（环境科学专业论文）农业非点源污染环境影响评价及防治对策研究.pdf

a b s t r a c t a tp r e s e m ，a l t h o u 曲p o i n ts o u r c eh a sb e e nc o n t r o l l e da 1 1 dt r e a t e dv e r yw e l l ，n o n - p o i n t s o u r c eh a sb e c o m et h ek e yp 0 1 l m i o ns o u r c eo fm es u r f a c ew a t e r sc o n t i n u o u s l yn o m p o i n t s o u r c ei st h em a i nc a u s en l a tr e s u h si nt h es l l l t h c ew a t e rp 0 1 l u t i o n ，i nw 1 i c ht h en o n p o i n t p o l l u t i o nc a u s e db ya 鲥c u l t u r a la c t i v i t i e si st h ep o s s i b l em a x i m 啪p 0 1 1 u t i o nc o n 订i b u t i o nt o t h es u r f h c ew a t e rp o l l u t i o n t h ep r o b l e m sf o rs l l r f a c ew a t e fe n v i m m e n tp o l l u t i o nc a u s e db y a g r i c u l t 删n o n - p o i n ts o l l r c ea r ev e r ys e r i o u si n0 1 l rc o u n t r ya tp r c s e m t h em 勾o rp o l l u t a m s a r ea m m 0 1 l i ai l i t r o g e na 1 1 dt o t a lp h o s p h o m sd e r i v e df 如ma g r i c u l t m 哪n o n _ p o i n ts o u r c e a g r i c l l l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nh a st h ef b a t i l r e so fs u c hr a l l d o m i c i t y ，u n c e n a i m yo f t l l ep o l l u t a n t sa 1 1 dd r a i l l i n gp 砒w a y s ，a n ds p a c e t i m ev a r i a t i o no fm ep o u u t i n g1 0 a d s ni s d i 街c u l tt oe s t i m a t em ed i s c h a 玛e so ft h ep 0 1 l u t a l l t sp r o d u c e db ya g r i c u l t u r a ln o 伽p o i n ts o u r c e a c c u r a t e l y p o l l u t a n to u t p u t _ e m c i e n tm o d e la s 、e 1 1a so t h e r sc a nb ee m p l o y e dt oe s t i m a t et h e d i s c h a 昭e so f t h ep o l l u t 趾t sp r o d u c e db ya g r i c u l t 哪ln o n - p o i n ts 0 1 l r c e r a 廿oo fi s o p a r a m e 雠c p o l l u t i o nd i s c h a 玛ep a r a m e t e rw a sp r e s e m e d t oa s s e s st h ee n v i r o m e n t a li m p a c to f a g r i c u l t i l m ln o n - p o i n ts o u r c eo nt h es 删沁ew a t e r s t h cs t r a t e g yo ft h eg r e e nc a n 了i n g c a p a c i t yo fc r o p l a n d sf o ra i l i m a lb r c di nar e g i o nw a sp r c s e m e dt oi m p l e m e n tt h es c i e m 墒c m a n a g e i r l e mf o rt h ee x c r e m e m so ft h e 砌m a lh u s b a l l d a r y - t h ec a s es t u d ys h o w e dt h a tt h e m t i oo ft h ep o l l u t i o nc o m r i b u t i o no ft h ca m m o n j am t m g e nt ot h es l l r f a c ew a t e r s 、v a s8 2 7 p e r c e mi n2 0 0 1i nj i l i np m v i n c e ，w h i c hw a s t t l eb i g g e s tp o l l u t i o ns o u r c e ，w h e r e a st h a to f t h e a m m o i l i a1 1 i t r o g c nf 而mt l l eu r b a i ld o m e s t i cs e w a g ew a s1 4 5p e r c e n ta n da m m o n i an i n o g e n 丘d mi n d l l s t r i e s2 8p e r c e m t h er a t i oo fp o l l u t i o nc o n t d b u t i o nc a u s e db yt h ca l n l o l l i a n j t m g e n 丘o m 幽a lh u s b a i l d a r yw a s5 6 3p e r c e n t ，w h i c hw a s 幽eb i g g e s tp o l l u t i o ns o l l r c eo f t h ea 伊i c u l t u l 砒n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，t h eb i g g e rw a st h a t 丘o m 也ea g r i c u l t i l r a l c u l t i v a t i o nw i t ht h er a t i oo f2 7 0p e r c e n t ，a 1 1 dt h e1 e a s tw 舔1 6 7p e r c e n t 丘o mf a m e r s t h e a g r i c u l 啪le c o l o g i c a lp r o j e c ta n ds a “n g - w a t e ri r r i g a 廿o np r o j e c ts h o u l db ec o n s t m c t e d ， s c i e n t 嫡cf e f t i l i z a t i o ns h o u l db ei m p l e m e n t e d ，a m b l e1 a i l ds a l i n em a l l a g e m e n ts h o u l db e s t r e n 垂h e n e d ，p u b l i cs e n s ef o rt h ea 鲥c u l 加r a le n v i r o n m e mp r o t e c t i o ns h o l l l db eh e 远h t e n e d ， a n dp l a n n i n gf o ra g r i c u l t l i 融e n v i r o n m e mp r o t e c t i o ns h o u l db ed r a w no u t ，i no r d e rt oa l l e v i a t e a i l dc o n 仃o l 廿l es u i ew a t e rp 0 1 h l t i o nc a u s e db ya g r i c l l l 删n o n p o i ms o u r c e k e y w o r d s ：p 0 1 l u t i o nc a u s e db ya g r i c u l t u r a ln o n _ p o i n ts o u r c e ，e n v i r o n m e n t a li m p a c t 髂s e s s m e n t ，a i l i m a lh u s b a l l 出旺ma m m o n i an i t r o g e n i i x 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方夕卜，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：鲤 日期： 塾堕，! ! 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘， 允许论文被套阅和借阅。本人授权东北师范大学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，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：避 目 期：础t i i ! 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：2 勉三 日 期：勿型堕! ! ； 电话 邮编 第一章绪论 1 1 研究的目的意义 目前点源污染已得到较好地控制与治理，而非点源污染所造成的地表水污染问题同 益突出。全球有3 0 5 0 的地表水体受到非点源污染的影响i l i 。研究表明，非点源污染 是导致地表水污染的主要原因，其中又以农业非点源污染贡献率最大。如荷兰农业的氮、 磷污染负荷分别占6 0 和5 0 吵日本的稻田是b i s w a 湖的最大污染源，德国一流域也因 过量施用化肥导致河水中的磷浓度超过0 2 m g l 美国6 0 以上的地表水污染问题是由 农业活动引起的1 4 l ；我国农业非点源污染更加严重酗j 。 农业非点源污染主要是指农业活动所引起的各种污染物( 沉淀物、营养物、农药、 盐份、病菌等) 以低浓度、大范围的形式缓慢地在土壤圈内运动和从土壤圈内向水圈扩 展的过程。农业非点源污染具有3 个主要特点：一是随机性，非点源污染受降雨时间的 影响较大，因而其污染发生具有较大的随机性；二是污染物及排放途径的不确定性，由 于非点源污染影响因素多，排放途径较复杂，因而排出的污染物是难以确定的；三是污 染负荷的时空差异性大，非点源污染过程与径流过程呈现大致相同的变化趋势，由于径 流的时空变化大，因此降雨径流污染的时空变化也大；这无疑加大了开展农业非点源污 染环境研究的难度，为准确估算农业非点源污染物排放量、防治农业非点源污染地表水 环境带来了困难。因此，加强农业非点源污染研究对我国水污染防治具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 ( 1 ) 农业非点源污染物核算模型 国外农业非点源污染研究起步于2 0 世纪6 0 年代，首先在美、英、日等一些发达国 家开展，到2 0 世纪7 0 年代以后逐渐为世界各地所重视。其中尤以美国的研究历史较长， 在7 0 年代初主要是对非点源污染特征、影响因素、单场暴雨和长期平均污染负荷输出 等方面的初步研究，非点源污染负荷定量化模型研究仅有早期的农药输移和径流模型 f p t r ) 和城市暴雨水管理模型( s w m m ) 1 7 l 。 到7 0 年代中后期，随着对非点源污染物理化学过程研究的深入和对非点源过程的 广泛监测，非点源污染研究有了很大进展，机理模型和连续时间序列响应模型逐渐成为 非点源模型研究的主要方向。城市地表径流数学模型( s t o r m ) 、模拟农业污染的a r m 、 农业化学品运输模型( a v _ i m o ) ，以及h s p 等都在这一时期提出并应用。美国农业部农 业研究所开发的化学污染物径流负荷和流失模型( c r e a m s ) 1 8 j ，奠定了非点源模型发展 的“里程碑”，首次对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行了系统的综合。 在c 刚；a m s 推出后引起了巨大的反响，并在其基础上发展出了一系列结构特征类似的 模型，如农田小区模型e p i c l 9 l ( w i l l m m s 等，1 9 8 4 ) ，模拟农业活动对地下水影响的 g l e a m s l l 0 1 r l e a o r d r _ a 等，1 9 8 7 ) 模型，模拟大流域非点源污染负荷的 s w r r b ( w i l l i a n s 等，1 9 8 5 ) 模型等。在这时期，美国水土保持局用了4 0 多年时间现 场观测调查得出的通用土壤流失方程( u s l e ) 被广泛应用于计算各类非点源污染负荷 量。 8 0 年代非点源污染基础研究地域范围广、类型多样，因素分析和污染物迁移机理研 究更加深入，流域非点源污染模拟模型( a n s w e r s ) i l 、用于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 ) 1 1 4 1 、农田尺度的水侵蚀预测预报模型( w e p p ) 1 15 i 均在 这一时期提出，并被应用于非点源污染的负荷定量计算，控制措施效果评价，营养元素 在土壤、地表的迁移规律研究和非点源的管理、政策制定。进入9 0 年代，非点源污染 的研究更加活跃，非点源污染模型在建立新的应用模型的基础上，重点加强了3 s 限s 、 g p s 、g i s ) 在非点源污染定量负荷计算、管理和规划中的应用研究。同时微生物的迁移 成为非点源污染物迁移、转化研究的新领域，一些功能强大的超大型流域模型被开发出 来。这些模型已经不再是单纯的数学运算程序，而是集空间信息处理、数据库技术、数 学计算、可视化表达等功能于一身的大型专业软件，其中比较著名的有美国国家环保局 开发的b a s 蹦s l “1 ( w l l i 札cm o r e ，1 9 9 8 ) 和美国农业部农业研究所开发的a g n p s 9 8 等软 件。 ( 2 ) 农业非点源污染管理 非点源污染的管理和控制方面的研究以美国的“最佳管理措施”最具代表性。它起 源于7 0 年代后期，发展于8 0 年代初期，成型于8 0 年代中后期。美国国家环保局、农 业部水土保持局及各州级政府相应机构都有相应的“最佳管理措施”实施细则和办法。 提倡运用非生物工程、生物工程措施1 1 7 1 削减非点源污染。并在部分工程措施设计标准【1 8 】、 效果评价和经济效益分析1 1 9 j 方面也有一定的发展。农业部设专款支持农民采用“最佳管 理措施”，发展生态农业，减少非点源污染。水土保持局提供技术指导帮助地方政府控 制水土流失。内政部和环保总署则建有全国范围的水质评价和水资源数据库、地理信息 系统，以便快速为不同规模、层次的水资源规划和非点源控制提供情报和信息。美国还在 不同层次、不同性质部门建立非点源监测、管理机构1 2 0 j ，管理、监测非点源污染的起源、 变化、形成机制，以便及时消减非点源污染。政府还通过政策、税收鼓励、引导农民科 学种田，避免滥施化肥和农药。同时，还在流域范围开展点源非点源污染总量控制和 排污贸易，将非点源纳入总量控制体系。国家环保局还设置了土地利用与水源水质监测 参考项目表，用于与非点源管理有关的水质监测。 1 2 2 国内研究现状 ( 1 ) 农业非点源污染核算模型 我国农业非点源污染研究起于2 0 世纪8 0 年代，首先是进行全国范围内的湖泊富营 养化调查，随后在北京地区、珠江流域、辽河流域、长江中下游流域的广州、沈阳、上 海、杭州、苏州、南京等地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；农业非点源污染研究先后在大伙房水库，于桥水库、滇池、 太湖、巢湖、晋江等流域相继展开；对于畜禽废物污染及管理与研究工作也在广州、沈 阳、上海、苏州等地相继先后开展研究。 从近年来的研究可以看出：关于非点源污染对地下水的污染方面的研究很少，建立 的模型大多数是污染负荷模型，忽略了土壤中流对地表水质的影响。研究进展可分为两 个阶段：( 1 ) 根据实测资料建立污染负荷与径流量之间的关系，不进行产汇流计算；( 2 ) 首先根据流域的调蓄作用计算产汇流，然后建立污染负荷与流量间的关系。计算产流时 使用的方法主要有s c s 法1 2 i l 、蓄满产流法和新安江模型1 2 2 l ，计算汇流的方法有n a s h 瞬 时单位线法和逆高斯瞬时单位线法。建立污染负荷与径流量的关系时，采用的方法有两 种：概念法，即以降雨为输入，径流与污染量为输出的确定集总方法；统计分析法，即 研究输入径流模数与输出污染径流模数的相关关系的方法。这一时期的首要成就当推李 怀恩等的机理型流域暴雨径流响应模型1 7 】，该模型要求参数少、应用范围广，适合我国 目前资料短缺的非点源污染研究现状，但其应用、推广有待接受后期检验。 ( 2 ) 农业非点源污染管理 我国的非点源污染控制与管理措施除了一些水土保持方法和南方特有的“多塘系 统”外，其它成就不是很多。 1 3 研究内容 ( 1 ) 通过文献阅读详细了解国内外农业非点源污染的研究现状，并进行综述。 ( 2 ) 系统分析总结农业分点源污染核算模型和方法。 ( 3 ) 应用农业非点源污染核算模型估算和预测研究实例的农业非点源污染物排放 量。 ( 4 ) 对研究实例农业非点源污染环境影响进行评价。 ( 5 ) 提出农业非点源污染环境影响防治措施对策。 1 4 研究方法和技术路线 ( 1 ) 研究方法 运用水资源学、水环境学、环境影响评价学等理论，结合水环境监测数据，选择研 究实例对农业非点源污染进行估算。在此基础上，对农业非点源污染环境影响进行评价， 最后提出农业非点源污染的防治措施和对策。 ( 2 ) 技术路线 文献检索检索国内外文献，了解并掌握农业非点源污染的研究现状，并进行综述； 对非点源污染分析方法的特点和应用范围进行分析和归纳。并了解国内外各类非点源预 测和评价及其实例应用情况，如欧洲、澳大利亚、美国等。 对比分析：将已有资料进行对比分析，筛选出最适方案进行估算和评价。 资料搜集：查找、收集非点源污染相关数据，并走访有关环境保护管理部门对原 始资料进行核实和认可。 对搜集到的数据进行整理、分析和计算，得出评价结果。 1 5 主要创新点 应用农业非点源污染物核算模型计算吉林省农业非点源污染物排放量。提出农业非 点源污染环境影响评价方法和内容，提出用等标污染排放参数比评价农业非点源污染的 环境影响，提出用绿色载畜量管理策略实现对禽畜养殖废物的科学管理。提供研究实例 对2 0 0 1 年吉林省农业非点源氨氮污染进行系统的环境影响评价，在此基础上提出农业 非点源污染环境影响防治措施对策。 第二章农业非点源污染及污染物估算模型 2 1 农业非点源污染内涵 非点源污染，也称面源污染，是指溶解性或固体污染物在大面积降水和径流冲刷作 用下汇入地表水体而引起的污染。溶解性或固体污染物是指诸如大气悬浮物，城市垃圾， 禽畜排泄物，农田、土壤中的化肥、农药、重金属，以及其他有毒、有害物质等。与点 源污染相比，非点源污染的时空范围更广，不确定性更大，过程更复杂，污染更严重， 因而加大了相应的研究、治理及管理的难度。农业活动是最大的非点源污染。农业非点 源污染是指人们从事农业活动时产生的非点源污染，包括化肥、农药、畜禽粪便等造成 的水环境污染。 2 2 农业非点源污染类型 来自农业非点源污染主要污染物包括营养物质( n 、p ) 、沉积物、盐分和农药等，这 些污染的来源极为广泛。许多研究表明，化肥农药的使用是造成水体污染和富营养化的 最主要来源，在美国由于非点源引起的地表水污染事件不胜枚举，每年生产约5 亿t 的农 药，其中7 0 用于农田。我国由于非点源污染引起的湖泊水库的富营养化问题也非常严 重，如在巢湖、滇池。三峡大坝库区的统计资料也表明，9 0 的悬浮物来自农田径流， n 、p 大部分来源于农田径流，可见农业非点源污染源在水体污染中占有重要的地位，表 2 一l 列举了这些物质的主要来源及其危害。 2 2 1 地表径流 降雨导致地表径流，并造成表土流失，这是非点源污染最主要的来源。地表径流包 括透水性地表径流和非透水性地表径流。非透水性地表主要指城区径流，透水性地表主 要指农村地区、矿山、林地、草地等 表2 1 农业非点源污染的主要来源及危害 污染物来源 主要危害污染物形态 影响因素 化肥、禽畜排泄物、水质恶化、湖泊海域富营养吸附态的铵溶液1 、降水强度 氮污水灌溉、豆科职 化、湿地生态系统的破坏、态的硝酸 2 、集水面积大小 务的分解、 地下水硝酸盐污染 3 、地形坡度大小 化肥、禽畜排泄物、 湖泊富营养化、湿地生态系4 、植被覆盖率 磷 污水灌溉、统的破坏5 、禽畜养殖规模大小 4 农业活动加剧了水淤积缩小湖泊水库容积、加泥沙是污染物的6 、化肥施用量多少 土流失、灌溉过程剧河床冲刷、水体浊度升高重要载体7 、污水灌溉面积大小 沉积物 盐分增加降低了土8 、气温与阳光辐射 壤的结合力9 、土壤特性 土壤风化、灌溉蒸增加水体的盐度，影响水生1 0 、吸附特性 盐分 发积盐生态环境、 杀虫剂、去莠剂污染水体、导致水生生物死包括农药及其降 农药 亡、进入食物链引起致畸、解产物，农药潜 致癌、致突变伏期毒性大 土壤侵蚀和流失也是非点源污染的一个重要来源，它对水体产生影响主要是悬浮 颗粒物，而悬浮物在水中会释放出一些溶解态污染物。土壤流失的强度取决于降雨强度、 地形地貌、土地利用方式秘植被覆盖率等。实验表明，在年降雨量5 0 0 m m 的情况下，坡 度5 - 7 时土壤的年流失量是坡度1 5 时的7 倍 黄虹 。水土流失挟带着泥沙、有机物、 金属等污染物进入地表水体污染水环境。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t ，数百万t 的氮、磷、钾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。 2 2 3 化肥 据统计，现代农业产量至少1 4 是靠化肥获得的。由于化肥在作物增产中的重要作 用，长期以来，我国化肥的生产和使用一直在增长，从建国初期的0 6 万，l 兽加到现在的 4 1 2 4 万t ，目前化肥施用量约4 0 0 k g h m 2 ，己成为世界上化肥施用量最多的国家之一【矧。 淮河流域平均用量4 1 5 k g h m 2 ，太湖流域为6 0 0 k g h 2 。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。实际上，我国每年农田养分被植物利用的部分 很少，我国氮肥的利用率仅为3 0 3 5 ，磷肥为1 0 一2 0 ，钾肥为3 5 。5 0 盼4 。大量 未被利用的化肥通过径流、淋溶、反硝化等方式污染了地表水环境。 2 2 4 农药 我国是个农业大国，也是生产和消费农药的大国之一。目前，农药年生产能力为7 6 7 万t ，生产农药品种2 5 0 多种，成为仅次于美国的世界农药生产大国。据统计，我国每年 施用的农药达5 0 - 6 0 万t ，其中约有8 0 的农药直接进入环境1 2 6 l ，农药污染已成为影响范 围最大的一种有机污染。据调查，喷施的农药是粉剂时，仅有1 0 左右的药剂附着在植 物体上；若是液体时，也仅有2 0 左右附着在植物体上，l - 4 接触到目标害虫。其余 4 0 - 6 0 降落到地面，5 ，3 0 的药剂漂游于空中。空气中的农药又可通过降水返回地 表，通过地表径流污染水环境。 2 2 5 农业废弃钧 农业废弃物包括农田中秸杆残茬、农村居民生活垃圾、生活废水、人畜禽粪便以及 田问农膜残片。据研究，我国作物秸秆燃烧的碳总量为1 0 4 8 9 万t ，甲烷生产量为 0 5 3 1 6 4 t g ，0 产生量o 0 0 8 2 o 0 2 9 7 t g l 2 7 】。 我国的禽畜养殖业在近2 0 年有着长足的发展，畜禽养殖业由农民个体家庭饲养逐步 走向集约化养殖。集约化畜禽养殖对环境的污染主要表现在两个方面：一是少量畜禽粪 便直接排泄到环境中；二是大量的畜禽粪便作为有机肥料施用到农田之中。畜禽粪便相 对于化肥来说，其盐分含量低而运输成本高，致使大量的畜禽粪尿都集中施在数量有限 的农田中，这样往往造成大量的盐分得不到充分利用而从农田流失到水体中。事实上， 许多发达国家的畜禽粪便的非点源污染比化肥更严重1 2 引。另外，长期使用农膜覆盖技术 可造成农膜残片大幅增加，严重影响植物根系的生长发育、水肥的运移，造成土壤退化。 2 3 农业非点源污染环境影响 2 3 1 加重水体童营养化 研究表明，对于湖泊、水库等封闭水域，当水体内无机氮总量大于o 2 m g l 时，磷 酸盐磷浓度大于0 0 1 m l 时，就可能引起藻华现象的发生。农业非点源污染是湖泊等水 体富营养化的主要原因。据太湖污染源调查，发现来自农业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 1 2 9 】；滇池中来自农业地表径流的氮、磷分别占总 量的5 3 和4 2 ，造成滇池严重的富营养化2 5 4 ”。 2 3 2 使土壤退化 大量化肥和农药的施用使许多有害物质进入土壤，必然使土壤质量下降，致使土壤 变碱或变酸，削弱土壤或肥料中其他营养元素效应。大量氮肥的使用还加快土壤中有机 碳的消耗，降低有机质的活性和土壤的供氮能力。据研究，大量使用化肥对土壤的退化 有广泛的影响。 2 3 3 对生物的有害影响 一些有毒有害物质( 如重金属或农药的残留物等) 进入水体后直接对水生生物造成 危害，更严重的是有一些有毒物质可以通过食物链富集，使处于食物链高位的人或畜中 毒。如2 0 0 0 年9 月，沈阳市对蔬菜硝酸盐含量的检测中发现，在被调查的2 4 种蔬菜中， 硝酸盐含量超过7 5 0 m g k g 的有1 0 种，其中小白菜、芹菜、油菜、韭菜和生菜的硝酸盐 含量超过3 0 0 0 m g k g ，茼蒿菜硝酸盐含量高达6 6 8 7 9 m g l 【g ，超标近9 倍 3 ”。研究表明， 硝酸盐的过量摄入将导致人体缺氧而易患高铁红蛋白症，这种病对婴幼儿的危害最大。 2 4 非点源污染估算模型 2 4 1 降雨径流模型 农业非点源污染主要的研究内容是降雨径流与农田污染物流失的关系。其中降雨径 流关系是非点源污染中的基础内容，农田径流一般具有汇水面积小、难以实行测试、研 究统计分析的点位数量较大等特点。代表性的方法有美国水土保持局2 0 世纪5 0 年代提 出的s c s 法。美国水土保持局提出的降雨径流关系方法( s c s ) 已在上海郊区农田非点源 污染研究中得到应用，实际上还可以应用到类似气候、土壤和土地利用条件下的农田， 在非点源污染研究方面具有较大的实用性。目前在美国国内已普遍推广使用，其他国家 和地区也在大量引用1 3 2 l 。 在一次暴雨过程发生后，流域的水量平衡方程式可以表示为： s ( t ) = p ( t ) 一q ( t ) 式中：p 一降雨量，m m ；q 一径流量，m m ；s 一流域储水量，相当于降雨径流过程中的 6 损失水量，包括截留、蒸发、填洼、下渗的水量，m m 。 径流量( q ) 取决于降雨量和流域储水量，在降雨初期有部分降雨量不会形成径流， 这部分水量称为前期损失量( i a ) 。降雨经过一段时间后，流域储水量达到饱和值s 。s 值与流域的土壤性质、地形和植被条件等因素有关。 一次暴雨过程径流量基本方程为： o ：鲨：! ：笙s ：三竺一2 5 4 p + q 8 sc n 式中：s 一流域饱和储水量，m m ；c n 一径流曲线数，无量纲。c n 的确定分为2 个步 骤，即：按照土壤水分的最小渗透速率将土壤分为4 类，a ( 透水) ，b ( 较透水) ，c ( 较 不透水) ，d ( 接近不透水) ；s c s 在归纳了3 0 0 0 多种土壤资料的基础上，按照土地利用 方式和4 类土壤特征，提出了c n 的具体数据。按照s c s 确定c n 的步骤，大部分水旱 轮作的农田渗透速率刚超过下限数值，被归为c 类：在旱作农田方式下c n 值为7 8 ： 在土壤水分饱和的稻田情况下，c n 值为9 3 。通常可c n 可取值为6 0 7 8 。 2 4 2 土壤侵蚀流失量模型 目前，国内外多采用土壤侵蚀方程进行土壤流失量计算。这类计算用改进的u s l e 方程完成，土壤流失量预测模型为： a = r k l ，sr c p 式中：卜土壤侵蚀量，t m l i i l 2 - a ) ； r 一降雨侵蚀因子： k 一土壤侵蚀度t ( h m 2 ，a ) ； l 一坡长： s 一坡度； c 一耕种管理因素： p 一土壤保持措施因素。 ( 1 ) 降雨侵蚀因子 对于一年降雨来说，降雨侵蚀因子可采用w i s c h l e i e r 的经验公式： 1 2kl “蔓- 0 9 1 8 s 1 1 r = y 1 7 3 5 1 0 l 7 j 冒 式中：p ，一流域各月平均降雨量，咖； p 一流域年平均降雨量，m 加。 ( 2 ) 土壤侵蚀因子 根据流域的土壤类型的机械组成、有机质含量等资料，按照国际土壤分类制换成图 中的土壤类型、有机质含量，获得相应的k 值，见表2 2 。 表2 2 土壤侵蚀系数表 兰兰耋竺e 二二二二互夏互二二二 二二二兰竺笺塞兰二二二 二二二二 砂 o 0 5o 0 3o 0 2 粉砂 0 6 0 0 5 2o 4 3 细砂 0 1 6o 1 40 1 0 壤十 o 3 80 3 4o 2 9 粉砂粘土 o 2 5o 2 3o 1 9 粘土 o 1 3 一o2 9 ( 3 ) 坡长系数和坡度系数 l 、s 值的确定是根据河流的地质地貌，并结合其他地区进行土壤流失试验的经验形 成的非线性方程式： ， 上s = f 土1拈5 s i n 2s + 4 5s i n s + o 0 6 5 1 l 2 2 l 、 式中：当s i n s 5 ，m = o 5 ；当s i n s = 5 ，m = 0 4 ：当s i n s = 3 5 ，m = o 3 ：当s i n s 1 o ， m = o 、t ；【一平均坡长：m 一坡长指数；s 一坡度。 ( 4 ) 耕种管理系数 耕种管理系数也称植被覆盖因子或作物种植系数，说明地表覆盖情况，以c 表示。 不同植被类型的c 值见表2 3 。 表2 3 地面不同植被的c 值表 地面覆盖率( ) 植被 02 04 06 08 01 0 0 草地 0 4 50 2 4o 1 50 0 90 0 4 30 0 1 1 灌木 0 4 0o 2 2o 1 40 0 8 0 0 4 0 0 0 1 1 乔灌混合 0 3 9o 2 00 1 1o 0 6 o 0 2 70 0 0 7 茂密森林 o 1 00 0 80 0 8o 0 2o 0 0 4o 0 0 1 ( 5 ) 实际侵蚀控制系数 实际侵蚀控制系数也称水土保持因子，说明不同的土地管理技术或水土保持措施， 如构筑梯田、平整、夯实土地对土壤侵蚀的影响。表2 - 4 为不同管理技术对p 值的影响。 表2 4 实际侵蚀控制系数 实际情况土地坡度( ) p 无措施 1 0 0 1 1 - 2 oo 6 0 2 1 7 oo 5 0 等高耕作 7 1 - 1 2 0 o 6 0 1 2 1 1 8 o0 8 0 1 8 1 2 4 o 0 9 0 2 4 3 非点源污染物输出模童 ( 1 ) 非点源污染物输出系数模型 非点源污染物是指某流域的氮、磷等营养物质。一般采用输出系数法，输出系数模 型方程3 3 】可表述为： l 2 ；【彳。( ，。) 】+ p j = 1 式中：l 营养物质的流失量；e i 一第i 种营养源的输出系数；a i 一第i 类土地利用类型 的面积或禽畜数量或人口数量等；l i 一第i 种营养源的营养物质输入量：p 一降雨输入的 营养物量。 e i 是流域内不同土地利用类型的营养物输出率。对于牲畜而言，它表示牲畜排泄物 直接进入受纳水体的比例，中间应考虑人类收集和储存粪肥过程中氨的挥发；对于人类 面言，它反映了当地人群对含磷去污剂的使用状况、饮食营养状况和生活污水处理状况， 用下式计算： e = 如3 6 5 m b r c 式中：e h 为人口的氮、磷年输出( k g a ) ；d c a 为每人营养物日输出量( k g a ) ；h 为流 域内人口数量：m 为污染处理过程中机械去除营养物系数；b 为污水处理过程中生物去除 营养物系数；r s 为营养物滞留系数；c 为除磷系数。 降雨产生的营养物输入量p 可表示为： p = c 口q 式中：c 为雨水中营养物浓度，g m 3 ；a 为年降雨量，m 3 ；q 为径流系数。 ( 2 ) 非点源污染输出系数 非点源污染物估算的关键是确定输出系数的种类及其取值。根据流域资料分析，可 将流域的营养源分为种植土地、城镇土地、自然土地、牲畜和人五大类，其输出系数分 别用e a 、e u 、e n 、e l 和e p 表示。其中牲畜又分为大牲畜、猪、羊、家禽四类。 种植土地输出系数e a 化学氮肥或有机肥施入农田后，其氮素去向有：被作物吸收、残留于土壤及通过各 种途径损失。研究流域内农作物主要以玉米等粮食作物为主，在旱作土壤系统中，玉米 生产中氮肥的损失平均为3 5 。研究流域内玉米种植面积占总种植面积的8 0 以上，氮 肥损失包括氨的挥发、硝化与反硝化、淋洗及地表径流等。参照种植条件类似地区的实 验结论，平均种植土地输出系数取1 3 1 8 k g ( h m 2 a ) 吲。 城镇土地输出系数e u 鉴于城镇用地的复杂性、易变性，对其输出系数取值的研究还很不完善。参考文献 旧的研究结果并结合研究流域的具体情况，对研究流域的e u 取值为l l k g ( h m 2 a ) 。 自然土地输出系数e n 自然土地输出系数可以通过研究流域的土壤含氮量和土壤侵蚀模数计算而得： e = 1 0 s c 式中：e n 为自然土地输出系数，k g ( h m 2 a ) ；s 为土壤侵蚀模数，饥皿2 ；c 为土壤中总 氮含量，g k g 。根据文献，自然土地平均输出系数取值为8 5 6 k g ( h m 2 a 1 。 牲畜排泄物输出系数e l 9 文献的研究结果表明：大牲畜、猪、羊、家禽等排泄物中氮的含量分别为l o 2 l 、 o 7 4 、o 4 0 和0 0 4 k g ( c a a ) 。 人的排泄物输出系数e p 人的排泄物氮的输出系数为2 1 4k g ( 人a ) 。 上述5 类输出系数见表2 5 。 表2 5 输出系数分类取值表 e lk g ( c a a ) e ak g ( h m 2 a )e uk g ( h m 。a )e nk g ( h m 2 a ) 大牲 猪羊禽 e pk g ( 人a ) 畜 1 3 8 l l8 5 61 0 2 1o 7 4o 4 0 o 0 42 1 4 从非点源污染物的形成过程来看，流域非点源污染负荷与降雨的多少密不可分，它 们之间存在着良好的相关关系【3 3 l ： 上= 7 4 0 2 1 尸1 2 0 辅，矗2 = 0 9 9 7 4 式中：l 为河流断面的非点源总氮负荷，t ；p 为流域年降雨量，咖。 2 4 4 农业污染物估算模型 ( 1 ) 农田污染物估算 污染物排放总量= 标准农田面积排放系数 其中：排放系数取c o d c r = l o k g ( 亩a ) ，氨氮= 2 k g ( 亩a ) 。 ( 2 ) 畜禽养殖污染物估算 污染物排放总量= 经验系数猪的养殖数 标准猪的污水排放量为3m 3 ( 百头d ) ，污染物浓度为c o d c r 4 0 0 t 【1 9 几，氨氮8 0 m g 儿。 根据g b l 8 5 9 6 2 0 0 1 畜禽养殖业污染物排放标准，其他禽畜污染物排放量折合为 猪的头数计算，即3 0 只蛋鸡折算成1 头猪，1 头奶牛折算成1 0 头猪。1 头肉牛折算成5 头猪，3 只羊换算成l 头猪，鹿的折算比例按羊算。 第三章农业非点源污染环境影响评价 3 1 评价内容 3 1 1 评价因子 2 0 世纪7 0 年代以来，中国重要的湖泊和河流水域如五大潮泊、三峡库区、滇池、 白洋淀、南四湖、异龙湖等氮、磷富营养化问题急剧恶化。研究结果表明，在中国水体 污染严重的流域，农田、农村畜禽养殖和城乡结合部的生活排污是造成水体氮、磷富营 养化的主要原因，其贡献率大大超过来自城市生活污水的点源污染和工业的点源污染。 2 d 世纪8 0 年代初以来，在各重要流域菜果花( 蔬菜、水果、花卉) 播种面积增加了4 4 倍。菜果花种植为新型产业，农民并未掌握合理的施肥技术。由于种植效益高，菜农为 了追求效益，超高量使用氮、磷肥料，单季作物化肥纯养分用量平均为5 6 9 2 0 0 0 k 酣髓2 ， 为普通大母作物的数倍甚至数十倍，丽作物氮素吸收怠量一般不超过4 0 0 k g 疗l m 2 。氮肥 利用率仅l o 左右，成为水体富营养化的主要潜在威胁之一。与此同时，农村养殖产业 带的发展，使得一些地方畜禽养殖产生的氮、磷数量剧增。最大已达到氮1 7 2 l k g 蚝恤2 ， 磷6 3 9 蚝k 鐾厂h 吐1 2 ，大大超过了农田可承载的安全负荷，成为各大水域的重要污染源。而 城乡结合部地带缺少排污管网等基础设旌，加上这一地带城区快速扩张，使之成为城区 面源污染的主要来源。分析结果还显示，尽管中国农业面源污染的程度已十分严重，然 而，各主要驱动因素仍然有增无减，进入2 1 世纪初中国农业面源污染对水体富营养 化的影嗨将进一步规尉，农业和农村发震弓i 起的水污染将成为中国可持续发展的最大挑 战之一。中国水污染的核心问题是水体的氮、磷富营养化】。如太湖、巢湖水质按c o d 指标评价，多数可达到地表水环境质量i 类标准，全国其它主要湖泊、水系，制约水体 水质的主要原因基本上也是总氮、总磷浓度高。根据中国国家环保局在太湖、巢湖、滇 池、三峡库区等流域的调查，工业废水对总氮、总磷的贡献率仅占1 0 1 6 。而生活污 水和农田的氮到7 0 年代以后各大湖泊、重要水域的水体污染，特别是水体的氨、磷富 营养化问题急剧恶化。重要的湖泊水质持续下降，五大湖泊中太湖、巢湖已进入富营养 化状态，水质总氮、磷指标等级已达劣v 类。园水质下降造成的水质性缺水，已经对全 国大部分地区人民生活用水构成威胁，对生产和经济旋展造成巨大损失，对南水北调和 三峡水库等国家重大工程的作用构成影响。根据世界银行和中国有关专家的研究，水污 染在中国造成的经济损失约占g d p 的1 ，4 6 2 8 4 。 因此，选铎总氮和总磷作为农业非点源污染环境影响评价因子。 3 1 2 评价项目 自2 0 世纪6 0 年代以来，中国畜禽养殖业始终保持高速发展的势头，畜、禽存栏量 每1 0 年增加l 一2 倍。1 9 8 8 年中国畜禽粪便产生量为1 8 8 亿t ，是当年工业固废量的 3 4 倍：1 9 9 5 年达2 4 9 亿t ，约为当年工业固废量的3 9 倍；2 0 0 0 年达3 6 4 亿t ，相 当于同期工业固废产生量的3 8 倍。由于以下3 方面的情况使得农村畜禽粪便污染已成 1 1 为农业非点源污染的主要来源。第一，在畜禽存栏量成倍增长的同时，一方面农村城镇 化的发展和城镇建设占地，使得可有效消纳畜禽粪便的农田面积不断减少。另一方面， 产业带的发展模式造成养殖专业户集中于某些地区，使得农村一些村、镇本地的畜禽粪 便产生量已经大大超出当地农田可承载的最大负荷。在经济发达的流域，这一问题更为 突出。目前在滇池、太湖流域分，成为水域的重要污染源。第二，养殖规模的变化导致 畜禽养殖粪便与农田的距离拉大，而规模化养猪场常用的水冲式清粪方式，造成猪场的 流质厩肥体积庞大而养分含量低，使得将这些粪水运往农田的费用大大增加。一个存栏 量为5 0 0 0 头的养猪场，将每年产生的流质厩肥运至周边最近的农田，年运输量为4 0 3 】3 吨公里，平均每头猪为8 吨公里。1 5 0 0 0 头的养猪场，年运输量为2 0 9 4 7 0 吨公里，平均 每头猪为1 4 吨公里。由于运费高，并且也缺乏运送和施用流质厩肥的专用设施，许多 养殖专业户通常是用简易的沉淀池将液态粪水排到沟渠中，仅将固体粪肥卖给种植专业 户。根据调查和测算，仅液态粪水排放一项，对流域水体氮富营养化的贡献率达到1 0 3 0 ，磷达到3 。第三，目前绝大多数农村畜禽场贮粪池建设不规范，密封性差、容 量小。由于缺少场地，一些小型的家庭养殖场，将畜禽场清出粪便随便堆放。