山区小流域污染与治理对策研究
——以重庆市梁滩河流域为例

杜利琼,夏 非,张永战,傅瓦利

(1.南京大学地理与海洋科学学院,江苏 南京 210093;2.海岸与海岛开发教育部重点实验室,江苏 南京 210093;3.西南大学地理科学学院,重庆 400715)

1 研究区概况

梁滩河流域位于缙云山与中梁山之间的北碚丘陵谷地及中梁山的狭长槽谷地带,系温塘峡背斜和观音峡背斜之间的白市驿向斜控制形成的山间坳陷,南北长,东西窄,地势北低南高,东西高,中间凹,流域面积520.5 km2,平均海拔高度300m左右。它地处亚热带湿润季风气候区,四季分明,冬暖夏凉,年平均气温17.5～18.8℃,多年平均降水量1000～1200mm,蒸发量略低于降水量。降水主要集中于春末夏初,5～6月是降水高峰季节,多以大雨、暴雨形式发生,降水强度大;盛夏(7～8月)降水量较少。夏季平均气温27.5～28.5℃,日最高气温超过35℃的年平均日数达20d以上,易出现严重伏旱[1]。

梁滩河是嘉陵江一级支流之一,发源于白市驿,流经重庆市九龙坡、沙坪坝、北碚3区,在北碚歇马镇注入嘉陵江(图1),全长88km,有5条主要支流,河道平均比降0.26%,多年平均流量6.6 m3/s[2]。该河底有厚约1.5m的泥质淤积,可分3层,顶部为平均厚度0.3m的流动浮泥层,中部为平均厚度0.45m的黑色泥层,底部为平均厚度0.75m的灰黄色泥层[3]。

图1 梁滩河流域示意图(据文献[3]修改)

梁滩河流域涉及15个乡镇,随着城镇化进程的加快,新城镇多集中沿河发展,常住人口近40万,成为重庆市重要的粮食、蔬菜、油料、蚕茧、畜禽生产基地。如回龙坝镇发展以家庭作坊为主的纺织业,逐渐成为沙坪坝区的纺织工业基地;凤凰镇以加工摩托车零配件为主,为当地带来了可观的经济效益和社会效益;畜禽业从20世纪90年代初兴起,经政府大力扶植而快速发展,沿河的白市驿、西永、土主、回龙坝、歇马等镇养殖业尤其兴盛,养殖规模每年都近百万头(只),至今畜禽养殖已成为当地农民增收的重要途径之一。

经济发展的同时,带来了一系列的环境问题。20世纪90年代初期以前,梁滩河河水清澈,鱼虾成群。90年代中后期以来,流域水质开始恶化,很快变成了一条散发着恶臭的“黑河”,水质已成劣Ⅴ类,不能用于人畜饮用和灌溉,严重威胁沿河居民的饮用水安全,同时也在一定程度上影响到嘉陵江的水质和流域内工农业生产的发展,制约着重庆市西部生态农业基地的建设。如不及时进行污染治理,还可能影响到三峡库区的水质。

2 研究方法

通过文献资料的查阅、搜集、整理,全面认识梁滩河流域的基本现状;走访土主镇政府,获取可靠数据,并对土主镇养殖户进行抽样问卷调查,运用实证分析法研究分析污染源;通过对土主镇的实地调查并结合对其他类似乡镇的调查了解,分析以往采取的治污措施及效果,利用对土主镇抽样调查问卷的统计结果并结合具体案例,探讨该地区发展沼气的可行性及其发展模式。

3 梁滩河流域的污染

梁滩河作为饮用水源、工业用水和农业灌溉用水等,其功能应是执行地表水质标准的Ⅲ类标准,但从2001年的检测数据来看,整个流域水体污染严重,特别是在西永和土主两镇以下的小石门段污染尤为严重 ,其中 COD、TP、NH3-N、BOD、Cr6+、Pb、Cd、CODMn、石油类、大肠菌群等10项指标超标(表1)[4],水质已成劣Ⅴ类。

3.1 污染源分析

短短几年间,梁滩河从山清水秀变成劣Ⅴ类水质的臭水沟,其污染源主要有农业点源加面源污染、工业点源污染、城镇生活面源污染,其中农业生产中的畜禽养殖污染问题尤为突出与严重。

表12001年梁滩河水质监测小石门测站统计[4]

3.1.1 农业污染源

养殖污染严重是导致梁滩河污染的主要原因。流域内白市驿、西永、土主、回龙坝、歇马等镇沿河分布有大量畜禽养殖户,每镇的年养殖规模数百万头(只),有的养殖大户已向小规模化发展。下面以土主镇为例说明畜禽养殖污染情况。

该镇养鸭户共有159户,鸭只需1个月即可出栏;养猪户共有21户,猪4个月即可出栏;养奶牛数量超过10头的共有2户,其余的少量饲养户不足10户。其他殖的畜禽还包括鸡、鹅、狗等,但规模很小,一般在5头(只)以内,其排泄物较少,忽略不计;屠宰户有9户,主要是宰鸭(生猪都外运集中屠宰),镇里的鸭子几乎都是在这9户屠宰场屠宰后再供应市场销售。该镇全年养殖和屠宰的排污量见表2,排污量约为8亿～11亿kg,而这些污染物未经任何处理,几乎全部直接排入河流。

表2 土主镇畜牧业全年排污量

畜禽养殖场废水主要是高浓度有机粪尿废水和冲舍废水,其中猪粪尿混合排出物的 ρ(COD)达81000mg/L,牛粪尿混合排出物的ρ(COD)达36000mg/L,笼养蛋鸡冲洗废水的ρ(COD)达43000～77000mg/L,ρ(BOD)为17000～ 32000mg/L,ρ(NH3-N)为 25000 ～4000mg/L[5],初步估算土主镇畜牧业COD年排放量为35000t～85000t(表2)。沿河的白市驿、西永、回龙坝、歇马等镇(图1)的畜禽养殖业也很兴盛,其养殖规模与土主镇相当,由此可见流域内畜禽养殖的污染严重程度。

此外,春、秋季气候温和,为养鸭旺季,排污量较大,而正值丰水季节使得点源污染在春秋最严重;盛夏炎热干旱,养鸭户大多休养,排污量也减少,时值枯水期,点源污染相对较轻,但暴雨多发的夏季,雨水冲刷残积地面的固体污物入河,使面源污染特别严重。

其他农业面源污染。农业(种植业)使用的农药、化肥等在使用过程中浪费严重,其中化肥利用率仅为35%～40%,大部分残留在土壤、水体中,其主要成分氮、磷随着农业灌溉用水和地表径流进入河流、湖泊和水库,易造成富营养化;农药利用率也仅为30%左右,70%的农药会随灌溉水、降水等淋溶作用散逸入农业生产环境中,是三峡库区流域有毒害物质污染源之一[6]。

3.1.2 工业污染源

梁滩河流域沿河布局着数百家企业,包括纺织、摩配、电镀、塑料等行业,其废水以及固体废弃物等几乎都没有经过严格处理,直排入河,成为点状污染源,使得水量不大、自净能力差、环境容量小的梁滩河加重了负担。纺织印染行业对环境的影响主要以废水污染为主。据统计,中国每年排放的印染废水占工业废水排放总量的35%,而排放的废水又会污染20倍量的水体[7]。重庆市作为老纺织工业基地,仅沙坪坝区沿河就有400多家纺织企业,巨大的排污量对梁滩河污染相当严重;沙坪坝区沿河分布有十多家摩配、电镀作坊,不易分解、扩散性强的油污和污水直排梁滩河,增大了治污难度;沙坪坝区有100多家塑料厂,收购的废旧塑料经过破碎处理后用水清洗,然后将污水直接排入梁滩河,造成污染。据统计,2003年梁滩河流域沙坪坝段重点工业污染源排放的工业废水量为977万m3,工业废水中的主要污染物COD的排放量为1016t/a,BOD5为111.1t/a,石油类为0.8t/a,Cr6+为313.6t/a[3](表3)。

表3 梁滩河沙坪坝段重点企业工业废水年排放总量[3]

3.1.3 城镇生活污染源

据调查,梁滩河流域除北碚区建有1座日处理5万t的城市污水处理厂外,其他城镇均无生活污水处理厂,虽然部分城镇的污水经化粪池简单处理后再排放,但其绝大部分未经任何处理就直接排入梁滩河及其流域。随着城镇化进程的加快,以前分散的居民大量集中到城镇,两岸居民的生活污水全部直排,每天的排放量近10万t,其COD排放量约4500t/a;固体垃圾等废弃物也大量增加,并随雨水冲刷产生大量的污水。城镇化以前,分散农户所产生的污水以及废弃物不会超过当地的环境自净能力,基本不会产生污染。不断扩建的新城镇资金缺乏,没有配套污水处理厂,大量直排的生活污水远远超过环境的自净能力,加重流域污染。

对比表2和表3,土主镇畜牧业COD年排放量为35000～85000t,而沙区重点企业工业废水中的COD的年排放量仅为1016t,沿岸生活污水年排放COD约4500t。表2中的畜牧业COD排放仅列了土主镇的指标,累计沿河的白市驿、西永、回龙坝、歇马等镇,使得流域的畜牧业COD排放指标最大。表3中只列了沙坪坝段重点企业工业的指标,累计九龙坡、北碚等区的所有工业COD排放量,其指标应高于沿岸生活污水排放量。从整个流域来看,畜禽养殖污染应是最严重的,即表1中的有机污染主要源自畜禽养殖业,再是工业污染,最次为城镇生活及种植业污染,因此治污的首要问题是解决畜禽养殖污染。

3.2 近年来的治理措施与效果

梁滩河1998年被重庆市政府列为亟待重点整治的嘉陵江支流之一,并被列入《三峡库区及其上游水污染防治规划》中,2004年被列入重庆市首批开工治理的9条污染较重的河流之一。近期,在国务院新批准的《三峡库区及其上游水污染防治规划(修订本)》中,重庆市8条次级河流共获得国家补助14.08亿元,其中梁滩河的补助最高,达到了3.95亿元。

由于2000年以来梁滩河污染日益严重,环境不断恶化,当地政府采取的治污措施主要包括部分禁止养鸭、建立化粪池与河道清淤等。

2003年沙坪坝区政府要求农民逐渐减少养鸭数量,并规定在沿河300m以内、公路沿线200m以内、城镇集中居住区、饮用水源地范围内农民不准养鸭,希望从限养到禁养最终发展为不养。然而,由于20世纪90年代政府鼓励农民养鸭并逐步走上了规模化养殖道路,每只鸭的纯利润为2元,农民养鸭年创收可达数万元,生活得到了显著改善,并促进了地区经济的快速发展。但规模养殖的污染处理机制未形成,又未找到合理的替代产业来弥补取缔养鸭业的经济损失,所以减少养鸭方案的贯彻执行遇到了很大阻力,养鸭规模几乎没有变化。此外,养殖户从严查严打的地方搬到邻村乡镇继续养殖并排污入河,即在梁滩河流域仅换了地方排污入河,污染问题没有得到实质性解决。

当地政府另一项治污措施是鼓励农民建化粪池,将鸭粪中的有害物质分解来减轻对梁滩河的污染程度。但是,农民无力承担昂贵的化粪池建池费,政府补贴的经费迟迟没有到位。同时,缺乏处理化粪池的固、液残渣的技术规划和具体措施,所以这一方案也告落空。

由滨江公司承担的梁滩河清淤工作已经开始了一段时间了,通过开挖河底淤泥运到岸边来改善河流环境。清淤工作投入了大量的人力物力,耗费巨大,然而清淤大多只开挖了顶部的浮泥,中部的黑色泥层开挖不彻底,影响清淤成效。而且清淤只是清理已经污染的河道,仅暂时缓解污染情况,无法从源头上解决污染问题,走的是一条先污染后治理的老路子,这样的内源污染整治势必收效甚微,所以从该工程投入至今,梁滩河的污染情况并没有得到根本性的改善。

综上所述,梁滩河的治污情况可概括为:问题关注度高,措施可行性差,河流污染依旧,水质恶化加速。

4 沼气化治污措施

梁滩河流域目前最主要的污染源是畜禽养殖污染,其次是工业点源污染及城镇生活污染。实施沼气化、发展循环经济是科学解决畜禽养殖污染这一主要污染源的有效措施,结合工业点源、城镇生活污染源的集中处理、达标排放,梁滩河流域的环境污染问题可基本得到控制和改善。

4.1 沼气化治污可行性分析

a.技术成熟。我国沼气已有100多年的发展历史。20世纪30年代田立方开办“汉口天然瓦斯总行”,开创了我国沼气利用之先河;20世纪50年代、70年代沼气池建设分别有两次大发展,但废池较多;80年代以后沼气池建设技术取得了长足的进步,广泛应用于发展生态农业[8]。现在沼气池的建设、维护和利用都已经达到较高水平,而且其安全性也得到了大大的提高。重庆市沙坪坝区农业技术推广站2007年组织沼气推广培训班,每个镇都派人参加了学习,为每个乡镇都培养了一批专门的技术员。土主镇一养猪大户建有1座16m3的沼气池,投入使用1年,运转良好,具有示范作用,便于技术推广。

b.原料来源充沛。鸭粪、猪粪是很好的沼气池原料,具有产气量高、沼液可利用性强、沼渣较易处理等特点。养殖大户日产大量的固、液有机废物,比如养鸭每户日排泄有机废物约(2～3)×107kg,能保证沼气池原料的充足连续供应。大量的生活污水和液体废弃物、屠宰场的污水及有机废弃物亦可入池。丰富且优质的原料保证了沼气池建成后可以长效运转,完成投资回收并带来持续的经济效益。

c.农户参与积极性高。沼气经济效益、生态效益显著。沼气池的建立可以满足农户大部分炊事、照明、取暖等能源消耗,节省能源开支。沼液、沼渣可以用于种植业当作有机肥,节省肥料开支;沼渣经过除臭技术可以用作养殖业的饲料,节省养殖投入。同时,沼气清洁环保,与沼气配套的改村、改灶、改厕有利于改善村容村貌,提高农户的生活质量,利于农民身心健康。从调查问卷中可以看出,农户有迫切的建池愿望,希望政府投入50%～80%的建池费,自己筹资一部分建立沼气池。

目前,该流域农村的能源主要包括电力、煤炭、薪柴等。养殖户月均耗电约300元,用于煮饭烧水、电器运转等;煤炭月花费冬天约400元,夏天100元左右,用于加工喂养畜禽的食物。因此,户均能耗约为500元/月(燃烧禾草薪柴的供能未算入)。调查问卷的统计结果显示,对于这笔能耗费用,农户普遍认为偏高。建1个8～10m3的沼气池约需投入1500元,利用沼气农户每年可以节约燃料和电费250～350元,减少农药和化肥费用150～200元,畜业增收150～200元,种植业增收也在150元左右,直接经济效益在800元左右,从而2年即可收回成本,1个沼气池的寿命大概在10～15年[9],其推广具有较好的可行性。

4.2 实例研究

以土主镇力量村一建池的养猪户为例分析沼气效益。该户一家8口人,能源消费主要有:电力,用于电器运转,月电费约50元;煤炭,用于煮熟猪食,月花费900元;沼气,煮饭烧水。沼气作为能源,年节省花费约400元;沼液用于灌溉蔬菜和猪饲料,年节省化肥开支约300～400元。该池年创收约700～800元,建池花费了2000元,2～3年即可回收资金。该户的生猪存栏量近百头,沼气池规模大,沼液沼渣赠予邻里,节省了化肥开支,且作物长势好,病虫害少,被广为传颂。

该户所有排污包括大量的猪粪以及生活污水都排入沼气池,经过沼气池处理后COD的去除率在70%～80%左右,大肠菌值下降2～4个数量级,改善了水质。

5 沼气池的发展模式探讨

以土主镇为例,该地发展沼气必须遵循因地制宜的原则。不同类型的农户和不同的经济发展阶段,沼气发展的模式不同。该镇的养殖大户聚居在河流沿岸,这里水源充足,交通方便,便于饲料、疫苗及成品的运输和管理;一般的农户以及小规模养殖户多散居在离河较远处。随着劳动力大量外出务工,种植业萎缩,种植面积小,耗肥量小,兴盛的养殖业产生的大量的有机肥无法在镇内完全利用。因此,沼气发展模式中必须考虑到养殖业和种植业发展不平衡这一因素。

5.1 小池+还田:对于分散的养殖规模一般农户

离河较远的农户以种植业为主,养殖规模一般,沼气原料不足,可建立小型池子,将畜禽排泄物归池后,沼渣、沼液还田,肥效高,可增产增收。

5.2 中池+综合利用:对于聚居的养殖大户

养殖大户一般离河较近,沼气池原料充分,但种植业萎缩,肥耗少,开展沼气、沼液、沼渣的综合利用必须采取特殊的模式。沼气用作煮饭烧水、照明、取暖,经济卫生,亦可用于畜禽保暖及用沼气灯适当延长禽类光照时间以提高其产卵量而增收。沼渣、沼液肥效高,可以施于农作物、果树、花卉及护岸林等。盈余沼渣可制成有机肥外销。用沼气供热蒸干沼渣所含的大量水分,调配各元素的比例制成高效的复合肥,促进有机农业发展的同时也解决当地部分剩余劳动力的就业问题,促进地方经济发展。另外,沼渣除臭之后,可作畜禽饲料,为养殖户节约饲料投资的同时也处理了排污物,经济环保。

重庆市四季分明、降水充沛、日照较长,适合多种农作物、果树、花卉生长,以沼气池为纽带将养殖业、种植业和果树、花卉业及林业结合起来发展生态农业,可取得显著的经济效益和生态效益。

5.3 池群+循环经济:养殖业规模化、集约化发展阶段

政府正逐渐加大对养殖业的宏观调控力度,促进养殖业向规模化、集约化的经营方式转型,实现规模效益,便于监管以消减食品安全隐患并缓解生态环境压力。另一方面,随着经济的发展,农户的环保意识也在不断提高。沼气发展模式必须与该阶段相适应。

集约化的养殖场畜禽排泄物多,建池规模应扩大,聚居户可建立联立的沼气池群来处理污物。成规模的沼气除了前述用途外,更关键的是可以用来发电,产生方便、稳定、多用途的电能,突破了沼气作为直接能源本身的局限,拓展了利用空间。沼液、沼渣除上述利用方式外,还可以建立加工厂,利用先进的工艺提取出相应的肥效元素,供给化工业、农业等相关行业,解决大量剩余劳动力就业问题的同时,也促进地方经济发展。在这些基础上,实现以沼气为纽带的由养殖业、种植业、花卉业、果树业、护岸绿化林构成的生态农业循环经济,形成产业链。剩余沼渣经过动力生化过程,降低其COD,再排放入环境,且山区河流湍急,流动过程中自净作用也会降低其COD,其物质、能量流动模式如图2所示。

畜禽排泄物等经过沼气化过程,COD的去除率可达70%～80%,沼渣采用动力生化处理,可使COD的去除率更高,大大减少排入环境中的污染物,以促进梁滩河功能的恢复,改善流域生态环境。

图2 以沼气为纽带的生态农业循环经济模式

6 结论与讨论

梁滩河流域系山区小流域,气候温暖湿润,适于养殖业的发展,经济发展也较快。随着养殖业的兴盛、工业生产规模的扩大、城镇化进程的加快,缺少相应的环保措施而造成河流污染,水质成劣Ⅴ类,严重影响人们的生活,反过来也制约经济发展。本项研究表明,梁滩河流域目前最主要的污染源是畜禽养殖污染,其次是工业点源污染及城镇生活污染。建立沼气池、发展循环经济是科学且可行地解决畜禽养殖污染这一主要污染源的可持续发展措施。沼气池的技术成熟、效益显著、农户参与积极性高使建池可行,但要遵循因地制宜的原则,在不同阶段采取不同模式。对于集约化养殖,在梁滩河流域发展以沼气为纽带的生态农业循环经济,其经济效益与生态效益均非常显著,是解决当前问题的有效可行的措施,可以从根本上改善过去10年来采取的养鸭禁而不止、建立化粪池、河道清淤等治污措施成效较差的现状。

梁滩河的污染问题反映出城镇化过程中经济发展和环境保护之间的矛盾。然而,在不同的经济发展阶段,只要采用相适应的以沼气为纽带的生态农业发展模式,结合工业点源、城镇生活污染源的集中处理、达标排放,梁滩河流域的环境污染问题可基本得到控制和改善。

山区河流往往是居民生活用水及当地工农业用水的主要水源,河流污染将严重影响人民生活生产。山区水系往往成羽状,坡陡流急,多暴雨,污染物随暴雨径流迅速汇入主河道易造成干流污染。山区坡度大,平地有限,村镇沿河集聚发展。山区的自然环境,适宜发展禽畜养殖,是当地居民增加收入的重要产业。山区小流域的地形和水系特征促使畜牧业得到较好发展,因此畜禽养殖污染是山区水资源的一个重要污染源,保护与永续利用山区水资源的关键工作之一是治理畜禽养殖污染。不同山区,经济发展阶段不同,畜牧业发展规模各异,但大致都可以划归到上述的3个阶段,分别采取相应的沼气发展模式解决不同山区的污染问题应是切实可行与有效的。不过,山区小流域不同子区域产业发展模式与相应的土地利用方式的差异将导致环境污染源的差异,进而产生不同类型和不同强度的污染组合特点[10],畜禽养殖污染对于某一局部流域地区可能并非是主要污染源,这点在实际工作中需要注意。

致谢:在本项实地调查研究中,重庆市沙坪坝区土主镇政府相关工作人员和参与调查问卷的村民提供了很多有价值的实地数据资料;南京大学地理与海洋科学学院窦贻俭教授给予了环境评价及沼液处理等有益建议,邹欣庆教授对文章提出了建议和意见;审稿专家对本文提出了宝贵的修改意见,谨致谢忱。

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