（环境工程专业论文）千岛湖流域农业非点源污染及其生态效应的研究.pdf

摘要 农业非点源目日口已经成为我国水环境恶化和湖泊富营养化的重要凶素，对农业：怍 点源污染机理和控制对策的研究越来越受重视。本文明查了干岛湖流域的自然资源和农 业生产情况，研究了典型坡地降i 村径流中的氮、磷污染物的输出j ；! i ! 律，利心a n n a g n i ，s 模型估算流域农业非点源污染物输入负荷，并在千岛湖内设点采样，对水质理化指标和 ， 浮游植物群落进行系统的研究。f 得 b 以下结论： 1 9 8 9 2 0 0 1 年问的水环境常规监测资料统计分析表明，有毒物质和重盒属浓度长 期在监测下限内，n 0 2 n 、n 0 3 n 、n h r n 年平均浓度均符合l 类标准，但湖泊水库特 定项e i t n 鼐i t p 浓度分别为i i i 超v 类和i i l v 类，呈严重超标状况，湖区主要污染因 子是将导致富营养化的物质t n 芹i j t p 。在空f i | j 分斫j 上，新安江米水和西i ! | 湖区污染最为 严重，中心湖区和东南出水湖区的水质相对较好。 降雨径流中总氮、总磷平均浓度变异较火，总体说来，红薯地和园地等有人工耕 利，的坡地氮、磷流失浓度最大，草地和林地等受人工影响干扰少的坡地流失浓度相对较 少，高坡度林地流失浓度大于缓坡林地。各种坡地利用方式中同降雨量与总氮、可溶氮、 总磷、可溶磷均显著j 下相关，降雨量的大小是影响土壤各种营养物质流失的直接因素。 t l l a n n a g n p s 模型估算得到千岛湖流域颗粒i 驶附态氮多年卜均输入鞋为2 3 8 0 8 7 9 吨年，溶解态氮1 0 4 3 2 9 5 9 1 j 屯年，颗粒吸附态磷4 0 9 2 2 i i , i w 卸 i ，溶解态磷2 9 5 6 7 9 吨年。 山于整个流域二l 地利门j 方式相近，氮、磷负荷在符予流域分砷j 比较均匀。干岛湖流域氮、 磷非点源污染的月输入负荷差异极大，氮磷污染物的输出量与月降阿量成证比，降附集 f 1 f t j 4 - 9 ) - 份是德年的污染物输出集中时期，氮、磷污染物输出量占全年总量的7 0 以 上。 两年的湖体水质监测表明，千岛湖水体的总氮和总磷浓度变异较大，春季总氮浓 度和总磷浓度要高于其它季节，变化趋势是春季 夏季 秋季 冬季：在空f h j 分枷上，有 从主要入湖口经湖心至湖区f t i 口逐渐降低的规律。相关分析表明，新安江来水中的街 1 、 1 2 航标和小会山点位总氮、总磷浓度m 著小榭关，新安 l ：水水- f 内总氮剃总磷人部分米 自农, l k - q l e 点源。 千岛湖各湖区叶绿素a 含量时空差异较大，新安江来水和易受人类生活、生产活 动影响的点位在每年的4 月8 月叶绿素a 含量明显升高，l o 月至次年的3 月最低千 岛湖全湖的叶绿素a 逐月平均浓度与月降雨量变化趋势极为相似：空问总体分前j 上，入 湖口和易受人类活动影响的点位叶绿素a 的含量明显高于湖【f j 心和i u 水口。 依据修m 的卡尔森营养状念指数公式，计算得到整个千岛湖属贫一i 1 营养型。 j l f 藻门、硅藻门、隐藻门为千岛湖的优势种群，但在藻类爆发的5 月、6 月和7 月，均是蓝藻门为优势种群优势种群与1 9 9 2 年比较发生了明显的变化；千岛湖藻类 数量在不同季节的波动较大。在浮游藻类细胞数虽上，表现为：夏季 秋季 春季 冬季； 、 在空间分4 i 上，易受人类活动影响的点位要高于其它点位矿厂一一 关键词：非点源污地表径流，养分流失，藻类，生态效应 a b s t r a c t a st h ea g r i c u l t u r a ln p s i st h et b o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o rw a t e rc o v i r o n m e n t a l d e t e r i o r a t i o na n dl a k ee u t r o p h i c a t i o ni nc h i n a ，m o r e a n dm o r es c i e n t i s t sa n dt e c h n o l o g i s t s f o c u so nt h ec o n t r o lc o u n t e r m e a s u r ea n dp o l l u t i o nm e c h a n i s 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 ( n p s ) b a s e do n t h ei n v e s t i g a t i o no fn a t u r a lr e s o u r c ea n da g r i c u l t u r a ld i s t r i b u t i o n ，t h el o s sr u l e o f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h et y p i c a ll a n do fq i a n d a ol a k e w a t e r s h e da n dd i s t r i b u t i o nr u l e o f t h ep h y t o p l a n k t o na n dp h y s i c o - c h e m i c a lc h a r a c t c j i s t i ci nt h el a k ew e r es t u d i e d ，a n dt h e i n p u tl o a d i n g o f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s w a sa l s oc a l c u l a t e db yt h ea n n a g n i sm o d e li nt h i s t h e s i s a c c o r d i n g t ot h er o u t i n em o n i t o r i n gd a t ao f t h ew a t e re n v i r o n m e n ti nq i a n d a ol a k ef r o m 1 9 8 9t o2 0 0 1 ，t h ec o n c e n t r a t i o n so f t o x i cs u b s t a n c ea n d h e a v ym e t a lw e r eu n d e rt h e m o n i t o r i n gl i m i t ，b u tt h e t o t a ln i t r o g e n ( t n ) a n dt o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) w e r em u c h h i g h e rt h a n t h ec r i t e r i o nf o rl a k ea n dr e s e r v o i r i ns p a t i a ld i s t r i b u t i o n ，t h ew a t e ri nx i n a nr i v e ra n d s o u t h w e s to fl a k ew a s p o l l u t e ds e r i o u s l yt h a nt h a ti no t h e rp a r t so f l a k e t h er e s u l t so f m o n i t o r i n g ，f r o m j u n et oa u g u s ti n2 0 0 i ，s h o w e dt h a tt h ea v e r a g e c o n c e n t r a t i o no f n i t r o g e na n d p h o s p h o r u si nr u n o f f v a r i e ds t r o n g l y ，t h el o s sc o n c e n t r a t i o n si n t h ec u l t i v a t e dl a n d ss u c ha ss w e e t p o t a t ol a n da n d o r c h a r dl a n dw e r eh i g h e rt h a nt h o s ei n u n c u l t i v a t e dl a n d ss u c ha sg r a s s l a n da n dw o o d l a n d t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n d a i l yr a i n f a l la n d na n dpc o n c e n t r a t i o n su n d e rd i f f e r e n ts l o p i n gl a n du s ep a t t e r nr e a c h e d9 5 w h i c hs h o w e d t h a tt h er a i n f a l lp l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei nn u t r i e n tl o s sf r o ms o i l a n n u a la v e r a g ei n p u tl o a d i n gw a ss i m u l a t e db ya n n a g n p sm o d e l t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h e r ew e r e2 3 8 0 8 7 9t o n ss e d i m e n t a t t a c h e dn i t r o g e n ，l0 4 3 2 9 5 9t o n ss o l u b l en i t r o g e n ， 4 0 9 2 2t o n ss e d i m e n t a t t a c h e dp h o s p h o r u sa n d2 9 5 6 7 9t o n ss o l u b l ep h o s p h o r u si n p u t t e di n t o t h eq i a n d a ol a k e p e ry e a r m o n t h l yi n p u t t e dl o a d i n gc h a n g e dv e r ys t r o n g l y ，t h el o a d i n g w a s i n t e r r e l a t e dp o s i t i v e l yw i t hr a i n f a l la n d7 0 o f t o t a lp o l l u t a n tw a se x p o r t e df r o mt h ew a t e r s h e d d u r i n gt h ea p r i la n ds e p t e m b e r a c c o r d i n g t ot h e2y e a r sm o n i t o r i n gd a t ao f t h eq i a n d a ol a k e ，t na n dt pc o n c e n t r a t i o n s m o n t h l y v a r i e ds t r o n g l y ，t na n d f pc o n c e n t r a t i o n si ns p r i n gw e r e h i g h e rt h a n o t h e rs e a s o n s ， t b ev a r i a t i o n t e n d e n c yw a s ：s p r i n g s u m m e r a u t u m n w i n t e r a n d t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no f c o n c e n t r a t i o n sw a s ：i n l e tp a r t i n s i d ep a r t o u t l e tp a r t t h er e l a t i o n s h i pa n a l y s i ss h o w e dt h a t t h et nc o n c e n t r a t i o n sa n dt pc o n c e n t r a t i o n si nx i n a nr i v e rc a m ef r o mt h ea g r i c u l t u r a l n o n p o i n ts o u r c e t h es p a t i a la n dt e m p o r a lc o n c e n t r a t i o no f c h l o r o p h y l la i nt h el a k ev a r i e dv e r y s t r o n g l y ， t h ec o n c e n t r a t i o n si nt h es i t e sl o c a t e di nx i n a nr i v e ra n de f f e c t e d b y h u m a n a c t i v i t yw e r e r a i s e do b v i o u s l yf r o ma p r i lt oa u g u s t ，a n dw e r em u c h h i g h e rt h a nt h o s ei no t h e rs i t e s m o n t h l ya v e r a g ec o n c e n t r a t i o nf o rt h el a k eh a st h es a m et e n d e n c ya st h er a i n f a l l a c c o r d i n g t ot h em o d i f i e dc a r l s o n st r o p h i cs t a t ei n d e x ，t h el a k eh a s r c c e n t l yb e e n v a r i e d b e t w e e n o l i g o t r o p h i ca n dm e s o t r o p h i c c y a n o p h y t a ，b a c i l l a r i o p h y t aa n dc r y t o p h y t aw e r et h e s u p e r i o r i t yp o p u l a t i o ni nq i a n d a ol a k e ，b u tc y a n o p h y t aw a st h es u p e r i o r i t yp o p u l a t i o ni n a l g a eb l o o m e dm o n t hs u c ha sm a r c h ，j u n ea n d j u l y c o m p a r e dw i t h19 9 2 ，t h es u p e r i o r i t y p o p u l a t i o nh a sc h a n g e d t h eq u a n t i t yo f a l g a ei nq i a n d a ol a k ev a r i e ds t r o n g l yi nd i f f e r e n t s e a s o n ，s u m m e r a u t u m n s p r i n g w i n t e r t h eq u a n t i t yi nt h es i t e se f f e c t e db yh u m a n a c t i v i t y w e r em u c h h i g h e rt h a nt h a ti no t h e rs i t e s k e y w o r d s ：n o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o n ( n p s ) ，w a t e r s h e d ，s u r f a c er u n o f f ，n u t r i e n t sl o s s a l g a e ，e c o l o g i c a l e f f e c t 塑i ! 厶= i ! ! ! ! ! ：i ! ：! ! 造兰 1 引论 1 1 非点源污染及其基本特征 近年束，随着人们对环境问题的关注，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，这就足：悱点源污染，义 称之为面源污染烈o i l p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，n p s ) 。_ 源污染布广义和狭义的两种 理解，广义指各利t 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。 水环境污染问题通常可分为点源污染和非点源污染，点源污染主要包括3 l , l k 废水和城市生活污水污染，通常有固定的排污lj 集 t t l l ! 放，：扯点源污染f l 足干u 列点 源污染而言，是指溶解的和固体的污染物从非特定的地点，在降水( 或融雪) 冲刷 作用下，通过径流过程而汇入受纳水体( 包括河流、湖泊、水库和海湾等) 并引起 水体的富营养化或其它形式的污染( n o v o t n y ，1 9 9 4 ) 。美国消沽水法修i f 案( 1 9 9 7 ) 对非点源污染的定义为：污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水 体。这艰的微最是指污染物浓度通常较点源污染低，f f ln p s 污染的总负荷却足非常 巨大。随着各国政府对点源污染控制的重视，点源污染在包括我国在内的许多国家 已经得到较好的控制和治理，而非点源污染，山j ：涉及范幽j “、控制难度人，河 已成为影响水体环境质量的重要污染源。 与点源污染相比较，非点源污染具有均：多显著不同的特点，：m 点源污染的卜 要特点如下( n o v o t n y ，1 9 8 1 ，1 9 9 4 ：李怀恩，1 9 9 6 ) ： ( 1 ) 发生具有随机性，因为非点源污染主要受水文循环过程( 主要为降m 以及降 雨形成径流的过程) 的影响和支配，而降雨径流具有随机性，所以山l l l ) “生的非点源 污染必然具有随机性； ( 2 ) 排放途径及排放污染物具有不确定性，影响：作点源污染的因子复杂多样， 从而使其排放途径及排放污染物具有不确定性。以农业非点源污染为例，农药和化 肥的施用是非点源污染的主要来源，但不同的施1 j 量，在生长季节、农作物类型、 使丌j 方式、土壤性质和降阿条1 ，| ：4 , i j i j 于，所导致的排放途径及排放污染物彳r 很人 的不确定性。 ( 3 ) 污染负荷的时问变化( 次降阿径流过樱、印内不同季= 1 7 及印际0 i j ) ：f h 空f , j ( 4 ： ! ：i j ! 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h 一一 同地点) 变化幅度大； ( 4 ) 监测、控制和处理困难而复杂，这是山以上几点特点决定的。 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： ( 1 ) 农业非点源污染主要是指农业生产活动中，农r t ：i 叶_ i 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t h 通过农州地表径流、农f 排水和地下渗漏，使大量污染物质进入水体，造成了污染。山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f f l 化肥农药的施用、农村家畜粪 便与垃圾、草牧场的家畜生产、农阳污水灌溉等。农业非点源污染是最普遍的非点 源污染。 ( 2 ) 城市非点源污染主要是指在降雨过程中，雨水及所形成的径流，流经城 镇地面，如商业区、街道、停车场等，聚集一系列污染物，如原油、盐分、氮、磷、 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 ) 矿山非点源污染主要是由于人类活动引起的，大面积的露天丌采土石 方，破坏了原来的土壤结构和植被，导致高度的水土流失。此外，在降雨条件下， 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，全随地表径流进入 水体，形成非点源污染。 ( 4 ) 大气沉降引起的非点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，引起的非点源污染。酸雨引起的植被或水体污染 就是典型的一类。 1 2 流域农业非点源污染物的行为过程 农业非点源污染物来自于土壤圈中的农业化学物质。因而，农业非点源污染 的产生迁移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。| j 者是研究的基础，后者是研究的重点和关键。 随着农业的发展，农业化学物质被大量投入使用，化肥农药的不合理施用使 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，并引起许多 塑坚厶堂i ! ! ! ：望些堡皇一 环境学者的注意，农业非点源污染逐渐成为一门l j i 多学科交叉的研究领域( 马立珊， 1 9 8 7 ；五家玉，1 9 9 6 ；陈利顶，2 0 0 0 ；张兴昌，2 0 0 0 ) 。近年来，陈欣( 1 9 9 9 ) 、弘 保人( 2 0 0 0 ) 、馏缠，j i ( 1 9 9 8 ) 、李佩武( 1 9 9 4 ) 、岁良吲( 2 0 0 0 ) 等学者从动态过秘 的角度对农业非点源的产污机制( 产生、迁移、转化) 进行了深入研究，作为一个 连续的动态过程，农业非点源污染的形成主要山以下几个过程组成：降雨径流过程、 一i ：壤侵蚀过程、地表溶质溶出过程和上壤溶质渗漏过程，这四个过程村j 联系年i j 作用，成为农业非点源污染研究的核心内容。 降阿径流过羁! 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问差异， 深刻揭示农业非点源污染的形成。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 土壤湿涧情况，建立了产流计算公式( s c s ，1 9 8 6 ) 。 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，人们现在已认以到水土流失4 i 仪使土壤环境和质量得到损害，而且给受纳水体带来危害，凼为流失的水：l 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 人量实验提出通用土壤流火方程( u s l e ) 及后米得到改进的方租( r u s l e ) ( w i s c h m e r i e r ，w h ，1 9 7 6 ) 使用最为广泛。 地表溶质随径流流失过程 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 ) ( a h u j al r 1 9 8 1 ) ， 随后出现了等效迁移深度概念( 王全九，1 9 9 8 ) ，并建立了其确定方法。e d i 包括了此 层随下渗水迁移的溶质量和随径流迁移的溶质量， l i ：此把有效混合深度| = l 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赫和可溶性农药成分，实验手段以室内模拟为主，以 l j i 论 实验结果为基础，通过建立恰当的数学模型来拙述其规律。根掘这些模型的建模思 路和表述形式火致i r 分为确定性模型和随机模型( a d d i s c o t t t m 1 9 9 5 ) 。确定性模型 是将研究对象简化为一个由具有明确物理意义的变量组成的理想系统，系统中变最 的行为遵循物质守恒和能量定律。随机模型足将研究刘象看做个4 i 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， 一种足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足随 机的，只考虑土壤性质的输入来他算其随机输出。 1 3 农业非点源污染研究进展 1 3 1 农业非点源污染对水环境的影响 目前，许多发达国家已证实农业非点源污染是导致水污染的主要原因之一。 f i 本的稻h 1 是b i s w a 湖的最大污染源( a t u s h i i c h i k i ，1 9 9 9 ) ，丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮 负荷、5 2 的磷负荷由非点源污染引起( k r o n v a n g ，1 9 9 6 ) ，荷兰农业非点源提供的总 氦、总磷分别占水环境污染的6 0 、4 0 5 0 ( b o e r s ，1 9 9 6 ) 美国6 0 以上的地 表水环境问题是山农业活动引起的( u d o y a r s ，1 9 9 4 ) 。农业非点源污染影i 咖了个眦界 陆地面积的3 0 5 0 ，i ：且仡全世界不同样度退化的1 2 亿h m 2 耕地i l ，约1 2 山农业非点源污染引起( d e n n i s ，1 9 9 8 ) o， 组成农业非点源的污染物是多种多样的，有各种有机无机类的化肥、农药、 黼分、重盒属、病菌、泥沙等，这些污染物随地表径流进入地表水体，如河流、湖 泊和浅海海湾，或者经渗漏进入地下水环境，形成污染。从| id u 研究来看，农业非 点源污染对受纳水体的影响是多方面的，主要集一1 ，在以。b ) l 个方叫：地淡水体的 寓营养化，主要是n 、p 等营养物质：水体中有毒有害物质增多，如重会属、有 毒有机农药等；盐分增加引起的水质使用价值降低。 农业非点源来源【f i j 广量人，它央带人量的泥沙、营养物、有l i j ；有害物质进入 江河、湖库，引起水体悬浮物浓度升高、有椎有害物质含量增加，溶解氧减少，导 致水体富营养化和酸化。关于农业非点源污染对水环境的影响机理，囡内外学者对 此做了大量的研究和探讨。大致可分为两类：探讨受纳水体的环境容量，火部分 水体( 包括地下水) 都具备一定的环境净化能力，减少污染物的排放量和充分利朋水 体的环境容量同样能使水体免受污染( 陈西平，1 9 9 1 ；徐向刚，1 9 9 3 ；张振克，1 9 9 8 ) ； 堂婆厶堂竖! 堂些迨苎一 重点研究农业非点源污染对水体j 6 ：生的危害。其t i 国内外研究较多的足地表水体 的富营养化( s h a r p l e ya n 1 9 8 7 ；马立珊，1 9 9 2 ；吕殿青，1 9 9 8 ：高超，2 0 0 0 ) 和 地下水的水质恶化( 沈景文，1 9 9 2 ；朱济成，1 9 8 3 ；李保因，2 0 0 1 ) 。 我国是一个多i 的国家，大部分地区夏季降水商度集| l i ，多 f 的人类经济活 动带来的生念破坏，导致水土流失严重，农业非点源污染严重，特别是近年城市化 发展迅速，农用化肥、农药数量急剐增m n 。所以，我国水环境非点源污染问题i | 益 突出，成为水环境质量研究中亟待探讨的课题( 鲍全盛，1 9 9 6 ；李怀恩，1 9 9 6 ；李贵 宝，2 0 0 1 ) 。 1 3 2 农业非点源污染研究方法 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。但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一时期已相当成熟，美国水 土保持局用几十年时间现场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。 我国农村非点源污染研究始于2 0 世纪8 0 年代初的湖泊、水库富营养化渊查 和河流水质规划研究。先后在于桥水库、滇池、太湖、鄱阳湖、巢湖、三蛱库区等 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，较好地把握了非点源污染负荷发生状况，为湖泊、河流的水质规划与流域 规划提供了可靠的依据，也为非点源污染研究积累了有益的经验。 剖析土地利用方式与污染负荷之问的内在联系是国外非点源污染研究的基本 出发点，目前对农业非点源污染的研究主要有野外实地监测、人工模拟降雨和非点 源污染计算机模拟等方法。 1 3 2 i 野外实测 非点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) 。早期的研究工作中，几乎所有资料全部依赖于野外实地j i i 测。但是， 山于非点源污染是一种1 自j 歇发生的，随机性、突发性、不确定蚀很强的复杂过税。 所以，基础数据收集工作的劳动强度火、效率低、周期k 、j 5 5 j h 商，j 旺l i l 往往l l j j ： 数掘资料缺乏或可靠性差等原因，影响污染负荷的估算精度。当前，野外实地监测 it j i 沧 仍是非点源污染研究中不可缺少的一种手段，但它在多数情况下仪是作为一种辅助 于段，y 受i i jj 二各类模型f f 】验江年u 模型参数的校1 i i 。礼i 野外实测t h 多聚川综合试 验场法和源类型划分法。 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，以小区的单位污染负荷 量估算整个研究区域的非点源污染负荷量。采用这种方法，j 1 ：作量不大，花费也较 少，因而在我困得到广泛应用。但i i ：作巾媳型小区较难确定，而儿n 。囊源污染足 种时空差异性很强的现象，仪以小区研究代臀人区域，皿然污染负荷的计算精度刁j 高，也不利于了解污染的地域差异。 源类型划分法 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非点源类型区，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，同步监测水量和水质，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方式对非点源污染总负荷量的贡献，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。 1 3 2 ，2 人工模拟试验 随着对降雨机理的深入研究，人工和雨器能够模拟i i 各利t 类型的自然降阿，因 而可以在人为控制条件下模拟各种自然条件下的：| e 点源污染。人工模拟试验的优点 是可以获取大量在野外工作中无法得到的数据，解决了传统办法研究剧j 9 j 长、# e 资 高等缺陷。目前，人工模拟试验主要用于非点源污染机理和模型的研究( j 丫1 保庆等， 2 0 0 0 ) ，国外的应用较多，如r h e a 等( 1 9 9 6 ) 在美国内华达州的采用人工降衔方法 研究了土壤中胶体结合态氮和磷的迁移；b a r r o s 等( 1 9 9 9 ) 用人工降雨技术研究了 砂壤i 二和粉质粘壤上的降雨径流的产流特征。 1 3 2 1 3 数学模型计算机模拟 在进行非点源污染的最化研究以及影响评价硐辟于染治删时，最为有效羽i 盘接的 研究方法足建立模拟模型，进行时问和空间序列i ：的校拟。 在非点源污染研究巾，列定量控制和过程的要求较为严格，从客观上促进了非 点源污染模型的发展。随着人们对非点源污染研究的深入，理论的成熟，i i i 测的完 塑!：厶=i!堂!堂熊堡塞一 善，农业非点源污染模型取得了长足的进步，定量计算力法| _ i 趋完善。 1 3 3 农 l k ：4 t j 点源污染模型化研究进展 1 3 3 1 模型发展阶段 1 9 7 2 年美国水污染控制法修e 案的制定标志着非点源污染研究的重大转 折。这项法律明确规定，在制定水污染防治规划时，必须同时包括点源和非点源防 治规划。这项法律极人地促进了美 玉l a l z 点源污染聊f 究的j i ：腱，提出了一些有影响的 非点源污染模型。 非点源污染模型研究可分为4 个发展阶段( 李怀恩，1 9 9 6 ；郑丙辉，1 9 9 8 ；杨 爱玲，1 9 9 9 ；张水龙，1 9 9 9 ；牛志明，2 0 0 1 ) ： 第1 阶段为“前计算机时期”，在2 0 世纪5 0 一6 0 年代，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 ，在径流计算和土壤侵蚀预报方面发挥了 重要的作用。 第2 阶段涵盖整个2 0 世纪6 0 年代，此阶段中开始出现计算机模型，也是人们 通常所说的水文学黄金时期，但是山于那时计算机费用高昂，只有极少数的人学和 机构进行了此类模型的开发，其中较为成功的模型是s t a n f o r d 流域模型。 第3 阶段从2 0 世纪7 0 到8 0 年代，从7 0 年代初期到中期，是非点源模型大发 展的时期，非点源污染研究取得了两方面的重要进展：一是从简单的经验统汁分祈 提高到复杂的机理模型：二是从长期平均负荷输出或单场暴雨分析上升到连续的时 问序列响应分析。如h y d r o c o m p 公司的非点源污染系列模型p t r h s p a r m n p s ，以及其他研究者丌发的s t o r m 、a c t m o 、u t m 、l a n d r u n 等。这些模型 大都是以水文数学模型为基础的非点源污染模型。在非点源污染管理方面，这个时 期逐步形成和使用最佳管理措施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 ) 。7 0 年代后期， 特别是8 0 年代以来，研究的重点主要转向如何把已有模型应用到非点源污染的管理 r i t 去，开发新的实用模型，研究并广泛实施非点源污染控制与管理措施等，同时注 意经济效益的分析，于是出现了新一代n p s 污染模型，如c r e a m s ( c h e m i c a l s ， r u n o i f , a n de r o s i o nf o ra g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) 、a n s w e r s ( a r e a ln o n p o i n t s o u r c ew a t e r s h e de n v i r o n m e n t r e s p o n s es i m u l a t i o n ) 和a g n p s ( a g r i c u l t u r a ln o n p o i n t s o u r c e ) 等均为此阶段丌发而成的。 p 一一一。 第4 阶段，从2 0 世纪8 0 年代未期到现舀! ，i l jj ：p c 的人范围普及，有些模型 逐步进行功能改_ l ：! ，以求应j l j 于p c 或一般二i j 作站，同时模型逐渐与g i s 结合，演 变为种模型综合体，提高了模魁的输入i l 功能和运行效率，新技术的引进和腑测 于段的进一步健全，有力地推动了农业非点源模型研究：= 作，并使结果更精确。 在我田，t h 。j i 刘：囊源污染研究还小够赡丰见，加之l ：r i 源污染研究与污染物总 虽控制规划脱节。研究手段孤立、分散，主要集一l - 住人：l = 模拟试验研究与野外试验 ( 邬伦，1 9 9 6 ：单保庆，2 0 0 0 ：张兴昌，2 0 0 0 ：贺宝根，2 0 0 1 ；黄满湘，2 0 0 1 ) ，非 点源污染控制对策也十分薄弱，研究内容已经涉及胁j i 源污染负衍评价、模型介州 及模型与g i s 结合技术等( 上海市环境保护局，1 9 9 5 ：蔡崇法，2 0 0 1 ；张水龙，2 0 0 1 ) ， 但参与人员极少，且研究存在阶段性和孤立性，还未形成体系，更未延展深入到管 理、政策的研究。 模型应用和r 丌发方面，在我国出于受基础数据和技术手段的限制，大多采用抛 丌污染物在区域地表的实际迁移过程，立足于受纳水体水质分析，计算汇水区域污 染物输出量的经验统计模型( 夏青，1 9 8 5 陈西平，1 9 9 1 ；施为光，1 9 9 4 , 李怀恩， 1 9 9 7 ) ，模型的计算般采川流域水义模型o j 降m 径流污染负俯仙算模型1 1 j 接l l 的力 法。 1 3 3 2 模型的分类 综合国内外的非点源污染模型的特点，可以从以下方面进行分类f 李怀恩，1 9 8 7 、 牛志明，2 0 0 1 ) ： ( 1 ) 按降雨径流予模型的复杂程度分类，可分为三类：筇类足以水文学i t 的 推理公式法为基础的模型。这类模型的降雨径流子模型的范围是从最简单的径流系 数法到美国水土保持保持局的s c s 法。第二类是以水文学l 1 i 的时段单似线或瞬时卟 位线概念为基础的模型。可分为酣种情况：一是降雨径流予模型采用单位线法进行 汇流计算，即用时段或瞬时单位线推求流量过程线；二是用时段或瞬时单位线推求 非点源污染负荷过程线。第三类足以水文数学模型为基础的非点源污染数学模型， 这类模型大都属于机理模型，即试图详尽地描述非点源污染的物理、化学和生物过 程。这三类模型都已广泛应用，且符有特点及适条件。笫一类模型的特点足简啦 实用，对资料要求不高；第三类模型可对非点源污染的主要过程进行详细模拟，具 有预测功能，但需要较多的实测资料：第二炎j 法介于二者之间。 塑坚厶望坚! ：望垡迨羔一 ( 2 ) 按照对研究区域( 流域) 的处理方法，可分为集总参数模型( l u m p e d m o d e l ) 和分散参数模型( d i s t r i b u t e dm o d e l ) 两类。集总参数模型是把研究区域作为一个整体 来考虑，在有关特性均匀一致条件下建立的模型，模型把影l i 向过程的各因予进行均 一化处理，得出一个综合各因子的参数，进而对流域水文过程的窄问特性实行、卜均 化的模拟，该种模型假定：流域各因子分斫i 是均一的，在给定的浆一次降l i l , j q - 一，流 域的一些窄问闪予，如降雨、地形、篱雕措施、i ：壤类型等刈流域水文过程不产q - 影响、模型的输出端是一个单一的结果，不包含流域水文过程空间特性的具体信息， 模型所采j i 】的实际一l ：足。种经验力法，所以 l f 确度较低，f ：需要历史数 i ：的校验。 分散参数模型是将研究区域划分为较小的具有均一特性的单元，然后对每个单 元分别进行模拟，通过叠加的方法得到流域总输出。模型充分考虑了流域各个因子 的空间差异性，它把流域细化为多个连续的小单元，不同单元中流域因子不同，而 同一个单元中的流域因子是近似相同的。因此，模型可以对流域内的任一“点”进 行模拟和描述，从而把各个单元的模拟结果联系起来，扩展为整个流域的输出结果。 集总参数模型采用流域内各点参数的平均值束代表和概括总体特性，在实践- i 有很大的局限性和粗放性，分散参数模型提供了一种从微观到宏观的思路年f i 方法， 但这种模型要求输入的参数量太多，而且在进行模拟计算时，还需对数据进行预处 理，c r e a m s 、a g n p s 模型和a n n a g n p s 模型就足一种分散参数模型。 ( 3 ) 根据模型建立的途径和所模拟的过程，模型通常可分为经验模型( e m p i r i c a l m o d e l ) 或黑箱模型( b l o c k - - b o xm o d e l ) 、物理模型( p h y s i c a l l y - - b a s e dm o d e l ) 或过程模 型( p m c e s s b a s e dm o d e l ) 、概念模型( c o n c e p t u a lm o d e l ) 、随机模型( s t o c h a s t i c m o d e l ) 等。 经验模型或黑箱模型 经验模型是在一定条件下，以实地观测或实验数据为基础建立的，而不是理论 推导而得的模型，所以模型与相同或相似条件下的实际观测值较为吻合、模型的可 靠性往往与实际经验有很大关系。这种模型可能是一个粗略的关系式，也可能是一 个复杂的多样回归方程，由于它们只是把输入的数据通过定的算式转变为输出结 果，而对于物理过程则无法模拟，所以有时也把经验模型称为黑箱模型。这种模型 相对比较简单，运算所需的数据量也比较少。在土壤侵蚀和农业非点源污染研究和 化产实践巾，最常见也足心川最广泛的种经验模型足u s l e ( u n i v e r s a ls o i ll o s s i j ! ! ! 二，一 _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ 一 e q u a t i o n 、，此外由u s l e 演变而成的其他经验模型还有：r u s l e ( r e v i s e d u n i v