1 引言(Introduction)

随着社会经济的快速发展和农村城镇化水平不断提高，农村居民生活方式日益城市化，农村生活、生产垃圾逐年增多，大多数农村居民将生活垃圾随意丢弃，加之我国农村垃圾处理设施不健全，使农村垃圾问题日益突出(曾秀莉等，2012; 李世贵等，2012; 梁文，2008).调查显示，农村生活垃圾沿河堆放现象在我国北方及中部农村较为多见，辽河(徐志璐，2014; 梁冬梅，2014)、松花江(斯琴高娃，2010)、海河(孙添伟等，2012; 于晓勇等，2010)、淮河(亚洲开发银行等，2013; 陈国良，2012)等全国重点流域干流和支流区域，在不具备垃圾收集设施的村镇，村内产生的垃圾全部堆放在道路和河岸旁，垃圾中有机物含有大量氮素(孙兴旺，2010; 魏星等，2009)，其中以氨氮为主要存在形式，在雨季，由降雨对沿河垃圾淋溶、冲刷引起的氨氮等有害成分入河给水体造成严重污染(王翎均等，2014).氨氮是氮素的主要赋存形态，直接决定水生态毒性风险的大小(Lisa Huff，2009)，自然水体中氨氮含量的升高，不仅会造成水体溶解氧含量降低，还可导致水体富营养化现象，严重时对水生生物产生非离子氨的毒害作用，使水生动物大量死亡，造成生态环境破坏(蔡继晗等，2010).

牛尾河、北澧河属海河流域子牙河水系滏阳河河段，地处平原，沿河城镇、村落众多，人口密集，垃圾沿河堆放现象严重，降雨对垃圾的淋洗、冲刷作用，会使垃圾中大量氨氮溶出，以地表径流或下渗方式直接或间接进入水体，使水体氨氮含量增加，水环境状况日益恶化，严重影响广大农村生态、生产及生活安全.目前针对海河南系河流研究多集中于污染物含量及空间分布特征(李文赞等，2012; 赵钰等，2014; Liu et al.，2010)，对污染物来源及贡献量研究较少，对其它流域和海河流域氨氮非点源研究多集中于城镇面源、农田面源、畜禽养殖等(杨育红，2007; 金国华，2005; 朱梅，2011)，但也仅停留在污染负荷的估算上(孙添伟等，2012; 万寅婧等，2012; 刘永德等，2008)，以模拟实验方式确定农村垃圾入河负荷鲜有研究.

本文主要以滏阳河流域典型河段牛尾河、北澧河为研究对象，在对其垃圾分布特征和垃圾存量实地调查之后，建立模拟降雨装置，研究不同情况下河岸垃圾氨氮入河系数及影响因素，掌握农村垃圾入河污染负荷，以期为海河流域氨氮污染源控制、治理，河流生态修复提供参考.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 调查区域与调查方法 2.1.1 调查区域

牛尾河、北澧河位于海河流域，是我国受人类活动干扰最强烈的区域(刘家宏等，2010; Liu et al.，2010).牛尾河发源于邢台市区南小汪一带，流经桥东区、开发区、任县，在任县南留寨与顺水河交汇后流入北澧河，全长约37 km，汇入北澧河后，河道变宽，流速变缓.牛尾河承载着市区及沿途县(区)排沥和泄洪功能，是其生活和工业等污废水主要容纳河道，河道两侧有大量生活垃圾堆积(李文赞等，2012).北澧河自任县环水村流经隆尧到宁晋史家咀村，全长43.6 km，澧河下游处于古大陆泽和宁晋泊连接部，系滏阳河的最大支流，该河自环水村起，经隆尧县境至宁晋县小河口与洨河汇流入滏阳河，同牛尾河情况类似，沿河两岸有大量生活垃圾堆积.牛尾河、北澧河流经区域属北温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年均气温13.4℃，年均降雨量550 mm.本研究区域概况图如图 1所示.

2.1.2 调查方法

牛尾河、北澧河沿河垃圾调查工作于2014年7月11日—7月15日进行，现场踏勘自牛尾河邢台市区段开始，依次经过任县、隆尧县，最终到达宁晋县小河口村.调查工作主要了解沿河垃圾污染状况，确定沿河垃圾分布、垃圾类型以及垃圾存量，并记录相关数据.

2.2 模拟实验设计

通过对牛尾河、北澧河沿河垃圾调查，总结研究区域内沿河垃圾分布特征，将河岸坡度、垃圾类型和河岸土壤密实度作为影响垃圾氨氮入河通量的影响因素，其中河岸坡度选取调查中具有代表性的15°和30°，垃圾类型选取调查中出现较多的厨余垃圾和秸秆垃圾，土壤密实度选取较夯实土壤和着重夯实土壤分别进行模拟试验.本实验选取垃圾为邢台市大吴庄村内垃圾堆放点新鲜垃圾，部分理化性质见表 1，总碳与总氮均以干重计.

2.2.1 模拟实验装置

整个实验在室内模拟进行，实验装置如图 2所示，材料均为木板，装置尺寸：长×宽×高=1.5 m×0.6 m×0.8 m，装置前端设有集水槽，分别接取径流水出水和下渗水出水，集水槽长度为0.1m.装置底部用不透水塑料薄膜覆盖，内部土壤填充高度0.5m，填充体积1.4 m×0.6 m×0.5 m=0.42 m³，土壤类型为耕田壤土；垃圾厚度设计为20~30 cm，最大垃圾体积1.4 m×0.6 m×0.3 m=0.252 m³.垃圾类型：农村垃圾，以厨余垃圾为主；农业垃圾，以植物秸秆为主.模拟降雨采用每组5个喷头进行均匀布水.

上述装置共建造4组，分别为对照组，及实验组1~3，为实现河岸坡度，不同垃圾类型，以及不同下垫面渗透系数对垃圾氨氮入河的影响，具体反应装置设计内容如表 2所示，将实验组模拟结果分别与对照组进行对比.

2.2.2 模拟降雨分级设计

结合邢台地区已有天然降雨数据资料，并查阅坡面降雨径流及临界产流降雨强度相关文献(岳桓陛等，2015; 黄俊，2010; 李小雁等，2001)，将本实验模拟降雨装置降雨强度设定为30 mm·h^-1，对应布水流量0.42 L·min^-1，考虑实际降雨中其他区域汇水，结合河岸坡长，将布水流量定为10 L·min^-1.自表面径流、下渗产流开始，分别在0~10 min内每2 min，10~20 min内每5 min，20~40 min内每10 min，40~120 min内每20 min取样1次，总布水时长为2 h.每次模拟实验之前，需进行前期降雨至坡面产流为止，前期降雨后用塑料布覆盖并静置24 h，使表面垃圾及土壤接近自然状态下水分分布状况，同时保证每次实验前水分状况基本一致，尽量减少不同水分分布状况的误差.

2.2.3 实验设计

(1) 研究河岸情况对垃圾氨氮入河的影响，选取相同布水流量10 L·min^-1条件下，降雨持续时间为2 h.针对不同河岸角度，将对照组1和实验组1进行模拟降水试验.

(2) 针对不同垃圾类型对垃圾氨氮入河的影响，选取相同布水流量10 L·min^-1条件下，降雨持续时间为2 h.将对照组1和实验组2进行模拟降水试验.

(3) 针对不同夯实程度对垃圾氨氮入河的影响，选取相同布水流量10 L·min^-1条件下，降雨持续时间为2 h.将对照组1和实验组3进行模拟降水试验.

2.3 分析方法与数据处理

各模拟装置径流和下渗流量通过单位时间内出流量进行计算.各装置径流和下渗出水水样采集后带回实验室测定，氨氮指标测定方法参考《水和废水监测分析方法》(第4版)(国家环保总局，2002).沿河垃圾分布图用ArcGIS 9.3制作；实验装置图用AutoCAD制作；数据统计分析在Excel上进行；数据图在Origin 8.0上完成.

2.4 氨氮入河系数

根据下列公式获得氨氮入河通量K_A:

(1)

(2)

式中，K_A是氨氮入河通量(mg·mm^-1·m^-3)；K_B和K_C分别代表垃圾径流和下渗入河系数(mg·mm^-1·m^-3)；α为下渗系数，本实验取1；C_B/C为径流、下渗氨氮加权平均浓度(L·min^-1)；V_B/C为径流、下渗出流平均流量(L·min^-1)；H为降雨量，选取本实验2 h降雨量60 mm；V为模拟装置垃圾体积0.252 m³.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 牛尾河、北澧河沿河垃圾分布特征及存量 3.1.1 垃圾分布特征

通过对牛尾河、北澧河沿岸垃圾位置进行数据汇总可知，垃圾堆放位置按河道、河床、河岸划分主要有以下3个特点：①垃圾堆放现象多出现在沿河有村落地区，沿河垃圾分布与沿河村落分布基本一致；②垃圾多在桥梁两侧成堆堆放，堆积严重；③桥梁下的河道里，多有零星或成片垃圾漂浮.

由图 3沿河垃圾位置分布可知，垃圾堆放多出现在有村落分布的河岸上，说明垃圾分布与村落分布较为一致，因堆放垃圾种类多为塑料、煤灰渣、菜叶、木头等，可推断垃圾来源主要为沿河村民日常倾倒.河道垃圾主要存在于牛尾河邢台市区段、郊区段，在牛尾河农田段也有少量分布，实地调查显示垃圾多出现在桥梁下河道中且为零星分布，未对河流流态造成影响.河床垃圾在牛尾河邢台郊区段、牛尾河农田段有少量分布，在降雨丰沛的雨季有转化为河道垃圾的可能.

通过对牛尾河-北澧河沿岸垃圾类型进行数据汇总，结果如图 4所示，生活垃圾占垃圾总量的90%以上，这与成都地区、太湖流域农村生活垃圾中厨余占80%以上类似(曾秀莉等，2012曾秀莉等，2012; 张后虎等，2010).实地调查显示生活垃圾组分包括：草木灰、灰渣、秸秆、厨余、塑料、废纸、废药瓶、金属、织物、玻璃等；其中主要以厨余垃圾为主，这部分成分复杂，主要有包装袋、剩饭菜、油污垢等.建筑垃圾在牛尾河郊区段和北澧河农田段有少量分布，其他垃圾由于量少，未进行详细统计.

3.1.2 垃圾存量

沿河垃圾主要分布在牛尾河郊区段、牛尾河任县段及北澧河段上游，牛尾河郊区段垃圾分布呈现量大且分布集中的特点，垃圾体积多在14~45 m³，垃圾存量为620.485 m³，占研究区域总垃圾存量的60.9%.北澧河段垃圾存量较小且分布松散，垃圾存量为184.356 m³，占研究区域总垃圾存量的18.1%，其余河段均有零星分布，具体垃圾存量分布情况如图 5所示.

综合以上对牛尾河-北澧河沿岸垃圾位置、类型及存量的调查，结果显示，沿河垃圾分布与沿河村落分布基本一致，主要以河岸两侧垃圾堆放为主，此外，沿河桥梁两侧垃圾堆放现象较为严重.生活垃圾占绝大多数，其中主要以厨余垃圾为主.

3.2 模拟不同因素情况垃圾氨氮入河特征

河岸角度、垃圾类型和土壤密实度通过影响径流、下渗流量及氨氮浓度进而影响垃圾氨氮入河量，通过对对照组和实验组进行模拟降雨实验，将所得数据进行分析，结果见图 6，模拟15°河岸和模拟30°河岸(对照组)垃圾在模拟降雨过程中径流流量和下渗流量具有相似变化趋势，径流流量在模拟降雨开始的前20 min变化较大，由7.26 L·min^-1和8.28 L·min^-1分别变到5.55 L·min^-1和5.16 L·min^-1，20 min后逐渐趋于稳定，分别为(5.15±0.40)L·min^-1、(5.40±0.48)L·min^-1.下渗流量出流稳定，20 min后出流量分别为(1.12±0.25)L·min^-1和(1.83±0.09)L·min^-1.在出流浓度方面，模拟15°河岸和模拟30°河岸(对照组)垃圾径流浓度在20 min前变化明显，之后趋于稳定，稳定后分别为(1.52±0.48)mg·L^-1和(1.32±0.39)mg·L^-1，下渗浓度20 min稳定后分别为(0.614±0.113)mg·L^-1和(0.753±0.254)mg·L^-1.

秸秆垃圾在模拟降雨过程中径流流量和下渗流量始终大于厨余垃圾(对照组)，且均在40 min后流量趋于稳定，分别为(7.08±0.36)L·min^-1、(2.16±0.24)L·min^-1.在出流浓度方面，秸秆垃圾径流浓度较厨余垃圾偏小，在30 min后趋于稳定，为(0.456±0.226)mg·L^-1，下渗浓度20 min稳定后为(0.433±0.204)mg·L^-1，分别小于厨余垃圾(对照组)(1.32±0.39)mg·L^-1和(0.753±0.254)mg·L^-1.说明不同垃圾类型对垃圾氨氮渗出液浓度有一定影响.

在着重夯实土壤上，厨余垃圾径流流量与较夯实土壤(对照组)基本一致，30 min稳定后流量为(5.63±0.129)L·min^-1.而径流流量由于受土壤密实度影响，自开始计时15 min后开始出流，且出流量较小，为(0.238±0.0615)L·min^-1.在出流浓度方面，着重夯实土壤径流浓度与较夯实土壤(对照组)基本没有差别，40 min后趋于稳定，为(1.265±0.323)mg·L^-1，此外，较夯实土壤整个过程下渗浓度均处于较高水平，80 min后趋于稳定，为(2.41±0.179)mg·L^-1.

3.3 垃圾氨氮入河通量

垃圾氨氮入河通量由径流通量和下渗通量决定，径流入河通量与垃圾类型有关，下渗入河通量与垃圾类型、土壤密实度和河岸角度有关.根据公式(1)、(2)分别计算4组模拟装置垃圾径流、下渗氨氮入河通量及总入河通量，结果见表 3.

由表 3数据可知，氨氮径流入河通量主要与垃圾类型有关，3组厨余垃圾径流入河通量均大于秸秆垃圾，为秸秆垃圾径流入河通量4~4.5倍，说明厨余垃圾在降雨过程中较秸秆垃圾径流氨氮贡献量大.氨氮下渗入河通量与垃圾类型、土壤密实度和河岸角度有关，其他条件相同，厨余垃圾氨氮下渗入河通量为秸秆垃圾下渗入河通量的6.0倍；较夯实土壤垃圾氨氮下渗入河通量为着重夯实土壤的12.2倍，说明较夯实土壤在降雨过程中较着重夯实土壤下渗氨氮贡献量大；模拟30°河岸垃圾下渗入河通量为模拟15°河岸的1.4倍，说明模拟30°河岸在降雨过程中垃圾氨氮贡献量较大，这可能与30°河岸径流和下渗流量较大有关.

综合垃圾径流、下渗氨氮入河通量，其中模拟30°河岸厨余垃圾较夯实土壤情况和模拟15°河岸厨余垃圾较夯实土壤情况垃圾氨氮入河通量接近，且高于其它情况，分别为0.233 mg·mm^-1·m^-3和0.236 mg·mm^-1·m^-3，说明河岸角度对垃圾氨氮入河通量影响较小.模拟30°河岸、厨余垃圾、着重夯实土壤垃圾氨氮入河通量为0.196 mg·mm^-1·m^-3，说明土壤密实度通过影响下渗流量和下渗浓度对垃圾氨氮入河量有一定影响.模拟30°河岸秸秆垃圾较夯实土壤情况垃圾氨氮入河通量最小，为0.0533 mg·mm^-1·m^-3，说明秸秆垃圾氨氮入河贡献量小于厨余垃圾.

4 结论(Conclusions)

对沿河垃圾的调查结果显示，牛尾河-北澧河存在沿河垃圾堆放现象，通过降雨及径流冲刷会造成沿岸垃圾氨氮渗出，以径流和下渗的方式进入水体，加重水体氨氮负荷，进而增加水体氨氮污染风险.

1) 牛尾河-北澧河沿河垃圾分布与沿河村落分布基本一致，主要分布在牛尾河郊区段、牛尾河任县段及北澧河段上游，牛尾河郊区段垃圾分布呈现量大且分布集中的特点，北澧河段垃圾存量较小且分布松散，在其余河段均有零星分布，垃圾类型以生活垃圾为主，占垃圾总量90%以上.

2) 河岸角度、垃圾类型和土壤密实度通过影响径流、下渗流量及氨氮浓度进而影响垃圾氨氮入河量，其中河岸角度主要影响下渗流量，垃圾类型主要影响垃圾径流、下渗流量和径流氨氮浓度，土壤密实度主要影响垃圾下渗流量和浓度.

3) 模拟30°河岸厨余垃圾较夯实土壤情况和模拟15°河岸厨余垃圾较夯实土壤情况垃圾氨氮入河通量接近，且高于其它情况，分别为0.233 mg·mm^-1·m^-3和0.236 mg·mm^-1·m^-3，说明河岸角度对垃圾氨氮入河通量影响较小.模拟30°河岸、厨余垃圾、着重夯实土壤垃圾氨氮入河通量为0.196 mg·mm^-1·m^-3，说明土壤密实度通过影响下渗流量和下渗浓度对垃圾氨氮入河量有一定影响.模拟30°河岸秸秆垃圾较夯实土壤情况垃圾氨氮入河通量最小，为0.0533 mg·mm^-1·m^-3，说明秸秆垃圾氨氮入河贡献量小于厨余垃圾.