农业面源污染进展

•农业面源污染研究进展•8/11/2019•一、农业面源污染概述•三、农业面源污染理论研究•

四、农业面源污染控制技术•五、农业面源污染治理案例分析2

•报告提纲•8/11/2019•面源污染(Diffused

Pollution,

DP)，

也称非点源污染(Non-pointSource

Pollution，NPS)，

是指溶解和固体的污染物从非特定地点，

在降水或融雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体（包括河

流、湖泊、水库和海湾等）并引起有机污染、水体富营养化或有毒有

害等其他形式的污染。•农业面源污染（Agricultural

Non-point

Source

Pollution，ANPS)

在农业生产过程中发生的面源污染，

具体为：

农业生产生活过程中，农田、村镇的泥沙、营养盐、农药及其它污染物，在降水、灌溉、排

污的过程中，通过地表径流、壤中流、排水和地下渗漏，使大量污染

物进入受纳水体（河流、湖泊、水库、海湾）所引起的污染。•8/11/2019•农业面源污染是面源污染的一种，

是污染源来

自于农业生产生活过程的面源污染。业面源污染定义•农业面源污染概述•据《第一次全国污染源普查公报》

，

农业污染源化学需氧量、总磷、总氮排放量分别占全国排放总量的44%，

67%和57%。面源污染是农业污染发生的主要形式，

农业面源污染已经成为我国流域性水体污染重要来源。•

//•农业面源污染概述业面源污染是主要污染源•为什么要研究农业面源污染？•农业面源污染概述业面源污染危害•营养型污染物污染水体环境（N、P、TOC等）•土壤养分流失•农业生态系统退化

•8/11/2019

•水体环境恶化•农业面源污染的•最直观表现•“水华

”“赤潮

”现象•毒害型污•滇

物、

湖染等水体环境•（农药、除草剂及降解产物，重金属、有毒有机物等）•水生动植物被毒

害•农业面源污染概述•

业面源污染主要来源：•农田种植、畜禽养殖、农村生活是农业面源污染的主

要来源。•8/11/2019

•农业面源污染概述•农田源——现代农业生产方式的必然产物•肥料的作用主要起补充流失养分、改善土壤性质、调节养分平衡和提高土壤肥力在作用。•8/11/2019

•

“庄稼一枝花，

全靠肥当家

”肥料在农业生产中7•肥料的作用•

养分归还学说•（1）随着作物的每次收获必然要从土壤中去走大量养分；•（2）如果不正确的归还养分给土壤，

地力必然会逐渐下降；•（3）要想恢复地力就必须归还从土壤中取走的全部东西；•（4）为了增加作物产量就必须以施肥方式补充植物从土壤中取走的

养分。•肥料是保障农业生产高效平稳运行的基础！

！！•8/11/20198•农家肥料：

如厩肥

、人粪尿

、

绿肥等。富充足的肥料保障了农业生产的正常进行

•8/11/2019

用肥料分类•氮肥农业生产中使用的肥料种类丰富

，

可以说是丰•磷肥•钾肥•复合肥料•化学肥

料•肥料•农业面源污染概述田源——化肥使用量大效率低•肥料及化肥应用是农业生产中的革命性技术，

我们用世界7%的耕地养活了22%的人口，但实际上我们却消耗了35%的化肥

。我国单位播种面积化肥用量为400kg

hm-2

，

是世界平均水平3倍，

发达国家为防止水体污染

安全上限值225

kg

hm-2

。•自然状态下20%左右的氮

肥会流失进入环境•我国农田化肥氮在当季作物收获时的去向及其对环境的源影响•8/11/2019•农田氮肥主要的功能在於长叶子及制造叶绿素

，

以供光合作用产生碳水化合物

，

增进作物的产量。磷肥主要的功能在于能量的制造和运移

，

是組成ATP的重要元素

，对开花及结果影响很大。•8/11/2019

钾肥主要的功能为维持细胞内电解质平衡与细胞膨压

，且为蛋白质合成及五十多种酵素催化作用所必需。•为了使农作物达到最高的产量，这三种化肥需要最佳的使用比例

1田源——化肥施用过程不合理效率低•氮肥：

磷肥：

钾肥=

2

:1

:1•农业面源污染概述•中国与世界氮磷钾最佳使用施用量及比例对比•1998

年至2012

年中国的农药用量

增长了5

倍，

2012年我国共生产使用

农药约234.2万吨（折合有效成分）

。

•我国农药单位面积用量为世界平均水平的2倍，

有效利用率只有30％左

右，

比发达国家低20个百分点。·234.2万吨×（1-30%）=163.9万吨/年农药在

土壤、流水、空气中流失田源——农药使用量大效率低•农业面源污染概述•8/11/2019•目前，

拥有农业部登记证的农药企业大概约有2500

家，

可生产原药300多类，

制剂3000多种，

增加了环境风险与治理难度。•8/11/2019田源——农药品种多

，

成分复杂•农业面源污染概述•

据第一次污染源普查公报，我国农业污染排放主要来自

于畜禽养殖业，其COD、TN、TP排放量占农业源污染物排放

总量96%、56%、38%。殖源——最大的农业面源污染源•农业面源污染概述•养殖源•8/11/2019•殖源——

畜禽养殖主要污染物构成•畜禽养殖COD排放量

构成比例•畜禽养殖氨氮排放

量构成比例•农业面源污染概述•8/11/2019•我国13.3亿总人口中有9.3亿分布在；

其中镇乡建成区人口为1.67亿，

村庄人口约为7.63亿；

全国村镇有1.9万个建制镇、1.5万个集镇(乡)、60多万个行政村和250多万个自然村。•农村经济发展迅速，

生活水平高，

但农村的环境建设与经济发展不同步，

农村水环境污染严重

。农村的“脏乱差

”现象对

人群健康的存在威胁。

•农业面源污染概述16•农村生活源——农村环境质量提升的主要障碍•8/11/2019•农业面源污染概述17•农村生活源——来源多样

，

成分复杂•村镇生活排水•农业固体废弃物•农村生活垃圾•村落地表径流•8/11/2•分分散散性性和和隐隐蔽蔽性性•

随随机机性性和和不不确确定定性性•

不易监测性•

我国农业面源污染特征

•

区区域域性性明明显显•

治治理理难难度度大大•农业面源污染概述18•农业面源污染特点：•固有特点•8/11/201919•分散性和隐蔽性地利用状况、地形地貌、水文特征、气候、天气等的不同而具有空间异质性

和时间上的不均匀性

。排放的分散性导

致其地理边界和空间位置的不易识别

。

•8/11/201920•随机性和不确定性：•降雨量的大小和密度、温度、湿度的变

化会直接影响农业生产，

进而影响化学

制品（农药、化肥等）

的使用和对水体•8/11/2019的污染。21•不易监测性：•由于面源污染涉及多个污染者，

在给定

的区域内它们的排放是相互交叉的，

加之

不同的地理、气象、水文条件对污染物的

迁移转化影响很大，

因此很难具体监测到

单个污染者的排放量

。

•8/11/2019•8/11/2019•气候、地形、人口、生

活方式等使得中国农业

面源污染在发生方式，单位负荷量，

迁移条件

等方面存在较大差异。•农业面源污染的发生及

产生原因主要表现为南

北差异。业面源污染区域性明显•农业面源污染概述•农业面源污染概述2

农业面源污染区域性明显•污染负荷区域分布不均•8/11/2019•经济发达地区及传统种植区化肥使用量偏大

，

畜禽养殖多集中

在中东部地区。•全国化肥施用量分

布•全国畜禽养殖量分

布业面源污染区域性明显•气候类型南北差异显著

，

干湿变化东西差别明显

•区域气候特点

、

降水造成农业面源污染发生环境条件迥•8/11/异9

•南方：

河网密布，

湖泊众多，农业耕作精细、

畜禽养殖业发达。面源污染以平原河网、库（湖）

为主，

一年四季均可发生，

以生

活、养殖、农田排水为主要负荷

来源，

人均用水量大。•北方：

相对干燥，

河流水量小，

雨热同期，

面源污染发生多随降雨侵蚀产生，

冬季少发，

农田侵蚀、养殖废弃物为主要负

荷来源，

人均用水量少，

温度限制作用明显。业面源污染区域性明显•区域差异主要表现为南北差异！•8/11/2019.8/11/2019乌

农业面源污染有效控制的难点：➢

污染负荷增长速度快：以养殖源为列，

2001年至2010年，

猪

规模化养殖场年均增幅25%，

奶牛28%，

肉牛17%，

蛋鸡22%，肉鸡20%

。化肥、农药使用量持续增加，

农村生活水平提高污水、垃圾量增加。➢

治理难度大：

我国地域广阔，

气候变化明显，

加之面源污染的发生特点、

区域特点等造成治理困难，

缺乏完善可行的技术体系，

同时面源污染发生分散随机，

集中治理成本高。➢

监管困难：

缺乏类似工业源的较为全面成熟的监控体系，

不宜安装监控设备等

。污染物特征不典型，

难以确定污染物流向。中国面源污染治理难点26乌

农业面源污染治理瓶颈：乌

管理方面：

缺乏资金保障

、缺乏科学规划

、缺乏高效组织、

缺乏技术标准

、缺乏长效管理。乌

技术方面：

现有污水厂的技术工艺不适合分散的面源污染

处理

，

需要研究和总结真正适合农村的分散型污水处理技

术；

收集处理成本过高。乌

在管理方面：

缺乏相应的规程

、规范

、准则和标准等；乌

在机制方面：

缺乏有效的农村污水处理设施的投资与长期

运营机制。27中国面源污染治理难点.8/11/2019•一、农业面源污染概述•二、农业面源污染理论研究•三、农业面源污染控制技术•

四、农业面源污染治理案例分析28

•报告提纲•8/11/201929•农业面源污染理论研究•农业面源污染发生机理•

中国农业面源污染产生的机制原因

•面源污染估算模型介绍•8/11/2019•

业生态系统养分循环农业生态系统的养分循环特点：•1、养分输入率与输出率高（大出大进）•2、库存量较低，

流量大，

周转快

•3、养分保持能力弱，

容易流失•4、养分供求不同步•8/11/2019

•N、P等营养物质易流失发生面源污染•发生机理•

（N）

循环•氮（N）是生命组成的必须元素，在农业生产中是植物体内氨基

酸、蛋白质主要组成成分，

也是植物进行光合作用起决定作用的

叶绿素的组成部分。•8/11/2019•发生机理•N•8/11/2019

2

田生态系统的氮循环•发生机理•

氮的流失途径：•1、挥发损失（NH3-N）,即由于有机质的燃烧分解或其他原因

导致氨的挥发损失，

发生条件pH≥7。•2、氮的淋失（NO3-N）,主要是硝态氮由于降雨或灌溉淋溶损失，

以旱地轻质土壤为主。•3、反硝化脱氮（NOX

）水田中活土壤通气不良时，

硝态氮受

反硝化作用变成游离氮，

导致氮损失；•

4、径流，

径流冲刷溶解部分氮；•

5、土壤侵蚀流失；•6、

畜禽粪便，

养殖过程中畜禽粪便的损失。•8/11/2019

3业生态系统中的氮损失•发生机理•8/11/2019•氮化学性质活泼，

在农业面源污染中，

氮多以溶解态进入水体环境，

形成污染

。农业面源污染中氮污染的治理，

即是通过特

定的技术手段减少氮的进入量或通过反硝化作用减少水体中溶

解态氮的含量。•

污染机理•含氮化合物物在天然水中循环过程•发生机理•8/11/2019•

（P）

循环•发生机理田生态系统的磷循环•发生机理•8/11/2019•

（P）

污染机理农田生态系统磷素循环的特点·

在石灰性土壤上（+Ca）Ca(H2PO4)2•H2O→CaHPO4•2H2O→CaHPO4↓

↓Ca10

(PO4)6•(OH)2←Ca8H2

(PO4)6•5H2O·

在酸性土壤上

总体趋势是磷的溶解性由逐步下降。•8/11/2019

•+Al、+Fe

Al(Fe)PO4

↓Ca(H2PO4)2•H2O•发生机理•磷（P）

污染机

1、农田中磷的流失•从农田流失的磷素主要以DRP（非溶解态磷）

和PP（颗粒结合态磷）

形式存在

，

其中大部分是PP（

占80%以上），这部分磷可以被水流运输至较远的地区而输出农田

，

因而是磷素流失的主要方式。•2、

畜禽粪便中磷的流失畜禽粪便中磷主要为磷脂

、无机态磷

、酸容性磷和残留磷。•

1）

粪肥还田

，

侵蚀过程中磷损失•2）

堆肥

、储存过程中雨水冲刷•

3）

养殖废水冲洗直排•发生机理•8/11/201938•例证1：•英国洛桑试验站的试验表明，土壤施磷100年后

，

磷仍然集中在0-40cm土层内

，

向下移动很少。•

（P）

污染机此外

，

施入土壤中的磷还会通过各种吸附机制（包括非固定；

在旱地上

，

磷肥颗粒还会被难溶的Fe(OH)3胶膜所包裹

，

形成闭蓄态磷

，

使其难以释放

。综上所述,土壤中的磷

很难象NO3-

、Cl-

、SO4=那样随重力水下移而进入地下水。专性吸附与专性吸附）

和阴离子交换

、异成分溶解等方式被•8/11/2019

•发生机理理土壤中很难溶解。•例证3：•在太平洋沿赤道的许多鸟岛上

，

历经成千上万年形成的鸟粪磷矿

，

其

中的磷就来自鸟粪与鸟类的骨骼，如果磷很容易随水移动

，

那么在多年雨水和海浪的洗刷下

，

磷早已不•磷（P）

污染机理例证2：土壤溶液中的磷浓度只要能达到0.3mg/l就能满足大多数作物•8/11/2019科学研究已充分证明

，

农田中的磷可以进入地表水

，

其主要途

径是地表径流

，

包括如水田排水等。的需要

，

但多数土壤却达不到

，

而需要施肥来补充

，

因为磷在复存在

，

何来的磷矿呢？•发生机理40•湖泊生物生产力的限制因子是磷，

天然湖泊缺磷的现象较为常见，

磷从土壤流失对湖泊的生物生产力具有促进作用；

换言之，

磷的流失是导致水体富营养化的主

1

1子9

。

•发生机理41•水体中氮、磷浓度与营养化水平的指标•（mg/l）•8/11/2019

境条件(温度、湍流程度、光照等)

•水华发生条件：

充足的营养物（N、P）+适宜的环•题：

磷足够是否就能发生水华现象

•美国弗罗里达州磷矿

池•发生机理•磷严重超标43•农业面源污染理论研究•面源污染发生机理•

中国农业面源污染产生的机制原因•面源污染模型介绍•8/11/2019•8/11/201•传统

农

业

•现代

农

业•集约

程

度·中国农业目前“只要增长不发展

”，

环境成为产量持续增加、收入稳定提高过程中可“忽略

”的成本。

4观观层面——“追求增长

”的发展观•机制原因•环境

友

好

度

5观观层面——“二元

”社会结构助推农业面源污染•“二元

”结构主要包括：

城乡二元经济结构、城乡二元社会结构•城乡二元经济结构：•一般指以社会化生产为主要特点的城市经济和以小生产为主要特点的

农村经济并存的经济结构。•城乡二元社会结构：•一般是指城市居民和农村人口因为户籍或居住地制度的区别在劳动收入、消费、教育生活等方面存在着巨大的差异而形成了两个相对独立的社会单位。•城乡

“二元”•差异现实存在•8/11/2019

•机制原因

➢

农民经济状况相对较差，

生存压力巨大，

无力顾及污染控制；➢

劳动密集型的小规模农业生产增加了面源污染的控制难度；➢

农业相关人员素质较低，

掌握环境知识的能力较弱，

环境保护意识较差；➢

农村的环境保护长期受到忽视，

环保政策、环保机构、环保人员及环保基础设施均供给不足。•机制原因

6观观层面——“二元

”差异产生环境问题➢

大量农村人口构成了对环境资源的巨大压力；•8/11/2019➢

农业经营行为短视化。农户不管农业和环境是否可持续，

只保证当年的收益水平。√土地产权使用权周期短·现有土地承包制度、使用权制度周期短不稳定，短期经营明显。√农民兼业化·

农民职业转化频繁，迫于生计。农民（农忙时）——农民工（农民工）➢

环境意识淡泊。农业生产过程中漠视环境作用。➢

缺乏公共服务支持导致施肥施药操作违规。多凭“经验”进行经营，农药、•机制原因

7观观机制——农户生产行为➢

生存和发展的压力。农户自我核算，迫于升级，

需要从农业中获得较高的收益，从而不断增加农药、化肥投入，给农业环境带来污染。•8/11/2019化肥企业为图经济利益大量推销。48•农业面源污染理论研究•面源污染发生机理•

中国农业面源污染产生的机制原因•面源污染估算模型介绍•8/11/2019•面源污染的发生和程度与水文过程密切相关•面源污染与土壤侵蚀是一对密不可分的共生现象•发生过程受土地利用方式、人类活动强度等影响•面源污染负荷产生过程•面源污染模型介绍•8/11/2019•面源污染模型基本都由水文过程模型

、土壤侵蚀模型和污染负

荷模型三个基础模块组成49•面源模型介绍•流域水文过程模拟•

流域水文模拟就是对流域内发生的水文过程进行的数学模拟计算。•

流域水文模型根据结构和参数的物理完整性

，

可分为概念性模型和分布式物理模型。•

常见模型–

包顿（Boughton）

模型（澳大利亚）–

萨克拉门托（Sacramento）

模型（美国天气局水文办公室）–

水箱（Tank）

模型（

日本）–

新安江模型（中国）模型（美国陆军工程兵团水文中心）模型–

HEC

–

SCS•8/11/201950•域水文模拟基础模型蒸散发模型•

Green-Ampt模型•

Kostiakov模型i=

at-b•Horton模型假定已知在降雨开始时正确与否取决于植被特性、

降雨特性、

前期降雨等，

同时计算中没有考虑雨强与雨量。•Horton（1919）

建立了截留总损失与植被蓄水能力和蒸发之间的关系•

Horton模

型Holtan模

型•8/11/2019•面源模型介绍Philip

模•下渗模型•

型•面源模型介绍52降雨径流模型•8/11/2019•AGNPS,SWAT

等经典面源污

染模型基础径

流过程模型•Hamon

模型•

推理公式•SCS

模型F=P-Ia-q土壤侵蚀产沙模型可分为•

经验模型——USLE、RUSLE和MUSLE•概念模型——ANSWERS、CREAMS•物理模型——WEPP、EUROSEM/KINEROS、EUROSEM/MIKE、SHE、LISEM、EPIC•壤侵蚀与产沙过程模拟侵蚀产沙模拟•8/11/2019•面源模型介绍•概念模型介于经验模型和物理模型之间，

相对经验模型而言，

概念模型的进步之处在于引进了质量和能量守恒定律，

但其主要缺点是缺乏对土壤侵蚀过程的物理描述，

参数率定往往失真•8/11/2019

•CREAMS•

ANSWERS•ANSWERS-MODANSW•壤侵蚀与产沙过程模拟经验模型•

Musgrave•USLE•

MUSLE•RUSLEA=EI·K·LS·C·P·SS

F•面源模型介绍A＝R.K.L

.S

.C

.P•概念模型–以PCRasterGIS软件为基础

，

程序代码完全由

GIS

命令构成–以PCRaster系统为基础

，

将流域在空间离散化为一系列大小相等的栅格单元

，

对降雨侵

蚀过程等时间间隔分割

，

按照时间步长分时

段模拟侵蚀程–

模型运行需要大量表

、

图以及文件EPIC

模型–

美国德克萨斯农工大学黑土地研究中心和美国农业部草地

、土壤和水分研究所等研制–

EPIC模型由气象模拟

、水文学

、侵蚀泥沙、营养循环

、农药残留

、植物生长

、土壤温度、土壤耕作

、经济效益和植物环境控制等模块

组成

，

含有

300多个数学方程–

WEPP模型土壤侵蚀过程包括分离

、搬运和沉积

。坡面侵蚀包

括细沟和细沟间侵蚀–

WEPP模型认为土壤侵蚀过程由

降水和径流过程共同决定–

采用模块化结构

，

共有9个功

能模块•

EUROSEM模型

•–

由欧盟开发–属于动态分布式模型

，

通过对土壤侵蚀过程的物理描述

，

并•8/11/2019

下地块或小流域侵蚀过程•土壤侵蚀与产沙过程模拟•

WEPP

模型

•

LISEM

模型55

物理模型•面源模型介绍以分钟为时段模拟次降雨条件•

模型基本结构–

降雨径流模拟–土壤侵蚀模拟–污染物迁移转化模拟–水质模型•

源污染常用模型•

非点源污染模型基本结构•面源模型介绍•8/11/2019·非点源污染模型污·染

物

迁

移

转

化

模

型土·壤

侵

蚀

模

型降·雨

径

流

模

型水·质

模

型•

概况–基于方格框架组成的流域分布式事件模型–

由水文、侵蚀、沉积和化学传输四大模块组成•

原理–包括水文、侵蚀和化学物质迁移三个部分

，

其中营养物质

考虑引起水体污染的主要因子氮和磷–

以网格为基本运行单位

，

通过网格间逐步演算的方法推算

至流域出口–AGNPS模型输入参数包括流域总体特征值和单元级参数•

源污染常用模型AGNPS

模型•面源模型介绍•8/11/2019•8/11/2019–一种连续模拟模型–

以日为基础连续模拟一个时段内每天及累计的径流、泥沙、养

分、农药等输出结果

，

可用于评价流域内非点源污染长期影响

–按流域水文特征将流域划分为一定的分室

，

即按集水区来划分单元

，

使模型更符合实际–是AGNPS模型的升级应用•

原理–采用SCS-CN径流曲线方程计算地表径流量

，

并按每日的耕作、

土壤水分和作物情况

，

相应调整曲线数–主要由数据输入和编辑模块（数据准备模块）

、污染物负荷计

算模块、数据输出和显示模块（污染负荷输出）

3部分组成–包括23类参数

，

约500余个参数•

源污染常用模型AnnAGNPS模型•

概况•面源模型介绍–美国国家环保局于1980年研制–可以自动提取模拟区域所需要的地形、地貌、土地利用、土壤、

植被、河流等数据进行非点源污染负荷的长时间连续模拟

，

并

把模拟结果与所存储的实测数据进行比较

，

以验证模型•

原理–分为三个主模块和五个应用模块–主模块√模拟透水地面的水量和水质过程（PERLND模块）

√模拟不透水地面的水量和水质过程（IMPLND模块）

√模拟河流和混合型水库的水质过程（RCHRES模块）.8/11/2019

.面源模型介绍59HSPF模型•

概况–应用模块分别可以复制文件

，

生成图表文件

，

显示表格

，

进行

频率、持续时间、变化范围分析和统计

，

转换时间系列的格式•8/11/2019•最广泛应

用模型•加入估计径流洪峰流速的SCS径流曲线以及产沙MUSLE,与河道演算模型相融合•和EPIC模型的作物生长模

块相结合，

以d为时间步长•考虑了气候、土壤

和管理措施等因素

的相互作用•田间尺度非点源污染模型Service，ARS）Jeff

Arnonld博士研发–

采用日为时间连续计算，

是基于GIS基础之上的分布式流域水文模型60•

概况–

由美国农业部•SWAT•SWRRB

•GLEAMS

•CREAMS•SWAT94.2、SWAT96.2、SWAT98.l、

SWAT99.2、SWAT2000,SWAT2005（USDA）

的农业研究中心（Agricultural

Research•面源模型介绍SWAT

模型•8/11/2019•

SWAT（Soiland

Water

AssessmentTool）

模型可用于

预测土地管理措施对于具有多种土壤类型

、土地利用和管

理措施的大面积复杂流域中径流

、泥沙负荷及营养物质流

失的长期影响。•面源模型介绍SWAT

模型61•主要特点•物理概念模型•输入参数简单

•计算效率高

•行行长长期期模模拟拟可可以以对对流流域域进进•面源模型介绍62•SWAT•8/11/2019•模型结构•SWAT可以对流域内一系列复杂的物理过程进行模拟，

例如水循

环和营养物迁移转化等

。流域内泥沙、营养物的产生与迁移等都是建立在流域内水循环的基础之上。•三大子模块•水文过程子模型•土壤腐蚀子模型•污染负荷子模型•面源模型介绍•8/11/201963•8/11/2019•面源模型介绍•模型详细结构64SW•表示土壤水最终含量mmH2O

•表示第i天的降水量mmH2O

Ea

•第i天蒸发量mmH2O

•第i天壤中流量mmH2OSW•土壤水初始含量mmH2O

•表示第i天地表径流量mmH2O•第i天的下渗量mmH2O,•第i天的基流量mmH2O,•SWAT中陆面水循环表达式•8/11/2019

•面源模型介绍65•面源模型介绍•土壤侵蚀与泥沙输运模块•在SWAT中，

对由降雨及地表径流产生的流沙量的计算采

用MUSLE（Modified

version

of

universalsoillossequation）

，

即改进通用土壤流失方程

。改进了流沙产量预测的准确度，

并且可以预测单次降雨事件中的产沙量•sed为泥沙日产量,ton；

Q为表面径流量，mm/ha；

qpeq为地表径流峰值流速，m3/s；

areahru为水文响应单元面积（ha）；

K

为土壤侵蚀系数；

C为作物经营管理系数；

P为水土保持系数；LS为地形系数；

GFRG为粗糙系数。•8/11/2019

66•面源模型介绍67污染负荷子模型SWAT模型能追踪流域内几种形式的氮和磷的迁移

和转化

。营养物质通过地表径流和壤中流进入河

道

，

并在河道中下游输移。•8/11/2019•1•流域的数字高

程图(DEM)

:用来

划分子流域和寻

找出流路径。•2•土地利用类型图

:主要用来

计算植被生长、

耗水和地表产

汇流。•3•土壤类型图

:用来计算壤中

流和浅层地下

水量。•8/11/2019

SWAT空间数据库数据种类•面源模型介绍68•输入输出•控制文件•运行控制

•流域参数•气象数据•模型自带•

8

2019

•模型文件组成

•面源模型介绍•子流域及HRU参数文件•输出文件69•面源模型介绍70SWAT模型界面•8/11/2019•ArcView

3.x

AVSWAT200x

••Arcview中的SWAT模块•SWAT

•操作界面•Map

Window

••ArcGIS

•ArcSWAT200xMWSWAT•利用SWAT模型进行径流模拟•界面平台：

ArcGIS

9.2•SWAT版本：

ArcSWAT

2.1.6•参数自动率定软件：

SWAT-CUP软件下载与安装➢ArcSWAT：•http

://swatm/➢SWAT-CUP：http

://www.eawag.ch/forschung/siam/software/swa

t/index•面源模型介绍71SWAT模型应用示例•面源模型介绍72•SWAT模型应用示例——数据处理·模型输入数据集：·流域DEM、植被图、土壤类型图及土壤属性表、

日降水、

最高最低气温、太阳辐射、风速、空气相对湿度等气象数

据、气候统计数据、观测径流、管理措施、水库、湿地等具体信息·模型输入数据处理：·植被类型采用SWAT的编码，

制作植被类型检索表；·土壤属性表按格式导入模型数据库的usersoil表中，

同时

制作土壤类型检索表；·气象数据格式整理；·气候统计数据按格式导入模型数据库的userwgn表中，

制•8

1/

9象站检索表

•8/11/201973•SWAT模型应用示例——模型参数提取•AT模型应用示例——模型参数提取75•SWAT模型应用示例——模型参数提取·HRU参数文

件•8/11/2019·子流域文件•8/11/2019•SWAT模型应用示例——模拟结果·初始参数·模拟结果·与实测值相比：·峰值太高；·基流略低。7677•SWAT模型应用示例——模拟结果提取·查

/

1/

果查看output.rch文件控制多级汇流面积的河道结点•

8WAT模型应用示例——参数率定值适合当前流域具体情况，

使模型的模拟输出值与实际观测值之间达到最小

的误差

。该过程通常是进行水文模拟时所需经历的重要环节

。参数率定可以根据经验知识手工进行，

也可基于一定的数学方法通过计算机自动进行。·由于输入数据存在着不确定性，

因此需要将输入数据的范围限定在合

理范围内，

对参数进行率定

。模型的参数率定过程，

一般是指通过让参数取•8/11/2019•

9WAT模型应用示例——参数敏感性分析·参数敏感性分析•Sensitivity

analysis

studies

the“sensitivity”of

the

output

of

a

systemtochangesintheparameters,inputvariablesor

initial•8/11/2019conditions•

0WAT模型应用示例——参数率定·通过参数敏感性分析

，

选择敏感参数•8/11/2019·D*为模型默认参数值

，

随HRU不同而不同。·采用所需的目标方程（总径流量、径流序列吻合度等）

，

对模型参数进行自动率定•

1WAT模型应用示例——参数率定•8/11/2019•8/11/2019•

定义情景分析法是一种将预测主题与环境变化有机结合起来的定性与定量相结合的预测方法，

在充分考虑外部环境变化对事件影响的基础上，通过对环境的研究，

识别出影响事件发展的外部因素，

然后详尽分析在环境因素影响下事件的未来可能状态及各种状态出现的条件、途径，

并提出适应各种状态的对策•

优点（1）通过情景分析法及时预见经济事件未来发展中的瓶颈及问题，有利于决策者预先采取防范性措施减弱或消除其影响（2）使决策者及早预见经济事件的未来发展机会（3）对未来可能出现突发事件的影响作出迅速而灵活的反应（4）

了解环境因素的相互关系及经济事件的作用机制，

以便更好地适应环境的变化（5）使决策者掌握决策的风险程度•

2WAT模型应用•情景分析与模拟•8/11/2019

·过去

·现在

·未来○

·历史经

·驱动b

·现状·美好的·前景·暗淡的·前景•情景分析的基本概念•

3WAT模型应用·政策选择·不确定因素·冲验突力•

关键因子种类（

1）自然因子地形降雨（3）

其他数字高程模型•构建情景•模型模拟•关键因子的影响分析•

4WAT模型应用——情景分析程序（2）

土壤性状况地表植被状况,

社会因子

土地利用状况

管理因素•8/11/2019

•情景分析与模拟的一般程序流域内降雨的不均匀性模拟计算中亚流域的划分•非点源污染产生和迁移

转化影响因素分析•参考国内外研究•情景构建方法•找出关键因子和指标（DEM）

的分辨率•一、农业面源污染概述•二、农业面源污染理论研究•三、农业面源污染控制技术•

四、农业面源污染治理案例85

•报告提纲•8/11/2019•8/11/2019•业面源污染的控制是系统工程•农业面源污染控制治理流程•8/11/2019•要素特点•农业面源•理念、技术支撑、解决方案•对水环境的影响•迁移过程•发生方式•源•汇•实

施应

用•方

案分

析•调

查研究8788

•农业面源污染控制技术•农业面源对水环境造成的污染类型主要有两个方面，

一为营养型污染物污染，

二为毒害型污染物污染。•营养型污染主要为农田、养殖、堆肥、村镇生活过程中的N、P等营养元素的流失产生的污染，

毒害型污

染主要为农业生产过程中使用的农药及化肥中重金的

流失等。•8/11/2019•营养型污染•毒害型污染•

养型面源污染控制技术•缓释肥料技术•添加剂肥效调整技术•改进化肥施用技术•水土保持技术•生态沟渠阻控技术•迁移过程净化技术化肥面

•迁移过程•工程措施•生物措施•8/11/2019•源•汇源•8/11/2019•缓释肥料

以缓释氮肥

为主！•

释肥料技术•营养类面源消减技术•缓释肥料技术•氮素化肥由于利用率较低，

而且容易污染环境，

根本原因就是其水溶性强，

肥效发生快，

与作物吸收速率不同步

。

因此，

研制开发具有缓慢释放功能的氮肥一直是肥料界多年来主攻的方

向。•合成有机氮肥•包膜氮肥•缓释氮肥•缓溶性无机氮肥•天然有机质基体氨化氮肥•营养类面源消减技术•缓释氮肥•8/11/201991•缓释肥料技术•缓释氮肥•开发经济实用型缓释氮肥是当前肥料及环境领域亟待解决的问题，

其关键是缓释材料的选择，

其次是加工工艺和应用技术的研究也应进一步加强。•8/11/2019•合成缓释氮肥

:脲甲醛、亚异丁基二脲，

亚丁烯基二腺、草酰胺等。料、磷酸镁铵包膜肥料(如缓效碳酸氢铵)等。•营养类面源消减技术92•缓释氮肥主要类型为合成有机氮肥和包

膜肥料。•包膜肥料有

:硫•磺包膜肥料、聚合物包膜肥料、石蜡包膜肥•

氮肥的添加剂调整，

主要是通过添加剂的加入调整氮肥的释放和转化速率。•常用氮肥添加剂：

硝化抑制剂和脲酶抑制剂•

硝化作用指氨在微生物作用下氧化为硝酸的过程，

反应类型为好氧反应，

主要通过硝化细菌进行

。在农业领域中常发生在通气良好的土壤和堆肥过程中

。

由于硝酸根具有较强的迁移性，

硝化反应不利于氮肥肥效的保持。•

加剂调整技术•营养类面源消减技术•8/11/2019•硝化抑制剂•硝化抑制剂主要通过抑制土壤中亚硝化细菌的活性，

减缓NH4+转化为NO2－的进程，

减少氮素损失，

提高氮肥利用率。同时还可降低蔬菜和牧草中的NO3－和NO2－的含量，

改善品质，

保障农产品安全。••硝化抑制剂种类繁多，

但研究应用较为广泛的仅有2—氯—6—（三氯甲基）

吡啶，

简称CP。•营养类面源消减技术•

加剂调整技术•8/11/2019硝化抑制剂必须具备的条件是：①只对土壤中的亚硝化细菌有抑制作用

，

而对有益微生物无害；②能与氮肥均匀混合

，

且不影响肥料的理化性质与肥效

，

施用方便；③能随土壤溶液移动

，

不易分解

、流失

，

有相当持久性；④用量少（

占肥料N的2%）

、效率高

，

价廉；⑤残留量低

，

对农产品安全

，

对环境无不良影响。•目前，

硝化抑制剂的应用效果尚不稳定，

需要进一步深入研究。•

加剂调整技术•营养类面源消减技术•8/11/2019脲酶抑制剂脲酶抑制剂主要抑制土壤中脲酶的活性

，

延缓尿素在土壤中的水解进程

，

从而减少氨的挥发与毒害作用

。脲酶抑

制剂是一大类化合物

，

最常用的是氢醌（对苯二酚）

。•营养类面源消减技术•

加剂调整技术•8/11/2019•添加剂调整技术脲酶抑制剂必须具备的条件是：①对土壤中的脲酶有明显抑制作用；②在土壤中能随尿素一起移动；③性质稳定

，

作用持久；④用量少

、效果明显

，

成本低；⑤对人

、

畜和作物安全

，

对环境无不良影响。适用条件：在酸性土壤上

，

无须使用脲酶抑制剂；在氮肥深施或氨挥发量小的土壤上

，

脲酶抑制剂效果不显著。•营养类面源消减技术97•8/11/2019•营养类面源消减技术

施肥改进技术一

、推广平衡施肥氮

、磷肥投入过大

，

钾肥投入不足

，

是我国农田养分投入

的现状

。我国农业上普遍存在偏施氮肥的现象

，

加剧了氮素的损失

，

带来严重的环境压力。不同国家N、P2O5

、K2O投入比偏施氮肥时，

玉米对氮肥的利用率为52%，

而在氮磷钾肥配施时•8

11/

9提高到59%

。

•据中科院南京土壤所设在安徽省怀远县的砂礓黑土实验站研究，•8/11/2019•施肥改进技术二

、氮肥深施技术国家一直提倡氮肥深施

，

但因为其费时费工

，

普及率一直不

高

，

若配合机械作业

，

则有望大面积推广。三

、适时施肥作物对养分的吸收具有阶段性

，

在作物吸收养分最多和最快

的时期（营养最大效率期）

施肥

，

可提高肥料利用率

，

这对氮肥的追肥尤其重要。四

、水肥耦合

，

以水调肥几乎所有的化肥都需要溶解后才能发挥肥效

，

但水分过多也会造成养分损失

，

因此必须加强农田水分管理

，

以有效调节肥

料中养分的转化与释放

。发展液体肥料与灌溉施肥技术

，

将是今后施肥技术发展的方向之一。•营养类面源消减技术99•一、退耕还湖、退耕还林、封山育林、植树种草，

改善农田生态环境状况•二、在坡地上建设缓冲沟，

在河床沿线建设防护林带，

提倡按等高线利用（如水

平梯田）

，

禁止顺坡耕翻•三、改进水生作物的水土管理，

减少人为性排水造成的径流损失•四、培肥土壤，

增强土壤保肥保水能力等。•8/11/2019

•营养类面源消减技术100•水土保持技术•常见水土保持技术：•多级水田逐级利用•等高植物篱•鱼鳞坑•营养类面源消减技术10

移过程净化技术•8/11/2019•沿河缓冲带与净化湿地•农田外排水收集处理•河道沿岸生物阻隔•营养类面源消减技术102“汇

”净化技术——工程措施•8/11/2019•强化净化子系统•

前置库面源污染综合处

理技术是利用水库的蓄水功能，将因表层土地中的污染物(营养物质)淋溶而产生的径

流污水截留在水库中，经物理、生物作用强化净化后，排人所要保护水体。•收集与调节

•子系统•前置库技术•于桥水库、滇池、太湖•生态透水坝•砾石床系统•拦截与沉降

•子系统•回用与调节

•子系统•生态库塘系统•地表径

流•生活污

水•生态河

道•植物栅•出水──•人工湿地作为农田和水体之间的一个过渡带，

能够有效截留来

自农田地表和地下径流的固体颗粒物，

氮、磷和其他化学污染物，然后通过土壤吸附，

植物吸收，生物降解等一系列作用，

降低进入地表水中的氨氮化合物的含量，降低面源污染形成的危险性和稳定性

。另外湿地生态工程具有投资少，

运行费用低，

易于维护管理，

运行比较稳定，

处理效果好的特点。•8/11/2019•“汇

”净化技术——工程措

施•营养类面源消减技术•人工

湿

地

技

术103水生“绿肥

”该方法主要利用水生绿肥净化水体水生绿肥主要有：

水葫芦

、水花生

、水浮莲和绿（红）

萍

，

合称“三水一萍

”。水生绿肥以水体中营养物为生

，

可起到净化水体的作用

，

通过打捞便将营养物移出水体

，

既可用做绿肥

，

也是优质的青饲料

，

近年来

，

水生绿肥用作沼气原料

也取得了良好效果

。利用水生绿肥净化水体符合循环经济的要求

。水生“绿肥

”在大力推崇“绿色食品

”、“有机食品

”的今天

，

是优良

的肥料来源满足绿色农业生产的需要。•8/11/2019

•“汇

”净化技术——生物措施•营养类面源消减技术104•营养类面源消减技术•

1

5汇

”净化技术——生物措施•水葫芦•水花生•水浮莲•8/11/2019种养殖相结合该方法主要通过对可共生的动植物的综合利用

，

通过食物链加环

，

延长食物链丰富食物网

，

充分利用进入水体中的N、P等营养物

，

降低水体中营养元素的含量

，

同时合理利用空间起到循环增效的效果。南方地区最常见的绿色种养殖模式为“桑基鱼塘

”、“稻田鱼

”和“稻田蟹

”模式，此外

，

“林下鹅

”、“

山地鸡

”等模式将•8/11/2019

“源

”控制与“汇

”消减相结合也是有效的污染负荷消减方法

。

。•

1

6汇

”净化技术——生物措施•营养类面源消减技术•稻田立体养殖•桑基鱼塘模式•林下鹅模式•

1

7汇

”净化技术——生物措施•营养类面源消减技术•8/11/2019

•稻田养蟹模式•

山地鸡模式•稻田鱼模式面源污染物•1有毒有害类面源污染消减技术•有毒有害•Pb、Cd、

Hg、As、

Cr、Cu、

Ni、Zn•杀虫剂、杀

螨剂、杀鼠剂、

杀软体动物剂、

杀菌剂、杀线

虫剂、除草剂、

植物生长调节

剂等。•农药•重金属•8/11/2019有毒有害面源污染物主要为农药及重金属等

，

该类面源污染物产生的面源污染问题

，

不仅导致土壤

、水体和大气的污染

，

还会产生生物多样性减少

、食品安全

、人类健康危害等系列问题。在农业领域有毒有害类污染物中的农药主要来至农业中使用

，

重金属多来至农药、化肥和有机肥中的残留。•8/11/2019109•有毒有害面源污染的特殊性•

10药面源污染控制技术•农业替代防治技术（农业、生物、物理）•农药环境安全性评价技术•农药地下水迁移阻断技术•生态沟渠阻控技术•生态氧化塘处理技术•受损土地修复技术等农药面

•迁移过程•8/11/2019•源•汇源•毒害型面源消减技术111•农药面源污染产生原因•8/11/20191.农药产品问题•农药品种不足

，

且结构不合理

（高效低毒农药普及不足）•农药剂型落后

（乳油

、可湿性粉剂为主）•产品质量有待提高

（纯度

、理化指标）2.农药使用不科学

、不规范•滥用

、不当用药（单一

、过量用药）•防治时期不准

（不与虫情结合）•安全环保意识差

（以高毒代替高效）3.农药的有效利用率低•施药器械落后•错误的施药方法•施药技术缺乏针对性

（不根据虫情施药）•111我国饮用水水质相关标准中规定了25种农药限值，

但没有提出农药污染的总量控制值，

对具体防治规定和措施也很不完善。11

药的面源污染产生原因•毒害型面源消减技术•8/11/20191.源头控制：

科学用药

，

选择高效

、低毒

、低残留的化学农药；

优化农药使用结构

，

改善用药技术和方法

，

尽量减少

化学农药的用量；2.阻断迁移过程：

农药使用过程环境介质之间污染的迁移，减少农药对人体健康和生态环危害；3.加快末端降解：

缩短农药残留环境时间

，

减少环境残留。•毒害型面源消减技术113农药面源污染控制原则•113•联合修复：•物理（吸附）•化学（氧化）•生物（植物、微生物…）

1农农4药面源污染控制技术策略•病虫草害综合防治技

术•选择适当的农药品种•制定科学的施用方法•毒害型面源消减技术•控制和消减环境农药•减少农药

使用量•促进农药

残留降解•降低农药

环境迁移地表水地下水••土壤

••控源•阻断•8/11/2019•修复•114农业防治是综合防治技术的基础

，

在病虫草害的控制中占有重要地位

，

农业防治措施主要为：•

选用抗虫抗病作物品种：

培育抗病

、抗虫品种

，

减少化学

农药使用量。•

耕作制度：

耕翻土壤可以深埋或暴晒土壤

，

致使部分害虫

死亡；

可以减少病虫害的寄主和隐匿场所；

可以灭草和诱

发杂草；

合理轮作和套作可减轻某些虫害的发生。•毒害型面源消减技术115农业防治技术•8/11/2019•115•农业防治技术

•合理水肥调控：

提供良好的营养条件达到壮苗、壮株提高抗病能力的作用。•其他农业措施：

合理密植、调节设施栽培中温度、

湿度、通风等。•8/11/2019•毒害型面源消减技术116•8/11/2019•毒害型面源消减技术1

物防治技术•利用生物之间的相互依存、相互制约的关系，

采用有益生•瓢虫•青蛙•赤眼蜂•

②微生物治虫

••

细菌、真菌、病毒为主

要的微生物杀虫剂。物或生物代谢产物来防治病虫害、杂草等有害生物的方法。•白僵蚕•Bt①以有益动物治虫•草蛉•毒害型面源消减技术118生物防治技术•

④

植物农药—转基因品种•抗虫植物；•③以抗生素或激素治虫

•

井岗霉素、春雷霉素、多抗霉素；•

性引诱剂、综外激素、聚外激素、警

外激素、避外激素等。•

耐除草剂作物。•8/11/2019•人工捕杀：

捕杀鼠害

、人工除草

、去除病叶

、病株；•诱杀：

糖浆诱杀

、灯光诱杀

、色板诱杀

、声诱声控。•

利用各种物理手段或机械设备来防治作物病

虫害的技术。•8/11/201911

理防治技术•毒害型面源消减技术•119物理防治技术•高温：

种子杀菌

、

闷棚灭菌；•微波：

空间电场病害防治技术

、土壤连作障碍电处理技术、

种子等离子体消毒技术

。•毒害型面源消减技术•8/11/2019120•随着农药环境毒理学学科的形成和发展

，

农药环境安全性评

价技术也取得显著进步。•WHO和FAD设有专门的农药残留联合委员会

，

对农药的各种毒

性和在环境中的残留进行研究和评价。•美国

、俄罗斯等国家也提出农药环境毒理学的评价方法。•毒害型面源消减技术•

药环境安全性评价技术•8/11/2019•

环境毒理试验鱼、蚤、藻、鸟、蜂、蚕、蚯蚓、土壤微生

物、天敌、植物敏感性。•

环境行为试验光解、水解、土壤降解、吸附与解吸、淋溶、

挥发、

富集

，

蒸气压、水溶性、分配系数。•8/11/2019•

化学农药环境安全评价试验方法及分级标准，是目前我国农药登记管理的核心内容。

2药环境安全评价指标•毒害型面源消减技术22•1

金属面源污染控制技术•重金属面源•迁移过程•高浓度肥料技术•液体肥技术•高成本、低浓度，

少有应用•毒害型面源消减技术•土壤清洁技术•生物净化技术•8/11/2019•源•汇•高浓度磷肥不仅有效磷含量高

，

而且杂质明显降

低

，

因此随着磷肥施用进入土壤的重金属

、氟和

放射性物质也大量减少

，

对土壤的污染也大大减

轻

。高浓度磷肥同时也是加工高浓度复混肥的重

要原料。•液体肥技术•8/11/2019

•1

金属面源污染控制技术•高浓度磷肥技•液体肥纯度高

，

肥效快

，

作物易吸收

，

负荷国际肥料消费高浓度

、复合化

、液体化

、缓效化的方向

发展

。

同时液体肥利用采用配方施肥

、滴灌等方法

施用

，

能减少肥料使用量并避免固体肥料中稳定剂

成分中重金属残留的问题。•毒害型面源消减技术术一

、用清洁土壤治理污染土壤主要方法：•

客土法→：

将外源的清洁土壤掺入污染土壤；•

洪淤法（覆盖法）：

利用洪水携带的清洁泥砂沉积在污染土壤

表面。•

换土法~：

用外源的清洁土壤更换污染土壤；•

翻土法↕：

将下层的清洁土壤与表层的污染土壤均匀掺混；二

、清洗法

1

2019

•1

金属面源污染控制技术•土壤清洁技术在受到重金属污染的土壤上

，

加入合适的络合剂或施入有机肥，

增加重金属的水溶性

，

通过灌水

、排水等措施将重金属向下层

土壤迁移或移出土壤

，

适用与轻质土壤

。淹水栽培也有类似作•毒害型面源消减技术

•毒害型面源消减技术

1

、

隔离法用各种防渗材料

，

如水泥

、石板

、塑料板

、黏土等

，

把污染土壤与清洁土壤或水体分开

，

减少或阻止污染物扩散

。用于污染严重

、

易于扩散且污染物又可在一段时间后分解的情

况下。四

、

电化法在水分饱和的黏土中插入电极

，

通入低强度直流电

，