小流域面源污染治理与评估模型研究进展

余志敏 袁晓燕 施卫明

(中国科学院中科院南京土壤研究所，江苏 南京 210008)

小流域面源污染治理与评估模型研究进展

余志敏 袁晓燕 施卫明

(中国科学院中科院南京土壤研究所，江苏 南京 210008)

随着社会经济的发展，我国水体污染状况日益严重，如何有效控制水体污染已经成为环境保护工作的重点。本文介绍了面源污染小流域水体环境的影响因素，提出流域性污染治理的对策，并对小流域污染治理的国内外研究进展进行了初步的总结，如小流域地形影响、污染构成及流失规律、模型的开发与应用等，进而为我国的水体环境污染治理工作提供经验借鉴及技术参考。

小流域;水土流失;面源污染;模型

据《2008年中国环境状况公报》显示，我国七大水系流域Ⅰ类至Ⅲ类水质断面比例占55%，Ⅳ类为18%，Ⅴ类为6%，劣Ⅴ类占21%;与上年相比，水质污染略有减缓，但水系水质整体污染的势头并未得到根本性遏制。了解流域性的面源污染来源、其发生途径、治理与控制研究进展对于改善我国水体环境状况有着重要的意义，也可以为相关的面源污染治理技术与控制对策提供理论依据。

小流域污染是由于流域内自然因素(降雨等)、人类生产生活等原因，产生的营养物质与污染物质超过流域自身的环境容量，从而造成流域内水体环境的污染。

1 污染来源

1.1 水土流失

在人类活动的影响下，降雨将大气中污染物质携带下来，进入地表径流;另一方面，地表和土壤颗粒吸附的无机营养物、有机杀虫剂及重金属等污染物通过地表径流的浸提和冲洗作用，进入水体从而造成流域水体的污染。

1.2 农业面源

在种植业、养殖业中，肥料使用过量，畜禽粪便缺乏处理措施等现象十分普遍，据统计，我国氮肥平均利用率为30%－35%，磷肥为10%－20%;农药年均使用量达50万t左右，其中约30%被农作物吸收，而35万t流入江河、土壤及农产品中，使全国933.万hm2耕地遭受了不同程度的污染;我国每年产出秸秆6.5亿多t，畜禽养殖场排放的粪便及粪水超过17亿t，未经处理、利用的粪便和冲洗粪水，严重污染了流域的土壤和水体环境［1－2］。

1.3 农村生活源

农村市政设施相对缺乏，居民生活污水(包括厕所排水、洗浴洗涤和厨余污水等)直接排放入水环境。在我国具有代表性的9省43县74个村庄的调查表明，96%的村庄没有污水处理系统，生活污水随意排放。另一方面，生活垃圾大多露天堆放，不但占用土地面积，而且垃圾渗漏液容易进入水体环境，对地表水及地下水体环境造成影响。全国因固体废弃物堆存而被占用和毁损的农田面积超过13.33万hm2，3亿多农村人口面临饮水安全问题［3］。

1.4 大气干湿沉降

我国农业化肥施用大多采用撒施及表施，化肥利用率低，大量氮养分挥发进入大气层，通过干湿沉降进入水体，造成水体污染，成为农业非点源污染中不可忽视的重要来源。中国科学院南京土壤研究所施卫明等在江苏宜兴地区2007年到2009年研究认为大气沉降氮的来源中以畜禽养殖粪便、化肥施用过程中氮挥发为主要部分。1968－1997年，长江流域大气沉降氮量由4.9 kg N ha－1a－1增加到18.2 kg N ha－1a－1;每年向环境输入氮量中氮沉降占20%－30%［4］。南京、常熟和杭州三地雨水带入湿沉降量约为26 kg N ha－1a－1，全年大气干湿沉降氮总量33 kg N ha－1a－1左右;水稻生长季沉降的氮量高于小麦季［9，10］。

2 治理模式与措施

2.1 小流域治理模式

针对不同地域特征，国内许多学者都提出了相应的治理模式:根据小流域内不同功能区面积的大小，杨慧忠将小流域综合治理模式大体上可以分为生态型、经济型、综合型三大类［2］;周建平以东港小流域为例探索出一种城郊型水土保持开发治理模式［7］;于小光针对辽宁省流域分类提出“镶嵌治理模式”、“金字塔”型治理模式、区域经济与小流域开发治理相结合的模式［8］;柴春山筛选出了适合半干旱黄土丘陵沟壑区的水土流失治理模式［9］。

2.2 小流域治理措施

治理措施主要包括生物修复、工程治理和土地利用方式等。生物修复包括休耕、封山育林、退耕还林等措施;工程治理可分为污染源头控制工程(农用物资的优化使用及畜禽粪便减量控制等)、过程治理工程(产业合理配置、坡面防护工程、沟渠治理工程等)、末端治理工程(蓄洪排洪工程、人工湿地工程、植被缓冲带、塘处理等);土地利用方式转换有轮作、间作、套种、混播、填闲种植等措施。

3 研究进展

3.1 国外研究现状

近年来，国外学者针对小流域污染地形地貌影响、氮磷的排放负荷及规律、流域水体的影响因素等各方面开展了大量的实验研究［10－11］。另外，利用模型对小流域污染物质进行模拟也是面源污染研究的重点［12－13］。

Dharmasena的土壤损失研究数据说明覆草带和递级篱墙两种农业保持措施可以提供超过80%的水库小流域土壤侵蚀保护;与现有的轮作措施相比，岸堤仅能提供40%的保护，同时可以减少50%以上的径流［14］。Veum等研究表明草地缓冲带可以明显减少径流(8.4%)，无论草地还是林地缓冲带都没有对表面径流产生溶解有机碳污染，植被缓冲带有益于减轻径流和污染物输出［15］。Schlunegger等研究的模型揭示了小流域排水中，沉积物输出随沟底沉积物抗侵蚀能力的下降而普遍增加，山坡坡面扩散有利于减少整个流域的土壤侵蚀［16］。

Ide等对日本山区小流域的研究结果表明，在特定的排出水平时，溶解态的氮磷负荷与颗粒状氮磷负荷排出关系相一致;绝大部分的氮以溶解态输出，磷以颗粒状输出［17］。Lenwood等指出在研究流域内三种类型水体中，除草剂浓度在晚春和初夏的时候最高，而从8月初到4月中旬，阿特拉津和甲氨基粉的浓度都很低甚至监测不到［18］。

Poulenard利用红外线光谱追踪到小流域沉积物的主要来源是河堤［19］。Böhlke等通过对水体内硫酸盐中δ34S的研究，表明小流域大气硫沉降与土壤积聚、生物积累、地表水停留时间的变化密切相关［20］。Honoso等人利用S和Sr同位素研究结果表明，肥料中的溶解态S通过农业地带的土壤过滤作用渗透到河水中，肥料中的Sr很快溶解和混入到土壤中;S同位素分析可用于区别不同种类的肥料，作为小流域河流污水环境诊断的有力工具;Sr同位素可应用于判别与Sr有关的农用化学品对农业土壤的影响;将S和Sr同位素浓度数据组合起来可能成为小流域河水水质与土壤关系的新的环境诊断技术［21］。

Shiraki等校正了基于Richard方程式的模拟方法，通过分析流域降雨与径流过程，证明低多孔性土壤加快渗漏排出时间增加了渗漏量［22］。Cho等对农业面源(AGNPS)模型在小流域的应用进行了评价，与规则的格状试验相比，不规则单元试验增加了流域的径流量，减少了流域的渗漏率和沉积量［23］。Singh等通过校正和确认表明ANSWERS模型可以有效的模拟流域在土壤适度和流域条件变化的反应［24］。Pandey等利用WEEP模型研究表明沉积物产生量与侵蚀度和有效水力传导率密切相关，径流仅对有效水力传导率敏感［25］。

3.2 国内研究现状

我国小流域污染治理工作起步相对较晚，但流域性的面源治理逐渐得到重视，并在相关科学研究和污染治理工作中取得了一定的成果。陆海明等对天津于桥水库周边农业小流域进行长期的氮素流失研究表明，土地利用空间分布格局和迁移廊道性质是造成该流域地表径流氮素浓度差异的主要原因［26］。许其功等对三峡库区小流域农业面源氮磷流失规律研究表明，长期干旱后的初期降雨径流中的氮、磷浓度明显高于雨季径流中的浓度，且氮、磷浓度变化与流量变化呈现出大致相同的趋势，氮磷的排放负荷与径流量之间存在多项式关系［27］。张荣保等以宜兴市梅林小流域为对象，建立了径流量和面源污染负荷输出量之间的数学统计模型［28］。吴志峰等在珠江三角洲地区正坑小流域的研究结果表明，旱坡地和果园两类土地利用景观类型具有相对较高的侵蚀模数，不同土地利用类型对非点源污染负荷的贡献率不同，水田中氮、磷流失对非点源污染负荷有重要影响［29］。深圳茜坑水库小流域，N、P的主要来源是化肥流失和水土流失;BOD、COD的主要来源主要是畜禽养殖和农村生活污水;NH4+－N的主要来源是化肥流失、水土流失和农村生活污水［30］。

而随着面源污染物理化学过程研究的深入和对面源污染过程的广泛监测，污染模型研究与利用已经成为流域面源污染的重要指导手段。赵刚等将AGNPS模型与技术相结合，建立云南省捞鱼河小流域试验区基础信息数据库，根据现场观测数据，模拟评价了几种常用的侵蚀控制措施的效果［31］。陈欣等的研究认为AGNPS模型可用于南方丘陵区小流域磷素流失的预测与评价［32］。焦锋等使用SWAT模型对以面源输出为主的江苏宜兴市湖滏流域进行研究，结果表明韬田是该流域总氮的主要输出源，土地利用和降雨量的变化会造成污染的变化［33］。梅立永等利用HSPF模型对深圳西丽水库流域进行模拟研究，结果表明果树施肥是该水库N、P污染的主要来源，减少化肥使用量可以使面源污染负荷明显降低［34］。

依据在小流域面源氮、磷动态变化规律实测研究，构建流域氮磷流失规律模型的研究也取得较好的进展，如李定强等建立了降雨量－径流量、径流量－污染物负荷输出量之间的数学统计模型［35］，饶群等结合实测数据和流域径流模型，建立了总氮模型［36］。李怀恩等建立了一个新的流域暴雨径流污染负荷模型，其显著特点是微观机理与宏观求解的有机统一，既考虑了水动力学与污染物迁移转化机理，又巧妙地解决了模型机理与实用性之间的矛盾，并通过实例证明该模型对多种不同类型的污染物(固态、液态、吸附态等)都能应用［37］。董亮等采用Arc/Info建立西湖流域非点源污染信息数据库，并生成了西湖流域的数字地面模型，为非点源污染专题模型库的建立奠定了基础［38］。王晓燕等利用GIS建立北京密云水库石匣小流域非点源污染信息的数据库，分别以SCS方程、USLE方程和污染物迁移为核心，初步建立非点源污染负荷模型，取得了较为理想的效果［39］。

4 问题与展望

我国目前的小流域污染治理工作取得了一定成果，但仍然存在一些问题:我国幅员辽阔，地区组成流域系统的因素比较复杂，各流域污染情况各具特点，导致相对应的小流域模型科学实用性研究有待深入;缺乏TMDL类型相关的小流域模型研究，缺少对污染物削减目标的管理指导;现有的小流域模型研究工作大多偏重模型理论研究，缺少模型指导下的治理技术研究，具有参考价值的治理实例不够。

小流域面源污染治理应当根据不同流域自身污染特点，选择相应的污染物评估模型，在应用过程中不断完善，逐步提高技术的科学实用性;在小流域模型开发与应用过程中，有目的性地开发与选择一些污染物目标总量控制的TMDL类型模型，通过对流域污染物总量及日削减目标总量控制，加强对技术实际应用的管理与指导;有效的开展相关模型的工程应用，通过具体的工程应用效果对模型及治理技术进行评价与评估，为治理技术和评估模型发展提供经验借鉴。

总之，小流域污染治理工作任重而道远，需要科研及环保工作者因地制宜，充分利用流域内环境因素，增强流域自身的消污纳污能力，将小流域污染治理与流域生态效益、经济效益、社会效益有机结合起来，不断完善相关的源头控制与工程治理技术，为改善水体环境、推动社会的可持续发展发挥重要作用。

(编辑:温武军)

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AbstractWith the development of the society and economy，the water pollution is becoming more serious in China，and controlling water pollution effectively becomes the emphasis of the environmental protection.This paper introduced the influencing factor of the non-point pollution in small watershed，then proposed some pollution control countermeasures，and preliminarily summarized the research on small watershed in the worldwide，such as landform effect，the pollutant constitution and the outflow characteristics，the model design and application of small watersheds.Though these analysis，we wish to provid some reference for the water environment pollution treatment in China.

Key wordssmall watershed;soil erosion;non－point source pollution;model

Research Evolvement of Small Watershed Pollution Management and Evaluation Model

YU Zhi-minYUAN Xiao-yanSHI Wei-ming
(Institute of Soil Science，Chinese Academy of Science，Nanjing Jiangsu 210008，China)

X52

A

1002－2104(2010)05专－0001－04

2010-05-04

袁晓燕，博士生，主要研究方向为农村面源污染控制。