（环境工程专业论文）三峡库区湖北段农业非点源氮磷污染负荷研究.pdf

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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：氩日期：兰c l 笸： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 摘要 近年来，随着三峡库区湖北段农业投入的不断增加，农业活动和农村生活造 成的非点源污染在环境污染中的影响越来越明显。三峡库区湖北段的农业排水最 终会进入长江，因此该地区农业非点源污染负荷量会影响长江水质的优劣。开展 污染负荷的研究，对于明确污染指标以及进行污染评价等都具有重要的意义。 本研究在总结了国内外农业非点源污染研究进展的基础上，选择资料易得， 计算简明的j o h n e s 输出系数法开展主要污染物负荷研究。同时结合库区湖北段 的实际情况，指出了降雨对库区湖北段农业非点源污染的作用，增加了降雨影响 因子，对模型进行了改进，使得更加符合库区湖北段的实际情况。在此基础上， 本研究应用输出系数法对库区湖北段农业氮磷污染负荷进行估算。通过分析，揭 示了2 0 0 1 年以来库区湖北段农业非点源污染负荷的时空分布规律；同时，应用 等标污染负荷和等标污染负荷比对2 0 0 9 年库区湖北段的农业非点源污染情况进 行了评价。本文主要结论有： 1 三峡库区湖北段以生活污染、畜禽养殖和农田种植为主要污染来源。生活 污染中人粪尿的t n 、t p 输出系数为0 9 6 1 k g ( c a a ) 和0 0 2 2k g ( c a a ) ，生活污 水为1 3 2 5k g ( c a a ) 和0 1 6k g ( c a a ) ；畜禽粪便排泄物中大牲畜的t n 、t p 输 出系数分别为1 0 5 8 4 k g ( c a a ) 、0 3 1 k g ( e a a ) ，猪为0 5 6 8 k g ( c a a ) 、0 1 4 2 k g ( c a a ) ，家禽为0 0 3 k g ( e a a ) 、0 0 0 5 k g ( c a a ) ；农田种植的t n 、t p 输出系数分别 为1 5k g ( h m ：a ) 和1 1 5k g ( h m 2 a ) 。 2 应用改进模型对t n 河t p 污染负荷进行估算，结果表明，改进方法的相 对误差比传统方法分别减少了0 9 5 和1 0 2 1 。传统j o h n e s 模型主要反映的是 库区湖北段在多年平均条件下的污染负荷年生成量，年际变化仅收到土地利用情 况的影响；而考虑降雨因子影响的改进模型可以反映具体年份的污染负荷量，不 仅延续了传统j o h n e s 模型反映土地利用类型的优势，还直接反映了降雨量变化 对库区湖北段t n 、t p 污染负荷的影响。 3 从不同污染来源分析，2 0 0 1 年以来，库区湖北段在农村生活、畜禽养殖和 农田种植三大污染来源中，t n 负荷总量以生活污染负荷最大，t p 负荷总量以畜 禽养殖流失负荷最大，2 0 0 9 年农村生活、畜禽养殖和农田种植三大污染来源的 总污染负荷比分别为2 8 8 4 、3 0 6 4 和4 0 5 2 。 关键词：三峡库区湖北段，农业非点源氮磷污染，输出系数法，等标污染评价 a b s t r a c t i nr e s e n ty e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s eo fm o d e ma g r i c u l t u r a li n p u t s ，t h ei n f l u e n c eo f n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h ee n v i r o n m e n tc a u s e db ya g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n d r u r a ll i f ei s i n c r e a s i n g m o r es e r i o u sa g r i c u l t u r a lp o l l u t i o ni sc r e a t e db yam o r e i n t e n s i v ea g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n de x t e n s i v ef a r m i n gf o r m a ti nt h et h r e eg o r g e s r e s e r v o i ra th u b e ir e g i o n a g r i c u l t u r a ld r a i n a g ew a t e ri nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r a th u b e ir e g i o ng o e sd i r e c t l yi n t ot h ec h a n g j i a n gr i v e r a n dt h ew a t e rq u a l i t yi s a f f e c t e db ya g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c 君p o l l u t i o n ( m q p s ) i nt h i sa r e a i ti so fv e r y i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oc a l c u l a t ep o l l u t i o nl o a df o rt h eq u a n t i t a t i v ei n d i c a t o r so f p o l l u t i o na n de s t i m a t i n gt h ep o l l u t i o n b a s e do nt h ec o n c l u s i o no fd o m e s t i ca n da b r o a da 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 nr e s e a r c hi m p r o v e m e n t ，j o h n e se x p o r tc o e f f i c i e n tm o d e lw i t ht h ef e a t u r eo f l e s s a n d a v a i l a b l ed a t aa n ds i m p l ec a l c u l a t i o nw a ss e l e c t e d i nt h i sp a p e r , w ep o i n t e d o u tt h ei m p o r t a n c eo fr a i n f a l li nt h i sa r e a sa n da d d e dt h er a i n f a l lf a c t o ri n t ot h em o d e l i no r d e rt om a k ei tm o r er e a s o n a b l ea n ds u i t a b l ef o rt h i sa r e a s t h e n , t h ep o l l u t i o n l o a d so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra th u b e ir e g i o nw e r e e s t i m a t e du s i n gt h em o d e l a tt h es a i l et i m e ，t h es i t u a t i o no fa n p si nt h et h r e e g o r g e sr e s e r v o i ra th u b e ii n2 0 0 9w a se v a l u a t e du s i n ge q l i a ls t a n d a r dp o l l u t i o n l o a da n dp o l l u t i o nl o a dr a t i o t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e rw e r ea sf o l l o w s ： 1jt h ec u l t i v a t e df i e l d ，l i v e s t o c kb r e e d i n ga n dl i v i n gp o l l u t i o nw e r et h em a i n s o u r c e so ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra th u b e i t h et na n dt pe x p o r tc o e f f i c i e n t so f h u m a nw a s t ew e r e0 9 6 1k e g ( c a a ) a n d0 0 2 2k e g ( c a a ) ，w a s t ew a t e rw e r e1 3 2 5 k e g ( c a 哟a n do 16k e g ( c a 哪；t h et na n dt pe x p o r tc o e f f i c i e n t so fl i v e a o c ke x c r e t i o n w e r e10 5 8 4k e g ( c a a ) a n d0 31k e g ( c a a ) ，p i g sw e r e0 5 6 8k e g ( c a 。a ) a n d0 14 2 k e g ( c a a ) ，p o u l t r yw e r e0 0 3k e g ( c a a ) a n d0 0 0 5k g ( c a a ) ；t h et na n dt pe x p o r t c o e f f i c i e n t so fc u l t i v a t e df i e l d sw e r e15k e g ( 1 = 1 r n 2 a ) a n d1 15k e g ( h m 2 a ) 2 a c c o r d i n gt ot h er e a ls i t u a t i o no fr a i n f a l ld i s t r i c t , r a i n f a l lf a c t o rw a sa d d e di n t o t h em o d e l ，m a k i n gt h a tt h er e s u l t so fe x p o r tc o e f f i c i e n tw e r ec l o s e rt ot h ec a l c u l a t e d r e s u l t so ft h ea c t u a la n p ss i t u a t i o ni nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra th u b e ir e g i o n t h a tw a st os a yi tw a sr e a s o n a b l et om o d i f yt h em o d e l u s i n gt h em o d i f i e dm o d e l ，t h e p o l l u t i o nl o a de s t i m a t e dr e s u l t so ft na n d1 1 ps h o w e dt h a t ：t h er e l a t i v ee r r o ro ft h e m o d i f i e dm e t h o dr e s p e c t i v e l yd e c r e a s e d0 9 5 a n d1 0 2 1 t h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d t h et r a d i t i o n a lm e t h o ds h o w e dt h ep o l l u t i o nl o a d su n d e ra n n u a la v e r a g ee o n d i t i o n ss o t h a ta n n u a lv a r i a t i o nw a so n l yi n f l u e n c e db yl a n du s e 刀昭i m p r o v e dm o d e lr e f l e c t e d n o to n l yt h ec h a n g e so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a n d u s et y p e si nt r a d i t i o n a lm o d e l ，b u t a l s ot h ei m p a c to fr a i n f a l la m o u n tc h a n g e so nt h et na n dt pl o a df r o mt h ep o i n to f v i e wo fr a i n f a l l 3f r o mt h ed i f f e r e n tp o l l u t i o ns o u r c e s ，s i n c e2 0 0 1 s ，i nt h et h r e em a j o rs o u r c e so f p o l l u t i o n , t h a tw a sc u l t i v a t i o nf i e l d ，l i v e s t o c ka n dp o u l t r yf a r m i n ga n dr u r a ll i f e ，t n l o a do fr u r a ll i f ew a st h el a r g e s t , t pl o a do fl i v e s t o c ka n dp o u l t r yw a st h el a r g e s t , t h e p o l l u t i o nl o a dr a t i oo f r u r a ll i f e ，l i v e s t o c kf a r m i n ga n dc u l t i v a t i o nf i l e dw e r e2 8 8 4 、 3 0 6 4 a n d4 0 5 2 。 k e yw o r d s ：t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra th u b e ir e g i o n ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s l o s si na n p s ，e m i s s i o nc o e f f i c i e n tm e t h o d , e q u a ls t a n d a r dp o l l u t i o n e v a l u a t i o n i i i 目录 第一章前言1 1 1 非点源污染概述。1 1 1 1 非点源污染概念及特征1 1 1 2 农业非点源污染问题2 1 2 国内外非点源污染研究进展3 1 2 1 国外农业非点源污染模型的研究3 1 2 2 国内非点源污染研究进展5 1 2 3 农业非点源污染存在的问题。6 1 3 选题依据7 1 4 研究目的与内容。7 1 4 1 目的与意义7 1 4 2 研究内容8 第二章库区湖北段概况9 2 1 自然环境概况9 2 1 1 地理位置及范围9 2 1 2 土壤与植被9 2 1 3 气候特征1 0 2 1 4 水文水系1 1 2 1 5 地形地貌一13 2 1 6 主要的生态与环境问题一1 3 2 2 研究区域社会经济概况1 4 2 3 三峡库区湖北段农业非点源氮磷流失污染来源分析1 6 2 3 1 农田化肥污染1 6 2 3 2 农村畜禽养殖污染1 7 2 3 3 农村生活污染18 第三章农业非点源负荷估算方法2 0 3 1 农业非点源污染负荷模型研究2 0 3 1 1 模型的分类及结构2 0 3 1 2 常用模型介绍2 2 3 2 输出系数模型介绍2 3 3 2 1 初期输出系数模型概况。2 4 3 2 2j o h n e s 输出系数模型2 4 3 2 3 考虑降雨影响的输出系数模型2 5 3 3 输出系数的研究2 6 3 3 1 输出系数准确度的影响因素一2 6 3 3 2 输出系数的选择2 7 第四章农业非点源氮磷流失污染负荷估算2 8 4 1 基础数据采集2 8 4 2 三峡库区湖北段农业非点源氮磷流失负荷估算2 8 4 2 1 确定输出系数2 8 4 2 2j o h n e s 输出系数模型3 3 4 2 3 考虑降雨因子影响的j o h n e s 输出模型3 6 4 2 4 考虑降雨因子影响的j o h n e s 模型验证3 7 第五章三峡库区湖北段农业氮磷流失特征与评价3 9 5 1 库区湖北段农业氮磷流失污染特征分析3 9 5 1 1 农业氮磷污染负荷总量变化特征分析3 9 5 1 2 库区农业氮磷负荷总量分污染源特征分析4 0 5 1 3 各区县农业非点源污染负荷分布特征。4 2 5 2 三峡库区湖北段氮磷流失污染现状评价4 3 5 - 2 1 评价方法。4 3 5 2 2 库区湖北段污染物评价4 5 5 2 3 库区湖北段污染源综合评价4 5 第六章结论和建议4 7 6 1 结论4 7 6 2 建议4 7 参考文献4 9 j l ! i ：谢! ；：! 攻读硕士学位期间发表论文5 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 非点源污染概述 1 1 1 概念及特征 第一章前言 一 水环境污染一般可以分成两种：点源污染和非点源污染。点源污染是前期水 体遭受污染的主要方式，它主要包括三个方面，一是城市生活所产生的污水，二 是污水处理厂的出水，三是工业废水，通常情况下，它们直接由定点的排污口排 往河流、海洋和湖泊。由于点源污染来源容易识别，因此相对而言比较容易进行 控制。非点源污染是完全不同于点源污染的污染形式，在较大范围内，由于降雨 的冲刷和淋溶，四处分散且微量的各种污染物进入地面水体和地下水体，最终量 变引起质变，导致水环境污染。 非点源污染的发生机制非常复杂，根据研究，它的主要特征如下【l 】： 1 ) 非点源污染的发生时机具有潜伏性和滞后性的特点。也就是说，产生污染 物和造成污染这两点并不是连续的，同步的。例如，农田种植中施加的未被作物 利用的肥料或其他的污染物累积在土地中，未降雨的话是不会移动到水体中去 的，此时污染物已经产生，但是并没有造成非点源污染，这就是潜伏期。一旦形 成有效降雨，土地中的污染物就会随着降雨径流和冲刷，进入地表水和地下水。 越长时间没有降雨，土地里积累的污染物就可能越多，一次暴雨时所产生的污染 负荷就越大。因此，长时间不下雨之后，再次降雨的话，就会产生非常高的非点 源污染负荷。 2 ) 非点源污染的发生机制十分复杂。其复杂程度远远超过了点源污染。目前， 国内外的学者综合土壤学、气象学、水力学、水文学、土壤化学等多个学科领域， 对非点源污染的发生与传输机制进行了研究。然而现在的研究还没有达到十分完 善的程度，非点源污染发生机制的复杂性使得建立非点源污染模型、监测和控制 非点源污染受到了很大的制约。 3 1 发生非点源污染具有随机性。由于各地的地形地貌分布不同，植被的类型 各不一样，降雨也具有很大的随机性，而这些都是影响非点源污染发生的重要因 素，因此决定了非点源污染的发生也是随机发生。 4 ) 非点源污染是间歇性发生的。因此想要监测非点源污染的产生源是十分困 难的，甚至都难以确定或追踪非点源污染产生源。这大大提高了监测、处理和控 制污染物的难度，没法从源头消灭污染源。 非点源污染会由于人类的生产生活活动影响被强化。虽然造成非点源污染最 ：。 1 武汉理工大学硕士学位论文 主要的自然原因是降雨过程，但是非点源污染的根本原因是人类的各种活动。首 先，农民在进行农田开垦种植等农业活动时，会施用大量的化肥和农药。施加在 农田中的化学物质只有小部分能够被农作物吸收，余下的将成为环境的重大潜在 威胁，残留在土壤中。在生产活动中，人类频繁地砍伐森林，大量开垦土地，将 它们开发为工业区、牧场、农田和城市。大量改造土地的活动使土壤的质地、成 分发生改变，也改变了地表的植被覆盖和土地的渗透和蒸发特征，影响径流汇集 的地形特征也会发生改变，最终，流域的水文和侵蚀过程就被彻底的改变，水土 流失加剧，使水环境受到巨大的威胁。 1 1 2 农业非点源污染 一般来说农业非点源污染主要包括这几个方面：农村生活造成的污染， 畜禽养殖产生的排泄物，农田种植施加的化肥、农药，水土流失，水产养殖，大 气干湿沉降等。每一种类型的污染都有着各自的特点，这也使得对农业非点源污 染进行研究和处理出现了多样化。 我国农村人口众多，进行了十分普遍以及广泛的农业活动，因此农业活动是 造成水体非点源污染的主要原因。美国的研究人员对本国非点源污染进行研究发 现非点源污染已经超过了污染总量的2 3 ，而其中农业非点源污染占5 7 7 5 2 1 。 在我国，非点源污染的比重已经超过了点源污染，成为了水环境污染的主要 方面。其中农业非点源污染情况也很严重。在农业生产活动中，化肥的施用率越 来越高，有些人的理解有误差，以为施肥越多，产量越大，而农田化肥利用率较 低，未被利用的营养物质极其容易随降雨径流进入河流或向下渗透进入地下水， 使饮用水水质受到影响，也使得水体富营养化的可能性增加。根据调查，在农业 水平比较发达和农业人口众多的地方，很多水体的硝态氮都超标了，这就与大量 的氮肥、复合肥的施用和养殖场厩肥使用有关。 张维理对北京地区的地下水硝酸盐含量进行监测，结果显示，6 9 个取样点 中饮用水硝态氮含量有5 0 以上超过国际认可的l o m g l 标准【3 】，马立珊对江苏 吴县7 6 个农村饮用水进行调查，调查结果表明硝态氮的超标率为3 8 2 ，亚硝 态氮的超标率为5 7 n ；。在2 0 世纪8 0 年代末的5 年内，我国研究人员对2 0 个 湖泊或水库进行了调查，结果显示处于富营养化状态的湖泊和水库有1 3 个；有 4 个正在由中营养化状态转向富营养化状态；基本不处于营养化的湖泊仅有3 个。 还有学者进行的研究显示，我国东部各省的很多湖泊，造成富营养化的污染中， 农业非点源污染已经占1 2 以上【5 】。张夫道等对京津地区进行研究发现，流入渤 海的氨态氮有8 7 2 0 t ，其中农田施肥引起的氮流失为8 0 0 0 t ，使得渤海湾的海水受 到了极其严重的污染【6 】。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外非点源污染研究进展 非点源污染的研究，是英国、美国等发达国家的学者从2 0 世纪6 0 年代开始 的，随着非点源污染的日益加重，造成的影响越来越严重，更多的国家开始了对 非点源污染的研究，并且愈加重视。近年来非点源污染的研究取得不少进展。 降雨是影响农业非点源污染的重要因素，由降雨造成的下渗也是一个非常重 要的因素，在国外对降雨过程中的产生的水分下渗进行的研究很早就开始了。例 如h o r t 入渗 7 1 方程和p h i l l i p 入渗方程，尽管它们都是比较简单的水文模型，但 至今仍然有很多能够用到的地方。 2 0 世纪5 0 年代以后，一种新的水文技术逐步发展起来，既流域水文模型。 它的诞生得助于计算机技术的快速发展和理论系统的完善。它将降雨作为输出 项，将流域出流作为输入项，流域水文模型最显著的特点就是将流域降雨径流形 成过程作为一整个系统进行研究。经过不断地研究，国外学者已经开发出越来越 多的流域水文模型，s t a n f o r d 模型【8 】是其中运用十分广泛的一个，通过该模型模 型，坡面漫流、降雨、植物截流、蒸散发、融雪和入渗等的自然过程都能成功进 行模拟。 结合我国非点源污染的的实际情况，国外的流域水文模型也被运用到研究 中，郑丙辉在我国某湖泊生态效应的研究中【9 】，利用s a c a r a m e n t o 模型建立了流 域非点源污染负荷模型，模型运行效果比较好。 1 2 1 国外农业非点源污染模型的研究 2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初是农业非点源污染负荷研究的第一阶段，人 们逐渐认识到土地利用会对水环境产生影响。由于当时的研究水平不高，仅从非 点源污染的特征、长期负荷输出、单场暴雨和影响因素等方面进行研究。并且只 进行最简单的经验统计分析，粗略计算长期平均负荷，建立比较简单的经验统计 回归模型，以此为基础建立土地利用状况与农业非点源污染负荷之间的的统计关 系。这种统计模型的优点是模型比较简便，对数据的需求并不高，用于计算流域 出口的污染负荷非常实用，这类模型凭借其较强的准确性和实用性，在初期被广 泛地用于非点源研究。例如7 0 年代中期就有研究人员开展了非点源污染与北美 五大湖水质污染关系的研究，研究了水土流失、降雨、肥料与农药、土地利用情 况等因素对污染负荷的影响。 农业非点源污染发生的主要形式是水土流失，在很早以前就已经对水土流失 3 武汉理工大学硕士学位论文 进行了大量的、深入的研究。虽然当时并没有从农业非点源污染这个角度进行水 土流失的研究，但定量计算方法已经成熟，为以后的研究打下了基础。 农药输移和径流模型p t r 、城市暴雨水管理模型s w m m 【1 0 】以及通用土壤侵 蚀量方程u s l e 等都是在这个阶段提出来的。后来在农业非点源污染模型中，通 用土壤侵蚀量方程u s l e 被广泛地应用。 2 0 世纪7 0 年代中期是非点源污染研究的第二阶段，在这一阶段，由于研究 人员对非点源污染的迁移转化机制有了初步的认识，研究的重点就转向了主控因 子和污染区域的空间分析，而不仅仅只对宏观特征性和影响因素进行相关因素分 析。人们开始研究以复杂的机制为基础研究非点源污染模型，在这个背景下，一 系列的连续响应模型和机制模型出现了，如统一运输模型u t m 以及农业化学品 运输模型a c t m o e h 等。随着研究的深入，人们认识到农业非点源污染是多个子 过程的综合过程，机理是比较复杂的。与此同时土壤学和水文学等的积极发展也 大大丰富农业非点源污染模型理论。有关非点源污染迁移和转化的研究也有了初 步的进展。 非点源污染研究在第一阶段和第二阶段，取得了2 个重要进展：第一个方面 是模型更加先进，由经验统计分析提高到复杂的机制模型；第二个方面是从单一 的时间段的分析上升为连续的时间序列响应分析。但是这些模型有个很大的限 制，它们对各种资料数据的要求很高，而往往研究区域的很多资料是残缺不全的， 因此这些模型很多只适用于很小的流域面积研究，因而它们的应用和推广受到了 限制。 2 0 世纪7 0 后期至8 0 年代是非点源污染研究的第三阶段，此时，传统的土 壤流失方程u s l e 也经过改进形成r u s l e 。研究人员对非点源污染的过程进行 了大量的监测，也很深入地研究了非点源污染的物理化学过程，逐渐开发出更加 实用的非点源污染模型，其特点是更加注重效益分析，并且也更加注重对非点源 污染控制措施的研究。有学者或研究机构开发出的非点源污染管理模型，能够进 行内容优化和经济评价。例如，化学污染物径流负荷和流失模型c r e a m s 是由 美国农业部开发的，人们普遍认为它可以被当做里程碑式的非点源模型，因为此 模型在对非点源污染的研究中系统地综合了水文、侵蚀和污染物迁移过程，并应 用于定量计算非点源污染负荷、评价非点源的管理控制措施效果、制定政策等。 研究人员在之后又陆续开发了一些结构类似的模型，例如，这一时期提出了用于 模拟大型流域非点源污染负荷的s w r r b 【1 2 】，农田尺度的水侵蚀预测模型w e p p ， 用于农业非点源政策制定和管理的农业非点源污染源模型a g n p s 等。这些模型 使得非点源污染机制性的模型有了极大地积累，并在多种不同情况下得到应用。 此外，在8 0 年代后期，随着“3 s ”遥感技术的普及，很多非点源污染模型也加 4 武汉理工大学硕士学位论文 强了“3 s 技术的应用，使得模型能与各种管理措施相结合，用于非点源的预测 预报及不同管理措施改变对于农业非点源污染的影响研究。“3 s 技术与非点源 模型的结合，不仅使获得模型所需的参数更加方便，也使得模型的的模拟结果的 可视化输出有了长足的进步。 2 0 世纪9 0 年代至今是非点源污染研究的第四阶段，此时，研究的目标主要 是调整和完善现有的模型，同时把各种人工智能工具或专家系统与非点源污染模 型相结合，为非点源污染研究开发信息平台，并为防治非点源污染提供有力工具。 例如r o d e l l 3 等研究出比较合理的水文学模型w a s i e t h ，取代了a g n p s 中的 s c s c n ；g r u n w a l d 1 4 1 对a g n p s 5 0 进行进一步的修改等；研究人员还开发出功 能强大的超大型流域模型，这些模型内容丰富，已经不再局限于数学运算程序， 而是集数学计算、空间信息处理、数据库技术和可视化表达功能于一身的大型专 业软件。其中已经比较成熟并被广泛应用的有s w a t 、b a s 矾s 【1 5 】和a g n p s 2 0 1 1 血筮 1 寸o 1 2 2 国内非点源污染研究进展 2 0 世纪8 0 年代初，我国才开始进行农业非点源污染研究，起步晚于国外的 研究。我国农业非点源污染研究在9 0 年代初还停留在污染负荷定量计算模型与 农业非点源的宏观特征的初步研究阶段。在这一时期，经验统计模型发展很快。 朱萱等 1 6 】对天津某个水库非点源污染负荷采用统计回归模型荷进行了线性拟合， 基于收纳水体水质分析，对汇水区农业非点源污染输出量进行计算；陈西平等【1 7 】 在涪陵地区选择具有代表性的小区进行研究，成功地建立了关于农田污染物降雨 冲刷的预测方程。经验统计模型只能以观测数据作为模型输入，因此即使建立暴 雨径流量与污染负荷的定量关系，该模型的应用性还是受到极大的限制。夏青等 【1 8 】将径流污染负荷统计关系与降雨径流概念模型相结合，建立非点源污染负荷 模型，它能够采用降雨量的数据模拟非点源负荷。他们的研究成果弥补了只能输 入观测数据这一缺点。 通用土壤流失方程在2 0 世纪8 0 年代中期第一次在我国用于非点源污染的危 险识别区研究，刘枫等【1 9 】将应用u s l e 通用土壤流失方程定量识别非点源污染 时空规律的方法运用于天津于桥水库流域非点源污染研究中；焦荔【2 0 】结合污染物 监测数据，利用通用土壤流失方程u l s e 模型、污染物流失方程和s c s 水文模 型，对西湖营养元素的流失负荷进行了估算。 化肥、农药的宏观特征影响因素的研究在9 0 年代中后期以来还是主流，经 验统计模型的研究在我国农业非点源污染研究中仍占重要地位。贺宝根等【2 l 】建立 了农田降雨径流污染模型，它是以径流单位线和径流过程与氮素流失浓度的关系 5 武汉理工大学硕士学位论文 为基础的，通过修正s c s c n 法，在具备长时间降雨资料的情况下，该模型能对 不同年份不同降雨情况下的农田氮素流失量进行计算。 还有的学者将“3 s 遥感技术和农业非点源污染负荷模型相结合圆，与水 质模型进行对接，用来预测和控制流域水质【2 3 】。 李怀恩等 2 4 , 2 5 建立的响应函数模型是运用逆高斯分布瞬时单位线建立的暴 雨径流污染负荷模型，它适用于我国目前资料短缺的非点源污染研究现状，但不 能解释空间分布。王飞儿等【2 6 】采用a i m a g n p s 模型对千岛湖流域农业非点源污 染物时空分布及输出总量进行了预测分析，验证了该模型在该流域的适用性。 相比国外的非点源研究，我国的非点源污染一般还是建立的比较简单的经验 模型，研究还处于对污染负荷定量计算模型与农业非点源的宏观特征的初步阶 段，尽管有些学者也对一些基于非点源污染发生机制的概念模型进行了研究，但 总体上来说模型的发展还是比国外要落后一些，因此要多借鉴国外先进的模型。 1 2 3 农业非点源污染存在的问题 由上文可知，农业非点源污染研究存在的问题如下 1 ) 现有的模型从实际应用角度来看，涉及的参数太多，并且想要确定参数比 较困难，模型太复杂，实际的操作应用效果也不太理想。当引用国外模型的时候， 由于各国的国情不同，地理差异太大，如果直接采用国外模型中的参数，就会造 成模拟结果误差太大。很多模型都运用的是经验参数，这些参数很多都带有明显 的区域性，这就使得在应用模型进行计算时，模拟精度由于地形条件，气象的差 异大大降低。 2 1 氮的大气干湿沉降在非点源污染负荷中占有一定的比例，但是现有的研 究由于条件的限制，没有考虑这一因素对水环境的影响。 3 ) 研究的模型大多是污染负荷模型，没有考虑壤中流对地表水质的影响。国 内外研究表明，壤中流在地下水水位较高的地方或沙土地区对地表水流的影响十 分显著。 4 ) 农业非点源污染过程远比想象复杂，必须对区域进行大量并且多层次多角 度的观测，才能识别这样复杂的系统，但是，由于目前投入的研究经费太少，污 染物监测工作十分薄弱，流域缺乏完善的基础资料，这就使得只能在十分有限的 范围内对非点源污染过程进行观测，使识别非点源系统的不确定性提高，因而造 成模型模拟的数据与实际值之间形成巨大误差。 5 ) 现阶段，农业非点源污染的研究，几乎全部是针对水库、湖泊、径流等地 表水的污染研究，而对地下水污染的研究很少，特别是对农田生态系统中没有对 硝酸盐淋失动态及其对区域地下水的影响进行研究。 6 武汉理工大学硕士学位论文 6 ) 虽然土壤学已经在一些小区或微观尺度内获得了关于侵蚀和污染物迁移 的研究成果，但是由于流域在土壤特征和地形上存在空间复杂性，这些研究成果 没有有效地运用到到流域中。 7 ) 在农业非点源污染控制的研究中，对湿地、植被过滤带等降解氮磷的机制 研究不多。控制管理措施的提出，存在经济分析及定量分析不足等问题。 1 3 选题依据 农业非点源污染主要包括化肥污染、农村生活污染和畜禽养殖污染。它是由 于在农业生产活动中，各种营养物质、农药以及其他的污染物质受到降雨，下渗 等因素的影响进入地表水体和地下水体，造成水体富营养化或者其他的水环境问 题的一种污染 三峡库区由于蓄水等原因，库区湖北段的生态环境变得十分的脆弱，库区的 农业活动十分的频繁，极有可能造成很严重的非点源污染。为了避免发生大规模 的生态破坏事件和环境污染事件，保持库区湖北段生态环境的稳定，因此应该集 中力量在长江三峡库区湖北段开展非点源污染的综合防治示范，有效的控制生态 环境恶化。 三峡库区湖北段非点源污染日益加重，不知不觉中已经成为了威胁库区湖北 段水体生态环境的主要因素。在三峡库区，农业是当地国民经济的主体活动之一。 由农业造成的非点源污染占所有非点源污染的8 0 以上，因此，防治农业面源 污染已成为目前环境保护工作的重点。对三峡库区湖北段非点源源污染进行治 理，削减其入库负荷，是三峡水库水资源保护的一项重要工作。采取有效的治理 措施，对三峡库区湖北段流域非点源污染负荷进行计算，对非点源污染的来源、 构成、时空变化规律以及对水环境的影响等进行研究是十分关键的事情。 1 4 研究目的与内容 1 4 1 目的与意义 针对在山下库区湖北段的农业非点源污染情况，在夷陵区某地建立试验小 区，采取调查分析和实验研究相结合的研究方法，对农业非点源污染进行全面深 入的研究，掌握运用输出系数法计算非点源氮磷污染负荷，搞清楚降雨对非点源 污染负荷的影响，并对非点源污染进行评价，为进一步全面开展的三峡库区湖北 段非点源污染控制研究打下基础。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 研究内容 以三峡库区湖北段为例，研究探讨了农业非点源氮磷流失污染负荷估算方 法。内容如下： ( 1 ) 选择典型的农业区域作为研究试验田，种植当地典型的农作物，进行农业非 点源的实验和确定输出系数的研究。 ( 2 ) 通过实地调查、查阅当地的各种文献，包括农业统计年鉴，各种评估报告等， 搜集流域内的基础信息资料。 ( 3 ) 选择合适的农业非点源污染负荷计算模型，对库区湖北段非点源氮磷污染负 荷进行计算，并对模型进行改进，考虑降雨因素影响的输出系数模型，根据研究 区域的降雨资料，进行降雨因子计算。 ( 4 ) 对三峡库区湖北段的农业非点源氮磷污染负荷总量进行分析，对污染负荷的 时空变化进行分析，并对库区湖北段非点源氮磷污染负荷进行评价。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章库区湖北段概况 2 1 自然环境概况 2 1 1 地理位置及范围 三峡库区湖北段地跨东经1 1 0 0 0 4 1 1 l 。3 9 ，北纬3 1 0 0 4 3 1 0 3 4 之间，地处长 江中游，包括恩施州巴东县、宜昌夷陵区、秭归县和兴山县。库区东连远安、当 阳，西接重庆巫山县，北邻神农架林区和保康县，南与鹤峰、长阳土家族自治县 和宜昌市接壤，4 个县区，位于川鄂边境大巴山南麓及鄂西山地长江干支流两岸， 地势崎岖，河流深切，山高谷深，7 0 以上为山地，不利于农垦。国土总面积为 1 1 5 3 1 6 2 k i n 2 ，库区内盘踞着武陵山脉、巫山山脉、和大巴山脉，长江横贯境内， 扼渝鄂咽喉，据鄂西门户。耕地面积为1 4 1 0 7 8 k i n 2 ，库区人口密度为1 3 6 8 0 人 k m 2 ，人均耕地面积为8 9 3 m 2 ，不足全国人均耕地的平均水平。 卜一嚣艘 璎聊 ，j “啪* 隧鼻 警攫玉幸弋 触釜出 ( a ) 中国 c h i n a ，r 、县镪人民政府驻地矿 区、要再 慎级人民政府驻地 _ ，河流 ( c ) 三峡库区湖北段 ) t h et h r e eg o 唱c sr c s e r v o i f a r e ai nh n b e ir 号g i 图2 1 三峡库区湖北段位置图 f i g 2 1 l o c a t i o nm a po ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e ai nh u b e ir e g i o n 2 1 2 土壤与植被 9 武汉理工大学硕士学位论文 三峡库区湖北段由于成土母质复杂，加上山地气候的垂直变化，发育的土壤 种类繁多