（环境工程专业论文）京郊农村面源污染成因及防治对策.pdf

捅姜 本文以统计数据和文献资料为依据，基于g i s 支持下的空间数据库，在辨析京郊主要农村面 源污染源的基础上，对农村面源污染各污染源的污染负荷及其贡献率，以及农牧复合生态系统养 分平衡进行了系统的分析研究，结果表明； 京郊地区农村面源污染物产生总量达到5 8 9 4 8 万吨，其中有7 8 是农村生活污水、垃圾和粪 便等生活废弃物，畜禽粪尿贡献率则占1 7 左右，旅游业和作物秸秆均贡献2 左右；污染物向 大气和水体中的流失量为1 6 1 7 9 万吨，其中农村生活污水和垃圾等废弃物的贡献率最大，占到了 7 3 ，其次是畜禽粪便，贡献率为2 3 ；总氮污染负荷量达9 o 万吨，其中。种植业化肥流失贡 献达到4 4 ，畜禽粪便流失贡献4 2 ，水产饵料和肥料的流失、作物秸秆以及农村生活污染的贡 献率均为4 左右；总磷污染负荷量达1 7 万吨，其中畜禽粪便流失贡献7 0 ，种植业化肥流失 和水产饵料、肥料的流失贡献率均为1 2 ；对畜禽粪便、旅游业，农村生活污水和垃圾等捧放的 c o d c ，进行估算，污染负荷量达到1 4 7 万吨，其中以畜禽粪便的贡献率最大，达到9 0 。另外通 过对京郊农牧复合生态系统养分流动的计算分析可知，农田养分收支存在一定程度的n ，p 投入 过量，k 投入不足的问题。 本文结合已有的研究成果，对各污染源的排污负荷进行了估算，在空间变异性分析、参数估 算，特别是精确性方面还有待进一步研究。今后努力的方向是加强参数赋值的研究，并且实现面 源污染的动态监测 关键词：北京郊区，农村面源污染，污染负荷，污染贡献率 a b s t r a c t a c c o r d i n ga st h ea n a l y s i so fd a t af r o ml i t e r a t u r ea n ds t a t i s t i c sa n db a s e do nt h eg i ss p a c ed a t a b a s e ， t h ep o l l u t i o nl o a da n dt h ec o n t r i b u t i o nr a t eo fm a i nr u r a ln o n p o i n ts o u i c i ：p o l l u t i o na sw e l la s , t h e n u t r i e n tb a l a n c eo f f a r m i n gs y s t e m sa f i x e d t h em a i nr e s u l t sw e s u m m a r i e da sf o l l o w s ： t h et o t a lq u a n t i t yo fp o l l u t a n ti s5 8 ，9 4 8 , 0 0 0 t , i nw h i c hh o u s e h o l dr e f u s ea e c o u n l $ f o r7 8 。 l i v e s t o c k ( 1 e j e c t i o nf o ra b o u t1 7 。p o l l u t i o nf r o mt o u r i s ma n dc r o ps t a l kf o r2 r e s p e c t i v e l y t h e p o l l u t i o nl o a di s1 6 ，1 7 9 ，0 0 m ，i nw h i c hh o u s e h o l dr e f u s ea n dl i v e s t o c kd e j e c t i o na r ct h et w ob i g g e s t c o n t r i b u t o r s ，a c c o u n t i n gi o r7 3 a n d2 3 r e s p e c t i v e l y t h et o t a ln i t r o g e np o l l u t i o nl o a di s9 , o o o o t , i n w h i c ha 鲥c t l l l l 砧c h e m i c a lf e r t i l i z e r sa t c c o i i l i l sf o r4 4 ，l i v e s t o c kd e j e c t i o ni o ra b o u t4 2 ，a q u i e u l t u r e , c r o ps t a l ka n dh o u s e h o l d t 1 i o r4 r e s p e c t i v e l y t i l et o t a lp h o s p h o r u sp o l l u t i o nl o a di s1 7 o o o o t , j n w h i c hc r o ps t a l ka e c o u n t sf o r4 4 ，a g r i c u l t u r ec h e m i c a lf e r t i l i z e r sa n da q u i c u l t u r ef o r1 2 r e s p e c t i v e l y c o d e , p o l l u t i o nl o a df i o ml i v e s t o c kb r e e d i n g , t o u r i s ma n dh o u s e h o l dr e f u s ei s1 4 7 , o o o t , i nw h i c h l i v e s t o c kd e j e c t i o ni st h eb i g g e s tc o n t r i b u t o r , a c c o a a t i n gf o r9 0 2 r l t r o u g ht h ec a l e t t l a t i o na n da n a l y s i s o ft h en u t r i e n tf l o wo ft i l e o l o g i c a ts y s t e mi nb e i j i n gs u b u r b a n , t h eb a l a n c co fn pi sh i g h l yp o s i t i v e , w h i l e t h e b a l a n c e o t k i s n e g a t i v e t h i sa r t i c l ee s t i m a t et l a el o a do tt h em a i np o l l u t i o ns o u l r i n t e g r a t e dw i t ht h ee x i s t e df r u i t , b u tt h e s p a c ev a r i a b i l i t ya n a l y s i s 。t h ee s t i m a t i o , , o fp a r a m e t e r , c s p e x i a u yt ka c c u r a c ys h o u l db ep a i di n o f t ： a t t c n t l o nt o , f r o mn o w 傩，t h es t r u g g l i n gd i r e c t i o ni st os h e n g t h e np a r a m e t e ra s s i g n m e n tr e s e a r c ha n d t or e a l i z e t h ed y n a m i c m o n i t o r i n g o f r u r a l n o n p o i n t s o t l l r c ep o l l u t i o n k e yw o r d ：b e i j i n gs u b u r b a n , r u r a ln o i l o o i n ts o u l r c ep o l l u t i o n ，p o l l u t i o nl o a d , p o l l u t i o nc o n t r i b u t er a t e 独创性声明 本人声明所呈交的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，论文中不包含其它人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它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。 研究生签名 赵i 校争 时间： 工。d 、1 年6 月t 商r 7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签 导师签名 名：起l 快犀 ：孙彦 时间： 细- 7 年占月门日 时间： 驴7 年月f 门 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 面源污染( n o n p o i ms o u r c ep o l l u t i o n ) 是相对于点源污染而言的，除工业废水、城市生活污 水等具有固定排放口的污染源以外，其他的各类污染源统称为非点源，也称为面源。具体来说， 面源污染是指时空上无法定点监测的，与大气、水、土壤、植被、地质、地貌、地形等环境条件 和人类活动密切相关的，通过降雨径流的淋溶和冲刷作用，使大气中、地面和土壤中的污染物进 入江河湖泊、水库、海洋等水体，引起水体悬浮物浓度升高，有毒害物质浓度增加，水体富营养 化和酸化等造成水体污染的现象( 贺瑞敏等，2 0 0 5 ) 。面源污染最主要的特点就是它的不确定性， 即不确定的时间、不确定的途径、不确定的数量( 张大弟等，1 9 9 7 ；任磊和黄廷林，2 0 0 2 , 王晓 燕，1 9 9 6 ) 农业面源污染主要指农业生产活动中，农田中的土粒、氨、磷及其它形式的有机或无机污染 物质，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、农田捧水和地下渗流，使大量污染物质进入水 体，造成的污染( 贺缠生等，1 9 9 8 ) 由于农业活动的多样性，实践中的农业面源污染包括土壤 侵蚀、农田化肥农药的施用、淡水养殖投入的饵料肥料、农村家畜粪便与垃圾、草牧场的家畜生 产、农田污水灌溉等。主要污染物是重金属、硝酸盐、n 1 4 + 、有机磷、六六六，c o d 、d d t 、病 毒、病原微生物、寄生虫和塑料增塑剂等( 崔键等，2 0 0 6 ) 。农业面源污染是最普遍的面源污染 ( 张鑫等，2 0 0 6 ) 随着点源污染物控制的加强，面源污染物的控制显得越来越重要。人们逐渐认识和重视农业 面源污染，意识到它是水质恶化的重要因子。并逐渐的更正了。工业造成环境污染，而农业是环 境污染的受害者”的传统观点。由于农业活动的广泛性和普遍性，农业面源污染极易构成水体环 境的安全隐患，己成为目前水质恶化的一大威胁。 目前，许多发达国家已证实农业面源污染是导致水污染的主要原因之一。据研究：加拿大、 日本等地区和国家湖泊污染负荷的5 0 来自流域内面源，城郊湖泊和远离城市湖泊负荷的5 0 或 5 0 以上来自农村面源( 金相灿，2 0 0 1 ) ；美国的面源污染量占污染总量的2 ，3 ，其中农业的贡献 率为7 5 左右，影响到5 0 - 7 0 受污染或威胁的地面水体( 燕惠民，2 0 0 4 ) ，美国环保局( e p a ) 在提交国会的报告中指出，大量的农田养分流失是造成内陡湖泊富营养化的主要原因，全i 亘4 6 的河流和5 7 的湖泊受到农田径流的污染，在进入地表水体的污染物中，4 6 的沉积物、4 7 的 总磷，5 2 的总氮都是来自于农业径流污染( 苑韶峰和吕军，2 0 0 4 ) ；欧洲国家的地表水中，农 业捧磷所占的污染负荷比约为2 4 - 7 1 ，硝态氮超标现象十分严重，农业生态系统的养分流失是 水体硝酸盐的主要来源，同时还是磷的第二位来源( 吕耀，1 9 9 8 ) ；而在荷兰、德国等畜牧业发 达的欧洲国家，牛、猪，蛋鸡的饲料中，7 0 的氮没有被利用而是通过粪便排出，畜禽的粪便3 0 流失，尿液的6 0 流失，圈舍的冲洗水大约8 0 流失( 贺缠生等，1 9 9 8 ) ；丹麦2 7 0 条河流9 4 的 氮负荷、5 2 的磷负荷是由面源污染引起的( k r o n v a n g , 甜a l ，1 9 9 6 ) ；荷兰农业面源中的总氮、 总磷分剐占水环境污染总量的6 0 和4 0 左右( b o e r s ，1 9 9 6 ) 。 我国也存在着广泛而严重的面源污染问题，如降雨径流携带大量的营养物( n 、p 等) 进入水 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 体，造成许多湖泊和水库的富营养化等( 张志剑和胡勤海，1 9 9 9 ) 。而在中国水体严重污染的流 域，农田、农村务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 率超过来自工业和城市生活的点源污染。据报道，钱塘江流域水体污染负荷中工业水污染源占6 ， 生活污染源1 5 ，农业面源占7 8 。研究表明，我国农业面源污染在各类环境污染中的比重占到 3 0 - 6 0 以上( 苑韶峰和吕军。2 0 0 4 ) 。农业生产因污染造成的经济损失十分惊人，仅粮食一项， 每年受“三废”和农药污染就达4 0 0 0 万t 以上，年经济损失达2 3 2 6 0 亿元( 何萍和王家软，1 9 9 9 ) 。 我国是目前世界上肥料( 主要是化肥) 、配合饲料、地膜等用量最多的国家，有机废弃物产出量 也最大，每年大约有4 o x l o g t ，j 而6 5 x 1 0 8 t 的秸秆约有2 3 被焚烧或变成有机污染物；肥药的利用率 仅3 0 一4 0 ，施用肥料的5 0 左右、农药的6 0 7 0 仍流失于环境中，污染土壤、大气、地下水 和农产品，全国每年生产硝酸盐、亚硝酸盐超标的污染蔬菜己达6 0 万t 左右( 苑韶峰和吕军2 0 0 4 ； 章力建等，2 0 0 5 ) 。近年我国三湖( 巢湖、滇池和太湖) 水域污染物中，农业与城乡结合部的贡 献一般占蛩j 5 0 以上；每年农田农膜的残留量高达4 5 k g 胁2 左右( 章力建等，2 0 0 5 ) 在我国， 大部分地区夏季降水高度集中。多年的人类经济活动带来的生态破坏，导致水土流失严重特别 是近年城市化发展迅速，化肥、农药数量急剧增加，使我国水环境面源污染问题日益突出。其中 北京密云水库，天津于桥水库、安徽巢湖、云南洱海、上海淀山湖等水域，面源污染比例超过点 源污染( 鲍全盛，1 9 9 7 ) 。 农业面源污染影响了全世界陆地面积的3 0 - 5 0 ，并且在全世界不同程度退化的1 2 ( l h m 2 耕 地中，约1 2 由农业面源污染引起( w e a v e r , 1 9 9 8 ) 面源污染己上升为威胁地表水的主要污染 源。过量施肥、施肥结构不台理、农田捧水直接进入河流等一系列因素，加剧了水体富营养化的 发生。由水体富营养化引起的水质恶化，水源紧缺、生态环境破坏，严重制约着国民经济的健康 持续发展。目前，我国面源污染问题已成为水环境质量研究中亟待探讨的课题( 李怀恩，1 9 9 6 , 鲍全盛和王华东，1 9 9 6 ；李贵宝等，2 0 0 2 ) 。 生活垃圾和生活废水的任意捧放，畜禽粪便，农作物秸秆的不合理利用，城市工业、交通产 生的酸性气体，农业上各种化肥、农药的大面积使用，都对北京市的环境造成直接污染或潜在威 胁。特别是农业面源污染，当区域降雨形成地表径流时，就会加重水土流失，径流携带地表当中 的污染物质进入水体，给水体的功能正常发挥带来负面影响。 北京市是我国的缺水城市之一。人均水资源占有量仅为全国人均水平的1 5 ( 于志民和王礼 先，1 9 9 9 ) 。供水不足成为制约北京经济和社会发展的重要因素。而水源污染更进一步加剧了北 京缺水的状态。据北京市水利局1 9 9 4 年- 2 0 0 1 年对北京市地表水的河、湖，永库监测表明：全市 5 6 的水体受到不同程度的污染。北京市主要饮用水源地密云水库水质继续下降，达到i i 级饮用 水标准，并且面临富营养化的威胁；官厅水库污染严重，早已进入“劣v 类”水质重度污染的行 列( 郭淑敏等，2 0 0 4 ) 。北京总土地面积1 6 8 0 7 7 k m 2 ，其中远郊农业约占4 5 ( 郭焕成和宋金平， 2 0 0 1 ) ，传统的农业耕作方式和养殖方式使农田的化肥、泥沙、氮磷等营养物和农药以及养殖业 带来的粪便等营养物，有机物、细菌和其它微生物等都不同程度地给水体造成污染。对北京各区 县6 0 0 余眼水井的监测表明，其地下水硝酸盐污染的特点为( 刘宏斌等，2 0 0 6 ) 浅层地下水受 到全面污染，深层地f 水质盈日趋恶化；近郊污染严重，远郊不容乐观；菜田地f 水污染尤 为严重；北京市地f 水硝酸盐污染正在由近郊向远郊蔓延，远郊浅层水污染也已达5 0 。可以 预见，如果不尽快采取措施，北京市生活用水主要来源的远郊地下水污染将会进一步加剧。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 在大气质量方面，北京市大气中p m l o ( 可吸入颗粒物) 、二氧化硫，氮氧化物等指标出现超 标现象，其中p m l o 占9 0 - 9 5 、二氧化硫占5 左右。农业裸地及农业耕作过程排放的土壤尘粒子 是北京悬浮颗粒物的重要来源之一。 目前，随着北京市农业和社会经济的快速发展，农业集约化程度越来越高，由农业活动引起 的环境污染问题日益突出并严重制约着社会的可持续发展，因此加强农业活动对环境污染的研究 刻不容缓。 本课题将在大量收集北京市各区县农业统计指标、调查研究农业投入品现状的基础上，对农 业面源污染的成因进行综合分析，并提出农业面源污染的控制措施。遥过此项研究，能基本了解 京罄农业面源污染的现状及其基本规律，为政府的农业面源污染防治规划及宏观决策提供参考， 对北京地区的水质改善，各流域污染物的削减有重要的作用，对社会主义新农村建设有重要的参 考价值。 1 2 面源污染的研究方法 面源污染主要起源于土壤侵蚀、农药与化肥的施用、农村家畜粪便与垃圾、农田污水灌溉、 城镇地表径流、林区地表径流和大气干湿沉降等污染源但由于其形成过程受地理条件、气候条 件、土壤结构，土地利用方式，植被覆盖和降水过程等多种因素的影响，在空间分布上具有随机 性大、分布广泛、发生机理复杂的特点，使得面源污染的负荷量计算具有较大的不确定性 剖析土地利用方式与污染负荷之间的内在联系是国内外面源污染研究的基本出发点。目前面 源污染研究方法主要包括野外实地监测、遥感技术、人工模拟试验和计算机模拟等( 李贵宝等， 2 0 0 1 ) 面源污染研究的关键是能否获取必要的基本数据( 包括背景资料和降雨径流监测数据) 。在 早期的研究工作中，几乎所有资料都依赖于野外实地监测。但是，由于面源污染是一种间歇发生 的，随机性、突发性和不确定性很强的复杂过程。所以，基础数据收集工作的劳动强度大、效率 低、周期长、费用高，而且往往由于数据资料缺乏或可靠性差等缺点，影响污染负荷的估算精度。 当前。野外实地益测在多数情况下仅是作为一种辅助手段，主要用于各类模型的验证和模型参数 的校正( r i t c h i ca n dm c h e n r y , 1 9 9 0 ；h ea n dw a n i n g2 0 0 3 ；m e a 1 9 9 8 ；w a l l i n g , 1 9 9 8 ，2 0 0 2 ) 该 种方法具体包括综合试验场法、源类型划分法等( 李贵宝等，2 0 0 1 ) 遥感技术则具有视野广、分辨率高、多时相、多波段等优势，可为研究提供准确、可靠的背 景资料，但不能独立完成全部基础数据的搜集任务。还需要地面监测工作的支持( 董维红，2 0 0 2 ) 而人工模拟试验是通过人为调控来模拟自然条件下的面源污染，其优点是可以获取大量在野 外工作中无法得到的数据，弥补了传统方法研究周期长、耗资过高等缺陷。目前，人工模拟试验 主要用于面源污染模型和机理的研究( 单保庆等，2 0 0 0 ) 计算机模拟就是建立数学模拟模型，利用计算机对面源污染进行时间和空间序列上的模拟。 在面源污染研究中，对定量控制和过程的要求较为严格，从客观上促进了面源污染模型的发展( 曾 德付，2 0 0 5 ) 。随着模型的不断完善，模型模拟研究已成为面源污染研究最重要的方法，一般有 四个方面的模拟：( 1 ) 水文模拟一一利用实验方法、水文预测模型或流域水文模型确定降雨和 径流关系； ( 2 ) 土壤流失模拟一一这是面源污染的重要环节； ( 3 ) 污染物化学转化过程模拟； ( 4 ) 面源污染物进入水体对水质影响模型一一通过模型推算面源污染负荷量( 余炜敏，2 0 0 5 ) 3 中国农业大学硕+ 学位论文第一章绪论 1 3 国内外面源污染及负荷的研究现状与进展 1 3 1 国外研究概况与现状 国外开展面源污染研究工作起步于1 9 3 0 年( l e e ，1 9 7 9 ；l i n e ，1 9 9 8 ；p a r t y , 1 9 9 8 ) ，当时主要是 提出面源污染与洪水密切相关，只是从立法上控制美国，加拿大的面源污染物输入大湖的可能性。 此阶段还发展了一些水土保持数学模型。包括h o n o n 入渗方程( 经验式) 以及g r e e n - a m p t a 渗方 程( 物理式) ，5 0 年代则出现t s c s 曲线代码和u s l e ，这些模型在径流计算和土壤侵蚀预报方面 发挥了重要作用( 牛志明和洁明曙，2 0 0 1 ) 。 2 0 世纪6 0 年代开始出现计算机模型，其中，开发较为成功的模型是s t a n f o r d 流域模型( c r a w f o r d a n dl i n s l e y , 1 9 6 6 ) 。日英等一些发达国家也从2 0 世纪6 0 年代开始面源污染的研究，主要是研究 污染的分类特征( 许书军，2 0 0 4 ) 。 2 0 世纪7 0 年代，面源污染问题受到各国普遍关注和重视，全世界每年发表的有关面源污染的 文献约有5 0 0 余篇( 刘绮孳，2 0 0 2 ) 。面源污染的基础研究进入降雨- k 流污染物迁移转化过程的 研究，对于截留、填洼、下渗的迁移过程进入数学模型的研究( 杨爱玲和朱彦明，1 9 9 9 ) ，提出 了不透水地区剩余净雨量的计算方法，并且确定了哪些区域有产流趋向( 刘绮和杨昌衡，2 0 0 2 ) 该时期逐步形成并投入使用的著名最佳管理措施b m p s ( b e s t m a n a g e m e n t p r a c t i c e ) ，提供了大量 的实用面源模型，介绍了应用模型分析评价和预警管理措施的实施效果从那时起，国外开始提 出许多面源污染模型，用于定量化研究、预测面源污染物负荷量，在制定防治和管理措施方面起 到了重要作用( j o r g e n s e n , 1 9 8 3 ；n o v o t n y , e t 以。1 9 8 1 ) 。除了以水文学为基础的数学模型或概念为基 础的经验模型外，还有污染物负荷定量化模型，例如土壤流失方程( u s l e ) 、城市地表径流储存 与处理模型( s 1 d r m ) ( 粱博等，2 0 0 4 ) 。 随着研究方法和科技水平的不断提高，上世纪8 0 年代面源污染基础研究地域范围广、类型多 样( 新增生物源) ，因素分析和污染物( 特别是农药) 迁移机理研究更加深入( 代晋国，2 0 0 3 ) 。 面源污染模型在建立新的应用型模型的基础上。重点加强了以陆地卫星数据库、航空摄影、g i s 和陆地资源信息系统为代表的3 s 技术与面源污染模型的结合，并广泛应用于面源污染预测、管理 措施改变对农业面源污染的影响评价，此时g i s 专业软件开发广泛应用于面源污染的三维图形输 出研究当中( 洪小康和李怀思，2 0 0 0 ；许书军，2 0 0 4 ) 。该时期出现了面源污染管理与控制模型， 著名的农业管理系统中的化学污染物径流负荷和流失模型( c r e a m ) 、用于农业面源管理和政 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 ) ，污染负 荷与管理模型( s l a m m ) 、水质水量模型( w q m ) 、流域非点源污染模拟模型( a n s w e r s ) 以及面源污染管理应用模型( n p s m ) 均在这一时期提出，该时期还把传统的土坡流失方程( u s l e ) 改进为r u s l e ，这些都被应用于面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面源的管理，政策制定，农田管理、畜禽废物管理、化肥农药管理等中， 涉及环境经济、农业经济、水文学、环境化学、土壤学、农学、林学、生物学等多学科，面源污 染研究成为国际上环境问题研究的活跃领域( 代晋国，2 0 0 3 ：路月仙等，2 0 0 3r e n a r d ，e t a l ， 1 9 9 4 ；何萍和千家壤，1 9 9 9 ；鲍全盛和王华东，1 9 9 6 ；l i n e ，1 9 9 8 ) 。 4 中国农业大学硕七学位论文 第一章绪论 i i 9 0 年代以来，面源污染的研究更加活跃，与面源污染控制相关的影响因子研究层出不穷。微 生物的迁移成为面源污染物迁移、转化研究的新生长点( 2 1 绮等，2 0 0 2 ) 地下水的反补给也被 列为地表水的重要非点源( 路月仙等，2 0 0 3 ) 近年来，国外对大气中挥发性有机物( v o c s ) 形成的非点源污染进行研究( l o p e sa n db e n d e r , 1 9 9 8 ) ，探讨不同种类、来源、迁移转化机制的 挥发性有机物对城市地表，地下水体的影响。该时期还开展了面源污染扩散与负荷的模型问题的 研究，如，对于城市污染模拟模型，美国提出了暴雨水管理模型( s w m m ) 、贝特尔市城市径流 管理模型、储存处理与溢流模型( s t o r m ) 等，对于农业与农村地区模型，提出了统一迁移模 型( u r m ) 、农药化肥迁移模型( a c t m o ) 、农业径流管理模型( a r m ) 、农业管理系统中农 药、径流与侵蚀模型( c r e a m s ) 、区域性非点源集水面环境响应的模拟模型( a n s w e r s ) 等， 与污染负荷相关的流域开发、面源污染的风险评价成为热点( 刘绮等，2 0 0 2 ) 计算机软件的开 发混合专家系统，多语种面源污染模型软件的出现为面源污染的研究、削减和控制提供了前所未 有的方便( 王坷和许红卫，1 9 9 7 ) 。随着研究方法和工具的多样化，面源污染的研究领域在不断 拓宽 表1 1 比较了国外几种常见的面源污染模型。它们主要是运用数学方法、计算机技术对污染物 的迁移量、污染趋势、污染评价和区划等方面进行模拟和数字化( e n g e l , e t a l ，1 9 9 3 ；薛金风等， 2 0 0 2 ) 。 襄1 1 常见的面源污染模型比较 t a b l e l 1 c o m p a r i s o no f m a j o r n o n p o i n ts m l r c e p o l l u t i o n m o d e l s 引自：k a r a t 姐d 勘i b m 1 9 9 5 ；路月仙等，2 0 0 3 5 中国农业大学硕七学位论文 第一章绪论 1 3 2 国内研究现状和进展概况 2 0 世纪6 0 年代，伴随化学地理学的发展，我国开展了化学侵蚀与化学径流的研究( 刘培桐等， 1 9 6 4 ，1 9 6 5 ：朱启疆和任家兴，1 9 6 3 ) 。虽然它主要分析的是与河流、湖泊等水体矿化度有关的 盐类物质，和今天的面源污染研究有一定的区别，但是二者都是侧重于对物质的径流输送、移动 及其对水质影响的研究，因此可以看作是我国面源污染研究的先导。 我国真正意义上的面源污染研究始于北京城市径流污染的研究及上世纪8 0 年代初的全国湖 泊，水库富营养化调查和河流水质规划研究( 鲍全盛和王华东，1 9 9 6 ) 。那时开展的湖泊富营养 化调查是面源污染的一个分支，之后相继在北京以及珠江流域、辽河流域、长江中下游流域的广 州、沈阳、上海、杭州、苏州、南京、成都、涪陵等城市开展城市面源污染研究，为这一研究的 深入开展奠定了基础( 张宏艳，2 0 0 5 ) 。农村面源污染研究先后在于桥水库、滇池、太湖、都阳 湖、巢湖、镜泊湖、三峡库区等湖泊、水库流域及沱江内江段、晋江流域、淮河淮南段，黄河兰 州段、渭河宝鸡段、辽河铁岭段进行探索性的研究，较好地把握了面源污染负荷的发生状况，为 湖泊、河流的水质规划与流域规划提供了可靠的依据，也为面源污染研究积累了有益的经验( 单 保庆等，2 0 0 1 ) 。当时我国农村的面源污染研究仅是农业面源的宏观特征与污染负荷定量计算模 型的初步研究( 杨爱玲和朱彦明，1 9 9 9 ) 。基于受纳水体水质分析，计算汇水区农业面源污染输 出量的经验统计模型，在这一时期发展较快并得到了广泛的应用( 朱萱等，1 9 8 5 ) 。 9 0 年代以来，我国在农业、城区面源污染、大气沉降、生物污染方面都有一定的进展，但由 于缺少长时间的水文、水质监测数据等资料，很大程度上影响了面源污染研究工作的深入( 贺瑞 敏等，2 0 0 5 ) 。此期间我国的农业面源污染研究较为活跃，农药，化肥污染的宏观特征、影响因 素研究和黑箱经验统计模式继续在农业面源污染研究中占重要席位( 杨爱玲和朱彦明，1 9 9 9 ) 。 但总的来讲，我国农村面源污染研究还主要侧重于对河流、湖泊、水库等地表水的污染研究，而 对地下水的污染研究相对较少( 董维红，2 0 0 2 ) 。近些年，随着“3 s ”技术的发展，我国基于“3 s ” 应用的面源污染研究逐步开展，将“3 s ”技术应用于面源污染研究中，在农业面源污染机理及污染 敏感性的时空分布评价等方面取得了丰硕的成果( 贺瑞敏等，2 0 0 5 ) 。 实际上，我国从环境保护的角度研究农业面源污染的历史并不长，但研究土壤养分径流损失 和农用化学物质进入土壤中迁移转化行为及作用机理却有多年的历史，并取得了不少成果，从而 为农业面源污染的研究奠定了坚实的基础( 朱兆良和文启孝，1 9 9 0 ：李庆逵。1 9 8 6 ) 。目前开展 的农业面源污染研究内容主要包括两个方面：一是化肥、农药及葺禽粪便等经土壤通过不同途径 进入水体从而对受纳水体造成的污染影响，如探讨受纳水体的环境容量( 周密。1 9 8 7 ) 、研究农 业面源对水体产生的危害等。其中国内研究较多的是对地表水富营养化和地下水硝态氮污染的问 题( 邹锐，1 9 9 5 ：朱济成，1 9 8 3 ) 。第二方面的研究内容主要是有关农业面源污染产污机理与影 响因素的探索。近年来有许多学者对农业面源污染的形成过程、影响因素及计算方法进行了较为 深入的研究，认为面源污染形成分为四个连续的动态过程，即降雨径流过程、土壤侵蚀过程、土 表溶质溶出过程和十壤溶质渗漏过程。 随着污染物总量控制制度的推行，面源污染负荷的估算对流域水污染控制显得越来越重要。 由于面源污染的发生与大气、土壤、植被、水文、地质、地貌、地形等环境因素及人类活动密切 相关，具有在不确定时间内，通过不确定途径，排放不确定数量污染物的特性。因此，对其负荷 6 中目农业大学硕士学位论文第一章绪论 的定量化估算一直是环境治理工作的重点和难点。表1 - 2 总结了目前国内计算农业面源污染负荷采 用的方法。对于面源污染负荷估算的基本途径有两种方法：一是直接立足于污染物在区域地表径 流的迁移过程，二是立足于对受纳水体的水质( 即水量) 分析，即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( 张宏艳，2 0 0 5 ；鲍全盛和王华东，1 9 9 6 ) 。与此同时，北京、上海 的中科院研究单位等采用以剖析土地利用方式与污染负荷之间的内在联系为出发点进行研究，城 市面源污染研究一般将城市区域划分为工业、居住区、商业区、交通繁华区等几种主要土地利用 类型；农村面源污染研究主要采用径流试验场法，监测降雨径流的水质、水量，确定污染物单位 负荷量，从而估算面源污染发生负荷量( 刘绮等，2 0 0 2 ) 表1 - 2 国内计算面源污染负荷采用的方法 t a b l e l - 2 e s t i m a t i o n m e t h o d s o f n o n p o i n ts o o r l z p o l l u t i o n l o a d i n c h i n a 污染负荷计算方法优缺点 基于污染源调查、野井监嬲和取样分析确定 污染物产生量和流失率 通过侵蚀模型确定土壤侵蚀率并根据土壤组 成来估算 通过对代表性小区监测确定不同土地利用类 型与面源污染负荷的关系。估算面源污染负 荷 通过室内或野外人工降雨试验。研究不同土 地利用类型暴雨径流中农田氮、磷等莽分流 失量 通过同一时段内总污染负荷通量与点源污染 负荷通量之差求得 采用单位面积负荷法，即某汇水区的污染负 荷总量为汇水区内各种类型的土地所产生负 荷的总和 平均浓度法，即假定年地表径流的平均浓度 近似等于全年多场暴雨的加权平均浓度 易于实旌，其缺点在于监铡过程主要反映田问 渗磊，而不包括流域产，拒流等全部流域水文 过程 侵蚀模型估算为坡面侵蚀，在地形和缓区域， 侵蚀率很低。但这些区域多为耕地，面源污 染产出率高，这一方法计算没有体现出来 便于控制污染负荷的影响西素，但空问尺度 小，一般适应坡面流物质输移的机理研究， 在较大流域应用时不确定性较大 同上 仅从负荷总量方面对非点源污染进行了评 价，对各类污染源的负荷没有涉及 输出系数不细分各类作物用地( 如不同作物 类型等) 。假定各种土地利用类型的污染物 输出量与该类土地面积呈线性关系 能根据有限的监测资料估算非点源污染负荷 量，特别是多年平均及不同频率代表年的年负 荷量。该方法存在的问题是多年平均和平水 年的结果比较合理，而枯水年的结果可能偏 大丰水年的结果可能偏小。 高超，2 j ) 0 1 2 f 黄嫒媛，2 0 0 0 ； 王周，1 9 9 5 王宁，2 0 0 2 刘枫，1 9 8 8 王少平，2 0 0 2 黄满湘。2 0 0 1 粱涛，2 0 0 2 鲍全盛，1 9 9 7 卢杰，2 0 0 3 李怀恩，2 0 0 0 我国面源污染模型化探索起步较晚，而且多数模型是依据国外现成模型或将其根据需要稍加 修正而来，对模型结构改进不大。目前，我国面源污染研究工作的开展主要依赖野外人工调查和 监测，对人工模型实验、遥感技术、计算机技术( 主要为g i s 技术和专家系统) 的应用水平不高， 7 中国农业大学硕+ 学位论文第一章绪论 缺乏全面、系统的研究，更没有开展这些手段的综合应用研究，制约了我国面源污染负荷估算的 研究和发展。由于资金、技术和监澳4 等条件的限制，我国估算丽源污染一般采用比较简单的经验 性模型，即在流域水环境管理中多通过施用量和流失率来估算，这一方法的缺点在于监测过程中 主要反映田间渗漏，而不包括流域产、汇等全部流域水文过程，但优点是易于实施，结果能够直 接反映出各面源污染因素的贡献率的大小，其估算结果能为政府和环境管理者提供决策参数依 据。我国目前对机制性模型研究的较少，而它能最好地反映流域过程中面源污染负荷的产生、变 化及其对环境影响，此类模型以流速、营养物的积聚、沉积和衰减的速率参数代替容量参数，并 能很好地模拟渗透的物理过程、径流、污染物积聚、内源影响、地表水与地下水相互作用( 梁博 等，2 0 0 4 ) 。 长期以来我国环境管理体制中一直存在着重点源、轻面源。重工程、轻制度的缺陷。面源污 染之所以大行其道，与我国租放型的经济增艮疗式、经济运行体制、传统的生活方式、管理体制 和立法体系不健全、滞后的城市化水平和城乡布局是紧密相连的，没有从制度和管理体制上寻求 深层次的原因( 石辉，1 9 9 7 ) 。 1 3 3 国内外研究存在的问题与展望 目前大都是在农业相关领域内寻找农业面源污染的成因。多集中在污染负荷量化，局部领域 和局部因素上，而对于在非污染方面的研究还不够全面深入多数模型没有考虑壤中流，降水等 对地表水质的影响，此外关于面源污染对地下水的污染方面的研究也很少。各类面源模型均对实 测资料( 降雨、径流、泥沙和水质同步监测数据等) 的依赖程度高，很难用于无资料或资料条件较 差的流域( 付永锋等，2 0 0 3 ) 。由于农田径流和城镇径流规模庞大、污染严重，人们研究的重点 都放在地表面源上，而对大气干湿沉降的面源研究不够重视( 许书军，2 0 0 4 ) ，此外地形，气候、 土壤、水资源等自然因素以及经济因素对农业面源污染影响的研究还不够深入。具体污染物的研 究多集中在对c o d 、n 、p 、大肠杆菌等常规指标上面，对水土流失严重地区来讲。泥砂和重金 属等有毒害作用的物质也应是研究的重点( 贺瑞敏等，2 0 0 5 ) 。另外，面源毒性污染物在空中、 地表的迁移转化研究也涉及较少( 李怀恩，1 9 9 6 ) 。植物的残余物、腐败物引起的面源污染尚未 有深入的研究报导( 刘绮等，2 0 0 2 ) 。对于有毒污染物在空气、地表的迁移转化涉及较少，而且 深度不够。关于沉降对水体传输作用，毒性污染物在空中、地表的迁移转化、以及污染物自身的 降解作用等研究较少。 总的来说，面源污染负荷在今后的研究中还有很多的发展潜力，任何- - i - j 相关学科的进展和 突破，都有可能为面源污染研究提供新的思路和方法。未来的时间里，对面源污染物的迁移转化 及其机理研究将更趋深入，集成化面源污染模型软件将会成为朱来面源污染模型和计算机开发的 主流( 李贵宝等，2 0 0 1 ) 。面源污染模型与3 s 技术多层次、多通道的结合，并与水质模型的对接 用于流域水环境管理和规划。同时石油开发区石油污染、生物污染、大气沉降污染及地下水反补 给污染等非点源有待于进一步研究( 曾德付，2 0 0 5 ) 。目前面源污染物迁移转化研究的深度的影 响，国内外考虑污染物迁移转化的面源污染模型的预测能力普遍偏低，在传输途经上进行的面源 污染控制效果也不是很理想。为给建模、控制提供更加坚实的理论基础，面源污染物的迁移转化 机理研究将更加深入( 代晋国，2 0 0 3 ) 。 8 中国农业大学硕士学位论文第二苹研究内容及方法 第二章研究内容及方法 2 1 研究目的 通过对北京市近几年各区县农业统计指标及调查数据的分析，结合面源污染影响因素，明确 北京市农村面源污染的成因，估算各类污染因素的污染负荷，以及对污染物总流失量、全氮、全 磷，c o d 。的污染贡献率，同时提出相应的治理对策。在此基础上探索我国北方地区控制农村面源 污染的技术和管理方法，为环境保护组织和政府提供“最佳管理措施”。 2 2 研究内容 ( 1 ) 从自然资源和社会经济现状两方面分析研究其对农村面源污染的影响。结合北京市地 形、气候、土壤、土地利用方式以及水资源利用情况分析对京郊农村面源污染的直接或潜在影响； 以北京市居民人均收入和消费水平为切入点，分析污水和垃圾的产生及处理过程给面源污染带来 的影响。 ( 2 ) 分析京郊农村面源污染构成因素。估算农村废弃物( 人畜禽粪便、秸秆等) 、生活垃 圾及废水的产生量。分析研究化肥、农药、农膜、畜牧业废弃物、农村生活废弃物、农村旅游业、 作物秸秆以及淡水养殖对农村面源污染的影响并分别估算各自的污染负荷量、污染物去向以及对 面源污染的贡献率，在此基础上揭示京郊地区面源污染形成的主要原因和驱动机制。 ( 3 ) 研究计算种植业养分平衡和农牧复合生态系统的养分循环，分析氮、磷、钾的亏盈情 况以及人、畜禽粪便的去向，用系统的观点探讨养分的源与汇。 ( 4 ) 根据面源污染控制的指导思想和原则，提出预防和控制京郊地区农村面源污染的措施 和战略。 2 3 研究方法 本文在资料收集和文献调研的基础上，了解农用化学品的投入情况，估算生活垃圾，畜禽粪 便、农田秸秆的年产生量，以污染物产生总量、污染物总流失量、t n 、t p 、c o d c 。为指标，计算 京郊农村面源污染各构成因素的污染负荷和贡献率，建立数据库，并借助g i s 技术对其空间分布 特征迸行分析和显示。同时用平衡法计算农田系统和农牧复合生态系统的养分平衡。 2 3 1 资料收集与文献调研 数据主要来自北京市农业局关于北京市“2 2 1 行动计划”中的北京市农业优势产业发展和 布局课题，主要以各区县各种统计年鉴为基本数据来源，并从各部分收集了各种相关文献资料， 统计和调查数据以2 0 0 2 年为基准，主要包括： ( 1 ) 地理空间数据：北京市水文和气候情况、主要河流和水库空间分布图、高程图、农村 居民点分布图、郊区旅游景点分布图、乡镇区划图等； ( 2 ) 郊区人口情况：城区和农村人口总数和年龄结构； ( 3 ) 经济情况：农林牧渔业各自产值、农民年均纯收入； 9 中国农业大学硕十学位论文第二章研究内容及方法 ( 4 ) 郊区旅游景点分布情况及接待人数； ( 5 ) 京郊土地利用状况、土壤植被状况：各乡镇行政面积、年末耕地、常用耕地、农作面 积、小麦面积、玉米面积、蔬菜面积、饲料面积、花卉面积、药材面积、设施农业面积、果园面 积、造林面积等； ( 6 ) 农业上化肥、有机肥、农药、农膜投放种类及总量： ( 7 ) 农业产出情况：粮食总产量、小麦产量、玉米产量、油料产量、水稻产量、蔬菜产量、 干鲜果产量； ( 8 ) 散养及规模化养殖的大牲畜( 主要是牛) 、猪、家禽( 主要是鸡) 等的总数和结构特 点以及产品( 肉、蛋、奶) 产出量。 2 3