（环境工程专业论文）黄河流域典型区域非点源污染研究.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h es o c i a la n de c o n o m yf a s td e v e l o p i n ga n dt h e u t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sf u r t h e re n h a n c i n g ，t h ev o l u m eo fw a s t e w a t e ri ny e l l o w r i v e rb a s i ni si n c r e a s i n gd a yb yd a y t h ew a t e rp o l l u t i o np r o b l e mi ny e l l o wr i v e r b a s i ni sg e t t i n gm o r es e r i o u s p r e v i o u ss t u d i e so ny e l l o wr i v e rb a s i nw a t e rr e s o u r c e s c o n s e r v a t i o np r i m a r i l yf o c u s e do nt h ep o i n ts o u r c ep o l l u t i o nc o n t r 0 1 h o w e v e r , t h e r e s e a r c ho nt h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nf o r m a t i o na n dc o n t r o lc a n n o tb ei g n o r e d ，a s i ti sa l s oa ni m p o r t a n ta s p e c tw i t h i nb e a t i n gc a p a c i t yo f w a t e rr e s o u r c e t h i sr e s e a r c hf o c u s e do nt h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt w ot y p i c a lr e g i o n so f y e l l o wr i v e r ：t h ea g r i c u l t u r ef i l l e dd r a w sb a c kr e g i o na n dt h es o i le r o s i o nr e g i o n 1 、a u t h o rc h o s et h r e et y p i c a la r e a si nt h en i n gx i ay e l l o wf i v e ri r r i g a t i o na r e at o i n v e s t i g a t ea n d m o n i t o rt h ed i r e c t i n ga n dd r a w i n gb a c kw a t e rv o l u m ea n dt h ew a t e r q u a l i t y , d i ds i m u l a t i o nt e s to f s o i lp o l l u t a n tl e a c h i n gi nt y p i c a la r e a ，s t u d i e dt h e h y d r o l o g y a ts t a n d i n gh y d r o l o g i c a lc r o s ss e c t i o n ，w a t e rq u a l i t ym o n i t o rd a t a ，a n d o t h e rr e l a t i v ei n f o r m a t i o ni nx i a h e y a ni r r i g a t i o na r e aa n ds h i z u i s h a ni nt e r m i n a l t h r o u g h t h eg e n e r a l i z e da n a l y s i sa n dt h em a c r o s c o p i cs u r v e yo nt h en o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o no f t h ea g r i c u l t u r a li r r i g a t i o nd r a w b a c kw a t e ra tn i n g ，x i ai r r i g a t i o na r e a ， a u t h o re s t i m a t e dt h ei n f l u e n c eo f d r a wb a c kw a t e rt ot h ey e l l o wr i v e rw a t e rq u a l i t yi n m i sa r e a 。 2 、b ym o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gt h es o i l ，s i l t ，a n dw a t e rs a m p l e sf r o mt h es i x t y p i c a lb r a n c hb a s i n s ( w u d i n g h er i v e r , k u y er i v e r , h u a n gf u c h u a ni ny e l l o wr i v e r c o a r s es a n do r i g i na r e aa n dw e i h er i v e r , l u o h er i v e r ( n o r t hl u o h ef i v e r ) ，j i n g h e r i v e rw h i c ha r ef i n es a n do f i g ma r e a s ) ，c o n d u c t i n gt h ee x p e r i m e n to f t y p i c a la r e as o i l s a m p l e ss o a k i n ga n dr a i s i n g a n dc o m b i n i n gw i t l ly e a r so fh y d r o l o g i c a ld a t af r o mt h e y e l l o wr i v e ra n di t st y p i c a lb r a n c h e s ，a u t h o rc a r r i e do u tt h eg e n e r a l i z e da n a l y s i so n n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h es o i le r o s i o nr e g i o na n de s t i m a t e dt h ei n f l u e n c eo f s o i l e r o s i o nr e g i o nt ot h ey e l l o wr i v e rw a t e rq u a l i t y t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no nd i f f e r e n tt y p e so f n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni n t y p i c a la r e ai nt h ey e l l o wr i v e rb a s i n ，a u t h o rp r o v i d e dt h ee s t i m a t i n gm e t h o d s ， t e c h n o l o g i e sa n dm e a s u r e st ot h eq u a n t i t yo f c o n t a m i n a t i o n ，f u r t h e re n r i c h e dt h e r e s e a r c hi nt h i sf i e l d t h i sr e s e a r c hc a np r o v i d es o m et e c h n i c a ls u p p o r t st oc o n t r o l l i n g n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h ey e l l o wr i v e rb a s i n , f o r m u l a t i n ga n di m p l e m e n t i n g t h eb a s i np o l l u t a n tc o n t r o lp l a n ，a n dp r o t e c t i n gt h ey e l l o wr i v e rw a t e rr e s o u r c e s k e yw o r d s ：b a s i n ，n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，f i l l i n ga n dd r a w i n g b a c ki n a g r i c u l t u r ea r e a ，t h ew a t e r s o i le r o s i o n 1 上j 一 刖舌 长期以来，国内水污染防治主要以点源污染控制为主。随着点源污染逐步得 到有效控制，非点源污染问题逐渐凸现出来，并受到社会各界的关注。目前，发 达国家已把控制非点源污染作为水质管理的组成部分，我国的水污染防治工作战 略上也正在从“以点源污染控制为主”向“点源与非点源污染控制相结合”转变。 黄河是中华民族的摇篮，黄河流域经济开发历史悠久，文化繁衍源远流长， 曾经长期是我国政治、经济、文化的中心地区。 黄河作为我国西北、华北地区最大的供水水源，以其占全国河川径流2 的 有限水资源，承担着本流域和下游占全国1 5 耕地面积引黄灌溉、1 2 人口及5 0 多座大中城市的供水任务，同时还承担向流域外部分地区远距离调水的任务。 然而，近年来水污染问题已成为黄河流域经济社会持续发展的制约因素，引 起国家和社会各界的高度关注。造成黄河水污染的重要原因是污染物的大量输入 和近年来黄河来水持续偏枯，接纳污染物量远远超过水环境的承载能力。在黄河 流域以往的水资源保护工作中，主要以点源污染控制为主，而非点源污染形成与 控制的研究也是水环境承载能力研究的一个重要方面，不容忽视。目前，黄河流 域非点源污染调查、研究以及污染负荷定量化的研究尚少。 本文针对黄河流域的两个典型区域( 宁夏灌区的农灌退水区域和水土流失区 域) 。通过水量、水质、土壤、泥沙的现场调查和监测分析，农灌退水区土壤样 品污染物浸出模拟试验和水土流失区土壤样品的浸提试验，并结合黄河及相关区 域的多年水文资料，进行了综合分析和宏观测算，估算出宁夏灌区的农灌退水和 水土流失对黄河水质的影响。 通过对黄河流域典型区域不同类型的非点源污染调查和研究，给出了污染量 估算方法、技术和手段，丰富了这方面研究的内容，为黄河流域非点源控制、制 定和实施流域污染物总量控制方案及保护黄河水资源提供了一定的技术支持。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 d 一石年，2 月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 二净 论文作者( 签名) ：釜型。? 护f 年2 - 月 日 ( 注：手写亲笔签名) 第一章绪论 1 1国内外非点源污染研究现状和发展趋势 非点源污染是指由于土地利用活动产生的溶解的或固体的污染物( 地面的各种 污染物质，如城市垃圾、农村家畜粪便、农田中的化肥，重金属及其他有毒或有机 物) ，从非特定的地点随着降水产生的径流，进入受纳水体造成的污染踟。 1 1 1 国外研究进展 2 0 世纪6 0 年代，随着农药对生态系统的影响受到关注，人们开始注意农业非点 源污染的潜在危害，并开始进行污染负荷的定量化研究。如美国加州的h y d r o c o m p 公司开始为美国环保局( e p a ) 研制农药输移和径流负荷模型( p t r ) 以及7 0 年代 初的城市暴雨管理模型( s w m m ) 等。 7 0 年代中期，非点源污染模型的研究有了较大的发展，主要取得了两方面的重 要进展：一是从简单的经验统计分析提高到复杂的机理模型；二是从长期平均负荷 输出或单场暴雨分析上升到连续的时间序列响应分析。1 9 7 6 年美国环保局发布了著 名的非点源污染管理措施b m p s ( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e ) ，同时提供了大量的适 用非点源模型，并详细介绍了应用模型分析、评价和预测管理措施的实施效果。如 h y d r o e o m p 公司的非点源污染模型系列p 限h s p 删姗s ，以及其他研究者开发 的s t o r m 、l a n d r u m 、u t m 等。这些模型经过了些实测数据的检验并得到有 限应用。但它们往往对各种资源( 数据、费用、计算机等) 的要求很高，因此大多 数模型只适用于很小的集水面积。这些不足限制了模型的推广应用。 8 0 年代是非点源污染实用模型的发展阶段，这一时期非点源污染问题受到进一 步的关注。该阶段的模型研究主要集中在把已有的模型应用于非点源污染管理，开 发含有经济评价和优化内容的非点源管理模型。代表模型有：流域非点源污染模拟 模型( a n s w e r s ) 、农业非点源管理和政策制定的农业非点源污染模型( a g n p s ) 、 农田尺度的水侵蚀预测预报模型( w e p p ) 等。这些模型都得到了不同程度的应用。 为提高土壤侵蚀部分模拟的简便性和准确性，美国农业工程师协会( a s a e ) 逐步改 进了w e p p 模型；传统的土壤流失方程( u s l e ) 也经过改进形成r u s l e 。此时， 最佳管理措施b m p s 发展更加成熟，美国环保局、农业部水土保持局和各州政府都 建立起了相应的实施细则和办法，模型分析技术被大量应用于评价b m p s 的效果。 9 0 年代至今，非点源污染模型方面主要是对现有模型的进一步完善，借助g i s 和遥感( r s ) 等手段对传统模型进行改造，推进非点源污染的定量化研究。非点源 污染管理模型和非点源污染风险评价成为这一时期应用模型研究的最新突破点。而 且这一阶段的模型研究由纯数学问题进一步转型为一种系统决策工具，以帮助预测 非点源污染的程度并对各种水域管理措旌进行评价。同时，开发非点源系统平台， r 1 为非点源污染的研究和控制提供有力工具，也成为一个重要的研究方向 。 1 1 2 国内研究现状 我国非点源研究起步较晚，进入8 0 年代才逐渐认识到非点源污染问题的重要 性。8 0 年代我国的非点源污染研究仅是农业非点源的宏观特征与污染负荷定量计算 模型的初步研究。9 0 年代以来，农药、化肥污染的宏观特征、影响因素研究在农业 非点源污染研究中占重要席位一。 我国农业非点源污染研究在8 0 年代开展的湖泊富营养化调查是非点源污染研究 的一个分支，先后在大伙房水库、于桥水库、滇池、太湖、松花江湖、巢湖、晋江 流域等区域开展了工作汹川；之后在北京以及珠江流域的广州、辽河流域的沈阳、长 江中下游流域的上海、杭州、苏州、南京等城市开展了非点源污染研究，其中北京 城市径流污染研究为最具代表性的非点源污染研究。删；对于畜禽废物污染及管理 与研究工作，也在广州、沈阳、上海、苏州等地相继开展。在研究方法上，对非点 源污染负荷的估算，清华大学傅国伟教授等人采取两种方法：( 1 ) 直接立足于污染 2 物在区域地表径流的迁移过程；( 2 ) 通过对水体纳污量的分析计算，推算汇水区的 污染物输出量。 我国的非点源污染尚处于起步阶段，资料条件差，国外的一些复杂模型难于应 用，因此，目前很多研究仍采用简单实用的模型来对非点源污染负荷进行计算。国 内在模型方面已有一些初步的探索，仍处于起步阶段。四川省环保研究所的施为光 使用u s l e 方程计算了四川省清平水库流域非点源污染负荷”。，表达了u s l e 方程在 山区流域非点源污染负荷计算的全过程和参数率定的方法。西安理工大学水资源及 环境工程系的李怀恩提出了标准产污量与净雨量相等，产污量过程与净雨过程一致 的流域非点源产污计算模型“。 除模型计算外，也有人利用小区试验法计算流域非点源污染负荷。8 0 年代初我 国学者开始在四川沱江流域选择块有代表性的小区进行为期一年的径流采样实 验，然后将结果推广到全流域，估算出全流域的非点源污染负荷。但此方法受资金 和天气等条件的制约，除专门的研究外，一般管理部门难以使用。 我国目前的水污染控制重点仍主要放在点源上，对于非点源污染的认识尚处在 起步阶段，缺乏相应的管理研究和实践，相关的法规条例也十分有限。缺乏针对非 点源污染的治理手段，管理措旃、政策有效性的量化研究内容尚少，相关的非点源 污染管理和控制措施零散，未能形成完整的体系。非点源污染目前在我国尚未延伸 到管理政策方面的研究。 1 1 3 非点源污染研究发展趋势 非点源污染危害的广泛性、控制的复杂性将使其研究越来越受重视。 g i s 技术提供了生成、操纵和管理不同性质资料的工具跚。2 0 世纪8 0 - - 9 0 年 以来，g i s 技术在土壤侵蚀与非点源污染研究领域开始得到应用，并以其快速、灵活、 人机对话、图形显示等优点成为当前研究的热点。在人们逐渐认识到各类非点源污 染模型推广应用的局限性情况下，研究不同气候水文条件下的非点源污染模型。非 点源污染物的迁移转化更趋深入，提高数据的精确度，而后统一集成开发为有专家 系统控制、g i s 支撑的非点源污染模型软件将成为未来非点源污染模型和计算机软件 开发的主流。另外，建立以污染物迁移转化为基础的、适合于较大流域和便于推广 应用的非点源污染负荷模型；建立无资料地区非点源污染负荷的估算方法与模型研 究也将是未来发展的一个重要方面。 1 2 问题的提出 黄河是中华民族的摇篮，黄河流域经济开发历史悠久，文化繁衍源远流长，曾 经长期是我国政治、经济、文化的中心地区。 黄河是我国西北和华北地区的重要水源，是流域内各省( 区) 经济社会可持续 发展的重要支撑和保障。黄河以其占全国河川径流2 的有限水资源，承担着本流域 和下游占全国1 5 耕地面积引黄灌溉、1 2 人口及5 0 多座大中城市的供水任务，同 时还有向流域外部分地区远距离调水的任务。 近年来，随着流域内社会经济的快速发展，水资源利用程度的进一步提高，流域 废污水量与日俱增，黄河流域水污染形势日趋严峻。近年来水污染问题已成为黄河 流域经济社会持续发展的制约因素，引起国家和社会各界的高度关注。造成黄河水 污染的重要原因是污染物的大量输入和近年来黄河来水持续偏枯，接纳污染物量远 远超过水环境的承载能力。 长期以来，国内水污染防治主要以点源污染控制为主。随着点源污染逐步得到 有效控制，非点源污染问题逐渐凸现出来，并受到社会各界的关注。目前国外发达 国家已把控制非点源污染作为水质管理的组成部分，我国的水污染防治工作，从战 略上也正在从以点源污染控制为主，向工业和城市生活点源污染与农业非点源污染 控制相结合转变。 在长期的实践中发现，仅根据点源情况制定流域污染物排放总量控制方案，即 使点源达标排放，在某些时段，仍会出现功能区水质超标的现象，问题在于忽视了 非点源污染。在黄河流域以往的水资源保护工作中，主要关注点源。鉴于非点源污 染的复杂性，以及黄河流域面积广阔，气候、地形地貌、土地利用情况等条件非常 复杂，国内外的各种非点源模型难以应用。 非点源污染与流域下垫面汇流和汇污特征、降雨过程和冲刷过程、污染物最终 进入受纳水体的数量和持续时间等有关，其监测、控制和处理十分困难和复杂，为 了对其进行有效的治理与控制，必须研究其负荷定量化技术问题。目前，黄河流域 非点源污染调查、研究以及污染负荷定量化方面的研究尚少。 1 3 本文的主要研究内容 非点源污染形成与控制的研究是水环境承载能力研究的一个重要方面。非点源 对流域水体污染的影响与“贡献”的基本情况不清，将给流域水资源保护与防治规 划带来很大的困难。 本文针对黄河流域的典型区域：宁夏灌区农灌退水非点源污染和水土流失区域 非点源污染进行了研究。 在宁夏灌区农灌退水非点源污染研究中，通过宁夏引黄灌区所选三个典型区引、 退水水量、水质现场调查、监测，典型区土壤样品污染物浸出模拟试验，结合灌区 首端下河沿、末端石嘴山常设水文断面水文、水质监测数据，以及灌区相关资料等， 进行了综合分析、宏观擐算，估算出宁夏灌区农灌退水对黄河水质的影响。 在水土流失区域非点源污染研究中，通过选择黄河粗沙来源区的无定河、窟野 河、黄甫川和细沙来源区的渭河、洛河( 北洛河) 、泾河为样本，通过所选6 个典型 支流流域土壤、泥沙、水样的监测分析、典型区土壤样品浸提试验，结合黄河及典 型支流多年的水文资料，经综合分析、估算出水土流失区域对黄河水质的影响。 通过黄河流域典型区域非点源污染的研究，提出黄河流域非点源污染控制的对 策措施，为黄河水资源保护工作提供技术支持。 第二章黄河流域非点源污染特点及类型 2 1 黄河流域水污染形势 黄河是中华民族的摇篮，黄河流域经济开发历史悠久，文化繁衍源远流长，曾 经长期是我国政治、经济、文化的中心地区。 黄河作为我国西北、华北地区最大的供水水源，以其占全国河川径流2 的有限 水资源，承担着本流域和下游占全国1 5 耕地面积引黄灌溉、1 2 人口及5 0 多座大中 城市的供水任务，同时还有向流域外部分地区远距离调水的任务。 然而，近年来水污染问题已成为黄河流域经济社会持续发展的制约因素，引起 国家和社会各界的高度关注。造成黄河水污染的重要原因是污染物的大量输入和近 年来黄河来水持续偏枯，接纳污染物量远远超过水环境的承载能力。 根据2 0 0 2 2 0 0 3 年黄河水质监测资料，黄河干流5 8 个水功能区中，符合水功 能水质目标要求的有1 7 个，占功能区总数的2 9 3 ，符合水功能水质目标河长为 2 4 9 5 k m ，占总河长的4 5 7 ；未达标的水功能区数量有4 1 个，河长为2 9 6 9 k m ，分别 占总数的7 0 7 和5 4 3 。从评价的水功能区布局情况分析，达标的黄河水功能区均 位于上游甘肃五佛寺以上河段，黄河甘宁缓冲区以下各水功能区除晋、陕间的吴堡 过渡区达标外，其他各功能区水质均不能满足规划的水功能目标要求，其中宁蒙缓 冲区、内蒙古开发利用区和三门峡水库开发利用区中，有8 个水功能二级区的水质 全年劣于v 类，水污染状况极为严重。黄河干流不同水期不同水质类别水功能区比 例见图2 1 图2 3 。 黄河干流水功能区中划定有1 4 个饮用水源区，累积河长1 0 3 3 k m 。全年符合水质 功能目标要求的只有位于上游甘肃省境内的白银饮用工业用水区，其河段长度 3 7 o k m 。黄河干流饮用水源区水质达标比例为7 1 ，河长达标率仅有3 6 ，饮用水 源区水域主要超标参数为化学需氧量和氨氮。 ， 6 造成黄河如此严重污染的污染源既有集中的、有组织排放的点源，也有广泛的、 无组织排放的非点源。根据黄河水资源公报和流域污染源调查评价结果，现状黄河 流域废污水排放量4 2 7 亿m 3 a ，其中工业废水2 9 5 亿m 3 a ，生活污水1 3 2 亿m 3 a 。 根据黄河流域水资源保护局及流域省( 区) 调查成果，现状黄河干流年接纳化学需 氧量( c o d 。) 和氨氮污染物总量分别约为1 2 4 万t a 和1 1 1 万t a ，其中2 6 3 的 c o d e 和4 0 5 的氨氮来源于沿岸入黄排污口，其余7 3 7 的c o d 。和5 9 5 的氨氮来 自入黄支流。 图2 1黄河干流全年不同水质类别水功能区所占比例 图2 - 2黄河千流非汛期不同水质类别水功能区所占比例 图2 - 3黄河干流汛期不同水质类别水功能区所占比例 调查、实测表明，目前黄河流域城市生活污水处理率较低，已建的城市污水处 理厂多数不能得到有效运行，有相当比例的工业污染源不能做到稳定达标排放，调 查时段内有超过6 0 9 6 的污染源或入黄排污口处于超标状态。 2 2 黄河流域非点源污染类型 黄河流域非点源污染主要来源于水土流失、农业生产过程中农灌退水、农村畜 禽养殖排污、农村生活污水和生活垃圾污染、城市建筑工地产生的污染、城市地面、 公路交通、矿山等固体废物堆存区污染等。根据非点源污染来源，黄河流域非点源 污染可分为以下主要类型： 1 水土流失 黄河上中游流经世界上最大的黄土高原，黄河流域的水土流失，举世闻名，是 一种典型的非点源污染，因水土流失和风蚀沙化平均每年进入黄河的泥沙高达1 6 亿 t ，泥沙在由陆地向河流的输移过程中，携带了大量的农田、山地、村落等径流污染 物质和泥沙本底物质进入黄河，过量的泥沙负荷对于受纳水体的影响，包括损害它 的美学价值、减少水库的蓄水容量、改变水生物种群及其食物供应、底质的沉积河 床淤积抬高、增加额外的需氧量并且使一些有利于底栖生物的过程受到妨碍。 2 农灌退水非点源 农灌退水非点源主要是指农业生产过程中农田养分的流失并最终进入地表或地 下水体。2 0 世纪6 0 年代以来，化肥工业取得了突飞猛进的发展，农业生产走上了高 投入、高产出的道路，其结果造成土壤养分盈余( 主要是n ，也有少量的p ) ，一经 流失，很容易造成污染。另外，农药的大量使用不可避免的造成使用残留，也通过 各种渠道进入水体，引起水质污染。农药、化肥的施用，使农灌退水非点源污染越 来越不容忽视。 在黄河流域，农业灌溉退水非点源污染的产生主要途径：黄河流域宁蒙灌区历 来就是靠黄河水灌溉的农业区，与灌溉伴生的土壤盐碱化问题，通过引黄河水冲洗 排盐来解决，大量的农田灌溉排水直接排入河道，造成河水盐分升高，而其下游区 域又利用被污染的河水进行灌溉，其结果使上游灌区排出的盐分，通过灌溉又回到 农田中，形成盐分污染循环，同时，灌溉排水中还可能携带其他土壤养分( 如n 、p ) ， 对河水造成污染。 3 城市暴雨径流污染 城市垃圾、粉尘、降尘、落叶以及部分废水等是城市非点源污染的重要来源， 由于城市不透水地面的影响，城市地表径流成为产生非点源污染不可忽视的因素。 4 农村畜禽养殖非点源污染 近2 0 年来，农村养殖业得到迅速发展，但同时也产生了大量的畜禽粪便，由于 缺乏科学统筹规划，畜禽粪便随水流入水体，造成污染。 5 农村生活污水和生活垃圾非点源污染 农村人口增长和生活条件的改善带来生活污水和垃圾产生量的逐年增加，农村 没有污水和垃圾收集处理系统，遇暴雨形成径流后，大量污染物容易进入水体。 6 。固体废物堆积区非点源污染 固体废物堆积区主要包括：矿山类开采过程和矿产资源使用产生废物的堆存( 如 尾矿、矿渣、燃煤的粉煤灰等) 、剥离地表植被土壤的矿区( 如采石场、漏填矿区 及废弃矿区等) 以及各种固体废物堆存区( 包括矿渣、化工废渣等工业废物堆存及 城市垃圾场) 等，由于这些固体废物堆存大多高于周围平均高程，在降雨过程中， 其中所含各种污染物极易形成非点源污染径流。 9 第三章非点源污染研究基本理论 3 1 水文过程与模拟 非点源污染的发生和程度与水文循环有密切联系。非点源污染负荷与降水量、 降水强度、下渗和蓄水特征及其他水文参数有密切关系。在地表径流的作用下，降 雨能量和雨滴的溅散作用使土壤颗粒发生游离，然后随地表径流流走。若土壤施用 化肥或有机肥料，在这些地区地表又产生径流，则这些污染物的很大一部分会流失 进入地表水。流动的污染物可以淋溶进入地下水，从而引起地下水的污染。非点源 污染除了受气候因素及区域特性等影响。为了了解和控制非点源污染的发生及输送， 必须研究那些导致非点源污染的水文过程，并考虑污染物到达地表水之前所经历的 各种途径 3 3 1 。 降雨 图3 - 1降雨径流转化关系框图口4 】 l o 地表径流 咫= p a s 。一s a f t 壤中流( 土壤水分的岁平运动)r = ( f - e t ) a t a s 。一q 。 地下径流( 基流) 如= q 。一a s 。一q a 式中：r s - 一a t 时段内的地表径流量( c m ) p 一降水量( c m ) s ，有效截留蓄水变化量( c m ) s d 一有效地表填洼蓄水变化量( c m ) f 一下渗率( c m h ) e t 一土壤带蒸散发率( c m h ) s f 一土壤蓄水变化率( c m ) q 1 一地下水补给量( c m ) r i 壤中流水量( c m ) r g _ 地下径流水量( c m ) s f 一地下水蓄水变化量( c m ) q r 地下水损失量( c m ) t 时段( h ) 非点源污染与水文循环过程、气象条件密切相关。因此，水文模型是非点源模 型的重要基础。 对水文现象进行模拟而建立的一种装置或数学结构称为水文模型。水文模型是 伴随着电子计算机的应用和发展而出现的一种水文模拟方法，它通过对流域上发生 的水文过程进行模拟，建成数学模型，从而在计算机上解决有关的水文问题。水文 模型按建模的技术分为以下两种： ( 1 ) 水文物理模型 水文物理模型可分为比尺和比拟模型两类，前者是根据几何相似和力学相似原 理，按一定比尺缩制的模型：后者是以一些物理量来比拟水的某些特性的模型。 ( 2 ) 水文数学模型 它又可分为确定性模型和随机性模型两类，确定性模型是描述水文现象必然规 律的数学结构，它可分为数学物理模型、概念性模型、回归模型和系统理论模型等 四类；随机模型系描述水文现象随机性的数学结构。 流域水文模型属于水文数学模型中确定性模型的范畴，它是以流域为研究对象， 对流域内发生的降雨径流这一特定的水文过程进行数学模拟，即将流域上的降雨过 程，模拟计算出流域出口断面的流量过程。 在模型结构当中，需要有一定的参数以具体规定流域的水文特性，这也就相当 于计算机程序中需要读进的常量。有了结构与参数之后，流域的水文规律与水文特 性就完整地描述出来了，只要有输入，就可计算出相应的输出。结构是根据我们对 水文规律的认识而构造出来的，参数是流域的水文特性，是一些原则上可以实测的 物理量1 3 5 i 。 目前，世界上有2 0 0 多种流域水文模型，其中比较著名的有：澳大利亚气象局模 型( c b m ) ，法国海外科技研究办公室的模型( g i r a r d i ) ，日本国家防灾研究中心 的水箱i 、i i 型模型( t a n k i 、t a n k i i ) ，罗马尼亚气象和水文所的洪水预报模型 ( m m z s s v p ) ，美国国家天气局的水文模型( n w s h ) ，美国国家天气局河流预报 中心的萨克门托河流预报中心水文模型( s r f c h ) ，原苏联水文气象中心降雨径流模 型( h m c ) ，意大利帕维亚大学的约束线性系统模型( c l s ) 和我国的新安江系列模 型等，还有当今水文科学研究和应用的热点的分布式流域水文模型嗣。 3 2 土壤侵蚀与泥沙输移 泥沙的侵蚀、输运和沉积都是天然过程，发生在整个地址年代。正常侵蚀过程 进展缓慢并能够保持自然生态系统平衡，而工业化和城市化的进程已经明显地加剧 了侵蚀，使自然生态系统的平衡受到干扰或破坏，造成土粒和化学物质迁移与运动， 不仅威胁到土壤，而且也影响到水质。大量泥沙所引起的环境污染、农业区域地表 径流迁移化学物质所造成的水源污染等，因此，土壤侵蚀本身就是一种大范围的非 点源污染。 由土壤侵蚀带来的泥沙本身也是一种非点源污染物，而且泥沙还是有机物、金 属、铵离子、磷酸盐以及其他毒性物质的主要携带者。所以，土壤侵蚀会给受纳水 体带来不良影响，包括损害它的美观价值、减少水库的蓄水容量、改变水生生物种 群及其食物供应、底质的沉积、增加额外的需氧量，并且使一些有利于底栖生物的 过程受到妨碍。要控制泥沙的流动，必须了解侵蚀的过程。实际上，在产沙的源头 控制泥沙比较容易，如果泥沙不进入水道，它对地表水质的危害也就比较小。 3 2 1 土壤侵蚀过程 土壤被认为是在一个侵蚀事件发生之初的物质；如果土壤物质在侵蚀过程中被 分离，就被认为是泥沙。侵蚀的成因是水、风力、冰、重力和人类活动，水是使泥 沙侵蚀和运输的主要动力。在水文学上，这些过程可以归入片状( 高地) 侵蚀和河 流或者水道的侵蚀。根据泥沙的来源将高地侵蚀分为两个阶段：细沟间侵蚀； 细沟侵蚀。 在土壤侵蚀定义的基础上，泥沙的脱离与输移分为四个过程，即：雨滴溅击 下分离；雨滴飞溅传输；径流作用下分离；径流输运。 3 2 1 1 沟间侵蚀 沟间侵蚀为破面薄层水流搬运溅敖土粒和对表面相对均匀的剥离过程，其基本 营力是层流，雨滴的击溅使水流侵蚀能力增大。雨滴效应是分离沟间土壤颗粒的机 制，因此，溅蚀是沟间侵蚀的主要过程，主要发生在坡面产六之前和产流之初。 为描述沟问侵蚀的雨滴效应的分离和地表浅流的过程，用降雨强度与坡度及径 流速率的乘积来估计沟问侵蚀。 d i = k ；i i e s f 式中：d ，铌沙运移率 k g m 2 s 】： k i _ 一沟间可侵蚀性参数( k g s m 3 ) ； i 降雨强度i ( m m h ) ； i 厂沟间径流速率( m s ) ； s f = s 2 ，s 是坡度( m m ) ，z 是回归系数。s f - 2 9 6 ( s i n o ) 0 7 9 + o 5 6 ，式中0 是沟间 坡角m 。 3 2 1 2 细沟侵蚀 细沟侵蚀主要由水流汇集所产生的土壤脱离，可产生较强的局部地表土壤移动。 地表水流的流体动力是细沟土壤分离的驱动力，一般用来表征导致分离的流动 能力的参数是水流切应力t ( p a ( k g m s 3 ) ) 及水流动能( k g s 3 ) 。 t = p g h s 可i , l pgq s p 一水密度( k g m 3 ) 广重力加速度( m s 2 ) b 流水深度( m ) s 河床坡度 1 广_ 平均流速( i i l s ) q 单宽流量( m s ) 事实上，流水切应力及水流动能并非在任何情况下均能准确地反映分离能力。 流水切应力及水流动能是函数关系的，对均匀流，运用谢才公式： q = c h i 5 s o 5 水流动能可以被改写成： = p g c h l 5 s 1 5 式中：c 为谢才系数；h 是水流深度( m ) 。 水流对细沟中土壤的分离率( 分离能力，队) 是一个由流体动力学和土壤的抵 抗力所表述的驱动力的函数。常用的流水切应力表示的分离速率的函数形式为： 1 4 d 。= a h 吨) “ 式中：t c _ 一土壤的临界切应力( p a ) ；a ( s m ) 和b ( 无量纲) 是系数。k 和a 、 b 均表述土壤对于流体分离的抵抗力，都是细沟侵蚀力参数”1 。 3 2 2 泥沙的输移 一旦土壤颗粒被侵蚀，它将成为径流的组成部分，会被传送几厘米或上千千米 远的地方。控制泥沙传送能力的的因素可分为三类：流动液体的特性、泥沙的特征 和其他相关伴随物质的性质。 泥沙在河渠或者低地中的输运可以分为两种：一是水流所携带的泥沙悬浮部分： 二是在河床运动中所包含的泥沙。泥沙可以沉积在河床上，也可以重新悬浮成为悬 浮体，这要看河道中不同的水力学因素而顶。 在河道的运输中，泥沙推移包括由于湍流强度和河流平均流速造成的底质的移 动。农业地区中泥沙的运动结果表明，冲泻质占总负荷的9 0 0 5 1 4 “。另外，从污 染的潜力来看，冲泻质要比推移质大。绝大部分的黏土、淤泥、有机质都包含在泥 沙的推移质部分( 除非是流动缓慢、携带大量泥沙的河流) ，在确定泥沙和泥沙结合 的污染物时，分析冲泻质的运动是很重要的。 3 2 3 输沙量的估算 产沙量一词表示特定时间内在某点量测的流域或汇流区流出的泥沙总量。输沙 比是产沙量( y ) 与集水面积中的总侵蚀量( a ) 之比：d r _ y a 。在理论上d r 是由0 至l 。产沙量往往与高地片状侵蚀有关，河道侵蚀也包括在d r 之中，因此这个因子 也可以大于1 。 某个集水面的输沙量常用以下一些办法进行估算： ( 1 ) 河流流量采样法 先确定长期的泥沙与流量的相互关系，然后结合长期的流量频率曲线，求出年 平均输沙量。 ( 2 ) 输沙法 下游某些断面或者沉积地点的输沙量是根据上游的总侵蚀量，加以折算，得出 在地表漫流与水道传送泥沙的流失( 或增加) 。这种办法必须有输沙量与上游总侵蚀 量的比值，通常是实测或者根据半经验公式计算。 ( 3 ) 经验公式法 ( 4 ) 模拟流域的泥沙模型 通常与流域的水文模型相连接。这些流域模型能够模拟单独的暴雨事件或者一 个季节流域内的水量与产沙量。 3 2 4 土壤养分的流失m 土壤养分与降雨的相互作用表现为两种形式：表层土壤养分在雨滴作用下， 向雨水中释放或被雨滴溅蚀，因而溅蚀是土壤养分流失的起始阶段；表层土壤养 分，尤其是硝态氮随雨水在土壤中入渗。土壤养分径流损失分为两部分：溶解于 径流中的可溶性养分随径流流失；吸附和结合于泥沙颗粒表面以无机态和有机态 形式存在，多为可矿化的养分。 当降雨强度超过土壤下渗速度时残生径流并逐渐汇集，形成地表径流冲刷与沟 蚀。径流在坡面形成、汇集和传递，一方面与表层土壤发生作用，这种对土体作用 表现为浸提和冲刷两种方式。在这种方式下，土壤可溶性养分因径流浸提而向径流 扩散，土壤颗粒表面吸附的养分离子因径流的冲洗作用而解吸；一方面，随径流的 形成，在径流沿坡面冲刷作用下，一些土壤颗粒被径流携带流出坡面。土壤与径流 的相互作用结果加剧了土壤养分或随径流或随泥沙流失。 3 2 5 非点源污染负荷泥沙关系的建立w 营养物在土壤中的迁移转化过程及其随泥沙迁移的过程非常复杂，受土壤性质、 吸附解吸、侵蚀过程、径流形成、植物吸收等多方面因素的影响。实用上，考虑到 颗粒污染物迁移是土壤侵蚀与泥沙输移的一部分，许多研究者常常采用富集比概念， 通过建立污染负荷与泥沙之间的关系来估算污染负荷，一般表达式为：y = s ；。e r ；y 。 式中：y i 第i 种污染物的负荷量或浓度 s i i _ 一流域内土壤表层中第i 种污染物的含量 e r ；第i 种污染物的富集比，即河流某断面处泥沙中该种污染物的含 量与泥沙来源的土壤中污染物的含量的比值 y 。河流某断面处的输沙量或含沙量 3 3 氮、磷污染物的迁移转化 3 3 1 概述 危害最大的非点源污染物是泥沙、营养盐、有毒物质、病菌、重金属和有机物 等。 氮( n ) 、磷( p ) 是恶化水质的两种主要来自农业活动的营养物。营养物以不同 形式和来源使用在农地上，如固态或液态化肥、蓄禽养殖过程及粪便处理、城市或 工业废水、废渣、庄稼残茬、灌溉水、大气沉降等。径流中的营养物有颗粒态和溶 解态。在发达国家，由于基本上实现了对工业点源污染的有效治理，非点源的营养 物已成为水环境的最大污染。 地表流失的污染物，包括土壤有机成分、作物残余、营养物质、有机物、有毒 金属和细菌。此外，泥沙也是一种重要的污染物。 土壤可以驻留、改变、分解或者吸附污染物。土壤的分解和降解过程，成为自 然界最好的再循环过程。平衡的土壤系统，对于水质不会有太大的影响。 土壤表层是最被关注的土层，根系、土壤微生物、有机体的密度在此层最高； 它也是大量溶淋的层位。因为绝大多数污染物的吸附作用、污染物与养分分解、转 化的微生物过程，多发生此层，对于非点源污染研究是极为重要的。只有可溶性污 染物才能渗透到更深的土层，最后污染地下水1 。 水是污染物主要的迁移动力，由于降雨和地表径流造成土壤侵蚀，无机物可以 成为颗粒相，或者成为溶解相而迁移。颗粒态污染物只能由地表径流迁移，溶解污 染物可以通过地表水或者土壤水、地下水来移动。 3 3 2 氮污染物的迁移转化 3 3 2 1 概述 氮是所有的活有机体所需的最重要的营养物质之一，它也是限制作物生长的最 重要的因素之一。生物化学氮循环是十分复杂的，因为氮的不同存在形态取决于氧 化还原电位。有些过程只在好气条件下发生，而有的只在厌氧条件下发生，在很大 程度上由非稳态条件下复杂的土壤结构中发生的微生物过程来控制。 化肥、大气固定的氮、使用厩肥、作物残余、降水等形式是氮进入土壤的主要 形式。 水体中的氮组成主要有两种形式：溶解态的无机氮，如( n h 卜n ) 、硝酸盐氮 ( n 0 产n ) 和亚硝酸盐氮( n 0 。- f i ) ；吸附态的氮以可交换的氨氮( n h 卜n ) 和有机氮 为主。对生物体来说，最重要的无机氮为氨氮( n 盱n ) 、硝酸盐氮( n 0 3 - - n ) 和亚硝 酸盐氮( n 0 2 - n ) 。硝酸盐氮极易迁移，可到达植物根系带，尤其在砂性土壤条件下， 也可以随表面径流迁移，氨氮易被土壤吸附，主要随着被侵蚀的土壤而流失。 所有形式的氮都是造成水体富营养化的潜在原因。氮的过剩对水生生物系统的 正常功能具有显著影响。如：当溶解的氨氮浓度超过0 2 m g l 时，则会对