小流域非点源水污染特征分析研究

段慧 张丹 杨洪霞 范力 杨朋 罗彬

小流域非点源水污染特征分析研究

段慧 张丹 杨洪霞 范力 杨朋 罗彬

依托近11年来国内学者对诸多小流域水体中氮、磷、化学需氧量、泥沙等污染特征的研究调查结果，概述了非点源水污染类型及污染物形态，分析总结了我国小流域非点源水污染特征，并重点介绍了降雨径流和土地利用、地形、土壤侵蚀、水土流失、土壤类型以及种植作物种类等农业种植活动对非点源污染的影响，小流域的农业种植活动是引起非点源水污染的重要原因，并提出了相应的措施建议。

水体污染；非点源；特征分析

非点源污染主要有农业化肥农药、农村牲畜粪便和农村居民生活垃圾等农业面源污染和城市地表径流污染、土壤侵蚀及水土流失，以及大气干湿沉降等类型，其主要污染物有泥沙、氮磷营养盐、有机和无机有毒物质以及病菌等。与点源污染相比，非点源污染具有很大的随机性、分布广泛、时空变化幅度大等特点。

从国内学者对各级河流的污染研究发现，非点源污染对水体总污染的贡献占有重要比例。因此，开展非点源水污染特征的研究，对掌控水体污染现状以及实施水污染治理有重要意义。

1 非点源污染类型

1.1 农业面源污染

小流域农业面源污染是水体总污染的重要原因。国内学者对诸多小流域水体中N、P、化学需氧量、泥沙等污染研究发现，多数小流域农业面源污染占整个流域污染的比重大于其点源污染，如颜公河流域农业面源N、P污染负荷所占的比重占到整个流域污染的80%左右，而点源污染所占比重相当小，其主要原因是土壤中N、P营养元素过剩及水土流失[1]。灌河流域N、P、化学需氧量污染负荷均在污染总量的50%左右，且主要来源于种植业、畜禽养殖业和水产养殖业污染等农业面源污染[2]。石盘丘小流域居民点、柑橘果园和坡耕地等农业面源污染累计贡献了76%以上的N、P污染负荷[2]。

1.2 城市地表径流污染

伴随着城市化进程的加快，城市和城郊地区的屋顶、街道、停车场等不透水表面的面积不断增加，在降雨过程中，这些不透水表面促进了地表径流的形成，地表径流携带着不透水表面上附集的各种污染物最终流入并污染受纳水体，从而产生了仅次于农业面源污染的第二大非点源污染源——城市地表径流污染，其污染成因主要有大气干沉降，磨损、腐蚀和土壤污染，以及融雪径流等。

1.3 其他污染类型

除农业面源和城市地表径流污染外，土壤侵蚀和水土流失以及大气干湿沉降也是水体非点源污染的表现形式。土壤本身储存着大量的氮素，据统计，全球不同气候土壤类型1 m氮库含氮量为1.07～28.07 t/hm2[5]，我国不同土地利用类型20 cm氮库含氮量为1.80～13.05 t/hm2[3]。土壤侵蚀及水土流失能促使土壤中本身的N素和农业生产活动产生的N素进入水体造成污染，同时大气干湿沉降也可引起小流域水体非点源污染，如长乐江流域土壤氮库、大气沉降和化肥施用引起的TN分别占其总入河量的23.11%、28.75% 和37. 58%[4]。

2 污染物形态

从水体污染物的形态组成来看，污染物主要以溶解态(＜0.45 μm)和颗粒态(>0.45 μm)共存的形式存在，其中溶解态污染物具有较强的生物可给性，易被水生生物所吸收，而颗粒态污染物具有较好的吸附性，能被土壤所吸附。因此，溶解态污染物分布主要受降雨径流的影响，而颗粒吸附态污染物分布则与地形因子及土地利用和水土保持措施因子密切相关。

以N、P营养盐物质为例，在通常情况下，N的流失以可溶态为主，P的流失以颗粒吸附态为主，如御临河流域2000年产生的吸附态氮和溶解态氮分别占总氮的5.1%和94.9%，吸附态磷和溶解态磷分别占总磷的54.3%和45.7%[5]。这可能是因为N循环属于气体型循环，进入水体过程中主要经过硝化作用溶解于水，且溶解性较大；而P属于沉积型循环，它的溶解性不如氮的溶解性大，同时生态系统中的磷进入水体后会有一部分沉积在底泥中不易释放。进一步的研究表明，当降雨事件发生时，总氮浓度对降雨径流变化的响应比总磷浓度的响应更灵敏，而总磷较总氮浓度表现出更高的稳定性[6]，这为上述推论提供了论据。

3 污染负荷变化规律及影响因素

3.1 降雨径流

河流枯水期污染物浓度高和丰水期污染物浓度低的现象，反映出这些污染物主要来自点源；河流丰水期污染物浓度高和枯水期污染物浓度低的现象，反映这些污染物主要来自非点源。这是由于非点源污染一般随大雨和径流产生，雨水冲刷地表，污染物进入受纳水体，从而造成水体污染。因此，降雨径流是非点源污染产生的必要条件之一，降雨径流的变化对非点源污染变化的影响十分显著，这可表现在不同水期非点源污染的变化特征方面，如柴河上游小流域总氮、总磷污染负荷在6—8月丰水期逐渐增加并达到最高，进入9月随着降雨减少后开始下降[7]。同时，戴家沟小流域[8]、蒲河流域[9]以及长江下游岔河[10]等小流域化学需氧量、N、P和泥沙污染负荷均随不同水期变化呈现出明显的时间变化特征。这可能是由于降雨量影响径流量的变化，从而对流域污染负荷产生影响。

此外，降雨强度也对流域污染物浓度有一定影响，它使污染物浓度在不同降雨阶段呈现规律性变化，如孟良崮小流域不同形态氮素的平均流失率和泥流失率均表现为大暴雨>暴雨>大雨[11]，并且在整个降雨—地表径流过程中，降雨初期是非点源污染物流失的高峰期，污染物浓度变化总体趋势滞后于降雨强度的变换[12]。这主要是因为暴雨事件发生时，在降雨初期迅速产流，而降雨强度峰值出现于流量峰值之前，使地表径流携带的污染物进入水体后，到中后期随着降雨强度的减小和径流量的持续变大，径流携带的污染物减少及水体中污染物浓度发生稀释而有所降低。

3.2 土地利用

许多研究表明，不同的土地利用类型如林地、草地、旱地、水田等对流域污染负荷影响有所不同，如申家河流域旱地仅以流域33.9l%的面积分别贡献了68.40% N、66.84% P地表径流和93.70%N、64.47% P壤中流污染负荷[12]。流溪河流域颗粒态N流失量中水田贡献最大占40.02%，其次为林地占26.31%；颗粒态P流失量中旱地贡献最大占28.75%，其次为水田占26.94%[13]。不同植被覆盖的九龙江典型小流域降雨径流中悬浮泥沙、N、P的流失依次为坡地果园>水稻田>半人工果林>天然次生林[14]。

不同土地利用类型对污染负荷的影响是相对的，农业活动的变化、土地利用类型的比例对流域污染物的产生也有着重要影响，如胡家山小流域在不同季节的农业活动使不同土地利用类型贡献的硝酸盐氮/TN污染负荷有所变化，即春季施肥、降雨增加和冬季大量落叶、秸秆经微生物分解及当地油菜地施肥，使在春、冬两季，对污染负荷影响最大的是旱地，而夏秋季节温度升高、畜禽放养、雨水增多，使在夏季、秋季对污染负荷影响最大的是居民地[15]。

3.3 地形、土壤侵蚀及水土流失

一般在坡度较大和林地覆盖相对较少的地方，易于产生大量侵蚀力较强的地表径流，地表径流通过对土壤的强烈冲刷和入侵，使土壤更易于被分离，以泥沙为载体的施用化肥及其他农用化合物也更易溶解于土壤中，降雨-入渗-径流与土壤相互作用过程造成水土流失，并在带走大量径流和泥沙的同时，大量的土壤营养物质及其他化合物也随之流失并进入水体。

土壤侵蚀与地形因子密切相关，徐国策等[16]研究发现坡度每增加5°，林地、草地和农地等不同土地利用的土壤侵蚀模数增加量比坡长每增加5 m的增加量要大1～2 倍。水土流失作为非点源污染物的主要载体，随着水土流失量的增加，非点源污染物流失量也随之增加。

3.4 土壤类型

在流域非点源污染影响因素中，土壤类型也是引起污染负荷变化的因素之一，如章溪河流域农田耕作的水稻土（泥沙田土，泥质田土）比黄壤和红壤的污染负荷大，其中又以泥质田土的各项非点源负荷指数最大，黄泥土的总氮、总磷负荷最小[17]。不同的土壤类型对流域污染负荷的影响主要是通过其本身的养分含量、农业耕作、侵蚀模数以及径流量的差异实现的。

3.5 种植作物种类

土壤的淋湿作用与植被覆盖度及种植作物种类有密切关系，进而对流域污染负荷产生影响，随着覆盖度的增加，坡面地表径流量、产沙量、壤中流均有明显减小的趋势，如鹦鹉沟小流域覆盖度最高的花生地对于径流携带的氮素和泥沙携带的磷素的削减作用强于玉米地[18]；涪陵区连丰村小流域农地中以柑橘园对N、P流失的贡献率最大[19]。因此，在控制泥沙及各污染物输出方面可根据要求选取不同的作物。

4 水环境污染防治与控制措施建议

大量的污染物进入水体，不仅破坏水生生态系统，而且危害及人体健康，使人们工农业生产、生活受到影响。要解决我国小流域水污染问题，必须从多方面综合考虑，其控制措施主要有：

（1）控制点源污染：调整产业结构，关、停、并、转那些耗水量大、污染重、治污代价高的企业；加强工业污染源的监督管理和污染物超标排放的惩罚力度；建立城市污水处理系统。

（2）控制农业面源污染：采取水土保持措施，加大难利用地的生态恢复治理措施，切实落实退耕还林政策；调整土地利用组合结构及比例；改进化肥施用方式，提高化肥利用率，合理施用农药；规划养殖区，防治畜禽养殖业污染；开展生态农业示范工程，综合利用农村能源；开展宣传，提高农民的环保意识。

（3）控制城市地表径流污染：加强城市管理，妥善处理城市垃圾；加强城市规划，如通过绿化工程采取植被防护措施，加强居民建设用地的水土流失防治，减轻建设用地对水土资源环境的破坏；合理设计城市雨水、污水排放系统。

（4）实施生态护坡和护岸工程，防止河道周围泥沙及附载的污染物进入水体；发展水体生态修复技术，如建立人工湿地，净化和改善受污染水体水质状况。

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X593

A

2095-6444(2014)06-0059-03

2014-08-25

国家水体污染控制与治理科技重大专项“三峡库区及上游流域水环境风险评估与预警技术研究与示范课题”子课题“三峡库区上游入库污染物通量监控预警技术研究及示范”（2013ZX07503-001-02）

段慧、张丹、杨洪霞、范力、杨朋、罗彬，四川省环境监测总站。