太湖流域面源污染现状及控制途径

张红举,陈 方

(1.太湖流域水资源保护局,上海 200434;2.太湖流域管理局水文水资源监测局,江苏无锡 214024)

太湖流域面源污染现状及控制途径

张红举1,陈 方2

(1.太湖流域水资源保护局,上海 200434;2.太湖流域管理局水文水资源监测局,江苏无锡 214024)

分析太湖流域面源污染现状,归纳面源入河路径,采用流域社会经济资料对面源污染负荷进行定量研究,据此提出加强农业节水、减少农田养分投入、进行地表径流和渗漏养分的生态拦截等面源污染控制措施。

面源污染;生态拦截;污染控制;太湖流域

1 面源污染现状

太湖流域位于长江三角洲核心地区,流域总面积3.69万km2,其中太湖水体面积2338km2。行政区划分属江苏、浙江、上海和安徽3省1市。2005年流域国内生产总值 2.12万亿元,约占全国的11.7%。

随着太湖流域经济社会的快速发展,流域用水量和废污水排放量大量增加,近30年来流域水体水质不断下降。在2005年2700km评价河长中,全年期水质劣于Ⅲ类标准的河长占89%,劣于Ⅴ类标准的达61%;太湖全湖平均水质的综合评价为劣Ⅴ类(含TP、TN 指标),其中NH3-N 指标为Ⅱ类,CODMN为Ⅲ类,TP指标为Ⅳ类,TN指标为劣于Ⅴ类。

在造成太湖河网水质污染与太湖水体富营养化的各种因子中,面源污染的贡献不可忽视。所谓“面源污染”,是相对于点源污染而言的,美国清洁水法修正案(1977)对面源污染的定义为:污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水体。正是由于面源污染的这种“不确定性”,大大增加了水环境治理的难度。据统计,2005年太湖流域通过面源进入河网的COD约为34.7万t,NH3-N约为2.5万t,而流域水功能区纳污能力COD为54.7万t/a、NH3-N为3.7万t/a,大量水环境容量被面源污染负荷占据,由于面源污染分布范围广、控制难度大,在水环境治理中将显著加重点源污染负荷的削减负担。

据原国家环境保护总局粗略估计,我国水体中来自工业、生活和农业面源的污染物大约各占1/3;而据科技部“十五”重大科技专项“河网区面源污染控制成套技术”的调研表明,进入太湖的污染负荷中,83%的TN和84%的TP来源于农田、农村畜禽养殖业、城乡结合部地区和农村生活面源,贡献率远远超过来自工业和城市生活的点源污染。

2 面源污染成因分析

面源污染来源比较广泛,其中以来自农业的面源污染最为突出,太湖地区农业面源污染主要包括种植业污染、养殖业污染和农村居民生活污染等。

高投入、高产出是目前太湖地区种植业的主要特点,因此导致了高强度的氮磷排放。太湖流域现状农田肥料年用量平均为氮肥570～600 kg/hm2,磷肥79.5～99 kg/hm2,化肥平均利用率仅为30%～35%。过量的化肥投入提高了土壤的氮磷背景值,增加了氮磷向水体流失的风险和流失量。如江苏省宜兴市近20年来在耕地面积减少1/6和复种指数显著减低的情况下,化肥的总用量提高了3倍多,单位面积的化肥用量由1978年的199.5 kg/hm2提高到2004年的789kg/hm2,大大超过了合理施用量范围。同时,流域内高氮磷肥料用量的菜果花(蔬菜、水果、花卉)农田面积大幅度增长,菜果花农田上单季作物氮化肥纯养分用量平均为568.5～1999.5kg/hm2,为普通大田作物的数倍甚至数十倍,但是氮肥利用率仅在10%左右,造成氮磷大量盈余、流失。

除传统型家庭养殖猪、鸡、鸭、鹅外,太湖流域还存在较多大中型畜禽养殖场,这些畜禽排放的粪、尿中含丰富的氮、磷。根据研究,牛、猪和禽类的氮排放当量分别为60.03kg/(a◦头(羽))、4.43kg/(a◦头(羽))和0.43kg/(a◦头(羽)),磷的排放当量为13.35 kg/(a◦头(羽))、2.25 kg/(a◦头(羽))、0.16/(a◦头(羽)),实际养殖中,只有60%左右畜禽粪便用作有机肥,其余的被直接排放于环境中。在不同养殖和管理模式下,水产池塘向周围水体排出氮、磷量分别为22.5～73.5kg/(hm2◦a)和1.9～ 6.6 kg/(hm2◦a),与农田氮、磷的输出相当。而且太湖地区的许多养殖场所建于河旁湖滨,一些水产养殖场所甚至直接建立在河湖水体内,大量氮磷直接排入水体,使水体富营养化的风险加大[1]。

农村居住区内,由于农民的传统生活习惯简单,如垃圾随地丢弃、养殖牲畜方式简单、家庭粪便疏于管理、生活污水随意排放,造成生活居住区氮磷流失严重。研究表明,乡镇和农村居住点的地表径流氮磷水环境年负荷量分别达到19～39kg和3～12km2,接近或超过农田氮磷面源排放量。随着近年来太湖地区农村城镇化的迅速发展,农村居住区的污染不容忽视。

3 面源污染负荷评估

国外早在20世纪60年代就开展了面源污染模型的研究,代表模型有:农业管理系统中的化学污染物径流负荷和流失模型(CREAM)、用于农业非点源管理和政策制定的农业非点源污染模型(AGNPS)、农田尺度的水侵蚀预测预报模型(WEPP)、流域尺度的废水负荷模型(WLM)、流域非点源污染模拟模型(ANSWERS)等[2-3]。

1995年太湖流域管理局利用世界银行贷款,与荷兰Delft水力研究所合作,将 Waste Load Model(WLM)模型应用于太湖流域面源定量化研究。

2003年,河海大学在太湖丘陵地区典型小流域(宜兴梅林地区)进行了农业非点源流失规律研究。通过在流域出口断面设置矩形堰和降雨流量自动采样器,记录降雨、水位过程和采集水样,建立了区域单位面积污染物流失量与净雨深间的相关关系,为计算流域旱地降雨径流污染负荷提供了依据[4]。

图1 太湖流域面源污染入河路径概化

表1 2005年太湖流域平原区面源污染负荷入河量计算成果

2005年,太湖流域管理局与河海大学一起对太湖流域面污染源入河路径做了详细调研(图1),针对面源污染负荷时空分布不均匀的特点,对WLM模型进行了较大改进,将太湖流域面源污染分为城市和城镇降雨径流污染、旱地降雨径流污染、稻田降雨径流污染、农村生活污染、畜禽养殖污染和水产养殖污染等6种类型,分别计算其流失过程。针对太湖流域设计出一种面源污染模拟模型,根据该模型计算、统计,得到太湖流域平原区2005年面源现状入河量(表1)。

太湖流域平原区面源COD现状入河量为34.69万t/a,农村生活所产生的COD比例最大,占COD入河总量的41.6%;其次是水产养殖产污,占入河总量的27.2%。

面源TP现状入河量为0.67万t/a,农村生活所产生的TP比例最大,占TP入河总量的32.8%;其次是畜禽养殖,占23.9%。

面源TN现状入河量为6.48万t/a;农村生活所产生的TN的比例最大,占TN入河总量的50.6%;其次是农田径流产污,占入河总量的26.9%。

面源NH3-N现状入河量2.51万t/a,农村生活所产生的NH3-N比例最大,占NH3-N入河总量的60.2%;其次是农田径流产污占入河总量的26.7%。

可以看出,各种面源污染的构成中,农村生活所产生的污染物比例最大,农村生活和农田径流是面源TN和NH3-N的主要来源;农村生活和畜禽养殖产生的TP占入河总量的大部分。

4 面源污染防治措施[5-6]

4.1 加强农业节水,减少面源污染排放

太湖流域农业用水的特点是:以水稻灌溉用水为主,其灌溉用水占农业用水总量的90%;流域河网纵横,灌区以小型灌区为主。据调查,2004年流域灌溉水利用系数为0.66,农田节灌率为48%。为有效减少面源污染排放,太湖流域农业生产应大力加强节水,以提高水的有效利用率和水的生产效率为核心,农业生产发展需增加的水量通过节水获得,农业需水总量实现逐渐下降。

根据水资源综合规划,2010年、2020年流域灌溉水利用系数将分别达到0.69、0.72,农田节灌率将分别提高至62%、74%,通过在流域全面实施农业用水总量控制与定额管理,建设节水灌溉工程,推行先进节水灌溉技术,推进农业种植结构调整,推进太湖流域节水型现代农业建设。

4.2 科学减少农田养分的投入

根据不同农田生态系统、不同作物和不同生长时期的养分需求特征,建立养分投入的合理分配比例,减少肥料投入量,提高养分利用率。同时,配合农作物的秸秆还田技术提高养分投入的生态和环境效益。通过建立合理的作物配置、轮作系统等,建立高效的土壤养分库系统,如在稻田通过食物链加环技术,引入适合稻田的动物生产,增加土壤养分库的保蓄能力,提高养分库的供应能力等。

4.3 实施农田地表径流、渗漏养分的生态拦截

a.生态田埂技术。农田地表径流是养分损失的重要途径之一,目前太湖流域农耕区农田田埂普遍只有20cm左右,遇到较大的降雨时,很容易产生地表径流。根据估算,在现有田埂基础上加高10～15cm,就可有效防止30～50mm降雨时的地表径流,从而可减少大部分的农田地表径流。同时在田埂两侧可栽种某种植物,形成隔离带,在发生地表径流时可有效阻截养分,也可有效地控制地表径流的养分损失。

b.生态沟渠技术。太湖流域大部分沟渠采用硬质化技术,产生的地表径流通过硬质化渠道直接排放到河流,造成河流的富营养化。因此建议将现有硬质化渠道改为生态型渠道,即在硬质板上留适当的孔,使作物或草能够生长,既能吸收渗漏水中的养分,也能吸收利用径流中的养分,对农田损失的养分进行有效拦截,达到控制养分损失和再利用养分的目的。同时,在沟渠中央可布设一定的植物带,既可减缓水流的速度,增加滞留时间,提高植物对养分的利用时间,也易提高水体的自净能力。

c.旱地系统的生态隔离带技术。将旱地的沟渠集成为生态型沟渠,同时在旱地周边建一生态隔离带,由地表径流携带而来的泥沙和养分通过生态隔离带的阻截,将大部分泥沙留在生态隔离带内,而隔离带种植的植物可吸收径流中的养分,达到控制地表径流,减少径流养分向水体排放的目的。

d.生态型湿地处理技术。通过生态沟渠、生态拦截系统的建设,可阻截大部分农田中损失的养分,但仍会有一部分养分进入河道,可利用现有河道建设生态型人工湿地或水面人工浮岛技术,种植挺水植物、浮叶植物等,充分吸收和利用农田损失的养分。而且,水面种植的植物还可以是具有一定经济价值的品种,既改善水质,又能保证收获效益。

4.4 加强农村生活污水净化

农村居民生活污水排放是太湖流域面源污染的重要组成部分。据表1计算,农村居民生活污水带入河网的NH3-N负荷量占面源总量的60.2%,TN达到50.6%,因此必须采取措施有效减少农村生活污水的直接排放。根据太湖流域水网密布的实际,各地区可充分利用土地和植被的净化能力,建立湿地生态系统,截留、吸收利用农村生活污水中的氮磷、有机物等物质,利用村镇地域的天然或人工多水塘系统或水陆交错带的自然净化生态功能,截留净化农业径流中的氮磷及有机物,在受纳水体的岸边按照不同的功能种植不同的植物带,充分发挥植物带的生态净化功能,然后将底泥还田,加强氮磷等物质在陆地生态系统中的循环,从而减少面源污染对水体的污染。

4.5 加强养殖业废物的控制

养殖业的畜禽粪便是流域面源中TP最主要的来源,约占总量的23.9%,水体中大量的TP存在可直接引起水体富营养化,严重威胁湖泊的生态安全。因此,要积极研究畜禽粪便的处理的生物学及生态学方法,开发养殖业废物的资源化技术、复合生态工程技术、高效鱼池水资源的养分再利用技术、“鱼-菜”工程等技术,尽可能地利用废弃物中的养分和能源物质,减少或消除废弃物对环境的污染。此外,还必须根据循环经济和环境保护的要求,尽快制定有关防治畜禽污染,农村化肥、农药、农膜污染以及“白色污染”等方面的法律法规,加大执法监管力度,使环境管理走向法制化、标准化。

4.6 加强宣传和培训,提高农户的环境保护意识

要加强对农业面源污染防治的宣传,最根本的措施是要普及环保知识,加强农民教育,提高农民素质,让广大农户树立节水防污意识,改变农户乱丢垃圾、乱排污水、对水环境不关心等不良习惯,建设环境友好型社会主义新农村。

面源污染面广、量大,单纯依靠末端控制手段,不仅耗费巨大,而且往往效果难以持久,还不易被农户理解和接受。只有通过宣传活动,调动广大农民的积极性,提高广大农民的环境保护意识,让他们自觉参与到防治面源污染的行动上来,从源头上控制住面源污染,才是解决农业面源污染的长久之计。

[1]周小平.太湖地区非点源污染现状及防治[C]//房玲娣.水资源管理创新理论与实践.北京:中国水利水电出版社,2006:508-512.

[2]张红举.农业非点源污染模型研究概况[J].江苏环境科技,2002,15(2):37-39.

[3]张宏华,李蜀庆,杜军,等.农业面源污染模型AGNPS的应用现状及在我国应用的展望[J].重庆环境科学,2003(12):7-9.

[4]张荣保,姚琪,计勇,等.太湖地区典型小流域非点源污染物流失规律:以宜兴梅林小流域为例[J].长江流域资源与环境,2005(1):18-19.

[5]杨林章,王德建,夏立忠.太湖地区农业非点源污染特征及控制途径[J].中国水利,2004(20):29-30.

[6]刘文英,姜冬梅,陆根法.太湖面源污染控制工程及其融资机制[J].环境保护,2005(8):19-20.

Non-point pollution statistics and control measures in Taihu Basin

ZHANG Hong-ju1,CHEN Fang2
(1.TaihuBasin Water ResourcesProtection Bureau,Shanghai200434,China;2.Monitoring Bureau of Hydrology and Water Resources,Taihu Basin Authority,Wuxi214024,China)

The present status of non-point source pollution in Taihu Basinwas analyzed,the path of pollution flowing into rivers was described,and the total non-point source pollution load was studied quantitatively using the latest social and economic data.On this basis,some countermeasures for controlling non-point source pollution,such as increased agriculture water saving,reduction of farm fertilizer use,and ecological interception of nutrients from surface water and infiltration,are proposed.

non-point source pollution;ecological interception;pollution control;Taihu Basin

X321

A

1004-6933(2010)03-0087-04

张红举(1977—),男,安徽安庆人,工程师,硕士,从事水资源规划和水质数值计算研究。E-mail:zeusium@hotmail.com

2008-03-20 编辑:高渭文)