（环境科学专业论文）于桥水库库区农业非点源污染及其控制对策研究.pdf

a b s t r a c t t h ey u q i a or e s e r v o i ri sa l li m p o r t a n t a d j u s t i n gr e s e r v o i ri n t h ep r o j e c to f d i v e r t i n gw a t e rf r o mt h el u a nr i v e rt ot i a n j i nc i t y a sa ni m p o r t a n tw a t e rs o u r c eo f t i a n j i n , y u q i a or e s e r v o i rp l a y sac r u c i a lr o l ei n p e o p l e sd a i l yl i f e i n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r eo ft h em u n i c i p a l i t yt i a n j i nc i t y a f t e rp o i n ts o u r c ep o l l u t i o n b e i n g c o n t r o l l e de f f e c t i v e l y , a g r i c u l t u r en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nh a sb e c o m eal e a d i n g p o l l u t i o ns o u r c e ；c u r r e n t l yt h er e s e r v o i rh a sb e e n e u t r o p h i c a t e d s os t u d yo n a g r i c u l t u r en o n 。p o i n ts o u r c ep o l l u t a n tl o s s e sf r o my u q i a or e s e r v o i rp e r i p h e r ya r e a h a si m p o r t a n tt h e o r yv a l u ea n dr e a l i s t i cm e a n i n g t h ep a p e rh a sb e e ns e l e c t e da sat y p i c a ls t u d ys i t et o s t u d ys u r f a c er u n o f fa n d c r o p l a n dl e a k a g ee x p e r i m e n t a t i o ni nt h ey u q i a or e s e r v o i rp e r i p h e r ya r e a t h e d i s t r i b u t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u so u t p u tf r o ma g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t i o nw a sc a l c u l a t e db yt h es c sm o d e ls i m u l a t i o na n df i e l ds u r v e y , a n da ne q u a l s t a n d a r dp o l l u t i o nl o a dm e t h o dw a sa d o p t e dt oe v a l u a t et h et o t a li m p a c tf o rv a r i o u s s o r t so fp o l l u t i o ns o u r c e a c c o r d i n gt ot h ew o r k sm e n t i o n e da b o v e a c h i e v e m e n t s h a v eb e e nd e s c r i b e da sf o l l o w i n g ： t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n d a i l y r a i n f a l la n d n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n sw a sv e r y r e m a r k a b l e ，w h i c hs h o w e dt h a tt h er a i n f a l lp l a y e da 1 1 i m p o r t a n tr o l ei nn u t r i e n tf r o ms o i l ，t h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t a n tl o s sv a r i e d o b v i o u s l yf r o mj u n et os e p t e m b e r , w h i c hw a sm u c hh i g h e rt h a no t h e rp e r i o d s t h el o a d so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw e r ei n f l u e n c e ds i g n i f i c a n t l yb yl a n du s e ， t h eo r d e rf o rt na n dt pc o n c e n t r a t i o n sf r o ms u r f a c er u n o f fi nt h ed i 位r e n tl a n du s e w e r ea sf o l l o w s ：v i l l a g e c r o p l a n d h i l l yc o u n t r y o r c h a r d ；c o n s i d e r i n ga r e ao f t h e d i f f e r e n tl a n du s e ，t h ec o n t r i b u t i o no r d e rf o rt na n dt pp o l l u t i o nl o a d i n g d i s c h a r g e d f r o mt h ed i f f e r e n tl a n du s ew e r ea sf o l l o w s ：c r o p l a n d v i l l a g e h i l l yc o u n t r y o r c h a r d s oc r o p l a n da n d v i l l a g ew e r ei m p o r t a n tc o n t r o la r e a t h ef i e l ds u r v e yr e s u l t sf o r a g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t a n tl o a d i n g s h o w e dt h a tt h ec o n t r i b u t i o no r d e rf o rt n ：l i v e s t o c ks o u r c e f e r t i l i z e r m u n i c i p a l s o u r c e p o u n db r e e d i n g r e s e r v o i rr a i n f a l l s o i 】e r o s i o n ，a n dt h ec 伽t r i b u t i o n o r d e r sf o rt p ：l i v e s t o c ks o u r c e s o i le r o s i o n m u n i c i p a ls o u r c e p o u n d b r e e d i n g f e r t i l i z e r r e s e r v o i rr a i n f a l l l i v e s t o c ks o u r c e ，m u n i c i p a ls o u r c ea n df e r t i l i z e rw e r e t h em o s t l ys o u r c e si nt h ey u q i a or e s e r v o i rp e r i p h e r ya r e a c r o p l a n dw a st h ea r e aw h i c hc o n c e n t r a t e df o rf e r t i l i z e ra n dl i v e s t o c ks o u r c e ， v i l l a g ew a st h ea r e aw h i c hc o n c e n t r a t e df o rm u n i c i p a ls o u r c ea n dr u b b i s h ，a n db o t h m e t h o d se x p l a i n e dt h es a m ec o n c l u s i o nf r o md i f f e r e n ts i d e t h ea r e a sf o rf e r t i l i z e r a n dl i v e s t o c kw e r ei d e n t i c a la n dc e n t r a l i z e di nb i e s h a na n dc h u t o u l i n gt o w n ，s o t h e s et o w n sw e r ei m p o r t a n tc o n t r o la r e ai nt h ey u q i a or e s e r v o i rp e r i p h e r ya r e a b a s eo nt h es t u d y , t h ep a p e ra l s op r o p o s e ds o m ec o n t r o l l i n gc o u n t e r m e a s u r e sf o r t h ed i f f e r e n ta g r i c u l t u r en o n - p o i n ts o u r c ei nt h ey u q i a or e s e r v o i rp e r i p h e r ya r e a k e yw o r d s ：y u q i a or e s e r v o i r , a g r i c u l t u r en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，s c s m o d e l ，p o l l u t i o nl o a d i n g ，c o n t r o lm e a s u r e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名： 弓媳 签字日期： 口7 年 石月f 孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞本堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 之姐 签字日期：b 口7 年6 月f 2 日 导师签名：否长玄体 签字日期：2 却7 年乡月膨日 第一章绪论 1 1 农业非点源污染概述 1 1 1 农业非点源污染特征 第一章绪论 1 1 1 1 非点源污染基本概念 非点源污染从2 0 世纪7 0 年代起进行了系统研究，据美国、日本等国家报道， 即使点源污染控制后，江河的水质达标率仍仅为6 5 ，湖泊的水质达标率为4 2 ， 海域水质达标率为7 8 t 1 1 ，许多国家已证实农业非点源污染是水污染的主要原因 专一【2 】，o 0 水环境污染可分为点源污染和非点源污染。点源污染主要包括工业废水、污 水处理厂的出水和城市生活污水通过排水管道等途径直接进入到受纳水体引起 的污染，通常有固定的排污口排放。非点源是相对于点源而言，非点源污染是指 在降雨的淋溶和冲刷作用下，大气中、地面和土壤中的污染物进入江河、湖泊水 库和海洋等水体而造成的水环境污染：或是指由于土地利用活动产生的溶解或固 定污染物( 地面的各种污染物质如城市垃圾、农田的化肥、重金属及其它有害有 毒物质以及大气悬浮物) ，从非特定的地点随着降水产生的地面径流汇入受纳水 体造成的污染【】。美国清洁水法修正案对非点源污染的定义为：污染物以 广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水体【7 】。这里的微量是指污染物浓 度通常较点源污染低，但非点源污染的总负荷量却是非常大。 1 1 1 2 农业非点源污染的特征 ( 1 ) 发生具有随机性。因为非点源污染主要受降雨以及降雨形成径流等水 文循环过程的影响和支配，降雨具有随机性，降雨强度和降雨量随时空变化，所 以由此产出的非点源污染必然具有随机性。 ( 2 ) 排放途径及排放量具有不确定性。影响非点源污染的因素很多，从而 使其排放途径及排放污染物具有不确定性。以农业非点源污染为例，农药和化肥 是非点源污染的主要来源，但不同的施用量，不同的生长季节，不同的农作物类 型，不同的土壤性质和降雨强度等，所导致的排放途径及排放污染物量具有很大 的不确定性。 ( 3 ) 污染负荷的时空变化性。非点源污染程度与气象条件、地理地质条件 第一章绪论 有关，且随着地区和时问的变化而变化。污染负荷的时间变化，如次降雨径流过 程、年内不同季节及年际变化均较大。 ( 4 ) 潜伏性与滞后性。非点源污染物的形成与非点源污染不是同步发牛的， 只有在降雨后，污染物才能随降雨径流对水体造成污染。在降雨前污染物将会在 地面积累，潜伏时间越长，污染物会越多，暴雨后产生的非点源污染负荷往往较 大。因此，非点源污染具有一定的潜伏性和滞后性。 ( 5 ) 广泛性。自然环境中非点源污染物质逐年增多，且这些污染物在地表 分布广泛，随降雨径流进入水体，其产生的生态环境影响是广泛的。 ( 6 ) 监测、控制和处理困难而复杂。由于非点源污染发生时空地点变化不 定，且非点源污染随降雨而发生，具有间歇性；污染源在进入水体前有一个地面 迁移过程，遍及广大地域。因此，对非点源污染源难以追踪，在水体中难以真正 监测，对污染物的清除和控制必须在一些特定地点进行1 8 , 9 1 。 1 1 2 农业非点源污染的危害 目前，许多发达国家已经证实非点源污染是导致水污染的主要原因之一。从 目前研究来看，农业非点源污染的危害主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 营养性物质污染水环境，加速水体富营养化 我国湖泊富营养化现象十分严重，富营养化原因包括点源污染和非点源污 染，其中非点源污染是水体富营养化的重要因素，主要污染物是氮磷等营养物质。 据太湖污染源调查发现来自非点源的总氮排放量达2 7 6 7 9 4 t ，占该区总氮排放量 的3 6 1 ，它接纳了大量含有非点源氮的入湖水；在“七五 期间，非点源氮量 占入湖总氮量的7 2 一7 5 1 1 0 】。滇池中来自地表径流的氮磷分别占总量的5 3 和 4 2 ，造成滇池非常严重的富营养化【1 1 】。水库的富营养化程度略小于湖泊，但也 有加快的趋势，例如密云水库目前也可能正朝向富营养化方向发展，非点源污染 是水库富营养化加快的主要原因之一【1 2 】。 ( 2 ) 悬浮物质引起底泥淤积，降低水体功能 由于水土流失，大量泥沙及污染物进入水体，降低了水体的容纳量，削减其 防洪与抗旱能力。同时，径流携带的大量泥沙及有害物质对水体水质也产生严重 的影响。如大盈江支流的浑水沟流域，由于泥石流侵蚀严重，大量泥沙、石块等 进入大盈江，造成河床每年以5 l o c m 的速度抬升，使中下游河道发生巨大变化， 经常引起堤防决口，严重威胁着两岸9 0 0 0 h m 2 农田及各项水利设施的安全【l 引。 ( 3 ) 毒害型物质污染水体环境，对水体生物产生有害影响 农药、除草剂以及本身具有毒性的物质，进入水体后对水生生物造成危害， 其直接危害就是引起水体生物急性中毒，更严重的是有一些有毒物质可以在生态 第一章绪论 系统各个单元中不断富集，对水生生物群落产生毒性，致使水体功能下降。如果 这些非点源有毒物进入饮用水源区，可造成饮用水源的污染，如有机磷、有机氯 农药、磷肥中镉等有毒物质在水体食物链中富集，还会危及人类健康和安全【1 4 】。 ( 4 ) 严重污染地下水 地下水污染的原因较为复杂。1 9 9 2 年调查的3 2 座国家级环境考核城市的地 下水都有不同程度的污染，调查报告在分析污染原因时发现与生活污水和农业生 产相关，生活污水和农业非点源是污染的主要原因之一【1 5 】。 ( 5 ) 使土壤退化 大量化肥和农药的施用致使许多有害物质进入土壤，使土壤质量下降，削弱 土壤或肥料中其他营养元素效应。据研究 1 6 , 1 7 1 ，大量氮肥的施用还能加快土壤中 有机碳的消耗，降低有机质的活性和土壤的供氮能力，对土壤的退化有广泛的影 响。 1 1 3 农业非点源污染影响因素 非点源污染影响因素是多方面的，涉及区域社会经济因素和自然地理因素。 一般将非点源污染分为城市和农村非点源两大类，其中农村非点源污染包括化 肥、农药、畜禽养殖粪便、水土流失、农村生活污水及垃圾等。朱颜明( 2 0 0 0 年) 【18 】认为水源地非点源污染因素有1 0 种类型：土壤侵蚀、流失，农用化 学制品的施用，城镇地表径流，农田污水灌溉，矿区、建筑工地径流， 大气干湿沉降，林区地表径流，旅游污染，水体人工养殖，底泥二次污 染。不同类型的非点源污染在发生机理上既有相似之处，又有各自的特点。对水 库流域非点源影响因素主要有以下几个方面： ( 1 ) 农田化肥与农药 农田化肥流失是造成农田化肥非点源污染最直接的原因，对水环境非点源污 染贡献较大的化肥为氮肥和磷肥。化肥和农药在农作物增产中起着重要的作用， 其使用规模直接决定t n 、t p 、有毒无机物和无机物的产生量。长期以来，我国 化肥的生产和使用一直在增长，目前化肥施用量已成为世界上化肥施用量最多的 国家之一。盲目地过量使用化肥以及施肥不合理，使化肥带来的环境污染日益突 出。研究表明【7 1 ，我国氮肥利用率仅为3 0 3 5 ，磷肥利用率仅为1 0 2 0 ， 钾肥利用率仅为3 5 5 0 ，未被利用的化肥养分通过径流的淋溶、反硝化、吸 附和侵蚀等方式进入环境，从而污染水体。 农药指包括除草剂、杀虫剂和防治牲畜体内外寄生虫的化学药品。我国是个 农业大国，也是生产和消费农药的大国之一，我国农药的产量和使用量都居世界 前列。据统计【1 9 1 ，我国每年施用的农药达5 0 6 0 万吨，其中约有8 0 的农药直 第一章绪论 接进入环境，农药污染已成为影响范围最大的一种有机污染。 ( 2 ) 畜禽养殖粪便 畜禽养殖粪便污染主要是由于未对畜禽养殖固体废物和废水进行及时、合理 的处理而引起的。近2 0 年来我国畜禽养殖业逐步转向集约化养殖，但农民散养 仍很严重。未经处理的畜禽粪便被随意堆放，造成大量养分流失，在降雨时可随 地表径流迁移、扩散和下渗而排泄到环境中，其中含有的有机物、无机盐类及其 它污染物对水环境造成严重的污染。 ( 3 ) 农村生活垃圾 农村生活污染主要来源于农村人口产生的生活污水及生活垃圾等生活废物 所带来的非点源污染。我国农村基础设施相对落后，农村生活污水几乎不经处理， 大部分污水就直接排入河道，对水体造成污染。此外，随着农民生活水平的提高， 人均用水量逐渐上升，农村生活污水排放量随之增加，同时污染物含量也有所提 高。因此农村生活污水成为我国农业非点源中的一个特有问题。 ( 4 ) 水土流失 水土流失是我国非常严重的非点源污染之一，水土流失中挟带着泥沙、有机 物、金属等污染物进入地表水体，从而污染水环境。我国的水土流失极为严重， 据统计每年流失表土至少5 0 亿吨【2 0 】，数百万吨的n 、p 、l 己通过各种途径进入地 表水体，造成严重的水体污染以及大量农作物盐分的流失。我国水土流失加快的 主要原因是人们乱垦荒地、滥伐森林、过度放牧，以及不适当的建设项目的开发 与管理。 1 1 4 农业非点源污染发生及迁移转化机理 对农业非点源污染物产生及迁移转化机理的研究是有效控制农业非点源污 染的前提，因此必须弄清污染物的产生、迁移过程及转化机理。农业非点源污染 物来自于土壤圈中的农药、化肥等农业化学物质，因而农业非点源污染的产生迁 移转化过程实质是污染物从土壤圈向其它圈层尤其是水圈扩散的过程，农业非点 源污染本质是一种扩散污染【2 1 1 。近年来，许多学者从动态的角度分别对农业非点 源污染产生的某一过程或整个过程进行了深入研究，认为作为一个连续的动态过 程，农业非点源污染的形成主要由以下几个过程组成：降雨径流过程、土壤侵蚀 过程、地表溶质溶出过程和土壤溶质渗漏过程，这四个过程相互联系相互作用， 构成一个完整的系统【2 2 2 7 】。降雨径流过程是非点源污染发生的直接动力，土壤侵 蚀过程是污染物的主要载体，地表溶质溶出过程和土壤溶质渗漏过程是农业非点 源污染物迁移转化过程，是农业非点源污染研究的核心内容。 ( 1 ) 降雨径流过程 4 第一章绪论 降雨是水土流失的原动力，与地表径流有着密切的关系。在非点源污染中， 对于降雨径流过程大多是以水文学为基础，综合考虑流域降雨、土壤类型、土地 利用方式及管理水平、前期土壤湿润情况，重点研究降雨径流产生非点源污染的 产流汇流特性。有代表性的是美国水土保持局5 0 年代提出的s c s 公式【2 8 1 。地表 径流可用下面的公式表示： 2 等器2 面( r 却- 面0 2 s ) 。， 其中：q 吖一径流量( 咖哟； 一日降雨量( n l 】m ) ； 厶一初始的损耗包括表层土的储存、截流及径流产前的入渗( 删n ) ； s 一迟滞因子( m m ) ，和土壤、土地利用、坡度、土壤含水量等有关； l = o 2 s 。 ( 2 ) 土壤侵蚀过程 土壤侵蚀过程是农业非点源污染研究的重要内容，水土流失不仅使土壤环境 和质量得到损害，而且给受纳水体带来危害，因为侵蚀的土壤是氮磷等污染物流 失的重要载体。目前使用最为广泛的是美国在6 0 年代提出的土壤通用流失方程 ( u s l e ) 2 9 1 ，该方法考虑了影响土壤侵蚀的降雨因子、土壤侵蚀因子、地形因 子、作物因子及管理因子等五大因素。该方程表达形式如下： x = 1 2 9 e k 上s c p ( 1 2 ) 式中：x 单位面积上土壤侵蚀量( t h a ) ； e 降雨侵蚀参数； k 土壤侵蚀性参数 西地形参数； c 植被覆盖因子； p 管理参数。 ( 3 ) 地表溶质随径流流失过程 国内外学者均对地表土壤溶质随径流流失过程作了相关的研究，提出了一系 列的概念和理论，a h u j al r ( 1 9 8 1 年) 提出有效混合深度【3 0 】，王全九( 1 9 9 8 年) 提出等效迁移深度的概念【3 l 】。有效混合深度包括随下渗水迁移的溶质量和随 径流迁移的溶质量，据此把有效混合深度内的溶质分成两部分：一部分称之为等 第一章绪论 效入渗深度，另一部分称之为等效径流迁移深度。等效径流迁移深度内的溶质只 参与径流迁移，不参与随入渗水的迁移。地表溶质径流流失主要研究农业非点源 氮磷污染物在农田中的径流流失机理及规律，如氮磷流失与降雨的关系、与土地 利用的关系、与施肥量的关系、与地表覆盖状况的关系等【27 1 。 ( 4 ) 土壤中溶质的渗漏过程 土壤中溶质渗漏过程的研究是目前研究中比较关注的热点，也是农业非点源 污染研究的核心内容。非点源污染物是以溶解态的形式向下层土壤迁移，其迁移 过程是一个复杂的过程，受土壤特性、作物微生物等多种因素影响，土壤中的溶 质在土壤中的迁移和分布已成为土壤溶质迁移理论中应用较多、也比较热门的研 究领域。其主要以实验结果为基础，通过建立恰当的数学模型来描述其规律，包 括微观机理模型和较为实用的宏观概念性模型。主要研究内容有硝态氮淋失量的 估算，影响其淋失的各种因素如降雨量、施肥量、氮肥形态、土壤种类及表面覆 盖植等的研究【2 6 2 7 1 。 1 1 5 农业非点源污染的研究方法 ( 1 ) 野外实地监测法 非点源污染是在降雨的冲击作用及地表径流冲刷下而产生的土壤颗粒、土壤 有机物、化肥农药等物质随径流而引起的污染。因此，在实地监测降雨径流水质、 水量的基础上，应用水文模型来模拟和估算非点源污染负荷量是非点源污染研究 的基本方法【l j 。 综合试验场法：首先在研究区域内选择一定面积、能代表研究区域各类特征 的封闭性或半封闭性区域，同步进行监测降雨径流水质、水量，确定单位负荷量； 然后通过单位负荷量乘以整个研究区域的总面积来估算非点源污染发生负荷量。 此类方法工作量不大，但典型试验区难以确定，而且仅以典型区域代替整个区域， 污染负荷量计算精确度不高。 源类型划分法：此方法也就是大区域调查分析与小区实测研究相结合的方 法，该方法在区域宏观调查的基础上，根据土地利用状况将研究区域划分为不同 的非点源污染发生类型区域；然后在每个源类型区内选择一块典型研究区域同步 监测水质、水量，确定每种源类型区域非点源污染发生负荷量。此类方法工作量 相应增加，同时也大大提高了估算精度。 ( 2 ) 人工模拟试验法 人工模拟试验法主要用于非点源污染机理和模型的研究【3 2 1 ，主要是通过人为 控制降雨条件来模拟各种自然条件下的非点源污染，因此这样也可以获得大量在 野外实地监测无法得到的数据，为机理和模型的研究提供了帮助。 第一章绪论 ( 3 ) 模型模拟法 污染模型化研究已成为非点源污染最重要的研究方法，主要是运用数学方法 及计算机技术对非点源污染进行模拟，不仅可以估算非点源污染物负荷量，而且 还可以模拟非点源污染的发生迁移转化过程，并对非点源污染进行预测研究。从 模型的发展来看，常见的农业非点源模型主要有以下几种【3 3 - 3 9 1 ，见表1 - 1 。 表1 - 1 常见的农业非点源污染模型 1 2 国内外农业非点源污染研究进展 1 2 1 国外研究进展 国外开展非点源污染研究工作起步始于1 9 3 0 年，当时主要是提出非点源污 染与洪水密切相关，讨论非点源污染物进入水体的可能性 4 0 l 。5 0 , - 6 0 年代美国水 土保持局提出了s c s 地表径流方程和u s l e 土壤侵蚀方程，这些模型在计算地表 径流和土壤侵蚀方面发挥了重要作用，也为以后非点源污染模型研究提供了方 法。7 0 年代中后期，非点源污染研究取得了重要进展，非点源污染模型开始以 研究复杂机理为基础，这一发展主要是因为农业非点源污染是一个复杂的过程， 随着水文学、土壤学等学科理论的引入，使得农业非点源污染模型理论大大丰富。 这一阶段，管理控制水平也有了很大的提高，提出了著名的最佳管理措施 b m p s t 4 。 随着研究方法和科技水平的不断提高，8 0 年代出现了大量实用计算机非点源 模型，如区域性非点源集水面环境响应模拟模型( a n s w e r s ) 1 3 4 1 、农业管理系 统中农药径流与侵蚀模型( c r e a m s ) 【3 5 】等。到9 0 年代，随着计算机的发展， 第一章绪论 新技术的引入和监测手段的进一步健全，有力的推动了农业非点源污染模型研究 工作。学多学者从非点源污染的来源、种类、迁移转化及影响等方面来建立相关 的非点源污染物模型，这些模型与r s 、g p s 和g i s 技术相结合广泛应用于非点源 污染预测，负荷估算、管理措施及风险评价，使得非点源污染研究逐渐成为环境 科学领域研究的一个热点 4 2 4 5 1 。 1 2 2 国内研究现状 我国农村非点源污染研究相对起步较晚，起始于8 0 年代的湖泊、水库富营 养化调查以及河流水质规划研究m 】。但发展很迅速，对非点源污染也逐步进行了 研究。分别在北京密云水库、太湖、黄河、长江等湖泊及流域进行了非点源污染 研究，主要是研究非点源污染特征、污染流失机理、污染负荷估算等方面 4 7 - 5 0 】。 在模型研究方面，李怀恩等建立了一个完整的流域非点源污染模型，提出流域非 点源污染物迁移逆高斯分布瞬时单位线模型及流域产污模型，在一定程度上解决 了模型机理与实用性之问的矛盾，并提出非点源污染负荷的平均浓度法模型 5 1 1 ； 郝芳华等通过水文产汇流和污染物迁移过程，分析非点源污染负荷研究中的尺度 问题及其解决途径，建立了大区域尺度非点源污染负荷估算模型，以适应规划层 次下非点源污染控制和管理的需要【5 2 1 。尽管我国对非点源污染已有了相关研究， 但仍处于起步阶段，大部分还是研究非点源污染负荷，相应的非点源污染控制管 理对策研究不足，也难以真正用到实践中去。期待进行更加深入的研究，形成非 点源污染控制的完整体系。 1 3 国内外研究存在的问题 数十年来，国内外对非点源污染的研究取得了一定的成效，采取了不少可行 的控制措施。但由于非点源污染本身的复杂性，使得非点源污染控制在实际中还 充满困难，同时在非点源污染研究中也存在许多问题。目前，非点源污染研究还 仅停留在流域或湖泊等小流域上，而对大流域非点源污染研究比较少；由于农田 和城镇径流规模大、污染严重，人们研究的重点都集中在地表水非点源污染上， 而对大气干湿沉降和地下水非点源污染的研究较少；非点源污染物监测方面，集 中在c o d 、n 、p 和大肠杆菌等常规指标上，而对重金属及p o p s 等有毒有害物质 研究较少；在非点源污染模型中，现有的模型参数率定困难，实用效果也不理想， 且大多是经验型模型。 因此，非点源污染还需要进一步深入的研究，非点源污染研究的发展趋势将 主要表现在以下几个方面：多学科相结合，完善农业非点源污染的研究理论。 第一章绪论 农业非点源污染是一个复杂的综合过程，涉及水文、土壤、环境、气象和地质等 多学科和专业，所以对其研究必须多学科相结合才会更有成效。运用各种新技 术新方法，加强对农业非点源污染的监测。由于非点源污染的发生具有问歇性、 随机性、不确定性等特征，且空间差异性大，所以监测起来非常困难。采用3 s 空间数据分析，并结合非点源常规监测，将可能提高非点源污染的监测能力。 加强对海洋非点源污染、地下水非点源污染、高速公路非点源污染及大气污染物 非点源污染的研究。完善各项法规政策，最终降低非点源污染的影响。由于农 业非点源污染存在广泛，同时具有鲜明的区域特征。因此，降低农业非点源污染 的不但要考虑适合当地的具体措施，还要制定合适的法规来确保其实施 5 3 , 5 4 。 1 4 课题研究目标、内容与技术路线 1 4 1 研究背景与意义 目前，天津市在点源污染控制方面采取了较为有力的措施，并收到了一定的 成效。但受纳水体的非点源污染未能得到有效的控制，水质恶化仍十分突出，其 中最突出表现在饮用水水源的非点源污染上，特别是于桥水库流域农业非点源污 染。于桥水库是引滦入津工程的重要调蓄水库，也是天津市最重要的饮用水源水 库，其水质的好坏直接影响天津市人民生活饮用水和工农业生产用水。 近1 0 多年来，随着于桥水库流域和周边经济迅速发展，由此引起的废水排 放量增加，特别是畜禽养殖业、农业及娱乐业入库污染物负荷急剧增加，给于桥 水库造成了严重污染，水库水质随之恶化，目前于桥水库水质处于富营养化加重 的趋势。2 0 0 0 年于桥水库流域总磷外部输入负荷量为2 1 3 3 t ，总氮外部输入负荷 量为3 1 1 8 i t ，总氮、总磷的负荷量分别来自流域非点源和库区农业非点源1 5 5 1 ， 水库库区非点源污染已经大大超过了点源污染，成为于桥水库污染的最大污染 源。因此，对于桥水库库区农业非点源污染研究势在必行。 一些学者对于桥水库水体富营养化以及水质污染变化特征进行了研究 5 6 - 5 9 】。 在前人研究的基础上，本文依托世界银行g e f 项目“海河流域天津市水资源与水 环境综合管理规划”子课题“天津市城市与农村非点源污染控制研究的资助， 对于桥水库周边地区非点源污染特征进行了汛期实验监测分析，对水库周边地区 各非点源污染源进行了更为全面、系统和详细的调查分析，从定量的角度研究水 库周边各种农业非点源污染特征及其入库负荷量。为改善于桥水库流域水质、对 控制整个天津市非点源污染以及为天津市水资源与水环境综合管理规划提供了 科学依据。 第一章绪论 1 4 2 研究目标 在野外监测实验及污染源调查分析的基础上，从污染物流失机理和污染负荷 量两方面来对库区农业非点源污染进行研究。分析降雨地表径流及农田渗漏n 、 p 污染流失特征，估算水库周边农业非点源n 、p 污染物的不同来源贡献量，并 弄清不同地区产生污染物负荷的比重，从而提出解决于桥水库区域农业非点源污 染的控制对策，达到对天津市典型区域非点源污染控制的研究。 1 4 3 研究内容 ( 1 ) 在试验区内进行野外监测试验 在于桥水库周边地区内遴选典型试验区，并在试验区内进行降雨地表径流监 测及农田渗漏实验；分析地表径流和农田渗漏中n 、p 污染物流失特征，利用s c s 模型模拟估算库区不同土地利用类型的农业非点源n 、p 污染排放量； ( 2 ) 库区农业非点源污染源调查分析 通过对于桥水库周边主要污染源类型包括化肥流失、畜禽养殖、农村生活污 水、鱼塘水产养殖、水土流失及库区降雨污染等污染源调查，利用排放经验系数 来计算库区各污染源n 、p 污染物的入库量； ( 3 ) 库区污染物排放总量及综合评价 对比污染源实地调查和s c s 模型估算这两种方法得到的结果，并分析库区污 染物不同来源及不同地区的贡献； ( 4 ) 提出于桥水库库区农业非点源污染的控制对策。 1 4 4 研究方法与技术路线 1 4 4 1 研究方法 ( 1 ) 通过资料收集和现场调查，采集与非点源相关的基础数据； ( 2 ) 通过g i s 及g p s 等工具在于桥水库区域遴选典型实验区； ( 3 ) 采用野外监测与化学分析相结合的方法，测定n 、p 等污染物浓度； ( 4 ) 通过s c s 模型及排放系数法来计算非点源污染物n 、p 排放量； ( 5 ) 采用等标污染负荷法来评价污染负荷。 1 4 4 2 技术路线 采用两条平行的技术路线，即野外试验监测模拟法和实地调查法对非点源污 染进行研究，从而得到最后研究结果及其污染控制对策。拟采用的技术路线如下 第一章绪论 图1 1 所示。 图1 1 研究技术路线图 第二章研究区域概况 2 1 于桥水库流域概况 第二章研究区域概况 2 1 1 于桥水库流域自然地理状况 ( 1 ) 地理位置 于桥水库地处北纬3 9 0 5 6 4 0 0 2 37 与东经11 7 0 2 6 - - 11 8 0 1 2 之间，位于天津市北 部蓟县境内，距蓟县县城4 k m ，处于燕山山脉边缘地带的州河盆地，是一座山谷 形盆地水库。水库汇水河流主要有沙河、黎河、淋河等支流或季节性河流。于桥 水库是一座以饮用水为主的大型调蓄水库，是天津市的一个重要水源地。于桥水 库不仅拦蓄本流域地表水，还是引滦入津工程的调蓄水库，是天津市的水源蓄水 水库。 ， ( 2 ) 形态特征 于桥水库位于天津市蓟县境内，其形态特征见表2 1 。 表2 - 1 于桥水库形态特征 ( 3 ) 气候特征 于桥水库流域属暖温带大陆性季风性半湿润气候，气候总的特点是：四季冷、 暖、干、湿分明，春季干旱多风、气候多变，夏季炎热多雨且多东南风，秋季昼 夜冷暖温差大，冬季寒冷干燥且多西北风。年平均气温l o 4 1 1 59 c ，多年平均 降雨量为7 4 8 5 m m ，降雨的季节变化明显，主要集中在7 、8 月份，降雨多以暴 第二章研究区域概况 雨形式出现。 于桥水库位于天津市蓟县境内，气候特征与流域气候基本相同。多年平均气 温1 1 5 ，年温差可达3 1 5 。年均降水量6 7 6 4 m m 、降雹2 6 次、蒸发量1 0 0 0 m m 、 无霜期天数1 9 4 天。近年蓟县主要气象特征见表2 2 。 表2 - 21 9 9 4 , 2 0 0 4 年蓟县气象特征 项目 1 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 92 0 0 32 0 0 4 最高气温( ) 最低气温( ) 平均气温( - ( 2 ) 平均湿度( ) 日照时数( 小时年) 降雨量( i 姗) 无霜期( 天) 大雾天数( 天) 最长连续降雨天( 天) 最大日降雨量( n u n ) 最长无降雨天数( 天) 3 7 0 1 3 0 1 3 2 5 8 3 4 3 1 0 2 1 2 6 5 6 3 5 1 1 2 o 1 2 2 5 6 3 8 3 1 7 3 1 2 9 5 8 4 1 7 1 1 2 1 3 3 5 7 2 2 4 3 72 4 3 9 72 0 8 3 12 2 1 8 42 5 1 2 6 4 5 6 9 2 0 5 1 9 1 3 7 2 5 6 3 7 5 2 0 1 7 9 4 4 9 6 2 6 6 1 0 0 1 0 1 7 1 7 7 1 2 3 8 6 1 3 7 2 9 2 0 3 1 1 3 4 4 5 3 6 3 4 4 2 2 0 6 l o 3 2 6 3 9 1 3 6 1 3 9 1 2 8 3 9 2 1 4 1 4 6 0 7 95 6 6 2 1 2 4 最大积雪深度( c m ) 31284 历史资料显示，于桥水库所在的蓟县地区多年降水量的平均值为6 7 6 4 m m ， 近年来呈现波动下降趋势，平均下降了近3 0 m m 。其中仅1 9 9 6 年降水量较多， 达到1 0 8 4 m m ；另有3 年在7 5 0 m m 左右；其余3 个年份均为枯水年，多数年份 的降水量在5 0 0 m m 以下，以1 9 9 9 年最早，降水量仅为3 4 4 2 m m 。 ( 4 ) 流域水系 于桥水库流域汇水面积2 0 6 0 k m 2 ，主要汇入河流有沙河、黎河、淋河，见下 图2 1 。其中沙河流域面积8 8 7 o k m 2 ，河长7 0 o k m 2 ，多年经流2 7 亿m 3 ；黎河 流域面积4 8 8 o k m 2 ，河长5 5 5 簖，多年径流1 4 6 亿m 3 ；淋河流域2 5 2 o k m 2 ， 河长4 7 ，o k m ，多年径流0 4 9 亿m 3 。 1 3 第二章研究区域概况 图2 1 于桥水库流域水系图 ( 5 ) 地质地貌、土壤和植被类型 该流域地形较复杂，地貌以丘陵、山地、平原为主。地形地势从东北向西南 呈阶梯下降，西北部是山区，山峦起伏，山势陡峭，中部为平原，在平原的中部 又被中道山隔开，构成北山、北川、中山、南川、南i 山的“三山两川”的地貌格 局。山地主要集中于流域北部和东北部，海拔一般在5 0 0 m 以上，面积为5 0 2 k m 2 的山地占全流域总面积的2 4 4 6 ，土壤类型为褐土；平原主要分布在以遵化市 为中心的中南部地区，海拔小于5 0 m ，面积7 1 6 4 k m z ，占整个流域的3 4 8 ，该 地区土壤类型为潮土；丘陵主要分布在山外围与洪积冲积平原的交接地带，海拔 在5 0 0 m 以下，面积为6 6 3 k m 2 ，占流域面积的3 2 2 ，该区域主要是棕壤区；库 区水面面积7 4 k m 2 ，占流域面积的3 6 。具体见表2 3 。 表2 3 流域各种土壤养分平均含量 第二章研究区域概况 ( 6 ) 土地利用情况 于桥水库周边地区( 4 0 0 1 0 3 9 0 5 8 ，1 1 7 0 5 0 1 1 7 0 2 0 1 总面积为6 4 4 0 8 2 k i n 2 ，占 总流域面积的3 0 7 4 。库周主要以农业用地和森林覆盖为主要的两种土地利用 方式。其中农田共2 1 2 6 3 5 k m z ，占库周边总面积的3 3 0 1 ；相对于旱地而言， 库周的水田面积较小，仅占农田面积的1 2 6 2 ；库周的森林覆盖率高达4 0 8 6 ， 约占流域的1 2 8 6 。水体面积为9 5 3 4 3 k m 2 ，占库周边总面积的1 4 8 0 ，鱼塘 面积为1 4 0 4 3 k i n 2 ，居民居住地面积为5 8 8 9 3 k m 2 ，占库周面积的9 1 4 。具体见 表2 4 及表2 5 。 表2 _ 4 于桥水库流域土地利用面积分类 表2 5 于桥水库周边地区土地利用面积分类 ( 7 ) 水土流失状况 在于桥水库流域范围内，由于山高坡陡，山坡面积中1 5 0 以上的坡面约占 第二章研究区域概况 4 8 ，从而造成水土流失以水力侵蚀为主。从区域水土流失面积的分布情况看， 水库上游山区的坡地、梯田、梯地水土流失较为严重。此外，沿流域高岗早地农 田在夏季降雨会产生较为明显的水土流失。全流域内水土流失面积为9 5 8 6 3 k i n 2 ， 占总面积4 6 5 。在2 0 0 0 年北部山区水土流失总面积为4 0 8 1 4 k m 2 ，其中轻度侵 蚀面积为3 1 2 6 k