（环境科学专业论文）福州第二水源山仔水库的农业非点源污染负荷研究——主要对地表径流的研究.pdf

福建师范大学x x x 硕士学位论文 a b s t r a c t f u z h o us h a n z ir e s e r v o i ri st h es e c o n dw a t e rr e s o u r c ei nf u z h o u s of a ri th a s s t a r t e dt op r o v i d e df u z h o uc i t i z e nw i t hw a t e rf o rd r i n k i n g t h ed e t e c t i v er e s u l t so ft h e s e r e c e n td o z e ny e a r ss h o w e d ：t h ee u t r o p h i c a t i o no fs h a n z ir e s e r v o i rb e c o m es e r i o u sd a yb y d a y t h ei n v e s t e g a t i o nd a t as h o w s ：t h ea g i c u l t u r a ln o n p o i n tp o l l u t i o nh a sb e e no n eo f t h em a i np o l l u t i o nt of u z h o us h a n z ir e s e r v o i n i no r d e rt o s t u d yo nh o wm u c ht h ei n f l u e n c i n go ft h ea g i c u l t u r a ln o n - p o i n t p o l l u t i o nt ot h ew a t e rq u a l i t yo fs h a n z ir e s e r v o i r w es a m p l e dt h ew a t e rw h i c h w o u l db e a n a l y z e da n dd e t e c t e df r o md i f f e r e n tt y p e so fu s e dl a n di no u rc h o s e na r e aq i l ic o u n t r y f r o mi n v e s t i g a t i o na r o u n dt h er e s e r v o i r ，f i n a l l y ，w eg o tt h ec o n c l u s i o na sf o l l o w s ： 1 t h er u n o f fm a d eb yr a i na c t u r a l l yg a v et h ec o n t r i b u t i o nt ot h el e v e lo ft p 、t n 、 a m m o n i an i t r o g e ni nt h er e s e r v o i r t h ei n f l u e n c e da r e ac o u l dc o v e rt h ew h o l e r e s e r v o i r ，i n f l u e n c e dd e p t hc o u l dc o m et oa b o u t10 mb e l o wt h ew a t e r s u r f a c e 2 t h el e v e lo f t p 、t n 、a m m o n i a n i t r o g e na n d s o m eo t h e r n u t r i e n t so u tf r o mt h er u n o f f h a st h ep o s i t i v er e l a t i o n s h i pw i t ht h er a i nv o l u m ei nt h et w or a i ne v e n t t h er u l e s n u t r i e n te l e m e n t so u tf r o mt h er u n o f fo ft h ee a c ht y p eo fs a m p l e dl a n dw e r e b a s i c a l l yc o n s i s t e n t t h er i c e f i e l da n dh i l lb r o o kg e n e r a l l yw e n tu pf i r s t l ya n dc a r r i e d o w na n dt h e nh a dt h et r e n dt ob a l a n c e ；a n dt h eb a m b o oa n df o r e s tc a m ed o w nf i r s t l y t h e nw e n tu p ，f i n a l l yc a m et oab a l a n c e 3 t h en u t r i e n ts u b s t a n c ec o n t e n to ft h es o i l i ne a c ht y p eo fs a m p l e dl a n dh a ds o m e r e l a t i o n s h i pw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fn u t r i e n ts u b s t a n c eo u tf r o mr u n o f fm a d eb y r a i n 4 a c c o r d i n gt of o r m u l a ，w ee v a l u a t e dt h ep o l l u t a n t sv o l u m e t ot h er e s e r v o i ra l o n gs h a n z i r e s e r v o i ra r e ac a u s e db yt h ea g r i c u l t u r a ln o n p o i n tp o l l u t i o nm a d eb yt h er a i nf r o m y e a r1 9 9 6 2 0 0 4 w ef o u n dt h em o s tp o l l u t i o no f t pa n dt n t ot h er e s e r v o i rh a p p e n e d i n1 9 9 7 ，57 8 5t o na n d4 2 2 11t o nr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h es e r i o u s p o l l u t i o nh a p p e n e di n1 9 9 7 k e y w o r d sn i t r o g e n ：p h o s p h o r u s ； r u n o f f ： s h a n z ir e s e r v o i r w a t e r b o d ye u t r o p h i c a t i o n ； a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n tp o l l u t i o n i i 福建师范大学x x x 硕士学位论文 中文文摘 福州山仔水库是福州第二水源地，现已对福州市民供水，其水质的优劣直接影 响市民的身心健康，其作用不言而喻。但建库十余年的水质监测结果，一个不容忽 视的现象引起了大家的重视：山仔水库水质富营养趋势日趋明显，以1 9 9 7 年和1 9 9 8 年最为严重，如果任其发展，山仔水库的水质必然无法满足水源的水质要求。“第二 饮用水源”方案将无法得以实施。自2 0 0 0 年起政府采取一定的有效措施以控制水质 富营养化趋势，主要有切断沿库周边的点源污染。但随后几年的山仔水库水质监测 结果表明山仔水库水质恶化的趋势并没有得到真正的有效的控制，基于此非点源污 染的问题被提出来了。 与此同时，福建省内一些科研院所及专家学者也陆续开展了山仔水库污染负荷 的研究，主要包括内源污染负荷及外源点源污染负荷：如福建师大环境科学系2 0 0 1 级研究生李加兵对山仔水库底泥污染负荷的研究( 硕士学位论文福州第二水源一 山仔水库水质变化及底泥污染负荷研究) 、2 0 0 2 级环境科学系研究生的孔健健和马 雪艳对山仔水库中底泥氮污染研究和磷形态的研究以及福州市环境科学研究所陈金 平对山仔水库富营养化成因及控制对策探讨等等，但系统地对库区周边农业非点源 污染造成的污染负荷研究未见报道。本论文将对山仔水库农业非点源污染进行初步 的、试探性研究，试图通过调查、实验、研究分析估算由农业非点源污染对山仔水 库污染负荷的贡献量，提出控制非点源污染措施，为政府决策提供参考。 农业非点源污染：主要指农业生产活动中，农田中的土粒、氮素、磷、农药及 其他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、农田排水和 地下渗漏，使大量污染物进入水体，造成了污染。由于农业生产活动的多样性，实 践中的农业非点源污染包括土壤侵蚀、农田化肥农药的施用、农村家畜粪便与垃圾、 草牧场的家畜生产、农田污水灌溉等。农业非点源污染是最普遍的非点源污染。 狭义上讲农业非点源污染专指的是因农田而引起的非点源污染，而现实中由于 很多农田与林地交杂，所以在一般意义上来讲农业非点源污染包括了农业非点源污 染与林区地表径流污染。 我们对福州山仔水库的非点源污染的研究也主要是针对农业非点源的研究。 首先是对农业非点源污染对山仔水库影响程度的研究，包括影响范围的研究和 影响深度的研究。影响范围的研究是通过环库布设采样点，对雨前雨后各个采样点 l i i 福建师范大学x x x 硕士学位论文 表层水水样水质指标的变化来分析降雨的水质的影响程度；影响深度的研究是指在 每个采样点采集5 米深水和1 0 米深水来研究雨前雨后各指标的变化从而判断降雨对 水体深度的影响。 其次是对山仔水库农业非点源污染负荷的研究，一般研究此类问题的方法：即 在所要研究区域内选择一个有代表作用的典型用地，先对整个区域通过对地形、坡 度、降雨、植被、土壤类型、土地利用方式等影响非点源污染的环境因素宏观调查 的基础上，选择一个具有代表性的径流试验场，在降雨期间同步监测降雨径流的水 质、水量。然后据此确定污染物的单位负荷量，最后通过单位负荷量与研究区域面 积的乘积来估算非点源污染发生负荷量，然后根据模型来推算出整个山仔水库沿库 地区降雨对水库的污染物贡献量，并提出相应的解决对策。 山仔水库库区周边主要为是小沧乡和日溪乡，且小沧乡占主要面积。水库周边 山体坡度相近，主要植物为高体植物，主要有乔木林、竹林等。主要农作物有水稻、 采地、果树等。以上植物种类都可能引起非点源污染。 我们沿库进行了踏勘，选定七里畲寨村为我们的试验场。七里畲寨村位于小沧 乡且依库而建，村有人口7 0 0 余人村庄用地主要有乔木林、竹林、水稻田、蔬菜 用地等，大体上含盖了库区周边的植物和作物的生长类型，是集库区周边植物生长 类型、农作物和有人类居住的一处很好的典型样地。所以选取此地为我们的试验场。 根据此地不同土地利用类型根据现场的情况布设采样点，降雨时分别在上述不同土 地利用类型的用地上采取地表径流的水样，测试次降雨不同时刻的氮磷溶出量，描 述降雨强度降雨量对氮磷流出量的作用关系，利用模型求得径流量，拟合次降雨量 与污染物流出量的关系式，通过公式得到一年中由于降雨而产生的农业非点源污染 对水库富营养的贡献量。最后提出相应的解决措施。最后得出以下结论： 1 、降雨径流对水库水质的影响范围和影响深度分析：雨前雨后对山仔水库小沧、山 秀园、坝前、库心、日溪和七里的采样中，雨后各点位水样中总磷、总氮、氨氮 的浓度几乎都大于雨前的浓度，证明降雨产生径流确实对山仔水库氮、磷水平有 贡献，影响范围可达整个库区，且影响深度可达水下1 0 米左右。 2 、降雨径流营养元素的溶出实验结果表明：a 、两次降雨各样地的氮、磷、氨氮等 各营养元素的溶出水平与降雨强度成一定的正相关；b 、各样地两次溶出各营养 元素规律基本一致，农田和山上溪流一般是先升后降，并趋向平衡；而竹林和松 树林是先降后升，并趋向平衡。 福建师范大学x x x 硕士学位论文 3 、各样地土壤中营养物质的含量与其降雨径流时溶出的营养物质的浓度有一定的相 关性。就土壤中的水解氮含量而言，各土地利用类型中，水稻土的水解氮含量最 高，其次是松树林、竹林，地瓜地的水解氮含量最小。排序为：水稻土 松树林 竹林 地瓜地；而土壤中有效磷水稻土有效磷的含量最高，其次是地瓜地，然后 是松树林和竹林。排序为：水稻土 地瓜地 松树林 竹林。 4 、三块样地次降雨单位面积溶出污染量比较：对于三块样地单位面积溶出污染物的 含量而言，由于9 月2 4 日与1 1 月4 日降雨前的条件不同，所以所选参数不同，对于 总磷而言，农田单位面积溶出量最大，9 月2 4 日和1 1 月4 日分别为o 7 6 9 9 m 2 和 o 6 4 9 9 m 2 , 其次为竹林和松树林。总氮则是9 月2 4 日松树林磷溶出量最大达 5 6 8 9 m 2 , 而1 1 月4 日，竹林的单位溶出量最大，达4 2 4 9 m 2 ；各样地单位面积氨氮 的流出量，两次降雨均为农田的最大，达到1 8 7 6 9 m 2 和1 5 8 9 m 2 , 其次为竹林和 松树林。 5 、经实地取样测试及运用模型公式估算出，在2 0 0 5 年9 月2 4 日和1 1 月4 日在七里 村由于降雨而产生的农业非点源污染物入库量分别为：总磷2 1 9 9 k g 和1 7 2 3 k g ； 总氮6 9 7 2 9 k g 和5 46 5 6 k g ；氨氮1 7 8 7 7 k g 和1 45 0 8 k g 。9 月2 4 日排入可溶解性 磷含量约为o 9 3 7 5 6 k g ，可溶解性氮含量为8 2 8 2 8 k g ；1 1 月4 日排入可溶解性磷含 量约为o 2 7 7 k g ，可溶解性氮含量为2 3 8 3 8 k g 。 6 、根据公式估算出山仔水库环库地区从1 9 9 6 年到2 0 0 4 年由于降雨而引起的农业非 点源污染物的入库量，结果发现1 9 9 7 年排入库中的总磷和总氮最多，分别达到 5 7 8 5 吨和4 2 2 1 1 吨。结果也显示1 9 9 7 年的污染最为严重。 v 第1 章绪论 1 1 选题背景和意义 福州山仔水库是福州市的第二饮用水源，为改善福州市民饮用水状况，解决福州 市区1 0 0 多万人口的生活用水，福建省委省政府及福州市政府从可持续发展的高度出 发，将鳌江( 山仔水库下游7 公里处) 定为福州第二饮用水源取水口，建设鳌江引水工程 【5 5 】。水库现已对福州市区居民提供生活饮用水，因此，山仔水库水质状况至关重要。 但山仔水库十余年的水质监测结果表明：山仔水库水质富营养趋势日趋明显，如果 任其发展，山仔水库的水质必然无法满足水源的水质要求。“第二饮用水源”方案将 无法得以实施。自2 0 0 0 年起政府采取一定的有效措施以控制水质富营养化趋势，主 要有切断沿库周边的点源污染等措施。但随后几年的山仔水库水质监测结果表明山 仔水库水质恶化的趋势并没有得到真正的有效的控制，基于此，非点源污染的问题 被提出来了。 非点源污染是与点源污染相对的，指溶解的和固态的污染物从非特定的地点， 在降水和径流冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体并引起水体的富营养化或 污染。非点源污染研究在发达国家，特别是美国研究历史较长且非常活跃。2 0 世纪 7 0 年代初期就进行了非点源污染特征、影响因素、单场暴雨和长期平均污染负荷输 出等方面的初步认识研究。土壤侵蚀的定量化研究这时期已相当成熟，美国水土 保持局用几十年时间观测调查得出的通用土壤流失方程( u s l e ) 广泛应用于各类非 点源污染负荷定量计算。 中国的非点源污染研究起步较晚，始于2 0 世纪8 0 年代初，先后对于桥水库、 滇池、太湖、鄱阳湖、巢湖、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、辽河铁岭段进行了探索性的研究；南京土壤所博士论文做的关于珠江 流域的非点源负荷研究【2 】、厦门大学博士论文的九龙江的非点源污染负荷 3 1 及浙江大 学的千岛湖的非点源污染负荷等都对非点源污染的研究做了大量的工作，为非点源 污染研究积累了有益的经验 4 - 5 。 福州山仔水库为福州市第二饮用水源地，现已对福州市区居民供水，山仔水库水 质的好坏对福州市民的身体健康来说有重大意义，而山仔水库的污染负荷直接决定 着水库水质的好坏。在点源污染负荷得以控制的情况下，山仔水库的水质并未根本 好转，而且山仔水库十年的水质数据表明不同水期的水质情况表现异常，平水期水 福建师范大学x x x 硕士学位论文 质好于枯水期，但丰水期的水质最差，因降雨而产生的农业非点源污染可能是影响 山仔水库水质的另一重要因素，农业非点源污染负荷可能是山仔水库污染负荷的另 一主要来源。目前，农业非点源污染问题已得到广泛重视，山仔水库库区周边土地 大都以农田和林地为主，开展山仔水库库周边农业非点源污染负荷量研究，对提出解 决措旋、水源保护和政府决策都具有重要意义。 近年来，福建省内一些科研院所及专家学者也陆续开展了山仔水库污染负荷的 研究，主要包括内源污染负荷及外源点源污染负荷：如福建师大环境科学系2 0 0 1 级 研究生李加兵对山仔水库底泥污染负荷的研究( 硕士学位论文福州第二水源一山 仔水库水质变化及底泥污染负荷研究) 6 12 0 0 2 级环境科学系研究生的孔健健和马 雪艳对山仔水库中底泥氮污染【7 】研究和磷形态的研究以及福州市环境科学研究所陈 金平对山仔水库富营养化成因及控制对策探讨【8 】等等，但系统地对库区周边农业非 点源污染造成的污染负荷研究未见报道。本论文将对山仔水库农业非点源污染进行 初步的、试探性研究，试图通过调查、实验、研究分析估算由农业非点源污染对山 仔水库污染负荷的贡献量，提出控制非点源污染措施，为政府决策提供参考。 1 2 农业非点源污染和湖泊富营养化 1 2 1 湖泊富营养化 1 2 1 1 富营养化的概念 近年来，各种水生生态系统的富营养化问题的重要性已经越来越被人们所认识。 湖泊富营养化是指生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流 水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及 其他生物大量死亡的现象。富营养化可分为天然富营养化和人为富营养化。在自然 条件下，湖泊也从贫营养状态过渡到富营养状态，沉积物不断增多，不过这种自然 过程非常缓慢，常需几千年甚至上万年。而人为排放含营养物质的工业废水和生活 污水所引起的水体富营养化现象，可以在短时期出现，其生态影响越来越受关注， 并且国内外生态专家力求从湖泊富营养化的生态影响中寻找治理富营养化问题的突 破口。 虽然目前湖泊富营养化的机理研究尚不充分，但普遍的观点认为水体中氮磷循 环的破坏( 图1 1 、1 2 、1 3 ) 9 1 是导致水体富营养化的内因之一。人类的活动对自 然界的影响导致了自然资源的过度开发和土地利用方式的改变导致或加剧了水体氮 磷的失衡。因此，可以认为人1 ：3 的密度、工业的进程和化肥的使用是湖泊体系富营 2 养化的主因。 图1 - 1 水体中氮磷的循环转化情况 f i g 1 1t h et r a n s i t i o no f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nw a t e r b o d y 图l 一2 简化的湖泊磷循环 f i 9 1 2t h es i m p l i f i e dc a l c u l a t i o no f p h o s p h o r u s i nl a k e 福建师范大学x x x 硕士学位论文 图1 - 3 简化的湖泊氮循环 f i g l - 3t h es i m p l i f i e dc a l c u l a t i o no f n i t r o g e ni nl a k e 1 2 1 2 国内外湖泊富营养化状况 根据美国环境保护局对2 3 个州内陆湖泊营养程度的调查显示：富营养、中富营 养和贫营养的湖泊分别占到湖泊总数4 5 、2 6 和1 2 ，另外有1 7 的湖泊的营养状 况还不确定。在欧洲的一些国家例如荷兰评价湖泊富营养化的指标有3 0 0 个，大大 高于要求的指标水平( 1 0 0 个) ，也高于稳定的水平( 8 0 个) 富营养化加重了世界范 围的水资源短缺的问题，据预测，未来全球可利用的水会大大减少，例如，从1 9 9 0 年到2 0 2 5 年，阿尔及利亚可利用的水域面积从7 5 0 亩降到3 8 0 亩，肯尼亚从5 9 0 降 到1 9 0 ，以色列从4 7 0 亩降到3 1 0 亩，而约旦从2 6 0 亩降到8 0 亩【i 。 随着中国工农业的迅速发展和城市化进程加快，工业废水和生活污水排放量日 益增加，湖泊流域开发活动加剧，加之人们长期以来环境意识淡薄，对湖泊的生态 功能认识不够，将湖泊用作工业废水、生活污水纳污和灌溉退水的场所。一些不合 理的人为开发活动如围湖造田、森林砍伐、网箱养鱼以及湖宾带破坏等给诸多湖泊 环境造成了不良影响。全国性的湖泊富营养化、湖泊生态破坏以及恶化等环境问题 不断出现和发生，致使我国许多湖泊生态系统出现障碍，给湖区人民生产和生活造 成了巨大损失。因此富营养化已成为我国湖泊当今重大环境问题。 4 绪论 2 0 世纪7 0 - 8 0 年代2 0 世纪8 0 年代2 0 世纪9 0 年代 后期( 3 4 个)后期( 2 6 个)后期( 2 6 个) 图1 - 4 中国富营养化湖泊比例 f i g i - 4t h ec o m p a r i s o no f e u t r o p h i c a t i o nl a k e si nc h i n a ( 1 代表富营养，2 代表中营养，3 代表贫营养) 根据2 0 世纪8 0 年代后期与9 0 年代的调查结果( 图1 4 ) l l l l ，分布在长江中下 游湖区、云贵湖区、部分东北山地及平原湖区与蒙新湖区湖泊都处于富营养化水平。 城市周边湖泊由于受城市废水的影响极大，几乎都已达到富营养化或严重富营养化 的程度。自然状况下湖泊向富营养化演变的过程是极缓慢的，而强烈的人类活动则 大大加剧了这一进程。东部地区人口密度大，经济发展迅速，污染物大多超环境容 量排放，加之环境保护措施滞后，使流域及湖泊的生态环境迅速恶化。该地区的水 环境问题不仅有西方国家水污染出现的以c o d 、重金属为主的有机污染、重金属污 染特征，更有西方国家主要由氮、磷引发水体富营养化的第二阶段污染特点。且后 者发展趋势相当猛烈。有些湖泊在夏秋季常发生藻类水华暴发、严重影响饮用水供 给，给社会、经济和人民身体健康造成极大危害。 表1 1 我国五大淡水湖泊的营养状况l l ” t a b l e l 1t h es i t u a t i o no f e u t r o p h i c a t i o no f f i v eb i gf r e s h w a t e rl a k e si nc h i n a 湖名t - p d pc h l at - nd o 太湖00 553 5 21 490 0 洪泽湖0 1 8 00 51 3 97 0 6 鄱阳湖 0 1 5l0 523 8 78 7 洞庭湖 0 1 9l3 8l l i9 7 i 粲湖 02 00 0 51 49 82 3 0 7 9 5 1 2 1 3 湖泊富营养化的危害 富营养化已经成为我国湖泊的主要问题，它不但制约了湖泊资源的可利用性， 而且直接影响着人类的健康生存与社会经济的持续发展。湖泊富营养化的危害主要 表现在以下几个方面 1 2 1 ： ( 1 ) 、破坏水体生态系统的平衡，加速湖泊老化。富营养化使水体中藻类及浮游 生物急剧增殖，藻类只是在水体表层能接受阳光的范围内生长并排出氧气，在深层 的水中就无法进行光合作用而出现耗氧，在夜间或阴天也将耗氧。藻类的死亡和沉 福建师范大学x x x 硕士学位论文 淀把有机物转入深层或底层的水中，在此聚集大量待分解的有机物，由于没有足够 的溶解氧供应，而变为厌氧分解状态，使大量的厌氧细菌繁殖起来，加剧了水体底 部的厌氧发酵，引起微生物种群、群落的演替，改变了原来的生态环境； ( 2 ) 、影响饮用功能。湖泊是巨大的天然水库，它可以被用来作为饮用水。随着 湖泊富营养化的日益严重，水中氮、磷有机物的含量也相应增加，藻类过度繁殖， 易使人们在饮用后致病，对人们的健康产生很大影响。 ( 3 ) 、破坏水产资源。富营养化湖泊中有一种生物神经毒素，可以使鱼类等水生 生物中毒、病变和死亡。而且水中藻类过度繁殖，大量藻类覆盖于水面，大气中的 氧不易溶于水而造成缺氧，使鱼类等水生生物无法生存。如鄱阳湖和洞庭湖中各种 鱼类的产量从2 0 世纪6 0 年代到2 0 世纪9 0 年代减少了3 0 。1 9 8 6 年9 月，云南滇 池因水葫芦等水生植物大量生长，造成大量鱼类死亡，损失严重。此外，富营养化 还会使一些珍贵的鱼种消失，使养殖业的经济效益大幅度下降。 水体富营养化限制因子为n 、p 浓度及n i p 。当水体中生物可吸收n ( 2 “g l “时， n 成为富营养化的限制因子；p ( 5 垤l 1 时，p 成为富营养化的限制因子。n i p ( 7 2 w 是限制因子；n p 7 2 ，p 是限制因子国际水体富营养化临界标准为全磷( t p ) ，0 2 2 m g l “ 全氮( n ，0 2 m g l “l i “。 1 2 2 非点源污染 1 2 2 1 非点源污染概念的提出 随着人们对各种环境问题研究的深入，一类十分普遍而又不为人们所熟悉的环 境污染问题逐渐得到各国政府环境保护部门的高度重视，这就是非点源污染。非点 源污染有广义和狭义的两种理解，广义指各种没有固定排污口的环境污染，狭义通 常限定于水环境的非点源污染。 非点源污染是与点源污染相对的，是指溶解的和固态的污染物从非特定的地点， 在降水和径流冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体并引起水体的富营养化或 污染。非点源污染的污染物主要包括营养盐，重金属和有机物，其中引起水体富营 养化的主要物质是磷氮营养盐，水体中的磷有磷酸盐、颗粒态磷和水溶性有机磷等； 水体中的氮有铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐等无机氮、固态氮及水溶性有机氮等。 非点源污染没有固定的发生地，可在地表任何地点发生，但具有区域性；污染 物的运动在时间和空间上具有不确定性和不连续性，一般在降水产生径流或农田排 水时才能运动：污染物的性质和污染负荷受气候、地形、地貌、土壤、植被及人类 绪论 活动等因素的综合影响：非点源污染产生的污染物不能象点源污染那样采取排放i b 排放或由管道输送集中处理的方法进行控制。 与点源污染相比，非点源污染强调的是“不确定性”，在不确定的时间内，在不 确定的地点，通过不确定的途径排放不确定的污染物；而点源污染通常具有“固定 的排放”。非点源污染也不就是面源污染，非点源污染与面源污染概念的区别是：面 源污染概念概括力不够强，线状污染就不能被包括在面源污染的概念之中，但却可 以包括在非点源污染的概念之中。我国最早主要使用的概念是面源污染，近几年为 了与国际研究接轨，也主要采用非点源污染的概念。 1 2 2 2 非点源污染的分类 在非点源污染引起的各种水环境问题中，不同地区起主导作用的污染源类型各 不相同，根据产生污染物的非点源污染体的不同，可分为以下几种类型【3 j ： ( 1 ) 农业非点源污染：主要指农业生产活动中，农田中的土粒、氮素、磷、农药及 其他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、农田排水和 地下渗漏，使大量污染物进入水体，造成了污染。由于农业生产活动的多样性，实 践中的农业非点源污染包括土壤侵蚀、农田化肥农药的施用、农村家畜粪便与垃圾、 草牧场的家畜生产、农田污水灌溉等。农业非点源污染是最普遍的非点源污染。 ( 2 ) 林区地表径流污染：主要是指在降雨径流过程中，所发生的地表侵蚀使地表的 植被、落叶等有机物随径流进入水体，由于林区人为活动强度低，地表植被覆盖度 高，引起的非点源污染较少。 ( 3 ) 城镇地表径流污染：主要指在降雨径流过程中，雨水及所形成的径流冲刷建筑 物( 如屋顶) 、街道、草地、工厂与住宅区等地面，使各种污染物随地表径流进入受 纳水体。 ( 4 ) 矿区地表径流污染：主要是因为人为采矿等生产活动，破坏了原有的土壤、植 被，使表土裸露，增加了侵蚀程度，在降雨过程中，矿区中的泥沙、营养盐类、酸 类和矿物质等污染物随地表径流进入受纳水体。 ( 5 ) 大气降雨降尘污染：是指大气中的污染物通过降雨、固体沉降或漂移直接进入 水体。大气沉降的污染物包括颗粒态和溶解态物质，颗粒态通常占优势。 狭义上讲农业非点源污染专指的是因农田而引起的非点源污染，而现实中由于 很多农田与林地交杂，所以在一般意义上来讲农业非点源污染包括了农业非点源污 染与林区地表径流污染，本文若无注明，农业非点源指的是农田和林地共同引起的 福建师范大学x x x 硕士学位论文 非点源。 1 2 2 3 非点源污染与农业非点源污染 随着对非点源污染研究的深入，非点源污染在总体水污染中所占的比例不断增 加。以1 9 8 9 年损害美国地表水的污染源比例为例( 见表1 2 ) 1 1 4 】，河流中非点源污染 比例是6 5 ，而湖泊中污染源非点源污染比例为7 5 。 表i - 2 损害美国地表水的污染源比例单位： t a b l e 2t h ep o l l u t a n ts o u r c e sh a r m f u 】t ot h es u r f a c ew a t e ri nu s a 污染源非点源污染 其它工业点污水处理厂 s o u r c e o f p o 1 l u t i o nn p s p o t h e r s i n d u s t r y s o u r c et r e a t m e n tp l a c e s 河流( r i v e r ) 6 5l s92 湖泊( l a k e s ) 7 58三 ! 有资料显示在非点源污染造成的水质损害中，农业非点源污染是各种导致水体 污染的最主要因素之( 见表1 3 ) 14 1 ，农业非点源污染影响了全世界陆地面积的 3 0 5 0 。 表i - 3 非点源污染物造成的水质损害 t a b l e 3t h ew a t e rq u a l i t yi m p a i r m e n tf r o mn o n p o i n ts o t l r c ep o l l u t a n t 美国环境保护总署把农业列为全美河流和湖泊污染的第一污染源l 】”j 。通过对 美国亚祖河盆地的水质调查发现，在常规方式耕作的大豆田中，每年随地表径流流 失的沉积物达到1 9 1 0 4 k g 1 - 皿2 ，造成了7 7 9 6 氮和磷的损失a 1 2 2 4 湖泊富营养化与非点源污染 在丹麦2 7 0 条河流中9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷是来自非点源污染；荷兰来 自于农业非点源污染的总氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和4 0 一5 0 。我国 地表水的非点源污染也占很大比重，湖泊的氮磷5 0 以上来自于农业非点源污染， 如太湖，农业非点源氮量占入湖总氮量的7 7 ，磷占3 3 4 。所以研究最多的也就 着眼于氮、磷营养元素。而在我国全年随地表径流流失的土壤达到5 0 + 1 0 8 t ，所带走的 氮、磷、钾等养分约相当于全国一年的化肥施用总量u ”。 绪论 1 2 3 农业非点源污染概述 一般将非点源污染分为城市和农业非点源两大类，其中农业非点源主要指农业 生产活动中，农田中的土粒、氮素、磷、农药及其它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、农田排水和地下渗漏，使大量污染物质进入水 体，造成了污染。由于农业生产活动的多样性，实践中的农业非点源污染包括土壤 侵蚀、农田化肥农药的施用、农村家畜粪便与垃圾、牧场的家畜生产、农田污水灌 溉等。农业非点源污染是最普遍的非点源污染。 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并从土壤圈内向水圈扩展的过程。农业 非点源污染具有三个主要特点：一是污染发生随机性，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【i “。 农业非点源污染主要通过地表径流作用形成，它将作物未利用的氮、磷及其他 营养盐带出农田，并污染周边环境。当降雨和灌溉强度超过农田土壤下渗速度时就 形成了地表径流。地表径流中损失的氮磷包括颗粒态氮磷和溶解态氮磷，颗粒态氮 磷是指结合于土壤颗粒中的氮磷，溶解态氮磷包括无机氮和有机氮磷。 1 3 国内外农业非点源污染研究现状 1 3 1 农业非点源污染机理研究现状 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，成为 农业非点源污染研究的核心内容。 降雨径流过程：对降雨径流过程的研究，大多是以水文学为基础，重点研究作 为非点源污染动力的径流的产流汇流特性。在非点源污染研究中，重点考虑产流条 件的空间差异，深刻揭示农业非点源污染的组成。代表性的成果有美国水土保持局 5 0 年代提出的s c s 模型，该模型综合考虑流域降雨、土壤类型、土地利用方式及管 理水平、前期土壤湿润情况，建立了产流计算公式。 土壤侵蚀过程：土壤侵蚀过程是农业非点源研究的重要内容，人们现在已认识 到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，因为流失 9 福建师范大学x x x 硕士学位论文 的水土是污染物的重要载体。水土流失的研究历史很久，取得的成果也较多。美国 在6 0 年代通过大量实验提出通用土壤流失方程( u s l e ) 及后来得到改进的方程 ( r u s l e ) 使用最为广泛。 我国对土壤侵蚀的研究做了大量的工作，代表性的有黄土高原的水土保持研究 工作，并利用资料提出了较为实用的经验型区域性土壤侵蚀模型。此外，还对u l s e 模型修正后运用。如杨艳生等，阮伏水等分别利用该模型对我国南方花岗岩侵蚀的 土壤流失进行了研究。 地表溶质随径流流失过程：径流与非点源污染的迁移转化机制是进行模型定量 研究及控制治理的基础。近年来，许多学者从动态过程的角度对农业非点源污染进 行了深入研究。国内外学者均对地表土壤溶质随径流流失过程作了有益的探讨和研 究。提出了一系列的概念和理论。最早提出的概念是有效混合深度( e d i ) 。随后出 现了等效迁移深度概念，并建立了其确定方法。e d i 包括了此层随下渗迁移的溶质 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。 土壤中溶质的渗漏过程：对土壤中溶质的下层渗漏过程的研究，是目前农业非 点源污染研究中的又一热点。研究的污染物多为硝酸盐和可溶性农药成分，实验手 段以室内模拟为主，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。 根据这些模型的建模思路和表述形式大致可分为确定性模型和随机模型。确定性模 型是将研究对象简化为一个由具体明确物理意义的变量组成的理想系统，系统中变 量的行为遵循物质守恒和能量定律。随机模型是将研究对象看做一个不确定性系统。 运用随机理论来描述系统的行为。在土壤溶质运移的研究中，通常的做法有两种， 一种是与确定性模型相结合，估算和拟合有关参数，另一种认为整个过程完全是随 机的，只考虑土壤性质的输入来估算其随机输出。 1 3 2 农业非点源污染模型研究现状 国外农业非点源模型大多与土壤侵蚀模型结合在一起，并以流域模型出现，有 属于集总参数模型，也有分散参数模型，很多模型可以在g i s 平台下操作或与g i s 结合。一些常用的模型有r u s l e 、c r e a m s 、a g n p s 、s w a t 、w e e p 、a n s w e r s 等： r u s l e 是一套完整的软件，它具有良好的适应性，可以用作模拟多种流域管理 1 0 绪论 措施下的水土流失状况，甚至可以计算出在很小的措施变动时，土壤侵蚀速率所发 生的变化： c r e a m s 该模型属于集总参数物理模型，在1 9 8 0 年由u s d a a r s 推出，主要 用于估算农田对地表径流和耕作层以下土壤水的污染，模型由3 个功能模块组成： 水文模块、侵蚀或泥砂模块和化学污染物模块； a g n p s 是由美国农业研究局和明尼苏达污染控制局于2 0 世纪8 0 年代共同研制 开发的农业非点源计算机模拟模型，是一种基于场次的分散流域模型，主要用于估 算流域的侵蚀速率、土壤流失量，以及从流域流失的营养量，包括氮、磷、有机碳 等。 a n s w e r s 是基于场次的分散物理模型，主要用于模拟流域管理措施或b m p s 对径流和泥沙产生的影响，最初的模型只研究地表水文过程，后来b e a s l e y 等人又 把粒径泥沙颗粒的产沙和输沙过程： w e p p 实际是u s d a 推出的用以替代u s l e 的新一代土壤侵蚀预测模型，从1 9 8 5 年开始研究，1 9 8 9 年基本完成，后经过多次改进和完善，于1 9 9 5 年向外公布。 s w a t 是为了预测流域管理措施对水质、泥沙和化学物质的作用而开发的一种 分散连续性的物理模型，主要用于大型流域。 我国的农业非点源污染研究起步较晚，始于2 0 世纪8 0 年代初，先后对于桥水 库、滇池、太湖、鄱阳湖、巢湖、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、辽河铁岭段进行了探索性的研究，为非点源污染研究积累了有 益的经验。 尽管取得了一些成绩，但由于起步较晚，无论在研究方法及模型的创造上与国 外仍有较大差距。从总体上看，我国非点源污染研究还处于对农业非点源的宏观特 征与污染负荷定量计算模型的初步研究阶段，尽管出现了一些基于非点源模型大多 是形式简单、功能单一的经验模型，一些基于非点源污染发生机理的概念模型，但 往往对模型的后续讨论较少，研究缺乏连续性。 1 3 3 农业非点源污染量测方法研究现状 非点源污染研究初期，收集基础数据时采用的方法主要为径流试验场法。首先， 在研究区域内选择一块面积不大，能代表研究区域各类特征的封闭性或半封闭性小 流域，同步监测降雨径流的水质、水量，然后据此确定污染物的单位负荷量，最后 通过单位负荷量乘研究区域面积来估算非点源污染发生负荷量。该方法的优点是， 福建师范大学x x x 硕士学位论文 可以减少工作量，费用也较低，并得到了广泛应用。其不足之处是，非点源污染是 一种时空差异性很强的现象，仅仅以小区研究代替大区域，显然污染物负荷的计算 精度不高，也不利于非点源污染地域分异规律的真实把握，不便于确定优先控制区 及制定针对性的控制对策。为克服其缺点，后期的研究采用大区域调查分析与小区 实测研究相结合的方法，其基本程序是，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，然后在每个源类型区内选 择典型小区，进行降雨径流水质、水量同步监测，最后确定每个非点源污染发生类 型区的单位负荷量，剖析其污染发生特征。因此污染物负荷估算精度较第一种方法 有很大提高，能够很好地表现不同土地利用方式对区域非点源污染负荷的贡献，同 时对优先控制区的确定及防治对策的制定起到了积极的作用。 农业非点源污染负荷的定量化方法主要包括单位负荷法、直接测量法和模拟法 【2 l ： ( 1 ) 单位负荷法；单位负荷表示流域内某种土地利用类型，在单位面积、单位时 间内所产生的污染物负荷。某种土地利用类型的单位负荷乘以该种土地利用 类型的总面积，即可得出该土地利用类型的污染负荷量，由若干种土地利用 类型组成的流域的污染负荷的总输出量，可通过流域内各种土地利用的负荷 相加而得到，即： n l = x ，a ， l = l 式中，l ：流域内各种土地利用的污染负荷总量 x ；：i 类土地利用的单位负荷； a i ：流域内i 类土地利用总面积 ( 2 ) 直接测量法：直接测量法就是通过对流域输出口的流量及污染物浓度直接监 测来确定污染物负荷输出量，它不涉及污染物在流域地表的实际迁移过程， 这种方法虽然简单、可靠，但需要大量的监测数据。由于非点源污染物在流 域内的迁移、转化受各种微景观结构的截留，直接测量法所得出得污染物负 荷会小于单位负荷法得结果。因此，这种方法不能反映流域内不同土地利用 类型的污染特征，只能作为确定流域非点源污染负荷的补充和参考。 ( 3 ) 模拟法：为获得准确的污染物负荷的计算，需要采用对污染物负荷输出的物 理、化学和生物过程进行模拟的模型。非点源污染的模拟主要包括降水- 径流 第1 章绪论 过程、土壤侵蚀过程、污染物迁移转化过程等。 1 4 本课题研究的技术路线 我们对福州山仔水库的非点源污染的研究也主要是针对农业非点源的研究。 山仔水库非点源污染负荷问题是在点源污染得到有效控制而山仔水库富营养化 并未得以改善的情况下提出的，在开展非点源污染研究之前，我们首先对山仔水库 库区周边的生态环境进行调查( 第二章) 。 第二，在确定山仔水库非点源污染负荷之前，开展了对非点源污染对山仔水库 影响程度的研究( 第三章) ，包括影响范围的研究和影响深度的研究。影响范围的研 究是通