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非点源污染研究中的几个关键问题

时间:2022-01-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:非点源污染的定量化的研究也主要集中于监测控制与模拟分析两个方面[49,50]。这些模型的出现及完善大大促进了农业非点源污染的定量化研究工作。但是由于受农业非点源污染自身特点的限制,并且人们对其认识起步较晚,因此在研究中还面临一些必须解决的关键问题:对农业非点源污染的机理研究有待深入。污染过程机理研究的缺乏及不足使得研究成果难以与控制管理相结合,这也成为制约我国非点源污染研究的重要因素。
非点源污染研究中的几个关键问题_流域水环境生态系

1.3 非点源污染研究中的几个关键问题

如上所述,非点源污染对农业生产、水资源、水生生物栖息地和流域水文特征均有着严重影响,目前对于非点源污染的影响因素的研究多集中于定性与相关性方面,主要包括地表径流、土地利用类型、土地利用结构对污染物迁移的影响、污染元素在土体内的流失、畜禽养殖业对环境的影响以及污染物的去除机理等。非点源污染的定量化的研究也主要集中于监测控制与模拟分析两个方面[49,50]。对污染源的监测与控制在于有效及时地发现污染产生的源头,直接在源头提出有效的控制措施,将非点源污染物的排放控制在最低限度。其次是在污染物产生—分解—输送的过程中进行相应的运移转化的机理分析,从而了解污染物的扩散方式和途径,并达到提早预报控制和减少污染物排入水域。

从20世纪70年代开始,国内外学者针对非点源污染展开了深入的研究[51~55],概括起来主要集中于:模型基本理论研究,主要包括污染物在土壤圈中的行为以及污染物在外界条件下(如降水、灌溉等)从土壤向水体扩散的过程这两个方面。农业非点源污染模型是定量化研究的重要工具,到目前为止,已经出现了大量的经验模型,以及以污染物产生迁移转化机理为基础、兼顾不同时空尺度、具有物理机制的分布式非点源污染模型。这些模型的出现及完善大大促进了农业非点源污染的定量化研究工作。然而对非点源机理研究的成果多具有地域性,结论及成果能否推广应用于其他地区还有待验证。监测技术及采样方法的研究:尽管随着计算机等高新技术的快速发展,3S(GIS、GPS、RS)与常规的非点源污染监测方法相结合,大大提高了数据采集及处理的能力,但由于非点源污染起源于分散的多样区域,且地理边界与发生位置难以识别与确定,实现有效快速的监测仍存在一定困难。管理及控制措施的研究:在理论研究的基础上,进行农业非点源污染管理模式的研究也取得了一定进展。但是由于受农业非点源污染自身特点的限制,并且人们对其认识起步较晚,因此在研究中还面临一些必须解决的关键问题:

(1)对农业非点源污染的机理研究有待深入。农业非点源污染的产污机制是进行监测、模拟及治理的基础,已有很多学者针对其迁移转化规律进行了实验及理论分析。虽然对农业非点源污染的形成过程有比较直观的认识,但要把复杂的物理过程抽象成纯粹的理论模型,仍需要做进一步的深入研究。比如关于地表土的氮、磷等营养物质如何迁移到水体中,以及在这个迁移过程中污染物的相互转化机理机制还未完全搞清楚。污染过程机理研究的缺乏及不足使得研究成果难以与控制管理相结合,这也成为制约我国非点源污染研究的重要因素。

(2)采样方法需要进一步改进和提高[56~58]。农业非点源污染的研究涉及大量的时空数据,这些时空数据又因为地形、降雨及人为等因素的影响,具有很强的时空异质性,这给监测带来了比较大的困难,同时耗费大量人力、物力和财力,得到的采样信息常常造成信息冗余,甚至在很多情况下也不具有完全的代表性,因此,提高监测效率和采样信息的有效性是亟须解决的问题。

(3)模型的适用范围有待扩大。虽然已经提出了各种非点源污染模型,但真正明确了水文基础和污染物迁移转化机理的模型还处于研究状态,应用于实践的较少,而且模型中有很多参数都需要相当大的信息量来确定,这对于资料匮乏的大流域来说是不现实的,模型对资料的依赖性太强以及参数太多都限制了模型的应用范围。

(4)治理措施不完善,管理及控制措施考虑不够全面。许多管理措施只考虑了对地表水质的改善,而忽略了地下水质;某些最佳管理措施的应用考虑欠周全,如利用湿地截污时,虽然利用了湿地蓄存非点源污染物的能力,却降低了其本身的生态效益,如保土耕作,它通过减少地表径流及雨点对土壤的冲击与侵蚀来控制水土和农用化学物的流失,但也有可能会增加生物有效磷和可溶性磷的流失。

我国非点源污染试验与监测条件尚达不到国外的先进水平,几乎更难完成分布式模型计算,可利用的数据信息量较少,往往只能基于已有的少量监测资料,通过相关模式的推演来计算污染物流失量,使得计算结果的可靠性较差。非点源污染起源于分散的多样区域,且地理边界与发生位置难以识别与确定,导致无法准确快速的监测,同时已有的监测点也不具有完全的代表性,使得计算结果不可靠,造成研究上的困难,如何实现监测点的代表性以最大程度地反映各影响因素的时空变异性,是进行非点源污染研究中信息数据获取的首要解决的关键问题。

目前已有很多成熟的非点源污染模型,但各种模型都有自身的局限性,在推广应用到其他地区时往往效果欠佳,尤其是具有物理基础的分布式非点源污染模型结构复杂,参数繁多,需要大量的输入信息[59~61]。受非点源自身特点的限制,非点源污染的理论模型框架和体系虽然已基本建立,但在模拟尺度的扩展问题上,现在的模型仍主要体现在特定小尺度面积上。限制模型应用的重要原因就是模型对监测资料的需求量大,依赖程度高,参数移植困难,而我国由于受实验和监测条件的限制,几乎很难完成分布式模型的计算精度[62~64]。非点源污染起源于分散的多样区域,且地理边界与发生位置难以识别与确定,导致无法准确快速的监测,同时已有的监测点也不具有完全的代表性,使得计算结果不可靠,造成研究上的困难。主要表现为一是对非点源污染的机理研究有待深入,虽然已经提出了各种非点源污染模型,但模型中有很多参数都需要相当大的信息量来确定,这对于资料匮乏的大流域来说是不现实的;二是已有模型对资料的依赖性太强,参数多,率定移植都很困难,这些因素大大限制了模型的应用范围。

非点源污染是引起水环境质量不断恶化的一个重要原因,要从根本上解决环境污染问题,除了继续重视点源治理外,控制和减少非点源污染也是一大关键。虽然可利用的模型发展已经比较成熟,但是正如上述,非点源污染的监测难度大导致研究所需的信息严重匮乏,无法满足直接进行计算的需求[65,66]。因此,通过理论分析、室内实验研究和野外典型区实验相结合的途径,研究如何充分利用已获得的信息、监测数据,分析了解相关参数的变异性规律,建立经济、快速监测的定量化指导性定位和模型参数外延方法,减少时间冗余和空间监测的变量维数,是实现分布式模型在不同尺度上推广应用迫切需要解决的问题[67~70]。同时针对分布式模型在其模拟运用中的有效信息获取、外界环境因子变异性、输入信息即参数外延确定及尺度转换问题,研究如何利用随机理论、多元统计原理以及多参数多变量变异性分析和协同估计等理论方法,充分利用已获得的信息、监测数据分析非点源污染产生及其影响因素的空间变异性,实现多元时空变量输入、输出及参数信息的协同估计,并利用已有的点源监测资料以及有限的非点源污染信息,借助于水环境数学模型分析不确定条件下的非点源污染产出及其影响因素,并反演非点源污染的空间分布,也是我们今后分析非点源污染问题的一个有效途径。该研究不仅对模型的实际应用具有指导作用,研究成果也将有利于区域非点源污染的监测、控制和管理,对少资料或无资料区域的非点源污染模拟和预测具有重要参考价值。

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