【正文】 1 博士論文開題報告 作者： 何圣嘉 指導教師： 呂 軍 教授 (說明支持項目的題目、編號和來源，也可以是自選課題 ) 題目： 農業(yè)流域非點源污染的定量及 基流負荷貢獻率研究 課題來源： 基于物聯(lián)網的小流域廢物集中處置與資源化利用技術研究及示范 （ 國家科技支撐計劃 ） （說明研究意義，詳述國內外研究現(xiàn)狀，并對現(xiàn)狀進行分析） 研究意義 隨著人口的不斷增長和社會經濟的快速發(fā)展，各種環(huán)境問題日趨嚴重，其中水環(huán)境污染成為制約中國乃至全球社會、經濟可 持續(xù)發(fā)展的重大問題?！?20xx中國環(huán)境狀況公報》顯示，長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河、浙閩片河流、西北諸河和西南諸河等十大流域的 469個國控斷面中，Ⅳ類至劣 V類水質的斷面比例為 %；美國環(huán)保署最近的環(huán)境公告顯示，全國參加評估的 26%的河流中，有近 50%的河流水質仍受到污染；歐洲受嚴重污染地表水所占的比例約 20%。從水污染的成因來看，由農業(yè)生產、水土流失以及大氣沉降等引起的非點源污染已經成為水環(huán)境的首要污染源和第一大污染源 (Miller, 1992。 Yang et al., 20xx。 Gong et al., 20xx)， 全球受非點源污染影響面積 占總 陸地 面積的 30%－50%(Dennis amp。 Corwin, 1998)。 其中，由農業(yè)生產活動所引起的水環(huán)境 非點源污染 問題一直是 美國及其他西方國家水體污染研究所關注的 焦點 (Ongley et al., 20xx)。 根據(jù) 美國、日本以及歐洲等國幾十年來的 相關 研究，即使點源污染完全實現(xiàn)零排放，河流的達標率也僅有 65%，湖庫的達標率同樣只有 42%，而農業(yè)非點源污染則是導致這一問題的關鍵所在。例如， Boers(1996)曾報道荷蘭農業(yè)非點源污染產生的氮、磷 污染物的量分別占水環(huán)境中相應污染物總量的 60%和 40%－50%。而在美國，非點源污染約占總污染量的 2/3，其中農業(yè)非點源污染占非點源污染總量的 68％ － 83％ (Miller, 1992)。 就國內而言，非點源污染 同樣成為了一個日益突出的社會問題 ，有 近 %的河流、湖泊存在富營養(yǎng)化問題，其中太湖、巢湖和滇池流域總氮、總磷比二十年前分別提高了十倍以上，其中 50%以上的污染負荷 則是 由農業(yè)非點源污染所引起 (程炯 等 , 20xx)。由此可見，如何有效控制非點源 (尤其是農業(yè)非點源 )污染己成為許多國家和地區(qū)進一步控制水體污 染、改善水環(huán)境的關鍵所在。 然而，非點源污染并不僅僅局限于河流、湖泊等地表水體，不合理的農業(yè)生產活動同樣容易引發(fā)地下水系統(tǒng)的非點源污染問題 (Hall et al., 20xx。 Shaffer amp。 2 Delgado, 20xx)。目前已有大量研究表明，不合理的農業(yè)活動 (例如，過量施用化肥、畜禽糞便等 )是導致地下水中硝酸鹽污染的主要原因 (Carey and Lloyd, 1985。 Spalding amp。 Exner, 1993。 Wylie et al., 1995。 DeSimone and Howes, 1998。 Hudak, 20xx。 Harter et al., 20xx。 Ledoux et al., 20xx。 Oyarzun et al.,20xx), 其中 NO3－ 是地下水非點源污染物中最為常見、最為典型的一種 (Postma et al., 1991)。就國內而言，在進行 水資源調查評價的 197 萬 km2平原區(qū)淺層地下水中， Ⅳ 類和 Ⅴ 類水質面積高達 %，太湖、遼河、海河以及淮河等流域地下水超標的面積分別高達 %， %， 和 %(薛禹群和張幼寬 , 20xx)。隨著 非點源污染效應的逐漸積累，很有可能造成地下水環(huán)境容量枯竭，水質的嚴重惡化，最終使地下水轉變?yōu)榈乇硭w一個重要的非點源；尤其是在沒有降水或者降水較少的枯水期，地表直接徑流所引起的非點源污染通?？梢院雎裕叵滤畡t成為了地表水體中硝酸鹽和農藥等污染物最主要的來源 (Hallberg, 1987, 1989。 Squillace et al., 1993。 Gburek amp。 Folmar, 1999)。 當前，在人口快速增長和有限耕地不斷減少的情況下，如何在保護環(huán)境的同時又確保糧食安全，是我國正面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。 為了在有限的土地資源中獲取更高的糧食產量，大量的合成氮肥被應用于農業(yè)生產中，這使得我國成為目前世界上化肥使用量最大的國家 (Sun et al., 20xx)。這種以農業(yè)化學為基礎的集約型農業(yè)在帶來高產量的同時，嚴重的農業(yè)非點源污染也隨之而來。盡管人們已經認識到非點源污染的嚴重危害，但更多的研究集中在地表徑流的非點源污染問題，很少有研究專門考慮基流或者地下水對非點源污染的貢獻或影響。加之我國目前地下水污染日趨嚴重，呈現(xiàn)由點到面、由淺到深、由城市到農村的擴展趨勢 , 全國 195 個城市監(jiān)測結果表明 , 97%的城市地 下水受到不同程度污染 , 40%的城市地下水污染有加重趨勢 (羅蘭 , 20xx)。因此， 在進行流域非點源污染定量研究的基礎上， 如何更好地評估基流與地下水對非點源污染貢獻， 實現(xiàn)地表水與基流污染負荷的分割，并通過 分析總結其變化規(guī)律， 制定流域 最佳管理措施 (Best Management Practices)來有效控制或減少流域非點源污染已經成為我國 一個亟待解決的問題 。 問題的提出： 自 20 世紀 70 年代至今，大量有關非點源污染方面的研究為流域尺度上水環(huán)境非點源污染物的控制和管理提供了理論上和方法上的支持和借鑒。盡管隨著 相應污染防治技術的發(fā)展，人們環(huán)保意識的不斷提高，地表徑流排放的污染物的控制和管理已日見成效，但由于欠缺對地下水質管理方面的考慮，使得地表河流水體的水質并沒有得到明顯的改善 (Freeze amp。Cherry, 1979。 Schilling amp。 Zhang, 20xx)。地下水主要以壤中流和基流的形式來作用于地表水體 (Freeze amp。 Cherry, 1979)， 通過與地表水體進行水量或溶質的交換來影響對方 (Sophocleous, 20xx)。相關一些研究表明，當?shù)叵滤囱a在整個徑流過程占主導地位時 (如枯水期 )，河流水體中NO3－ 、 P 等污染物的濃度與淺層地下水中相應的污染物質的濃度具有較強的相似性 (McHale et al., 20xx。 M252。ller et al., 20xx。 Donn et al., 20xx)，且與地下水的流量與水位的波動密切相關 (Arheimer amp。 Liden, 20xx。 Wriedt et al., 20xx)；就基流而言，其對 NO3–N 負荷量的貢獻可能較暴雨徑流來的更大，貢獻率可高達 60%以上(Pionke et al., 1999。 Schilling amp。 Zhang, 20xx。 Kim et al., 20xx)，甚至高達 75%(Zhu et al., 20xx)；盡管農業(yè)流域中 P 的遷移傳輸方式更多的是以地表徑流傳輸和壤中流的遷移傳輸，但通過基流形式輸出的 P 負荷量同樣不容忽視，其對 P 輸出的貢獻率可達 30%－ 50%(Caruso, 20xx。 M252。ller et al., 20xx)。除此之外，過去關于基 3 流的研究大多是通過觀測枯水期間水質基礎上所進行的，而非基于對基流的測量結果 (Barber et al., 20xx。 Hur et al., 20xx)；加之河岸帶高地下水位滲 透區(qū)的存在，即使是暴雨徑流期間，總徑流量依舊可能為該類滲透區(qū)回流的高濃度 NO3–N 流所主導 (Pionke et al., 1988,1993。DeWalle amp。 Pionke, 1994)。這也就意味著，在實際研究中很有可能存在對暴雨徑流非點源污染負荷的高估和基流非點源污染貢獻的低估。因此，污染地下水以基流的形式反補給地表水已經成為了流域非點源污染控制管理，改善地表水體質量的一個重要限制性因子。然而，由于無法有效地通過實驗對基流分割的結果進行科學論證，致使各種徑流分割和水源界定的理論和方法之間仍存在著較大爭 議，如何準確地估算基流量則成為了基流非點源污染貢獻評估的關鍵。 綜上所述，為了更好地實現(xiàn)流域非點源污染的控制與管理，有效改善地表河流水體的水質，目前仍需對以下幾個問題進行深入研究： 1)以非點源污染模型為研究手段，實現(xiàn)流域非點源污染物在水陸界面中遷移的動態(tài)模擬及定量描述，是進行流域非點源污染總量控制的前提和重要環(huán)節(jié)； 2)利用環(huán)境同位素和水文化學分析基本水文過程，對基流流量進行定量，評估基流對該流域非點源污染貢獻量，并結合流域特征，構建地表徑流與基流非點源污染負荷分割模型，是進行流域污染負荷分割的基礎； 3)分析 研究地表徑流以及基流中污染物的年際變化與月動態(tài)規(guī)律，以及不同情景變化下污染負荷的變化規(guī)律，為制定相應的最佳管理措施提供依據(jù)。 國內外研究現(xiàn)狀 水環(huán)境非點源污染研究進展 從廣義上來說，水環(huán)境非點源不僅僅是指降雨徑流引起的污染，而且也囊括了大氣干濕沉降、土壤侵蝕、河流底泥二次污染以及生物污染等諸多方面。國際上關于非點源污染的研究最早始于 20世紀 60年代，并率先在歐美等發(fā)達國家得到開展。 70年代是非點源污染研究的探索期，雖然非點源污染研究在 70年代中后期有了較大的發(fā)展 － 由 影響因素和宏觀特征研究由相 關因素分析和時空分異分析轉向與非點源污染控制密切相關的主控因子和源區(qū) ( 危險區(qū)域 ) 空間分析，有關非點源污染物的遷移和轉化研究也有了初步進展 (楊愛玲和朱顏明 , 1999)，然而仍局限于非點源污染源調查、非點源特性分析、單場暴雨和長期平均污染負荷輸出以及非點源污染對水質的影響等方面的初步認識研究，但期間所積累的大量關于非點源污染對水質的影響的研究成果為之后非點源污染模型的蓬勃發(fā)展以及非點源污染控制管理對策的制定奠定了基礎。例如，城市暴雨洪水管理模型(SWMM)、城市地表徑流數(shù)學模型 (STORM)、農業(yè)化學品運 輸模型 (ACTMO)、統(tǒng)一運輸模型 (U TM)、農業(yè)經濟管理模型 (ARM)以及流域模型 (HSP)等模型相繼問世。美國作為開展非點源污染研究最多的一個國家，在建立了 SCS模型 (US Department of Agriculture, 1956)和 USCLE模型 (Wischmeier, 1976)基礎上，成功實現(xiàn)了徑流計算和土壤侵蝕預報，并于 1976年首次提出了最佳管理措施 BMPs (Best Management Practices )，詳細介紹了應用模型分析法評價和預測管理措施的實施效果。 進入 80年代以后，隨著世界各地對非點源污染問題的重視程度的進一步增加，非點源污染研究無論是在基礎研究還是在模型開發(fā)方面都得到了飛速的發(fā)展 。 例 如 ， CREAMS(USDA, 1980) 、 ANSWERS(Beasley et al., 1980) 、GLEAMS(Leonard et al., 1987)、 AGNPS(Young et al., 1989)等諸多經典非點源污染 4 模型的出現(xiàn)、傳統(tǒng)的土壤流失方程的改進 (修改為 RUSLE)(Renard et al., 1997)以及最佳管理措施 (BMPs)的進一步發(fā)展和完善都標 志著非點源污染研究已經由原先簡單的統(tǒng)計分析向機理模型研究轉變，由平均負荷輸出或單場暴雨分析向連續(xù)的時間響應分析轉變，而模型的發(fā)展也由原先的集總式向分布式模型發(fā)展，模型的研究開始以過程為依據(jù)、并與管理、控制措施相結合，更強調普遍適用性和實際應用價值。 自 20世紀 80年代末、 90年代初以來，非點源污染控制相關的影響因子以及污染物遷移轉化方面的研究繼續(xù)得到加強，其中微生物的遷移轉化成為新的研究熱點。另一方面，通過在非點源污染模型研究中引入 RS、 GIS技術 , 不僅大大提高了模型的有效性、實用性和可視化程度，而且實現(xiàn) 了從單純的非點源污染的數(shù)學模擬工具向一種系統(tǒng)決策工具的轉變，例如，目前應用較為廣泛的 SWAT(Soil Water Assessment Tool)模型 (Arnold et al., 1996)、 HSPF(Hydrological Simulation ProgramFortran)模型 (Bicknell et al., 1996)等，而以非點源模型為基礎的非點源污染風險評價與控制管理成為當前模型應用研究的一個重要方向。 與歐美等發(fā)達國家相比，我國的非點源污染研究起步相對稍晚，且最初 (1980－ 1990)有關非點源污染的研究主要圍繞城市和農業(yè)非點源污染徑流特征與污染負荷的關系分析與定量計算所展開 (夏青 , 1982。 朱萱 等 , 1985。 溫灼和等 , 1986。 吳林祖 , 1987 )。自 90年代至今，農藥、化肥等非點源污染特征及其影響因子的研究與基于經驗統(tǒng)計模型所進行的非點源污染的研究依舊占重要地位，而有關 3S技術非點源污染的定量研究 (陳西平 , 1993。 王少平 等 , 20xx。 周慧平 等 , 20xx。 黃金良 等 , 20xx。 煙貫發(fā)等 , 20xx。)、以結合了 3S技術的水質模型與為基礎的非點源污染定量與源識別研究 (如，楊桂蓮等 , 20xx。 陳軍鋒 和 陳秀萬 , 20xx。 李家科 等 , 20xx。 秦耀民 等 , 20xx。 趙中華 和 邱祖民 , 20xx。 王學 等 , 20xx)以及在定此基礎上所進行的非點源污染評價和控制管理 (王曉燕 等 , 20xx