典型农用地降雨径流污染物输出特征

胡晓东, 翁松干, 李志清

(江苏省水利科学研究院, 南京 210017)

典型农用地降雨径流污染物输出特征

胡晓东, 翁松干, 李志清

(江苏省水利科学研究院, 南京 210017)

选取常熟金泾塘地区典型农用地为研究对象，通过人工降雨研究不同降雨条件下径流污染物的输出特征，并分析径流污染对河水污染的贡献。结果表明：小强度降雨径流初期污染物输出浓度最大，而高强度降雨径流污染物输出最大浓度相对滞后；污染物TN和CODMn输出总量远大于TP和氨氮，且污染物输出总量随雨强增大而增加，但并不呈线性增长关系；径流污染输出的TN和TP对金泾塘河水污染贡献较大。

农用地; 径流; 污染;人工降雨； 输出特征

1 研究背景

随着我国农业生产方式的转变，大量农药和化肥得到使用，在降雨过程中，土壤中的氮素和磷素等营养物质、农药以及其他污染物质，通过地表径流等形式流入水体，形成面源污染[1]。目前，针对地表径流污染的研究也非常广泛，从城市降雨径流污染管理[2]到径流污染迁移转化过程研究[3]，从大流域降雨径流污染输出特征[4]到流域径流污染模型[5]等等均有大量研究，但对流域内微观单元特别是农用地降雨径流条件下污染物输出特征的研究相对较少[6]。

本文试验区域位于常熟金泾塘，该地区农田主要用于蔬菜种植，田间施肥量较大，通过降雨径流进入金泾塘，造成面源污染。本文通过人工模拟降雨，研究径流污染物的输出特征，并分析其对金泾塘河水污染的贡献情况。

2 材料与方法

(1) 试验装置。本试验所用装置主要由供水水箱、泵、流量计、布水器4 部分组成, 在布水器周围设计挡风板来减小风力对模拟降雨的影响。由供水水箱提供一次试验所需全部用水, 经由泵、流量计调节流量到布水器，试验用水采用自来水。

(2) 试验过程。通过测定土壤中污染物浓度，选择3块互不干扰且土壤本底污染物浓度相近的农用地，分别设置7.5，17.5，42.5 mm/h的降雨强度，降雨面积为2 m×2 m，径流下游设置集水沟，沟槽内垫置PVC塑料膜防止径流水量下渗，集水沟尾部放置取样设备，从产生径流开始算起的5，10，15，20，25，30，40，50，60，80，100，120 min进行取样分析，另外取径流终点金泾塘河水进行水质测试。

(3) 测试方法。每试验地块采5个土样进行污染物浓度测试，TP采用碱熔-钼锑抗分光光度法，TN采用半微量凯氏定氮法，氨氮采用氯化钾溶液提取-分光光度法；水样取样后分别对CODMn，TP，TN，氨氮进行测试，CODMn采用高锰酸钾法，氨氮采用钠氏试剂比色法, TP采用钼酸铵分光光度法,TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法进行测定。

3 试验结果与分析

3.1 土壤污染物本底浓度

土壤本底污染物浓度决定径流污染物的浓度,本次试验3块农用地土壤本底污染物浓度见表1。

表1 土壤本底污染物平均浓度Table 1 Average concentration of backgroundpollutants in soil

从表1中数据可以看出，3个试验地块的土壤污染物浓度差别较小，相对标准偏差均在10%以内，说明各地块用于比较试验是符合要求的。

3.2 产流时间

土壤产流与其土壤含水量密切相关，由于本次试验场地相邻距离很近，各试验农用土含水率视为相同，本次试验仅观测不同强度降雨条件下的产流开始时间，结果见表2。

表2 各降雨强度下试验产流开始时间Table 2 Start time of test runoff under differentrainfall intensity

从表2可以看出，其中7.5 mm/h和17.5 mm/h的降雨强度产生的径流为饱和流，也就是说土壤含水率达到饱和状态后才开始产流；而42.5 mm/h的降雨强度产生的径流为超渗流，土壤没有达到饱和就产流。这2种情况下，雨水在土壤中的停留时间不同，对污染物溶解的程度将产生差异。

3.3 降雨径流污染浓度输出特征

对2 h降雨径流水质进行分析，结果见图1。

从图1中可以看出，不同降雨强度条件下的径流污染物浓度差异较大。首先径流中各污染物质在不同降雨强度下表现出不同的历时特征，在降雨强度为42.5 mm/h条件下，初始径流浓度较低，在约25～40 min后，TN,TP,氨氮和CODMn的浓度到达最大值；而17.5 mm/h的降雨强度条件下，径流中的TN浓度较高，但TP,氨氮和CODMn的浓度还相对较低，在15～25 min后，各污染物浓度达到最大值；而7.5 mm/h的降雨强度下，径流污染物初始浓度较高，随着降雨历时的推进，污染物浓度逐渐下降。

其次，从污染物质浓度最大值数据来看，TN,TP,氨氮以及CODMn浓度最大值均出现在17.5 mm/h降雨强度下15～20 min之间的径流中，数值分别为8.24，2.73，1.91，7.06 mg/L。

(a) TN

(b) 氨氮

(c) TP

(d) CODMn

结合产流时间不难看出:①大强度的降雨，土壤在非饱和含水率条件下开始产流，其在土壤的停留时间较短，土壤污染物质尚未溶解到水中，导致初期雨水中污染物浓度较低；而强度较小的降雨，其产流形式为蓄满产流，也就是土壤包气带和饱水带基本饱和后产生的径流，雨水停留时间久，污染物质溶解比较充分，因此其初期雨水中的污染物浓度较高。②从各污染物最大浓度数值来看，在3种不同降雨强度下，17.5 mm/h的强度下的产流污染物浓度最高，这说明尽管较小降雨强度下雨水能在土壤中有更多的停留时间，有利于污染物溶解，但同时，雨强对土壤扰动的作用也不容忽视。而42.5 mm/h降雨强度同样具有较强的扰动能力，能够加快表层土壤中污染物质的溶解速率，但由于其水量较大稀释了污染物浓度，因此其径流污染物质浓度仍较小。

3.4 降雨径流污染物总量输出特征

由于本次试验采用人工模拟降雨的方法，因此降雨雨强和降雨时间可以人为设定，使得降雨量的计算可以非常精确，并由此可以计算分时段降雨中污染物总量。

从图2中可以看出，总体污染物总量上，TN和CODMn总量较高，而氨氮和TP污染物总量输出较小。

表3 各时段不同降雨强度下污染物输出累计总量Table 3 Accumulated amount of pollutant output at different periods under different rainfall intensity mg

(a) 7.5 mm/h雨强

(b) 17.5 mm/h雨强

(c) 42.5mm/h雨强

另外，对分时段污染物输出总量进行分析，可以看出在7.5 mm/h的降雨强度下，前30 min的污染物输出总量最大，随着时间的推进，各时段污染物输出总量的数值反而下降。17.5 mm/h的降雨强度下，各时段污染物总量输出的特征与7.5 mm/h的降雨强度污染物输出特征基本类似，仅在后期80～120 min的降雨中，污染物总量稍微有所提升。但42.5 mm/h降雨强度下，污染物总量输出特征与将两者差异较大，其降雨污染物总量输出最大的时段集中在20～50 min这个时段，这与浓度的输出特征相对应。

对各时段污染物输出累计量进行统计如表3所示。

分析表中数据，可以看出，对于TP和氨氮的污染物总量输出，在形成产流的初期，降雨强度为7.5,17.5,42.5 mm/h的产流中污染物输出总量差距不多，10 min以后，TP输出总量的差异才随着降雨强度的增大而增大；而对于氨氮而言，42.5 mm/h降雨强度下10 min内污染总输出量最小，只有9.8 mg；TN输出量在前10 min内，17.5 mm/h和42.5 mm/h的差异不大，但均比7.5 mm/h的降雨强度下TN输出量大；CODMn在各个时段上的输出量均随降雨强度增大而增大。但无论TP，TN，氨氮还是CODMn，其降雨污染物输出总量与降雨强度间并非成线性增长关系，17.5 mm/h和42.5 mm/h在120 min的降雨过程中输出污染物总量相对于7.5 mm/h的输出总量：TP分别为其2.2倍和3.7倍、TN分别为1.5倍和3.5倍、氨氮分别为2.2倍和4.9倍，CODMn分别为2.4倍和5.9倍。

3.5 径流与河水污染物浓度分析

对金泾塘河水水质进行分析，与各降雨强度下径流污染物平均浓度进行比较，结果见表4。

从表4可以看出，对河水污染贡献较大的是TP和TN，而氨氮以及CODMn径流中污染浓度相比河水要小，因此说明河水受其他因素污染。相比较各降雨强度，7.5 mm/h产生的径流中TN含量较高，是河水TN含量的重要污染源。

表4 不同降雨强度下河水及降雨径流污染物浓度Table 4 Concentration of pollutants in river waterand rainfall runoff mg/L

4 结 论

(1) 降雨强度对径流污染输出特征有较大的影响，小强度降雨初期污染物浓度最大，而高强度降雨径流污染物最大浓度相对滞后。但总体而言径流污染物浓度在30 min内均能达到最大值。

(2) 降雨径流污染物TN和CODMn输出总量远大于氨氮和TP，且无论雨强大小，初期污染物输出总量大于后期污染物输出总量；污染物输出总量随雨强增大而增加，但并不呈现线性增长关系。

(3) 对研究区域而言，降雨径流污染对河水污染物质中TN和TP贡献较大，而对氨氮和CODMn贡献较小。

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(编辑：赵卫兵)

Characteristics of Pollutant Output in Farmland Runofffrom Simulated Rainfall

HU Xiao-dong, WENG Song-gan, LI Zhi-qing

(Jiangsu Hydraulic Research Institute, Nanjing 210017, China)

The output characteristics of pollutants in farmland runoff under different artificial rainfall intensity was researched at typical farmland in Changshu suburban area. The contribution of runoff pollution to the river pollution was also discussed. Result revealed that 1) the maximum concentration of pollutant appeared at the beginning of the rainfall under small intensity, while emerged later under big rainfall intensity; 2) the summation of TN and CODMnoutputs were far larger than the output of TP and ammonia nitrogen, also the summation of pollutant increased with the increase of rainfall intensity but the change was nonlinear; 3) TN and TP had a greater contribution to the river contamination.

farmland; runoff; pollution; artificial rainfall; output characteristic

2013-10-27;

2013-11-04

江苏省水利科技项目(2012064)

胡晓东(1979-),男，重庆市人，高级工程师，从事生态修复方面的研究工作，(电话)025-86338564(电子信箱)challyno1@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.005

X52

A

1001-5485(2015)02-0020-04

2015,32(02):20-23