黃河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷定量化與控制研究進(jìn)展

李家科，彭 凱，郝改瑞，李懷恩，李 舒

(西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

水資源是國(guó)家自然資源開發(fā)利用和保護(hù)的關(guān)鍵與核心之一，也是與石油、糧食資源并列的三大戰(zhàn)略性自然資源之一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，三大產(chǎn)業(yè)用水對(duì)國(guó)內(nèi)水環(huán)境產(chǎn)生很大負(fù)擔(dān)，且我國(guó)人均水資源缺乏，水環(huán)境和水生態(tài)問題突出。一般來說，水體污染可分為點(diǎn)源污染(point source pollution)和非點(diǎn)源污染(non-point source pollution)[1]。近些年隨著政府部門對(duì)水污染治理的嚴(yán)加管控及高質(zhì)量工程措施的實(shí)施，點(diǎn)源污染得到了顯著控制。非點(diǎn)源污染來源于非特定的、分散的地區(qū)，地理邊界和發(fā)生位置難以識(shí)別和確定，具有隨機(jī)性強(qiáng)、成因復(fù)雜、潛伏周期長(zhǎng)等特征[2-3]。國(guó)外以美國(guó)為代表，對(duì)非點(diǎn)源污染的研究開始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在非點(diǎn)源污染特征、機(jī)理、模型與控制等方面已經(jīng)形成了較為成熟的研究體系。相較于國(guó)外，我國(guó)非點(diǎn)源污染的研究較晚，始于20世紀(jì)80年代的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查，進(jìn)入90年代以后開始活躍，研究對(duì)象主要聚集在三峽庫(kù)區(qū)、太湖流域、密云水庫(kù)、滇池流域、渭河流域等區(qū)域，在北京、上海、南京、天津、西安、廣州等地也開展了大量城市非點(diǎn)源污染研究，主要通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?guó)外機(jī)理模型及改進(jìn)方法等對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行研究，研究尺度分為空間和時(shí)間尺度?？臻g尺度包括徑流小區(qū)、田間、流域、國(guó)家乃至全球尺度；時(shí)間尺度包括小時(shí)、日、月、年及世紀(jì)尺度等[4]。近年來，將農(nóng)業(yè)、城市非點(diǎn)源污染模型與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合成了新的研究熱點(diǎn)。黃河流域(圖1)的非點(diǎn)源污染研究始于20世紀(jì)末，研究?jī)?nèi)容集中在典型支流非點(diǎn)源污染的監(jiān)測(cè)及負(fù)荷定量化方面。

圖1 黃河流域示意圖

黃河流域位于95°53′E～119°05′E、32°10′N～41°50′N，發(fā)源于青藏高原的巴顏喀拉山北麓，注入渤海灣，總面積79.5萬km2。流經(jīng)地區(qū)地勢(shì)復(fù)雜多樣，橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原及華北平原。根據(jù)2019年發(fā)布的《中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》，黃河流域劣Ⅴ類水質(zhì)占比8.8%，遠(yuǎn)高于全國(guó)3.3%的平均水平，其干流水質(zhì)為優(yōu)，部分支流為輕度污染，總體水質(zhì)處于輕度污染[5]。黃河是中華民族的母親河，也是我國(guó)北方重要的生態(tài)屏障，更是橫跨東、中、西部的重要經(jīng)濟(jì)區(qū)和能源基地，對(duì)維護(hù)國(guó)家和區(qū)域安全具有不可替代的重要作用。黃河流域水質(zhì)的好壞直接影響到一帶一路的建設(shè)，影響到國(guó)家西部大開發(fā)的戰(zhàn)略布局，也關(guān)系到全流域1.07億人口的用水安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱，其中非點(diǎn)源污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻，而且面臨多要素耦合驅(qū)動(dòng)及多時(shí)空尺度過程相互影響的挑戰(zhàn)。本文通過闡述黃河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷定量化與污染控制的研究進(jìn)展，歸納出黃河流域非點(diǎn)源污染研究的不足，展望未來的研究方向，從機(jī)制和內(nèi)涵上豐富流域非點(diǎn)源污染控制理論，期望有助于黃河流域非點(diǎn)源污染控制和水環(huán)境質(zhì)量的提高，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“幸福河”的目標(biāo)。

1 黃河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷定量化研究

1.1 非點(diǎn)源污染機(jī)理研究

非點(diǎn)源污染機(jī)理研究是探討氮、磷、新型污染物、微生物等在不同影響因素驅(qū)動(dòng)作用下遷移和轉(zhuǎn)化的過程，是認(rèn)識(shí)其環(huán)境行為和進(jìn)行污染防治的理論基礎(chǔ)。可以從研究方法、影響因素、機(jī)理過程3方面進(jìn)行總結(jié)。

1.1.1研究方法

非點(diǎn)源污染研究主要包括選擇典型小流域進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)、人工模擬降雨試驗(yàn)[6]、研究水質(zhì)變化、同位素示蹤技術(shù)等。對(duì)不同研究方法制定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案是非點(diǎn)源污染研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，吳喜軍等[7]提出了一套針對(duì)城區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)和流域的非點(diǎn)源污染監(jiān)測(cè)方案，為非點(diǎn)源污染監(jiān)測(cè)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化提供了技術(shù)參考。非點(diǎn)源污染物主要來源于地表徑流，不同地理特征及耕作制度都影響污染物的流失過程，選擇有代表性的徑流小區(qū)，分析自然降雨條件下非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生、遷移及轉(zhuǎn)化規(guī)律的方法已被廣泛應(yīng)用。如：朱燕琴等[8]基于安家溝流域2014—2016年自然降雨條件下監(jiān)測(cè)資料，采用通徑原理分析植被、降雨及下墊面等因素對(duì)徑流量和產(chǎn)沙量的影響作用，發(fā)現(xiàn)雨強(qiáng)和植被類型是影響徑流量的重要因子，徑流量、蓋度及降雨歷時(shí)是影響產(chǎn)沙量較重要的因子。考慮到非點(diǎn)源污染的空間差異性和自然降雨條件的局限性，可采用人工降雨模擬進(jìn)行研究，呂黎明[9]在隴東黃土高原典型小流域設(shè)計(jì)研究不同雨強(qiáng)、坡度、植被覆蓋度等條件對(duì)非點(diǎn)源污染的影響。不同種類非點(diǎn)源污染物最終匯入河流等天然水體，研究受納水體水質(zhì)變化規(guī)律也可反映非點(diǎn)源污染的影響。

1.1.2影響因素

影響非點(diǎn)源污染的主要因素包括氣象水文、地形土壤、土地利用、植被覆蓋和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等。降雨徑流是非點(diǎn)源污染物遷移轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)力和載體，目前研究主要集中在暴雨徑流作用下N、P等常規(guī)污染物的流失等方面。Liu等[14]的研究表明，N、P的流失與降雨強(qiáng)度和前期土壤含水量呈正相關(guān)，而與植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)。黃河流域面積廣闊，地形地貌差異較大，人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈，構(gòu)成其復(fù)雜多變的下墊面條件。地形因素主要通過坡度、坡長(zhǎng)因子影響非點(diǎn)源污染過程，且相較于坡長(zhǎng)，坡度對(duì)養(yǎng)分流失影響更大。不同的土壤類型(土壤結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì))及土地利用方式(植被類型、農(nóng)田措施以及耕作方式)也會(huì)對(duì)非點(diǎn)源污染物的輸出產(chǎn)生不同程度的影響[15]。城市化發(fā)展是流域潛在非點(diǎn)源污染高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積增大的重要因素。城市作為人類活動(dòng)最集中的區(qū)域，其非點(diǎn)源污染來源廣泛、機(jī)制復(fù)雜、治理困難。影響城市非點(diǎn)源污染主要因素包括氣候狀況及復(fù)雜的下墊面等因素。在西安市等地的研究表明，降雨時(shí)空分布特征、復(fù)雜的下墊面條件、大氣干濕沉降等對(duì)城市地表徑流污染物的濃度有很大影響[16-18]。不同影響因素作用下會(huì)導(dǎo)致非點(diǎn)源污染的響應(yīng)不同，對(duì)此進(jìn)行深入分析是研究黃河流域非點(diǎn)源污染過程的關(guān)鍵。

1.1.3機(jī)理過程

水文過程中的產(chǎn)匯流機(jī)制與非點(diǎn)源污染聯(lián)系緊密。黃河流域大部分位于西北干旱半干旱地區(qū)，降水量分布嚴(yán)重不均，氣候情況多變；產(chǎn)流過程也較復(fù)雜，半濕潤(rùn)區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主，干旱半干旱區(qū)以超滲產(chǎn)流為主，源頭產(chǎn)流還存在凍融的影響。下墊面條件變化會(huì)對(duì)產(chǎn)流機(jī)制產(chǎn)生重要影響，黃土區(qū)植被恢復(fù)對(duì)產(chǎn)匯流機(jī)制有很大影響，隨著植被的恢復(fù)，產(chǎn)流機(jī)制有由超滲產(chǎn)流向混合產(chǎn)流及蓄滿產(chǎn)流轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)；不同土壤含水量對(duì)凍融坡面產(chǎn)流也有較大影響，凍融作用會(huì)導(dǎo)致黃土坡面產(chǎn)流時(shí)間滯后，在含水量為20%時(shí)影響較顯著[19-20]。早有古籍記載“黃河斗水，泥居其七”，黃河水中泥沙主要來源于黃河流域中游的黃土高原地區(qū)，而夾雜在泥沙中N、P等營(yíng)養(yǎng)鹽是造成水體污染的主要因素，這是黃土高原區(qū)土壤侵蝕與非點(diǎn)源污染的一個(gè)顯著特點(diǎn)。探究黃土高原地區(qū)土壤侵蝕的內(nèi)在機(jī)理，對(duì)該區(qū)非點(diǎn)源污染研究具有顯著的促進(jìn)作用。Hao等[21]對(duì)中游北洛河流域的非點(diǎn)源顆粒態(tài)氮磷污染進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)氮磷負(fù)荷空間分布與土壤侵蝕分布具有一致性，耕地對(duì)應(yīng)的顆粒態(tài)氮磷輸出系數(shù)較高，在坡度8°～15°區(qū)域上顆粒態(tài)氮磷的輸出系數(shù)最大，可見黃土區(qū)土壤侵蝕與坡度具有一定關(guān)系。非點(diǎn)源污染物遷移轉(zhuǎn)化過程是污染物在降雨徑流的沖刷和淋溶作用下，通過地表徑流、壤中流和地下徑流的途徑輸出，造成地表水和地下水的污染。許昌敏等[22]認(rèn)為，硝態(tài)氮難以被土壤顆粒吸附，是土壤氮素轉(zhuǎn)化、遷移過程中最活躍的氮素形態(tài)，容易受淋溶過程影響；總氮和硝態(tài)氮的濃度隨著淋溶次數(shù)的增加而減少，最終趨于穩(wěn)定。

隨著越來越多的新型污染物在水環(huán)境中被檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)帶來的潛在高風(fēng)險(xiǎn)問題日益受到人們關(guān)注。目前對(duì)黃河流域新型非點(diǎn)源污染物的研究主要以污染物的種類調(diào)查及時(shí)空分布為主。研究發(fā)現(xiàn)，渭河關(guān)中段水體中抗生素主要為磺胺類和大環(huán)內(nèi)酯類，抗生素濃度在上、中、下游分布存在顯著差異，不同種類抗生素的空間分布特征不同，人口密度以及畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)其影響較大[23]；渭河楊陵段多種耐藥細(xì)菌及耐藥基因檢出率均為100%，耐藥菌主要為耐頭孢曲松細(xì)菌，耐藥基因呈現(xiàn)出多樣化，相較于國(guó)外處于中等水平[24]；在汾河流域，朱宇恩等[25]著重分析了汾河沿岸農(nóng)田土壤中4種喹諾酮類抗生素的殘留情況及分布特征，發(fā)現(xiàn)其在汾河沿岸農(nóng)田土壤中檢出率達(dá)到98%以上，主要以諾氟沙星為主，其次為環(huán)丙沙星和氧氟沙星，恩氟沙星含量最低，且4種喹諾酮類抗生素含量受土壤理化性質(zhì)和pH值的共同作用，在中下游殘留濃度明顯高于上游。針對(duì)新型非點(diǎn)源污染的研究，目前主要集中在環(huán)渤海灣及東南沿海等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，我國(guó)其他地區(qū)研究不多，黃河中上游流域處于西北干旱半干旱地區(qū)，支流眾多，典型支流的生態(tài)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻，關(guān)于支流流域中不同類型新型污染物的研究更是少之又少。

水環(huán)境受到微生物污染而引起傳染病暴發(fā)和流行一度是人類生存和發(fā)展的主要威脅之一。水體微生物污染是指潛藏于畜禽糞便及生活污水中的微生物(致病菌、寄生蟲、病毒等)通過地表徑流、土壤侵蝕以及人類活動(dòng)等因素進(jìn)入受納水體對(duì)人類健康造成損害的污染[26]。有研究表明我國(guó)各類地表水環(huán)境均遭受到不同程度的微生物污染，有的地區(qū)已出現(xiàn)水體中因微生物超標(biāo)引發(fā)的安全事件[26]。鑒別水體中微生物的來源及污染程度有助于對(duì)微生物污染的監(jiān)管和防控，目前多采用微生物污染溯源技術(shù)。我國(guó)其他流域已有運(yùn)用微生物溯源技術(shù)分析微生物污染的主要來源，對(duì)其污染特征、時(shí)空分布、防控等也有一定的研究[27-28]。目前在黃河流域?qū)λw微生物非點(diǎn)源污染的研究鮮見，后續(xù)有必要對(duì)黃河流域水體中微生物及其來源進(jìn)行研究，并評(píng)估其對(duì)水環(huán)境的危害程度和人類健康威脅度。

1.2 非點(diǎn)源污染通量估算方法和模型

表1 有限資料條件下非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算方法

1.2.1非點(diǎn)源污染通量估算方法

我國(guó)非點(diǎn)源污染研究的時(shí)間較短，缺乏長(zhǎng)系列的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，迄今為止也尚未將非點(diǎn)源污染納入常規(guī)監(jiān)測(cè)范圍，現(xiàn)有的水文資料都是我國(guó)學(xué)者及相關(guān)單位根據(jù)科研課題獲得，不能形成系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)體系。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞黃河流域特別是在黃河中游污染較重的渭河流域地區(qū)，在有限資料條件下相繼提出了適合我國(guó)國(guó)情的非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算方法，并取得一定的研究成果，這些原創(chuàng)性方法同時(shí)也應(yīng)用到了我國(guó)其他流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的估算，表現(xiàn)出不錯(cuò)的效果。具體詳見表1。

1.2.2非點(diǎn)源污染模型

國(guó)外關(guān)于非點(diǎn)源污染模型研究較早，涌現(xiàn)出較多經(jīng)典的非點(diǎn)源污染模型[43-54]。而我國(guó)非點(diǎn)源污染模型研究起步較晚，李懷恩等[52]提出了國(guó)內(nèi)首個(gè)具有機(jī)理基礎(chǔ)的流域降雨徑流非點(diǎn)源污染數(shù)學(xué)模型，此外，郝芳華等[53]、宋文龍等[54]在黃河流域非點(diǎn)源污染大尺度計(jì)算模型方面進(jìn)行了重要探索。本文通過模型參數(shù)、時(shí)間尺度、模型組成、污染物類型、應(yīng)用區(qū)域等方面對(duì)國(guó)內(nèi)外常見的非點(diǎn)源污染模型進(jìn)行總結(jié)，如表2所示，污染物主要考慮了有機(jī)污染物、重金屬、農(nóng)藥等[55-56]。同時(shí)，李懷恩等[57]從20世紀(jì)90年代起，對(duì)陜西黑河水庫(kù)流域進(jìn)行研究，將非點(diǎn)源污染模型(流域降雨徑流非點(diǎn)源污染數(shù)學(xué)模型、AnnAGNPS等)和水庫(kù)水質(zhì)模型(CE-QUAL-W2、MIKE等)相結(jié)合，在水庫(kù)水質(zhì)對(duì)非點(diǎn)源污染輸入負(fù)荷的響應(yīng)和水源保護(hù)的流域非點(diǎn)源污染控制方案等方面做了開拓性的工作。

1.2.3新型非點(diǎn)源污染物模型

新型污染物進(jìn)入環(huán)境后在不同介質(zhì)中和介質(zhì)間會(huì)發(fā)生遷移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化，且種類繁多、理化性質(zhì)各異、影響復(fù)雜，利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)新型污染物在環(huán)境相中的分布及歸趨是一種有效方法。逸度模型(fugacity model)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所需參數(shù)少且容易獲得、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，在多介質(zhì)環(huán)境中可以較好地模擬新型污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化及預(yù)測(cè)對(duì)環(huán)境可能造成的不利情況。近年來，使用逸度模型與水質(zhì)模型結(jié)合評(píng)估有機(jī)污染物在河流系統(tǒng)的歸趨取得了很好的效果，但是針對(duì)新型非點(diǎn)源污染物模型研究大多集中在我國(guó)沿海城市及南方發(fā)達(dá)地區(qū)[58-59]。黃河流域鮮有對(duì)新型污染物進(jìn)行研究，目前尚處于起步階段。綜合考慮還存在以下幾點(diǎn)問題：新型污染物質(zhì)在水體中的遷移轉(zhuǎn)化、對(duì)水中生物影響等機(jī)理研究不清；關(guān)于新型污染物定量化的自主模型少見；新型非點(diǎn)源污染物研究時(shí)間短，數(shù)據(jù)累積少，亟須對(duì)這一熱點(diǎn)問題進(jìn)行深入研究。

表2 非點(diǎn)源污染模型對(duì)比

1.3 黃河流域非點(diǎn)源污染通量特征

1.3.1農(nóng)業(yè)灌區(qū)非點(diǎn)源污染特征

黃河流域以2%的徑流量養(yǎng)育了12%的人口，灌溉了15%的耕地，在地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了巨大作用。灌區(qū)是黃河流域比較重要的耕地類型，化肥、農(nóng)藥的大量使用引起的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染也愈發(fā)受到人們的關(guān)注。對(duì)于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的研究，我國(guó)學(xué)者通常采取監(jiān)測(cè)試驗(yàn)與模型模擬相結(jié)合的方法，研究主要污染物的時(shí)空分布特征、遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理及防控評(píng)價(jià)等內(nèi)容[60-61]。如李強(qiáng)坤等[62]在黃河上游青銅峽灌區(qū)分析了主要污染物在灌區(qū)輸水系統(tǒng)、田間系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的運(yùn)移特征，劃分“源”“匯”模塊構(gòu)成完整的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型，并針對(duì)性地提出了農(nóng)業(yè)源污染控制措施。郝芳華等[63]在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)做了一系列研究，如水循環(huán)特征對(duì)土壤水運(yùn)移的影響、不同耕作方式下土壤磷素的流失評(píng)價(jià)、不同灌溉季節(jié)土壤氮素的時(shí)空分布特征分析和鹽分流失變化、灌區(qū)夏秋澆灌的氮磷元素遷移轉(zhuǎn)化等。黃河流域擁有內(nèi)蒙古河套、寧夏青銅峽、陜西寶雞峽和涇惠渠、河南勝利渠及山東位山等大型灌區(qū)，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染問題突出，推進(jìn)流域化肥農(nóng)藥減量增效，減少非點(diǎn)源污染已勢(shì)在必行。

1.3.2城市非點(diǎn)源污染特征

黃河流域擁有蘭西、寧夏沿黃、關(guān)中、中原及山東半島等城市群，城市密集、人口多且擴(kuò)展速度快，城市群帶來的非點(diǎn)源污染問題非常關(guān)鍵。蘭州市非點(diǎn)源污染研究表明，市區(qū)地表徑流污染物濃度大于北京、上海等其他城市，這主要是與蘭州市區(qū)環(huán)境較差、大氣污染嚴(yán)重有關(guān)；且主要污染物SS、COD、TP的濃度表現(xiàn)為街道大于小區(qū)大于屋面，TN表現(xiàn)為街道大于屋面大于小區(qū)的現(xiàn)象[64]。在西安市，城市非點(diǎn)源污染研究取得了一定的成果，如李家科等[65]發(fā)現(xiàn)西安城區(qū)的非點(diǎn)源污染呈區(qū)域性，SS、COD、重金屬平均濃度在交通區(qū)最大，NH3-N、TN、TP平均濃度值在商業(yè)區(qū)最大。陳瑩等[66]分析了西安市路面徑流污染隨季節(jié)變化特征，發(fā)現(xiàn)SS、COD濃度呈現(xiàn)冬春季高秋季低的變化趨勢(shì)，表明其受交通污染源排放和大氣降塵的共同影響；NH3-N濃度呈現(xiàn)秋冬季高夏季低的趨勢(shì)，表明其主要與大氣降水有關(guān)。王寶山等[67]建立了匯流面污染物輸送模型，對(duì)小區(qū)域雨水徑流污染物COD、SS和TN進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明在降雨初期，污染物輸送速度迅速增加，形成全面匯流時(shí)達(dá)到最大值，隨后呈逐漸降低趨勢(shì)。李懷恩等[68]研究了西安市降雪徑流污染特性，污染物SS、COD、TN的濃度在融雪徑流初期高于融雪后期，相同地點(diǎn)降雨徑流污染濃度高于降雪徑流。黃河流域城市群非點(diǎn)源污染影響因素復(fù)雜(如尺度、自然要素、人類活動(dòng)、變化環(huán)境等)，目前城市非點(diǎn)源污染研究尺度較多的針對(duì)城市某一片區(qū)，缺乏較大尺度研究。

1.3.3流域非點(diǎn)源污染特征

通過非點(diǎn)源污染估算方法及模型模擬，研究流域污染物的通量、分布特征，可為流域非點(diǎn)源污染的治理提供有力的科學(xué)支撐，現(xiàn)有黃河流域非點(diǎn)源污染特征主要研究成果詳見表3。

表3 黃河流域非點(diǎn)源污染特征研究成果

綜上所述，目前黃河流域非點(diǎn)源污染研究主要集中在運(yùn)用有限資料下的負(fù)荷估算方法和模型進(jìn)行負(fù)荷定量、污染物源區(qū)識(shí)別和時(shí)空分布研究等方面。仍然存在一些不足，首先是非點(diǎn)源污染物缺乏系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)；其次在機(jī)理研究上，關(guān)于常規(guī)污染物和新型污染物的全過程研究較少，多是單一因素影響研究，研究深度不夠[78]；估算方法上，大多是在有限資料下展開，不同估算方法對(duì)應(yīng)的結(jié)果差異性較大，后續(xù)針對(duì)不同污染物來源還需精細(xì)化處理；模型研究上，我國(guó)自主研發(fā)的模型鮮見，多是直接或部分應(yīng)用發(fā)達(dá)國(guó)家開發(fā)的模型。黃河流域地理?xiàng)l件變化大、地形地貌特殊且受人為活動(dòng)影響大，對(duì)應(yīng)用的機(jī)理模型參數(shù)要求很高，自主研發(fā)黃河流域的非點(diǎn)源污染模型及與河庫(kù)(湖)耦合的模型亟待突破；特征研究上，局限于黃河干流某一斷面、典型子流域和城市某一片區(qū)，且成果較多集中在黃河流域中游地區(qū)，缺乏黃河流域上下游的研究，不同污染源的入河通量不確定，仍然缺乏系統(tǒng)、深度的研究。

2 黃河流域非點(diǎn)源污染控制研究

由于流域非點(diǎn)源污染發(fā)生隨機(jī)、過程復(fù)雜，再加上其機(jī)理的模糊性，形成時(shí)的潛伏性，難以識(shí)別和確定，很難對(duì)其進(jìn)行有效管理和控制。美國(guó)是開展非點(diǎn)源污染控制研究最早的國(guó)家，最先提出了“最佳管理措施(best management practices, BMPs)”和“低影響開發(fā)(low impact development, LID)”理念，并在一些地區(qū)展開試驗(yàn)研究，并取得了不錯(cuò)的效果[79]。相對(duì)而言，中國(guó)關(guān)于非點(diǎn)源污染控制的研究時(shí)間短，但是也有比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和方案[80]，目前黃河流域非點(diǎn)源污染控制的研究進(jìn)展主要涉及源頭控制、過程控制、末端治理及控制規(guī)劃4方面。

2.1 源頭控制

非點(diǎn)源污染控制的關(guān)鍵是污染源的控制，主要涉及農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)、村莊生活等。在黃河流域，有研究表明，農(nóng)業(yè)施肥是發(fā)生非點(diǎn)源污染的重要因素之一，最佳固氮固磷的土地利用類型是草地，林地次之，耕地最差，農(nóng)田是N、P流失最主要的土地利用類型[81]。此外，也有學(xué)者在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)研究了種肥+追肥和單一種肥的施肥方式下TN的流失量，發(fā)現(xiàn)在小麥、玉米兩種農(nóng)作物中，種肥+追肥能更好地削減TN負(fù)荷量[82]。城市非點(diǎn)源污染源頭控制方面，主要以LID和BMPs為主。西安市是非點(diǎn)源污染源頭控制研究較多的區(qū)域，在主城區(qū)、灃西新城等地通過提出LID及BMPs等組合系統(tǒng)，使得道路景觀與雨水處理有機(jī)地結(jié)合起來，達(dá)到控制城市非點(diǎn)源污染的效果[83-84]。

2.2 過程控制

在非點(diǎn)源污染物進(jìn)入受納水體之前，采取攔截污染物措施減少污染進(jìn)入水體就是過程控制，主要包括水保措施、植物籬、沉砂池等措施。李家科等[85]應(yīng)用SWAT模型對(duì)渭河支流灃河流域的徑流、泥沙及營(yíng)養(yǎng)鹽污染負(fù)荷的產(chǎn)輸出過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，提出實(shí)施水土保持措施如植樹造林、種草、退耕還林等，加強(qiáng)水土流失區(qū)治理，減小土壤侵蝕可以有效減少污染。黃河流域耕地中坡耕地較多，坡耕地的水土流失會(huì)導(dǎo)致非點(diǎn)源污染加重。吳磊等[86]提倡在黃土高原地區(qū)構(gòu)建“喬-灌-草”多種組合形式的植物籬，并且修建流渠(管)、沉砂池等工程措施，多種措施相結(jié)合方法對(duì)非點(diǎn)源污染物的削減效果顯著。

2.3 末端治理

末端治理作為非點(diǎn)源污染控制的最終措施，主要包括人工濕地、水陸交錯(cuò)帶、植被過濾帶、生態(tài)護(hù)岸等。研究表明，通過在農(nóng)田周邊開挖人工濕地和設(shè)置防護(hù)林帶，在入河口、沿河兩岸的農(nóng)田邊緣建立水陸交錯(cuò)帶等多種組合措施，可以達(dá)到控制非點(diǎn)源污染的效果[87]；在河岸濕地，蘆葦、藨草、水燭等不同植被群落對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮素均具有一定的控制功能，證明了河岸濕地對(duì)非點(diǎn)源污染的控制起到了重要作用，但3種植被對(duì)氮素污染的吸收有較大差異，具體表現(xiàn)為蘆葦優(yōu)于藨草優(yōu)于水燭[88]。鄧娜等[89-91]發(fā)現(xiàn)植被過濾帶對(duì)地表徑流的懸浮固體、顆粒態(tài)氮、顆粒態(tài)磷、總氮、總磷都有較好的削減效果，且不同植被配置下的植被過濾帶凈化效果由好到差排序?yàn)椋翰莸剡^濾帶、灌草植被過濾帶、空白帶。此外，張學(xué)慧[92]在汾河水庫(kù)流域非點(diǎn)源污染控制中，采取設(shè)置緩沖帶等措施完成負(fù)荷削減效果的模擬，發(fā)現(xiàn)設(shè)置緩沖帶后，各非點(diǎn)源污染因子負(fù)荷量均有不同程度的削減，且削減比例隨緩沖帶寬度的增加而逐漸增大。

2.4 控制規(guī)劃

非點(diǎn)源污染的控制規(guī)劃涉及經(jīng)濟(jì)、決策、技術(shù)、意識(shí)等，在實(shí)現(xiàn)污染物最大削減效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)成本的最小化，通過這些措施的結(jié)合確定最優(yōu)的控制方案，這對(duì)非點(diǎn)源污染的防控具有重要意義。毛戰(zhàn)坡[93]以陜西黑河流域?yàn)槔岢鲆酝恋乩梅绞綖楹诵牡姆屈c(diǎn)源污染控制方案，以經(jīng)濟(jì)效益最大、非點(diǎn)源污染環(huán)境容量和土地利用面積等作為約束條件構(gòu)建了多目標(biāo)線性規(guī)劃模型，提出設(shè)置植被保護(hù)帶、控制人口數(shù)量等6種控制措施相結(jié)合來控制該區(qū)非點(diǎn)源污染。蔡明[94]在渭河陜西段對(duì)非點(diǎn)源污染物氮提出設(shè)置不同的耕作方式、減少農(nóng)藥化肥使用、退耕還林、植被過濾帶、濕地系統(tǒng)及多水塘系統(tǒng)等多種措施相結(jié)合的控制技術(shù)體系。其他流域控制規(guī)劃研究采用了排污權(quán)交易模型，且考慮了環(huán)境容量、工程型和非工程型控制措施、不確定性等因素；也有采用SUNTAIN系統(tǒng)在流域、農(nóng)村社區(qū)、農(nóng)戶3個(gè)層面的BMPs組合方案優(yōu)化模擬[95]。

綜上所述，黃河流域采用的源頭控制、過程控制、末端治理及控制規(guī)劃等措施的方案大多在較小范圍實(shí)施；城市非點(diǎn)源污染控制多是利用模型模擬給出控制方案，缺乏措施實(shí)施后的評(píng)估。不論黃河流域還是其中的城市群，控制措施較多的是關(guān)注技術(shù)層面的防控，部分技術(shù)也建立了示范工程，但缺乏系統(tǒng)和全面的控制體系以及對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)及城市生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)與優(yōu)化，亟須構(gòu)建黃河流域農(nóng)業(yè)及城市結(jié)合的點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染綜合防控體系，將源頭治理、過程控制和末端治理的控制技術(shù)進(jìn)行集成、示范和標(biāo)準(zhǔn)化，未來研究比較關(guān)鍵的是擴(kuò)大控制面、技術(shù)推廣及后期階段性效果的評(píng)估。

3 研究存在的不足與展望

3.1 不足

黃河流域非點(diǎn)源污染的負(fù)荷定量化與污染控制已取得一定的研究成果，但是黃河流域跨度大，非點(diǎn)源污染物來源廣泛，且在氣候變化的大背景下，非點(diǎn)源污染的機(jī)制及內(nèi)涵更加復(fù)雜，通過前期黃河流域非點(diǎn)源污染的研究回顧，發(fā)現(xiàn)還存在以下不足：

a. 流域和農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染方面。主要集中于黃河流域部分支流如渭河、汾河以及部分灌區(qū)。針對(duì)黃土區(qū)流域水沙過程與氮磷流失的特殊性，黃土高原非點(diǎn)源污染的機(jī)理、模型、防控等綜合體系研究缺乏，缺少對(duì)黃河流域上、下游區(qū)域的研究。常規(guī)污染物和新型污染物多是單一因素影響研究，缺乏多要素綜合影響分析。研究?jī)?nèi)容多是在有限資料條件下利用成熟的國(guó)外模型進(jìn)行模擬，但存在輸入數(shù)據(jù)要求高、長(zhǎng)期數(shù)據(jù)資料缺乏、參數(shù)多且率定困難及不確定性等問題。缺少適合黃河流域多空間尺度和自主研發(fā)的水文-水質(zhì)-水動(dòng)力的非點(diǎn)源污染和水庫(kù)水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型。

b. 城市非點(diǎn)源污染方面。主要以城市非點(diǎn)源污染模型軟件SWMM模擬、LID和BMPs研究為主。缺乏長(zhǎng)期基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究對(duì)象多為城市某一片區(qū)，以整個(gè)城市或城市群為研究對(duì)象鮮見。

c. 非點(diǎn)源污染防控方面?？刂拼胧┹^多關(guān)注技術(shù)層面的防控，對(duì)一些關(guān)鍵控制管理措施沒有形成系統(tǒng)的規(guī)范與指南，也不能因地制宜形成全面的控制與管理體系。黃河流域非點(diǎn)源污染的研究區(qū)域呈現(xiàn)較大的不平衡性，通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)集中在黃河流域中游，上游、下游研究較少。這樣的分布特點(diǎn)可能與黃河流域的地理特征與地區(qū)學(xué)科布局存在著一定的關(guān)系。此外，黃河流域缺乏非點(diǎn)源污染管制的法律、政策和體制機(jī)制，諸多研究成果主要集中在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域方面，對(duì)于涉及社會(huì)性、經(jīng)濟(jì)性、政策性方面的內(nèi)容則少有提及。流域的持續(xù)健康發(fā)展受到眾多因素的綜合影響，全面考慮才能對(duì)流域污染進(jìn)行綜合防控。

綜上，黃河流域非點(diǎn)源污染研究還存在很大的不足。與國(guó)內(nèi)外其他地區(qū)非點(diǎn)源污染研究相比，首先，黃河流域非點(diǎn)源污染研究總體上起步較晚，研究不夠深入；其次，在研究尺度方面，空間尺度大多集中在小區(qū)、農(nóng)田、小流域，時(shí)間尺度主要在小時(shí)、天、年尺度上，缺乏全流域、長(zhǎng)序列等尺度研究。雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)我國(guó)國(guó)情提出了很多有限資料下非點(diǎn)源負(fù)荷估算的方法，但黃河流域不同地區(qū)非點(diǎn)源污染機(jī)理、自主模型構(gòu)建、綜合防控體系等研究亟待發(fā)展。

3.2 研究展望

污染物監(jiān)測(cè)是研究非點(diǎn)源污染、模型軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)。后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)黃河流域常規(guī)、新型污染物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，各部門應(yīng)加強(qiáng)數(shù)據(jù)合作共享，科學(xué)觀測(cè)并建立長(zhǎng)期有效的非點(diǎn)源污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。針對(duì)目前研究狀況，在非點(diǎn)源污染模型方面還需分別建立適合黃河流域、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、能推廣應(yīng)用的水文-水質(zhì)-水動(dòng)力非點(diǎn)源污染和水庫(kù)水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型。在原有研究基礎(chǔ)上深入對(duì)黃河流域非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生、遷移轉(zhuǎn)化、管理控制等過程研究，摸清黃河流域干支流非點(diǎn)源污染物的種類，探究負(fù)荷定量及關(guān)鍵源區(qū)確定的方法，并改進(jìn)現(xiàn)有研究階段只關(guān)注污染過程中某一環(huán)節(jié)的研究模式。

從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，未來農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究仍是重點(diǎn)與熱點(diǎn)。黃河流域地區(qū)村莊、耕地分布廣泛，針對(duì)耕地中N、P、農(nóng)藥、化肥流失，農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便缺乏有組織排放等現(xiàn)狀，可進(jìn)行黃河流域農(nóng)村污水處理與水系統(tǒng)健康循環(huán)模式研究。如，針對(duì)黃河流域農(nóng)村污水分散排放、高氮磷低有機(jī)物的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)污水的高效處理和水循環(huán)模式的健康可持續(xù)發(fā)展；針對(duì)黃河流域不同地區(qū)氣候特征和排放要求，構(gòu)建因地制宜、分類指導(dǎo)的農(nóng)村污水治理技術(shù)體系；針對(duì)黃河流域不同區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，形成適合黃河流域村鎮(zhèn)污水處理建管并重的長(zhǎng)效運(yùn)維機(jī)制。還應(yīng)加強(qiáng)水土流失以及壤中流形成的非點(diǎn)源污染及其遷移轉(zhuǎn)化、控制管理等整個(gè)復(fù)雜機(jī)理過程的不確定性研究。積極利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，如同位素示蹤法與現(xiàn)有的研究方法相結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)該區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究，形成一套適合該區(qū)的研究體系。城市非點(diǎn)源污染研究應(yīng)從研究機(jī)理、模型及尺度3個(gè)方面展開。加大對(duì)黃河流域城市非點(diǎn)源污染的產(chǎn)匯流污染過程、暴雨徑流沖刷下的泥沙遷移轉(zhuǎn)化、污染物的生化反應(yīng)等機(jī)理過程的深入研究。尤其是黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)及問題研究，如雨水徑流集中入滲對(duì)植物、土壤、地下水的累積效應(yīng)及風(fēng)險(xiǎn)研究，LID設(shè)施規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化研究等。建立適合該區(qū)的城市非點(diǎn)源污染的非點(diǎn)源污染模型，從城市某一區(qū)域的小尺度模擬過渡到以整個(gè)城市為研究對(duì)象的空間模擬。

黃河流域非點(diǎn)源污染的防控是進(jìn)行非點(diǎn)源污染理論研究的最終目的。未來黃河流域非點(diǎn)源污染防控要從全流域、全過程進(jìn)行綜合治理，把BMPs充分運(yùn)用到農(nóng)業(yè)、城市非點(diǎn)源污染控制中來，通過明確各分區(qū)的非點(diǎn)源優(yōu)化控制模式，定量模擬各單項(xiàng)控制措施及措施組合效果，篩選出最優(yōu)防控方案，布設(shè)全流域非點(diǎn)源污染空間層次配置綜合防控系統(tǒng)?？紤]點(diǎn)源、非點(diǎn)源的綜合控制和方案管理，因地制宜形成全過程控制與管理體系。做到如何將控制管理理論實(shí)施到實(shí)踐當(dāng)中是我國(guó)研究學(xué)者未來研究的重點(diǎn)。

新型非點(diǎn)源污染物也是近幾年全球?qū)W者研究的熱點(diǎn)，其對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)帶來的潛在高風(fēng)險(xiǎn)問題已不可忽視。黃河流域目前關(guān)于這方面的研究少有報(bào)道，未來應(yīng)重視新型非點(diǎn)源污染物的研究?？蓮男滦臀廴疚锏膩碓唇馕?、環(huán)境行為、過程控制技術(shù)與管理措施、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析等方面進(jìn)行，探究其內(nèi)在機(jī)理。在當(dāng)今世界各國(guó)面臨著新冠病毒威脅這一大形勢(shì)下，還需探究黃河流域病原微生物潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)防控奠定基礎(chǔ)。

黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略給黃河流域非點(diǎn)源污染研究帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，從2019年8月至2020年6月，習(xí)近平總書記先后前往甘肅、河南、陜西、山西、寧夏5個(gè)省份進(jìn)行調(diào)研，針對(duì)黃河流域提出一系列的治理理念，將生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展放在同等重要的位置。對(duì)黃河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷定量化與控制的系統(tǒng)深入研究有利于黃河流域水體污染的有效防治，從而助力地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展，為國(guó)家重大水環(huán)境戰(zhàn)略任務(wù)的順利實(shí)施以及黃河流域高質(zhì)量發(fā)展提供有力的理論依據(jù)與技術(shù)支持。