十三種農村水資源保護措施適宜性評價

孫 嘉,齊 實*,澎 湃,黃 媛,劉孝盈,楊愛民(.北京林業大學水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京 00083；.中國水利水電科學研究院,北京 00038)

十三種農村水資源保護措施適宜性評價

孫 嘉1,齊 實1*,澎 湃1,黃 媛1,劉孝盈2,楊愛民2(1.北京林業大學水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京 100083；2.中國水利水電科學研究院,北京 100038)

依據“源頭—過程—末端”防控體系對13種常見的農村水資源保護措施進行分類,在此基礎上,建立AHP評價模型,根據影響水資源保護措施適宜性的13個指標對各項措施進行適宜性評價.結果表明:污染物去除率、出水水質、建設成本及運行維護這4個因素具有較高權重值,應在實際運用中優先考慮.源頭控制措施中保護性耕作與“一池三改”技術可以作為首選措施;在過程控制措施中,土地處理技術措施具有較好的適宜性;在選取末端處理措施的時候,必須優先考慮溫度及建設成本的影響.

農村水資源；水資源保護措施；適宜性評價；AHP層次分析法

農村水資源泛指分布在廣大農村的河流、湖沼、溝渠、池塘、水庫等可以被利用的地表水體、土壤水和地下水體的總稱.我國是水資源相對匱乏的國家,人均水資源占有量僅為世界人均水資源占有量的1/4[1],而每年農業用水量占到全國用水量的 65%,農業用水平均每年缺少 300億 m3左右[2].農村地區的發展依賴于水資源的質量和數量[3],而現階段在我國由于大量的工業廢物、生活廢物、畜禽養殖排放廢物和農村面源污染等造成了農村生態環境的嚴重破壞,嚴重影響了農業作物產量及農村居民的用水安全[4].

目前我國農村水資源面臨的污染問題主要由化肥農藥的不合理使用、養殖業及農村工業廢水肆意排放及生活廢水與生活垃圾的亂推亂放所形成的點源與面源混合污染造成[5].現階段的農村水資源保護措施主要根據不同污染源及其污染特征來選擇,測土配方、緩控施肥及保護性耕作技術被用來減少化肥及農藥使用所產生的面源污染[6-8];沼氣發酵、活性污泥及生物膜技術被用于處理農村大量的畜禽糞便[9-10];人工濕地、緩沖帶、氧化塘、土地滲濾等技術措施被廣泛用于處理農村綜合廢水[11-13].

對這些農村水資源保護措施進行系統的分類,根據這些措施的適用條件、使用效果和效益來確定每個措施的適宜性,以便最大限度的發揮每個措施的優勢是有重要意義的.近年來國外對水資源保護措施的研究主要集中在某種措施在農業面源污染防治中的運用模式和效果[14-15],其中緩沖帶作為被公認有效的方法已經被廣泛的應用于各國農村地區[16].通過措施及完善的管理體系進行流域管理是保證農村地區水環境安全的有效方法[17-18].在已有的這些研究中水資源保護措施作為單一的方法備受關注,但并沒有對措施進行比較分析,研究更多的集中于措施的使用而沒有涉及到如何選擇水資源保護措施.

我國農村水資源保護措施起步較晚,尚缺乏大量的控制、治理的實踐經驗和有效的管理措施,沒有形成完整的體系.很多相關水資源保護技術在推廣中由于運行成本、地區條件等諸多因素影響,不能得到廣泛推廣,只能在小范圍進行示范.另外一些能夠運用到實際中的技術也由于沒有做到因地制宜、以及在管理、運行中存在問題,不能充分發揮效益[19].因此,本研究根據“源頭—過程—末端”防控體系理論對目前主要采用的農村水資源保護措施進行分類總結,并利用AHP層次分析法對農村水資源保護措施適宜性進行評價,為農村水資源保護技術在實際中的推廣和應用提供依據.

1 農村水資源保護措施分類

污染源產生至向受納水體輸出可以劃分為“源頭—過程—末端”3個環節.源頭環節的治理應當是農業水資源保護的首選措施,是污染防治的根本和關鍵.源頭環節的治理應包括兩方面的目標:一是弱化非點源污染發生的過程,直接阻止或減輕農業非點源污染發生的可能性;二是盡可能降低農田產污負荷強度,減小這一過程對土壤及外界水體的影響程度,為后面環節盡可能地降低產污負荷,從而減少過程與末端治理環節的控制成本.過程環節是污染物在污染控制系統中運動遷移的環節,應主要以攔截目的進行治理,削減系統內的污染物濃度和減少負荷輸出為目的.末端環節是污染物在系統中運移直至排入收納水體當中的過程,直接作用于水體環境,攔截與控污需同時加強作用,是非點源防治的最后一道防線.

根據各措施的基本原理及治理效果,按“源頭—過程—末端”體系,對目前農村常見水資源保護措施進行分類(13種),見表 1,在對治理措施選擇利用時,可根據不同地區農村水資源所面臨的污染特點,有針對性的選擇.

表1 “源頭—過程—末端”措施分類Table 1 Classification of "Source, Process and Terminal" control measures

2 保護措施適宜性評價模型

應用層次分析法-AHP法[20]建立層次評價模型.

圖1 AHP評價結構層次模型示意Fig.1 The sketch map of AHP model

(1) 評級體系分為 3個部分組成,分別為目標層、準則層和指標層(見圖1).選取處理效果、硬件要求、外界條件和經濟效益4個方面作為準則層,并將其細分為13個具體的指標層.

(2) 構造判斷矩陣,即根據統一的1～9級標度表,對各層次因素兩兩間量化比較,形成判斷矩陣.

(3) 計算權重并進行一致性檢驗計算,對某一準則下的判斷矩陣 U,求出其最大特征根λmax及其所對應的特征向量,所求特征向量即為各評價指標相對權重.利用公式 CR=CI /RI ,對判斷矩陣進行一致性檢驗,其中, CI = (λmax? n) /(n ?1), RI值見表2.當CR<0.1時,說明判斷矩陣具有一致性,權重分配合理.

表2 平均隨機一致性指標RI 值Table 2 RI value

3 結果分析

3.1 各指標權重分析

利用AHP層次分析法對權重分析,得到農村水資源保護技術適宜性的13個指標影響力權重見(表3).由表3可見,污染物去除率、出水水質、建設成本及運行維護 4個指標權重影響值超過10%,對于農村水資源保護技術適宜性來說,在進行技術推廣運用的時候必須優先考慮這些因素.由于農村水環境易受到面源污染及高濃度的養殖廢水污染,如果選用的技術不能保證去除率和水質,勢必會影響其在農村的推廣使用.田海龍等人的研究表明人工濕地處理技術具有較好的去除效果,去除率分別為:TN:60%,TP:50%,COD: 35%～50%,BOD:40%～60%,氨氮:50%～60%[21].封丹等[22]的研究發現土地滲濾技術對污水的總氮去除率不高,僅有25%左右.針對農村水資源的特殊情況,在實際選擇相應保護技術時必須要注意技術在去除率方面的特點.而設備的建設和維護費用也必須符合農村基本的經濟基礎條件.活性污泥技術由于其曝氣池龐大,單位成本高,占用土地較多,基建費用高,加之消耗的動力大,電力流水消耗是沼氣發酵技術的10倍之多,所以在經濟基礎薄弱的地區很難推廣運用[23].

污染負荷、占地面積、需求溫度、氣溫、地形、土壤及效益這7個指標權重影響值達基本都在5%左右,在優先考慮了前面4個指標后,也必須重視這個7個指標,尤其是需求溫度和氣溫,由于我國南北氣候差異,一些水資源保護技術例如沼氣池技術、活性污泥技術、好氧生物膜技術等都對溫度有著嚴格的要求,較低的溫度會影響處理效果.采用好氧生物膜技術處理廢水時,當廢水水溫低于巧 15℃時,微生物的活性將受到明顯影響,水溫高于 15℃時,可以保證一個較好的處理效果[24].不同的土壤類型和地形也會影響諸如植被緩沖帶技術和人工濕地技術的處理效果[25-26].所有指標中占地面積的權重值最小只有 1%,在考慮技術的適宜性時可以不對其優先考慮.

表3 農村水資源保護措施適宜性評價指標權重Table 3 Weights sheet of suitability evaluation factors on water conservancy measures in rural areas

3.2 適宜性評價

根據對農村水資源保護技術各類典型技術的分類情況,結合已有相關技術研究數據及相關國家、行業標準對典型水資源保護技術進行適宜性評分,每個評價指標單項評分為 1～10分,依據表4調查資料數據進行評分,再結合13個評價指標權重,根據公式 Y =∑nW×X最后得出適宜

i=1i i性總評分(見表 5),式中 W為措施每一個指標的權重值,X為措施每一個指標的評分.

表4 農村水資源保護措施適宜性評價參考資料Table 4 The reference of water resources conservancy measures in rural areas

表5 農村水資源保護措施適宜性評價結果Table 5 The evaluation results on 13water conservancy measures in rural areas

3.2.1 源頭控制措施評價結果 源頭控制措施共有6種,主要針對農藥化肥使用中產生的面源污染和農村居民生活及養殖產生的糞便污染,從源頭對污染物進行處理從而避免污染物直接地表徑流進入水體.通過評價可以看出測土配方技術措施在控制過量化肥所產生的面源污染方面具有較高的綜合得分,但是從減少氮源和措施效益的角度考慮,保護性耕作技術措施相對得分較高,這與李洪文等[27]的研究結果相符.測土配方和保護性耕作都是有效控制過量氮磷進入水體的方法,在充分保證農作物產量的同時保護土地資源減少面源污染.在處理農村生活污水及養殖業廢水方面,“一池三改”技術以其相對低廉的成本及較好的效益得到了較高的評分.根據劉芳[28]的統計,采用“一池三改”技術后,農戶養殖每頭豬節約成本175元,按戶年出欄9頭計,年可增收節支1575元.在人口相對較多農村養殖業較集中的地區,可以優先考慮采用這項技術措施.

3.2.2 過程控制措施評價結果 過程控制措施主要利用阻攔及吸附的方式來削減污染物濃度和減少負荷輸出為.緩沖帶措施、人工濕地措施及入地處理措施都是具有代表性的過程控制措施.通過評分可以看出,土地處理技術措施的適應性較好,在過程控制中具有更好的處理效果及經濟效益.賴蘭萍[29]研究發現,土地滲濾系統在處理村鎮生活污水時對 COD、總磷、氨氮的去除率分別可以達到 92.9%、98.4%、98.1%.由于綜合利用土壤中棲息的動物、微生物、植物根系以及土壤所具有的物理、化學特性,所以土地處理技術措施在氮磷污染過程控制中具有較好的效果,可以作為控制農業面源污染措施的首選.而在一些擁有一定土地及經濟條件的地區,也可以選擇建設成本相對較低的人工濕地作為過程控制措施來防治污染物進入水體.由于都是利用植被根系及土壤的吸附作用來去除污染物,緩沖帶措施、人工濕地措施及入地處理措施都會受到溫度的影響.張彩瑩等[30]的研究表明氣溫變化與人工濕地單元中污染物去除率均呈現顯著線性正相關關系.因此在冬季氣溫較低的時期應結合其他相應技術來避免低溫對措施的抑制作用.

3.2.3 末端控制措施評價結果 活性污泥法和好氧生物膜法作為最成熟和最常見的污水處理措施被廣泛應用,相比較于人工浮島技術措施,活性污泥法和好氧生物膜法能處理濃度更高的有機廢水,并具有穩定的處理效果,在處理農村畜禽養殖所產生的高濃度廢水時可以作為首選.但是由于溫度對微生物活性的影響,在我國氣溫較低的北方地區這 2種措施的處理效果都會受到影響[31],尹軍等[32]的研究表明低溫會對SBR活性污泥處理工藝產生抑制作用,白曉慧等[33]的研究也證明低溫是造成污泥膨脹的原因之一.另外相比于人工浮島技術措施,活性污泥法及好氧生物膜法這種措施的建設成本及運行維護成本較高,對于經濟基礎比較薄弱的地區不適宜采用[34].人工浮島技術就是人為將適宜的水生植物或經改良的陸生植物移栽到水面浮島上任其生長,通過植物的根系吸收水體中的污染物,并將其貯存在植物細胞內,有效降低水體營養物的含量從而達到凈化水質的目的,在一些具有大面積河流及湖泊的農村地區可以考慮采用人工浮島措施在有效去除污染物的同時也可以提供一定景觀效益[35].

4 結論

4.1 通過AHP層次分析法,對13種常見的農村水資源保護措施評價得出,在選擇農村水資源保護措施時應重點考慮污染物去除率、出水水質、建設成本及運行維護這四個因素.

4.2 源頭控制措施中測土配方及保護性耕作為首選控制農村化肥及農藥污染的措施,“一池三改”技術具有較好的經濟效益可以作為農村生活污水處理的首選措施;從控制農村面源污染過程的角度出發,土地處理技術措施具有較好的適宜性;在選取末端處理措施的時候,必須優先考慮溫度及建設成本的影響.

4.3 由于我國不同地區社會經濟發展并不相同,在實際的運用當中還應當根據每個措施的特點和要求結合地區實際情況進行有針對的選擇.

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Technical suitability and economic feasibility evaluation on 13 water resources conservancy measures in rural areas.

SUN Jia1, QI Shi1*, PENG Pai1, HUANG Yuan1, LIU Xiao-ying2, YANG Ai-min2(1. Key Laboratory of Soil and

Water Conservation and Desertification Combating, Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China) China Environmental Science, 2014,34(12)：3242～3248

13kinds of common water resources conservancy measures were classified into three (source, process and terminal) control systems. In addition the measures of each category were evaluated by the Analytic Hierarchy Process method as well as 13 factors of the technical suitability and economic feasibility of water conservancy measures. The results indicated that pollutants removal rate, effluent water quality, cost of construction, operation, and maintenance should be given priority in real world applications they had the higher weight value than other indices. Conservation tillage and ‘One biogas pond with improvements of washroom, kitchen and sty’ could be used as the preferred methods in source control. Moreover, land treatment technology was more suitable than other process control methods. External temperature and construction costs must be considered when selecting terminal control methods.

water resources in rural areas；water resources conservancy measures；technical suitability and economic feasibility evaluation；the analytic hierarchy process

X824

A

1000-6923(2014)12-3242-07

孫 嘉(1986-),男,新疆石河子人,北京林業大學博士研究生,主要從事土壤與水環境研究.發表論文3篇.

2014-03-20

水利部水資源費研究項目( 2130331)

* 責任作者, 教授, qishi@bjfu.edu.cn