料對(duì)面源污染負(fù)荷進(jìn)行定量研究,據(jù)此提出加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水、減少農(nóng)田養(yǎng)分投入、進(jìn)行地表徑流和滲漏養(yǎng)分的生態(tài)攔截等面源污染控制措施。

面源污染;生態(tài)攔截;污染控制;太湖流域

1 面源污染現(xiàn)狀

太湖流域位于長(zhǎng)江三角洲核心地區(qū),流域總面積3.69萬km2,其中太湖水體面積2338km2。行政區(qū)劃分屬江蘇、浙江、上海和安徽3省1市。2005年流域國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值 2.12萬億元,約占全國(guó)的11.7%。

隨著太湖流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,流域用水量和廢污水排放量大量增加,近30年來流域水體水質(zhì)不斷下降。在2005年2700km評(píng)價(jià)河長(zhǎng)中,全年期水質(zhì)劣于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的河長(zhǎng)占89%,劣于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)61%;太湖全湖平均水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)為劣Ⅴ類(含TP、TN 指標(biāo)),其中NH3-N 指標(biāo)為Ⅱ類,CODMN為Ⅲ類,TP指標(biāo)為Ⅳ類,TN指標(biāo)為劣于Ⅴ類。

在造成太湖河網(wǎng)水質(zhì)污染與太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的各種因子中,面源污染的貢獻(xiàn)不可忽視。所謂“面源污染”,是相對(duì)于點(diǎn)源污染而言的,美國(guó)清潔水法修正案(1977)對(duì)面源污染的定義為:污染物以廣域的、分散的、微量的形式進(jìn)入地表及地下水體。正是由于面源污染的這種“不確定性”,大大增加了水環(huán)境治理的難度。據(jù)統(tǒng)計(jì),2005年太湖流域通過面源進(jìn)入河網(wǎng)的COD約為34.7萬t,NH3-N約為2.5萬t,而流域水功能區(qū)納污能力COD為54.7萬t/a、NH3-N為3.7萬t/a,大量水環(huán)境容量被面源污染負(fù)荷占據(jù),由于面源污染分布范圍廣、控制難度大,在水環(huán)境治理中將顯著加重點(diǎn)源污染負(fù)荷的削減負(fù)擔(dān)。

據(jù)原國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局粗略估計(jì),我國(guó)水體中來自工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)面源的污染物大約各占1/3;而據(jù)科技部“十五”重大科技專項(xiàng)“河網(wǎng)區(qū)面源污染控制成套技術(shù)”的調(diào)研表明,進(jìn)入太湖的污染負(fù)荷中,83%的TN和84%的TP來源于農(nóng)田、農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖業(yè)、城鄉(xiāng)結(jié)合部地區(qū)和農(nóng)村生活面源,貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過來自工業(yè)和城市生活的點(diǎn)源污染。

2 面源污染成因分析

面源污染來源比較廣泛,其中以來自農(nóng)業(yè)的面源污染最為突出,太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染主要包括種植業(yè)污染、養(yǎng)殖業(yè)污染和農(nóng)村居民生活污染等。

高投入、高產(chǎn)出是目前太湖地區(qū)種植業(yè)的主要特點(diǎn),因此導(dǎo)致了高強(qiáng)度的氮磷排放。太湖流域現(xiàn)狀農(nóng)田肥料年用量平均為氮肥570～600 kg/hm2,磷肥79.5～99 kg/hm2,化肥平均利用率僅為30%～35%。過量的化肥投入提高了土壤的氮磷背景值,增加了氮磷向水體流失的風(fēng)險(xiǎn)和流失量。如江蘇省宜興市近20年來在耕地面積減少1/6和復(fù)種指數(shù)顯著減低的情況下,化肥的總用量提高了3倍多,單位面積的化肥用量由1978年的199.5 kg/hm2提高到2004年的789kg/hm2,大大超過了合理施用量范圍。同時(shí),流域內(nèi)高氮磷肥料用量的菜果花(蔬菜、水果、花卉)農(nóng)田面積大幅度增長(zhǎng),菜果花農(nóng)田上單季作物氮化肥純養(yǎng)分用量平均為568.5～1999.5kg/hm2,為普通大田作物的數(shù)倍甚至數(shù)十倍,但是氮肥利用率僅在10%左右,造成氮磷大量盈余、流失。

除傳統(tǒng)型家庭養(yǎng)殖豬、雞、鴨、鵝外,太湖流域還存在較多大中型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng),這些畜禽排放的糞、尿中含豐富的氮、磷。根據(jù)研究,牛、豬和禽類的氮排放當(dāng)量分別為60.03kg/(a?頭(羽))、4.43kg/(a?頭(羽))和0.43kg/(a?頭(羽)),磷的排放當(dāng)量為13.35 kg/(a?頭(羽))、2.25 kg/(a?頭(羽))、0.16/(a?頭(羽)),實(shí)際養(yǎng)殖中,只有60%左右畜禽糞便用作有機(jī)肥,其余的被直接排放于環(huán)境中。在不同養(yǎng)殖和管理模式下,水產(chǎn)池塘向周圍水體排出氮、磷量分別為22.5～73.5kg/(hm2?a)和1.9～ 6.6 kg/(hm2?a),與農(nóng)田氮、磷的輸出相當(dāng)。而且太湖地區(qū)的許多養(yǎng)殖場(chǎng)所建于河旁湖濱,一些水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)所甚至直接建立在河湖水體內(nèi),大量氮磷直接排入水體,使水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)加大[1]。

農(nóng)村居住區(qū)內(nèi),由于農(nóng)民的傳統(tǒng)生活習(xí)慣簡(jiǎn)單,如垃圾隨地丟棄、養(yǎng)殖牲畜方式簡(jiǎn)單、家庭糞便疏于管理、生活污水隨意排放,造成生活居住區(qū)氮磷流失嚴(yán)重。研究表明,鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村居住點(diǎn)的地表徑流氮磷水環(huán)境年負(fù)荷量分別達(dá)到19～39kg和3～12km2,接近或超過農(nóng)田氮磷面源排放量。隨著近年來太湖地區(qū)農(nóng)村城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展,農(nóng)村居住區(qū)的污染不容忽視。

3 面源污染負(fù)荷評(píng)估

國(guó)外早在20世紀(jì)60年代就開展了面源污染模型的研究,代表模型有:農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)中的化學(xué)污染物徑流負(fù)荷和流失模型(CREAM)、用于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源管理和政策制定的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模型(AGNPS)、農(nóng)田尺度的水侵蝕預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型(WEPP)、流域尺度的廢水負(fù)荷模型(WLM)、流域非點(diǎn)源污染模擬模型(ANSWERS)等[2-3]。

1995年太湖流域管理局利用世界銀行貸款,與荷蘭Delft水力研究所合作,將 Waste Load Model(WLM)模型應(yīng)用于太湖流域面源定量化研究。

2003年,河海大學(xué)在太湖丘陵地區(qū)典型小流域(宜興梅林地區(qū))進(jìn)行了農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源流失規(guī)律研究。通過在流域出口斷面設(shè)置矩形堰和降雨流量自動(dòng)采樣器,記錄降雨、水位過程和采集水樣,建立了區(qū)域單位面積污染物流失量與凈雨深間的相關(guān)關(guān)系,為計(jì)算流域旱地降雨徑流污染負(fù)荷提供了依據(jù)[4]。

圖1 太湖流域面源污染入河路徑概化

表1 2005年太湖流域平原區(qū)面源污染負(fù)荷入河量計(jì)算成果

2005年,太湖流域管理局與河海大學(xué)一起對(duì)太湖流域面污染源入河路徑做了詳細(xì)調(diào)研(圖1),針對(duì)面源污染負(fù)荷時(shí)空分布不均勻的特點(diǎn),對(duì)WLM模型進(jìn)行了較大改進(jìn),將太湖流域面源污染分為城市和城鎮(zhèn)降雨徑流污染、旱地降雨徑流污染、稻田降雨徑流污染、農(nóng)村生活污染、畜禽養(yǎng)殖污染和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染等6種類型,分別計(jì)算其流失過程。針對(duì)太湖流域設(shè)計(jì)出一種面源污染模擬模型,根據(jù)該模型計(jì)算、統(tǒng)計(jì),得到太湖流域平原區(qū)2005年面源現(xiàn)狀入河量(表1)。

太湖流域平原區(qū)面源COD現(xiàn)狀入河量為34.69萬t/a,農(nóng)村生活所產(chǎn)生的COD比例最大,占COD入河總量的41.6%;其次是水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)污,占入河總量的27.2%。

面源TP現(xiàn)狀入河量為0.67萬t/a,農(nóng)村生活所產(chǎn)生的TP比例最大,占TP入河總量的32.8%;其次是畜禽養(yǎng)殖,占23.9%。

面源TN現(xiàn)狀入河量為6.48萬t/a;農(nóng)村生活所產(chǎn)生的TN的比例最大,占TN入河總量的50.6%;其次是農(nóng)田徑流產(chǎn)污,占入河總量的26.9%。

面源NH3-N現(xiàn)狀入河量2.51萬t/a,農(nóng)村生活所產(chǎn)生的NH3-N比例最大,占NH3-N入河總量的60.2%;其次是農(nóng)田徑流產(chǎn)污占入河總量的26.7%。

可以看出,各種面源污染的構(gòu)成中,農(nóng)村生活所產(chǎn)生的污染物比例最大,農(nóng)村生活和農(nóng)田徑流是面源TN和NH3-N的主要來源;農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的TP占入河總量的大部分。

4 面源污染防治措施[5-6]

4.1 加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水,減少面源污染排放

太湖流域農(nóng)業(yè)用水的特點(diǎn)是:以水稻灌溉用水為主,其灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水總量的90%;流域河網(wǎng)縱橫,灌區(qū)以小型灌區(qū)為主。據(jù)調(diào)查,2004年流域灌溉水利用系數(shù)為0.66,農(nóng)田節(jié)灌率為48%。為有效減少面源污染排放,太湖流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)大力加強(qiáng)節(jié)水,以提高水的有效利用率和水的生產(chǎn)效率為核心,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展需增加的水量通過節(jié)水獲得,農(nóng)業(yè)需水總量實(shí)現(xiàn)逐漸下降。

根據(jù)水資源綜合規(guī)劃,2010年、2020年流域灌溉水利用系數(shù)將分別達(dá)到0.69、0.72,農(nóng)田節(jié)灌率將分別提高至62%、74%,通過在流域全面實(shí)施農(nóng)業(yè)用水總量控制與定額管理,建設(shè)節(jié)水灌溉工程,推行先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù),推進(jìn)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,推進(jìn)太湖流域節(jié)水型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)。

4.2 科學(xué)減少農(nóng)田養(yǎng)分的投入

根據(jù)不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、不同作物和不同生長(zhǎng)時(shí)期的養(yǎng)分需求特征,建立養(yǎng)分投入的合理分配比例,減少肥料投入量,提高養(yǎng)分利用率。同時(shí),配合農(nóng)作物的秸稈還田技術(shù)提高養(yǎng)分投入的生態(tài)和環(huán)境效益。通過建立合理的作物配置、輪作系統(tǒng)等,建立高效的土壤養(yǎng)分庫系統(tǒng),如在稻田通過食物鏈加環(huán)技術(shù),引入適合稻田的動(dòng)物生產(chǎn),增加土壤養(yǎng)分庫的保蓄能力,提高養(yǎng)分庫的供應(yīng)能力等。

4.3 實(shí)施農(nóng)田地表徑流、滲漏養(yǎng)分的生態(tài)攔截

a.生態(tài)田埂技術(shù)。農(nóng)田地表徑流是養(yǎng)分損失的重要途徑之一,目前太湖流域農(nóng)耕區(qū)農(nóng)田田埂普遍只有20cm左右,遇到較大的降雨時(shí),很容易產(chǎn)生地表徑流。根據(jù)估算,在現(xiàn)有田埂基礎(chǔ)上加高10～15cm,就可有效防止30～50mm降雨時(shí)的地表徑流,從而可減少大部分的農(nóng)田地表徑流。同時(shí)在田埂兩側(cè)可栽種某種植物,形成隔離帶,在發(fā)生地表徑流時(shí)可有效阻截養(yǎng)分,也可有效地控制地表徑流的養(yǎng)分損失。

b.生態(tài)溝渠技術(shù)。太湖流域大部分溝渠采用硬質(zhì)化技術(shù),產(chǎn)生的地表徑流通過硬質(zhì)化渠道直接排放到河流,造成河流的富營(yíng)養(yǎng)化。因此建議將現(xiàn)有硬質(zhì)化渠道改為生態(tài)型渠道,即在硬質(zhì)板上留適當(dāng)?shù)目?使作物或草能夠生長(zhǎng),既能吸收滲漏水中的養(yǎng)分,也能吸收利用徑流中的養(yǎng)分,對(duì)農(nóng)田損失的養(yǎng)分進(jìn)行有效攔截,達(dá)到控制養(yǎng)分損失和再利用養(yǎng)分的目的。同時(shí),在溝渠中央可布設(shè)一定的植物帶,既可減緩水流的速度,增加滯留時(shí)間,提高植物對(duì)養(yǎng)分的利用時(shí)間,也易提高水體的自凈能力。

c.旱地系統(tǒng)的生態(tài)隔離帶技術(shù)。將旱地的溝渠集成為生態(tài)型溝渠,同時(shí)在旱地周邊建一生態(tài)隔離帶,由地表徑流攜帶而來的泥沙和養(yǎng)分通過生態(tài)隔離帶的阻截,將大部分泥沙留在生態(tài)隔離帶內(nèi),而隔離帶種植的植物可吸收徑流中的養(yǎng)分,達(dá)到控制地表徑流,減少徑流養(yǎng)分向水體排放的目的。

d.生態(tài)型濕地處理技術(shù)。通過生態(tài)溝渠、生態(tài)攔截系統(tǒng)的建設(shè),可阻截大部分農(nóng)田中損失的養(yǎng)分,但仍會(huì)有一部分養(yǎng)分進(jìn)入河道,可利用現(xiàn)有河道建設(shè)生態(tài)型人工濕地或水面人工浮島技術(shù),種植挺水植物、浮葉植物等,充分吸收和利用農(nóng)田損失的養(yǎng)分。而且,水面種植的植物還可以是具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的品種,既改善水質(zhì),又能保證收獲效益。

4.4 加強(qiáng)農(nóng)村生活污水凈化

農(nóng)村居民生活污水排放是太湖流域面源污染的重要組成部分。據(jù)表1計(jì)算,農(nóng)村居民生活污水帶入河網(wǎng)的NH3-N負(fù)荷量占面源總量的60.2%,TN達(dá)到50.6%,因此必須采取措施有效減少農(nóng)村生活污水的直接排放。根據(jù)太湖流域水網(wǎng)密布的實(shí)際,各地區(qū)可充分利用土地和植被的凈化能力,建立濕地生態(tài)系統(tǒng),截留、吸收利用農(nóng)村生活污水中的氮磷、有機(jī)物等物質(zhì),利用村鎮(zhèn)地域的天然或人工多水塘系統(tǒng)或水陸交錯(cuò)帶的自然凈化生態(tài)功能,截留凈化農(nóng)業(yè)徑流中的氮磷及有機(jī)物,在受納水體的岸邊按照不同的功能種植不同的植物帶,充分發(fā)揮植物帶的生態(tài)凈化功能,然后將底泥還田,加強(qiáng)氮磷等物質(zhì)在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán),從而減少面源污染對(duì)水體的污染。

4.5 加強(qiáng)養(yǎng)殖業(yè)廢物的控制

養(yǎng)殖業(yè)的畜禽糞便是流域面源中TP最主要的來源,約占總量的23.9%,水體中大量的TP存在可直接引起水體富營(yíng)養(yǎng)化,嚴(yán)重威脅湖泊的生態(tài)安全。因此,要積極研究畜禽糞便的處理的生物學(xué)及生態(tài)學(xué)方法,開發(fā)養(yǎng)殖業(yè)廢物的資源化技術(shù)、復(fù)合生態(tài)工程技術(shù)、高效魚池水資源的養(yǎng)分再利用技術(shù)、“魚-菜”工程等技術(shù),盡可能地利用廢棄物中的養(yǎng)分和能源物質(zhì),減少或消除廢棄物對(duì)環(huán)境的污染。此外,還必須根據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)的要求,盡快制定有關(guān)防治畜禽污染,農(nóng)村化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜污染以及“白色污染”等方面的法律法規(guī),加大執(zhí)法監(jiān)管力度,使環(huán)境管理走向法制化、標(biāo)準(zhǔn)化。

4.6 加強(qiáng)宣傳和培訓(xùn),提高農(nóng)戶的環(huán)境保護(hù)意識(shí)

要加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染防治的宣傳,最根本的措施是要普及環(huán)保知識(shí),加強(qiáng)農(nóng)民教育,提高農(nóng)民素質(zhì),讓廣大農(nóng)戶樹立節(jié)水防污意識(shí),改變農(nóng)戶亂丟垃圾、亂排污水、對(duì)水環(huán)境不關(guān)心等不良習(xí)慣,建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)主義新農(nóng)村。

面源污染面廣、量大,單純依靠末端控制手段,不僅耗費(fèi)巨大,而且往往效果難以持久,還不易被農(nóng)戶理解和接受。只有通過宣傳活動(dòng),調(diào)動(dòng)廣大農(nóng)民的積極性,提高廣大農(nóng)民的環(huán)境保護(hù)意識(shí),讓他們自覺參與到防治面源污染的行動(dòng)上來,從源頭上控制住面源污染,才是解決農(nóng)業(yè)面源污染的長(zhǎng)久之計(jì)。

[1]周小平.太湖地區(qū)非點(diǎn)源污染現(xiàn)狀及防治[C]//房玲娣.水資源管理創(chuàng)新理論與實(shí)踐.北京:中國(guó)水利水電出版社,2006:508-512.

[2]張紅舉.農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模型研究概況[J].江蘇環(huán)境科技,2002,15(2):37-39.

[3]張宏華,李蜀慶,杜軍,等.農(nóng)業(yè)面源污染模型AGNPS的應(yīng)用現(xiàn)狀及在我國(guó)應(yīng)用的展望[J].重慶環(huán)境科學(xué),2003(12):7-9.

[4]張榮保,姚琪,計(jì)勇,等.太湖地區(qū)典型小流域非點(diǎn)源污染物流失規(guī)律:以宜興梅林小流域?yàn)槔齕J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2005(1):18-19.

[5]楊林章,王德建,夏立忠.太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染特征及控制途徑[J].中國(guó)水利,2004(20):29-30.

[6]劉文英,姜冬梅,陸根法.太湖面源污染控制工程及其融資機(jī)制[J].環(huán)境保護(hù),2005(8):19-20.

Non-point pollution statistics and control measures in Taihu Basin

ZHANG Hong-ju1,CHEN Fang2
(1.TaihuBasin Water ResourcesProtection Bureau,Shanghai200434,China;2.Monitoring Bureau of Hydrology and Water Resources,Taihu Basin Authority,Wuxi214024,China)

The present status of non-point source pollution in Taihu Basinwas analyzed,the path of pollution flowing into rivers was described,and the total non-point source pollution load was studied quantitatively using the latest social and economic data.On this basis,some countermeasures for controlling non-point source pollution,such as increased agriculture water saving,reduction of farm fertilizer use,and ecological interception of nutrients from surface water and infiltration,are proposed.

non-point source pollution;ecological interception;pollution control;Taihu Basin

X321

A

1004-6933(2010)03-0087-04

張紅舉(1977—),男,安徽安慶人,工程師,碩士,從事水資源規(guī)劃和水質(zhì)數(shù)值計(jì)算研究。E-mail:zeusium@hotmail.com

2008-03-20 編輯:高渭文)