（环境工程专业论文）川中丘陵区饮用水源地农村面源污染特征分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 农村水环境污染日益严重，饮用水源安全问题突出。随着社会经济发展，工业污 染、农业污染、生活垃圾污染等各种污染越来越严重，污染物源源不断地涌向农村， 污染农村的水体和环境。四川省是典型的农业大省，由于水资源分布不均，各地区独 特的自然环境、经济社会环境和地域差异悬殊使面源污染物特征和程度不同，以面源 污染为特点的农村环境问题日益突出。解决农村饮用水安全问题是社会主义新农村建 设中的一项重要任务，使面源污染防治工作具有十分重要的全局性意义。 本文首先分析了国内外关于面源污染的研究进展及现状，并对农业面源污染产生 的机理、污染特征和污染因素方面进行了研究，通过川中丘陵区农村饮用水不安全状 况介绍，综合比选、类比分析，确定了大英县黄腊溪小流域饮用水水源地为研究对象。 对该流域的水质进行了为期9 个月的连续监测，基于主成分分析法确定饮用水源地的 污染物特征，再通过综合污染损害指数对各月水质进行清洁程度分级。结果表明：第 一、二主分得分最高的是次年4 月，代表的是有机物污染，第三主分得分最高的是9 月，代表的是氮污染，确定该流域的主要污染物为c o d e r 、t n 和n h 3 - n ，污染程度较 低的主要集中在8 、9 月和次年的3 、4 月份，1 1 月到次年2 月水质变化较小，相对稳 定，水质情况较好；从清洁程度等级对比结果看出8 、9 月和次年4 月属于中污染状态， 1 0 月和次年1 、2 、3 月属轻污染，1 1 月和1 2 月份是水质处于尚清洁，相对比较好的 状态。综合比较而言，水质污染主要在8 、9 和次年3 、4 月份，1 1 到1 月份是水质稳 定较好的时期。 在主成分分析和综合污染损害指数分析的基础上，对主要污染物c o d e r 、t n 和 n h 3 n 进行水环境容量计算，计算结果表明：该流域需要削减4 9 x 1 0 3 k g a 、1 5 3 4 x 1 0 3 k g a 和6 0 9 x1 0 3 k g a 的c o d e r 、t n 和n i t 3 一n 入河量才能满足饮用水水源i i i 类水质标准； 基于黄腊溪小流域面源污染情况的调查和定量定性分析，本文从农田化肥、畜禽 养殖和农村生活污水、生活垃圾等三个主要的面源污染因素提出了防治面源污染的对 策：种养结合，发展生态农业；转变生产方式，实现资源综合利用；因地制宜，加强 农村环保基础设施建设。 关键词：饮用水源；面源污染；主成分分析；综合污染损害指数；水环境容量 a b s t r a c t w i t ht h ew a t e rp o l l u t i o ni nr u r a la r e a sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，d r i n k i n gw a t e r s a f e t yi s s u e so u t s t a n d i n g a ss o c i a l a n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t , i n d u s t r i a lp o l l u t i o n ， a g r i c u l t u r a lp o l l u t i o n ，g a r b a g ea n do t h e rp o l l u t i o na r ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s p o l l u t a n t sa l e c o n t i n u o u s l yf l o c k e dt or u r a la r e a s ，p o l l u t i n gt h ew a t e rb o d i e sa n dt h ee n v i r o n m e n ti nr u r a l a r e a s s i c h u a up r o v i n c ei sat y p i c a la g r i c u l t u r a lp m v m c c d u et ou n e v e nd i s t r i b u t i o no f w a t e rr e s o u r c e s ，t h ea r e a su n i q u en a t u r a le n v i r o n m e n t , e c o n o m i ca n dg e o g r a p h i cd i s p a r i t yi n t h es o c i a le n v i r o n m e n t , t h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nd i f f e r e n tl e v e l so fp h y s i c a lf e a t u r e s a n dr u r a le n v i r o n m e n tw h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o np r o b l e m sh a s b e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t r u r a ld r i n k i n gw a t e rs a f e t yi sa ni m p o r t a n tt a s ko ft h e c o n s t r u c t i o no fn e ws o c i a l i s tc o u n t r y s i d e n o n - p o i n ts o t l r c ep o l l u t i o np r e v e n t i o na n dc o n t r o l w o r ka r eo fg r e a tg l o b a ls i g n i f i c a n c e t h ed o m e s t i ca n da b r o a dr e s e a r c ha c t u a l i t i e so nt h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nw e r e a n a l y s e di nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i s mo fa 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 i o n ，p o l l u t i o n f a c t o ma n dc h a r a c t e r i s t i cw e r ea l s os t u d i e d c o n s i d e r i n gt h ei n t r o d u c t i o no ft h eh i l l ya r e a a n dt h ei n s e c u r i t yo fr u r a ld r i n k i n gw a t e r , t h ed r i n k i n gw a t e rs o u r c e so fd a y i n gc o u n t y h u a n g l as t r e a mw a sc h o s e nf o rt h es t u d yb yc o m p r e h e n s i v es e l e c t i o na n da n a l o g ya n a l y s i s m o n i t o r e dt h ew a t e rq u a l i t yi nt h eb a s i nf o r9m o n t h sc o n t i n u o u s l y , b a s e do np r i n d p a l c o m p o n e n ta n a l y s i st od e t e r m i n et h ep o l l u t a n tc h a r a c t e r i s t i c so f d r i n k i n gw a t e rs o u r c e s ，a n d c l a s s i f i e dt h ew a t e rq u a l i t ym o n t h l yb a s e do nt h ei n t e g r a t e dp o l l u t i o nd a m a g ei n d e x t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h eh i g h c s ts c o r eo ff i r s t ，s e c o n dm a i np o i n t sb e l o n g e dt ot h ea p r i lo f f o l l o w i n gy e a r , w h i c hc a n b ea t t r i b u t e dt ot h eo r g a n i cp o l l u t i o n ，a n dt h eh i g h e s ts c o r eo f t h e t h i r dm a i np o i n t si ns e p t e m b e r , w h i c hw a so nb e h a l fo ft h en i t r o g e np o l l u t i o n a l lt h e s e i n d i c a t e dt h a tt h em a i np o l l u t a n t si nt h i sb a s i nw e r ec o d e r , t na n dn h 3 - n p o l l u t i o n m a i n l yc o n c e n t r a t e di na u g u s t , s e p t e m b e r , m a r c ha n da p r i lo ft h ef o l l o w i n gy e a r w a t e r q u a l i t yc h a n g e sl i t t l ef r o mn o v e m b e r t of e b r u a r yn e x ty e a r , r e l a t i v e l ys t a b l ea n dq u a l i t yi s b e t t e r ；c o m p a r i n gt h ec l e a n l i n e s sl e v e l ，i tw a so b v i o u st h a ta u g u s t ，s e p t e m b e ra n da p r i l t h ef o l l o w i n gy e a rw e r ei nm o d e r a t ep o l l u t i o n ，o c t o b e ra n dj a n u a r y , f e b r u a r y , m a r c ho ft h e f o l l o w i n gy e a rw e r ei nal i g h tp o l l u t i o n ，i nn o v e m b e r a n dd e c e m b e rt h ew a t e rw a sc l e a n , i na r e l a t i v e l yg o o dc o n d i t i o n c o m p a r e dc o m p r e h e n s i v e l y , w a t e rp o l l u t i o nw a sm a i n l y i n a u g u s t , s e p t e m b e ra n dm a r c h ，a p r i l ，o ft h ef o l l o w i n gy e a r , a n dw a t e rw a s i nag o o da n d s t a b l eq u a l i t yf r o mn o v e m b e rt oj a n u a r y b a s e do nt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n di n t e g r a t e dp o l l u t i o nd a m a g ei n d e x a n a l y s i s , t h ew a t e r e n v i r o n m e n t t b a l a t c a 曲p a e c i b t 捌yo n f n m e c d a j o e d rp t o o l l c u t u t a n 4 t s 9 x c o d e r , t n 一a j n 斗d x n l h u3 k - n 拶4 w e r e c a l c u l a t e d t h e r e s u l t ss h o w e d 帆岫曲枷删：= z i o e e t k g 眦a , la 一i i is t a n d a r d 0 f 6 0 9 1 0 3 k g ao fc o d e r , t n ，a n dn h 3 - n i n t ot h cn v e r 仍1 1 u 1 触 一 孟m e 讪毹g 以0 n “m cn o n p 。i n t s 。嗽p o l l u t i o no fm 觚9 1 as t ? ，枷 q u 枷僦v e 觚dq u a h t a t i v ea n a l y s i s ，a n db a s e 。n 血e 岫m a i n f a c 吣，出觚c a lt 酏h z 盯 蒿e s t o c ka n d 删d o m e s t i c s e w a g e , m g b a i n i r b n a g g e , p l m 砌e a s u g r e a n d sa b o b u t 池h o w g ，t o d e v r e d e l u o p i c en t h g e 嘲n o n l 孵- p o c i n a l t s 0 嗽p o l l u t i o nw e r ep r o p o s e d ：跚b l n l n gp i 狃1 1 9 删u 坞刚与。m ， ：西山e ，c h a n g i n g m e am 0 - d e 。fp r o d u c t i o na n da c h i e v i n g r e s o u r c e u t i l i z a t i 呱：竺篓 磊l 。c a lc o n d i t i o n s 锄ds 概g t h e n i n ge n 、，i r 0 眦既t a lp r o t e c t i o n 曲神u 咖r e c o n 姗c n o nm k c yw 。豳：d 枷n gw 掀s 。l l r c e s ；n 。n - p o i n t 舢c cp 0 1 n ；p 咖8 1 狃a l y s i s ；m 伊a t e dp o n 而0 n d a m a g ei n d e x ；w a t e re n v i r o n m e n t a lc 印砌t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 墨置量鼍曼曼鼍曼曼舅皇曼寡鼍曼量舅i , _i_iii-i l 鼍舅舅曼曼曼皇曼曼鲁曼量曼曼寰 1 1 研究背景及意义 1 i i 研究背景 第1 章绪论 随着农业生产的不断发展，传统粗放的农村经济发展模式并没有得到根本转变， 水资源受到严重污染，水体使用功能下降甚至丧失，据估计，全国有约3 6 亿的农村人 口喝不上符合饮用标准的水【l 】。2 0 0 5 年，胡锦涛总书记在中央人口资源环境工作会议上， 要求“把切实保护好饮用水源，让群众喝上放心水作为首要任务 。如何治理农村面 源污染，实现饮用水源安全可持续发展1 2 1 ，加强农业面源污染对饮用水的影响和防治措 施具有十分重要的全局性意义，也是社会主义新农村建设中的一项重要任务和工作。 国务院在2 0 0 5 年印发了关于落实科学发展观加强环境保护的决定( 国发 f 2 0 0 5 1 3 9 号) ，明确提出“以饮水安全和重点流域治理为重点，加强水污染防治。要科 学划定和调整饮用水水源保护区，切实加强饮用水水源保护，解决好农村饮水安全问 题，各农业部门把面源污染的治理提上了日程，以“发展生态农业，防治面源污染 的目标开始面源污染防治工作【3 】。新修订的中华人民共和国水污染防治法 4 1 也将“农 业和农村水污染防治作为单独的一节，列在了“水污染防治措施一章中，另外专 门为饮用水源的保护设了“饮用水水源和其他特殊水体保护一一章，可以看出，国家 开始通过法律的手段对农村饮用水源的安全和水质进行了保护；四川省国民经济和 社会发展第十二个五年规划纲要明确提出“加强农村面源污染防治，倡导科学使用 化肥、农药和农膜，加大规模化畜禽养殖污染防治力度；加强水库水质监测和水污染 防治，有效保护农村饮用水源【5 】，既“十一五规划后再次把农村的饮水安全纳入国 家五年规划。随着法律法规的不断完善，对研究农村面源污染对饮用水的影响奠定了 基础。 四川省是我国农业大省，川中紫色丘陵区是四川省农业活动的主要区域，又是长 江上游生态环境脆弱区，由于该区属于典型的紫色丘陵，水土流失严重，以水环境污 染为特点的农村环境日益突出。四川地形、气候复杂多样，对农村面源污染的监测和 防治难度较大；黄腊溪地处四川盆地腹部，j i i 中丘陵地区，是四川盆地典型的传统农 业区，由于属典型的紫色丘陵地形和长期耕作、肥料施用的不当，造成水土流失、面 源污染日益严重 6 1 ，同时也威胁了当地的生态环境和农民群众的健康，成为“三农问 题所关注的重要部分。 农业面源污染在时间上具有随机性、污染发生具有间歇性、污染物排放方式和途 径具有不确定性、空间范围广、排放量难以量化等一系列特剧7 引。通过对四川省饮用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 水源指标监测积极探讨农业面源污染防治的对策和措施，对社会主义新农村建设具有 举足轻重的地位。 1 1 2 研究目的及意义 四川省人民政府关于加强饮用水水源保护工作的通知( 川府函1 1 2 0 0 6 1 5 8 号) 从 六个方面对全省饮用水水源进行保护，主要是从饮用水条件；组织编制了相关规划， 开展饮用水水源保护区划定工作；加强饮用水水源监督管理，建立饮用水水源安全保 障应急机制，切实加强饮用水水源安全工作来确保饮用水安全【9 】。农业面源对饮用水的 影响是其中污染源之一，研究农业面源污染带给饮用水的影响对饮用水安全和保护具 有指导意义；尤其对污染物特征和削减量的估算，为当地面源污染的防治提供了参考 依据，也为技术的更新提供了思路【1 0 1 。 本论文在国家“十一五 水体污染控制与治理科技重大专项背景下，根据西南村 镇库泊地表饮用水安全保障适用技术研究与示范一库泊水源地污染特征和保护策略研 究( 2 0 0 9 z x 0 7 4 2 5 0 0 3 1 ) ，以四川省典型丘陵地区黄腊溪饮用水源地面源污染为研究 对象，针对当地情况进行了实际现状调查，在水质监测和评价的基础上提出适合四川 省农村面源污染防治的对策和技术路线，并选择有典型代表意义的饮用水源面源污染 长期监测，从而探讨四川地区面源对饮用水的影响，为保障饮用水安全和防治具有重 要意义。 1 2 国内外面源污染研究现状 1 2 1 国外面源污染控制研究与实践 在全球范围内，农业面源污染已成为水体污染的重要因素，人们对面源污染的认 识在2 0 世纪4 0 年代末就开始了，西方国家自2 0 世纪6 0 年代对水环境面源污染开始 重视；2 0 世纪7 0 年代末，美国颁布了水污染控制法修正案【9 】，使面源污染的研究 发生转折；2 0 世纪8 0 年代开始，发达国家对面源污染的治理主要是集中在源头控制； 2 0 世纪9 0 年代主要集中在面源污染控制技术。总的来看，国外面源污染研究分为四个 阶段。 第一阶段是2 0 世纪5 0 6 0 年代，此阶段主要是些数学模型的建立，包括5 0 年 代制定了s c s c n 法【1 1 】、6 0 年代建立了水文模型s w n 1 2 】，到6 0 年代后期推出通用土 壤流失方程u s l e l l 3 】，在土壤侵蚀和径流计算方面发挥了重要作用。土壤侵蚀是很重 要的一种面源污染模型，当时的定量化计算已经趋于成熟；此时，美国和加拿大开始 控制伊利湖富营养化的问题，旨在恢复湖区的生态环境。 第二阶段是2 0 世纪7 0 年代初期，以美国为首的国家开始了全国范围的面源污染 大规模调查，主要选择了近千个面源污染的典型小流域，集中在面源造成的湖泊富营 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 -昌lm _ m 皇曼曼皇曼曼鼍曼曼曼舅皇曼鼍曼曼鼍曼鼍曼量鼍曼鼍量曼曼曼曼量葛量量皇曼曼曼曼蔓曼曼曼曼皇舅曼笪曼曼曼鲁舅舅 养化研究，从土地利用结构来探讨国内土地利用方式、富营养化情况和营养负荷之间 的关系，通过“宏观流域实际情况来估算了水体营养化负荷量；接着，美国和加拿 大联合开展了土地利用与五大湖泊水质污染状况的项目，主要研究分析了对水质和土 壤的影响因子【1 4 】；到2 0 世纪7 0 年代中期，这个阶段是面源污染模型的发展时期。模 型主要用于定量化计算、预测面源污染物的负荷量，是制定面源污染防治和管理方面 不可忽视的一部分成果。h y d r o e o m p 公司提出了农药迁移和径流模p t r - h s p a r m n p s 和其他一些研究者提出的s t o r m 、a c t m o 、u t m 、l a n d r u n 等例，是在面源污染 特征、影响因素和平均负荷输出量等方面的初步研究：同期，美国制定了饮用水法， 设定了初级饮用水标准：日本对该法进行了修订，从对人类健康方面通过实行损害赔 偿来保护水源1 1 5 】；而在面源污染管理方面，这时也逐步形成了最佳管理措施b m p s 。 第三阶段是2 0 世纪8 0 年代，主要是研究如何把已有的模型应用到面源污染管理 方面，于是出现了新一代的面源污染模型。如：连续的的分散机理模型，能用来对融 雪过程、地下水流和地表水流、饱和及非饱和的地表径流进行模拟 】6 】；农田尺度的水 侵蚀预测预报模型w e e p ，是一种基于物理过程的“新一代土壤侵蚀预报模型 【l ”； 8 0 年代末，美国m a r t h a 等应用g i s 作出了潜在径流量土壤侵蚀污染潜势和微生物污染 的三维立体图，对土壤类别、土地利用和管理取得了比较好的效果；此外，在1 9 8 6 年 美国国会对饮用水法增补了水源地保护区涵义，并要求各地区制定水源保护计划。 第四阶段是2 0 世纪9 0 年代到现在，3 s 技术在面源污染领域得到应用，它为面源 污染的研究提供了精确、可靠的数据，并能动态的更新数据看，从而提高了工作效率。 3 s 技术与面源模型的高效系统集成，是9 0 年代面源污染研究的特色和发展趋势f 1 4 j ： 1 9 9 6 年美国对安全饮用水法案进行了修正，主要是通过划定水源地保护区来确定区域 内的污染状况和对供水的影响【1 3 】；新西兰通过对流域的调查，确定可能产生的污染物， 、 然后对饮用水进行等级评价，并提出相关措施。 另外，国外为了改善环境质量，利用税收来引导消费需求。1 9 9 0 、1 9 9 2 年芬兰分 别引入磷肥税和氮肥税，并实行杀虫剂登记和控制收费；欧盟在2 0 0 0 年颁布了 ( a g g n n d a 2 0 0 0 ) ，主要削减对农业耕种和养殖的价格补贴、加大对采取环保生产方式 的农民进行补偿。进入9 0 年代后f 1 9 】，一些发达国家也开始推广环保型农业技术，增大 有机物的利用率、利用植物的生产发育诊断性的施肥和测肥；对病虫害发生的进行预 测防治、减少农药的使用量。研究对象也逐步从化肥转向农药，德国h u b d 驯等人对 农田使用的4 2 种活性成分的流失率进行了研究，对农药的施用具有指导作用；英国学 者j o h n e s 等人提出的改进后的输出系数模型和美国学者d a v i d 等人提出总量平衡方 法，通过土地利用等资料直接建立土地利用与受纳水体面源污染负荷之间的关系，简 化了面源污染形成的研究。 1 2 2 国内面源污染控制研究与实践 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 我国的农业面源污染研究起步相对比较晚，始于2 0 世纪8 0 年代北京城区径流污 染研究【z 1 1 ，主要是面源污染模型和宏观特征的污染负荷定量计算；进入2 0 世纪9 0 年 代后，主要集中在污染物的迁移、旱田径流n 、p 的流失、3 s 技术的应用等方面。 2 0 世纪8 0 年代开始，我国开始引入国外通用土壤流失方程u s l e ，汪忠掣冽等人 在实际监测数据的基础上对u s l e 进行修正，并提出了实用的区域性土壤侵蚀模型， 主要以黄土高原、南方红壤地区、三峡库区的水土保持工作为代表。此外，对国外d r a s t i c 、c r e a m s 、a g n p s 、a n s w e r s 等面源污染模型进行应用，如：陈一兵【2 3 j 将 a n s w e r s 模型对四川紫色丘陵区小流域进行模拟，并结合地理信息系统对紫色丘陵 区的降雨进行模拟：李怀恩【2 4 】从面源污染物迁移转化机理研究面源污染的“宏观 模 型，通过野外实际流域面源污染的特点和发生过程，建立了暴雨时期面源污染负荷的 数学模型，能较好的把握面源污染负荷的发生状况和积累湖泊、河流水质的可靠数据 资料；随后朱萱1 2 5 等人提出农业面源污染负荷的估算统计模型和夏青【2 6 】等人的概念性 机理模型；此外，赵人俊还构建了著名的新安江水文模型【2 1 7 】；在1 9 8 9 年，我国颁布饮 用水水源保护区污染防治管理规定，开始了饮用水研究工作。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国对农业面源的研究开始活跃。国内学者纷纷利用g i s 技术手段，对面源污染进行定量化研究，将g i s 技术与面源污染模型的结合，还处于 尝试阶段，采用部分耦合的方法【2 引。而在对农业面源污染的机理和时空分布敏感性的 评价方面取得了很好的效剽2 9 】；同时，模型方面也得到进一步广泛应用，陈国湖【3 0 】等 人把a g n p s 模型成功运用到了对中国南方小流域的面源污染负荷估算和潜力评估：随 后于苏俊【3 1 】等人利用g i s 与a g n p s 模型相结合对绵阳官司河流域面源污染进行研究； 接着张玉珍3 2 】等人开始了北方旱田径流氮流失的研究，主要从旱田氮素季节性暴雨径 流的特征和机制方面着手，进行了硝态氮淋失量的估算、硝态氮淋失的施肥量、生物 固体、氮肥形态等影响因素的研究。 进入2 1 世纪以后，g i s 工具和模型被应用到各大典型流域，如：太湖流域、九龙 江流域、汉江中下游流域、官厅水库流域、密云水库流域等【3 引，同期朱颜吲蚓等人开 展了城市饮用水地表水源的各类非点源污染来源研究，并提出了防治对策；此外，从 生产实践中发展了一些具有区域特色的工程和技术控制措施，包括：丘陵山地生态农 业模式、厌氧沼气池处理技术、土壤渗滤技术、湿地农业可持续发展模式、农村景观 生态建设模式、农田生态系统管理措施、水土保持措施等。同时，政策和法规也开始 受到重视，截止到2 0 0 9 年底，已有2 1 个省、市制定了农业( 生态) 环境保护( 管 理) 条例。2 0 0 0 年，国务院印发了的全国生态环境保护纲要；2 0 0 2 年，国家环 保总局制定了畜禽养殖业污染防治技术规范，并在2 0 0 3 年出台了相应的畜禽养 殖业污染物排放标准；随后在2 0 0 6 年制定的农业科技发展规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 强调提高肥料、农药等资源利用率；国家环保部在2 0 1 0 年也颁布了关于农村的农村 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 生活污染防治技术政策，国家一系列的法律法规政策的颁布和制定对地方政府面源 污染防治工作起n - f 有力的指导作用2 8 1 。 1 2 3 面源污染研究发展趋势 未来面源污染发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 各国将对面源污染引起的水质问题更加重视，运用多学科完善其理论研究； 结合面源污染给人类带来的短期和长期的潜在威胁，加大面源污染的控制复杂性研究 c 3 5 | ( 2 ) 进一步加大对模型的研究，以污染物的迁移转化机理为基础，同时兼顾时空 尺度，加强面源污染的定量化研究，为模型建立提供理论基础； ( 3 ) 利用各种新技术和方法，如“3 s 技术对数据的采集和处理功能与面源污染 的实际监测数据结合，得到准备数据和提高准确度；以图形界面、专家分析和人机对 话提高数据可靠度，实现控制管理方便快捷。 ( 4 ) 推广面源污染模型的集成化软件，建立各区域完善的数据库，便于用户输入 数据就能得出土壤侵蚀量； ( 5 ) 面源污染物的毒理学研究；分析污染物诱发的其他污染； ( 6 ) 完善各项法律法规，制定各种管理措施，以降低面源污染带来的影响。 1 3 研究方法、内容及技术路线 1 3 1 拟采取的研究方法 本课题采用理论与实际相结合的方法，具体采用比较方法( 调查、监测、分析) 、 实证方法、调研方法、统计方法等方法进行研究。 ( 1 ) 通过资料调研，掌握该课题的既有研究和实用性以及最新动态； ( 2 ) 通过搜集查阅资料，获取该课题的所需的实际资料和案例支撑； ( 3 ) 通过对水源的监测，基于主成分分析确定主要污染物特征； ( 4 ) 针对主要污染物进行水环境容量计算和污染物入河削减量估算； ( 5 ) 通过主成分分析和综合损害指数评价水质污染状态，进行综合比较，并结合 实际情况和定量定性分析面源污染污染物特征，提出相应的防治对策。 1 3 2 研究内容 对典型丘陵区农村面源污染进行调查；水质进行监测，对水环境容量进行估算， 并利用数学手段对饮用水水质进行评价，以得n - ( 1 ) 黄腊溪流域农业面源污染情况调查； ( 2 ) 利用主成分分析确定流域污染物，通过综合损害指数对水质的清洁程度进行 分级； ( 3 ) 引入面源污染水环境容量模型，对黄腊溪流域的污染物进行水环境容量估算； ( 4 ) 根据当地实际情况和污染物特征提出面源污染的防治措施。 1 3 3 技术路线 本课题的技术路线以监测为基础，研究过程遵循“资料收集一文献综述一现场调 研一实验室监测一试验采样分析一水质定量定性估算评价一提出面源污染防治对策” 的研究思路。拟采取的技术路线如下图1 - 1 所示。 对农户庭院、种植 养殖基地设计信 息调查表 选择典型农户、 乡镇、村发放调 查表 化肥、农药施用量，农村 人口、耕地面积等面源污 染资料收集分析 图1 - 1 本论文技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章农村面源污染特征分析 2 1 农业面源污染涵义 由于农业活动的频繁，农业面源污染已成为水安全的大威胁。面源污染又叫非 点源污染，是指在大气、土壤中( 农药、化肥、垃圾、粪便、重金属等) 的溶解性或 固体污染物在降雨和径流冲刷的作用下，各污染物通过径流汇入受纳水体引起的水体 污染【3 6 1 。根据面源污染发生区域的不同，可以分为城市面源污染和农业面源污染两类。 城市面源污染( u n p s p ) 是指在降雨过程中，降雨冲刷城区地表，地表沉积的污 染物质随径流进入受纳水体，给城市周边的水环境造成污染【37 1 。农业面源污染( 砧岬s p ) 是指农业活动过程中，在降水作用下，农田里的土壤、营养物质及其他物质等通过农 田地表径流或是地下渗漏汇入水体造成水环境污染【3 5 1 。由于面源污染发生的区域性和 污染物特征的不同，城市面源污染和农村面源污染的对比见表2 1 。 表2 1 城市面源污染与农业面源污染对比 城市面源污染农村面源污染 污染源 主要污染物 污染类型 城市地表堆积物( 如：工业废 物、垃圾、交通排泄物等) 固体悬浮物质、营养物质、细 菌、耗氧物质及有毒污染物等 城镇地表径流、矿区、建筑工 地地表径流 化肥、农药、生活污水、生活垃圾、 畜禽养殖、水产养殖 硝酸盐、氨氮、有机磷、重金属、 c o d 、病原微生物和塑料增塑剂等 农田地表径流、农田渗漏 进入水体途径 降水淋洗径流地面冲刷受纳水体 2 2 农村面源污染特征分析 2 2 1 面源污染产生的机理 人类活动扰动土壤，是面源污染产生的根本原因；人类活动使土壤圈中的农业化 学物质发生迁移转化扩散至水圈：降雨径流是农业面源发生的自然原因，成为了污染 负荷迁移的载体，而下垫面污染物质的累积成为了面源污染的物质基础。在两者原因 的基础上，产生过程主要有：降雨径流过程、土壤侵蚀过程、地表溶质溶出过程和土 壤溶质渗透过程【3 引。 ( 1 ) 降雨径流过程 降雨径流是面源污染动力径流的产流、汇流特征过程。大多数以水文为基础，河 流中污染物浓度同水文条件有很强的相关性【3 9 1 ，农业面源的汇水面径流系数小，形成 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 _ - = i - 皇曼曾舅曼曼寰量曼曼舅舅曼鼍皇曼量曼曼曼量皇曼皇 径流的时间长，径流量越大，污染物负荷量也越高；同时考虑产流条件的空间差异， 从自然因素两个方面深刻揭示面源污染形成过程。 ( 2 ) 土壤侵蚀过程 土壤是污染物迁移的重要载体，颗粒污染物随地表径流迁移，一部分会在重力作 用下沉积下来，从而减少了污染物的迁移量；而溶解态污染物随地表径流、土壤流和 地下水流迁移进入水体。研究表明：2 0 7 0 的氮附在作物上，剩下的部分进入土壤 形成硝酸盐【4 0 1 ；其中化学反应的非线性特性会引起降雨径流、污染物的排放延时【4 1 】； 农家肥中氮如果没有被作物和土壤及时吸收，会以n i t 3 的形式挥发；对于风化的土壤， 对磷的吸附比例高，在酸性土壤中，主要是f e 和越的磷酸盐，而在碱性土壤中主要 是c a 磷酸盐【4 2 】；另外，土壤粒径大小和密度在土壤侵蚀过程中传输、沉积的污染物 起重要作用 4 3 】。 ( 3 ) 地表溶质溶出过程 在降雨径流的作用下，溶质从土壤中溶出，其后一部分又随径流迁移、入渗水体； 一般情况，土壤表层的溶质在降雨径流作用影响下进入径流的机率最大，并随着土壤 深度的增加，土壤溶质溶出的贡献率指数呈递减状态【4 4 1 。有效混合深度里包含了随下 渗水迁移和随径流迁移的溶质量，可以分为等效入渗和等效径流迁移深度，其中的溶 质参与径流迁移；在迁移过程中，里面的颗粒污染物在重力作用下沉积下来，从而减 少了污染的排放量。 ( 4 ) 土壤溶质渗透过程 土壤溶质渗透是溶质下层渗流过程，主要是以硝酸盐和可溶性农药成分为主，通 常以确定性模型结合，建立适当的数学模型来描述，并进行估算和拟合相关参数或是 把整个过程假定为对流扩散过程，研究地表损失数值模型f 4 5 1 。 2 2 2 面源污染的特征 面源污染是随机分散污染造成的，污染物主要是大范围和大面积的，不能以常规 方法来处理污染物的排放量，要结合水文等气象条件进行估算。与点源的稳定性相比， 面源污染具有以下特征： ( 1 ) 随机性和分散性 面源污染的形成与区域的降水过程密切相关，由降水过程的随机性来影响的；而 随降雨径流进入水体过程中，由于土地利用、地形地貌、耕作方式等的不同差异呈不 均匀分散状态m ，与自然条件如：水文条件、气候、降水的随机性具有空间异质性， 形成时间上的不均匀性；而产生的排放分散性会导致污染区域的空间位置和边界无法 界定【47 。 ( 2 ) 广泛性和不确定性 农药化学物质的增多，在地表广泛存在，在降雨径流的过程中这些污染物质以稀 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 _m-i,皇曼曼鼍量曼曼皇蔓曼舅舅曼皇曼皇曼皇璺曼量量皇鼍蔓曼皇 释方式间接进入水体，并遍及广大地域；造成了污染物在某一点进入的位置无法确定 和跟踪，对某个点的监测也无法得到准确的数据；而农作物等受到天气、空气强度、 降雨强度的影响对水体造成的污染程度不同【4 8 1 。 ( 3 ) 滞后性和潜在威胁性 污染物质对水环境的影响是逐渐迁移累积的过程，决定了其滞后性，一般有机物 经过化学反应存在的非线性特征造成了面源污染排放的延时；而进入环境后对生态环 境的危害往往表现不明显，对生态的破坏和人类健康形成了潜在的威胁性和生态风险。 ( 4 ) 复杂性 面源污染迁移的不确定性、危害的潜在性，使来源具有复杂性，给环境监测、控 制和防治增大了难度，也难以进行量化，所以在研究面源污染往往需要考虑自然条件、 社会条件、土壤类型、农药化肥的施用量等多方面因素。 2 3 农村面源污染的影响因素 农村面源污染涉及到人类活动、自然环境和社会经济因素等方面，主要包括土地 利用方式、化肥农药、畜禽养殖、村镇生活污水、农村生活垃圾及农田灌溉方式等。 从污染物产生源到进入水体主要有产流、汇流、产污三个环节，其中两个关键是面源 污染物的入河总量和污染物在水环境中的自净能力。 2 3 1 土地利用方式 土地利用方式对土壤、植被及化学物质的迁移起着决定性作用，不同的土地利用 方式造成了面源污染的程度不同；在不同的土地类型中，各污染物浓度往往介于林地、 草地或耕地为主的小流域之间，并随着流域内林地、草地面积的增加，面源污染降低， 随耕地的增加，面源污染逐渐增大。阎伍玖【4 9 】等人在对巢湖流域不同土地利用类型地 表径流研究表明，农田控制的流域中t n 和t p 的流失明显高于草地或者林地控制的流 域：而孟庆华【蚓等人对土地利用方式的养分输出的差异研究，得出变化趋势为坡地农 田 梯田农田 梯田果园 坡地果园；而土地利用方式形成的“因果”关系使污染程度存 在着差异f 5 l 】。 2 3 2 化肥农药 种植业中化肥的使用引起了农业土壤、水体和生态环境的衰退，成为了我国农业 面源污染的最主要因素。到2 0 0 2 年中国化肥年使用量达到4 1 2 4 x1 0 7 k g ，超过了国际 设置的化肥施用量2 2 5 k g h m 的上限，而每年在作物上施用的氮肥就有1 7 4 1 0 7 k g 流 失掉；王庆安【5 2 1 等人对四川区域化肥施用负荷的计算，可以得出成都平原区、盆地丘 陵区化肥施用负荷远远高于其他地区，达到全省平均负荷的3 5 倍左右，成为了农村水 环境污染最突出的地方。而农药的情况和化肥施用一样，同样存在着施用量大、利用 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 率不高和地域差异等特点；据统计，我国每年农药的施用量达到了5 0 6 0 x1 0 k g ，而 其中约8 0 的农药直接进入水体，以喷雾剂的方式喷洒在农作物上的，农药利用率只 有4 0 5 0 。加上施用方式、施用时间的不恰当，导致n 、p 在土壤中富集【5 3 1 ，随降 雨径流进入水体造成水环境污染。 2 3 3 畜禽养殖 畜禽养殖产生的废物除了同化肥农药造成的污染一样，还易传染和引发疾病。粪 便中含有c o d 、b o d 、n h 3 - n 、t n 、t p 等多种营养物质，预计到2 0 1 0 年，它们的流 失量分别为7 2 8 2 6 1 07 k g 、4 9 8 8 3 1 07 k g 、1 3 2 2 0 1 07 k g 、3 4 5 5 0 1 0 7 k g 和4 1 9 5 1 0 7 埏；通常情况下，畜禽粪便中含的有机物质比市政污水浓度要高5 0 2 5 0 倍3 7 1 ，而 c o d 的排放量是生活污水的1 5 倍左右；近年来，由于畜禽养殖成本的降低，各地兴 建了大量禽畜养殖场，禽畜粪尿量的急剧增加，目前全国每年产生1 7 1 0 k g 畜禽粪 便，多数不被利用绝大部分禽畜养殖场没有建立污水处理设施导致粪尿随意排放，对 生态和水环境造成影响；另一方面，畜禽粪便在堆存期间随降雨汇入周围土壤或是水 体，给水体造成一定污染。 2 3 4 村镇生活污水和生活垃圾 农村的基础设施相对比较落后，普遍存在着“脏、乱、差 的现象。生活污水直 接排放和任意泼倒、生活垃圾随意丢弃等方式导致污染物以不定的方式成为农村环境 的污染源之。 据统计，农村地区每人每天排放1 5 0 l 生活生活污水量，其中绝大多数没有经过处 理直接排入河道中，从成都郊县的面源污染采样分析，生活污水排放量占到了1 5 8 ， 其中的含磷洗涤废水含有3 0 的三聚磷酸钠直接分散以面源的形式进入水体，给面源 污染的磷有一定贡献。 随着农村生活水平的提高和生活方式的改变，垃圾产生量不断增加，成分也变得 复杂：由于没有垃圾存放点和中转站，容易造成垃圾腐烂变质形成高浓度的渗滤液而 污染地表水、地下水和土壤；而随着降水的出现，垃圾冲刷到河流堵塞河道，造成水 域堵塞，对排涝和灌溉用水存在潜在的影响。 2 3 5 农田灌溉方式 农田灌溉的方式有漫灌与节水灌溉，由于灌溉方式的不同会导致养分、农药的流 失差异，漫灌会在退水的过程中带走大量农田的营养物质，而节水灌溉一般按喷灌 淹灌 沟灌【跏的顺序递增；不同的土壤和季节也会造成污染营养物质流失的不同，只 有单一的种植灌溉的高粱等农作物与两季轮作的农作物相比，两级轮作会导致更多的 n 0 3 - n 流失【5 5 】；对于季节的不同，曾阿研【5 6 】等人研究表明：夏浇时期，由于灌水量少、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 植物吸收小，导致农田基本不产生污染，而在秋浇时期，由于灌水量多、土壤裸露成 为面源产生主要时期。 2 4 本章小结 农村面源污染从降雨径流过程、土壤侵蚀过程、地表溶质溶出过程和土壤溶质渗 透过程四