淮河流域地下水與地表水氮源補排規律認識與綜合防控實踐
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氮是引發水體富營養化、生態退化及水資源安全問題的關鍵要素。
淮河流域是我國重要的糧食生產區和增產核心區。流域內河南、安徽兩省承擔著至2020年增產300億斤和220億斤的重任。在無后備耕地資源儲備的情況下，化肥、農藥等化學品的高投入是實現糧食增產目標的重要途徑。但是，在我國化肥利用率低、流失率高，據統計其平均利用率一般為30%~35%，有近45%左右的氮將通過降雨、徑流和滲流進入地表水、地下水，對河流和地下水水質造成污染。根據淮河流域394個全國重要江河湖泊水功能區、585個水質監測斷面近五年統計資料，自2012年以來，淮河流域主要水質斷面氨氮的超標率和超標倍數都顯著高于高錳酸鹽。根據《淮河流域環境地質調查報告（2012年）》，流域內埋深小于20m的淺層地下水污染超標因子中氮的超標率及其超標倍數最大，硝酸鹽的超標倍數最高達6.69，污染分布范圍也最廣。因此，氮已成為淮河流域的首要污染因子。
隨著淮河流域水環境治理的不斷推進，農業面源尤其是隨地表徑流帶來的面源污染問題已得到廣泛重視。但是，對于地下徑流，由于缺少對其與地表水之間輸移機制及補排關系的科學認識，尚未采取任何控制措施。據統計，淮河流域除某些年份的汛期地表水補給地下水外，地表水常年接受地下水補給，本課題利用數字濾波系統分析方法，對長序列水文資料進行河川基流分析，研究發現流域內地下水多年平均補給量約占徑流總量的26.5%，在淺層地下水硝酸鹽污染現狀下，地下水補給地表水的氮負荷通量卻占徑流氮通量的40%左右，如不能有效防控地下徑流對河流水體的污染，淮河流域水環境污染控制效果將會受到嚴重影響。因此，科學識別淮河流域農業面源、地下水及地表水之間氮源轉化機制、定量評價其補排關系與通量過程，開發農業面源氮污染地表水與地下水綜合防控關鍵技術，對于淮河流域農業面源深度截留、水環境氮污染總量控制以及地下水污染防治具有十分重要的科學價值和示范意義。為此，“淮河流域水質改善及生態重建關鍵技術研究與集成示范”項目經多次專家論證，前瞻性地布置了“淮河流域地表與地下水氮源補排及防控關鍵技術研究與示范”課題。
在課題行政責任單位淮河流域水資源保護局組織協調下，由南京大學阮曉紅教授帶領的“流域氮循環過程與調控研究”團隊，聯合中國科學院南京土壤研究所、中國地質大學及淮河流域水環境監測中心，發揮學科交叉優勢，針對農業面源污染隨機性大、隱蔽性強及控制難度大等特征，以“科學辨識、優控劃分、管控結合”為指導思想，通過對流域內34個重要控制斷面58年長序列徑流資料及近5年地表水、地下水氮污染資料的統計分析，在充分認識流域內地下水與地表水時空補排規律基礎上，劃分了流域地下水氮污染優先控制區，并以優控區為防治重點，基于農田水分循環過程中氮的層層攔蓄和削減，構建了“農業面源氮污染地下水與地表水一體化管控技術體系”。課題組在沙潁河子流域、新汴河子流域、里下河地區開展了約6萬km2的實地踏勘調研與采樣分析，在重點研究區完成了9條地質雷達剖面勘探，測線總長25km，鉆取地下水監測井92口，總進尺626m，取原狀土柱樣253m，完成190個樣品巖土分類及級配分析。綜合考慮地表水—地下水補排關系、氮污染現狀、土壤代表性、配套工程及其地方需求等要素，在新汴河子流域宿州淮河種業糧食產業聯合體旱作農業區建立了技術示范區，對研發的農業面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術，包括集硝化抑制和吸附固持為一體的氮污染物高效復合阻控技術和滲透式反應墻與河濱緩沖帶耦合的淺層地下水氮污染聯合阻斷技術進行了集成示范，取得了很好的示范效果，為示范企業從傳統農業向現代農業及生態農業轉型提供了技術支撐，為農業面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術的推廣及產業化應用打下了堅實的基礎。
■科學辨析、定量評估，識別淮河流域農業面源控氮關鍵問題
針對流域尺度復雜的氮污染輸移過程，課題組通過穩定同位素示蹤、室內外試驗以及數值模擬等技術手段，在代表性研究區域進行了地表水及地下水氮的溯源，追蹤了農業面源氮污染物在農田水分循環過程中垂向淋失及水平輸移過程。在流域尺度上，探究了河川基流時空變化特征，評估了地下水側向補給地表水的氮通量過程，并結合水文地質背景與人類活動影響下的淺層地下水氮污染脆弱性分析，進行了淮河流域農業面源控氮關鍵問題識別。
課題選擇代表性研究區域新汴河子流域旱作農業區為研究對象，利用氮、氧（δ15N-NO3-、δ18O-NO3-、
δ18O-H2O）穩定同位素值及Cl-惰性離子示蹤技術，進行了氮污染物溯源研究。研究結果表明，該區域淺層地下水硝酸鹽主要來源為農業氮肥、土壤有機氮及畜禽污水氨氮的氧化產物。同時，選擇占流域耕地面積46%的潮土和砂姜黑土，開展了非飽和帶硝氮淋失通量模擬與原位觀測研究，結果顯示砂姜黑土的硝化與反硝化潛力均大于潮土，受灌溉及降雨影響，研究區域夏玉米季和冬小麥季潮土和砂姜黑土的硝氮淋失率差別較大，一般潮土的硝氮淋失率大于砂姜黑土，并與土壤水分深層滲漏顯著相關，區域內土壤硝態氮淋失量約占施肥總量的18%~40%。
課題組在沙潁河子流域及淮河全流域分別采用物理過程模型及系統分
析方法，進行了地下水補給地表水的時空分布特征分析及其氮通量評估。在沙潁河子流域構建了地表—地下水氮污染運移模擬技術，該技術耦合分布式水文模型SWAT、地下水水流模型MODFLOW及地下水溶質運移模型MT3DMS，將水文響應單元在地下水差分網格尺度上進行空間離散，實現邊界交互模擬。在淮河流域利用流域長序列天然月均徑流數據，構建了基于遞歸數字濾波法的河川基流分割模型。利用上述模型技術及流域內（1956年~2014年）34個重要控制斷面徑流資料（站點分布于12個三級水文分區，8個地下水系統分區），實現了淮河流域91.5%面積的地表—地下水補排通量及地下水對地表水氮污染負荷貢獻的定量評估。評估結果表明，淮河水系的基流模數空間分布受地形、季節及水系分布密度影響，一般為0.42~6.2L/km2/s，總體上淮河干流以南地區高于以北地區、上游高于中下游、山丘區高于平原區。在枯水季節和枯水年份，河川基流可達徑流總量的40%以上，年平均貢獻約26.5%，地下水補給地表水的氮負荷通量占徑流氮通量的40%左右。其中，沙潁河流域地下水對地表水的年均凈補給水量為3.18億m3，氮的年均排泄量為0.38萬t。因此，地下水對地表水氮的補給是地表水氮負荷的重要來源之一。
綜上，由于流域內土壤及地下水與地表水交換的差異性，淮河流域農業面源控氮關鍵問題主要為地下水—地表水氮污染控制區的識別，以及針對農業面源氮污染發生特征的地表水與地下水一體化控制技術構建。
■源頭阻控、輸移阻斷，實現農業面源氮污染地表水與地下水一體化控制
本課題基于農田水分循環過程及氮的遷移轉化規律，以“源頭阻控、輸移阻斷”為核心，綜合考慮土壤類型、養分組成、水肥條件、水文情境等，有效集成了集硝化抑制和吸附固持一體的氮污染物高效復合阻控技術、多形式滲透式反應墻與河濱緩沖帶相耦合的淺層地下水氮污染輸移阻斷技術，構建了“農業面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術”，可實現農業面源在農田水分循環過程中的層層削減及地下水水質與地表水水質的雙重改善。
“源頭阻控”，即從源頭削減和控制農田氮肥用量，優選和配施集硝化抑制和吸附固持為一體的氮污染物高效復合阻控劑，減緩氨氮的硝化過程和增強材料對硝氮的吸附功能，提高氮肥利用率，減少氮肥使用量，達到土壤氮素損失控制的目的，形成氮素源頭阻控、土壤淋失控制和作物高效利用的農業生產全過程的氮素綜合阻控技術模式。“輸移阻斷”，即以阻斷淺層地下水向地表水氮源輸移為目的，研發了基于農業廢棄物再利用的氮污染阻斷復合緩釋功能材料，構建了多形式滲透式反應墻與河濱緩沖帶相耦合的淺層地下水氮污染輸移阻斷技術。同時，根據河流水系分級特征，結合地下水與地表水界面介質特征、淺層地下水埋深、河濱帶地形地貌結構，因地制宜地構建河濱緩沖帶，攔蓄和阻控地表、地下徑流向河道的氮源輸運，營造河濱生態棲息地，兼具景觀美化、防洪等重要的水文及生態功能，實現氮源輸運的“多級控制”。
上述技術體系在新汴河子流域宿州淮河種業糧食產業聯合體旱作農業區進行了集成示范，通過地質鉆探、地質雷達探測等水文地質背景勘察，進行了示范工程布置。其中，農田氮源阻控2000畝，在施氮減量30%情景下，配施一次性投入每公頃3噸的錳改性生物炭吸附劑和作物期投入氮肥總量10%的雙氰胺，實現了下滲進入淺層地下水硝酸鹽氮污染物總量削減40%以上，田間投入成本約3322元/公頃/年，相比常規技術減少物資投入848元/公頃/年。根據示范區水系分布及其補排關系，布置淺層地下水—地表水氮污染運移阻斷滲透式反應墻1000m，墻體深3~6m、平均厚1.5m，復合功能材料使用年限可達15余年，滲透式反應墻對硝酸鹽氮的平均削減效率達到70%~85%。同時，依托《宿州城區新汴河景觀工程》，在新汴河干流及一級支流實施河濱緩沖帶運移阻斷10km，緩沖帶平均寬度分別為35m及10m。其中，示范段滲透式反應墻在深度小于6m條件下，單位建設成本約1250元/m，低于新汴河河濱緩沖帶1500元/m的建設成本。
作為國家科技重大專項，水專項一直致力于技術創新及其產業化建設，以期產生可持續的環境、經濟和社會效益。在以廢治廢、高效利用的指導思想下，課題組就地取材，以小麥秸稈、玉米芯、木屑為基料，增加凹凸棒土、硅藻土等礦物材料及零價鐵，應用滾動造粒技術，研發了具有內核、外殼雙層結構的生物—化學阻斷復合緩釋功能系列材料，實現了碳源緩釋、抗壓增強、高吸附性及淺層地下水硝酸鹽氮脫除反應體系的快速啟動，該功能材料也可用于其他有機污染物脫除的原位修復工程填料。根據原料置備及材料粉碎、材料配制及混合攪拌、內核滾動造粒及外殼包裹成型等生產過程，自主建立了集粉碎機、攪拌機、滾動造粒機為一體的復合功能材料生產流水線，月生產能力可達400余噸，為產業化提供了基礎。同時，針對無支護滲透式反應墻施工過程中存在的塌方、涌水、回填不均、地表土地利用不可持續性等問題，融合區域水文地質調查，設計了一套集墻體分級分段開挖、功能材料多形式原位填充、場地高效回填及監測井群布設為一體的淺層地下水氮污染原位處置滲透式反應墻快速施工技術，在保證墻體連續性的基礎上，有效降低了施工成本，開創了我國多形式滲透式反應墻建設的新技術領域，對于我國污染場地地下水修復的工程設計及實施也具有重要的參考價值。
■因地制宜、綜合防控，提出淮河流域地下水—地表水氮污染優控區綜合防控策略
在流域尺度，由于土壤類型、農業耕作制度、水分循環、水文地質條件的差異性，導致了不同程度的農業面源氮流失風險，如何在流域尺度上實現農業面源氮污染地表水與地下水污染一體化控制？本課題基于地下水與地表水相互作用理論，率先提出了“地下水—地表水氮污染優先控制區”的理念，制訂了“優控識別”、“分級防控”、“分區治理”的綜合防控策略，在流域尺度構建了“地下水—地表水氮污染優先控制區識別與管控技術”。
“優控識別”，即綜合考慮地下含水層富水性、地下水埋深、土壤類型等自然因素和土地利用類型、地下水開采量等人為因素，利用改進的DRASTIC評價方法，進行了流域內淺層地下水氮污染脆弱性分區，脆弱性評級高的區域淺層地下水更易遭受農業面源氮污染，也將給地表水帶來更高的氮負荷補給。其次，將地下水按單元離散化，根據流域淺層地下水氮污染脆弱性評價、地下水與地表水補給排泄關系及地下水氮污染現狀，篩選出地下水高風險排氮區，將其定義為優先控制區。
“分級防控”，即依據地下水遭受氮污染的難易度，分區域、分等級、分策略地在流域內開展地下水氮污染面源控制。依據優先治理氮污染負荷大、優先防控氮污染脆弱性強的原則，識別和區劃三級優控區，將流域尺度的地下水氮污染防治縮減至不同等級的優先控制區；春恿饔虻廴緝炏瓤刂茀^分級區劃中，Ⅰ級優控區占流域面積的1.69%，Ⅱ級優控區占15.26%，Ⅲ級優控區占14.34%。進一步地結合流域氮均衡量及地下水功能區劃，確定氮污染控制目標及各級優先控制區氮污染削減量。在考慮公平性與可操作性的基礎上，以市為界線，按“流域—優控區—行政區”這一順序，進行逐步、逐級分配，提出優控目標，極大地提高了流域尺度氮污染綜合防控的時效性和經濟效益。
“分區治理”，即針對不同的優控區劃、不同的防控目標，提出不同的防控策略。具體來說，Ⅰ級優控區，以農田水分循環過程中氮的層層削減為核心，全面實施農業面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術，進行從源頭削減、入滲阻斷、排泄阻控的系統治理；Ⅱ級優控區，有選擇性地進行源頭削減、入滲阻斷、排泄阻控；Ⅲ級優控區，建立長期的氮污染負荷監測，防止其污染惡化。
本研究依據“地下水—地表水氮污染優先控制區識別與管控技術”，提出的淮河流域農業面源地表水與地下水氮污染綜合防控策略，已納入水利部部署的全國水資源保護規劃—《淮河流域水資源保護規劃》，為提升淮河流域綜合控氮能力提供了支撐。
■結束語
淮河流域是我國地下水向地表水排氮的典型區，本課題在科學辨識淮河流域地表與地下水氮源補排空間分布特征的基礎上，構建的源頭阻控與輸移阻斷相結合的“農業面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術”，提出的大數據分析與GIS耦合的“地下水—地表水氮污染優先控制區識別與管控技術”以及流域尺度上“優控識別、分級防控、分區治理”的綜合防控策略，為提升流域綜合控氮能力及水質改善與修復提供了技術支撐、能力保障及產業化基礎，課題目標的實現與國家“水體污染控制與治理”專項第二階段目標—突破水體“減負修復”關鍵技術高度一致。
課題研發的“農業面源氮污染地表水與地下水一體化控制技術”，經濟、高效、操作簡單，與農田水利工程建設相結合，具有極大的可復制性及推廣潛力。研發的“地下水—地表水氮污染優先控制區識別與管控技術”，可大幅度提高流域尺度農業面源氮污染綜合防控的針對性、經濟性和有效性，有望在我國流域水環境面源污染控制領域中發揮重要作用。本課題研發的以緩釋碳源復合功能材料為核心的地下水污染PRB修復工藝及快速施工技術，為地下水滲透式反應墻修復技術在我國的應用提供了成功范例，對于我國污染場地地下水修復的工程設計及實施具有重要的參考價值和很好的產業化應用前景，并已在我國蘇南地區污染場地地下水修復中進行了初步應用。課題實施過程中培育了南京南大索益盟環境研究院有限公司、安徽中原土壤—地下水修復工程有限公司等環保企業，通過企業的社會服務，將進一步推廣輻射本課題研發成果。
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