南方農(nóng)村飲水水源地生態(tài)防控體系示范工程:以南京市東龍河小流域?yàn)槔?/h1>

2011-07-12 06:27:02陸海明孫金華豐華麗王立群

水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)訂閱 2011年3期 收藏

關(guān)鍵詞：防控生態(tài)

陸海明，鄒 鷹，孫金華，豐華麗，王立群

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

目前，我國(guó)農(nóng)村飲水以傳統(tǒng)、落后的分散供水為主，飲水安全問(wèn)題很多.對(duì)于水資源相對(duì)豐沛的南方地區(qū)而言，農(nóng)村飲水安全問(wèn)題主要表現(xiàn)為水質(zhì)型缺水，農(nóng)村面源污染是其中污染源之一.農(nóng)村面源污染具有發(fā)生隨機(jī)性、產(chǎn)生面廣、隱蔽性、滯后性和監(jiān)測(cè)成本高等特點(diǎn)，難以采用傳統(tǒng)的污水管網(wǎng)收集后集中到污水處理廠處理的治理方法［1］.利用自然生態(tài)系統(tǒng)污染物降解吸收的能力，根據(jù)面源污染發(fā)生和傳輸規(guī)律，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀缓蜕鐣?huì)經(jīng)濟(jì)條件，構(gòu)建生態(tài)防控技術(shù)體系是解決農(nóng)村面源污染的主要措施之一［2－4］.當(dāng)前我國(guó)正在大力實(shí)施諸多農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展計(jì)劃，如社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)計(jì)劃、防治水土流失計(jì)劃、小流域生態(tài)治理計(jì)劃等，可以通過(guò)對(duì)這些計(jì)劃的有效整合，形成共同目標(biāo)，在提高農(nóng)民生活水平、改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的同時(shí)兼顧水資源保護(hù)，形成從多個(gè)方面保護(hù)飲用水水質(zhì)安全的局面.目前國(guó)內(nèi)對(duì)水源地保護(hù)研究主要是單項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)，其相應(yīng)技術(shù)主要應(yīng)用在中小空間尺度上，各個(gè)單項(xiàng)技術(shù)之間鮮有以流域?yàn)閱挝贿M(jìn)行系統(tǒng)的集成，形成統(tǒng)一的整體.

本文以位于南京市秦淮河水源地上游的南京市江寧區(qū)東龍河小流域?yàn)槔?，結(jié)合社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)，圍繞構(gòu)建農(nóng)村飲用水源地生態(tài)防控技術(shù)體系開展了相關(guān)示范工程研究.

1 研究區(qū)域概況

示范工程研究區(qū)域選擇南京市江寧區(qū)的東龍河小流域(圖1).該流域地處秦淮河支流句容河右岸，是句容河上游源頭小流域之一.流域總面積約1.6 km2，東龍河河道長(zhǎng)約2 km，河道平均坡降約5‰.東龍河兩側(cè)土地利用類型主要為稻田、棉田、菜地、果園和村落等.東龍河小流域的地貌類型以丘陵崗地為主，流域隨地勢(shì)呈南北走向，北高南低，流域平均海拔高程在25～38 m(吳淞高程).流域土質(zhì)為黃土和青泥土，土壤質(zhì)地屬輕壤土.東龍河小流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，具有氣候溫和、四季分明、日照充足、雨水充沛、無(wú)霜期長(zhǎng)的特點(diǎn).年平均氣溫15℃左右，多年平均降水量為1 028 mm，雨熱同季，光熱水配合較好;降水量年內(nèi)多集中在汛期(4—9月)，約占全年的70%.

東龍河小流域內(nèi)農(nóng)村居民飲水主要來(lái)源于下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來(lái)水廠供水.盡管當(dāng)?shù)刈詠?lái)水基本普及，但是小流域內(nèi)部分農(nóng)村居民仍然利用流域內(nèi)東龍河和池塘作為淘米、洗菜、洗衣等生活用水，因此這些水體的水質(zhì)狀況對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村居民的健康依然有著重要影響.

東龍河上游和中游兩側(cè)農(nóng)田不僅種植有水稻、小麥、棉花和油菜等大田作物，而且有部分地塊被開發(fā)種植茄子、青菜、葡萄等高效型經(jīng)濟(jì)作物.東龍河下游正在建設(shè)千畝蔬菜大棚示范區(qū)和千畝茶園區(qū).隨著高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)開發(fā)帶來(lái)大量的農(nóng)藥化肥投入，未被利用的殘留農(nóng)藥化肥將隨著降雨徑流或農(nóng)田排水進(jìn)入東龍河.

小流域農(nóng)村居民生活污水在經(jīng)過(guò)化糞池簡(jiǎn)單處理后并沒(méi)有經(jīng)過(guò)進(jìn)一步去除有機(jī)污染物和營(yíng)養(yǎng)鹽處理，也沒(méi)有利用管網(wǎng)進(jìn)行收集，而是就近施入農(nóng)田或者通過(guò)溝渠直接排入東龍河.

位于小流域上游的工業(yè)集中區(qū)已初具規(guī)模，但是相應(yīng)的污水排放管網(wǎng)和處理設(shè)施尚未同步建設(shè)完善，有時(shí)部分企業(yè)含高濃度氨氮和化學(xué)需氧量(COD)的生產(chǎn)污水直接排入東龍河，每天污水排放總量從十幾立方米到幾百立方米不等.

東龍河小流域水環(huán)境目前存在的主要問(wèn)題是水體氮素超標(biāo)嚴(yán)重，其次是有機(jī)污染物含量超標(biāo)，部分河段水葫蘆、水花生等入侵植物覆蓋度較高.

圖1 東龍河小流域示范工程及地表水采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of demonstration projects and surface water sampling sites in Donglong stream catchment

2 水源地生態(tài)防控示范工程介紹

東龍河小流域生態(tài)防控體系示范工程由下列5項(xiàng)內(nèi)容組成:生態(tài)溝渠恢復(fù)工程、穩(wěn)定塘與滯留塘污染防控工程、植被緩沖帶建設(shè)工程、生態(tài)護(hù)坡建設(shè)工程和跌水設(shè)施建設(shè)工程.各項(xiàng)示范工程空間分布如圖1所示.

(1)東龍河生態(tài)溝渠恢復(fù)工程 東龍河生態(tài)溝渠恢復(fù)工程主要是指東龍河河道疏浚、河道內(nèi)菜地清理和河道內(nèi)植被恢復(fù).對(duì)東龍河部分垃圾堆積、底泥淤積嚴(yán)重的河道實(shí)施清淤工程.清理河道內(nèi)的農(nóng)田和菜地，將其恢復(fù)成自然河道形態(tài)，清理面積約為100 m2，清理后恢復(fù)自然植被群落.將公路南側(cè)約100 m內(nèi)的河道寬度拓寬至15 m，清理河道內(nèi)過(guò)度生長(zhǎng)的水葫蘆與水花生等入侵植物.

(2)穩(wěn)定塘和滯留塘污染防控工程 利用排水溝渠將農(nóng)村生活污水和農(nóng)田地表徑流引到水塘，利用水塘對(duì)生活污水和地表徑流進(jìn)行處理后再排入東龍河.在工業(yè)集中區(qū)下游已有的水塘下方再建2個(gè)穩(wěn)定塘，作為上游污水的“緩沖器”和強(qiáng)化處理工業(yè)集中區(qū)處理后排放的生產(chǎn)和生活廢/污水.新建穩(wěn)定塘的底部長(zhǎng)寬分別為25 m(東西向)和15 m(南北向).沿水流方向從上到下，分別為厭氧塘、兼性塘和好氧塘.

(3)植被緩沖帶建設(shè)工程 在東龍河兩側(cè)留1～5 m寬的緩沖帶，在緩沖帶內(nèi)種植當(dāng)?shù)鼐哂邪l(fā)達(dá)根系的常綠林木、灌叢和草地，增加植被覆蓋度，減少緩沖帶內(nèi)農(nóng)作物種植.植被緩沖帶的寬度根據(jù)現(xiàn)有場(chǎng)地條件決定，宜寬則寬、宜窄則窄.開挖穩(wěn)定塘?xí)r堆土的東龍河左側(cè)溝渠，在雨季來(lái)臨前恢復(fù)至少3 m寬的緩沖帶.利用自然恢復(fù)過(guò)程中的先鋒植物，如蒿類雜草，可以迅速形成較高植被覆蓋度的優(yōu)點(diǎn)，及時(shí)固定土壤，減少土壤流失進(jìn)入河道.待土壤堆積體穩(wěn)定后，將野生植物替換成具有觀賞和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的林木和草地.

(4)生態(tài)護(hù)坡建設(shè)工程 東龍河內(nèi)青龍?zhí)量拷罗r(nóng)村集中居住點(diǎn)，堤岸不僅需要較好的穩(wěn)定性，而且需要良好的景觀效果，滿足居民的親水要求.因此，對(duì)于青龍?zhí)脸Ｄ暄蜎](méi)線水位以下采用硬質(zhì)護(hù)坡，淹沒(méi)線以上采用生態(tài)護(hù)坡.生態(tài)護(hù)坡采用透水網(wǎng)格，網(wǎng)格中覆土播撒草種，增加植被覆蓋度.網(wǎng)格尺寸為60 cm×60 cm×15 cm.草種選擇根系比較發(fā)達(dá)，地表生物量較大，同時(shí)能夠耐旱的品種，例如狗牙根、黑麥草等.

(5)跌水設(shè)施建設(shè)工程 利用東龍河從上游到下游具有約10 m的高程差，分別在蘆塘出口、青龍?zhí)脸隹诤拖掠纬隹谔幮藿ǖO(shè)施，增加河流水體復(fù)氧能力，跌水高程落差為1 m左右.跌水設(shè)施建成滾水壩形式，與涵閘、路橋結(jié)合修建.

3 實(shí)施效果評(píng)估與作用機(jī)制分析

通過(guò)分析不同時(shí)期東龍河水體水質(zhì)，評(píng)估東龍河小流域生態(tài)防控體系示范工程改善水源地水環(huán)境質(zhì)量的實(shí)施效果，分析生態(tài)防控體系的作用機(jī)制.

3.1 采樣和分析方法

在東龍河內(nèi)從上游到下游依次設(shè)置了11個(gè)采樣點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，其中1號(hào)采樣點(diǎn)位于東龍河上游，2～4號(hào)位于東龍河較窄的溝渠段，溝渠寬度約為2～3 m.東龍河的左岸在穩(wěn)定塘開挖前為農(nóng)田，穩(wěn)定塘開挖后為高約2 m的堆土場(chǎng)，右側(cè)為農(nóng)田.5號(hào)采樣點(diǎn)在蘆塘內(nèi).6號(hào)采樣點(diǎn)位于青龍?zhí)?，塘的右?cè)為青龍社區(qū)的幼兒園.7～10號(hào)位于較寬的溝渠，溝渠寬度約為3～5 m，溝渠的兩側(cè)為設(shè)施農(nóng)業(yè)和農(nóng)田，11號(hào)位于東龍河出口，從該處東龍河水流匯入下游河流.

采樣時(shí)間分別為2008年4月、2009年3月、2009年5月和2009年7月，其中第1次為示范工程剛啟動(dòng)，中間2次為示范工程建設(shè)過(guò)程中，最后1次為示范工程主體完成后.

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838－2002)中的總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH+4－N)和化學(xué)需氧量(COD)4項(xiàng)指標(biāo).總氮分析方法采用堿性過(guò)硫酸鉀消解－紫外分光光度法(GB 11894－89)，總磷分析方法采用堿性過(guò)硫酸鉀消解－鉬酸銨分光光度法(GB 11893－89)，氨氮分析方法采用納氏試劑比色法(GB 7479－87)，化學(xué)需氧量分析方法采用重鉻酸鹽法(GB 11914－89).

3.2 實(shí)施效果分析

東龍河水體TN和NH+4－N濃度(質(zhì)量濃度，下同)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2.從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，東龍河水體水質(zhì)總體呈改善趨勢(shì).河流上游水體受工業(yè)集中區(qū)廢污水排放影響較大，其排放規(guī)律不明顯，因此這幾次監(jiān)測(cè)結(jié)果中TN和氨氮濃度表現(xiàn)出波動(dòng)趨勢(shì).

圖2 東龍河TN濃度和NH+4－N濃度變化趨勢(shì)Fig.2 Trends of TN and NH+4－N concentration in Donglong stream

在流域的下游，即從在蘆塘的5號(hào)采樣點(diǎn)開始，河流水體TN濃度呈逐次監(jiān)測(cè)降低的趨勢(shì).流域出口TN濃度從10.38 mg/L降低到2.18 mg/L，超過(guò)III類水體標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)倍數(shù)從9.38降低至1.18，生態(tài)防控體系示范工程建設(shè)后對(duì)于水體TN去除率達(dá)到79%濃度時(shí)間變化趨勢(shì)與TN濃度變化趨勢(shì)相類似，流域出口濃度從3.25 mg/L降低到0.48 mg/L，水質(zhì)從劣于Ⅴ類水體變?yōu)閮?yōu)于III類水體，水質(zhì)提升了2個(gè)等級(jí)以上，生態(tài)防控體系示范工程建設(shè)后對(duì)于水體氨氮的去除率達(dá)到85%.

從圖3(a)可見(jiàn)，東龍河水體TP含量總體不高，均低于河流Ⅲ類水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，不同采樣時(shí)間河流水體TP含量相差不明顯.但必須指出的是，盡管水體磷素含量未高于河流Ⅲ類水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，由于東龍河位于水源地源頭區(qū)上游，在枯水季節(jié)，東龍河基本處于斷流狀態(tài)，各河段水體流速很小，換水周期比較長(zhǎng)，若以地表水湖庫(kù)水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，上游水體TP含量已經(jīng)超過(guò)Ⅳ類水體質(zhì)量，下游水體也超過(guò)Ⅲ類水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這也是部分河段內(nèi)水葫蘆、水花生等入侵植物過(guò)度生長(zhǎng)的重要原因.從空間上來(lái)說(shuō)，若以湖庫(kù)地表水TP含量為衡量標(biāo)準(zhǔn)，上游水體TP含量為Ⅴ類水體，下游水體為Ⅳ類水體，生態(tài)防控體系示范工程提高東龍河水體質(zhì)量1個(gè)等級(jí).

東龍河水體各采樣點(diǎn)COD濃度分布如圖3(b)所示，東龍河水體COD污染總體來(lái)說(shuō)并不嚴(yán)重.從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，最后1次的監(jiān)測(cè)結(jié)果總體趨勢(shì)最低，這說(shuō)明隨著示范工程建設(shè)的完成，生態(tài)防控體系開始起到削減COD負(fù)荷的作用.從空間上看，東龍河下游水體水質(zhì)好于上游水體水質(zhì).上游水體COD含量超過(guò)Ⅲ類水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，下游水體質(zhì)量低于Ⅱ類水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，示范工程實(shí)施后，就水體COD含量而言，水質(zhì)至少提高1個(gè)等級(jí).在示范工程穩(wěn)定后，生態(tài)防控體系COD的去除率為64%.

圖3 東龍河TP濃度和COD濃度變化趨勢(shì)Fig.3 Trends of TP and COD concentration in Donglong stream

3.3 作用機(jī)制分析

從河流生態(tài)系統(tǒng)中移除氮素的作用機(jī)制包括反硝化作用、氨氣揮發(fā)作用、沉積作用和水生生物吸收后移除等.水體中的硝態(tài)氮在底質(zhì)反硝化細(xì)菌的作用下，通過(guò)反硝化過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)镹2或N2O，釋放進(jìn)入大氣從而脫離河流生態(tài)系統(tǒng)，研究證實(shí)反硝化作用是河流中氮素永久性去除的最主要途徑［5－9］.氨氣揮發(fā)作用是指河流水體中的銨離子在水體pH值較高具有較高濃度的氫氧根離子時(shí)形成氨氣，在水流的作用下從河流水體揮發(fā)進(jìn)入大氣脫離河流生態(tài)系統(tǒng)［5，10］.河流水體中氮素和大顆粒結(jié)合或者吸附在泥沙上，在水體流速較低時(shí)發(fā)生沉淀或沉降，累積在河流底質(zhì)表面，河流底質(zhì)為氮素臨時(shí)的“匯”，當(dāng)水流速度較快或條件改變時(shí)，原來(lái)沉積在表面的氮素又會(huì)重新被懸浮，進(jìn)入河流水體中，因此沉積作用只是氮素暫時(shí)而非永久性去除機(jī)制［11］.氮素被水體中的水生植物、水生動(dòng)物、浮游生物和藻類吸收利用，吸收固定氮素的水生生物通過(guò)被收割、收獲或捕獵，其生物體帶走的氮素被移除出水生生態(tài)系統(tǒng)［5］.河流水體磷素去除機(jī)理包括顆粒態(tài)磷素沉降、化學(xué)反應(yīng)沉淀、底質(zhì)吸附解吸和生物吸收固定等［12－13］.顆粒態(tài)磷素沉降和生物吸收固定去除磷素作用機(jī)制和去除氮素機(jī)制相類似.化學(xué)反應(yīng)沉淀主要是指水體中磷酸鹽與Ca2+/Mg2+等陽(yáng)離子化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)磷酸鈣/磷酸鎂等溶解度很低的化合物，從而將磷素從水體中去除.河流底質(zhì)礦物顆粒和有機(jī)質(zhì)可以為磷酸鹽吸附提供巨大的比表面積，在水體和底質(zhì)之間存在磷素動(dòng)態(tài)吸附－解吸平衡關(guān)系，當(dāng)磷素吸附－解吸達(dá)到平衡時(shí)，水體磷酸鹽濃度為某個(gè)河段特定底質(zhì)的吸附－解吸平衡點(diǎn).當(dāng)水體中磷酸鹽濃度超過(guò)吸附平衡點(diǎn)時(shí)，水體中磷素被底質(zhì)吸附，水體磷素暫時(shí)儲(chǔ)存在底質(zhì)中，底質(zhì)為水體磷素的“匯”;當(dāng)水體中磷酸鹽濃度低于吸附平衡點(diǎn)時(shí)，底質(zhì)向水體釋放磷素，底質(zhì)是水體磷素的“源”.

東龍河生態(tài)恢復(fù)后，硝態(tài)氮在河流底質(zhì)反硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化成N2或N2O被去除;地表徑流水體中磷素通過(guò)吸附作用被固定在底質(zhì)中;菹草、黑藻等沉水植物和蘆葦、菖蒲等挺水植物重新成為東龍河植物群落的優(yōu)勢(shì)種群，不僅增強(qiáng)了東龍河氮素和磷素沉積作用，而且增加了氮素被水生植物吸收固定的比例.滯留塘主要通過(guò)存貯調(diào)節(jié)功能，降低地表徑流流速，使地表徑流攜帶的顆粒物沉降，從而實(shí)現(xiàn)削減農(nóng)田地表徑流氮素和磷素進(jìn)入東龍河的目的.東龍河兩側(cè)農(nóng)田地表徑流經(jīng)過(guò)植被緩沖帶時(shí)，流速降低，顆粒態(tài)氮素和磷素通過(guò)沉降作用得以部分去除;地表徑流硝態(tài)氮隨下滲過(guò)程進(jìn)入土體發(fā)生反硝化過(guò)程，銨態(tài)氮和磷素則可以被土壤吸附而暫時(shí)固定;緩沖帶內(nèi)植株生長(zhǎng)則可以吸收固定地表徑流中的氮素和磷素.青龍?zhí)羶蓚?cè)堤岸建成生態(tài)護(hù)坡則提高了岸坡的穩(wěn)定性，減少了堤岸土質(zhì)侵蝕，減輕東龍河淤積風(fēng)險(xiǎn).

東龍河水生植物生長(zhǎng)茂盛，水生植物在生長(zhǎng)時(shí)吸收二氧化碳釋放氧氣，增加水體氧氣含量，增強(qiáng)水體自凈能力，降低耗氧有機(jī)物含量［14－16］.曝氣跌水設(shè)施增加了水體氧氣含量，加速有機(jī)耗氧物質(zhì)的分解，削減下游水體耗氧有機(jī)污染物負(fù)荷.

4 結(jié)語(yǔ)

由生態(tài)溝渠、滯留塘和穩(wěn)定塘、植被緩沖帶、生態(tài)護(hù)坡等生態(tài)工程措施組成的東龍河小流域生態(tài)防控體系示范工程取得了較好的農(nóng)村水源地污染防控效果.在小流域出口，氨氮濃度從劣于Ⅴ類提高到Ⅲ類，總氮濃度從超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的9.38倍下降到1.18倍.以湖、庫(kù)地表水TP含量為衡量標(biāo)準(zhǔn)，示范工程建成后東龍河上游端水體總磷濃度為Ⅴ類，下游端水體總磷濃度下降到Ⅳ類，水質(zhì)提高了1個(gè)等級(jí).

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