十三种农村水资源保护措施适宜性评价

孙 嘉,齐 实*,澎 湃,黄 媛,刘孝盈,杨爱民(.北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京 00083；.中国水利水电科学研究院,北京 00038)

十三种农村水资源保护措施适宜性评价

孙 嘉1,齐 实1*,澎 湃1,黄 媛1,刘孝盈2,杨爱民2(1.北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京 100083；2.中国水利水电科学研究院,北京 100038)

依据“源头—过程—末端”防控体系对13种常见的农村水资源保护措施进行分类,在此基础上,建立AHP评价模型,根据影响水资源保护措施适宜性的13个指标对各项措施进行适宜性评价.结果表明:污染物去除率、出水水质、建设成本及运行维护这4个因素具有较高权重值,应在实际运用中优先考虑.源头控制措施中保护性耕作与“一池三改”技术可以作为首选措施;在过程控制措施中,土地处理技术措施具有较好的适宜性;在选取末端处理措施的时候,必须优先考虑温度及建设成本的影响.

农村水资源；水资源保护措施；适宜性评价；AHP层次分析法

农村水资源泛指分布在广大农村的河流、湖沼、沟渠、池塘、水库等可以被利用的地表水体、土壤水和地下水体的总称.我国是水资源相对匮乏的国家,人均水资源占有量仅为世界人均水资源占有量的1/4[1],而每年农业用水量占到全国用水量的 65%,农业用水平均每年缺少 300亿 m3左右[2].农村地区的发展依赖于水资源的质量和数量[3],而现阶段在我国由于大量的工业废物、生活废物、畜禽养殖排放废物和农村面源污染等造成了农村生态环境的严重破坏,严重影响了农业作物产量及农村居民的用水安全[4].

目前我国农村水资源面临的污染问题主要由化肥农药的不合理使用、养殖业及农村工业废水肆意排放及生活废水与生活垃圾的乱推乱放所形成的点源与面源混合污染造成[5].现阶段的农村水资源保护措施主要根据不同污染源及其污染特征来选择,测土配方、缓控施肥及保护性耕作技术被用来减少化肥及农药使用所产生的面源污染[6-8];沼气发酵、活性污泥及生物膜技术被用于处理农村大量的畜禽粪便[9-10];人工湿地、缓冲带、氧化塘、土地渗滤等技术措施被广泛用于处理农村综合废水[11-13].

对这些农村水资源保护措施进行系统的分类,根据这些措施的适用条件、使用效果和效益来确定每个措施的适宜性,以便最大限度的发挥每个措施的优势是有重要意义的.近年来国外对水资源保护措施的研究主要集中在某种措施在农业面源污染防治中的运用模式和效果[14-15],其中缓冲带作为被公认有效的方法已经被广泛的应用于各国农村地区[16].通过措施及完善的管理体系进行流域管理是保证农村地区水环境安全的有效方法[17-18].在已有的这些研究中水资源保护措施作为单一的方法备受关注,但并没有对措施进行比较分析,研究更多的集中于措施的使用而没有涉及到如何选择水资源保护措施.

我国农村水资源保护措施起步较晚,尚缺乏大量的控制、治理的实践经验和有效的管理措施,没有形成完整的体系.很多相关水资源保护技术在推广中由于运行成本、地区条件等诸多因素影响,不能得到广泛推广,只能在小范围进行示范.另外一些能够运用到实际中的技术也由于没有做到因地制宜、以及在管理、运行中存在问题,不能充分发挥效益[19].因此,本研究根据“源头—过程—末端”防控体系理论对目前主要采用的农村水资源保护措施进行分类总结,并利用AHP层次分析法对农村水资源保护措施适宜性进行评价,为农村水资源保护技术在实际中的推广和应用提供依据.

1 农村水资源保护措施分类

污染源产生至向受纳水体输出可以划分为“源头—过程—末端”3个环节.源头环节的治理应当是农业水资源保护的首选措施,是污染防治的根本和关键.源头环节的治理应包括两方面的目标:一是弱化非点源污染发生的过程,直接阻止或减轻农业非点源污染发生的可能性;二是尽可能降低农田产污负荷强度,减小这一过程对土壤及外界水体的影响程度,为后面环节尽可能地降低产污负荷,从而减少过程与末端治理环节的控制成本.过程环节是污染物在污染控制系统中运动迁移的环节,应主要以拦截目的进行治理,削减系统内的污染物浓度和减少负荷输出为目的.末端环节是污染物在系统中运移直至排入收纳水体当中的过程,直接作用于水体环境,拦截与控污需同时加强作用,是非点源防治的最后一道防线.

根据各措施的基本原理及治理效果,按“源头—过程—末端”体系,对目前农村常见水资源保护措施进行分类(13种),见表 1,在对治理措施选择利用时,可根据不同地区农村水资源所面临的污染特点,有针对性的选择.

表1 “源头—过程—末端”措施分类Table 1 Classification of "Source, Process and Terminal" control measures

2 保护措施适宜性评价模型

应用层次分析法-AHP法[20]建立层次评价模型.

图1 AHP评价结构层次模型示意Fig.1 The sketch map of AHP model

(1) 评级体系分为 3个部分组成,分别为目标层、准则层和指标层(见图1).选取处理效果、硬件要求、外界条件和经济效益4个方面作为准则层,并将其细分为13个具体的指标层.

(2) 构造判断矩阵,即根据统一的1～9级标度表,对各层次因素两两间量化比较,形成判断矩阵.

(3) 计算权重并进行一致性检验计算,对某一准则下的判断矩阵 U,求出其最大特征根λmax及其所对应的特征向量,所求特征向量即为各评价指标相对权重.利用公式 CR=CI /RI ,对判断矩阵进行一致性检验,其中, CI = (λmax− n) /(n −1), RI值见表2.当CR<0.1时,说明判断矩阵具有一致性,权重分配合理.

表2 平均随机一致性指标RI 值Table 2 RI value

3 结果分析

3.1 各指标权重分析

利用AHP层次分析法对权重分析,得到农村水资源保护技术适宜性的13个指标影响力权重见(表3).由表3可见,污染物去除率、出水水质、建设成本及运行维护 4个指标权重影响值超过10%,对于农村水资源保护技术适宜性来说,在进行技术推广运用的时候必须优先考虑这些因素.由于农村水环境易受到面源污染及高浓度的养殖废水污染,如果选用的技术不能保证去除率和水质,势必会影响其在农村的推广使用.田海龙等人的研究表明人工湿地处理技术具有较好的去除效果,去除率分别为:TN:60%,TP:50%,COD: 35%～50%,BOD:40%～60%,氨氮:50%～60%[21].封丹等[22]的研究发现土地渗滤技术对污水的总氮去除率不高,仅有25%左右.针对农村水资源的特殊情况,在实际选择相应保护技术时必须要注意技术在去除率方面的特点.而设备的建设和维护费用也必须符合农村基本的经济基础条件.活性污泥技术由于其曝气池庞大,单位成本高,占用土地较多,基建费用高,加之消耗的动力大,电力流水消耗是沼气发酵技术的10倍之多,所以在经济基础薄弱的地区很难推广运用[23].

污染负荷、占地面积、需求温度、气温、地形、土壤及效益这7个指标权重影响值达基本都在5%左右,在优先考虑了前面4个指标后,也必须重视这个7个指标,尤其是需求温度和气温,由于我国南北气候差异,一些水资源保护技术例如沼气池技术、活性污泥技术、好氧生物膜技术等都对温度有着严格的要求,较低的温度会影响处理效果.采用好氧生物膜技术处理废水时,当废水水温低于巧 15℃时,微生物的活性将受到明显影响,水温高于 15℃时,可以保证一个较好的处理效果[24].不同的土壤类型和地形也会影响诸如植被缓冲带技术和人工湿地技术的处理效果[25-26].所有指标中占地面积的权重值最小只有 1%,在考虑技术的适宜性时可以不对其优先考虑.

表3 农村水资源保护措施适宜性评价指标权重Table 3 Weights sheet of suitability evaluation factors on water conservancy measures in rural areas

3.2 适宜性评价

根据对农村水资源保护技术各类典型技术的分类情况,结合已有相关技术研究数据及相关国家、行业标准对典型水资源保护技术进行适宜性评分,每个评价指标单项评分为 1～10分,依据表4调查资料数据进行评分,再结合13个评价指标权重,根据公式 Y =∑nW×X最后得出适宜

i=1i i性总评分(见表 5),式中 W为措施每一个指标的权重值,X为措施每一个指标的评分.

表4 农村水资源保护措施适宜性评价参考资料Table 4 The reference of water resources conservancy measures in rural areas

表5 农村水资源保护措施适宜性评价结果Table 5 The evaluation results on 13water conservancy measures in rural areas

3.2.1 源头控制措施评价结果 源头控制措施共有6种,主要针对农药化肥使用中产生的面源污染和农村居民生活及养殖产生的粪便污染,从源头对污染物进行处理从而避免污染物直接地表径流进入水体.通过评价可以看出测土配方技术措施在控制过量化肥所产生的面源污染方面具有较高的综合得分,但是从减少氮源和措施效益的角度考虑,保护性耕作技术措施相对得分较高,这与李洪文等[27]的研究结果相符.测土配方和保护性耕作都是有效控制过量氮磷进入水体的方法,在充分保证农作物产量的同时保护土地资源减少面源污染.在处理农村生活污水及养殖业废水方面,“一池三改”技术以其相对低廉的成本及较好的效益得到了较高的评分.根据刘芳[28]的统计,采用“一池三改”技术后,农户养殖每头猪节约成本175元,按户年出栏9头计,年可增收节支1575元.在人口相对较多农村养殖业较集中的地区,可以优先考虑采用这项技术措施.

3.2.2 过程控制措施评价结果 过程控制措施主要利用阻拦及吸附的方式来削减污染物浓度和减少负荷输出为.缓冲带措施、人工湿地措施及入地处理措施都是具有代表性的过程控制措施.通过评分可以看出,土地处理技术措施的适应性较好,在过程控制中具有更好的处理效果及经济效益.赖兰萍[29]研究发现,土地渗滤系统在处理村镇生活污水时对 COD、总磷、氨氮的去除率分别可以达到 92.9%、98.4%、98.1%.由于综合利用土壤中栖息的动物、微生物、植物根系以及土壤所具有的物理、化学特性,所以土地处理技术措施在氮磷污染过程控制中具有较好的效果,可以作为控制农业面源污染措施的首选.而在一些拥有一定土地及经济条件的地区,也可以选择建设成本相对较低的人工湿地作为过程控制措施来防治污染物进入水体.由于都是利用植被根系及土壤的吸附作用来去除污染物,缓冲带措施、人工湿地措施及入地处理措施都会受到温度的影响.张彩莹等[30]的研究表明气温变化与人工湿地单元中污染物去除率均呈现显著线性正相关关系.因此在冬季气温较低的时期应结合其他相应技术来避免低温对措施的抑制作用.

3.2.3 末端控制措施评价结果 活性污泥法和好氧生物膜法作为最成熟和最常见的污水处理措施被广泛应用,相比较于人工浮岛技术措施,活性污泥法和好氧生物膜法能处理浓度更高的有机废水,并具有稳定的处理效果,在处理农村畜禽养殖所产生的高浓度废水时可以作为首选.但是由于温度对微生物活性的影响,在我国气温较低的北方地区这 2种措施的处理效果都会受到影响[31],尹军等[32]的研究表明低温会对SBR活性污泥处理工艺产生抑制作用,白晓慧等[33]的研究也证明低温是造成污泥膨胀的原因之一.另外相比于人工浮岛技术措施,活性污泥法及好氧生物膜法这种措施的建设成本及运行维护成本较高,对于经济基础比较薄弱的地区不适宜采用[34].人工浮岛技术就是人为将适宜的水生植物或经改良的陆生植物移栽到水面浮岛上任其生长,通过植物的根系吸收水体中的污染物,并将其贮存在植物细胞内,有效降低水体营养物的含量从而达到净化水质的目的,在一些具有大面积河流及湖泊的农村地区可以考虑采用人工浮岛措施在有效去除污染物的同时也可以提供一定景观效益[35].

4 结论

4.1 通过AHP层次分析法,对13种常见的农村水资源保护措施评价得出,在选择农村水资源保护措施时应重点考虑污染物去除率、出水水质、建设成本及运行维护这四个因素.

4.2 源头控制措施中测土配方及保护性耕作为首选控制农村化肥及农药污染的措施,“一池三改”技术具有较好的经济效益可以作为农村生活污水处理的首选措施;从控制农村面源污染过程的角度出发,土地处理技术措施具有较好的适宜性;在选取末端处理措施的时候,必须优先考虑温度及建设成本的影响.

4.3 由于我国不同地区社会经济发展并不相同,在实际的运用当中还应当根据每个措施的特点和要求结合地区实际情况进行有针对的选择.

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Technical suitability and economic feasibility evaluation on 13 water resources conservancy measures in rural areas.

SUN Jia1, QI Shi1*, PENG Pai1, HUANG Yuan1, LIU Xiao-ying2, YANG Ai-min2(1. Key Laboratory of Soil and

Water Conservation and Desertification Combating, Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China) China Environmental Science, 2014,34(12)：3242～3248

13kinds of common water resources conservancy measures were classified into three (source, process and terminal) control systems. In addition the measures of each category were evaluated by the Analytic Hierarchy Process method as well as 13 factors of the technical suitability and economic feasibility of water conservancy measures. The results indicated that pollutants removal rate, effluent water quality, cost of construction, operation, and maintenance should be given priority in real world applications they had the higher weight value than other indices. Conservation tillage and ‘One biogas pond with improvements of washroom, kitchen and sty’ could be used as the preferred methods in source control. Moreover, land treatment technology was more suitable than other process control methods. External temperature and construction costs must be considered when selecting terminal control methods.

water resources in rural areas；water resources conservancy measures；technical suitability and economic feasibility evaluation；the analytic hierarchy process

X824

A

1000-6923(2014)12-3242-07

孙 嘉(1986-),男,新疆石河子人,北京林业大学博士研究生,主要从事土壤与水环境研究.发表论文3篇.

2014-03-20

水利部水资源费研究项目( 2130331)

* 责任作者, 教授, qishi@bjfu.edu.cn