水源污染研究管理論文

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水資源危機目前已成為世界上一個十分尖銳的社會問題，水資源危機不僅表現在水量的不足，更反應在水質的惡化。隨著工業污染源的有效控制，非點源污染已經成為我國重要污染類型之一，如何科學地認識并有效控制非點源污染因而成為一個緊迫的研究課題。

從世界范圍來看，非點源已成為水環境的一大污染源或首要污染源。在美國，60%的水環境污染起源于非點源。在奧地利北部地區，據計算進入水環境的非點源氮量遠比點源大。丹麥270條河流94%的氮負荷、52%的磷負荷是由非點源污染引起的。荷蘭農業非點源提供的總氮、總磷分別占水環境污染總量的60%和40%～50%。在我國，非點源污染問題也日益嚴重，在太湖和滇池等重要湖泊，非點源污染已經成為水質惡化的主要原因之一。

1.非點源污染

非點源是指時空上無法定點監測的、與大氣、水文、土壤、植被、地質、地貌、地形等環境條件和人類活動密切相關的，可隨時隨地發生的，直接對大氣、土壤、水構成污染的污染物來源。非點源污染(Nonpointpollution)，或稱面源污染(Diffusedpollution)，是指溶解性或固體污染物在大面積降水和徑流沖刷作用下匯入受納水體而引起的水體污染。與點源污染相比，非點源污染的時空范圍更廣，不確定性更大，成分、過程更復雜，因而加深相應的研究、治理和管理政策制定的難度。

非點源污染包括大氣環境的非點源、土壤環境的非點源和水環境的非點源三類。水環境的非點源包括大氣干濕沉降、暴雨徑流、底泥二次污染和生物污染等諸多方面。降雨徑流污染，即通常意義(狹義)的非點源污染，是與降水過程伴隨進行的地表徑流污染。土壤侵蝕介于大氣干濕沉降、降雨徑流之間，既包括風蝕，又包括水蝕，是二者的有機結合[1]。一般將非點源污染分為城市和農村非點源污染兩大類。

非點源污染物發生后隨地表和地下徑流進行復雜的遷移和轉化過程(沉降物還有經大氣遷移的過程)。遷移方式因污染物類型而有所不同，如濕地的非點源污染研究中發現，固體顆粒、磷和農藥主要經地表徑流進入濕地，而氮主要經地下徑流進入濕地。與污染物遷移過程相伴的是一系列的物理、化學和生物的轉化過程，這些過程均因污染物、自然環境和歷時的差異而發生變化。

非點源污染的成因有水土流失、城市膨脹、農藥化肥過量使用、廢棄物堆放等，土地利用方式不合理是關鍵。非點源來源面廣，它夾帶著大量的泥沙、營養物、有毒有害物質進入江河、湖庫，引起水體懸浮物濃度升高、有毒有害物質含量增加，溶解氧減少，水體富營養化和酸化。在發達國家，隨著工業和生活污染源等點污染源的有效控制，非點源污染已成為水體污染的主要因素，20世紀60年達國家開始關注非點源污染，20世紀70年代起進行系統研究，并付諸管理實踐。在發展中國家，相對于點源污染而言，非點源污染仍未引起應有的重視。

2.非點源污染模型

非點源污染模型通過對整個流域系統及其內部發生的復雜污染過程進行定量描述，可以幫助我們分析非點源污染產生的時間和空間特征，識別其主要來源和遷移路徑，預報污染的產生負荷及其對水體的影響，并評估土地利用的變化以及不同的管理與技術措施對非點源污染負荷和水質的影響，為流域規劃和管理提供決策依據。

2.1模型的發展

人類開始全面認識和研究非點源污染的歷史并不長，70年代以前，人們對非點源污染已逐漸有所認識并開始研究，但這個時期的研究多限于現象的因果分析，定量化的研究則寥寥無幾[2]。

自70年代中后期以來，隨著對非點源污染物理化學過程研究的深入和對非點源過程的廣泛監測，機理模型逐漸成為非點源模型開發的主要方向，其中著名的有模擬城市暴雨徑流污染的SWMM、STORM，模擬農業污染的ARM，流域模型ANSWERS、CREAMS和AGNPS，以及單位線類模型[3]。

90年代后期，隨著計算機技術的飛速發展和3S技術在流域研究中的廣泛應用，一些功能強大的超大型流域模型被開發出來。這些模型已經不再是單純的數學運算程序，而是集空間信息處理、數據庫技術、數學計算、可視化表達等功能于一身的大型專業軟件。其中比較著名的有美國國家環保局開發的BASINS和美國農業部農業研究所開發的AGNPS等。

2.2非點源機理模型的結構特點

完整的非點源污染模型一般由四個子模型構成，如右圖所示。由于應用的目的不同，實際中非點源模型的結構往往更為復雜，可能涉及水質模擬、氣候模擬、作物生長模擬和管理控制費用估算等方面的子模型。

降雨徑流模型用來解決各類流域的產匯流問題，即推求流量過程線與徑流量。它是整個研究的基礎，因為降雨徑流過程是形成非點源污染的直接動力，可見，對其描述的合理性和準確性直接影響到非點源污染模型的模擬結果。

土壤侵蝕與泥沙輸移模型研究流域產沙及河流輸沙問題，泥沙不僅本身是一種重要的非點源污染物，而且還能吸附和夾帶許多其它污染物（如N、P和重金屬）。

污染物的遷移轉化過程子模型研究污染物（液態和固態）在徑流形成過程中的轉化和輸移過程，幾乎涉及化學的所有領域，是非點源污染研究的核心內容。

受納水體水質子模型研究非點源污染負荷對受納水體的影響，是進行非點源污染研究的目的?，F有模型大都未將受納水體水質子模型包括在內，因為其研究歷史比非點源污染長，也更成熟[4]。

2.3常用非點源污染模型的比較

目前非點源模型數量繁多，表1對目前影響較大、應用較廣的6個機理模型進行了總結，并由此可以發非點源模型發展的一些特點：①模型的空間和時間尺度逐步擴大；②統計模型在非點源模型中仍然具有不可替代的地位。由于非點源模型的機理十分復雜，使得對非點源污染過程精確的物理描述幾乎不可能；③3S技術被普遍采用，并成為非點源模型建立中不可或缺的重要工具。

2.4現有模型存在的問題

（1）干沉降對水體傳輸作用被忽視；污染物的遷移轉化研究多為COD、TN、TP等；對毒性污染物由于技術存在上的難度，對其在空中、地表的遷移轉化研究較少；

（2）各類非點源模型均對實測資料(降雨、徑流、泥沙和水質同步監測數據等)的依賴程度高，很難用于無資料或資料條件較差的流域；

（3）實用模型中，經驗性模型多，考慮污染物遷移轉化的機理類模型少。

表1：常見非點源模型對比

模型名稱

最早開發時間

最新版本時間

參數形式

空間尺度

時間尺度

時間步長

模型結構

ANSWERS

1977

1996

分散參數

流域

開始為單次暴雨，后發展為長期連續

暴雨期為60s，非暴雨期為1d

水文模型考慮降雨初損、入滲、坡面流和蒸發；侵蝕模型考慮濺蝕、沖蝕和沉積；早期并不考慮污染物遷移，后補充了氮、磷子模型，復雜污染平衡

CREAMS

1979

集中參數

農田小區

長期連續

1天

SCS水文模型，GreenAmpt入滲模型，蒸發；侵蝕模型考慮濺蝕、沖蝕、河道侵蝕和沉積；氮、磷負荷，簡單污染物平衡

AGNP

1987

1998

分散參數

流域

開始為單次暴雨，后發展為長期連續

1天

SCS水文模型；通用土壤流失方程；氮、磷和COD負荷，不考慮污染物平衡

SWAP

1996

2000

集中參數

流域

長期連續

1天

SCS水文模型，入滲，蒸發，融雪；改進通用土壤流失方程氮磷負荷，復雜污染物平衡

LAOD

1996

分散參數

流域

長期連續

1天

產流系數法計算徑流量；無侵蝕模型；統計模型計算BOD、TN、TP負荷

HSPF

1976

1996

集中參數

流域

長期連續

從1分鐘到1天

斯坦福水文模型侵蝕模型考慮雨滴濺蝕、徑流沖刷侵蝕和沉積作用；污染物包括氮、磷和農藥等，考慮復雜的污染物平衡

3.土地利用方式與非點源污染

土地利用方式是影響非點源污染的關鍵性因素。土地利用方式取決于一些重要的自然與社會經濟因素，如氣候、水文、土壤、地貌、經濟水平、產業結構、技術、教育水平等。另一方面，土地利用方式反過來影響諸如化學物質輸入輸出、徑流、土壤、植被類型、地形地貌、耕作方式等因素[5]。剖析非點源污染與土地利用方式之間關系的常見的形式是區域(流域或城市區域)非點源污染可能性評價，又稱非點源污染風險評價。在進行評價時中應注意的問題有：①風險評價總模型可以是簡單的指數模型或秩模型，也可以是復雜的機制模型。前者常用于定性分區，后者常用于流域非點源污染總量估算[6]；②各因子的量化同樣需要有合適的模型支持，如水土流失因子可用USLE模型來量化；③在流域的非點源污染研究中，可隨機選取一定量的網格樣本進行操作，而后進行插值，推算全流域的非點源污染狀況。

當點源污染得到有效監控時，非點源污染尤其是農業非點源污染將成為影響地表水水質的主要因素。不適當的土地利用和農田管理模式會導致土壤侵蝕和過量N、P隨地表徑流流失，從而導致大面積的非點源污染。李俊然等利用地理信息系統GIS研究了于橋水庫流域內不同的土地利用結構（林地、草地和耕地）與地表水水質的相關關系[7]，結果表明，在以單一土地利用類型為主控制的流域中，林地、草地控制的小流域的地表水水質明顯好于以耕地為主的小流域；在不同土地類型（草地、林地和耕地）的結合結構下，各項污染物濃度介于單一利用的小流域之間；在其它條件相似時，隨著小流域內林地和耕地比類的增加，非點源污染降低，而隨著耕地比類的升高，非點源污染有逐漸增大的趨勢。

4.新技術的應用

計算機技術和3S（地理信息系統GIS、遙感技術RS和全球定位系統GPS）技術的發展為非點源污染研究提供了全新的手段。

4.1GIS在非點源污染研究中的應用

非點源污染負荷定量化研究是流域污染環境治理的重要基礎工作，而利用非點源污染模型來估算和模擬非點源污染負荷是對非點源污染規律進行評價研究的基本方法之一[8]。一個好的模型應該充分考慮區域的空間變異性以及能夠利用分布式的過程來模擬污染情況。但一旦考慮空間變異性，會使模型的輸入和輸出參數變得繁多而復雜，而GIS的應用正好解決了這個問題。

GIS用于環境模型研究，使模型的三維顯示、空間分析能力、空間模擬能力得到加強；另一方面，GIS的介入，使環境模型的檢驗、校正更加容易，而且GIS的空間表現能力會使環境模型的視覺效果有質的飛躍[9]，從而有助于模型質量的改進和提高。GIS在非點源污染研究中的應用，本質上也是GIS與非點源污染模型結合(集成)的問題[10]。目前GIS與水質模型集成，在促進模型改進和標準化，以及進行模型間的比較等方面扮演越來越重要的角色[11]。

4.2RS技術在非點源污染研究中的應用

RS與GIS研究對象都是空間實體，RS著眼于空間數據的采集和分類，是GIS重要的信息源和數據更新手段；GIS側重于空間數據的管理分析，是RS信息提取與分析的重要手段。由于RS可實時、快速地記錄大面積流域的空間信息及各種變化參數，提供精確的定性和定量數據，并能對各種信息進行定量分析、動態監測和自動成圖，已成為目前非點源研究中獲取流域各種信息的主要手段。

GIS與RS結合后，通過RS圖像可在較大的范圍內，調查區域土地利用現狀、植被覆蓋、水土流失的分布、面積及程度，可以準確、快速、連續地提出區域水土流失的主要指標，進而給GIS提供實效性強、準確度高、監測范圍大、具有綜合性的數據源，有助于GIS數據庫的及時更新，確保系統的現勢性，特別在污染監測方面具有其它類型數據所無法代替的優越性。因此RS與GIS相結合，既可以保證GIS具有高效和穩定的信息源，又可以對遙感信息進行實時處理、科學管理和綜合分析，實現監測、預測和決策的目的。

4.3GPS在非點源污染研究中的應用

GPS具有精度高、速度快、全天候、自動化程度高等優點，可對數據采集點、污染源監測點和遙感信息中的特征點進行實時、快速的精確定位，并提供地面高程模型，以便形成信息層進入GIS。GPS和GIS的結合，極大地拓寬了GIS的應用范疇[36]，也徹底改變了有關專題圖在傳統制作上手工繪制、成圖慢、精度低、投入高的缺點?？紤]到RS的成像原理、圖像的分類方法本身固有的誤差和其他誤差的影響，使得遙感判讀的區域界線不很明確，因此RS與GPS結合，能夠精確地確定水土流失的區域邊界[12]。

5.研究前景展望

5.1非點源污染有關模型的研究將繼續深入

在人們逐漸認識到各類非點源污染模型推廣應用的局限性情況下，研究不同氣候水文條件下的非點源污染模型，而后統一集成開發為由專家系統控制、GIS支撐的非點源污染模型軟件將成為未來非點源污染模型和計算機軟件開發的主流。

5.2新技術的應用將向廣度和深度發展

GIS的空間信息管理的綜合分析能力、RS的空間動態監測能力及GPS的高精度定位能力，為解決測什么、怎么測、在哪里測這些問題奠定了良好的技術基礎。目前國際上“3S”的研究和應用已走向集成，是生態環境科學等研究領域的重要發展方向之一?！?S”整體集成技術也將是今后非點源污染研究中應用的主要研究手段，而“3S”自身的融合技術仍將是當前和今后研究的重點。

5.3理論研究與管理實踐的接軌是必然趨勢

以美國為例，這種接軌體現在三個層面：技術層面上，主要是完善城市污水管道體系，建人工沉積塘，采用濕地處理以及水體生態修復工程等；經濟層面上，學術界以量化非點源污染為基礎，結合微觀經濟學方法展開費用效益分析，從而進行政策手段的設計和有效性評價；政策層面上，美國國會結合研究進展，積極立法[13]。

參考文獻

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[13]鄭一,王學軍.非點源污染研究的進展與展望.[J].水科學進展,2002.1：105～110.

ProgressandProspectoftoNon-pointPollutionResearch

FuYongfeng1,ChenWenhui2,ZhaoJihua1

Abstract:Basedontheexplanationontheconcept,characteristicsandoriginofthenon-pointpollutionresearchathomeandabroad,theprogressandexistingproblemsofthenon-pointpollutionresearchareanalyzedfromthefollowingthreeaspects:non-pointpollutionmodel,influenceofthewayoflanduseonnon-pointpollutionandnewtechnology’sapplicationinnon-pointpollutionresearch,finallythenon-pointpollutionresearchisprospected.

Keywords:Non-pointPollution；NewTechnology；ResearchProgress