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作者 水土流失面源污染及其防控研究综述
waterba


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第1楼于 2012-10-12 05:02 user profilesend a private message to usersearch all posts byselect and copy to clipboard. 
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[摘要]水土流失是面源污染发生的重要形式和运输的主要载体,开展水土流失面源污染防控研究对于保障区域或流域生态安全具有重要的现实意义。阐述了水土流失、面源污染与水体环境的因果效应,在概括水土流失面源污染防控和模型化研究现状的基础上,提出了开展水土流失和面源污染研究的建议。

[关键词]水土流失; 面源污染; 防控; 模型化

[作者]莫明浩 方少文 涂安国 刘政辉 张杰

[中图分类号]S157; X52 [文献标识码]C [文章编号]1000-0941(2012) 06-0032-03

随着点源污染的有效控制和治理,面源污染已成为影响水环境质量的重要污染源。在我国,很多水体尤其是湖泊、水库中面源污染对污染负荷的贡献已占到相当大的比例,对经济社会的可持续发展和群众生产生活造成严重影响。水土流失是面源污染的重要来源,过度垦殖、不合理的生产活动和土地利用方式导致土壤侵蚀、养分流失,在径流冲刷下形成面源污染。加强水土流失面源污染及其防控措施的研究,有助于促进水土保持科研和相关水利工作的开展,对于保障区域或流域生态安全具有重要意义。

1 水土流失、面源污染与水体环境的因果效应

面源污染,或称非点源污染,是指溶解性或固体污染物在降水和径流冲刷作用下汇入受纳水体而引起的水体污染。相对于点源污染而言,面源污染没有固定的排污口,也没有稳定的污染物输送通道[1]。面源污染物主要来源于土壤侵蚀、化肥与农药的过量使用、城市和公路径流、畜禽养殖和农村废弃物等[2]。面源污染分布范围广,危害程度大,监测、管理和控制困难,已成为水体水质恶化的主要原因。在美国,面源污染被认为是环境污染的第一因素,60% 的水污染来自于面源污染物;在加拿大、日本及欧洲各国,50% 以上的湖泊污染负荷来自面源污染[3]; 在我国,主要河流湖库都呈现不同程度的富营养化,尤其是N、P 和其他营养盐类等面源污染物造成太湖、巢湖、滇池等重要湖泊富营养化趋势加剧。

水土流失主要指地表组成物质受流水、重力或人为作用造成的水和土的迁移、沉积过程。水土流失带来的径流和泥沙不仅本身就是一种面源污染物,而且是有机物、金属、磷酸盐以及其他毒性物质的主要携带者,所以水土流失会给水体水质带来严重影响。具体表现为面源污染是伴随着水土流失的发生与发展而形成的降雨—径流—侵蚀—水污染负荷输出[4]的过程,即污染物在降雨所产生的径流冲刷作用下,由径流和泥沙携带,最终达到受纳水体,进而破坏水体环境。

国内许多学者对水土流失与面源污染的因果效应持相同的观点: 石辉[5]将由水土流失触发的面源污染定义为水土流失型面源污染,认为水土流失型面源污染是在土壤侵蚀运移基础上产生的,因此它是以侵蚀过程为基础,并在其上耦合进入水体的污染过程; 段淑怀等[4]认为土壤侵蚀与面源污染是一对密不可分的共生现象,特别是在农业面源污染中,土壤侵蚀是造成水体污染的主要形式; 由于径流和泥沙携带大量的养分,因此水土流失过程也必然伴随着养分流失[1],杨爱民等[2]认为水土流失是面源污染发生的重要形式和运输载体,也是引发水库、湖泊、河流等地表水体富营养化的重要原因。随后,研究人员陆续开展试验,加强了对水土流失产生面源污染形式的研究。研究成果表明: 土壤中的氮素主要以水溶态的形式存在,通过地表径流、地下径流淋溶携带等途径进入水体; 磷肥、农药、重金属等主要以吸附态的形式存在,通过土壤流失被土壤颗粒携带进入水体[6]。由于水土流失引起面源污染发生和水体环境恶化的联动效应,所以有关水土流失面源污染的研究逐渐受到重视,成为水土保持领域新的热点,但是目前的研究成果仍以定性的居多、定量的较少。

2 水土流失面源污染防控研究

2.1 水土流失面源污染影响因素

水土流失面源污染的防控与其影响因素密切相关。面源污染物的产生主要以水土流失为途径,因此影响水土流失的主要因素(自然因素和人为因素) 对面源污染也有很大影响。自然因素包括降雨、坡度、下垫面条件、土壤初始含水率、植被覆盖率等,近地表土壤水文条件对坡面的侵蚀过程产生显著影响,进而影响到面源污染物的迁移过程[7]。人为因素主要指对土地的不合理利用[4]等,尤其是施肥和农业耕作对面源污染有很大影响[7]。

水土流失产生的泥沙一方面给水体带来物理、化学、生物等方面的污染,另一方面当水环境条件发生改变时,由废污水携带的泥沙吸附的污染物质被解吸到水相中造成二次污染[8],故土壤与化学物质之间的相互作用(吸附与解吸) 等是决定泥沙和径流携带化学物质浓度的关键因素[7]。因此,对侵蚀泥沙的防治可减少水土流失面源污染。

为防控水土流失面源污染,国内外学者对水土保持耕作法(少耕、免耕) 、农地过度施肥、近地表土壤水分条件等影响污染物运移的机理进行了研究[9]。水土保持措施能够吸收、过滤、迁移和转化土壤或水体中的一些有害物质,防治面源污染,优化流域或区域水环境。因此,研究不同水土保持措施在防控化肥、农药和有机肥等面源污染方面的作用,采取有效的水土保持措施控制水体污染,是面源污染水土保持控制技术研究的主要内容[10]。

2.2 水土流失面源污染防控

面源污染控制主要有3 种途径: 第一种是对污染源系统的控制,第二种是对污染物运移途径的控制,第三种是对污染汇系统的控制。水土保持措施对前两种控制途径均有重要影响,尤其是生物措施,通过提高植物覆盖度、改善土壤质地、增强土壤团粒结构、增加土壤微生物种类和数量、改善土壤水分条件等,对化肥、农药、重金属等污染物的植物吸收、微生物降解、化学降解等具有显著的正向促进作用,能减少污染源系统的污染物通量[11]。此外,工程措施通过控制侵蚀和搬运过程来控制面源污染物的扩散,截断面源污染的污染链和减少污染量,主要表现在拦蓄径流、泥沙,从而减少吸附的营养盐和有毒元素等,达到净化径流水质、保护水体功能的目的[12]。

美国环保署(USEPA) 提出的“最佳管理措施(BMPs) ”是目前普遍认为值得采用的面源污染防治体系。它是指任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序,其工程措施既包括修建沉沙池、渗滤池和集水设施等传统的工程措施,也包括建设湿地、植被缓冲区和水陆交错带等新兴的生态工程措施。杨爱民[13]认为水土保持生物措施、工程措施(除传统的水土保持工程措施外,还包括兼具拦截径流、净化水质功能的小型人工湿地措施等) 和农业技术措施(除水土保持耕作技术外,还包括合理施肥技术等) 都对面源污染的防控具有重要作用。

我国学者采用设置径流小区进行天然降雨观测和人工模拟降雨试验等方法,对生物毯、生物带、秸秆覆盖、鱼鳞坑、梯田、台地等不同水保措施防治面源污染的效果进行了研究。此外,生态清洁型小流域建设是防治流域内水土流失和面源污染的主要措施,如2006 年北京市综合治理后的小流域比未治理的小流域平均削减总氮34.5%、总磷20.8%,小流域出口的水质达到地表水Ⅲ类标准以上[4]。目前我国对于水土流失面源污染防控的试验研究多以小区尺度的观测分析为主,在流域尺度中对水土保持措施的减流抗蚀效应研究得较多,而对于面源污染防控还有待进一步深入研究。

3 水土流失与面源污染模型化研究

水土流失与面源污染负荷定量化研究是流域污染环境治理的基础工作,而利用土壤侵蚀模型、水质模型、水文模型和有关污染模型来估算和模拟污染负荷,是对面源污染规律进行评价研究的基本方法。水土流失面源污染的实质在于水土流失,因此修正后的水土流失预测预报模型可用于面源污染监测。根据模型原理和模拟过程,面源污染模型通常可分为经验模型或黑箱模型、物理模型或过程模型、概念模型、随机模型等[14]。20 世纪50、60 年代,以美国农业局为首的研究机构开发了一些有关水土流失和面源污染的经验统计模型,包括SCS 曲线代码和通用土壤侵蚀方程(USLE)。20 世纪70 年代初,出现了直接模拟面源污染发生、发展及影响的数学模型,例如美国农业部农业研究局研发的CREAMS 模型奠定了非点源污染模型发展的里程碑。20 世纪80 年代以来,学者们开始将RS、GIS 与一些经验统计模型进行集成,尤其是随着“3S”技术的迅猛发展,分布式参数机理模型的空间数据输入效率、模拟输出显示和模型运行效率都大大提高,AGNPS 与稍后改进的AnnAGNPS、ANSWERS、SWAT 等模型相继产生并在国内外得到了广泛应用。

模型化也是我国面源污染研究的主要方向,但目前多为引用国外模型或加以修正。例如,USLE 在2000 年全国因水土流失引发的氮磷流失量匡算中得到应用,经验证后得出吸附态氮素和磷素的流失总量分别为104.22 万、34.65 万t[15]; AnnAGNPS模型在福建省九龙江典型小流域、GIS 技术在汉江中下游、SWAT 模型在黑河流域、RUSLE 在江苏省方便流域等均有实例应用。目前,从水土流失面源污染的3 个环节——降雨径流、水土流失及污染物迁移等过程出发,研究面源污染的实质和特征并进行预测预报,已成为水土流失面源污染重要的研究方向。

4 结语

水土流失不仅导致土地退化、耕地毁坏,制约山区经济社会发展,而且加剧江河湖库淤积和洪涝灾害,恶化生存环境,对我国的生态安全构成重大威胁。因此,国家对于水土流失面源污染的研究和防治工作十分重视: 2005 年启动的“中国水土流失与生态安全综合科学考察”设立了“水土保持的水资源与水环境效应研究”专题,将水土流失与面源污染作为其重点研究内容之一; 2011 年中央一号文件明确提出“搞好水土保持和水生态保护”; 2012 年全国水土保持工作会议要求“统筹搞好水土流失防治和面源污染控制”,以水土流失面源污染及其防控研究作为支撑。考虑到水土流失与面源污染之间关系密切,笔者建议将两者的研究结合起来,同时认为今后我国亟待加强由水土流失引起的面源污染问题研究,研究重点: 一是加强水土流失对面源污染形成和运移机理及其对水质影响研究; 二是结合水土流失模型开展面源污染模拟及其预测预警研究; 三是建立水土流失与面源污染一体化监测体系并推广应用。

[参考文献]

[1]胡宝祥,马友华.水土流失及其对农业非点源污染的影响[J].中国农学通报,2008,24Devil : 408-412.

[2]杨爱民,王浩,孟莉.水土保持对水资源量与水质的影响研究[J].中国水土保持科学,2008,6(1) : 72-76.

[3]文军,骆东奇,罗献宝,等.千岛湖区域农业面源污染及其控制对策[J].水土保持学报,2004,18(3) : 126-129.

[4]段淑怀,路炳军,王晓燕.浅谈北京市山区水土流失与非点源污染[J].中国水土保持,2007(9) : 10-11,52.

[5]石辉.水土流失型非点源污染[J].水土保持通报,1997,17(7) : 99-101.

[6]吴希媛,张丽萍.坡地水土流失对水体富营养化贡献的研究进展[J].水土保持研究,2006,13(5) : 296-298.

[7]张玉斌,郑粉莉,武敏.土壤侵蚀引起的农业非点源污染研究进展[J].水科学进展,2007,18(1) : 123-132.

[8]胡国华,赵沛伦,肖翔群.黄河泥沙特性及对水环境的影响[J].水利水电技术,2004,35Musical Note : 17-20.

[9]郑粉莉,李靖,刘国彬.国外农业非点源污染(面源污染) 研究动态[J].水土保持研究,2004,11(4) : 64-65,112.

[10]牟信刚,陈为峰,史衍玺,等.不同措施在防治山地果园水土流失及面源污染中的应用研究[J].环境污染与防治,2007,29(12) : 916-919,924.

[11]杨爱民,段淑怀,刘大根,等.水土保持的水环境效应研究[J].中国水土保持科学,2007,5(3) : 7-13.

[12]王昭艳,李亚光,李湛,等.水土流失防治措施在非点源污染控制中的作用[J].水土保持学报,2003,17 Devil : 92 -94,109.

[13]杨爱民.水土保持措施防治非点源污染的作用机制[J].中国水土保持科学,2007,5Devil : 98-101.

[14]牛志明,解明曙,孙阁,等.非点源污染模型在土壤侵蚀模拟中的应用及发展动态[J].北京林业大学学报,2001,23(2) : 78-84.

[15]杨胜天,程红光,步青松,等.全国土壤侵蚀量估算及其在吸附态氮磷流失量匡算中的应用[J].环境科学学报,2006,26(3) : 366-374

作者简介:莫明浩(1981-) ,男,江西抚州市人,工程师,博士,主要从事水土保持与流域生态环境研究工作。

来源:中国水土保持


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2898 水土流失面源污染及其防控研究综述 waterba 5306 2012-10-12 05:02

 
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