胡曉東, 翁松干, 李志清

(江蘇省水利科學研究院, 南京 210017)

典型農(nóng)用地降雨徑流污染物輸出特征

胡曉東, 翁松干, 李志清

(江蘇省水利科學研究院, 南京 210017)

選取常熟金涇塘地區(qū)典型農(nóng)用地為研究對象，通過人工降雨研究不同降雨條件下徑流污染物的輸出特征，并分析徑流污染對河水污染的貢獻。結(jié)果表明：小強度降雨徑流初期污染物輸出濃度最大，而高強度降雨徑流污染物輸出最大濃度相對滯后；污染物TN和CODMn輸出總量遠大于TP和氨氮，且污染物輸出總量隨雨強增大而增加，但并不呈線性增長關系；徑流污染輸出的TN和TP對金涇塘河水污染貢獻較大。

農(nóng)用地; 徑流; 污染;人工降雨； 輸出特征

1 研究背景

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，大量農(nóng)藥和化肥得到使用，在降雨過程中，土壤中的氮素和磷素等營養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥以及其他污染物質(zhì)，通過地表徑流等形式流入水體，形成面源污染[1]。目前，針對地表徑流污染的研究也非常廣泛，從城市降雨徑流污染管理[2]到徑流污染遷移轉(zhuǎn)化過程研究[3]，從大流域降雨徑流污染輸出特征[4]到流域徑流污染模型[5]等等均有大量研究，但對流域內(nèi)微觀單元特別是農(nóng)用地降雨徑流條件下污染物輸出特征的研究相對較少[6]。

本文試驗區(qū)域位于常熟金涇塘，該地區(qū)農(nóng)田主要用于蔬菜種植，田間施肥量較大，通過降雨徑流進入金涇塘，造成面源污染。本文通過人工模擬降雨，研究徑流污染物的輸出特征，并分析其對金涇塘河水污染的貢獻情況。

2 材料與方法

(1) 試驗裝置。本試驗所用裝置主要由供水水箱、泵、流量計、布水器4 部分組成, 在布水器周圍設計擋風板來減小風力對模擬降雨的影響。由供水水箱提供一次試驗所需全部用水, 經(jīng)由泵、流量計調(diào)節(jié)流量到布水器，試驗用水采用自來水。

(2) 試驗過程。通過測定土壤中污染物濃度，選擇3塊互不干擾且土壤本底污染物濃度相近的農(nóng)用地，分別設置7.5，17.5，42.5 mm/h的降雨強度，降雨面積為2 m×2 m，徑流下游設置集水溝，溝槽內(nèi)墊置PVC塑料膜防止徑流水量下滲，集水溝尾部放置取樣設備，從產(chǎn)生徑流開始算起的5，10，15，20，25，30，40，50，60，80，100，120 min進行取樣分析，另外取徑流終點金涇塘河水進行水質(zhì)測試。

(3) 測試方法。每試驗地塊采5個土樣進行污染物濃度測試，TP采用堿熔-鉬銻抗分光光度法，TN采用半微量凱氏定氮法，氨氮采用氯化鉀溶液提取-分光光度法；水樣取樣后分別對CODMn，TP，TN，氨氮進行測試，CODMn采用高錳酸鉀法，氨氮采用鈉氏試劑比色法, TP采用鉬酸銨分光光度法,TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法進行測定。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 土壤污染物本底濃度

土壤本底污染物濃度決定徑流污染物的濃度,本次試驗3塊農(nóng)用地土壤本底污染物濃度見表1。

表1 土壤本底污染物平均濃度Table 1 Average concentration of backgroundpollutants in soil

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，3個試驗地塊的土壤污染物濃度差別較小，相對標準偏差均在10%以內(nèi)，說明各地塊用于比較試驗是符合要求的。

3.2 產(chǎn)流時間

土壤產(chǎn)流與其土壤含水量密切相關，由于本次試驗場地相鄰距離很近，各試驗農(nóng)用土含水率視為相同，本次試驗僅觀測不同強度降雨條件下的產(chǎn)流開始時間，結(jié)果見表2。

表2 各降雨強度下試驗產(chǎn)流開始時間Table 2 Start time of test runoff under differentrainfall intensity

從表2可以看出，其中7.5 mm/h和17.5 mm/h的降雨強度產(chǎn)生的徑流為飽和流，也就是說土壤含水率達到飽和狀態(tài)后才開始產(chǎn)流；而42.5 mm/h的降雨強度產(chǎn)生的徑流為超滲流，土壤沒有達到飽和就產(chǎn)流。這2種情況下，雨水在土壤中的停留時間不同，對污染物溶解的程度將產(chǎn)生差異。

3.3 降雨徑流污染濃度輸出特征

對2 h降雨徑流水質(zhì)進行分析，結(jié)果見圖1。

從圖1中可以看出，不同降雨強度條件下的徑流污染物濃度差異較大。首先徑流中各污染物質(zhì)在不同降雨強度下表現(xiàn)出不同的歷時特征，在降雨強度為42.5 mm/h條件下，初始徑流濃度較低，在約25～40 min后，TN,TP,氨氮和CODMn的濃度到達最大值；而17.5 mm/h的降雨強度條件下，徑流中的TN濃度較高，但TP,氨氮和CODMn的濃度還相對較低，在15～25 min后，各污染物濃度達到最大值；而7.5 mm/h的降雨強度下，徑流污染物初始濃度較高，隨著降雨歷時的推進，污染物濃度逐漸下降。

其次，從污染物質(zhì)濃度最大值數(shù)據(jù)來看，TN,TP,氨氮以及CODMn濃度最大值均出現(xiàn)在17.5 mm/h降雨強度下15～20 min之間的徑流中，數(shù)值分別為8.24，2.73，1.91，7.06 mg/L。

(a) TN

(b) 氨氮

(c) TP

(d) CODMn

結(jié)合產(chǎn)流時間不難看出:①大強度的降雨，土壤在非飽和含水率條件下開始產(chǎn)流，其在土壤的停留時間較短，土壤污染物質(zhì)尚未溶解到水中，導致初期雨水中污染物濃度較低；而強度較小的降雨，其產(chǎn)流形式為蓄滿產(chǎn)流，也就是土壤包氣帶和飽水帶基本飽和后產(chǎn)生的徑流，雨水停留時間久，污染物質(zhì)溶解比較充分，因此其初期雨水中的污染物濃度較高。②從各污染物最大濃度數(shù)值來看，在3種不同降雨強度下，17.5 mm/h的強度下的產(chǎn)流污染物濃度最高，這說明盡管較小降雨強度下雨水能在土壤中有更多的停留時間，有利于污染物溶解，但同時，雨強對土壤擾動的作用也不容忽視。而42.5 mm/h降雨強度同樣具有較強的擾動能力，能夠加快表層土壤中污染物質(zhì)的溶解速率，但由于其水量較大稀釋了污染物濃度，因此其徑流污染物質(zhì)濃度仍較小。

3.4 降雨徑流污染物總量輸出特征

由于本次試驗采用人工模擬降雨的方法，因此降雨雨強和降雨時間可以人為設定，使得降雨量的計算可以非常精確，并由此可以計算分時段降雨中污染物總量。

從圖2中可以看出，總體污染物總量上，TN和CODMn總量較高，而氨氮和TP污染物總量輸出較小。

表3 各時段不同降雨強度下污染物輸出累計總量Table 3 Accumulated amount of pollutant output at different periods under different rainfall intensity mg

(a) 7.5 mm/h雨強

(b) 17.5 mm/h雨強

(c) 42.5mm/h雨強

另外，對分時段污染物輸出總量進行分析，可以看出在7.5 mm/h的降雨強度下，前30 min的污染物輸出總量最大，隨著時間的推進，各時段污染物輸出總量的數(shù)值反而下降。17.5 mm/h的降雨強度下，各時段污染物總量輸出的特征與7.5 mm/h的降雨強度污染物輸出特征基本類似，僅在后期80～120 min的降雨中，污染物總量稍微有所提升。但42.5 mm/h降雨強度下，污染物總量輸出特征與將兩者差異較大，其降雨污染物總量輸出最大的時段集中在20～50 min這個時段，這與濃度的輸出特征相對應。

對各時段污染物輸出累計量進行統(tǒng)計如表3所示。

分析表中數(shù)據(jù)，可以看出，對于TP和氨氮的污染物總量輸出，在形成產(chǎn)流的初期，降雨強度為7.5,17.5,42.5 mm/h的產(chǎn)流中污染物輸出總量差距不多，10 min以后，TP輸出總量的差異才隨著降雨強度的增大而增大；而對于氨氮而言，42.5 mm/h降雨強度下10 min內(nèi)污染總輸出量最小，只有9.8 mg；TN輸出量在前10 min內(nèi)，17.5 mm/h和42.5 mm/h的差異不大，但均比7.5 mm/h的降雨強度下TN輸出量大；CODMn在各個時段上的輸出量均隨降雨強度增大而增大。但無論TP，TN，氨氮還是CODMn，其降雨污染物輸出總量與降雨強度間并非成線性增長關系，17.5 mm/h和42.5 mm/h在120 min的降雨過程中輸出污染物總量相對于7.5 mm/h的輸出總量：TP分別為其2.2倍和3.7倍、TN分別為1.5倍和3.5倍、氨氮分別為2.2倍和4.9倍，CODMn分別為2.4倍和5.9倍。

3.5 徑流與河水污染物濃度分析

對金涇塘河水水質(zhì)進行分析，與各降雨強度下徑流污染物平均濃度進行比較，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，對河水污染貢獻較大的是TP和TN，而氨氮以及CODMn徑流中污染濃度相比河水要小，因此說明河水受其他因素污染。相比較各降雨強度，7.5 mm/h產(chǎn)生的徑流中TN含量較高，是河水TN含量的重要污染源。

表4 不同降雨強度下河水及降雨徑流污染物濃度Table 4 Concentration of pollutants in river waterand rainfall runoff mg/L

4 結(jié) 論

(1) 降雨強度對徑流污染輸出特征有較大的影響，小強度降雨初期污染物濃度最大，而高強度降雨徑流污染物最大濃度相對滯后。但總體而言徑流污染物濃度在30 min內(nèi)均能達到最大值。

(2) 降雨徑流污染物TN和CODMn輸出總量遠大于氨氮和TP，且無論雨強大小，初期污染物輸出總量大于后期污染物輸出總量；污染物輸出總量隨雨強增大而增加，但并不呈現(xiàn)線性增長關系。

(3) 對研究區(qū)域而言，降雨徑流污染對河水污染物質(zhì)中TN和TP貢獻較大，而對氨氮和CODMn貢獻較小。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Characteristics of Pollutant Output in Farmland Runofffrom Simulated Rainfall

HU Xiao-dong, WENG Song-gan, LI Zhi-qing

(Jiangsu Hydraulic Research Institute, Nanjing 210017, China)

The output characteristics of pollutants in farmland runoff under different artificial rainfall intensity was researched at typical farmland in Changshu suburban area. The contribution of runoff pollution to the river pollution was also discussed. Result revealed that 1) the maximum concentration of pollutant appeared at the beginning of the rainfall under small intensity, while emerged later under big rainfall intensity; 2) the summation of TN and CODMnoutputs were far larger than the output of TP and ammonia nitrogen, also the summation of pollutant increased with the increase of rainfall intensity but the change was nonlinear; 3) TN and TP had a greater contribution to the river contamination.

farmland; runoff; pollution; artificial rainfall; output characteristic

2013-10-27;

2013-11-04

江蘇省水利科技項目(2012064)

胡曉東(1979-),男，重慶市人，高級工程師，從事生態(tài)修復方面的研究工作，(電話)025-86338564(電子信箱)challyno1@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.005

X52

A

1001-5485(2015)02-0020-04

2015,32(02):20-23