平原感潮河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷匡算

季 曉,徐愛蘭,陸 煒

(南通市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,江蘇 南通 226006)

·解析評(píng)價(jià)·

平原感潮河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷匡算

季 曉,徐愛蘭,陸 煒

(南通市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,江蘇 南通 226006)

平原感潮河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染嚴(yán)重,由于具有交叉污染等特性,造成了整個(gè)平原河網(wǎng)存在嚴(yán)重的環(huán)境污染和環(huán)境安全問題。構(gòu)建了大尺度非點(diǎn)源污染負(fù)荷匡算模型,對(duì)南通平原河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行了匡算。根據(jù)不同的產(chǎn)污方式,將非點(diǎn)源污染分為城鎮(zhèn)降雨徑流污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)田降雨徑流污染、農(nóng)村生活污染和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染等 5種類型,分別計(jì)算其流失過程。

平原感潮河網(wǎng)地區(qū);圩區(qū);非圩區(qū);非點(diǎn)源污染負(fù)荷匡算;

近 10年來,南通平原感潮河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)得到了快速發(fā)展,但生產(chǎn)生活方式具有非持續(xù)發(fā)展、高消耗的特點(diǎn),由此帶來的農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境問題日趨突出,農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)已成為制約農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一[1]。

采用機(jī)理模型估算一個(gè)大尺度流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷過程非常復(fù)雜,須輸入大量的模型參數(shù)和文本數(shù)據(jù),就國內(nèi)目前的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)供給能力和研究水平而言,難以滿足模型對(duì)其的要求。筆者構(gòu)建了大尺度非點(diǎn)源污染負(fù)荷匡算模型,對(duì)南通平原河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行匡算。根據(jù)不同的產(chǎn)污方式,將非點(diǎn)源污染分為城鎮(zhèn)降雨徑流污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)田降雨徑流污染、農(nóng)村生活污染和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染等 5種類型分別計(jì)算。

1 南通平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染特點(diǎn)及分布

南通平原河網(wǎng)地區(qū)分里下河流域及長(zhǎng)江流域,其中里下河流域多分布著圩區(qū),長(zhǎng)江流域大多為平原非圩區(qū)。平原河網(wǎng)非圩區(qū)是農(nóng)業(yè)活動(dòng)比較頻繁的地區(qū),在降雨條件下隨徑流流失的農(nóng)田營養(yǎng)鹽是非點(diǎn)源污染物的重要來源[2-4]。圩區(qū)地表徑流匯至河道再通過泵站排澇至外河。海安里下河圩區(qū)是南通地區(qū)圩區(qū)的主要分布地帶,位于新通揚(yáng)運(yùn)河以北、通榆運(yùn)河以西,總面積 422 km2,現(xiàn)有防洪圩堤 750.52 km,形成獨(dú)立防洪圩區(qū) 95個(gè)。經(jīng)過合并與泵站重建,目前共有圩區(qū) 81個(gè),主要分布于南莫鎮(zhèn)、墩頭鎮(zhèn)、白甸鎮(zhèn)、大公鎮(zhèn)等。

結(jié)合南通平原河網(wǎng)地區(qū)的地貌和水系特征,可將該地區(qū)污染物遷移規(guī)律的特殊性概括如下:①人口密度相對(duì)較大,且由于地勢(shì)較低,需要大量的閘、泵等水利工程設(shè)施,使得水動(dòng)力條件受人工影響較大。②水系發(fā)達(dá),水面率較高。隨降雨-徑流遷移的污染物往往先在溝、渠、蕩等水面停留一段時(shí)間,再逐漸匯入周邊河網(wǎng)。③地勢(shì)相對(duì)低平,河道比降小,水流流向不定,往往呈現(xiàn)雙向流;且一般位于河口附近,水流受潮汐的頂托作用明顯,運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜。④圩堤一般是閉合的,利用節(jié)制閘或泵站進(jìn)行內(nèi)外水量的交換,因此圩區(qū)內(nèi)的徑流能否流入河網(wǎng)主要受人為控制。這種水量交換方式必然導(dǎo)致圩區(qū)內(nèi)污染物的時(shí)空遷移特征與非圩區(qū)存在顯著差異[5]。非點(diǎn)源污染路徑見圖 1。

圖1 平原閘控感潮河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染路徑

2 大尺度非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型構(gòu)建

2.1 匡算原理[6]

從非點(diǎn)源污染產(chǎn)生要素來看,污染形成主要取決于下列因素:①地表污染物量的大小及存在形態(tài) (源強(qiáng)要素);②降水沖刷產(chǎn)流過程的影響程度(產(chǎn)流要素)。前者是地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征的綜合反映,包括城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、居民的生活水平、漁牧業(yè)養(yǎng)殖情況等;后者則體現(xiàn)出區(qū)域的自然環(huán)境面貌,包括氣候條件、土壤類型、地形地貌特征等。

2.2 農(nóng)田徑流污染

(1)旱地徑流污染

旱地徑流污染負(fù)荷量估算方法主要依據(jù)“先鋒鎮(zhèn)利民村試驗(yàn)小區(qū)不同土地利用在自然降雨-徑流驅(qū)動(dòng)下的營養(yǎng)鹽遷移特征的試驗(yàn)”結(jié)論[7]。

研究表明,與營養(yǎng)鹽濃度相比,不同土地利用的營養(yǎng)鹽遷移通量與徑流量有更好的響應(yīng)關(guān)系,這說明不同土地利用方式下的徑流量差異是導(dǎo)致營養(yǎng)鹽遷移通量存在顯著差異的主導(dǎo)因素。因此,營養(yǎng)鹽遷移通量估算的關(guān)鍵在于徑流通量[8]。

該地區(qū)與非點(diǎn)源污染遷移密切相關(guān)的地形地貌及氣候特征的時(shí)空差別較小,試驗(yàn)小區(qū)的研究條件接近真實(shí)環(huán)境,試驗(yàn)結(jié)果能夠較準(zhǔn)確地反映這類地區(qū)農(nóng)田營養(yǎng)鹽隨地表徑流遷移的時(shí)空變化特征。因此以多場(chǎng)降雨 -徑流事件回歸分析得到的遷移通量與徑流通量的經(jīng)驗(yàn)公式可以作為旱地營養(yǎng)鹽通量估算的重要依據(jù)。采用線性函數(shù)關(guān)系對(duì)遷移通量與徑流通量進(jìn)行擬合。

式中:qi——污染物遷移通量;Rd——旱地徑流通量;a、b——回歸方程的系數(shù),可以根據(jù)具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)上述相關(guān)關(guān)系,估算各個(gè)計(jì)算單元 Rd對(duì)應(yīng)的 qi,再計(jì)算單元旱地的產(chǎn)污速率。

式中:WDi——旱地的產(chǎn)污速率 ;Adi——計(jì)算單元內(nèi)的旱地面積。

(2)稻田徑流污染

水田產(chǎn)水過程不同于旱地,只有當(dāng)田面水深度超過水稻耐淹水深或水田發(fā)生棄水時(shí),田面水中的污染物才會(huì)隨稻田水排出,進(jìn)入當(dāng)?shù)氐乇硭?。另?稻田營養(yǎng)鹽經(jīng)過一段時(shí)間,會(huì)在水—土界面達(dá)到吸附與解吸的動(dòng)態(tài)平衡。王鵬根據(jù)水田產(chǎn)流產(chǎn)污的特點(diǎn),提出“水箱”摻混模型模擬水田的產(chǎn)污過程[5]。根據(jù)文獻(xiàn)[7]研究成果,稻田一年中稻季(一般是 6—9月,約 120 d)的污染物 COD、BOD5、TN、TP、NH3-N的產(chǎn)污量約為0.308,0.051,0.082,0.004,0.026 t/hm2。

2.3 農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染

采用當(dāng)量計(jì)算模式計(jì)算與降雨-徑流無關(guān)的污染負(fù)荷量,污染源包括城鎮(zhèn)居民 (無污水處理廠)、農(nóng)村居民、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖等 5種。式中:——第 i種污染源第 j種污染物的污染物產(chǎn)生量;Ni——第 i種污染源的數(shù)量;——第i種污染源第 j種污染物的污染負(fù)荷當(dāng)量。

對(duì)于不同的污染源,公式中變量的具體含義有所差別。計(jì)算農(nóng)村居民的污染物產(chǎn)生量時(shí),Ni為農(nóng)村居民的數(shù)量,為農(nóng)村居民的產(chǎn)污當(dāng)量。計(jì)算畜禽養(yǎng)殖時(shí),Ni為畜禽養(yǎng)殖的數(shù)量,為畜禽的產(chǎn)污當(dāng)量。計(jì)算水產(chǎn)養(yǎng)殖時(shí),Ni為水產(chǎn)養(yǎng)殖的數(shù)量,為水產(chǎn)養(yǎng)殖的產(chǎn)污當(dāng)量。

2.4 城鎮(zhèn)降雨徑流污染

對(duì)特大城市和地級(jí)市采用污染物累積-徑流沖刷模型計(jì)算隨降雨徑流進(jìn)入受納水體的污染負(fù)荷[9];對(duì)面積相對(duì)較小,但數(shù)量眾多的城鎮(zhèn)采用平均濃度法,即用降雨徑流模型計(jì)算得到的小城鎮(zhèn)徑流通量乘以徑流中各種污染物的平均濃度得到污染負(fù)荷通量。不考慮城市的降雨徑流污染,將其作為點(diǎn)源處理。徑流通量根據(jù)S WAT模型中徑流公式計(jì)算得到[8]。

小城鎮(zhèn)及附近農(nóng)村降雨地表徑流N、P負(fù)荷是區(qū)域重要的非點(diǎn)源污染源,城鎮(zhèn)附近農(nóng)村居民點(diǎn)降雨徑流的 TN、TP和 NH3-N質(zhì)量濃度分別達(dá) 7.26±4.43,2.21±0.90和 1.16 ±0.68 mg/L,城鎮(zhèn)商業(yè)區(qū)和居民點(diǎn)降雨徑流 TN、TP質(zhì)量濃度相對(duì)較低,但大大超過地面水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[10]。

2.5 入河量計(jì)算

以污染負(fù)荷的產(chǎn)生量為計(jì)算條件,估算各種污染源以不同的入河路徑經(jīng)過各個(gè)處理單元處理后的污染物入河量。處理單元包括污水處理廠、凈化槽、下水道、當(dāng)?shù)氐乇硭屯寥?5種[5]。

根據(jù)污染負(fù)荷產(chǎn)生量、污染路徑比例系數(shù)以及處理單元的處理效率,計(jì)算污染物入河量。

由于平原河網(wǎng)區(qū)的河道復(fù)雜,一部分污染物尤其是非點(diǎn)源污染物在隨降雨徑流遷移后,一般先匯入地表水,經(jīng)過一段時(shí)間再逐漸匯入河網(wǎng)。污染物在地表水中的水力停留會(huì)使得其中一部分發(fā)生沉降和降解等理化作用,對(duì)水質(zhì)起到天然的凈化效果[5]。污水在下水道流動(dòng)過程中,一部分污染物將以顆粒態(tài)形式沉積,所以下水道對(duì)水質(zhì)也有一定的凈化效果。

3 南通平原河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷量匡算

3.1 非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算參數(shù)

(1)污染物當(dāng)量:產(chǎn)生模塊的污染物當(dāng)量數(shù)據(jù)主要依據(jù)《太湖流域污染源調(diào)查及污染負(fù)荷分析》報(bào)告中的相關(guān)數(shù)據(jù),并結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料加以率定,其取值范圍見表 1。

表1 各種污染源污染物當(dāng)量取值范圍 kg/a

(2)污染源入河路徑比例:在平原河網(wǎng)區(qū),由于溝、渠等水面眾多,各種污染源所產(chǎn)生的污染物并非直接進(jìn)入河網(wǎng),因此需要對(duì)其入河路徑進(jìn)行概化,進(jìn)而計(jì)算各種污染物的入河量 (表 2)。

表2 各種污染源污染物入河路徑

_續(xù)_表_2_

(3)處理單元凈化率:對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)的各種處理單元加以概化,包括污凈化槽、下水道、當(dāng)?shù)氐乇硭屯寥?4種類型。其中當(dāng)?shù)氐乇硭赋烁呕泳W(wǎng)以外的各種水面,包括河、溝、渠等。根據(jù)《太湖流域河網(wǎng)水質(zhì)研究》以及《太湖流域污染源調(diào)查及污染負(fù)荷分析》中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定各處理單元的處理率,見表 3。

表3 模型處理模塊處理率取值范圍_

經(jīng)過調(diào)研,城鎮(zhèn)生活污水有 85%左右進(jìn)入凈化槽,所以其余兩條路徑的比例應(yīng)在 15%左右。下水道大概能收集 80%左右的雨水,所以其余兩條路徑的比例應(yīng)在 20%左右。畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生污染物的絕大部分 (約 90%)先進(jìn)入土壤,再隨降雨徑流進(jìn)入地表水?；适┤胪寥篮?會(huì)隨降雨徑流進(jìn)入地表水,采用前述的模式計(jì)算其流失量。農(nóng)村生活中化肥的使用比例不斷上升,而人畜糞便等有機(jī)肥的使用比例卻不斷下降,相當(dāng)一部分直接排入地表水。魚塘的平均換水周期為 1～2次 /a,導(dǎo)致大量魚類糞便和餌料殘?jiān)葼I養(yǎng)物進(jìn)入周邊水體,對(duì)水環(huán)境的影響較大。

由表 3可見,土壤對(duì)污染物的去除效率最高,只有很少一部分隨降雨產(chǎn)生的徑流匯入河網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),凈化槽對(duì)氨氮的去除有負(fù)效應(yīng),即氨氮在凈化槽中呈增加狀態(tài),這是由于污染物經(jīng)凈化槽處理后,一部分有機(jī)氮將礦化分解生成氨氮。下水道對(duì)污染物的去除率最低,平均為 5%。

3.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料

社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料用于計(jì)算非點(diǎn)源污染物入河量,例如畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染等。根據(jù)《2009年南通統(tǒng)計(jì)年鑒》,2008年南通市總?cè)丝?64.93萬,其中城鎮(zhèn)人口 321.6萬;魚塘淡水養(yǎng)殖面積 4.3×108m2。計(jì)算時(shí)應(yīng)按表 4中城鎮(zhèn)人口扣除集中式污水廠接納生活污水管網(wǎng)覆蓋人口,城鎮(zhèn)居民生活污水接入污水廠按 50%計(jì)算。

表4 行政區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料

3.3 非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

按照非點(diǎn)源污染負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法,得到2008年南通平原河網(wǎng)區(qū)非點(diǎn)源入河量,見表 5。

表5 2008年南通平原河網(wǎng)區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷入河量 萬 t

由表 5可知:(1)南通平原河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源CODCr入河量為 19.52萬 t;農(nóng)田徑流產(chǎn)污量所占比例最大,占總量的 35.6%;其次是農(nóng)村生活污染,占 27.6%。(2)該地區(qū)非點(diǎn)源 BOD5入河量為8.71萬 t;農(nóng)村居民產(chǎn)生比例最大,占總量的44.0%;其次是畜禽養(yǎng)殖污染,占 32.9%。(3)該地區(qū)非點(diǎn)源 TN入河量為 4.33萬 t;農(nóng)田徑流產(chǎn)污的比例最大,占總量的 37.4%;其次是農(nóng)村生活污染,占 29.8%。(4)該地區(qū)非點(diǎn)源 TP入河量為0.55萬 t;畜禽養(yǎng)殖污染產(chǎn)生比例最大,占總量的50.9%;其次是農(nóng)村居民產(chǎn)污,占 18.2%。(5)該地區(qū)非點(diǎn)源 NH3-N入河量 1.84萬 t;農(nóng)村居民產(chǎn)污的比例最大,占總量的 37.5%;其次是畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污,占 31.5%。

4 問題與建議

總體而言,南通市平原河網(wǎng)地區(qū)各種非點(diǎn)源污染的構(gòu)成中,農(nóng)村居民所產(chǎn)生的 BOD5、CODCr最多,農(nóng)村居民、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田徑流是非點(diǎn)源 TN和NH3-N的主要來源;農(nóng)村居民和畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的 TP占入河總量的大部分。在野外試驗(yàn)和估算模式的實(shí)踐中,發(fā)現(xiàn)仍然存在以下問題亟待解決。

(1)由于流域在地形特征、土壤特征及氣象條件上所具有空間復(fù)雜性,使得一些在小區(qū)或更微觀尺度內(nèi)獲得的關(guān)于徑流、土壤侵蝕和污染物遷移的研究成果難以向流域尺度推廣。今后要著力解決小尺度研究成果如何向流域尺度推廣的問題。

(2)本研究對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)污染物負(fù)荷計(jì)算方法雖然建立在一定的理論基礎(chǔ)上,但是缺少必要的試驗(yàn)支撐,如城鎮(zhèn)降雨污染物濃度缺乏支撐數(shù)據(jù),稻田徑流污染產(chǎn)污量時(shí)間周期不明確,污染源入河路徑比例概化依據(jù)不充分,地上、地表水對(duì)不同的源 (如畜禽養(yǎng)殖、降雨、生活污水)等的去除效率簡(jiǎn)單,尚需相關(guān)試驗(yàn)研究。

(3)從南通平原河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的計(jì)算成果看出,畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染在非點(diǎn)源污染的構(gòu)成中占有相當(dāng)?shù)谋壤?應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染排放去向及污染負(fù)荷的定量化估算等研究工作。

[1]季曉,徐愛蘭,陸煒.平原感潮河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染監(jiān)測(cè)方法[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警,2009,1(2):18-21.

[2]王臘春,彭鵬,周寅康,等.溫潤地區(qū)平原圩區(qū)產(chǎn)流機(jī)制研究[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào),1997,33(1):156-160.

[3]詹紅麗.大型圩區(qū)水環(huán)境隨機(jī)模擬模型及應(yīng)用研究[D].南京:河海大學(xué),2005.

[4]曾德付.基于 GIS下太湖流域典型圩區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究[D].南京:河海大學(xué),2005.

[5]王鵬.基于數(shù)字流域系統(tǒng)的平原河網(wǎng)區(qū)非點(diǎn)源污染模型與應(yīng)用[D].南京:河海大學(xué),2006.

[6]郝芳華,程紅光,楊勝天.非點(diǎn)源污染模型——理論方法與應(yīng)用[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2006.

[7]南通市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站.平原河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染產(chǎn)污規(guī)律及控制研究報(bào)告[R].2010.

[8]徐愛蘭.太湖流域典型圩區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源產(chǎn)污規(guī)律及模型研究[D].南京:河海大學(xué),2007.

[9]PAVON I J L.Handbook of water quality management planning[M].New York:Van Nostrand Reinhold Company,1977.

[10]夏立忠,楊林章,吳春加,等.太湖地區(qū)典型小城鎮(zhèn)降雨徑流NP負(fù)荷空間分布的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2003,22(3):267-270.

Est imation of Non-point Source Pollution Load Pla in Tidal River Networks

J IXiao,XU Ai-lan,LU Wei
(Nantong EnvironmentalMonitoring Central Station,Nantong,Jiangsu 226006,China)

The non-point source pollution in plain tidal river netw orks is serious.There is a serious environm ental pollution problem in plain river netw orks for its intersectant pollution.The study designed a large-scale m odel to estim ate the non-point source pollution load in Nantong.There w ere five types of different pollution m odes such as m unicipal and tow n runoff,livestock and poultry raising pollution,paddy field runoff,rural dom estic sewage,fish breeding pollution.

plain tidal river netw orks;polder areas;plain areas;estim ation of non-point source pollution load

X 830

A

1674-6732(2010)-06-0041-05

10.3969/j.issn.1674-6732.2010.06.013

2009-07-16

江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)科研基金項(xiàng)目(0805)。

季曉 (1973—),男,注冊(cè)環(huán)評(píng)工程師,本科,從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、非點(diǎn)源污染治理研究。

(本欄目編輯 周立平)