排水沟渠水-底泥-植物协同作用下非点源溶质氮运移模拟研究

沟渠系统"过程拦截"是现阶段农业非点源污染控制和管理的重要手段。针对当前农田排水沟渠水体-底泥-植物系统内各介质间非点源溶质迁移转化机制不清的现状,在简要分析农田排水沟渠水-底泥-植物复合生态结构及其各组分功能特征的基础上,以沟渠中水体为中心,解析了非点源溶质氮在沟渠系统单一介质以及不同介质间的迁移转化过程;考虑到排水沟渠中水体和污染物均以沿沟渠方向线性迁移为主,应用水流连续方程和非保守性污染物迁移扩散方程,构建了农田排水及其中非点源污染物在排水沟渠中的一维迁移模型,并结合试验沟渠具体情况进行了适度简化;通过内业可控性监测试验,同时提出了沟渠系统水-底泥-植物不同介质对水体中非点源污染物衰减程度影响的量化计算方法;将所建模型与计算参数应用于野外试验沟渠,以氨态氮和硝酸盐氮为例进行模拟,结果表明模拟结果与实测值结合较好,其中氨态氮模拟效率系数为0.87,硝态氮模拟效率系数0.93,表明所建模型及模拟手段符合试验沟渠实际情况,具有较好的适用性。     

基于“源”、“汇”过程的农业非点源污染模型构建及应用

根据农业非点源污染产移特点, 将农业非点源污染模型分为田间产污的“源”模块以及模拟污染物在排水沟渠中运移的“汇”模块, 其中“源”模块又包括农田灌溉(降水)排水子模块及农田灌溉(降水)排水中污染物浓度计算子模块。应用DRAINMOD模型模拟田间尺度的灌溉(降水)排水, 同时将农田的施肥和灌溉过程“合成”作为田间污染物浓度的脉冲输入, 以逆高斯分布作为综合作用函数, 建立农田尺度的灌溉排水污染物浓度估算模型, 二者结合构成农业非点源污染田间产污模块; 应用一维水动力学基本方程和非保守性污染物迁移方程, 建立农业非点源污染物沟渠“汇”模块。并以黄河上游青铜峡灌区为例进行了示例应用, 依据典型田块以及排水沟渠农业非点源污染监测试验资料, 结合灌区作物种植结构, 计算了2008年5~9月青铜峡灌区输出污染负荷, 结果为盐分470 099 t、总磷98.17 t、总氮3 593 t、硝态氮2 122 t、氨态氮426 t。通过示例验证, 表明所建模型具有较好的模拟效果, 可进一步推广应用。     

农田排水沟渠系统对磷面源污染的控制

排水沟渠是农业区重要的水利工程,其排水功能更是农业安全生产的重要保障,然而农田排水沟渠的生态功能未得到足够重视。随着农业面源污染研究的深入,农田排水沟渠在控制磷面源污染上的作用日益引起人们的关注。针对农业面源磷污染控制问题,简要归纳总结了农田沟渠系统对磷面源污染的迁移转化机理及影响因素,并在此基础上,探讨了排水沟渠控制磷污染的措施,以期为农业面源污染控制和管理提供参考。     

农业排水沟渠水质影响因素分析及管理对策

加强农业排水沟渠管理在保护河流水质方面起着重要作用。影响排水沟渠的主要因素有氮、磷、碳、农药及沟渠淤积物等,沟渠中残留的农药、肥料及生长的植被会导致下游河流富营养化,影响水质。通过介绍美国农业排水沟渠内部、外部管理措施及相关政策法规,为我国农业非点源污染治理提供了借鉴资料。     

水土保持措施防治非点源污染的作用机制

 进入土壤或水体中的非点源污染物一般可分为化肥、农药和重金属3大类。这3大类污染物在土壤或水体中通过植物吸收、土壤胶体吸附、微生物降解、径流淋失与挥发等途径进行迁移转化。系统阐述水土保持生物措施、工程措施和农业技术措施3大措施对化肥、农药和重金属3大污染物的各种迁移转化途径所具有的促进与抑制作用,可为合理配置水土保持措施,有效防治非点源污染提供重要的理论依据。     

生态沟渠对小流域农田排水中氮磷的拦截效果研究

农田养分大量流失已成为农业面源污染的主要来源之一,研究自然降雨排水条件下生态沟渠对稻作区小流域农田排水中氮(N)、磷(P)的拦截效应具有重要意义。以流入湘北津市市毛里湖区的生态沟渠为研究对象,连续2年系统研究多级植物组合截留后N、P的沿程变化规律及拦截效率。结果表明:生态沟渠对稻作区小流域农田排水中TN、NH_4~+-N、NO_3~--N和TP均有一定的拦截净化作用。2016年和2017年生态沟渠对农田排水中TN平均拦截率分别为58.49%、47.61%,对NH_4~+-N平均拦截率分别为77.29%、69.72%,对NO_3~--N平均拦截率分别为58.77%、47.79%,对TP平均拦截率分别为67.07%、54.47%。总体认为,生态沟渠能有效拦截农田排水中N、P,减轻周围环境受纳水体的污染负荷。     

不同规格生态沟渠对排水污染物处理能力的研究

利用三种不同深度规格的生态沟渠(E0.80、E1.05和E1.30),通过控制相同的表面水力负荷,比较研究了动态进水(TN 0.86~6.13 mg·L^-1、TP 0.11~0.28 mg·L^-1)条件下生态沟渠对农业面源主要污染物的去除效果,同时考察其耐冲击负荷能力和适宜建造长度。结果表明:整个试验期间,三种不同深度规格的生态沟渠对铵态氮(NH4+-N)、总氮(TN)、总磷(TP)和悬浮物(SS)的去除率均达到50%以上,其中E1.30对污染物的去除效率较高,NH4+-N、TN、TP和SS的总平均去除率分别为64.8%、63.1%、71.8%和60.8%。同时,E1.30的污染物出水浓度较为稳定,耐冲击负荷能力相对较强。进水浓度较高情况下,E1.30在TN、TP出水浓度为2 mg·L^-1和0.2 mg·L^-1时所需长度分别为27.4 m和4.9 m,为三种规格生态沟渠中最短。表明生态沟渠是有效去除农业面源污染物的技术,在实际应用中可因地制宜地建设E1.30规格的生态沟渠,并可辅以高效吸附氮磷材料等其他措施,进一步提高生态沟渠对农业面源污染物的去除能力。     

生态沟渠对农田面源污染的消减机理及其影响因子分析

农业生产过程中肥料和农药的大量施用,造成农田面源污染问题日益突出,开发农田面源污染的减控技术对生态修复具有重要的意义。生态沟渠不仅兼具农田排水沟的过水功能,同时是有效消减面源污染且适合中国农情的重要生态措施之一。该研究阐述了生态沟渠对农田面源污染的消减机理（底泥吸附及植物阻抗作用、植物/微生物吸收作用、降解去除作用）;通过整理分析559组生态沟渠野外观测试验数据,剖析了污染物初始浓度、水力停留时间、植物种类、生物量这4个主要影响因子对农田排水中N、P及农药去除率的影响;进而采用多元线性回归模型将多因子影响与N、P及农药去除率之间建立定量关系。结果表明总氮和总磷的去除率随单一因子污染物初始浓度、水力停留时间或生物量增大而增大,但与植物种类没有显著关系（P>0.05）;且多元线性回归模型结果表明污染物初始浓度的对总氮/总磷去除率的贡献大于生物量。农药的去除率随水力停留时间、生物量增大而增大,随污染物初始浓度增大而减小,与植物种类没有显著关系（P>0.05）。研究可为生态沟渠的合理构建和设计提供理论和技术支撑。     

研究放射污染物迁移的自动排水采集装置

本文介绍了英国伦敦理工学院土木工程系和环境分析研究中心科学家对放射污染物迁移动态过程长期定位研究中，所利用的现代化的排水采集装置的性能和操作系统。     

汉江水源区生态沟渠对径流氮、磷的生态拦截效应

[目的]研究汉江水源区生态沟渠对径流氮、磷的生态拦截效应,为农业非点源污染的控制提供重要参考和依据。[方法]设置生态沟渠在不同时间对不同断面水体进行监测。[结果]同段沟渠内,侧面外来水对沟渠径流氮浓度变化影响比磷浓度变化明显;径流TN,NO3-N浓度在上游、中游和下游断面变异系数分别达到19.81%~31.88%,9.57%~16.73%和32.14%~42.81%;NH+4-N和TP在4个断面变异系数在33.33%~88.46%范围内变化;生态沟渠断面之间,水草拦截净化沟渠段氮、磷含量降低幅度在9.52%~31.11%。[结论]沟渠生态拦截对径流氮素净化效果较明显,同时适当布局拦沙工程可以削减磷素流失。     

流域沟渠植草拦截农田氮磷入河污染的有效性研究

  【目的】  过度施肥与降雨径流的耦合作用使得大量氮磷从农田流失进入河道,导致河湖水体污染。在水土流失严重区,尤其是热带–亚热带集约化农业坡地,土层浅薄、蓄水性差,在降雨条件下所施肥料极易发生径流侵蚀流失,通过沟渠进入下游河湖水体,导致水体污染。如何控制这种水蚀型面源污染物从农田向河湖水体的输送愈来愈受到人们的关注,为此在流域下游沟渠构建植物拦截系统,评价其减少坡面氮磷入河污染的有效性,为水蚀型农田面源污染物的流域防控提供理论依据。  【方法】  本研究在广西客兰水库水源区那辣小流域,选择下游500 m长的沟渠,该沟渠接收流域上游来水并直接输入水库,隔段种植当地优势植物狗牙根[Cynodon dactylon (L.) Pers]和象草(Pennisetum purpureum),以及引种植物香根草[Vetiveria zizanioides (L.) Nash] (于南宁花鸟市场购买香根草籽育苗移栽)。在13次降雨事件下分别采集沟渠入口和出口处的水样进行检测,用以研究面源污染防治效益。  【结果】  与流域上游入口比较,下游植草沟渠输出水体中溶解态总氮(TDN)浓度由17.55 mg/L降至12.43 mg/L,NH₄+-N由1.06 mg/L降至0.73 mg/L,NO₃?-N浓度由15.10 mg/L降至10.92 mg/L,溶解态总磷(TDP)浓度由0.031 mg/L降至0.021 mg/L;植物对降雨事件下流域输入沟渠中的TDN、NH₄+-N、NO₃?-N和TDP平均去除率分别为31.90%、27.92%、29.80%和31.02%。  【结论】  在热带和亚热带集约化径流农业流域,选择连接上游坡地与下游河湖水库的沟渠植草,可以对流域流失氮磷实施有效地拦截和去除,是一个简单、可行、有效的农业面源污染流域防控措施,值得推广应用。     

宁夏引黄灌区排水沟水环境质量及其影响因素

[目的]探明宁夏引黄灌区排水沟水环境质量及其影响因素,旨在为排水沟水体污染综合整治提供一定的理论依据。[方法]搜集2009—2015年排水沟水环境因子指标和以地级市为单元的社会经济指标数据,选取高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、总磷、生化需氧量、挥发酚、氟化物、氰化物、硫化物作为水质综合污染指数的评价因子,采用相关分析法和灰关联法分析研究社会经济指标对排水沟水质的影响程度。[结果]南干沟水质呈现逐年好转趋势,银新干沟水质和清水沟水质急剧恶化,其他排水沟的综合污染指数变化趋势较平稳,且水质总体状况较好;排水沟水质与社会经济指标的相关性和关联度都较高:中干沟与化肥使用量相关系数高达0.998,南干沟与工业废水排放总量相关系数高达0.983;永二干沟与农业耗水量的关联度高达0.793 41,南干沟与工业废水排放总量的关联度高达0.755 69。[结论]排水沟的水质变化趋势受农业面源污染和工业废水的影响较大;以地级市为单位,综合污染指数与社会经济指标的相关性大小依次为吴忠市、银川市、中卫市、石嘴山市;相关分析与灰关联分析结果有较好的一致性,且运用二者结合分析了影响排水沟的最主要影响因子;总体上,农业生产对银川市和石嘴山市排水沟水质影响较大,工业生产对吴忠市和中卫市排水沟的影响较大,且农业生产导致的农业面源污染比工业生产产生的工业废水对排水沟水质状况影响程度大。     

巢湖流域不同施肥措施下稻田氮磷流失特征与产量研究

为了减少巢湖流域的农业非点源污染,保护农业生态环境,寻求高产稳产和环境友好的最佳结合点,研究了巢湖流域3种施肥措施大田示范条件下水稻田地表径流氮磷流失和排水沟渠水质特征及水稻产量情况。结果表明：减量化施肥的地表径流总氮（TN）浓度比常规施肥的低23%,总磷（TP）浓度低16%;减量化施肥沟渠的TN浓度比常规施肥的低38%,总P低49%。优化施肥的地表径流TN浓度比常规施肥的低13%,TP浓度低约3%;优化施肥的沟渠TN浓度比常规施肥的低26%,TP浓度低7%。优化施肥的产量最高,减量化与常规施肥的产量差异不显著。在巢湖流域优化施肥和减量化施肥技术是值得推广的水稻大田示范施肥技术。     

农业面源污染发生条件与污染机理

农业面源污染发生的条件主要有动力因素、水文条件、地形特点。同时,农业生产的化学物质大量投入,农村生活污水和垃圾的任意排放,畜禽养殖场没经过处理的粪便的排放和农用是重要的原因。农业面源污染物质主要有N、P、硝酸盐、杀虫剂、致病菌、沉积物,不同的污染物质发生的机理不同。农业面源污染的控制必须从污染物的性质和特征出发,结合自然地形、气候、土壤、植被等特点探索适合不同地区的农业面源污染控制对策和措施。农业面源污染发生是外界和内部因素综合作用的结果,污染物的控制是多方面和多层次的。近年来,农业面源污染机理研究有较大的进步,但随着环境的变化,许多研究还需进一步深入。     

拉萨河流域非点源污染输出风险评估

有效识别流域非点源污染高风险区,对污染控制与管理以及水环境质量改善具有重要意义。该研究以拉萨河流域为研究对象,构建包括降雨、地形和施肥影响因子的输出风险模型,识别流域各级非点源污染输出风险的地域单元。结果表明:1996年和2010年,非点源污染输出风险概率分别为50.0%和46.3%;非点源污染风险处于较高以上程度的区域面积分别为12 985.8和11 628.0 km2,占全区总面积的38.9%和34.9%;与1996年相比,2010年非点源污染风险程度由低级别向高级别转换的总面积约为6 674.3 km2。拉萨河流域非点源污染发生的风险概率为中等,风险程度在局部范围内有所下降,主要表现在高风险区域面积减少、低风险区域面积增加,但是中等和较高风险区域面积有增加趋势。土地利用变化、农业生产和水土流失是非点源污染发生的主要原因,应巩固生态环境综合治理成果,提前应对可能出现的非点源污染问题,制定生态农业发展规划,营造控制非点源污染迁移的植被缓冲带。     

中国农业面源污染防控研究进展与工程案例

农业面源污染具有发生分散、随机，排放不确定性，污染物浓度波动大、类型复杂，污染面广量大的特点，其综合防治一直是世界性难题。当前，我国面源污染防控首要的问题为污染“家底”不清，不同部门或研究学者对农业面源污染负荷估算差别大。基于几十年定位、全程的科学观测数据，本研究认为，虽然国家污染普查数据和很多学者的估算数据，均高估了种植业源排放量占面源污染总量的比例，但种植业源排放总量仍然很高，必须给予充分的重视和防控。结合中国30多年的面源污染防控经验，中国科学院南京土壤研究所学者提出了农业面源污染控制的3R（“减源—拦截—修复”）和4R策略（“源头减量—生态拦截—循环利用—生态修复”），并伴随着防控技术升级和组合优化、技术产品化和装备化，逐渐完善扩展为4R+，为我国农业面源污染防控提供了理论支撑和应用指导，在一些典型地区进行工程化实施后，形成了农业面源污染防控的成功经验和案例。然而，农业面源污染防控的工作仍然面临着许多挑战，深入了解土壤与污染物之间的相互作用机制将尤为关键。此外，为实现资源的高效循环使用，还必须进一步提高氮、磷等关键污染物的净化与回收效率，确保在增加农业产值的同时降低对环境的污染...     

农业绿色高质量发展期面源污染治理的思考与实践

农业是中国经济平稳发展的基石，在保障了粮食安全的同时也造成了严重的面源污染。过去10 a，中国面源污染治理虽取得一定成效，但农业源的贡献仍居高不下。该研究阐述了新时期农业面源污染治理面临的挑战，结合国家农业绿色发展的重大需求，提出了以"生态循环、流域统筹"为核心的农业面源污染治理新思路；分析了农业面源污染治理的卡脖子技术，提出了以"种养结合、产业链循环"为核心的污染治理实现路径；深入探讨了农业面源污染治理运维机制不通畅的原因，提出以"农民和农业企业为主力军"的多元主体治理及运维机制；结合典型案例，阐述了农业面源污染治理的实现路径和应用效果，以期为推动中国农业农村生态环境治理体系的现代化建设提供支撑。     

基于SWAT模型的浑太河流域农业面源污染物产生量估算

结合浑太河流域的下垫面、水文气象、污染源的物理特征,基于实际监测数据,率定验证模型,建立降雨径流、土地利用方式对应下的SWAT模型,对农业面源污染物的迁移-转化过程进行模拟计算,系统解析流域面源污染物排放量、分布特征。划定浑河、太子河、大辽河干流左右岸河流两侧l km、水库周围5 km为缓冲区,改变现有的土地利用方式,恢复天然生态。以常规发展模式为基础,计算在区域生态保护占优模式下污染物产生量。在常规发展模式下,浑太河流域年平均土壤侵蚀模数为400 kg/hm~2,总氮、总磷输出强度为19、7 kg/hm~2;从单位面积上看,总氮、总磷负荷强度最大值分别为317、260 kg/hm~2。总氮、总磷负荷强度空间差异较大,通过面积加权计算,平均负荷强度为29和10 kg/hm~2。在生态保护占优模式下,耕地的氮、磷损失量有所减少,总氮、总磷单位面积年减少量为9.5、0.9 t/hm~2;从农业面源污染物化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、氨氮来源层面分析,单位面积土地退耕后化学需氧量、氨氮污染物减少量为14、5 kg/hm~2。经比较,在生态保护占优发展模式下面源污染物产生量相对常规发展模式下减少9%,化学需氧量、氨氮、总磷、总氮分别减少5.12%、31.67%、10.40%、25.95%,农业面源污染减排效果明显。研究为实现浑太河流域污染物排放总量不超标、水体水质达标,并确保农业基础地位不动摇,充分挖掘区域农业减排增收潜力提供策略依据。