（环境科学专业论文）三峡重庆库区面源污染分析及数字模拟研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 定性；另外，很难准确地确定溶解态的负荷。n l m 模型具有实用范围较广，面源 污染机理完善，能反映负荷的动态变化；但是n l m 模型中存在一些未考虑到的污 染源，如农药径流、农村固体废弃物等。 关键词：三峡库区，面源污染，等标污染负荷，聚类分析，r u s l e ，n l m 英文摘要 n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ( n p s ) o c c u r r e dg e n e r a l l yo v e ra ni n t e r m i t t e n tp e r i o d o ft i m ef r o md i v e r s es p o r a d i c a l l ys o u r c e s ，a n di so f t e nc o r r e l a t e dw i t hc l i m a t i ce v e n t s p o l l u t a n ts o u r c eo ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i rr e # o nm a i n l yi sp o i n ts o u r c ep o l l u t i o n a n dn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，w h o s et h el a t t e ro c c u p i e d7 7 8 5 o ft h et o t a ll o a d i n g s o nt h eb a s i so fd a t ai n2 0 0 0 ，t h i sp a p e re v a l u a t e da n da n a l y s e dt h en o n - p o i n tp o l l u t i o n s o n l o gw i t ht h em e t h o do fe q u i v a l e n tp o l l u t i o nl o a d i n g sa n dc l u s t e r a n a l y s i s i n c h o n g q i n gt h r e eg o r g e sr e s e r v o i rr e # o n t h et o t a lp o l l u t i o nl o a d i n g so fn o n - p o i n t s o u r c ei nc h o n g q i n gt h r e eg o r g e sr e s e r v o i rr e # o nw e r es i m u l a t e da n de s t i m a t e db y u s i n gr e v i s e du n i v e r s a ls o i l l o s se q u a t i o n - - - r u s l ea n dt h en u t r i e n tl o a d i n g m o d e l - - - n l m ，w h o s er e s u l t sw e r ea n a l y s e dr e s p e c t i v e l y a l lw i l lb es t a t e dn e x t o nt h eb a s i so fd a t ai n2 0 0 0a n dt h em e t h o do fe q u i v a l e n tp o l l u t i o nl o a d s ，t h i s p a p e re v a l u a t e dt h en o n p o i n tp o l l u t i o ns o u r c e ，i n c l u d i n gr u r a ld o m e s t i cw a s t e ，s o l i d w a s t e ，f e r t i l i z e rr u n o f f , p e s t i c i d er u n o f f , p o u l t r ya n dl i v e s t o c kf a r m ，s o i le r o s i o n ，s u r f a c e f l o w o fc i t ya n ds oo ni n c h o n g q i n gt h r e eg o r g e sr e s e r v o i rr e # o n t h e4 0 a d m i n i s t r a t i v ed i s t r i c t so fn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nc h o n g q i n gt h r e eg o r g e s r e s e r v o i rr e # o nw e r ed i v i d e di n t o8a r e a sw i t ht h em e t h o do fc l u s t e ra n a l y s i sa n d e q u i v a l e n tp o l l u t i o nl o a d s 1 n h em a i nn u t r i e n t so fn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nw e r et o t a l p h o s p h o r u s ，t o t a ln i t r o g e n ，a m m o n i an i t r o g e n , c h e m i c a lo x y g e nc o n s u m p t i o ne t c , i n w h i c hl o a d i n g so ft o t a lp h o s p h o r u sa n dt o t a ln i t r o g e nh a d9 6 4 t 1 i em a i np o l l u t i o n s o u r c e sw e r ef e r t i l i z e rr u no f f , s o i le r o s i o n ，p o u l t r y , l i v e s t o c kf a r m ，r u r a ld o m e s t i cw a s t e ， p e s t i c i d er u n o f f , s o l i dw a s t ea n ds u r f a c ef l o wo fc i t ye t c , i nw h i c hl o a d i n g sf r o m f e r t i l i z e rr u no f f , s o i le r o s i o n p o u l t r ya n dl i v e s t o c kf a r mh a d9 5 2 t h es u mo fm e a n v a l u e so fe v a l u a t i o ni n d e x e si ne a c ha r e aa c c o r d i n gt oc l u s t e ra n a l y s i si n c r e a s e db y d e g r e ef r o mi t ov m w h i c ha c c o u n tf o r t h ed i f f e r e n c e so fn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni n e a c ha r e ao fc h o n g q i n gt h r e eg o r g e sr e s e r v o i rr e # o n i na d d i t i o n ，n o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o ni ne a c ha r e ah a dr e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hp r o v i d e ds c i e n t i f i ct e c h n i q u e f o rc o n t r o ln o n p o i n tp o l l u t i o ns o u r c e i nc o n c l u s i o n ，o nt h eb a s i so fd a t ai n2 0 0 0 ， c o m b i n e dt o g e t h e rt h em e t h o do fe q u i v a l e n tp o l l u t i o nl o a d i n g sa n dc l u s t e ra n a l y s i s ，w e a n a l y s e d t h em a i np o l l u t i o nm a t t e r sa n dp o l l u t i o ns o u r c e sf r o mn o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n ，a n dr e a l i z e dt h ep r o p e r t i e so fn o n p o i n tp o l l u t i o ni ne a c ha r e ao fc h o n g q i n g t h r e eg o r g e sr e s e r v o i rn e g i o n i j 重庆大学硕十学仲论文 a c c o r d i n gt op o l l u t i o nl o a d i n g so fd i s s o l v e df o r ma n dp o l l u t i o nl o a d i n g so f p a r t i c u l a t ef o r m ，t h i sp a p e rs i m u l a t e da n dc a l c u l a t e dt h et o t a lp o l l u t i o nl o a d i n g so f n o u p o i n ts o u r c eb ym e a n s o fr u s l ei nc h o n g q i n gt h r e eg o r g e sr e s e r v o i rr e g i o n i t c o n c l u d e dt h a tt h ep a r t i c u l a t ef o r mn l o a d i n g s ( t h et o t a ln i t r o g e nh a s5 0 1 、i sa l m o s t e q u a lt od i s s o l v e df o r mnl o a d i n g s ( t h et o t a ln i t r o g e nh a s4 9 9 ) ；b u tp a r t i c u l a t ef o r mp l o a d i n g s ( t h et o t a lp h o s p h o r u s5 8 0 ) i sm o r et h a nd i s s o l v e df o r mpl o a d i n g s ( t h et o t a l p h o s p h o r u sh a s4 2 o 、i ti sas i m p l ea n d d i r e c tm e t h o do f e s t i m a t i n gn o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o nl o a d i n g s ，w h i c hc a na p p l y ei n t h en u t r i m e n tm i g r a t i o no ft h ew a t e rb o d y s b o r o ms l u d g e ，s u c ha sl a k ea n dr e s e r v o i re t c a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fc l u s t e ra n a l y s i si n8a r e a s ，w es i m u l a t e da n d c a l c u l a t e d t h et o t a lp o l l u t i o nl o a d i n g so fn o n p o i n ts o u r c ei n2 0 0 2b ym e a n so fn l mi n c h o n g q i n g t h r e eg o r g e sr e s e r v o i rr e g i o n i tc o n c l u d e dt h a tt h er u no f fw a s1 7 2 x l 矿 m 3 a , t h et o t a ln i t r o g e nw a s6 8 0 1 5 t a , t h et o t a lp h o s p h o r u sw a s1 1 0 4 9 t a l o a d i n g s - t i m e c u r v e so fr n no f f , t o t a lp h o s p h o r u s ，a m m o n i an i t r o g e na n dn i t r a t en i t r o g e nw e r e a n a l y z e d , i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ef l u c t u a t i o ni nw i n t e ra n ds p r i n gw a ss m a l l ， w h e r e a sf l u c t u a t i o ni ns u m m e ra n da u t u m n ( e s p e c i a l l yf r o mm a yt os e p t e m b e ow a s g r e a t ，f l u c t u a t i o na l w a y sl a g g e db e h i n do fi n f l u e n t i a lf a c t o r s ( i n c l u d i n gs o m eu n c e r t a i n f a c t o r s ) ，i nw h i c hs o m ee f f e c t e ds t e a d y a n dg r e a t l y , s o m ee f f e c t e dv a r i a b l ya n d s e n s i t i v e l y r u s l ea n dn l mn e e df e wp a r a m e t e r s ，w h i c hi s e a s yt op u ti n t op r a c t i c e e s p e c i a l l yi n t h ec o n d i t i o no fh a v i n gl i t t l eb a s a ld a t a d e t e r m i n i n gp a r a m e t e r so f r u s l en e e dt oc o n s i d e rm a n yf a c t o r s ，s ot h es i m u l a t e dr e s u l tb e c o m eu n c e r t a i n i n a d d i t i o n ，t h ep o l l u t i o nl o a d i n g so fd i s s o l v e df o r mw a sd i f f i c u l tt od e f i n i t e n l mc a n a p p l yw i d e l ya n dt h em e c h a n i s mo fn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sc o n s u m m a t e ，b e s i d e s i tc a nr e f l e c td y n a m i cv a r i a n c eo fp o l l u t i o nl o a d i n g s b u tn l mh a v es o m el o a d i n g s u n c o n s i d e r e d k e y w o r d s ：t h r e eg o r g e sr e s e r v o i rr e g i o n ，n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n - - n p s ， e q u i v a l e n tp o l l u t i o nl o a d s ，c l u s t e ra n a l y s i s ， r e v i s e du n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ，n u t r i e n tl o a d i n gm o d e l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位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 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽盔堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名： 曙秀呜 签字日期：铆 年一月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、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复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重鏖盔堂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。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：嗜荔勺 签字目期：矽彩年，。月卯日 导师签名：庸鸭 签字日期：伊彳年，矿月 日 1 前言 1 前言 面源污染的定义是指溶解的或固体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引起的水体污染1 2 2 1 。面源污染的污染源 主要包括：农田灌溉、农田和森林径流、非限制性牧场和牧地、未进入下水道的 城市径流、废弃矿山、大气的沉降以及可能产生污染的生产活动。 面源污染占了水质总污染的5 0 以上，已经成为国内外水库、河流、水源等 水环境治理的焦点。国外，在美国6 0 的水环境污染起源于农业面源污染；在奥 地利北部地区，据计算进入水环境的农业面源污染氮量远比点源污染大；丹麦2 7 0 条河流9 4 的n 负荷、5 2 的p 负荷是由农业面源污染引起的：荷兰农业面源污 染提供的t n 、t i 分别占水污染负荷的6 0 和4 0 5 0 t 2 ”。国内就太湖、滇池 流域环境整治研究表明，在这两地区面源污染造成的n 、p 负荷均超过了水污染负 荷的5 0 。三峡水库农业面源等标污染负荷就占整个库区污染源等标污染负荷的 7 7 8 5 1 6 3 1 。 面源污染行为导致最主要结果是水体富营养化，面源污染物含n 、p 较高， 而n 、p 的富集恰是引起湖泊、水库等水体富营养化的主要原因。据调查三峡重庆 库区2 0 0 2 年1 6 条次级河流的3 9 个断面中，有8 4 6 的断面t n 浓度达到富营养 化程度，有5 3 8 的断面t p 达到富营养化程度；重庆市3 5 座大中型水库有2 2 座 达到富营养化程度，占6 2 8 ，其中达到重度富营养化的水库有5 座( 占1 4 3 ) 。 2 0 0 1 2 0 0 3 年库区支流3 9 个河流断面中，2 9 个断面 i n 浓度超过g b 3 8 3 8 2 0 0 2 i 类标准1 0m g l ，6 个断面t p 浓度超过g b 3 8 3 8 2 0 0 2 1 1 1 类标准0 2 r a g l ：2 0 0 1 年 三峡重庆库区支流乌江下游涪陵嘛柳嘴断面t n 、t p 分别为：枯水期2 3 8 m g l 、 0 0 7 8 m g l ，丰水期2 4 3 m g l 、0 0 8 9 m g l ，部分江段春季多次出现黑潮现象。 面源污染污染物的行为过程受流域内生态环境质量的制约。三峡重庆库区生 态环境是十分脆弱的：三峡库区坡耕地垂直分布明显，降雨季节性明显，降雨量 大等，导致水土流失严重；以农业为主的库区，农田、矿山等自然资源的不合理 的开发与占用严重：三峡库区处在地质灾害、气象灾害、洪涝灾害等自然灾害多 发地带；库区森林覆盖率减少，植被处于逆向演替状态等。特别是在三峡大坝蓄 水之后水流变缓时，水库淹没耕地，移民和城镇迁建，会加剧本来就十分突出的 人地矛盾，植被的破坏，水土流失和生态恶化，江水流速减缓，水体自净能力降 低，环境容量急剧下降，库区水资源的污染程度将不断恶化。 三峡工程的生命力不仅仅取决于三峡【程质量本身，最终决定于整个三峡库 + 三峡库犀次级 ；i i 流富营养化防治研究( 垂庆市环境科学研究院2 0 0 3 年1 2 月) 重庆人学硕士学位论文 区的生态环境质量。三峡库区水资源污染问题是三峡工程寿命长短的致命因素之 一。三峡库区的水质状况直接关系到库区社会经济的稳定和移民生产生活的长治 久安。三峡重庆库区的水环境好坏是三峡库区水环境保护的重点。为了摸清三峡 重庆库区面源污染的强度和潜在威胁，确定面源污染的敏感区域，正确地认识三 峡库区面源污染污染源、污染物、区域污染特征以及准确地估算面源污染负荷对 治理整个库区水环境污染治理有举足轻重的作用。原因如下：首先面源污染存在 潜在性、随机性、突发性、不确定性等，不像点源污染容易掌握其污染行为过程； 其次要明确面源污染的主要污染源、污染物，需要建立在大量的调查统计、观测 和实验之上；再次，不同区域的面源污染截然不同，要掌握各个区域的污染特征， 就需要考虑各个方面的影响因素；最后，准确的估算面源污染负荷，是消减三峡 重庆库区面源污染负荷的最主要的依据。总之，研究三峡重庆库区面源污染对控 制三峡库区水环境污染意义重大。 1 1 面源污染的基本特征 1 1 1 面源污染类型 面源污染的分类方法较多，这里按最常用的分类方法，根据污染来源主要划 分为以下几类j j ： ( 1 ) 农业面源污染主要是指农业生产中，农田中的土粒、n 、p 、农药及其 它有机或无机污染物，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，使大量污染物进入流域水体。农业面源污染包括土壤侵蚀、农田化肥农 药的施用、农村家畜粪便垃圾、草牧场的家畜生产、农田污水灌溉等。 ( 2 ) 城市面源污染主要是指在城区降雨、径流过程中，雨水流经城镇地面， 如商业区、街道、停车场等汇集污染物原油、盐分、n 、p 、有毒物质及杂物，随 之进入河流或湖泊，污染地表水或地下水。 ( 3 ) 矿山面源污染主要是由于人类活动引起大面积土石方的露天开采，破 坏了原来的土壤结构和植被，当发生降雨、径流时，散落在矿区地表的泥沙、盐 类、酸类物质和残留矿渣等污染物，随地表径流进入水体，形成面源污染。 ( 4 ) 林地面源污染一般来说，树叶、土地、覆盖物、土壤有机物及粗糙地 形有很高的地表蓄水能力，但是在低洼森林地带由于土壤淋滤及径流的直接冲刷 地表引起的有机质、营养物等，汇集、迁移至水体造成水环境的污染。 ( 5 ) 大气沉降面源污染主要是指大气中的营养物质和有毒物质直接或随同 降雨降落在土壤或水面，引起的面源污染。酸陌引起的植被或水体污染就是典型 的一类。 2 1 前言 1 1 2 面源污染的特征 面源污染具有许多显著的特点，具体如下： ( 1 ) 发生的随机性因为面源污染受水文、气候等( 主要为降雨、径流等) 的影响和支配，而降雨径流具有随机性，导致面源污染随机性很强。 ( 2 ) 排放的不确定性影响面源污染的因子复杂多样，从而使面源污染具有 不确定性。以农业面源污染为例，农药和化肥的施用是面源污染的主要来源，但 是不同的施肥量，生长季节、农作物类型、使用方式、土壤性质和降雨等不同时， 导致排放途径及排放污染物具有很大的不确定性1 6 1 。 ( 3 ) 影响的滞后性面源污染，在很大程度上与降雨和径流密切相关。一般 状况下，面源污染对水体造成的影响很小，但是当发生降雨形成径流时，导致大 量的面源污染物进入水体造成水环境污染，导致污染物负荷在时间、空间上交化 幅度巨大。 ( 4 ) 污染物的广泛性随着经济的高速发展，人类合成的化学物质逐年增多， 许多是自然环境无法接受的。这些化学物质在地球表层分布广泛，随着径流进入 水体的污染物遍地可见，所产生的生态环境影响更是深远。例如，农药的种类繁 多，有d d t 、六六六、敌敌畏、敌百虫、杀虫剂、除草剂等等。 ( 5 ) 污染的潜伏性农业化学品在施用后其暂态面源污染十分有限，在土壤 中经历复杂的变化，逐渐分解造成土壤、水体的污染。比如农药、化肥在土壤中 存在的时间长短将决定面源污染的滞后性的长短，尤其是农药种类多、污染机理 复杂，毒性大，造成的危害之大。 另外，相比点源污染，面源污染有如下特点，详见表1 1 。 表1 1 面源污染与点源污染的比较 t a b l e1 1 c o m p a r i n gn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nw i t hp o i n ts o u r c ep o l l u t i o n 3 重庆大学硕十学位论文 1 1 3 面源污染的危害 ( 1 ) 加速水体的富营养化 我国湖泊水库富营养化现象十分严重，面源污染物n 、p 是湖泊富营养化的重 要因素。如太湖的水质目前正处于中营养化向富营养化水平过渡状态，它接纳了 大量含有农业面源n 的入湖水，在“七五”期间，农业面源氮量占入湖总n 量的7 2 7 5 1 4 0 1 。云南省3 0 余个湖泊中，8 0 以上不同程度地呈现富营养化，滇池外海t n 、 t p 含量1 1 2 】平均达2 2 3 4 m g i 和0 2 4 5 m g l 。水库的富营养化程度小于湖泊，但是有 加快的趋势。北京的密云水库，属于中营养型水库，目前正向富营养化发展，面 源污染是该水库富营养化加快的主要原因之一。 ( 2 ) 威胁地下水 地下水污染的原因较为复杂，但是调查表明，农业生产活动是污染的主要原因 之一。来自肥料和农药的n 、p 、k 及各种重金属元素，由于溶解度较低、活动性 差，在土壤和非饱带中逐渐积累成为地下水的潜在威胁；尤其是土壤中大量n 的淋 失和下渗，使地下水中n 0 3 n 含量严重超标。此外，灌区农药的大量使用也使其随 水迁移到地下水的可能性很大【5 8 i 。1 9 9 2 年太湖地区3 0 水井n 0 3 - n 浓度超标的报 道，面源污染是主要原因1 3 3 , 9 7 9 s 。 ( 3 ) 淤积水体，降低水体功能 由于水土流失，大量泥沙及污染物进入水体，降低了水体的容纳量，削减其防 洪于抗旱能力。同时，径流携带的大量泥沙及有害物质对水体水质也产生严重的 影响。如大盈江支流的浑水沟流域，由于泥石流侵蚀严重，大量泥沙、石块等进 入大盈江，造成河床每年以5 1 0 c m 的速度抬升，使中下河道发生巨大变化，经常 引起堤防决口，严重威胁着两岸9 0 0 0 h a 农田及各项水利设施的安全1 2 1 1 。昆明市附 近的水库，由于地表径流导致土壤中的f e 、m n 进入水体，并沉积在库区底层，经 测定普遍存在库区底层水体中f e 、m n 严重超标的现象。特别沉淀在底泥中的污染 物在流量、水温以及微生物结构发生变化的情况下，可以通过再悬浮、溶解的方 式进入水介质，构成水体的二次污染【2 2 1 。 ( 4 ) 污染饮用水源 农田中施用的化肥、农药及人畜粪便等，其中的有机物、无机养分及其它污染 物经淋溶作用进入地下水体或经地表径流进入饮用水源区，可造成饮用水源的污 染，影响人体健康。据报道，饮用水中的亚硝酸盐可引起高铁血红蛋白症，亚硝 酸化合物具有明显的致癌、致突变、致畸的性质，尤其在缺乏维生素c 之类的抑制 剂时作用更明显【2 l j 。 1 1 4 面源污染机理 ( 1 ) 面源污染物质 4 1 前言 面源污染物主要有营养盐、侵蚀泥沙、有毒物质、病菌、重金属等，其中以营 养物( 主要是n 和p ) 和侵蚀泥沙危害最为普遍。 氮在水体中的组成主要有两种形式：溶解态无机氮，如氨氮( n h 3 n ) 、硝酸 盐氮( n 0 3 n ) 和亚硝酸盐氮( n 0 2 n ) ；吸附态( 或称颗粒态) n 以可交换的氨 氮( n h 3 n ) 和有机氮为主。n 0 3 n 极易迁移，可到达植物根系带，尤其在砂质壤 土条件下，可以随表面径流迁移；n h 3 n 易被土壤吸附，主要随着被侵蚀的土壤 而流失1 2 2 1 。 磷在水体中的形态主要有可溶性磷( d p ) 、生物可利用磷( b p p ) 、泥沙结合态 磷( p p ) 。总磷( t p ) 由有可溶性磷( d p ) 和泥沙吸附态磷( p p ) 组成，即t p = d p + p p 。 生物可利用磷( 勘廿) 包括d p 和一部分藻类直接可利用的泥沙吸附态磷( b p p ) ， b a p = b p p + d p 。不能被藻类直接利用的泥沙吸附态磷( n p p ) ，n p p = p p b p p 2 2 。 磷的化合物可以被土壤颗粒所吸附，因此，地表径流中损失的磷比下渗损失的磷更 值得关注。磷以颗粒态和溶解态两种形式损失，磷被大多数易于侵蚀的土壤部分所 吸收。 侵蚀泥沙是面源污染的组成部分，其细粒部分携带着大量有机质、氨离子、磷 酸盐、金属离子以及其他毒性物质的主要携带者，它们随泥沙进入河流，成为水质 污染的重要来源。泥沙是侵蚀的结果，为固体物质和有机物质，呈悬浮态被运移或 沉降在水体底部。来自表层的泥沙具有较高的污染潜力。被侵蚀土壤的组成变化是 由于侵蚀过程的选择性造成的。黏土矿物和有机质残余以很慢的流动速度，保持较 长的时问，这种选择性侵蚀能增加泥沙对污染物的迁移。 有毒物质多与城市地表径流有关，美国的城市径流污染研究表明至少1 0 的 城市径流中含有有毒物质；另外，农药的组成复杂往往还有有毒物质，农药季节性 浓度较大，超标的农药虽径流进入水体造成污染。 病菌按与水体有关疾病相关联的病菌可分为三类：病原性细菌、原生动物、病 毒。这些病菌多来自禽畜养殖及粪便利用的过程中。 ( 2 ) 面源污染行为过程 面源污染的产生、迁移、转化过程实质上是污染物在土壤圈向其他圈层尤其是 水圈扩散的过程。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。前者是研 究的基础：后者是研究的重点和关键。 近年来，陈欣、单保庆、贺缠生、李佩武、罗量国等学者从动态过程的角度对 面源污染的产污机制( 产生、迁移、转化) 进行了深入的研究1 2 7 , 9 5 j ，作为一个连 续的动态过程，面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，这四个过尹t 相互联系互相作 5 重庆大学硕十学位论文 用，成为面源污染研究的核心内容。 1 ) 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，重点研究作为面源污染的产 流汇流特性。在面源污染研究中，重点考虑产流条件的空间差异，深刻揭示面源 污染的形成。代表性的成果有美国水土保持局2 0 世纪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， 建立了产流计算公司【2 2 1 。 2 ) 土壤侵蚀过程 土壤侵蚀过程是面源污染研究的重要内容，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，取得的成果也就较多。美国在2 0 世纪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1 8 2 1 。 3 ) 地表溶质溶出过程 国内为学者对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1 1 0 8 】。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，并建立了起确定方法。e d i 保括了此层随下渗水迁移的溶质量 的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。 4 ) 土壤溶质渗漏过程 对土壤中溶质的下层渗漏过程的研究，是目前面源污染研究的又一热点。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描述其规律。根据这些模型的建模思路和表述 形式大致分为确定模型和随机模型。确定性模型是研究对象简化为一个有具有明 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。 随机模型是将研究看作一个不确定性系统，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 2 面源污染研究进展 1 2 1 面源污染研究方法 面源污染研究的关键是能否获取必要的基础数据( 包括背景资料和降雨径流 1 前言 等监测数据) 。面源污染的发生是经历一系列相当复杂的过程，因此准确地估算 面源污染负荷对研究面源污染意义重大。 ( 1 ) 野外实地监测 早期对面源污染研究工作中，几乎所有的资料全部依赖于野外实地监测。但 是，基础数据收集工作强度大、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原因，影响污染负荷的估算精度。目前，野外实地监测仍是 作为一种辅助的手段，主要用于各类模型的验证和模型参数的校正。 1 ) 综合试验场法 具体方法是，先在研究区域内选择一块面积不大，又有代表性的典型径流小 区，在径流小区内同步监测降雨径流的水量和水质。最后，以小区的污染单位负 荷量估算整个研究区域的面源污染负荷量。采用这种方法，工作量不大，花费也 较少，因而在我国得到广泛的应用。但是典型小区较难确定，而且面源污染是一 种时空差异性很强的现象，仅以小区研究代替大区域，显然污染负荷的计算精度 不高，也不利于了解污染的地域差异。 2 ) 源类型划分法 该方法与综合试验场法基本相同。不同点在于，先对研究区域进行详细调查， 根据土地利用状况划分为不同的面源污染类型区，然后在每个源类型区内选择一 块典型小区作为径流试验场，通步监测水量和水质，建立各源类型的污染负荷估 算模型。这种方法考虑了不同土地利用对面源污染总负荷的贡献，因而大大提高 了估算精度，但是工作量和费用也相应增加了很多。 ( 2 ) 人工模拟试验 随着对降雨机理的深入研究，人工布雨器能够模拟出各种类型的自然降雨， 因而可以获取人为控制条件下模拟各种自然条件下的面源污染。人工模拟试验的 优点是可以获得大量野外工作中无法得到的数据，解决了传统研究方法周期长、 耗资高等缺陷。目前，人工模拟试验主要用于面源污染机理和模型的研究1 9 5 1 。国 外的应用较多，如r h e a 等在美国内华达州的采用人工将于方法研究了土壤中胶体 结合态n 、p 的迁移；b a r r o s 等用人工降雨技术研究了沙壤土和粉质粘壤土的降雨 径流的产流特征。 ( 3 ) 数字模拟方法 数字模拟方法是在现场调查和试验基础上，在计算机技术支撑下，用数学模 型模拟面源污染的研究方法。目i ；i 用于农业面源污染研究的主要模型有：r u s l e 模型、a g n p s 模型、c r e a m s 模型、a r m 模型、a n s e w e r s 模型、w e p p 模型、 s w a t 模型、n l m 模型 7 , 2 1 , 6 9 i 。其中r u s l e 模型使用尤为广泛，但是不同区域有着 较大差异1 8 2 l ；a g n p s 模型的模拟值与实测值有较好的拟和效果 1 0 , 2 1 i 。 7 重庆大学硕十学位论文 1 2 2 面源污染模型研究现状 面源污染过程十分复杂，在建立模型时，必须对面源污染的过程进行系统分析 再根据它们的相互联系综合各个模型内容，形成一个完整的模型。面源污染模型 主要描述水文的降雨径流转化过程与有关水质的成分，具体包括降雨径流模型、 侵蚀和泥沙输移模型、污染物迁移转化过程模型、水质模型阎。这几个模型的相 互之间呈金字塔形如图1 1 。可见，只有一步步地从塔底开始掌握了降雨径流、侵 蚀泥沙输移、污染物迁移转化、水质模型，才能真正地掌握面源污染的过程。 质模型 重銎塑适整堡垡婆堡堡型 侵蚀和泥沙输移模型 降雨径流模型 图1 1 面源污染模型结构 f i g u r e1 1m o d e ls t r u c t u r eo f n o n - p o i n ts o u r c ep o u u f i o n ( 1 ) 国外的研究现状 农田土壤侵蚀、水土流失是人类很早以前就认识到的问题。农业污染水质的 问题，最早是从研究农药污染开始，集中在确定农田径流污染性质，研究农药与 水质污染、鱼类死亡之间的关系。1 9 7 2 年美国水污染控制法修正案的制定标 志着面源污染研究得重大转折。这项法律明确规定：在水污染防治规划时，必须 同时包括点源和面源防治规划【2 1 1 。这项法律极大的促进了美国面源污染的研究。 面源污染模型研究可分为4 个发展阶段： 第一阶段是2 0 世纪7 0 年代前，美国对面源污染预报与事件的关系始于1 9 3 0 年 首先引进防洪法；美国陆军工程兵团必须进行防洪规划与行动，例如对于潮 湿地的排水；美国水土保持局主要进行农业面源控制方面的规划工作【。“。此阶段主 要发展了一些数学模型，包括s c s 曲线代码和u s l e ( u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) 土壤侵蚀，在土壤侵蚀和径流计算方面发挥了重要作用。土壤侵蚀是非常重要的 一种农业面源污染模型，当时定量化计算已经相当成熟。 第二阶段2 0 世纪7 0 年代，美国和加拿大对整个五大湖地区进行了点源和面源 污染的调查研究，在理论上和方法上均取得了长足的进步，促进水环境污染的控 制与管理。初期主要是计算污染负荷量，在面源污染特征、影响因素、单场暴雨 和长期平均污染负荷输出等方面进行研究。除h y d r o c o m p 公司提出了农药输移和径 流模型【p r r ( p e s t i c i d et r a n s p o r ta n d r u n o f fm o d e l ) 一h s p ( h y d r o c o m ps i m u l m i o n p r o g r a m ) 一a r m ( a g r i c u l t u r a lr u n o f fm a n a g e m e n t ) - n p s ( n o n p o i n ts o u r c e 1 前言 p o l l u t a n tl o a d i n gm o d e l ) 】，以及其他研究者所开发s t o r m 、农业化学药品运输模 型a c t m o ( a g r i c u l t u r a lc h e m i c a lt r a n s p o r t ) 、u t m ( u n i f i c dt r a n s p o r tm o d e l ) 、 l a n d r u n ( l a n dr u n o f fm o d e l ) 等【7 9 1 。在面源污染管理方面，这时期逐步形成 和使用b m p s ( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 。 第三阶段2 0 世纪8 0 年代，面源污染研究地域范围扩大、类型增多，污染物迁 移机理研究更加深入，在面源污染负荷计算、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、政策制定方面提出了一些面源污染扩散 与负荷的模型，如：化学污染物径流负荷和流失模型c r e a m s ( c h e m i c a lr u n o f f a n d e r o s i o n f r o m a c r i c u l t u r a l m a n a g e m e n t s y s t e m s ) 1 1 6 1 ，农田系统地下水污染负荷效应 模拟模型g l e a m s ( g r o u n d w a t e rl o a d i n g se f f e c t so fa c r i c u l t u r a lm a n a g e m e n t s y s t e m s ) 1 1 7 1 ，流域农业面源污染模拟模型a n s w e r s ( a r e an o n p o i n t s o u r c e w a t e r s h e de n v i r o n m e n tr e s p o n s es i m u l a t i