（环境科学专业论文）乌梁素海农田面源入湖量的核算研究.pdf

r e s e a r c ha b o u te s t i m a t i n gt h ei n p u tt 0t h el a k e w u l i a n g s u h a if r o mf a r m l a n ds u r f a c ep o l l u t l 0 n a b s t r a c t l a k ew u l i a n g s u h a ii saf r e s h w a t e rl a k em a i n l ys u p p l i e db yf a r m l a n dd r a i n a g ei nh e t a i r r i g a t i o na r e a i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ei sm o r es e r i o u se u t r o p h i c a t i o ni nl a k ew u l i a n g s u h a i ，w h o s p o l l u t i o ns o u r c e sc o m ef r o mi n d u s t r yp o l l u t i o n ，f a r m l a n ds u r f a c ep o l l u t i o na n du r b a nw a s t e w a t e o fw h i c ht h ep o l l u t i o nf r o mf a r m l a n da c c o u n t sf o rl a r g ep e r c e n t s o ，i ti s i m p o r t a n tt o c o n f i n p o l l u t i o nq u a n t i t yo f a l lp o l l u t i o ns o u r c e si n t ol a k e ，e s p e c i a l l yq u a n t i t yo ff a r m l a n dp o l l u t i o ns o u r c i no r d e rt op r e v e n tt h ee u t r o p h i c a t i o ni nl a k ew u l i a n g s u h a i t h i sa r t i c l ei sa p a r to f t h es u b p r o j e c t o fe u t r o p h i c a t i o na n dr e s t o r a t i o np r o j e c ti nl a k ew u l i a n g s u h a it h a ti s c o o p e r a t e db yc h i n s w e d e na n d n o r w a y i tm a i n l y e s t i m a t e st h eq u a n t i t yo f n i t r o g e n 、p h o s p h o r u sa n d c h e m i c a lo x y g e d e m a n d ( c o d ) o ff a r m l a n ds u r f a c ep o l l u t i o ni n t ol a k ew u l i a n g s u h a i ，a c c o r d i n gt ot h ed a t a c w a t e rf l o wa n dw a t e rq u a l i t yf r o ms a m p l i n gs t a t i o n si nh e t a o i r r i g a t i o n b e s i d e s ，t h i sa r t i c l es e l u pam a t h e m a t i c sm o d e la b o u tc o n t a m i n a t i o n o fd r a i n a g ea r e aa n dm a k e su s eo fm o d e lt oe s t i m a t t h er e a li n p u tt ol a k ew u l i a n g s u h a i a tl a s t ，i ta n a l y z e st h er e a s o n sc o n s i d e r i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o o ff e r t i l i z a t i o ne t c i nl o c a lp l a c e k e y w o r d ：f a r m l a n ds u r f a c ep o l l u t i o n ，n i t r o g e n 、p h o s p h o r u sa n d c o d ，e u t r o p h i c a t i o n ，m o d e 刘振英鸟粱素海农田面源入湖量的核算研究 1 序言 内蒙古河套灌区是中国三大灌区之一，在提供大量商品粮的同时，出于大量 使用化肥而造成的污染也闩益严重，特别是来自河套灌区的农田排水，进入了乌 量素海，成为该湖富营养化的一个重要原因。因此，科学管理河套灌区的农业生 产，为保护乌梁素海湿地生态系统的服务功能具有重要意义。本论文是中国一瑞 典一挪威三方合作的乌梁素海富营养化及综合整治项目中的第九个子课题一 一乌梁素海综合整治管理与控制计划中的一项研究内容农田面源的控制，主 要对河套灌区农田面源水质、水量进行核算，并建立了相应的污染物降解模型， 合理地核算了乌梁素海农田面源的入湖量。 1 1 乌梁素海概况 乌梁素海位于内蒙古自治区巴彦淖尔盟乌拉特前旗境内，处于黄河河套平 原的末端，西l 临河套灌区，东靠乌拉山西麓，是镶嵌在内蒙古中鹾部干旱半干旱 草原上的一颗明珠。 乌梁素海湖泊现有面积2 9 3 k m 2 ，南北长3 5 4 0 k m ，东西宽5 - l o k m 。湖面高程 控制在1 0 1 8 5 m ，库容为2 5 3xi o m 3 ，湖泊水深最深为4 m ，平均水深0 7 m ，一 般大片水域在0 5 1 m 之间。 乌梁素海多年平均气温7 3 。c ，全年r 照时数3 1 8 5 5 小时，多年平均降雨 量为2 2 4 m m ，蒸发强度为1 5 0 2 m m ，全年无霜期为1 5 2 天，湖水于每年1 1 月初结 冰，冰封期5 个月。 乌梁素海是河套农业灌溉和排水系统的重要组成部分。黄河是河套地区的 主要灌溉水源。黄河水从三圣公分水坝引入，最大流入量每秒5 f i 5 m 1 ( 黄河流量 平均1 ，0 0 0m 。s 最小流量l o o m 。s ) 。 每年有近6 0 亿m 1 水量通过灌溉系统。 灌区现有6 ，9 0 0k m 2 农业土地，计划将增到7 ，3 0 0k m 2 。在灌溉系统中有一条灌 溉主干渠，一条干渠1 2 条分干渠，4 0 条支干渠，2 2 2 条斗干渠，1 9 ，7 0 0 条毛干 刘振英 鸟梁素海农阳面源入湖量的核算研究 渠。从11 月到次年3 月由于黄河水流量小没有水通过灌溉系统。河套排水系统 包括一个总排干渠( 2 0 4 公旱) ，1 2 个排干渠，4 0 个支排干渠，2 2 2 个斗排干渠， 2 2 ，0 0 0 个毛排水渠。在这一体系中有4 9 个提水泵站，总装机能量1 ，2 0 0 千瓦。 这些泵站每年提水7 - 9 亿m 1 从排水系统进入乌粱素海。湖泊地表径流约每年1 亿m 1 ，其它补水约每年l 亿m 。一旦湖面高于海平面1 0 1 8 米或在黄河枯水期， 乌梁素海将排水补充黄河。流出量每年约2 亿m 3 ，即平均每秒向黄河补水近2 0m l 。 湖泊换水周期为1 6 0 - - 2 0 0 天。乌量素海水量平衡如下图所示： 1 2 河套灌区概况 p 帐驷托毗l o “ j l 州融t o 悃咖融r 。 内蒙古河套灌区，地处北纬4 0 。1 9 4 l 。1 87 ，东经1 0 6 。2 0 ，1 0 9 。 1 9 ；南临黄河，北抵阴山，西与乌兰稚和沙漠相接，东至包头市，总土地面积 1 1 2 1 0 4 h m 2 。 河套灌区是一个具有悠久历史并在新中国建立以后又有新的发展的大型灌 区，直接引用黄河水进行灌溉。河套灌区的发展，大致经历了三个阶段。 第一阶段从1 8 3 0 年左右灌区重新丌发始，至1 9 6 1 年约1 3 0 年期间为无坝 自流引水阶段，灌溉受黄河自然水位的限制，保证程度低，开发规模小。谚云“天 旱引水难，水大流满滩”就是当时河套灌区的写照。 第二阶段，有灌无排阶段，从1 9 6 1 年在巴彦淖尔盟瞪口县建成拦河引水枢 纽始，至1 9 8 1 年2 0 年期间，为有坝引水，有灌无排阶段。有坝引水提高了灌溉 保证率，灌溉面积迅速扩大。因为排水不通畅，地下水位升高，土壤次生盐碱化 2 、k 刘振英吗粱素海农| = f 1 面源入湖量的核算研究 发展。 第三阶段，从1 9 8 1 年打通总排干经乌梁素海至黄河的出口起进入了建设有 灌有排、灌排配套的新阶段，土壤盐碱化已有所抑制，生产水平不断提高。 河套灌区发展的历史证明：引黄灌溉开发利用了原生盐碱地，单纯灌溉的 发展又导致了土壤次生盐碱化。只有有效的排水，灌排结合才能防止土壤次生盐 碱化的发展。在河套，没有灌溉就没有农业，而没有排水就没有真正稳定的灌溉 农业。 而农田排水又导致营养物的输出，引发一系列环境问题。乌梁素海的富营 养化与农田营养物的输入有着密切的关系。 经过多年的建设，河套灌区已经形成了较为完备的灌排水系统。如下图示： f i g u r e6 ：t h ed 糟i n a g es y s t e mi nt h eh e t a oa n e a 河套灌区灌水渠系共设七级，即总干渠、干渠、分干渠、支渠、斗渠、农渠、 毛渠。现有总干渠一条，干渠1 3 条，分干渠4 7 条，支渠1 0 0 条，斗渠1 0 5 6 条， 农渠2 5 7 5 条，毛渠1 6 0 0 0 多条。河套灌区排水系统与灌水系统相对应亦有七 级。现有总排干沟一条，干沟1 2 条，分干沟4 9 条，支沟1 8 3 条，斗沟5 5 6 条， 农沟1 5 5 3 条，毛沟9 2 0 0 条。总排干沟是保尔套勒盖灌域，后套灌域的退水、农 田排水以及总排干沟北部狼山洪水排入乌粱素海的总输水沟，总长度为2 0 4 k m 。 总排干沟多年排水量为5 亿m = 左右，经乌梁素海调节后，排入黄河的水量每年在 3 饧m 3 左右。 刘振英鸟梁素海农h 面源入湖量的核算研究 1 3 农田面源的研究现状 13 1 农田面源污染概况 自从2 0 世纪初以来，大量工业废水和生活污水的排放引起了水体富营养化， 逐步增加的化肥施用量及肥料流失量更是造成水体富营养化日趋严重的更直接 原因。因水体富营养化主要由水体中n 、p 浓度增加所致，所以人们把注意力放在 控制营养物质的来源上，特别是点源污染，采用对重污染企业进行彻底整治和城 市污水集中处理等方法，这些措施有效地降低了水体营养物质的负荷量，但水 质状况并未因此得到明显改善。至此，人们才开始意识到农业面源污染在水体富 营养化中扮演的重要角色。特别是由于环境恶化而造成的水土流失，给受纳水体 带来了大量的营养物质”1 。另外，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n 、p 养分盈余， 经流失就会造成水体富营养化”。所以，农业面源污染对水体富营养化的影响 十分重大，已成为水体富营养化最主要的污染源之一。 农业面源污染是由大范围分散污染造成的，主要包括农业面源污染，林地和 草地的养分流失，农田径流和固体废弃物的淋溶污染等“1 。近年来，尽管人们对 农业面源污染识别和治理能力越来越强，但农田养分的投入和农田土壤养分的积 累及流失量却在不断增加，农业面源污染所占的负荷越来越大，农业逐渐成为水 体富营养化最主要的污染源，其主要原因：( 1 ) 作物种植面积在流域总面积中占 有最大的比例：( 2 ) 土壤、气候和水文都促使养分从土地向水体转移：( 3 ) 化 学肥料投入越来越大，致使大量养分流失”1 。在美国环保署呈送国会的报告中提 到：农业面源污染是河流和湖泊污染物的主要来源之，从而阻碍了水清洁行动 中水质目标的实现”1 。同时，富营养化也是地表水最主要的环境问题。据报道， 农业面源污染源占河流和湖泊营养物质负荷总量的6 0 8 0 。另据估计“3 ，在欧 洲发达国家的地表水中，农业排磷所占的污染负荷比为2 4 一7 1 。农业生态系统 的养分流失是水体中硝酸盐的主要来源，同时还是磷的第二大来源。据美国、同 4 刘振英- 与粱素海农1 面源入湘量的 亥算研究 本等发达国家报道”3 ，即使点源污染全面控制之后，但如果面源污染控制不好， 水体仍无法达标。另据报道，美国的面源污染占污染总量的2 3 ，其中农业贡献 率为7 5 左右。 现在人们认为农业面源污染为地表水污染物质的主要来源。在美国v i r g i n 岛调查发现，由于过去4 0 a 间农村经济迅速发展，大量乡村未铺石土路的出现造 成了严重的水土流失，过量放牧造成的土壤践踏和地表植被的减少也会加剧地表 径流、土壤流失加重和地下渗漏的减少，致使大量营养物质进入受纳水体。在我 国，近年来，由于农村劳动力的减少，致使化肥施用量增加，有机肥投入减少， 从而导致土壤物理性状的恶化、土块板结和土壤通透性降低、地表径流加大、大 量养分流失，造成水体富营养化。据1 9 9 0 年美国调查“1 ，5 7 的湖泊受到农田养 分流失的严重影响。在荷兰、比利时、德国和丹麦等欧洲国家畜牧业产值占农业 生产总值的一半以上。在奶牛、猪和蛋鸡消耗的饲料中，约7 0 的n 通过粪便排泄。 肉鸡饲料约5 0 的n 以粪便排出。据调查，有3 0 左右的粪便流失，尿液有6 0 左右 流失，冲洗水有8 0 以上流失。1 。在芬兰“1 ，大多数作物种植区域内的水体都表现 出严重的富营养化，地表径流中的总氮、硝态氮和亚硝态氮含量与作物种植面积 百分比呈明显的正相关。在滇池的入湖总磷中“0 1 ，农业面源磷2 8 ，而在南四湖 则高达6 b 。我国每年土壤流失量达5 0 亿t ，带走的n 、p 、k 及微量元素等养分相 当于全国一年的化肥使用总量，其中相当一部分进入了水体中“。 1 3 2 农田氯、磷肥施用对水环境的影响 氮、磷肥从农f f ；l 流失到水域中的途径主要是径流和渗漏淋洗。土壤中的氮以 及施入土壤的肥料氮，在降雨和灌溉水的作用下，部分直接以化合物形式( 如尿 素) 淋洗到土壤下层，大部分最终以可溶性的硝态氮、亚硝态氮和氨态氮形式淋 洗到土壤下层。农阳氮的渗漏和淋失主要以n 0 ，为主，n o ，一次之，n h + 只占很小比 例”“，对于较高浓度的含氨态氮溶液在排水作用下部分能随水流渗至下部土层和 浅层地下水中，污染地下水。孙昭荣等的研究也证明下渗水中的含氮量与旌氮 量呈极其显著的线性相关“。赵竟英等对潮土硝态氮移动规律研究发现：1 0 0c m 刘振英乌梁索海农i i i 面源入湖量的核算研究 以下土层，硝态氮的淋失量随施氮量的提高而增加，尿素施氮量：2 2 5k g h m 2 ， 土壤水溶液硝态氮含量在前三季均超标，存在硝态氮对地下水的短期污染“。而 长期使用无机肥的稻阳氮渗漏损失约为长期使用有机肥的2 倍”。孙宏德等研究 表明：硝态氮的淋洗随尿素施用量的增加而增加，氮肥与磷、钾肥配施可明显减 少肥料的硝态氮淋失“。”1 。沈景文、朱济成等的研究表明：各种无机氮肥施入土 壤后，以尿素流失到地下水的最多，硫酸铵、碳酸铵次之，硝酸铵流失最少“。 在常规施磷肥条件下，磷的淋洗比氮的淋洗弱，大多数土壤不会发生磷的明 显淋洗。但b r y a n 发现在砂性较大的土壤上磷的淋洗较大。 全国每年流失土壤约5 1 0 9 t ，带走的氮、磷、钾及微量元素等养分约相当 于全国1 年的化肥使用总量。黄河流域每年流经三门峡的泥沙量约1 6 1 0 9 t ，其 中含全氮、全磷为4 1 6 2 0 9k t 。上海环境保护研究所的研究显示：9 0 年代部分农开；f 径流氮量为1 5 4 5k g h m 2 ，而8 0 年代初期只有2 0 4 5k g h m “1 。美国国家环 境保护局环境研究实验室o m e m i k 的研究表明，在以农业为主的地区随水土流失而 损耗的土壤氮量和磷量，分别是森林覆盖区的7 倍和l o 倍“”。美国有5 7 一6 4 的江 河湖泊受到非点源污染，其中主要是农业非点源污染。由于施肥不当我国五大淡 水湖之一的巢湖总氮、总磷量严重超标“。第二松花江丰水期下游4 个断面水体 中硝态氮的含量均高于枯水期和平水期，主要是由于沿江两岸水田和早地施用的 氮肥随地表径流向水体迁移所致。”。以上都是通过研究水体的富营养化来研究施 肥对水体的污染，但直接在早作农田生态系统研究施肥后径流中的氮、磷污染还 很少报道。 1 3 3 农田氮、磷面源的研究现状及主要的研究方法 目前，研究农田氮、磷面源的报道有许多即“”_ “州，在这些研究中，以研究 氮素的较多“。”_ 3 “1 “：i l l 土壤中的氮素无论是外部加入的还是土壤本身存在的， 其去向主要有( 1 ) 作物吸收( 2 ) 气态损失，包括反硝化、氨挥发等( 3 ) 径流 和淋洗损失。由于测定氮素气态损失存在理论和技术上的困难，所以目前计算它 的损失普遍都是通过氮索的物料平衡来计算。从目前的研究来看，研究径流和淋 刘振英呜粱素晦农血源入湖量的核算研究 洗的报道居多，氮素的淋失主要以n o 一的形态为主，而n h + 形态的氮素最不易淋 失州。 氮素淋失的主要研究方法主要包括：( 1 ) 田间观测方法：主要是对实验田块 进行采样测定：采集土样、灌溉水样、排水水样、地下水水样以及生长作物进行 分析测定，同时调查土壤类型，肥料用量，通过物料衡算来进行研究。( 2 ) 模拟实验：有室内、室外模拟实验。室内实验主要是盆栽和土柱实验，它们主要 用来进行机理研究和模拟研究，这对模型建立方面是必不可少的，但其结果往往 与大田的实际情况有偏差。室外模拟主要以建立p v c 、不锈钢的模拟土柱来进行 研究心i ”1 。但通用的回填土柱模拟往往与实际结果有偏差。近来，出现了原状 土柱模拟实验，其结果与实际情况更加符合。州。( 3 ) 应用模型来研究：用来研 究氮、磷运移的模型很多“，大多数模型是以对流扩散原理为基础。在运 用模型时，要根据研究的实际情况来选用最合适的模型。“”1 。 1 4 河套灌区农田面源的研究 1 4 1 河套灌区农田面源的研究现状 就目前所知的情况来看，直接对河套灌区农田面源的研究还是空白。其中对 河套灌区较多的研究偏重于耕地的盐碱化防治。由于河套灌区具有显著的自身特 点，其农田排水量较大，所以运用和借鉴其它地区的研究结果和方法不可行。到 目前为止，当地的环保部门已对总排干、各排干的水质进行了长期的监测，并用 总量平衡的方法计算过河套灌区农田氮、磷的排出量。但由于总排干、各排干沿 途接纳了工业废水、城市生活废水、其他退水、山洪、雨水等，另外，采样监测 的频率和监测时f j 的限制，以及需要许多长期的精确的流量数据，所以，目前还 没有直接的、另人信服的结果。河套灌区水平衡如下图所示： 7 刘振英乌粱素海农田呵源入湖量的核算研究 1 4 2 本课题的研究方法 本课题研究根据河套灌区各采样点所得水质、水量的监测数据对整个河套灌 区的农田排水的氮、磷、化学含氧量( c o d ) 做了核算；并建立了流域的数学模 型确定了综合降解速率常数k ，计算出实际农田排水入乌梁素海的氮、磷、c o d 量，最后结合当地施肥情况等加以分析。 2 农田面源入湖量的核算 2 1 河套灌区监测的基本情况 2 1 1 采样点的分布情况 图1 ：内蒙古河套灌区排干采样点地图 f i g u r e1 ：m a po fi n n e rm o n g o l i ah e t a oi r r i g a t i o nw i t hc a n a ls a m p l i n gs t a t i o n s 刘振英乌梁素海农| - | 1 卣源入湖量的核算研究 图中标有数字点为采样点，各采样点的具体地理信息如下所示： 采样点图中标号 地理坐标 备注 永济渠( m 1 c ) ln4 0 0 4 2 9 8 0 e1 0 7 0 1 9 6 0 9 在靠近临河的总干渠 四枝桥 2n4 1 。0 1 6 0 3 e1 0 7 0 3 5 2 7 在3 排千输入总排干的上游 三排干 3n4 1 。0 1 8 6 5 e1 0 7 0 0 4 ，5 3 4 汇入总排干之前 银定图 4n4 l0 1 1 6 4 3 e1 0 7 0 4 4 0 9 5 在5 排干输入总排干的上游 五排干 5n4 1 。0 9 6 9 3 e1 0 7 0 4 3 8 4 4 汇入总排干之前 梅林桥 6n4 10 1 2 7 1 6 e1 0 8 0 11 3 3 2 在7 排干输入总排干的上游 七排干 7n4 1 。1 0 4 0 6 e1 0 8 0 1 5 8 0 7 汇入总排干之前 八排干8n4 0 。5 9 6 4 7 e1 0 8 0 4 89 9 3 进入鸟量素海之前 九排干 9n4 0 。5 6 8 0 0 e1 0 8 。4 7 8 9 2 进入鸟量素海之前 主泵站 t 0n4 0 0 5 9 8 4 8 e10 8 。4 9 3 2 8 ? 可套攥区入岛量紊海的主要入口 湖泊出口 1 1 n4 0 0 4 7 0 5 1 e1 0 8 0 4 24 0 0 在岛量素海的出口坝 黄河入口 1 2n4 0 。3 7 1 9 4 ，e1 0 8 0 4 5 9 1 6 在鸟拉特前旌返同黄河之前 9 刘振英鸟粱素海农田面源入湖量的核算研究 21 2 采样点的自然条件 内蒙古河套灌区地处荒漠草原地带，年降水量1 3 9 2 2 2 m m ，且集中在7 8 月份间。年蒸发量达2 2 0 0 2 4 0 0 m m ，蒸降比在l o 以上，年均温6 8 c ，全年封 冻期5 6 个月，无霜期1 3 5 1 5 0 d 。年均日照时数3 1 0 0 3 3 0 0 h ，属于典型的大 陆性气候。现灌溉面积5 7 1 0 1 h m 2 。其中农田5 2 5 x1 0 4 h m 2 。气象及降水状况见 表l 、表2 。 表l ：气象资料( 五原县2 0 0 1 年) t a b l e1 ：m e t e o r o l o g i c a ld a t ao fw u y u a n c o u n t y2 0 0 1 日期降水量( m m ) 蒸发量( m m l 1 月1 92 6 8 2 月o 05 5 6 3 月 o 01 4 2 8 4 旯2 32 4 0 8 5 月 6 53 8 3 7 6 月9 73 3 9 6 7 月2 0 23 7 6 5 8 月7 0 82 7 5 9 9 月8 2 81 5 7 3 1 0 月8 41 0 9 1 1 1 爿0 04 5 ，5 1 2 爿 表2 ：乌拉特前旗各季节降水情况 划振英鸟梁素海农田面源入湖量的核算研究 乌拉春季( 3 5 月)夏季( 6 - 8 月)秋季( 9 1 1 月)冬季( 1 2 2 月) 特前 降水景( m m ) 3 2 61 4 84 0 13 5 旗 占全年降水量百分比( ) 1 4 56 62 81 5 2 1 3 采样流程图 我们进行常规监测采样的流程图如下 从四枝桥采样点出发，经3 排干采样点、银定图采样点、5 排千采 样点、梅林桥采样点、7 排干采样点、主泵站采样点、8 排干采样点到 9 排干采样点。各排干农时面积及到主泵站的距离如下表所示 排干l 排干2 排干3 排干4 排干5 排干6 排干7 排千8 排干9 排干 各排干毛排控制 2 6 0 94 6 1 58 5 3 79 5 5 07 8 6 87 4 5 07 5 1 54 3 8 44 67 0 面积万亩 到主泵站的距离 2 0 4 0 01 9 3 5 01 7 05 01 3 32 51 0 3 2 56 9 5 05 85 0 k m 刘振英。弓梁紊海农i i 面源入湖量的核算研究 2 14 水质分析项目及计算方法 ( 1 ) 总氮( 卜n ) ：过硫酸钾氧化一紫外分光光度法 ( 2 ) 氨态氮( n h 4 + - n ) ：纳氏试剂光度法 3 ) 硝酸盐氮( n 0 3 n ) ：酚二磺酸光度法 ( 4 ) 亚硝酸盐氮( n 0 2 i n ) ：n ( 1 一萘基) 一乙二胺光度法 ( 5 ) 总磷( t p ) ：钼锑抗分光光度法 ( 6 ) 化学需氧量( c o d ) ：重铬酸钾法 直接监测到的是水质浓度c ( m g 1 ) ，要计算农罔面源的总量q ( t ) _ i = j - 算公式如 下： q = c q 1 0 。9 ( 2 - 1 ) 各排干监测到的水质浓度用公式( 2 1 ) 计算出其水质总量q 。但3 、5 、7 排 干的水质总量q 包括农业用水排出量q 工业废水排出量e qr 和城市污水 排出量q 。，其中的工业和城市源分别来自杭锦后旗、临河和五原，即： q = q 女+ qr + q #( 2 2 ) 因此，核算3 、5 、7 排干的农田入湖量时要排除工业废水和城市污水。而l 、 2 、4 、6 、8 和9 排干的污染物只来自农田排水，其水质总量q 只是农业排出 量qn ，即： q = q 女( 2 - 3 ) 2 1 5 河套灌区水质、水量的基本情况 图2 ：各排千年水量 f i g u r e2 ：a n n u a lw a t e r f l o w i nd r a i n a g ec a n a l s 刘振英鸟粱素海农f l ；l 面源入湖量的核算研究 c i3 a n n u a l w m o w i nd r a i n a g e c a n a l s c a n a l7 表3 ：各排干水量年变化单位：1 0 “m 1 t a b l e3 ：a n n u a lw a t e r f l o wi nd r a i n a g ec a n a l s u n i t e ：1 0 1 m 。 年份3 排干5 排干7 排干8 排千9 排干 1 9 9 9 6 0 9 7 51 4 1 3 99 0 54 9 9 4 72 7 5 9 4 2 0 0 06 0 3 0 18 1 7 51 7 1 3 14 9 3 6 72 8 2 0 ，9 2 0 0 1 5 8 2 7 35 5 2 1 91 2 5 1 04 6 7 6 93 1 1 7 2 2 0 0 21 2 1 2 7 62 2 3 1 44 3 2 1 61 4 6 0 8 38 6 9 7 5 图3 ：各采样点年c o d 量 f i g u r e3 ：a n n u a lc o di i qs a m p i n gs t a t i o n s 3 蛐 舢 舢 砌 咖 础 舢 舢 。 希o，e-o 刘振英乌梁索拇农阳面源八湖量的核算研究 c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) 芒 2 , 0 e o 图4 ：各采样点年总磷量 f i g u r e4 ：a n n u a lt o t a lp h o s p h o r u si ns a m p li n gs t a t i o n s 夕夕夕锻5 图5 ：各采样点年总氮量 f i g u r e5 ：a n n u a lt o t a ln i t r o g e ni ns a m p l i n gs t a t i o n s 4 咖 枷 狮 渤 蛳 啪 枷 瑚 。 j b e 刘振英鸟梁素海农m 面源入湖量的核算研究 n 呐目e n 2 。2 模型及综合降解常数的确定 整个河套灌区的农阳面源除8 、9 排干农田面源直接入湖外，其余排干的农 田面源流入主排干后，都要经过定距离的降解过程。所以，在确定农田面源的 入湖量时，也要考虑排除降解产生的影响。因此，根据主排干的现状确定了污染 物降解的数学模型。 2 2 1 模型结构及方程的确立 污染物排入环境后，会在光、热、微生物及其他环境因素的作用下发生各种 各样结构、组织上的变化。其中多数变化是最终分解成在地球环境中能稳定存在 的小分子，如二氧化碳、水等，这一过程被称为降解，也称污染物的衰减。 污染物的衰减和转化过程有快有慢，快的有几秒、几小时、几天、几个月， 慢的有几年，甚至几十万年。根据污染物衰减或转化过程的快慢，可将它们分为 守恒物质和非守恒物质两大类：守恒物质主要有重金属、很多高分子有机化合物 柏 己 0 己z 曲e 刘振英鸟梁素海农田面源入湖量的核算研究 等难以被自然界中微生物分解的物质；非守恒物质按期衰减方式分为两类，一类 是具有自身衰变能力的放射性物质：另一类为在微生物作用下可迅速生化降解的 有机物。 很多试验和实际观测数据都表明，污染物在环境中的衰减过程基本上符合以 及反应动力学规律，即 d c d t = 一k c( 2 4 ) 式中，c 为污染物的浓度；t 为衰减时间：k 为衰减速度常数。 为了便于讨论，假定进入环境的污染物质点与环境介质质点具有相同的流体 力学特性，能够与环境介质相互融合，暂不考虑污染物在环境中的凝聚、沉淀和 挥发等作用，这样，就可以把污染物质点当作流体质点进行分析，使建模过程大 大简化。当基本模型建立起之后，在实际环境条件下应用时，再根据具体实际情 况，在基本模型的基础上对污染物的凝聚、沉淀或挥发等影响因素进行修正，以 提高预测的精度。 当污染物浓度的空间分布只在一个方向上存在显著差异时，常采用一维模型 来进行描述。 我们以河套灌区总排干为例，根据总排干和排干污染物的性质、研究目的及 可能获得的数据，确定了模型结构。模型以总排干水平方向( 设为x 轴向) 上存 在浓度梯度的微小体积元的质量平衡进行推导，如下图： 体积元中的质量平衡 从上图可看出，单位时间内输入该体积元的污染物的量为 1 a x c d x ( o c 似) 】a y a z 1 6 刘振英屿粱素海农川面源入湖量的核算究 单位时间内由该体积元输出的污染物的量为： u x c + a ( u x c ) a x d x ( o c 3 x ) 十a x 。【- d ；( a c l 。x ) o x a y 2 x z 若污染物在该体积元内发生一级衰减反应，则由衰减引起污染量的变化为 - k c a x a y a z ，于是，单位时间内，该体积元的污染物的变化量为： a x a c a t = u x c d x ( 3 c a x ) 】a y z 一 u x c + 3 ( u 。c ) 3 x d 。( a c l 。x ) + a x 。 一d 。( 3 c a x ) a x a y a z k c a x a y a z 将上式简化，并当x o 时，得 a c a t = - a ( u 。c ) a x 一3 ( 一d 。( a c a x ) a x k c 在均匀流场中，u 。和d 。都可以看作为常数，则上式可以写作： a c o t = d 。( 3 2 c o x 2 ) 一u x ( a c 3 x ) 一k c ( 2 5 ) 式中，c 为污染物的浓度，它是时间t 和空间位置x 的函数：d 。为纵向弥散系数： u 。为断面平均流速：k 为污染物的衰减速度常数，即综合降解速度常数。 ( 2 - 5 ) 式即为环境质量基本模型中的一维模型的基本形式。一维模型一般 应用于河流水质的模拟和预测。 在稳态条件下，即d c d t = 0 时，式( 2 - 5 ) 为： d 。( a 2 c a x 2 ) 一u 。( a c a x ) 一k c = 0 给定初始条件为：x - - 0 时，c = c o ，上式的解为： c = c o e x p 1 ( 1 + 4 k d x u 2 x ) 】u ，x 2d x ) ( 2 6 ) 对于一般河流，推流导致的污染物迁移作用要比弥散作用大得多，在稳态条 件下，弥散作用可以忽略，则有： c 2 c o e x p ( 一k x 1 i 。) ( 2 7 ) 式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 中的c o 可按下式计算： c 0 2 ( q c l q c 2 ) ，( q + q ) ( 2 8 ) 式中，q 为河流的流量；q 为排入河流的污水的流量；c l 为河流中污染物的本底 浓度；c 2 为污水中的污染物浓度。 2 22 综合降解常数k 值的确定 刘振英鸟梁素海农田面源入湖量的核算研究 选定总排干采样点到主泵站的一段确定模型参数。则q 为总排干的水量； q 为7 排干的水量： c l 为总排干的污染物浓度；c 2 为7 排干的污染物浓度；c 为主泵站的污染物浓度：x 为7 排干与总排干的交叉点到主泵站的距离，数值为 5 8 5 0 k i n ；1 1 。为主排干断面的平均流速，数值为o 6 4 m s 。基本状态变量如下表所 不 c o d ( m 1 )总磷( m i )总氮( m g 1 ) 日期 q 0 0 4 m 1q ( 1 0 4 t t i 3 ) c ic 2 c c i c 2 c c 1c 2 c l50 5 2 0 0 l 2 8 6 4 8 7 24 6 201 7 4l0 2 0o 1 8 086 28 47 06 3 76 1 4 6 9 12 9 l3 9 1 5 0 6 2 0 0 17 2 21 1 1 3o2 8 702 9 800 8 00 3 0 01 57 35 58 573 83 7 1 4 8 02 56 0 1 5 0 7 2 0 0 l 3 9 18 2 7l5 i 501 5 410 3 00 4 3 078 93 5 4 78 6 42 4 6 4 0 15 95 9 1 5 0 82 0 0 17 371 2 6 021 7 6o 1 8 21 6 9 00 2 4 084 7 4 l8 2 82 02 0 3 4 6 82 21 2 1 50 92 0 0 l6 029 7 7 4 2 280 2 4 20 ，8 2 9 0 2 9 01 28 56 l4 91 36 02 6 6 0 8 02 3 ，8 0 l51 02 0 0 l6 3 23 1 5 82 8o o 1 2 60 1 7 604 468 53 27 67 - 3 68 4 7 9 0 04 3 25 0 1 51 1 2 0 0 19 854 2 7 1 3 0 0o 3 o ，7 6 8 0 0 8 06 4 23 72 75 3 88 1 8 4 i o3 9 6o o 根据河套灌区总排干及排干2 0 0 1 年的数据，利用模型公式( 2 7 ) 和( 2 - 8 ) 选取参数最全的月份计算出综合降解速度常数k 值结果如下： 综合降解常数 c o d总磷总氮 k ( 1 0 。6s - i ) 1 2 418 10 8 0 2 由上表我们得到的综合降解常数k 值来进行其他流域的水质浓度计算，以 求得各排干农阳面源降解后的浓度，最后确定流入乌梁素海的农f ：f | 面源量。 2 3 各排干农田面源入湖量的估算 河套灌区是个农业、工业、城市生活彼此镶嵌的地带，流入乌梁素海的 污染物不仅来自农业灌溉排水，也来自工业废水和城市生活污水，所以在部分采 样点所监测到的是包含了农业、工业、城市生活用水污染源的综合浓度。我们从 各排干灌区r l 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 排干灌区) 出发分别计算农田面源的入 刘振英屿粱素海农m 面源入湖量的核算研究 湖量。 2 3 1 ( 1 、2 ) 排干灌区农田面源的入湖量 l 、2 排干是两个相邻的灌区，没有大的工业及城市污染源，排干排水主要 来自农业灌溉排水，因此，将两个排干一起估算，监测值来自采样点四枝桥。 从四枝桥到主泵站的距离为1 7 0 5 0 k m 。 1 、2 排干灌区的水质变化情况( 基本数据见附表1 ) ： 图6 ：2 0 0 1 年i 、2 排干灌区c o d 变化曲线 f i g u r e6 ：t h eg r a p ho fc o do f la n d2d r a i n a g ei r r i g a t i o ni n2 0 0 1 图7 ：2 0 0 1 年l 、2 排干灌区总磷变化曲线 刘振英乌粱素海农n 1 面源入湖量的核算研究 图8 ：2 0 0 1 年i 、2 排干灌区总氮变化曲线 从2 0 0 1 年l 、2 排干灌区c o d 、总磷、总氮的变化曲线可看出，c o d 、总磷 和总氮大都在春灌和秋浇时期出现峰值，在非灌溉时期c o d 、总磷和总氮呈下降 趋势，最终达到并保持最低值。这是因为灌溉期的农田排水中溶有大量的化肥， 而在非灌溉期随着蒸发量的增大和降水量的减少，水质浓度也有所降低。 将从l 、2 排干( 即四枝桥采样点) 监测到的水质浓度套用模型公式( 2 7 ) 、 ( 2 - 8 ) ，并应用综合降解常数k 值，得到降解后的水质浓度及总量数据如下表所 示： 刘振英鸟粱素淘农m 面源入湖量的核算研究 c o d 总磷总氮 日期 浓度( r a g 1 )总量( 10 4 9 )浓度( m 1 ) 总量( 1 g )浓度( t o g a )总量( 10 4 9 ) 15 0 4 2 0 0 l 4 4 5 4 3 6 1 0 5 7 0 1 9 0 0 2 2 85 4 2 10 0 0 0 00 0 0 15 0 52 0 0 l 0 0 0 0 0 0 o o 0 0 5 0 05 07 1 21 8 2 5 21 8 5 0 7 9 1 5 0 6 2 0 0 l3 3 5 0 4 741 9 2 4 4 40 1 1 7 31 4 6 7 9 14 0 1 3 9 5 0 2 2 ，5 9 1 50 7 2 0 0 12 1 6 3 2 24 5 0 5 9 8 0 0 1 5 4 3 2 1 5 2 ，2 2 1 04 6 2 6 3 1 5 0 8 2 0 0 13 34 9 7 58 1 1 9 8 00 0 4 0 l9 7 2 8 1 ，5 9 0 23 8 5 4 7 1 5 0 9 2 0 0 12 16 1 7 81 0 0 1 3 3 60 0 4 2 61 9 7 3 3 4 2 0 7 71 9 4 9 0 2 1 5 1 0 2 0 0 i2 4 8 5 9 0 3 5 0 1 1 4 50 0 0 0 00 0 0 038 7 6 65 4 5 9 8 0 1 5 1 l2 0 0 16 1 5 9 7 86 1 7 0 8 6 50 0 0 5 655 6 72 2 1 6 l 2 2 2 0 1 l 1 51 2 2 0 0 1 3 9 9 8 7 23 9 2 2 7 4o 0 1 5 51 5 2 013 6 6 51 3 4 0 5 农田面源实际入 1 7 5 7 7 72 4 2 7 1 7 4 8 4 湖年总餐( 吨) 2 3 2 ( 8 、9 ) 排千灌区农田面源的入湖量 8 、9 排干灌区是两块相邻且没有工业和城市污染源的灌区，它们和乌梁素 海紧紧相连，其农田排水直接流入乌梁素海，是乌梁素海典型的农田污染源。它 们对于研究乌梁素海农罔面源的污染具有重要的参考价值。 8 、9 排干灌区监测的水质情况( 基本数据见附表3 ) ： 图9 ：2 0 0 1 年8 、9 排干灌区c o d 变化曲线 f i g u r e9 ：t h eg r a p ho fc o do f8a n d9d r a i n a g ei r r i g a t i o ni n2 0 0 1 2 l 刘振英乌粱素掘农田面源入湖量的核算研究 图1 0 ：2 0 0 1 年8 、9 排干灌区总磷变化曲线 f i g u r e1 0 ：t h eg r a p ho f t o t a lp h o s p h o r u so f8a n d9d r a i n a g ei r r i g a t i o ni n2 0 0 1 图l l ：2 0 0 1 年8 、9 排干灌区总氮变化曲线 f i g u r e1 1 ：t h eg r a p ho f t o t a ln i t r o g e no f8a n d9d r a i n a g ei r r i g a t i o ni n2 0 0 1 刘振英鸟粱素海农田耐源入湖量的核算研究 从2 0 0 1 年8 、9 排干灌区c o d 、总磷、总氮的变化曲线可看啦，这三条曲线 的变化趋势基本符合农田排水灌溉状况。上面的图形，基本反映了8 、9 排千灌 区内2 0 0 1 年c o d 、总磷、总氮的变化情况，即5 月、6 月、9 月、1 2 月c o d 、总 磷、总氮值较低，而在7 月、8 月的春灌及1 0 月、1 1 月的秋浇时期分别出现了 c o d 、总磷、总氮的峰值。这个变化规律与农田灌溉、排水状况基本一致，因为 农田在6 月、7 月和1 0 月下旬分别进行了灌溉，同