小流域非點源水污染特征分析研究

段慧 張丹 楊洪霞 范力 楊朋 羅彬

小流域非點源水污染特征分析研究

段慧 張丹 楊洪霞 范力 楊朋 羅彬

依托近11年來國內(nèi)學者對諸多小流域水體中氮、磷、化學需氧量、泥沙等污染特征的研究調(diào)查結(jié)果，概述了非點源水污染類型及污染物形態(tài)，分析總結(jié)了我國小流域非點源水污染特征，并重點介紹了降雨徑流和土地利用、地形、土壤侵蝕、水土流失、土壤類型以及種植作物種類等農(nóng)業(yè)種植活動對非點源污染的影響，小流域的農(nóng)業(yè)種植活動是引起非點源水污染的重要原因，并提出了相應的措施建議。

水體污染；非點源；特征分析

非點源污染主要有農(nóng)業(yè)化肥農(nóng)藥、農(nóng)村牲畜糞便和農(nóng)村居民生活垃圾等農(nóng)業(yè)面源污染和城市地表徑流污染、土壤侵蝕及水土流失，以及大氣干濕沉降等類型，其主要污染物有泥沙、氮磷營養(yǎng)鹽、有機和無機有毒物質(zhì)以及病菌等。與點源污染相比，非點源污染具有很大的隨機性、分布廣泛、時空變化幅度大等特點。

從國內(nèi)學者對各級河流的污染研究發(fā)現(xiàn)，非點源污染對水體總污染的貢獻占有重要比例。因此，開展非點源水污染特征的研究，對掌控水體污染現(xiàn)狀以及實施水污染治理有重要意義。

1 非點源污染類型

1.1 農(nóng)業(yè)面源污染

小流域農(nóng)業(yè)面源污染是水體總污染的重要原因。國內(nèi)學者對諸多小流域水體中N、P、化學需氧量、泥沙等污染研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)小流域農(nóng)業(yè)面源污染占整個流域污染的比重大于其點源污染，如顏公河流域農(nóng)業(yè)面源N、P污染負荷所占的比重占到整個流域污染的80%左右，而點源污染所占比重相當小，其主要原因是土壤中N、P營養(yǎng)元素過剩及水土流失[1]。灌河流域N、P、化學需氧量污染負荷均在污染總量的50%左右，且主要來源于種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染等農(nóng)業(yè)面源污染[2]。石盤丘小流域居民點、柑橘果園和坡耕地等農(nóng)業(yè)面源污染累計貢獻了76%以上的N、P污染負荷[2]。

1.2 城市地表徑流污染

伴隨著城市化進程的加快，城市和城郊地區(qū)的屋頂、街道、停車場等不透水表面的面積不斷增加，在降雨過程中，這些不透水表面促進了地表徑流的形成，地表徑流攜帶著不透水表面上附集的各種污染物最終流入并污染受納水體，從而產(chǎn)生了僅次于農(nóng)業(yè)面源污染的第二大非點源污染源——城市地表徑流污染，其污染成因主要有大氣干沉降，磨損、腐蝕和土壤污染，以及融雪徑流等。

1.3 其他污染類型

除農(nóng)業(yè)面源和城市地表徑流污染外，土壤侵蝕和水土流失以及大氣干濕沉降也是水體非點源污染的表現(xiàn)形式。土壤本身儲存著大量的氮素，據(jù)統(tǒng)計，全球不同氣候土壤類型1 m氮庫含氮量為1.07～28.07 t/hm2[5]，我國不同土地利用類型20 cm氮庫含氮量為1.80～13.05 t/hm2[3]。土壤侵蝕及水土流失能促使土壤中本身的N素和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生的N素進入水體造成污染，同時大氣干濕沉降也可引起小流域水體非點源污染，如長樂江流域土壤氮庫、大氣沉降和化肥施用引起的TN分別占其總?cè)牒恿康?3.11%、28.75% 和37. 58%[4]。

2 污染物形態(tài)

從水體污染物的形態(tài)組成來看，污染物主要以溶解態(tài)(＜0.45 μm)和顆粒態(tài)(>0.45 μm)共存的形式存在，其中溶解態(tài)污染物具有較強的生物可給性，易被水生生物所吸收，而顆粒態(tài)污染物具有較好的吸附性，能被土壤所吸附。因此，溶解態(tài)污染物分布主要受降雨徑流的影響，而顆粒吸附態(tài)污染物分布則與地形因子及土地利用和水土保持措施因子密切相關。

以N、P營養(yǎng)鹽物質(zhì)為例，在通常情況下，N的流失以可溶態(tài)為主，P的流失以顆粒吸附態(tài)為主，如御臨河流域2000年產(chǎn)生的吸附態(tài)氮和溶解態(tài)氮分別占總氮的5.1%和94.9%，吸附態(tài)磷和溶解態(tài)磷分別占總磷的54.3%和45.7%[5]。這可能是因為N循環(huán)屬于氣體型循環(huán)，進入水體過程中主要經(jīng)過硝化作用溶解于水，且溶解性較大；而P屬于沉積型循環(huán)，它的溶解性不如氮的溶解性大，同時生態(tài)系統(tǒng)中的磷進入水體后會有一部分沉積在底泥中不易釋放。進一步的研究表明，當降雨事件發(fā)生時，總氮濃度對降雨徑流變化的響應比總磷濃度的響應更靈敏，而總磷較總氮濃度表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性[6]，這為上述推論提供了論據(jù)。

3 污染負荷變化規(guī)律及影響因素

3.1 降雨徑流

河流枯水期污染物濃度高和豐水期污染物濃度低的現(xiàn)象，反映出這些污染物主要來自點源；河流豐水期污染物濃度高和枯水期污染物濃度低的現(xiàn)象，反映這些污染物主要來自非點源。這是由于非點源污染一般隨大雨和徑流產(chǎn)生，雨水沖刷地表，污染物進入受納水體，從而造成水體污染。因此，降雨徑流是非點源污染產(chǎn)生的必要條件之一，降雨徑流的變化對非點源污染變化的影響十分顯著，這可表現(xiàn)在不同水期非點源污染的變化特征方面，如柴河上游小流域總氮、總磷污染負荷在6—8月豐水期逐漸增加并達到最高，進入9月隨著降雨減少后開始下降[7]。同時，戴家溝小流域[8]、蒲河流域[9]以及長江下游岔河[10]等小流域化學需氧量、N、P和泥沙污染負荷均隨不同水期變化呈現(xiàn)出明顯的時間變化特征。這可能是由于降雨量影響徑流量的變化，從而對流域污染負荷產(chǎn)生影響。

此外，降雨強度也對流域污染物濃度有一定影響，它使污染物濃度在不同降雨階段呈現(xiàn)規(guī)律性變化，如孟良崮小流域不同形態(tài)氮素的平均流失率和泥流失率均表現(xiàn)為大暴雨>暴雨>大雨[11]，并且在整個降雨—地表徑流過程中，降雨初期是非點源污染物流失的高峰期，污染物濃度變化總體趨勢滯后于降雨強度的變換[12]。這主要是因為暴雨事件發(fā)生時，在降雨初期迅速產(chǎn)流，而降雨強度峰值出現(xiàn)于流量峰值之前，使地表徑流攜帶的污染物進入水體后，到中后期隨著降雨強度的減小和徑流量的持續(xù)變大，徑流攜帶的污染物減少及水體中污染物濃度發(fā)生稀釋而有所降低。

3.2 土地利用

許多研究表明，不同的土地利用類型如林地、草地、旱地、水田等對流域污染負荷影響有所不同，如申家河流域旱地僅以流域33.9l%的面積分別貢獻了68.40% N、66.84% P地表徑流和93.70%N、64.47% P壤中流污染負荷[12]。流溪河流域顆粒態(tài)N流失量中水田貢獻最大占40.02%，其次為林地占26.31%；顆粒態(tài)P流失量中旱地貢獻最大占28.75%，其次為水田占26.94%[13]。不同植被覆蓋的九龍江典型小流域降雨徑流中懸浮泥沙、N、P的流失依次為坡地果園>水稻田>半人工果林>天然次生林[14]。

不同土地利用類型對污染負荷的影響是相對的，農(nóng)業(yè)活動的變化、土地利用類型的比例對流域污染物的產(chǎn)生也有著重要影響，如胡家山小流域在不同季節(jié)的農(nóng)業(yè)活動使不同土地利用類型貢獻的硝酸鹽氮/TN污染負荷有所變化，即春季施肥、降雨增加和冬季大量落葉、秸稈經(jīng)微生物分解及當?shù)赜筒说厥┓?，使在春、冬兩季，對污染負荷影響最大的是旱地，而夏秋季?jié)溫度升高、畜禽放養(yǎng)、雨水增多，使在夏季、秋季對污染負荷影響最大的是居民地[15]。

3.3 地形、土壤侵蝕及水土流失

一般在坡度較大和林地覆蓋相對較少的地方，易于產(chǎn)生大量侵蝕力較強的地表徑流，地表徑流通過對土壤的強烈沖刷和入侵，使土壤更易于被分離，以泥沙為載體的施用化肥及其他農(nóng)用化合物也更易溶解于土壤中，降雨-入滲-徑流與土壤相互作用過程造成水土流失，并在帶走大量徑流和泥沙的同時，大量的土壤營養(yǎng)物質(zhì)及其他化合物也隨之流失并進入水體。

土壤侵蝕與地形因子密切相關，徐國策等[16]研究發(fā)現(xiàn)坡度每增加5°，林地、草地和農(nóng)地等不同土地利用的土壤侵蝕模數(shù)增加量比坡長每增加5 m的增加量要大1～2 倍。水土流失作為非點源污染物的主要載體，隨著水土流失量的增加，非點源污染物流失量也隨之增加。

3.4 土壤類型

在流域非點源污染影響因素中，土壤類型也是引起污染負荷變化的因素之一，如章溪河流域農(nóng)田耕作的水稻土（泥沙田土，泥質(zhì)田土）比黃壤和紅壤的污染負荷大，其中又以泥質(zhì)田土的各項非點源負荷指數(shù)最大，黃泥土的總氮、總磷負荷最小[17]。不同的土壤類型對流域污染負荷的影響主要是通過其本身的養(yǎng)分含量、農(nóng)業(yè)耕作、侵蝕模數(shù)以及徑流量的差異實現(xiàn)的。

3.5 種植作物種類

土壤的淋濕作用與植被覆蓋度及種植作物種類有密切關系，進而對流域污染負荷產(chǎn)生影響，隨著覆蓋度的增加，坡面地表徑流量、產(chǎn)沙量、壤中流均有明顯減小的趨勢，如鸚鵡溝小流域覆蓋度最高的花生地對于徑流攜帶的氮素和泥沙攜帶的磷素的削減作用強于玉米地[18]；涪陵區(qū)連豐村小流域農(nóng)地中以柑橘園對N、P流失的貢獻率最大[19]。因此，在控制泥沙及各污染物輸出方面可根據(jù)要求選取不同的作物。

4 水環(huán)境污染防治與控制措施建議

大量的污染物進入水體，不僅破壞水生生態(tài)系統(tǒng)，而且危害及人體健康，使人們工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活受到影響。要解決我國小流域水污染問題，必須從多方面綜合考慮，其控制措施主要有：

（1）控制點源污染：調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，關、停、并、轉(zhuǎn)那些耗水量大、污染重、治污代價高的企業(yè)；加強工業(yè)污染源的監(jiān)督管理和污染物超標排放的懲罰力度；建立城市污水處理系統(tǒng)。

（2）控制農(nóng)業(yè)面源污染：采取水土保持措施，加大難利用地的生態(tài)恢復治理措施，切實落實退耕還林政策；調(diào)整土地利用組合結(jié)構(gòu)及比例；改進化肥施用方式，提高化肥利用率，合理施用農(nóng)藥；規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū)，防治畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染；開展生態(tài)農(nóng)業(yè)示范工程，綜合利用農(nóng)村能源；開展宣傳，提高農(nóng)民的環(huán)保意識。

（3）控制城市地表徑流污染：加強城市管理，妥善處理城市垃圾；加強城市規(guī)劃，如通過綠化工程采取植被防護措施，加強居民建設用地的水土流失防治，減輕建設用地對水土資源環(huán)境的破壞；合理設計城市雨水、污水排放系統(tǒng)。

（4）實施生態(tài)護坡和護岸工程，防止河道周圍泥沙及附載的污染物進入水體；發(fā)展水體生態(tài)修復技術，如建立人工濕地，凈化和改善受污染水體水質(zhì)狀況。

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X593

A

2095-6444(2014)06-0059-03

2014-08-25

國家水體污染控制與治理科技重大專項“三峽庫區(qū)及上游流域水環(huán)境風險評估與預警技術研究與示范課題”子課題“三峽庫區(qū)上游入庫污染物通量監(jiān)控預警技術研究及示范”（2013ZX07503-001-02）

段慧、張丹、楊洪霞、范力、楊朋、羅彬，四川省環(huán)境監(jiān)測總站。