非点源污染防治现状及研究进展

2013-04-25金高洁张正涛

滁州学院学报 2013年5期

刘青，金高洁，高超，张正涛

20世纪60年代以来，非点源污染的研究及其治理成为国际环保界关注的新话题[1,2]。尤其是在我国仅占世界6%的径流量，水资源十分紧缺的情况下，农业非点源污染问题已变得十分严峻[3]。农业非点源污染在水环境污染中占有很大比重[4]，过量使用化肥是造成非点源污染的主要因素，我国有将近50%地下水和近 2000万hm2耕地面积受农业非点源污染影响[5]。至 2005 年，农业非点源污染已占我国全部污染的1/3，并有继续恶化的趋势[6]。农化产品在径流中的流失,化肥中N、P在地面中的富集与输出是非点源污染贡献最大但又是目前难以控制的问题[7]。国外对于非点源污染的治理已经相当成熟，除了相关法律法规的制定和模型的应用外，还通过各种经济政策的激励手段综合治理。在国内，非点源污染治理起步较晚，特别是在污染严重的农村地区，人们对于非点源污染的认识不足，各种防治技术及政策法规的制定有待加强。

1 非点源污染介绍及防治中存在的问题

1.1 非点源污染介绍

非点源污染(Non-Point Source Pollution)，又称面源污染，指溶解的或固体的污染物从非特定的地点，在降水或融雪作用下,经过径流过程汇入受纳水体(河流、湖泊、水库和海湾等)，引起水体富营养化或其他形式的污染过程[8]。它具有发生时间的随机性、发生范围的分散性、发生方式的间歇性、发生周期的潜伏性等不确定性的特点。

非点源污染受两个因素影响，一是自然因素，主要是由降雨引起的流域地表水土流失和径流污染；二是人为因素，包括土地利用结构和类型不合理，化肥农药过量使用，畜禽粪便、农村生活污水、生活垃圾随意排放等[9,10]。根据污染区域划分，非点源污染可分为城市非点源污染、农村非点源污染和矿区非点源污染[11]，其中农村非点源污染最为严重；根据污染源划分，可分为畜禽养殖非点源污染、种植业非点源污染、农村生活非点源污染。

1.2 国内非点源污染防治存在的问题

首先是信息不对称，污染信息难以获取。究其原因，一是人们对非点源污染认识不够，尤其在农村，环保意识十分薄弱；二是信息公开的有效性难以确保, 即有关政府的全部信息不能够充分、真实、及时地公开[12]；三是我国农村采取独立分散的生产、生活活动，很难对其一一进行监督[13]。此外，有些农民为提高产量而牺牲环境的情况屡见不鲜，对污染状况隐瞒不报，这必然造成农村环境长久持续的破坏和污染。其次，防治资金不足，技术落后，研究资料及经验缺乏也是造成其难以防治的原因。再次，污染原因多样，往往采取单一措施难以防治。这就要求必须分析具体原因，找出不同类型污染原因，综合防治。此外，政府重视不够，责任不明确。在实际工作中很少甚至没有考虑非点源污染问题，造成水污染控制规划与控制措施脱离实际等严重后果[14]。了解非点源污染的特征及现状，可以为非点源污染防治技术及手段的研究提供科学依据。

2 国内非点源污染的防治现状

2.1 信息数据库的建立

国内，上海、北京等城市已开展降雨径流水质的监测工作，所得数据及其相关研究成果可为非点源污染的管理提供重要的信息基础[15]。国内学者利用组件式地理信息系统GIS (Geographic Information System)对密云水库地区进行二次开发，建立非点源污染信息系统数据库，其中包括区域基础数据、水源污染数据、水质信息数据、模型因子数据以及元数据[16]，可为后续非点源污染防治提供数据支持。

2.2 传统技术在非点源污染防治中的应用

2.2.1 缓冲带在非点源污染防治中的应用

缓冲带是指利用永久性植被拦截污染物或有害物质的条带状、受保护的土地。其作用是通过滞缓径流、沉降泥沙、强化过滤和增强吸附等功能降低各种污染物的浓度。此外，缓冲带还具有增加生物多样性和植被覆盖率的作用。目前，缓冲带在国内非点源污染防治中应用较为普遍[17]。缓冲带的位置、宽度，植被，水文条件和土壤类型是影响缓冲带防治效果的主要因素。

2.2.2 不同类型的非点源污染防治

按污染源、污染范围不同将非点源污染划分为不同类型，提出对不同类型非点源污染进行分类治理：

(1)对于种植业：优化种植结构，合理调节土地利用方式，采用保护性耕作；控制化肥使用量；调整化肥使用结构；开发新型环保的绿色化肥[18]；使用低毒及生物农药；节水灌溉等[19]。

(2)对于养殖业：污染发生前，鼓励大规模集中养殖；选址时尽量远离河道；使用绿色饲料[19]；污染发生后，利用有机肥料还田；建设沼气工程；采取好氧堆肥技术、发酵床技术[20]。

(3)对于农村生活污水、垃圾：建立完善的污水处理网；生活垃圾集中处理；加大对农村无害化公厕的资金投入，建设户用型沼气工程等。

(4)对于城市非点源污染：有学者利用景观生态规划技术确定城市景观空间格局与城市非点源污染之间的关系，从而制定土地开发法规，控制不透水面积比例[21]。

(5)对于矿区非点源污染：调整土地利用类型，增加植被覆盖率，防止水土流失。

2.3 与现代技术结合防治非点源污染

2.3.1 3S技术在非点源污染中的应用

GIS的空间分析能力，RS的动态监测功能和GPS的高效精确定位在非点源污染防治中发挥了重要作用。全球定位系统GPS(Global Positioning System)可以高精度、快速、全天候的定位污染源，并为GIS提供地面高程信息。遥感RS(Remote Sense)可提供实时、动态的数据并随时监测非点源污染状况，并可用于土地利用分类，反应污染区空间分布特征，进行关键区识别等[22]。GIS可对海量空间数据进行操作、检索、显示、空间模拟、三维显示等[23]。GIS还可与环境模型集成，处理数据、显示模拟结果等[24]。目前，西湖流域、九龙江流域、石头口门水库流域都已将GIS技术应用于非点源防治[25-28]。

2.3.2 模型在非点源污染防治中的应用

模型应用对非点源污染研究起到了至关重要的作用。目前，国内学者应用SWAT模型进行N素的识别，对污染源进行解析以及探究非点源污染时空分布规律等；利用ESSI-2模型描述农药的降解、吸附、下渗、输移、汇聚等过程，可以对农药的输移过程和时空分布进行模拟分析[29]，利用AnnAGNPS模型对采煤塌陷区进行非点源污染模拟研究并计算矿区非点源污染贡献等[30]。

2.4 法律、经济、教育手段在非点源污染防治中的应用

从20世纪八十年代开始，我国陆续制定了《环境保护法》、《水污染防治法》、《水土保持法》、《农业法》等[31]。这些法律的颁布在一定程度上抑制了非点源污染，但针对性不强。研究表明，经济刺激手段一般优于直接管制手段，可以更为直接地控制非点源污染[32]。目前，我国生态补偿机制在理论研究和实践方面已经开始起步[33]。教育手段具有可接受性强、效率高、成本低的优点。国外提倡在法律、经济手段防治的基础上，辅以教育手段，而国内非点源污染防治宣传力度不够，民众防治意识较弱，有待加强。

综上所述，目前水土流失、径流污染、土地利用类型和结构不合理、化肥农药过量使用、畜禽粪便、生活垃圾、污水随意排放等制约着国内非点源污染的防治。针对种植业、养殖业、生活污水垃圾以及城市和矿区不同类型的非点源污染，提出优化种植结构、控制化肥农药使用量、提倡大规模养殖、使用绿色饲料、有机肥还田、沼气工程、建立污水处理厂、垃圾集中处理、土地利用方式、增加植被覆盖率等措施，建立非点源污染信息数据库，结合3S、景观生态规划、缓冲带、好氧堆肥、营养元素循环利用以及法律、经济、教育等技术和手段，综合用于多种类型的非点源污染防治之中，防治技术、防治手段、防治措施之间既相互独立又相辅相承，如图1所示。

图1 国内非点源污染防治示意图

3 国内外非点源污染防治研究进展

3.1 国外研究进展

20世纪60年代，美国及欧洲一些国家开始研究非点源污染模型，随后模型逐渐发展，其中比较著名的有暴雨洪水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)、分布式暴雨水文模型STROM(Storage, Treatment, Runoff, Overflow, Mode)、基于连续降雨事件的经验集中型模型GLEAMS(Groundwater Loading Effects of Agricultural Management Systems)、以及水土分析工具SWAT(Soil and Water Assessment Tools)模型[34]。20世纪70年代，美国进一步重视对城市地表径流的研究。美国环保局通过全国城市径流项目，收集2300场城市降雨的数据，形成了首个全国性的降雨径流水质数据库[15]。时至今日，以美国领先的非点源污染模型向实用方向发展，涉及领域更广、类型更加多样，并与GIS、RS、GPS结合广泛应用于非点源污染的模拟、负荷计算、污染物迁移、空间分布规律以及影响评价等领域[35]。

政策法规方面，美国《清洁水法》专门条款规定使用最佳管理实践(BMPs)用以控制农业非点源污染，并规定建立国家污染物排放消除制度，以及规定各州政府制定水污染管理计划[36]。新西兰的《自然资源管理法》、《2010环境战略》相关规定都对非点源污染起到了抑制作用。此外，新西兰还采用经济工具刺激以及公众参与的方式防止非点源污染。

3.2 国内研究进展

国内非点源污染研究起步较晚，20世纪80年代在国内点源污染逐步得到控制后，非点源污染日益突显，非点源污染研究逐渐发展。早期非点源污染研究主要是对农业非点源污染宏观性探讨，例如我国关于湖泊富营养化的调查研究、探讨非点源污染对水质的影响等。随后，国内学者对非点源污染负荷估算研究。模型的应用进一步推动了我国非点源污染研究发展。目前国内用于非点源污染研究的模型较多，其中SWAT模型应用较为广泛。北京密云水库流域、巢湖流域等广泛运用SWAT模型得出较好的模拟结果[27,28]。此外，有学者采用多准则分析法MCA(Multicriteria analysis)客观确定污染因子权重，避免主观因素影响以得到最优解[37]。还有学者利用径流曲线数法SCS(Curve Number Method)方法计算降雨径流量[38]。目前，国内对于农业非点源污染研究取得一定成果的同时，已有学者将研究方向转向城市非点源污染、高速公路非点源污染以及矿区非点源污染等，使得国内非点源污染研究领域进一步扩大，研究范围更加全面。

4 以鄱阳湖流域为例，国内非点源污染防治进展

4.1 鄱阳湖非点源污染防治现状

鄱阳湖流域鹰潭市生猪养殖业发展较快，但各养殖场太过分散，布局不合理，缺乏统一规划，造成了大量的非点源污染。鹰潭市采取规模养殖，科学划定畜禽养殖的禁养区、限养区和宜养区，从污染源头治理；加快大中型沼气池工程项目建设；设立奖励资金等手段综合防治。目前，鹰潭市对于生猪养殖造成的污染治理已初见成效。对鄱阳湖的水产养殖中的重金属污染，学者利用单项污染指数法和Hakanson生态风险指数法进行分析研究，得出鄱阳湖重金属污染等级目前还处于安全级[39]。但这并不意味可以忽略重金属污染的存在。还有学者借鉴水文学中的水文分割法，将总径流划分为地表径流和基流两个部分，再进行非点源污染负荷计算，用以探索径流N、P等物质入湖规律，为非点源污染防治提供科学基础。此外，还有学者利用GIS技术对鄱阳湖区域进行较为准确的土地利用分类及获取污染信息，，对采集到的数据进行空间分析[40]，建立数字化专家系统。

4.2 中澳合作治理鄱阳湖农业非点源污染

鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游南岸，是我国目前第一大淡水湖。近年来，鄱阳湖水质恶化严重，主要是N、P等营养元素进入水体引起的水体富营养化。因此，2010年江西省水利科学研究院与澳大利亚联邦工业与科研组织(CSIRO)水土资源所签订了“中国鄱阳湖非点源营养元素截留与循环利用研究”合作研究协议并现已取得圆满成[41,42]。

项目通过对进入鄱阳湖及其湿地水体中N、P以及其他污染物的特性进行分析，选择出可用于水污染处理的工矿业副产品材料，将这些工矿业废渣作为人工湿地系统的基质，吸附进入湖区的N、P以及有毒金属和非金属污染物，并对它们的吸附能力进行评价。该项目开拓出了利用工矿业废渣吸附拦截营养元素以及将吸附N、P后的工矿业副产品材料用于环境营养改良的循环利用新途径。

4.3 鄱阳湖非点源污染防治评价

根据对鄱阳湖非点源污染防治现状的分析可以得出，政府的高度重视加大了对污染防治人力和物力的投入，例如对营养元素的截留有效地减少了鄱阳湖非点源污染；对种植业和养殖业的治理从源头上控制了过量营养元素的产生；而通过对吸收的营养物质回收再利用，坚持了可持续发展道路；此外利用工业废料还降低了污染防治的成本。但非点源污染防治具有长期性和复杂性，在当前防治过程中仍出现一些不足，例如对于鄱阳湖的防治不仅局限于鄱阳湖本身，还要考虑到上游及支流污染对鄱阳湖的影响；在对吸附物回收再利用时，必须确保有毒物质未被吸附或已被分离；吸附后的基质再生利用途径需进一步试验研究；另外还需加强法制建设，并建立健全非点源污染监测体系；明确非点源污染主管部门及其职责等。

5 结论与展望

通过分析非点源污染的特点、类型、影响因素和介绍应用于非点源污染防治中的传统技术、3S技术、景观生态规划技术、信息数据库系统以及各类模型，结合国内外研究现状及发展前景，得出以下结论及展望：

(1)针对资金不足、技术落后、重视不够、责任不明确等，结合法律、经济、教育以及各种技术手段，对不同类型的非点源污染采取分类防治，但各种技术、手段、措施并非完全独立，而是相互交错、相辅相成，综合作用，从源头和污染过程两方面控制非点源污染。

(2) N、P超标引起的水体富营养化对鄱阳湖流域非点源污染影响最为严重，利用工矿业矿渣建立人工湿地系统成为有效的治理方式。这种垃圾资源化利用的方式不仅为鄱阳湖的污染治理提供科学依据，还将为国内非点源污染治理开辟一条新途径。

(3)目前，国内用于非点源污染研究的模型多为借鉴国外，适用性不强，且各模型适用尺度较为混乱，模拟精度不高。因此，在今后研究中应着力开发适合国内需求的模型并提高模型精度。

(4)今后对于非点源污染的防治必然走向科学化、技术化、规范化、法制化、综合化的道路。目前，我国的非点源污染治理状况还不容乐观，今后还有很多的工作需要去完成。对重金属等有毒物质的非点源污染要寻求更好的防治途径；对矿区非点源污染研究不够，防治措施较少；教育这种低成本手段的应用需加强。此外，空气非点源污染，如多环芳烃排放、秸秆焚烧等，也必须引起足够的重视。

(5)根据我国非点源污染防治中的不足，提出几点建议：突出重点，专项防治；多种技术手段结合，综合防治；生态治理，坚持可持续发展；因地制宜地治理非点源污染；明确责任，政府支持，保障资金充足；建立科研机构，开发先进技术；从源头治理，控制污染发生。

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