太湖上游圩区氮磷管理的减污效益分析

太湖水体富营养化的重要驱动之一是流域上游区域的氮磷流失。圩区作为太湖上游平原区域的主要地理单元，具有复杂的水文与氮磷流失过程。针对圩区科学氮磷识别与高效管控是太湖治理的关键。本研究以太湖上游平原圩区为研究对象，采用氮动态模型（Nitrogen Dynamic model for lowland Polder systems，NDP）和磷动态模型（Phosphorus Dynamic model for lowland Polder systems，PDP）模拟圩区氮磷流失的动态过程，并基于圩区氮磷流失机制进行管理情景定量模拟与氮磷减污效益分析。结果表明：1）圩区氮磷的年平均流失强度分别为40和1.75 kg/ha/yr，高于太湖流域的平均氮磷流失水平；2）当圩区外部水质控制为Ⅳ类时，氮磷流失强度分别为37.54和1.58 kg/ha/yr，圩区截流氮磷量分别增加4.9%和9.9%，高氮磷流失级别的圩区数量分别减少26.2%和63.8%；3）如将圩区内5%的水田转化为水体，氮磷流失强度分别为36.73和1.72 kg/ha/yr，圩区截流氮磷量分别增加6.6%和1.7%，高氮磷流失级别的圩区数量分别减少46.2%和22.5%；4）圩区氮磷的流失机制具有明显不同，圩外水质目标对于圩内磷的流失影响较大，圩内的水体和坑塘等对于氮滞留和净化更加有优势。     

城镇圩区排涝泵站群日常运行方案优化

为降低城镇圩区排涝泵站群日常运行能耗,提出排涝站群总能耗最小的多方案试验选优、圩外河道水位控制去劣的优化运行调度方法。将圩区泵站群分组作为试验因素、每组泵站的开机方案为试验水平,以泵站群总能耗为试验结果开展正交试验,对试验结果应用正交分析得到泵站群若干种优化运行方案序列,选择总能耗最小且满足圩外河道的水位控制要求的方案为最优运行调度方案。以上海市城区某区域为实例,应用优化方法编制了2种潮水过程、4种降水条件下的优化调度预案;在不能利用潮水自排的最不利水文工况下,应用优化调度方案与现行调度方案相比,总电功耗最大可节省12%。通过开展优化调度方案与现行方案的节能效益比较,验证了现行方案的合理性并对现行方案提出了优化建议。一方面可为城镇圩区水行政主管部门优化日常调水预案提供参考,另一方面也为丰富和完善排泵站群优化调度方法的理论研究作了有益尝试。     

考虑灌排运行特点的南方平原圩区分布式水文模拟

为探究适合中国南方平原圩区的水文模型及平原圩区建模与参数率定方法，把握平原圩区内部水循环规律，该研究以巢湖流域庐北大圩为研究区，基于改进SWAT(soil and water assessment tool)模型，提出了一种基于“burn-in”算法与模型河网及子流域人工修正手段的空间离散方法，考虑圩区灌排运行特点后，通过添加虚拟水库，构建了平原圩区多水源灌溉系统，通过对不同大小及特征圩区进行分类，提出了以月尺度为主的多目标参数率定方法。模拟结果表明，大部分圩区出口月径流的相对误差在±15%以内，决定系数大于0.65，纳什效率系数大于0.6，模拟效果处于中等或良好水平，表明改进SWAT模型及该研究提出的平原圩区建模与参数率定方法适用于庐北大圩的水文模拟。水量平衡与灌溉用水模拟分析结果表明，研究区的降水与外河引水主要转化为径流和蒸散发，外河引水量近似等于泵站抽排量，径流系数相对较小，大圩外河是主要灌溉水源，不同时间段内不同水源的可供水量差异明显。考虑灌排运行特点的分布式水文模型为中国南方平原圩区水管理提供了一种有效的手段。     

巢湖沿岸典型圩区夏季水稻生长期营养盐输出特征研究

巢湖及其主要支流沿岸分布着很多地势低洼、靠排灌站抽排水进行排涝和引水灌溉的圩区。为探明圩区农业非点源营养盐输出特征,本研究选择巢湖沿岸某典型圩区,于2009年水稻生长期进行了较系统的野外调查、观测、取样和室内水质分析。2009年夏季该圩区较干旱,有3次共70.8mm的排水和3次共34mm的进水。排水总氮(TN)和总磷(TP)浓度分别在0.8～6.5mg N/L和0.05～0.6mg P/L之间,高于受纳河流柘皋河水质。TN和TP排水事件平均浓度EMC分别为4.28mg N/L和0.3mg P/L,水质总体处于富营养化和超富营养化水平。排水营养盐浓度与降雨排水量、施肥水平和距离施肥时间有关,并呈现复杂的动态变化。夏季水稻生长季节(6-9月)TN和TP净输出通量分别为2.10kg N/hm2和0.13kg P/hm2,占施肥总量的1.2%和0.4%。圩区的特殊地势和排水过程,使得圩内水稻田和沟渠具有较大的蓄水容量和较强的滞留效应,加上实验时期相对干旱,营养盐输出通量总体较低。由于农业非点源污染输出受排水量影响大,圩区又多为距离天然水体很近的敏感地带,圩区农业非点源污染对受纳水体的潜在和长期影响不容忽视。圩区各类污染输出对受纳水体的长远影响及如何有效控制还有待更深入的研究。     

浅井结合暗管改良低洼圩区土壤的效果

建湖县地处苏北里下河地区的东北部,是射阳河下游的水网圩区。全县耕地85万亩,除上冈、建阳两块高地约20万亩,其地面高程(废黄河零点,以下同)在2.0米以上外,其余耕地均为高程低于2.0米的低洼圩区。     

黄土丘陵沟壑区沟道农业生产功能空间演变特征及其启示

基于5期遥感影像和实地调研数据,定量分析黄土高原延安碾庄流域1985－2018 年乡村转型发展进程中农业生产功能时空演变规律。结果表明：1）沟道农业生产功能定量诊断体系和监测模型可有效识别沟道农业生产功能空间格局以及经济社会与资源生态多重导向的多元演化路径。2）研究区沟道农业功能空间由传统向现代生产主导功能转向,2012 年为沟道生产功能转型拐点。沟道传统农业生产功能特征为“小幅扩增—相对平稳—急剧缩减”,沟道现代农业生产功能演变则呈现“相对平稳—小幅扩增—急剧增加”的阶段特征,且功能多样性不断增加。3）整体上沟道传统农业生产功能空间范围和强度值呈减少趋势,现代沟道农业生产为主的功能空间不断扩张,主导方向发生转变;局部微观上传统农业生产功能以流域城镇所在地为中心呈同心带状缩减。4）新时期黄土丘陵沟壑区沟道农业高质量发展的核心目标在于推进“四转”,全面构建“三循环”模式,推进形成黄土高原产业内循环及其与黄河流域双循环互促共进发展的新格局,深入探究优化农业生产方式和创新经营管理模式的新动能、新途径。研究结果提供了黄土高原典型流域农业功能转型微观案例,对区域土地资源优化配置及乡村转型高质量发展具有启示意义。     

东北黑土区沟道侵蚀现状及其防治对策

沟道侵蚀是土地退化最严重的表现形式,东北黑土区是中国除黄土高原外沟道侵蚀最为严重的区域,沟道侵蚀严重威胁东北区域农业生产和生态环境。该研究基于多年的研究积累,结合国家侵蚀沟治理专项调查和国家重点研发计划项目研究成果以及已有文献,系统总结归纳了东北黑土区沟道侵蚀特征、发展演变趋势及其危害;梳理出现有侵蚀沟治理措施的成功经验及失败教训,凝练提出区域侵蚀沟防治目标及4种主要侵蚀沟治理模式,并给出了适用范围及条件;同时提出了新时代东北黑土区侵蚀沟防治对策建议。该研究为区域现代农业发展和生态文明建设决策以及沟道侵蚀治理工程的实施提供了科技支撑。     

黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与设计技术

黄土高原实施退耕还林还草工程之后,凭借沟道土地整治工程的推进,实现了坡面与沟道协同治理、生态保护与农业生产协调发展的"双赢"目标。论文基于复杂流域系统的视角,探讨了黄土丘陵沟壑区沟道土地整治工程原理与设计技术,提出了沟道土地整治应以增良田、保生态、惠民生为主题,以景观协调、结构稳固、利用持续、功能高效为理念,强调山上退耕还林、山下治沟造地,治沟保生态、造地惠民生。制定了沟道土地整治分区、分类标准及技术要点,划定了修复整治型、配套完善型、开发补充型、综合治理型等4种工程建设类型,创建了"干-支-毛"分层防控、"渠-堤-坝"系统配套、"乔-灌-草"科学搭配的增强型沟道整治工程技术体系。这些原理与技术近3年来应用于延安治沟造地土地整治重大工程实践,取得了明显成效。为进一步发挥土地整治工程的综合效益,论文梳理提出了加快推进新型农村社区化与民居安置、城乡服务均等化与设施配套、现代农业产业化与基地建设、农村土地资产化与制度创新等4大配套工程建设及对策建议。     

农村地类分布格局及形成机理研究——以扬州市区为例

通过构建地类邻接比、村域土地城镇化率等指标,运用兼业农户选址理论模型,以扬州市区为例,从中观、微观尺度分析了农村地类分布格局及形成机理。研究表明:（1）农村地类分布具有空间耦合性,源地类对目标地类空间分布具有决定影响,其中集镇、公路分布对目标地类有中观尺度影响,坑塘水面（沟渠）、农村公路对目标地类分布有微观尺度影响;（2）微观尺度下,农村主要地类由于地形因素而分别呈现同心圆和带状分布模式;中观尺度下,农村地类往往呈U型分布,主要体现在土地城镇化率的空间差异,上述模式的形成是农户按生产空间成本最小化或比较利益最大化的选择结果;（3）运用地类邻接比指标可从微观尺度分析源地类与目标地类之间的空间依存度;兼业农户选址理论模型可从中观尺度分析农户居民地选址与经济发展之间的内在关系,具有一定的方法论意义。     

郑州绿地雨水资源有效利用途径研究

城市绿地对雨水的流失有显著的缓解作用,城市绿地的合理规划与建设对雨水资源的有效利用有巨大的影响。以郑州市为研究对象,基于2011年8月份TM影像,分析不同高程区间内郑州市区绿地面积、绿地斑块数量与汇水面面积的相关关系,同时结合气象观测资料,道路、公园、防护绿地分布资料等,对城市绿地对雨水资源有效利用提出合理的途径。结果表明:绿地面积、绿地斑块个数与汇水面均呈极显著正相关。因此,建议郑州市在增加绿地面积的基础上提高绿地斑块数量,在城市绿地设计多目标中实现雨水资源利用多目标,最终达到改善郑州水环境和减轻城市内涝灾害的目的。     

折流式人工湿地对矿区降雨径流的净化研究

根据陕西省渭南市蒲白矿区降雨径流的水质和水量特征,采用新型折流式人工湿地对人工湿地不同运行阶段模拟降雨径流的净化效果进行了对比,分析了COD_Cr,SS,TN,TP,NH₄⁺-N以及重金属Pb,Zn,Cu在湿地系统中的沿程变化,探讨人工湿地的主要去除机制。结果表明:人工湿地对COD_Cr,TP,TN,NH₄⁺-N,SS的平均去除率分别为82.3%,65.9%,71.2%,73.5%,94.8%,对重金属Pb,Zn,Cu的平均去除率分别为91.3%,94.5%,81.2%,对重金属的去除率基本高于对营养元素的去除率;除了TN外,折流式人工湿地系统出水各污染物均达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）Ⅲ类质量标准,其中TN达Ⅳ类标准,出水重金属Pb,Zn,Cu均能达地表Ⅲ类水标准。降雨径流各污染物主要在人工湿地的第1格被去除,其中,COD_Cr,TP,SS和Pb均有一半以上的去除率发生在第1格。随着人工湿地沿程进水浓度的增加,其去除率逐渐下降。研究表明,折流式人工湿地系统对矿区降雨径流的净化效果显著,并且该湿地系统具有较强抗冲击负荷能力,可用于城市地面径流污染的控制和雨水利用。     

四川山区农村面源污染负荷估算与评价

对农村面源污染物负荷的估算、来源分析及控制措施制定是当前研究的热点之一。利用输出系数模型和生态系统服务与权衡综合评价模型(Integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs tool,In VEST模型)估算宝兴县面源污染物总氮(TN)、总磷(TP)负荷,并结合水环境功能分区标准,分析面源污染物的超标情况。旨在揭示山区农村面源污染治理的空间异质性,为农村面源污染防治规划、山区水环境治理效率的提升提供科学依据。结果表明,1)2010年宝兴县面源污染物TN、TP负荷分别为1 156.44、81.41 t/a,TN、TP负荷的空间格局整体上呈现出分布不均,局部集中,靠近水体的规律;2)不同污染源对TN、TP负荷的贡献率大小顺序均为:畜禽养殖农业用地农村生活;3)从流域尺度看,宝兴县TN、TP负荷没有超过III类水质标准规定的污染物负荷阈值;而从30 m×30 m栅格尺度看,宝兴县TN、TP超标量分别为763.63、51.16 t/a,其超标区域主要集中在耕地、草地、居民地以及靠近水体的地方,以上超标区域即为面源污染控制和治理的关键区域。     

人工布设基质对农田排水沟水质的影响

本研究选择宁夏灵武农场的典型排水支沟进行人工布设基质,在沟中布设土壤、炉渣、秸秆、锯末4种基质处理及铲草处理和对照(不做任何处理),研究分析了基质对农田排水沟水质的影响。对基质的组分分析表明,锯末显著地吸附盐分和全氮,吸附量分别达0.4 g.kg 1和0.3 g.kg 1,土壤、炉渣、秸秆均明显地释放盐分,释放量为5.3~50.8 g.kg 1;秸秆显著地释放有机碳,释放量达54.0 g.kg 1;4种基质对全磷吸附效果不明显。水质分析表明,除秸秆处理和对照外,盐分(TDS)在其他处理下显著减少,而化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、NO3-N和NH4+-N浓度在锯末和土壤处理下均有不同程度的减小。对于整条试验沟道,农田退水中TDS、TN、TP的浓度随着在沟道迁移距离的增加呈明显减小的趋势,至出水断面时浓度分别为0.60~0.80g.L 1、0.24~0.33 mg.L 1和0.04~0.09 mg.L 1。田间沟道试验说明,农田排水沟能有效地截留农田退水污染物,选择适合的基质进行人工布设实际可行,有助于发挥农田排水沟的生态功能。     

重庆市畜禽粪污的区域分布及其水环境响应特征分析

为解决常见畜禽养殖排污量估算方法存在的缺陷和核实重庆市畜禽养殖目前污染状况,在调研当地畜禽养殖业及其排放状况的基础上,提出计算规模化养殖场排污量的校正方法,核算在现有治污模式下的典型畜禽排污量;以重庆市五大功能区为研究对象,基于不同水环境功能区划,采用等标污染负荷比法,研究了化学需氧量(CODCr)、总氮(TN)、总磷(TP)等标排放量的功能区分布及其潜在水环境响应特征,进而确定了畜禽养殖业主要污染区域和主要污染物,为重庆市不同功能区的产业发展和环境保护提供决策依据。结果表明,重庆市2013年畜禽养殖量为411.81万猪当量,粪便、尿、CODCr、TN、TP实物排放量分别为2.27×106 t、1.66×106 t、3.03×104 t、0.72×104 t和1.87×104 t。CODCr、TN、TP等标排放量分别为1.44×109 m3、7.94×109 m3和1.02×1011 m3。主要污染区域为城市发展新区和渝东北生态涵养发展区,主要污染物为TP,且重庆市畜禽养殖业的发展与功能区划有着显著相关关系。因畜禽养殖污染引起的全市水环境水质综合指数在0.22~4.12。城市发展新区和渝东北生态涵养发展区的水质超过标准,其余功能区均未超标。     

灌排控制措施结合沟塘湿地改善水稻灌区排水水质的模拟分析

针对水稻灌区农田排水氮素输出影响水环境的问题,该研究以大运河扬州段沿运灌区为例,在大田监测的基础上,运用田间水文模型--DRAINMOD模拟分析不同田间灌排控制措施的减排效果,并探讨利用农田周边沟塘湿地净化排水,达到灌区小流域不同水质目标的水管理方案。结果表明,在研究区目前常规灌溉（定额为9 600 m3/hm2,合水深960 mm）和常规排水（排水沟深0.6 m,等效间距50 m）模式下,农田单位面积上的年均排水总量高达1 162 mm,是灌溉量与降雨量之和的59%;其中地表径流占比51%,仅有25%是由降雨造成的不可控部分。采取理想的避免地表径流的干湿交替控制灌溉措施（年均灌溉量320 mm）可以显著降低排水量和氨氮的输出,相较于常规灌溉模式,可削减55%的排水量和59%的氨氮输出。研究区农田控制排水削减排水总量的效果较差,且在一定程度上增加了地表径流。由于地表排水中氨氮浓度（2.85 mg/L）高于地下排水（其浓度为1.80 mg/L）,地表排水比例的提高会增加排水对氨氮的输出。从研究区小流域范围内沟塘湿地分布考虑,目前灌溉与排水量均过高,现有沟塘湿地不足以发挥作用;只有通过控制灌溉措施显著减少排水量以后,才有可能利用现存的湿地面积将排水中的氨氮浓度降低到地表水水质标准Ⅴ类水。因此,该研究建议在合理控制灌排水量的基础上,通过整合、优化灌区现有沟塘湿地资源来有效改善研究区农田排水水质。研究可为类似地区农田排水污染控制提供理论依据。     

农业排水沟塘系统污染物去除监测区代表性分析

农业排水沟塘的不均匀分布造成了不同沟塘单元在污染物去除能力上的差异,从而影响采用局部监测区推求系统整体去除污染物能力的代表性,合理选择监测区是正确评价其环境功能的关键。该文根据南方平原区一典型沟塘的分布情况,以江都昭关灌区作为研究区,针对表征污染物相对和绝对去除效果的指标,研究了由不同沟塘单元组成的监测区代表性问题;计算了不同监测区可能导致的误差,分析了影响代表性及误差的因素。结果显示,当降解系数r分别为0.01、0.05和0.10 m/d时,以沟塘系统整体的污染物去除效果作为参照,所有单元的去除强度比α平均值大于1,去除率比β平均值小于1;当降解系数r=0.05 m/d,池塘、支沟和农沟的去除强度比α平均值分别为1.90、1.11和0.64,去除率比β平均值分别为0.29、1.10、0.94。在沟塘分布不均及其水力关系复杂条件下,大多数水文单元或单个排水支路都难以精确地代表整个系统;一个特定监测区对于不同指标的代表性存在差异,监测区的代表性受到沟塘面积以及污染物自身降解能力的影响;对于表征污染物绝对去除量,如果污染物的降解能力较弱,监测区的选择余地较大,反之,则应避免面积较小的单元;水力停留时间越长,α值越小,而β值越大,水力停留时间较长的单元代表性更好。对于存在多个排水支路且农田和沟塘单元分布不均匀的情况,监测区则应尽量选为流量较大的支路,避免沟塘与汇流农田面积比偏大或偏小的支路。研究成果可为南方沟塘排水系统环境效益评价及农田面源污染监测提供理论依据。     

排水沟塘分布特性及与农田水力联系对水质净化能力的影响

湿地是一种能够有效治理农业非点源污染的生态设施;在一些无法建设人工湿地的地区,现存的排水沟塘系统具有类似湿地的水质净化效果。为研究排水沟塘的分布以及其与农田水力联系对其水质净化能力的影响,该文以扬州市江都区昭关灌区为例,首先通过实地调查,明确研究区不同形式沟塘的分布规律,确定沟塘与农田逐级详细水力联系,然后建立理论分析模型,分别计算考虑与不考虑水力联系2种情况下,沟塘的污染物去除能力。结果表明,考虑水力联系后,污染物去除能力为不考虑水力联系的70%~84%;水质净化作用主要集中在一些面积较大的支沟和池塘。从农田排水的角度考虑,尺寸较大沟塘会出现一定的水力冗余,但是从水质改善的角度看,则有必要保留。研究区可通过较为简单的工程措施来优化水力联系,提高其污染物的去除能力。     

不同级配基质方式下垂直流人工湿地净化效果及渗透性能研究

本研究设置了基质正、反级配垂直流人工湿地,通过测定系统对CODCr、TN、TP、NH4＋-N等指标的去除效率、有效孔隙率和渗透系数的变化来比较两种级配方式下垂直流人工湿地净化效果和系统渗透性能。结果表明,两种级配方式下,垂直流湿地系统对污染物去除的综合效果优于单一粒径的无烟煤湿地系统;反级配系统在除磷方面存在优势,正级配系统在CODCr去除方面显著强于反级配系统,在脱氮方面两者不存在显著性差异;反级配系统的有效孔隙率在各层的降幅变化不大,而正级配系统表层及上层有效孔隙率的降幅显著大于中层和底层;正级配系统渗透系数的变化显著高于反级配系统,且出现了持续性表面滞水现象。以上结果均表明,反级配垂直流湿地系统可以在保证净化效率的同时,缓解湿地基质堵塞,有效延长基质的使用寿命。     

潜流人工湿地对畜禽养殖废水的净化效果

为了提高潜流人工湿地对畜禽养殖废水中污染物的去除效果,该试验通过改变湿地内部结构构建了4个潜流人工湿地单元,选用灰砖块和碎石做湿地填料,冬夏季轮作栽培齿果酸模和大狼把草,考察湿地运行期间对厌氧消化后猪场废水的净化效果。结果表明：湿地单元经过80 d的启动,运行稳定,有植物湿地比无植物对照湿地提前10 d左右进入稳定期。运行期间,各湿地单元对废水中氨氮（ammonia nitrogen,NH4+-N）、总氮（total nitrogen, TN）、总磷（total phosphorus,TP）和化学需氧量（chemical oxygen demand,CODCr）的去除率与气温变化均呈现显著线性正相关。在水力停留时间（hydraulic retention time,HRT）为4 d,进水中CODCr、NH4+-N、TN、TP浓度分别为520、110、120、10 mg/L左右时,4个湿地单元对CODCr、TP的去除率分别在60%和70%以上,对NH4+-N和TN的去除率分别为28%～67%和32%～58%,植物对CODCr及TP去除的贡献分别稳定在10%和4%左右,植物对氮的去除效果受气温影响较大,夏季对NH4+-N和TN去除的贡献分别可达13%和12%。与一般潜流人工湿地比较,改进的波形潜流人工湿地对NH4+-N、TN和CODCr的平均去除率提高均在3%以上,对TP去除效果差异不显著（P＞0.05）。该研究可为构建大规模的潜流人工湿地处理畜禽养殖废水提供理论依据和技术支持。