1.3　非点源污染研究现状及其发展趋势

水环境污染问题是当前普遍存在的一个世界性问题。按污染物排入水体的空间位置可以分为点源污染(Point source pollution)和非点源污染(non-point source pollution)(芮孝芳,2004)。前者是指各种废水比如各种工业废水,由于集中排放,成为点源污染;后者则是由于降雨产流过程中的冲刷或侵蚀或者灌溉等,使得大面积上的污染物进入水体造成污染,称为非点源污染(Vieux,1991)。

在环境管理和规划中,点源污染是比较容易受到重视的,而非点源污染比较容易受到忽视。美国《清洁水法修正案》对非点源污染的定义为:污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水体。与点源污染相比,非点源具有许多显著不同的特点,它的主要特征可概括为:发生上具有随机性,排放途径及排放污染物具有不确定性,污染负荷的时空差异性大。这些特点给非点源污染的研究和治理工作带来许多困难(万超,2002)。

在非点源污染物中通常含有需氧物质、悬浮的颗粒、营养物质以及有毒的物质。需氧物质指的是那些消耗溶解氧(DO)的有机或无机颗粒物。溶解氧通常可以作为一个水生系统的健康指标。在水中溶解氧浓度的降低反映出的影响就是生态系统失衡、鱼类死亡、水体有臭味及其他不良反应。水中悬浮的固体颗粒显然会降低水体的透明度、威胁到水生生物,悬浮颗粒的沉积也会影响到水生生物的栖息环境、阻塞排水设施、降低流速。另外,这些颗粒也好携带其他的污染物,比如营养物质、金属元素以及其他有毒物质。营养物质如氮和磷会引起藻类的大量生长,使水体呈现富营养化状态,加速了水库、湖泊的老化(万超,2002)。

在我国,大部分地区夏季降水高度集中,多年的人类经济活动带来的生态破坏,导致水土流失严重,特别是近年城市化发展迅速,化肥、农药数量急剧增加,使我国水环境非点源污染问题日益突出。据统计,我国75%的湖泊、53%的近海海域遭受污染,水体蓝藻暴发和赤潮发生频率日益增加;我国五大淡水湖中,巢湖已进入富营养化阶段,太湖和洪泽湖正向富营养化阶段过渡,洞庭湖也向中营养化阶段发展。滇池更是富营养化的典型水体。就连被誉为“天下第一秀水”的千岛湖也在1997年、1998年后发生蓝藻暴发。据对太湖污染源的调查,来自农村非点源的总氮排放量达27679.4t,占该地区总氮排放量的36.1%。在云南滇池的氮、磷污染中,来自农田地表径流的氮、磷分别占总量的3%和42%,造成严重的非点源污染。北京密云水库、天津于桥水库、安徽巢湖、云南洱海、上海淀山湖等水域,非点源污染比例超过点源污染(何萍,王家骥,1999)。农业非点源污染影响了全世界陆地面积的30%～50%,并且在全世界不同程度退化的12亿hm2耕地中,约12%由农业非点源污染引起。非点源污染已上升为威胁地表水的主要污染源。过量施肥、施肥结构不合理、农田排水直接进入河流等一系列因素,加剧了水体富营养化的发生。由水体富营养化引起的水质恶化、水源紧缺、生态环境破坏,严重制约着国民经济的健康持续发展。目前,我国非点源污染问题已成为水环境质量研究中亟待探讨的课题。作为全国重要商品粮食生产基地的黑龙江省,其农业非点源污染问题更为突出。控制农业非点源污染、保护生态环境对实现我国农业、资源和环境协调发展有重要的理论意义和现实意义。

1.3.1　国外研究现状

1.3.1.1　理论研究

主要包括农业非点源污染的特点、类型、影响因素等。污染物迁移(流失)机理等方面。农业非点源污染过程是个非常复杂的过程。非点源污染的特征:不确定的时间内,通过不确定的排放途径,向水系排放不确定量的污染物质。农业NPS污染源类型:农业化肥农药污染、农村牲畜粪便污染、林区非点源污染。不同土地利用类型的非点源污染负荷也明显不同(金相灿,1990)。非点源污染物主要有:营养盐、泥沙、有毒物质。营养盐包括氮、磷两类,其形态有颗粒态和溶解态两种。泥沙的增加会降低水体的透明度,影响水生动植物的生长,降低浮游生物的过滤作用,而且随泥沙而来的营养盐也是水体富营养化的长期贡献者。有毒物质包括化学有机物、重金属、农药等。

1.3.1.2　模型模拟

20世纪70年代初,直接模拟非点源单场暴雨和长期平均污染负荷输出污染发生、发展及影响的ARMM(Donigian,1979)数学模型。20世纪80年代美国内政部土壤侵蚀局(SES)对60年代提出USLE方程进行了修正,即RUSLE。随着形势的发展,又提出以WEPP替代过去的USLE,同过去的研究相比,WEPP更注重过程,更重视机理(USDA,1994)。提出功能性负荷模型CREAMS(Knise,1980)、AGNPS(Young,1989)等。20世纪90年代,美国农业部自然资源保护局(SES)在对过去非点源污染模型十多年的应用经验进行总结的基础上对几大模型的预测能力进行了客观的评价(Daniel,1993)。认为各模型的建立都是经过实践检验的,但由于它们的模拟机理和适用范围不同,各模型间存在着明显的差别。在选用模型时应当有针对性地了解模型地特性,以求达到最佳地模拟效果(路月仙,2003)。

1.3.1.3　最佳管理实践(BMPs)

20世纪70年代后期全世界倡导对农作物有害生物采取综合治理策略(郭予元,1998)。1987年的美国水质法案(WQA)则明确要求各州对非点源污染进行系统的识别和管理,并给予资金支持。90年代发达国家大力推广的居前10位的环保型农业技术均与非点源污染治理有关(刘婵娟,1997)。

1.3.1.4　立法管理

1972年美国《联邦水污染控制法》首次明确提出控制非点源污染。1977年的美国《清洁水法》进一步强调非点源污染控制的重要性。1979年美国环保局(EPA)提出了排污权交易法——点源—非点源排污交易法(何萍,1999)。1987年,美国国会通过了《清洁水法》(修正案),建立了控制非点源污染的国家计划,水资源保护法更加完善。1989年欧盟委员会第一次明确提出非点源污染的官方文件(李贵宝,2001)。20世纪70年代、80年代随着计算机和信息技术的飞速发展,以GIS为核心的“3S”技术,即GIS(地理信息系统)、RS(遥感技术)和GPS(全球定位系统),在非点源污染研究领域得到了迅速应用,并逐渐成为对非点源污染负荷进行定量研究的主要手段(陈为峰,2002),并在欧美各国开展研究(Jameison,1996)。

1.3.2　国内研究现状

我国的非点源污染研究始于20世纪80年代的湖泊富营养化调查,真正意义上的非点源污染研究是北京城市径流污染研究之后相继在于桥水库、滇池、太湖、巢湖、晋江流域、苏州河、密云水库等地方开展了工作。刘枫(1988)认为,流域地貌和植被是制约于桥水库流域非点源污染空间差异的两个关键因素,调控植被覆盖的空间分布是非点源污染管理的重要途径。刘岩(2003)等探讨了滇池农业非点源污染治理实行收费政策的可能性及收费标准。潘根兴等(2003)认为要防止太湖地区水稻磷的强烈水流失而加剧农业非点源污染,应避免长期单施化肥,而应坚持和推广配施适量有机肥。阎伍玖等(2003)通过对研究区域土地利用类型和农业活动的实际考察,分析了巢湖流域非点源污染及其成因,为巢湖富营养化的非点源污染控制提供依据。王少平等(2002)将模拟试验、GIS技术和非点源污染模型相结合,探讨了苏州河流域的非点源污染负荷及时空演变规律。王晓燕等(2003)研究了密云水库不同土地利用类型的农业NPS污染排放量。其他一些学者也相继开展了地下水的非点源污染研究(赵林等,1999;张思聪,2000;严登华等,2001)。

我国在水土流失也做了大量工作,代表性的有黄土高原的水土保持研究工作(汪忠善,1996)。对地表土壤溶质随径流流失过程的研究,国内学者也做了有益的探讨提出了相应的概念和理论(王全九,1993)。国内对农业非点源污染负荷研究多引用国外模型(或加以修正),少数也有创新尝试工作。李怀恩(2000)采用平均浓度法在有限的监测资料流域估算非点源污染年负荷量;张水龙等的径流估算的蓄满产流、超渗产流及综合产流理论和Chengqing Yin(1993)的“多塘系统”。由于适合于我国的国情,因而也被用于区域农业非点源污染计算(张水龙等,1998)。从20世纪80年代以来,以GIS为核心的3S技术在非点源污染研究领域得到了迅速应用,并逐渐成为对农业非点源污染负荷进行定量研究的主要手段(陈为峰,2002)。王宁等(2002)认为GIS进行非点源污染研究具有良好的适应性和广阔的前景。杨驰等(2005)提出与农业非点源污染定性模型完全集成的方案。王伟武(2002)讨论了“3S”技术在流域非点源污染定量模型研究中的应用及其局限性,明确了今后基于“3S”技术的流域非点源污染定量模型的发展方向和研究领域。

20世纪80年代我国的农业非点源研究仅是宏观特征与污染负荷定量计算模型的初步研究。基于受纳水体水质分析,计算汇水区农业非点源污染输出量的经验统计模型这一时期发展较快并广泛应用。从20世纪80年代以来,以GIS为核心的“3S”技术,在非点源污染研究领域得到了迅速应用。

1.3.3　研究趋势

(1)非点源模型在不确定性分析方面的研究。由于不论哪种模型都是建立在一定的概化和假设前提基础之上的,模型或多或少都受不确定性的影响,尤其非点源污染涉及范围广、相关影响因素众多,如何选用恰当的不确定性分析方法来消除这些影响,提高模型精度,具有较高的研究价值。

(2)结合国情,开发非点源的机理模型。注重对于非点源污染的过程分析,需要自主开发一些实用性强,精度高,符合国情的非点源污染机理模型。

(3)建立适应能力较强的非点源污染负荷计算模型,以便于推广应用。目前国内对于非点源污染负荷量的计算和量化区分成果较少,大部分水环境规划还没有考虑非点源的影响,造成了点源大力治理、达标率不断上升,可是规划目标仍会落空的现象。

(4)对非点源污染物理、化学过程的深入研究。微生物的迁移在非点源污染物迁移转化的研究中开始受到重视。

(5)“3S”、VR技术与非点源模型的集成运用。通过“3S”强大的数据采集存储、管理、查询和检索功能使得传统水质模型难于收集、处理海量数据的问题得到解决,对非点源污染过程空间特性的描述能力增强。同时虚拟现实(VR)在非点源模型中的应用将大大提高模型的可视化程度,并可实现实时交互、反馈,达到人机和谐。