（环境科学专业论文）小型湿地控制农业非点源污染机理的研究与应用.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , a l li m p o r t a n tf a c t o rc a u s e db ys u 托a c ew a t e rp o l l u t i o ni sv a r i o u sp o l l u t a n t sc o m i n g f r o mt h eo u t p u to ft h ep r o c e s sa n de x i s t i n gi nt h ef o r mo fn o n p o i n t $ o u r c 圮si na g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n t h ea r t i f i c i a lw e t l a n dh a s t h ec h a r a c t e r so fl e s si n v e s t m e n t , h i g h l ye f f e c t i v e ， c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，h i g hn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t e i th a sb e i n g a p p l i e dt ot r e a t m e n ta g r i c u l t u r a le f f l u e n tb ym a n yc o u n t r i e sa n da l c a s i nc h i n a , t h er e s e a r c hf o r t r e a t m e n ta g r i c u l t u r a le f f l u e n tb ya r t i f i c i a lw e t l a n dw a sv e r yl e s s , a n da l lw e r ec a r r i e di n l a b o r a t o r y s o ，t h es t u d yc a na f f o r di m p o r t a n tp a r a m e t e ra n ds c i e n t i f i cb a s i sf o rt r e a t m e n t a g r i c u l t u r a le f f l u e n tb ya r t i f i c i a lw e t l a n di nt h eo p e n t h e s es t u d i e sh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c ei nb o t h t h e o r ya n dp r o d u c e i nt h i sp a p e r , u s et h es y s t e mo fc h a n n e l s f i e l d s a r t i f i c i a lw e t l a n dt oa n a l y z ea g r i c u l t u r a l w a t e rw e t l a n de n v i r o n m e n t , t r e a t m e n tp r o c e s s i n gi n d i c a t o r si nt h eq u a l i t yo fo b s e r v a t i o na n dt h e f e a t u r e so fw a t e rq u a l i t yo fr i c ef i e l d s w ee x p l o r eh o wt oc o n t r o lt h ea g r i c u l t u r a ln o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o n , c o m b i n gw i t ho b s e r v a t i o n so fw e t l a n dp i l o t st on o t et h ew e t l a n do na g r i c u l t u r a l n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n sc o n t r o l l i n gm e c h a n i s m s ，e s t a b l i s ht h es m a l lw e t l a n d s m o d e lo ft h e t h e o r yo re x p e r i e n c et oc o n t r o la 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 t h em a i ns t u d y i n gr e s u l t s a r ea sf o l l o w s ： 1 t h ew a t e rq u a l i t yo fa g r i c u l t u r a ld r a i n a g ed o e sn o tr i c ht h e ”s u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n t a l q u a l i t ys t a n d a r d ”( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) c a t e g o r yo ft h ew a t e rb o d ys t a n d a r d sv ，i tp o l l u t e ss e r i o u s l y t h em a i ns t a n d a r df a c t o r so fw a t e ra r et o t a lp h o s p h o r u s 。t 0 t a jn i t r o g e na n da m m o n i a n i t r o g e n t h em a i nf a c t o r so ft h ea 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 na r eu s i n gm o r ef e r t i l i z e ra n d s e w a g er u no f f t h ea g r i c u l t u r a ld r a i n a g ei st h em a i nw a yi n t ot h ew a t e rb o d yf o ral a r g en u m b e r o f n i t r o g e n , p h o s p h o r u sa n do t h e rp o l l u t a n t s ，a n dt h em a i nf o r mo fa g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n t h es t u d yf i n d so u tt h a tt h eu s eo f ”t h i n ，l i g h t , m o i s t u r e ，s u n ”a p p r o a c hi nt h er e d u c t i o n o ff a r m l a n di r r i g a t i o nw a t e rh a v ec e r t a i ne f f e c t s 2 t h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nr e a c h e st h eh i g h e s ti nw e t l a n d si m p o r t sw h e nf e r t i l i z i n g t h e p o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c yf r o ml o wt oh i g h l yb yw e t l a n di sn i t r a t en i t r o g e n , c o d ，a m m o n i a n i t r o g e n ，t o t a ln i t r o g e n ，t u r b i d i t ya n dt o t a lp h o s p h o r u s t h es t u d yf i n d so u tt h a tt h eb e s tp hi s 6 6w h e n r e m o v i n gn i t r o g e n , w i t ht h eb e s ts e a s o no f j u n et os e p t e m b e r t h es m a l l e rd i f f e r e n c eo f p hb e t w e e nt h ei m p o r ta n de x p o r t , t h eb e t t e rt d t a lp h o s p h o r u sr e m o v a ls t e a d i l y , w i t ht h eb e s t s e a s o ni ns e p t e m b e r 3 z i z a n i aa q u a t i c ah a v ee x c e l l e n te f f i c i e n c yf o rr e m o v i n gt o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u s ， n e l u m b on u c i f e r ac a n n o tr e m o v et o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o r u sv e r yw e l l ，w h i l es m a l l i l 桂林理工大学硕士学位论文 f l o w e rb r a c k e tp l a n th e r bc a nr e m o v et o t a ln i t r o g e nv e r yw e l l b a s e do nt h ek - c m o d e l ，w ec a n s e et h a tc o n t r o lt h er e g i o no f f a r m l a n do fo 8h ar e q u i r e dw e t l a n d d r a i n a g ea r e ao fa b o u to 1h a 4 u n r e a s o n a b l ea p p l i c a t i o no ff e r t i l i z e r sa n di r r i g a t i o nw o u l dm a k ew a t e rs e r i o u sp o l l u t i o n t h eu s i n go fc h a n n e l s - f i e l d a r t i f i c i a lw e t l a n ds y s t e mc a r lc o n t r o lt h ea g r i c u l t u r a ln o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o ne f f e c t i v e l y , r e d u c ed i s c h a r g eo fw a s t e ，a n da c h i e v et h eo b j e c t i v eo fc l e a n e r p r o d u c t i o n b a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n to fc h a n n e l - f i e l d - a r t i f i c i a lw e t l a n ds y s t e m w ec a na d o p t t h ef o l l o w i n gc o n t r o lm e a s u r e s t h ef i r s to n ei s r e d u c i n gt h eu s eo fc h e m i c a lf e r t i l i z e r s ， d e c r e a s i n ge m i s s i o n so fp o l l u t a n t sb yt h er e a s o n a b l ew a yo fi r r i g a t i o nf o r mh e a d w a t e r ；t h es e c o n d o n ei su s i n gt h er e a s o n a b l ew e t l a n da r e a , c h o o s i n gp r e p o n d e r a n tp l a n t sf o rc r o s s i n gp l a n t i n g ；t h e t h i r do n ei s i n c r e a s i n gt h el e n g t ho fd r a i nb e t w e e nt h ef a r m l a n da n dw e t l a n da p p r o p r i a t e l y , c o n t r o l l i n gt h es e w a g ed i s c h a r g eo fs t r e a ma n dw a t e rq u a l i t y , i no e rt od e v e l o pe f f e c t i v e n e s so f w e t l a n do p t i m a l l y k e yw o r d s ：a r t i f i c i a lw e t l a n d ；a g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c e ；p o l l u t i o nc o n t r o l ；i n f l u e n c ef a c t o r ； n i t r o g e n ；p h o s p h o r u s 1 1 i 桂林理工大学硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的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外，论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者( 签字) ：隧燧 签字日期： z ! 垒2 ：笪：坦一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权( 学校) 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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过 网络向社会公众提供信息服务。( 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：髓滋短 签字日期：2 加夕年乡月，日 导师签字：乃 辩醐。7 刍目f 口e t 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 第1 章绪言 本课题来源于水利部“9 4 8 项目灌溉一排水一湿地综合管理系统( w r s i s ) 的引进。 1 1 2 研究意义 湿地是由喜水生物和过湿环境构成的特殊自然综合体，它位于大气圈、岩石 圈及生物圈的交汇处，是各种能量及物质交换和作用的场所。它是地球上重要的 生存环境和生态系统，具有稳定环境、物种基因保护及资源利用的功能，被誉为 “自然之肾 、“生物基因库和“人类摇篮 n 1 。湿地的自净能力很强，它利用 生态系统中物理、化学、生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交 换、植物吸收、微生物分解来实现对污水的高效净化。人工湿地正是基于自然界 的生态平衡原理，利用了生态系统中结构和功能的协调性、物种之间相互依存的 机制，依靠人工的方法建造类似于天然湿地的基质一微生物一植物这样一个独特 的生态系统。它模拟天然湿地生态系统的能量流动和物质循环，将环境中的污染 物质转移到湿地系统的物质循环链当中，对其进行固化或降解，实现污水的资源 化和无害化，从而达到环境治理的目的。 人工湿地最早由澳大利亚的m a c k n e y1 9 0 4 年提出口1 ，于2 0 世纪7 0 年代在世 界范围广泛兴起，现已在美国、澳大利亚和欧洲等1 0 多个国家和地区应用于生 活、农业以及养殖业的污水处理口1 。在美国的许多州，这一污水处理方法被列为 防止地表水污染的“最佳管理措施之一。在英国，人工湿地已成为雨水处理的 主要方法之一“1 。目前，造成地表水体污染的一个重要因素是来自于农业生产过 程中输出的、以非点源形式存在的各种污染物。例如富含营养物的农田排水就是 目前造成地表水体富营养化的最重要的原因之一。农业非点源污染不同于生活污 水和工业废水，它具有污染发生时间的随机性、发生方式的间歇性、机理过程的 复杂性、排放途径及排放量的不确定性、污染负荷时空变异性和监测、模拟与控 制困难等特点畸1 。因此对于此类污染的控制还需要因地制宜；而作为利用自然过 程进行污染物降解的人工湿地污水处理系统就可能成为农田排水或其它类似污 水的处理方式。 人工湿地具有投资少、出水水质好、运行维护方便、氮磷去除率高等特点。 桂林理工大学硕士学位论文 鉴于湿地的天然属性，采用湿地净化污水几乎不需要耗能，相比传统污水净化方 法而言，优势明显。采用人工湿地处理污水已经成为国内外研究的热点，人工湿 地的建设能够在农田水资源安全和生态安全中起到重要的作用。本文通过在室外 构建小型人工湿地，种植湿地植物，采用人工湿地来处理农业污水，对农田水环 境和人工湿地处理污水过程中各水质指标进行监测，对农田和湿地中氮、磷等污 染物的迁移和降解机理进行研究，取得建立渠道一农田一人工湿地系统的实用数 据和经验资料，促进人工湿地在桂林地区农业污水处理中的推广应用。在中国， 人工湿地的应用主要集中在对湖泊治理或生活、工业污水的处理方面，对于农业 非点源水体污染治理的研究很少，基本还处于实验室研究阶段。本文的成果将为 人工湿地处理农业污水工艺的应用提供重要参数和科学依据，在理论和生产上都 具有重要意义。 1 2 人工湿地概述 人工湿地是为处理污水人为设计建造的、工程化的湿地系统，是通过人工挖 掘，增加水负荷，并移栽植物形成的。绝大多数自然和人工湿地由五部分组成阳1 ： l 、具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石、卵石等；2 、适于在饱和水和厌 氧基质中生长的植物，如芦苇；3 、水体( 在基质表面下或上流动的水) ；4 、无脊 椎或脊椎动物；5 、好氧或厌氧微生物种群。 1 2 1 人工湿地分类及特点 国内外学者对人工湿地系统的分类多种多样h 1 。不同类型的人工湿地对特征 污染物的去除效果不同，具有各自的优、缺点。 从工程设计的角度出发，按照布水方式或水在系统中的流动方式不同，可分 为表面流人工湿地、潜流人工湿地、垂直流人工湿地哺1 。 l 、表面流人工湿地( 图1 1 ) 表面流人工湿地的水面位于湿地基质以上，污水从进口以一定深度缓慢流过 湿地表面，部分污水蒸发或渗入湿地，出水经溢流堰流出。湿地中接近水面的部 分为好氧层，较深部分及底部通常为厌氧区。表面流人工湿地在内部构造、生态 结构和外观上都十分类似于天然湿地，但经过科学的设计、运行管理和维护，去 污效果优于天然湿地系统阳3 。表面流人工湿地具有投资和运行费用低，建造、运 行和维护简单等优点，已经较多地应用于处理生活污水、养殖废水，蓄积和净化 暴雨径流等，但表面流人工湿地占地面积较大，污染物负荷和水力负荷率较小， 有机物的去除主要由植物生长在水下茎、杆上的生物膜来完成，净化能力有限。 2 桂林理工大学硕士学位论文 表面流人工湿地中的0 2 来源于水面扩散与植物根系传输，系统运行受气候影响 大，夏季易孽生蚊虫。 2 、潜流人工湿地( 图1 2 ) 潜流人工湿地的水面位于填料层以下，污水在填料表面下渗流，充分利用填 料表面及植物根系上生物膜及其它作用处理污水。潜流人工湿地是目前广泛研究 和应用的湿地处理系统，主要形式是采用各种介质填料的芦苇床系统，已成功地 应用于城市污水( 一级、二级和三级) 、食品加工废水、制浆造纸废水、化工废水 和垃圾渗滤液的处理n 引。潜流人工湿地水力负荷与污染负荷较大，对b o d 、c o d 、 s s 及重金属等处理效果好，0 2 源于植物根传输，少有恶臭与蚊蝇现象，但投资 比表面流人工湿地大，控制相对复杂，脱n 和p 效果欠佳。 3 、垂直流人工湿地( 图1 3 ) 垂直流人工湿地中污水水流方向与床区呈垂直方向，污水被投配到床区表面 后，淹没整个表面，随后逐步垂直渗流到底部，由底部的集水系统收集后排放。 在进水间隙，空气填充到床体中，保证了下一周期投配污水与空气的充分接触， 提高了氧传递效率，从而强化了b o d 去除和氨氮硝化的效果。垂直流人工湿地具 有净化效率高和相对较小的土地需求等优点，使其变得越来越普遍3 。但垂直流 人工湿地对悬浮物的去除效果不佳，建造要求比前二者高，控制复杂，落干淹 水时间长，夏季易孽生蚊蝇。 根据湿地中种植的主要植物类型，可分为挺水植物系统、浮水植物系统和沉 水植物系统。 l 、挺水植物系统 以挺水植物为主，植物根系发达，可通过根系向基质送氧，使基质中形成多 个好氧、兼性厌氧、厌氧小区，利于多种微生物繁殖，便于污染物的多途径降解。 挺水植物系统是应用最多的一种人工湿地系统，挺水植物主要为单子叶植物，常 用的挺水植物有水葱、芦苇和蕉草等。该系统广泛应用于生活污水的二级和三级 处理，也可用于处理矿山废水、城市和农村地表径流、垃圾渗滤液及工业废水的 处理n 们。 2 、浮水植物系统 以浮水植物为主，植物繁殖能力强，可通过光合作用由根系向水体放氧，通 过植物吸收有效去除n 、p 及重金属等污染物。浮水植物可分为茎叶浮水、根固 着或自由漂浮的植物。前者常见有荷花和睡莲等，后者常见有凤眼莲和浮萍等。 浮水植物大多花色鲜艳，可作为观赏性植物来使用。目前，浮水植物系统的工程 应用较少，主要用于n 和p 的去除和提高稳定塘的效率。 3 桂林理工大学硕士学位论文 3 、沉水植物系统 沉水植物系统在工程上的应用不多见，主要利用其对营养物质的吸收对污水 进行深度处理。在水位较深的挺水植物系统中，种植沉水植物来提高湿地处理效 果的方法也有应用。常用的沉水植物有伊乐藻和狐尾藻等。沉水植物为寡污性植 物，通常生长在污染较轻或很轻的水域中，在湿地系统中作为最后净化单元。 图1 1 表面流人工湿地构造示意图 图1 2 潜流人工湿地构造示意图 图1 3 垂直流人工湿地构造示意图 4 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 2 人工湿地的净化机理 人工湿地污水处理系统最初源于对自然湿地的模拟，后根据具体的处理以及 建造要求，改变为适宜建造和控制的污水处理系统，在基质成分、植物种类、水 流状态等方面都与自然湿地有一定的区别，但对污水中污染物的去除机理与自然 湿地有一定相似之处。人工湿地处理系统是一种集物理、化学、生物反应于一体 的废水生态处理技术，是一个独特的土壤、植物、微生物综合生态系统，其对污 水的净化有着非常复杂的机理过程。一般认为，水体、基质、植物和微生物是构 成人工湿地污水处理系统的四个基本要素。植物吸收、微生物代谢以及基质的吸 附、过滤、沉淀等过程在人工湿地污染物( 有机污染物、氮、磷、重金属等) 的去 除中起着关键作用；其中，包含了物理、化学和生物三重共同作用的效果n 厶培3 。 l 、物理作用 物理作用包括沉降和过滤。沉降是指比重较大的固体颗粒在植物根系及介质 中沉积，从流动的水体中去除。例如，可絮凝的固体也能通过絮凝沉降而去除， 另外还有一部分b o d 、n 、p 、难降解有机物、细菌和病毒也可在填充物和根系中 沉降去除。过滤是指利用植物根系庞大的表面积和对颗粒的强大吸附能力或利用 沉水植物的整个植株来吸附废水中的部分污染物：同时，使可沉降及可絮凝固体 也被阻截而去除的过程。 2 、化学作用 化学作用是指废水中的污染物通过化学反应发生转化，然后被去除的过程， 包括沉淀、吸附和分解。沉淀是指废水中某些污染物在植物根系或微生物中，通 过化学反应形成难溶解化合物沉淀而去除。吸附是指重金属及某些小分子有机污 染物被吸附在植物根系、沉水植物植株的表面或填充的介质中被去除，某些难降 解有机物也能通过吸附去除。分解是指由于太阳光紫外线辐射，氧化还原等反应 过程，使难降解有机物分解或变成稳定性较差的化合物，更重要的是微生物的酶 降解作用，微生物在生态系统中充当分解者的角色，多数有机污染物都可以通过 微生物作用而降解，最终转化成简单的无机物然后进入自然界的物质循环。 3 、植物作用 植物是生态系统中的生产者，对全球生态平衡的维持起着十分重要的作用。 湿地植物是水陆交错地带中的一个重要部分，在水体修复、维持生态平衡和生物 多样性上具有重要作用。在入工湿地的污水处理系统中湿地植物也起着非常重要 的作用。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 植物吸收。植物根系是植物的吸收器官，沉水植物整株植物体都有吸 附和吸收的功能，人工湿地废水处理系统主要就是利用植物对污染物的吸附和吸 收来去除污染物，相当数量的n 、p 和小分子有机物能被植物吸收而去除。 桂林理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 植物代谢。植物吸收的物质在体内经过新陈代谢过程的合成和转化作 用最终在体内积累下来，可以通过收割植物转移掉污染物。植物根系能分泌对细 菌和病毒等病原微生物有灭活作用的物质，从而使部分病原微生物死亡并沉降下 来。 ( 3 ) 传输氧气。人工湿地系统中植物可以代替传统工艺中的曝气机输氧。 根据德国学者k i c k u t h 提出的根区法理论，生长在湿地中的挺水植物对氧的运输、 释放、扩散作用，将空气中的氧转运到根部，再经过植物根部的扩散，在植物根 区周围的微环境中依次出现好氧区、兼性厌氧区和厌氧区，有利于硝化、反硝化 反应和微生物对磷的过量积累作用。人工湿地中的植物除了对污染物有直接的去 除作用外，还能为微生物提供栖息场所、缓冲水力传导、维持通气作用、控制藻 类生长和缓冲气候对湿地处理效果的影响，植物收割后还可资源化利用，产生经 济价值。 4 、微生物作用 微生物是生态系统中的分解者，在自然界的物质循环和转化过程中起着重要 的作用。它们把有机质作为丰富的能源，将其转化为营养物质和能量。人工湿地 在处理污水之前，各类微生物的数量与自然湿地基本相同。但随着污水不断进入 人工湿地系统，某些微生物的数量将逐渐增加，并逐渐达到稳定。人工湿地中微 生物的活动是湿地净化污水的最主要因素。现有研究已经发现在b o d 、c o d 以及n 氮等降解的过程中微生物都发挥了重要作用。人工湿地中的优势菌种有假单胞杆 菌属、产碱杆菌属和黄杆菌属，均为生长快速的微生物，其体内含有降解质粒， 是分解有机物的主体微生物种群。微生物的作用机制主要是利用寄生于根系中的 微生物的代谢作用；微生物的代谢能将凝聚性固体、可溶性固体颗粒进行好氧、 厌氧分解，最终降解成无机物；微生物还能通过硝化一反硝化作用去除氮、通过 有机磷的矿化作用沉淀基质中的无机盐，达到去除重金属的目的。 1 3 湿地在控制农业非点源污染方面的研究 1 3 1 农业非点源污染的危害 农业非点源污染又称农业面源污染( 以下统称农业非点源污染) ，主要是指 农业生产活动中，农田中的n 、p 、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， 造成污染n 钔。农业非点源污染的危害主要如下： 1 、污染水体，加重水体富营养化 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0 2 m g l ， 6 桂林理工大学硕士学位论文 磷酸盐磷浓度大于0 o l m g l 时，就可能引起藻华现象的发生。由于农业非点源污 染，中国近一半的湖泊已经处于严重的富营养化状态。近年来，中国的湖泊、水 库等水体的富营养化加剧，甚至危及城乡居民饮用水的安全，形势十分严峻。农 业非点源源污染受到了中央和地方广泛的关注。 2 、污染土壤，使土壤退化 农药和化肥的不合理施用与过量施用，使许多有害物质进入土壤，导致土壤 肥力下降和严重的非点源源污染。由于土壤肥力持续下降，农产品的产量和品质 也会随之下降，农民会更加依赖农药和化肥，希望以此来改善状况，这就很容易 形成恶性循环，引起土壤生态环境的严重恶化，使粮食和蔬菜的安全也受到威胁。 3 、对生物产生有害影响 重金属、农药的残留物等有毒、有害物质一旦进入水体，不仅对水生生物造 成直接危害，某些有毒物质还可以通过食物链的富集作用，使处于食物链高位的 人或畜中毒。这不仅是对环境的污染、对经济发展的阻碍，更是对人类健康的破 坏。 1 3 2 国内外研究现状、水平和发展趋势 农田肥料流失是一个世界性的问题n5 j 。在美国，6 0 的水环境污染是由农业 非点源污染造成的；丹麦2 7 0 条河流中，9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷来自于农业 非点源污染；荷兰来自于农业非点源的总氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和4 0 - - 5 0 u 引。因此，在北美和西欧非常重视对农业非点源污染的研究和控制。 农业非点源污染物来自于土壤圈中的农业化学物质，它的产生、迁移与转化 过程，实质上是污染物从土壤圈向其它圈层尤其是水圈扩散的过程，农业非点源 污染本质上是一种扩散污染。对其机理的研究包括两个方面，一是污染物在土 壤圈中的行为；二是污染物在外界条件下( 降水、灌溉等) 从土壤向水体扩散的过 程u 引。前者是研究的基础，后者是研究的重点和关键，关系到农业化学品在土壤 中的行为及作用机理，土壤学家似乎更为重视，并取得了不少成果。随着农业生 产的快速发展，农业化学物质大量投入使用，使土壤中物质的平衡体系被破坏， 污染物从土壤圈向其它介质圈层扩散，环境学家或从环境角度研究这一问题的土 壤学家，对这一过程进行了大量的调查和实验，他们的工作大大推动了农业非点 源污染问题的研究。 将农业非点源污染作为一种严重的环境问题进行研究始于2 0 世纪6 0 年代中 期的美国n 引。最早的研究是从研究农药对水质污染开始的，主要集中在确定农田 径流污染性质、影响因素，单场暴雨和长期平均污染负荷输出方面的初步认识研 究中 2 0 o 随着对农业非点源污染形成机制及其危害认识的深入，各国对农业非点 7 桂林理工大学硕士学位论文 源污染问题日益重视，并从多角度、多层次进行全方位研究。概括起来可分为三 个层次：一是污染负荷及机理模拟研究；二是关键治理技术与农田管理措施研究 与实践；三是农业非点源污染控制政策研究。 过量的施用农药化肥和污水的径流是产生农业非点源污染的主要因素心，因 此治理农业非点源污染可采取以下措施：首先，减少化肥农药的使用量，强调合 理施肥的重要性，从源头上减少污染物的排放量；其次，在污水流动的过程中利 用分布在农田周围的湿地对污染物进行截留和净化；最后，通过工程措施对受纳 水体进行治理。中国对农业非点源污染问题的严重性认识较晚，对农业非点源污 染研究是从2 0 世纪8 0 年代的北京城市径流污染研究开始的瞳引。1 9 8 0 1 9 9 0 年， 中国的农业非点源污染研究仅仅停留在对其宏观特征描述和污染负荷定量计算 模型的初步研究上乜引。进入2 0 世纪，随着对点源污染的治理力度的增强，非点 源污染逐渐成为了水体污染的重要因烈2 4 1 ，农业非点源污染的研究开始活跃。但 是，国内对于农业非点源污染的认识仍处在起步阶段，缺乏相应的管理研究和实 践，管理措施、政策有效性的量化研究更是一个空白。 人工湿地是由人工基质、土壤以及生长其上的植物组成，污水在土地的表面 或地下流动，依靠土壤吸附、植物的吸收、微生物降解等一系列过程来降低水中 营养物质的含量。人工湿地技术是国际上近几十年来发展起来的一种废水处理的 新技术心5 l ，其特点是投资少、效果好、运行维护方便、氮磷去除率高。 1 9 5 3 年，德国的m a xp l a n c k 研究所首例采用了人工湿地净化污水啪3 。1 9 7 2 年，德国的k i c k u t h 博士提出根区理论后，西欧和北美等国家掀起了人工湿地研 究与应用的热潮1 。1 9 7 4 年，世界首块人工湿地在德国建成。此后，人工湿地 得到迅速发展。2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初，在英美相继召开了人工湿地研讨会， 提出了许多有关污水净化机理和处理系统参考设计规范及数据啪删1 ，1 9 9 6 年9 月， 在奥地利维也纳召开的第四届土地利用土地覆被变化及亚洲环境问题国际研讨 会，标志着人工湿地作为一种独特的新型废水处理技术正式进入水污染控制领域 跚1 。此后，特别是西欧和北美等国家，利用自然湿地生态系统的原理发展了大量 的人工湿地系统处理废水羽。目前，在美国有6 0 0 多处人工湿地工程用于处理市 政、工业和农业废水口3 1 ( 4 0 0 多处人工湿地被用于处理煤矿废水，5 0 多处人工湿地 用于处理生物污泥，近4 0 处人工湿地应用处理暴雨径流，超过3 0 处人工湿地系统 用于处理奶产品加工废水) ；在丹麦、德国、英国等国有2 0 0 多处人工湿地( 主要 为地下潜流湿地) 系统在运行阱1 ；新西兰也有8 0 多处人工湿地系统投入使用。在 亚洲有一些国家( 如韩国、日本) ，也建立了一些人工湿地进行科学研究副。 在中国，进行人工湿地处理系统的研究比较晚。自“七五”期间，才开展对 人工湿地的研究工作m 1 。中国第一个芦苇湿地工程是于1 9 8 7 年由天津环境保护 8 桂林理工大学硕士学位论文 研究所建成1 。此后，北京昌平芦苇湿地、深圳白泥坑人工湿地示范工程等也陆 续建成h3 s 。通过在深圳、北京和天津等地建立的人工湿地处理系统，研究人员 开始了对湿地生态系统中营养物质转化机制的研究，取得了一系列的研究成果， 并在一些地区投入运营嘲_ 4 。到目前为止，已经成功运行的人工湿地系统还有广 州抽水蓄能电站( 管理区和库区移民区) 污水处理场、沙田人工湿地污水处理厂、 深圳石岩河人工湿地和胶南市人工湿地污水处理厂等h 副。在深圳市宝安区石岩 镇，已经建成了中国最大的人工湿地，该湿地占地3 1 0 4 砰，日处理污水达1 5 1 0 4 t ，污水处理效果良好，优于传统的二级处理工艺。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 。1 研究内容 本文以广西壮族自治区灌溉试验中心站中已建成的水稻试验田和人工湿地 为研究对象，主要的研究内容有： l 、调查试验区域的的地形地貌、土壤、气候和水文条件，查明水稻生长特 性、施肥和旌农药情况，研究湿地植物的形态特征和生长特性。 2 、根据田间观测数据，研究水稻种植期间渠道和农田的水质变化，并对农 田水质进行评价，确定农业非点源污染( 主要是农田排水) 对水环境的影响，探 索控制农业非点源污染的方法和措施。 3 、以湿地试验观测结果为依据，研究小型湿地对农业非点源污染的控制效 果，分析环境条件变化对湿地污染物去除效果的影响，得出小型湿地控制农业非 点源污染的实用数据和经验资料。 4 、根据湿地植物生长状况和去除污染物效果确定优势植物品种，研究湿地 与农田面积之间的布局关系，提出典型小流域农业非点源污染的湿地生态修复规 划方案。 5 、提出符合中国南方农田，特别是水稻田灌溉排水系统与湿地相结合控制 农业非点源污染的渠道一农田一人工湿地系统各项技术要素( 结合形式、湿地设 计参数、影响因素等) 以及运行管理方式。 1 4 2 技术路线 本文将采用野外采集和室内实验测试的方法对人工湿地系统进行监测，通过 对相关数据进行综合分析，分专题研究渠道一农田一人工湿地系统的集成功效。 具体技术路线如图1 4 。 9 桂林理工大学硕士学位论文 图1 4 技术路线示意图 1 0 桂林理工大学硕士学位论文 1 5 本文创新点 1 、本文在已有观测数据基础上，采用综合污染指数法分析农田地表水水质 特征。在此基础上，通过改变灌溉方式研究控制农业非点源污染的优化措施。 2 、野外人工湿地受环境因素影响较大且机理复杂，在数据资料缺乏的情况 下采用s p s s l 5 0 统计软件对影响湿地净化功能的因素进行分析，研究野外人工 湿地污染物去除效应。 3 、建立了渠道一农田一人工湿地系统。基于k c 模型研究湿地与农田之间 的布局关系，并结合农田污染现状以及湿地植物观测结果，提出典型小流域农业 非点源污染的湿地生态修复规划方案。 1 6 本章小结 随着农业生产的发展，化肥、农药使用量不断增加，中国农业非点源污染问 题十分突出。要减轻和控制由于农业非点源污染而造成的水环境恶化，逐步改善 农田水环境质量，除了指导农民合理耕作、合理施肥与合理灌排以外，还须采取 合适的水环境修复措施。国内目前采用的水环境修复措施主要集中在重要的湖泊 治理，或生活、工业污水的处理方面，如污水处理设施。对于大量的农业非点源 水体污染则很少有效果好而成本低的技术研究成果。因此，通过建立和研究渠道 一农田一人工湿地系统，特别是能结合农田排水现状，以研究湿地净化功能为主 的水环境修复技术，来应对我国当前所面临的农业非点源污染问题，是控制农业 水环境污染的一项重要措施。 桂林理工大学硕士学位论文 21 试验站介绍 211 基本情况 第2 章试验设施与方法 为了研究人工湿地系统在中国南方地区农业非点源污染处理的麻用，选择桂 林市区作为典型的试验地区。试验地点( 广西壮族自治医灌溉试验中心站) 位于 风景秀丽，素有“山水甲天下”美称的桂林市西郊，距市中心9 h ，离两江国际 机场l oh ，靠肯狮潭水库灌医西于渠3 8h 处。广西壮族自治区灌溉试验中心站 ( 以下简称试验站) 行政上隶属桂林市水利局领导，业务上由广西水利厅农水处 和广西水科院直接管理。 试验站建于1 9 5 7 年，现占地面积为42 h a ；其中水稻试验区有o2 7h a ，早 作试验区为1 3 3 h a 温室大棚有0 5 3 h a ，水产试区为0 6 7 h a 。站内设有气象观 测站( 图21 ) ，可进行全年常规气象观测，观测内容主要包括风向风速、空气 湿度、最高温度、最低温度、大气压、降雨量和蒸发量等。观测频率为一天三次， 时间分别为8 ：0 0 时、1 2 ：0 0 时、2 0 ：0 0 时。 21 2 地理位置及自然状况 图21 气象观测站 试验站地理位置( 图22 ) 为东径1 1 0 。3 3 ，北纬2 5 。3 0 。试验站地势 平坦、周围空旷、四面环阿、不受周围障碍影响，代表性好，邻近青狮潭灌区西 桂林理工大学硕士学位论文 干渠，水源可靠，是进行农田灌溉试验的良好场所。 图2 2 试验站地理位置图 试验站处于亚热带季风气候带，气候温和，雨量较充沛，气候变化特征图见 图2 3 。研究区年降雨量为1 4 0 0 1 7 0 0 咖，多年平均蒸发量为1 2 6 1 m ，多年平 均相对湿度为8 1 ，无霜期约3 0 0 天。降雨在年内分布极不均匀，春季多雨，4 6 月的降雨占全年的7 0 左右，夏秋少雨，秋旱突出，晚稻及秋稻作物受旱严重。 如1 9 9 6 年晚稻试验期间，整个生育期( 约3 个月) 降水量仅有2 4 4 1 m ，而蒸发 量达到3 4 1 3 m m ，天然的水分消耗与获得严重不平衡。 ( m m ) 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 10 0 0 月份 图2 3 试验区气候变化特征图 1 3 、， 5 0 5 0 5 0 ( 3 3 2 2 1 1 5 0 桂林理工大学硕士学位论文 皇曼曼量皇曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼量曼皇量曼量量量曼曼曼曼曼鼍曼量曼量曼量曼量量量皇曼曼曼量量量曼量皇曼曼曼曼曼曼舅皇曼曼曼曼皇量曼曼皇量量曼量量量量量曼皇曼 试区土壤成土母质为石灰岩坡积物，土壤质地为粘壤土，孔隙率为4 3 , 4 4 ， 土壤呈弱酸性，有机质含量为1 0 7 ， 磷与速效钾含量分别为5 9 - - 8 8 m g k g 、 深为2 一4 m 。 全氮含量为0 1 4 - 0 1 5 ，速效氮、速效 1 4 - - - , 1 8 m g k g 与6 0 - - - - 7 0 m g k g 。地下水埋 邻近地区的主要作物为双季水稻，早稻大田生育期是5 月初至7 月末，晚稻 大田生育期是8 月初至1 0 月下旬。其他作物主要有甘蔗、黄豆、马蹄、花生、 蔬菜，果林主要有柑桔、沙田柚、月柿、葡萄等。 试验区地表以下4 m 左右可见岩层，岩石多为破碎的风化灰质页岩，并央有 石灰岩，透水性较强。 2 2 人工湿地系统 本文试验选取了三块湿地( 分别编号为1 、2 、3 号湿地) ，主要研究对象为 1 号湿地，2 号、3 号湿地作为参考，并在湿地上游选取了渠道和部分农田建立 了渠道一农田一人工湿地系统。该湿地属于表面流人工湿地，其特点是与自然湿地 最接近，污水缓慢从湿地表面流过h 引，优点是投资少、操作简单、运行费用低， 但占地大，水力负荷小，有机物的去除主要由植物生长在水下茎、杆上的生物膜 来完成，净化能力有限，湿地中的0 ：来源于水面扩散与植物根系传输，系统运 行受气候影响大，夏季易孳生蚊虫等。 2 2 11 号湿地试验区的建立 l 、工程背景 试验站的西侧是蒋家村属的水田片，共计6 7 块，水田总面积3 2 4 h a 。来自 清狮潭水库西干渠的两条灌排两用沟，将水