面源污染最佳管理措施多目标协同优化配置研究进展

随着点源污染逐渐得到有效控制,面源污染逐渐成为我国多数地区影响水环境质量安全的主要因素。推广实施最佳管理措施(Best Management Practices, BMPs)被认为是控制面源污染的有效途径。受到区域种植制度、耕作方式、政策以及经济成本等因素的影响,导致流域尺度配置BMPs存在一定的困难,特别是随着流域空间尺度的变化,会进一步加大BMPs配置难度,使得BMPs的配置工作变为了一项多目标决策优化问题,即如何在有限的成本投入下,实现水环境质量改善的目标。需要在不同空间尺度下对流域BMPs进行多目标协同优化配置。从面源污染关键源区识别、BMPs削减效率评估以及BMPs多目标协同优化模拟3个方面对面源污染BMPs多目标协同优化配置研究进行了综述。结果表明:1)包含地块尺度和流域尺度的多尺度模型耦合系统的构建,将是实现关键源区精准识别的有效途径;2)BMPs削减效率对水质改善响应的滞后性、不确定性、时空异质性、污染物形态转换风险等均是今后BMPs削减效率评估中需要重点解决的关键问题;3)建立流域污染物负荷削减量与水质改善之间的非线性响应关系,并以此为基础将BMPs组合数据库、成本数据库以及基于进化算法的的优化配置方案进行耦合,进而构建多目标决策支持系统,以获取BMPs空间优化配置方案以及多目标成本-效益最优曲线。     

流域水文模型在面源污染模拟与管控中的应用研究进展

面源污染是影响流域水环境和水安全的重要污染来源,对其进行有效防控需要对其负荷以及防控措施效果进行科学高效精准的预测。流域水文模型(Hydrological Simulation Program-FORTRAN,HSPF)具有突出的综合性和灵活性,是面源污染模型的典范。近年来,HSPF模型应用于我国流域面源污染相关的研究和实践有了飞速发展,但同样也面临着模型机理和参数本地化、模型构建精细化、模型结构不确定性较大等方面的挑战。围绕该模型在面源污染模拟与管控中的研究进展,对其在变化环境下的模拟方法和成果,以及应对参数识别、不确定性分析、措施效果评估和总量控制的思路和方法等方面进行了总结,并分析了现代化环境模拟形势下HSPF模型的延伸发展。结合模型相关研究的总结,强调了面向我国流域特色的本地化模型改进、服务河长制精细监管的大尺度精细化模拟、以及模型与大数据统计及人工智能耦合的互馈集合模拟等后续研究是需要重点关注的发展动向。     

农业政策环境扩展模型在我国农业面源污染研究中的应用

我国的面源污染问题逐渐受到政府和科学界的重视,然而面源污染是一个复杂的系统过程,涉及多种因素和多个过程。面源(NPS)污染模型作为解决面源污染相关问题的研究和管理工具,在进行面源污染总量估算和严重程度评价、污染物流失路径和影响因素分析、治理策略制定等方面都有重要的作用。在我国,虽然针对面源污染模型进行了大量相关研究,既包含对基于国外模型的应用与验证,也包含基于观测数据自主研发的模型,但仍然存在模型应用和验证案例不足、已有的模型应用同中国面源污染特征结合不足、模型发展同面源污染机理研究结合不足等问题,而农业政策环境扩展(APEX)模型在应对这些问题上具有一定的优势。结合我国面源污染模型相关研究存在的问题、APEX模型模块和研究进展进行了介绍,对APEX模型在我国面源污染相关问题的研究中涉及的畜禽养殖、复杂耕作系统、特定BMP和水稻田的模拟等相关问题的应用前景进行了探讨,以期能够促进我国农业面源污染模型的发展。     

三峡库区面源污染研究进展

为掌握三峡库区面源污染研究动态并明确研究中存在的问题, 基于1990-2018年三峡库区面源污染的相关研究成果, 检索、分类并统计分析了已发表论文数量变化趋势和高频被引论文内容, 从机理、影响因素、负荷与模型模拟、防治四个方面论述了库区面源污染的研究进展, 以便更好地进行区域生态系统管理。面源污染机理研究主要集中在降雨径流、土壤侵蚀、不同土地利用类型、不同管理措施下泥沙、N、P等污染物流失特征, 多关注单一过程及单一尺度, 严重破碎化土地利用格局背景下的面源污染发生过程、扩散格局及其转化机制有待进一步研究。影响因素多讨论土地利用, 景观格局变化对面源污染的影响机制仍不明晰。负荷模拟研究主要是建立经验模型和探讨国外模型在库区的适用性, 原始开发少。面源污染防治措施多集中于工程及单一技术措施, 最佳管理措施(BMPs)的研究较少, 缺乏生态系统、景观及流域尺度面源污染综合防控技术。提出三峡库区面源污染研究需在以下方面有所加强: (1)不同尺度和格局下N、P、泥沙等耦合作用下的运移、转化机理及其不同污染物在不同陆面斑块界面之间转化机制; (2)景观过程与面源污染动态关系; (3)借鉴国外模型理念, 研发适合我国区域地理特征的面源污染机理预测模型; (4)建设标准化面源污染监测系统; (5)统筹“山水林田湖草”系统治理, 研发面源污染综合防控技术体系。     

农业面源污染防治法律实效分析

通过对X省Y市农业面源污染防治法律实证研究,在分析农户对农业面源污染防治法律知识了解、防治法律评价、法律遵守情况和相关影响因素的基础上,剖析农业面源污染法律防治存在农户法律意识不强、守法能力较弱、行政部门执法能力有待提升和相关防治法律不完善等问题,提出加大法律宣传力度、完善防治法律、强化执法监督管理和运用经济手段激励守法行为等建议,促进农村环境改善。     

农业面源污染对水体富营养化的影响及其防治措施

随着点源污染得到逐步的治理,农业面源污染已成为水体富营养化的主要污染源,并引起了人们的极大关注,简要地概述了农业面源 水体富营养化中所起的重要作用,同时了国内外防治农业面源污染的主要措施,指出了防治农业面源污染的难点和建立稳定、和谐与良性循环的农业生态系统是治理农业面源污染的长久之针。     

面源污染物输出系数模型的研究进展

面源污染的量化研究对水质管理具有重要意义。经典的输出系数模型法以其结构简单、应用方便、输入数据容易获取等特点在农业面源污染研究中得到了广泛的应用和发展。本研究介绍了输出系数模型法的发展历程及其在农业面源污染负荷估算中的应用,概括了输出系数的获取途径及其在不同条件下的取值,并指出尺度效应问题、输出系数模型与水文模型的耦合将是输出系数模型今后的主要研究方向。     

海河流域面源污染风险格局识别与模拟优化

面源污染是海河流域面临的主要水生态环境问题,如何通过流域景观格局优化实现对面源污染的控制一直是研究的热点问题。通过最小累积阻力模型,以海河流域为研究对象,将流域景观要素及影响流域景观过程的外部因子相结合,对海河流域面源污染风险格局进行了识别,并将阻力格局与海河流域实测水环境指标进行相关性分析及验证,在此基础上对流域污染风险进行识别与优化模拟。结果表明海河流域有40%以上(130380 km2)区域面临高污染风险,集中分布在中南部平原地区以及山区河谷地带;对此设置河流植被缓冲带进行格局优化模拟分析,通过比较不同措施格局优化阻力值变化趋势表明,对于二级河流水系,加强河流两岸600—1600 m范围的人类活动管控,可以有效降低污染物输出,显著降低流域面源污染发生的风险。在面源污染风险等级较高的平原地区,设置300—400 m植被缓冲带,可将风险等级降低50%,设置700—800 m岸边植被缓冲带即可达到最佳效果;而在山区地区因风险较低,设置400—500 m的植被缓冲带即可达到最佳效果,能够将污染风险在现有基础上降低30%—40%。这一研究结果对海河流域景观格局优化和面源污染风险控制提供科学参考。     

山东省南四湖流域农业面源污染评价及分类控制

为明确山东省南四湖流域农业面源污染状况,有针对性地采取合理的污染控制对策,采用排污系数法核算了山东省南四湖流域农业面源COD、TN和TP的污染负荷。运用等标污染负荷法、聚类分析、GIS技术对其污染物排放量、排放强度、敏感性和空间特征以及污染物分类进行分析。结果表明:2012年山东省南四湖流域农业面源COD、TN和TP的排放量分别为254574.06、116976.87和15554.42 t,排放强度分别为88.18、40.52和5.39kg·hm-2;流域最主要的污染源为畜禽养殖,最主要的污染物为TN。COD、TN和TP排放强度最高的地区分别为兖州市、梁山县和鱼台县,而排放强度最低的地区均为山亭区;兖州市、汶上县、梁山县、定陶县和滕州市为整个流域农业面源污染的高度敏感区和优先控制区,畜禽养殖是流域优先控制区的重点污染源。农村生活污染型和综合污染型分别是流域污染贡献率最高和治理难度大的污染类型。     

微生物技术在防治农业面源水污染中的研究

农业面源污染已是我国总面源污染的第一大来源,而水污染是农业面源污染最重要的内容。由于面源污染的复杂性,防治农业水污染,"防"胜于"治"。随着近几十年科学技术的迅猛发展,微生物技术在防控农业水污染措施中起着越来越重要的作用。微生物技术通过减量农业源头污染,截留农业过程污染,来减少污染物向周围水体的排放,有利于农业生态环境的可持续发展。综述和展望了微生物技术在防治农业面源水污染"源头减量"和"过程截断"中的应用,为农业面源水污染防治提供参考。     

城市非点源污染控制的景观生态学途径

城市非点源污染是伴随城市快速发展而出现的新问题.城市土地利用的特殊性、不透水层面积的增加,使城市非点源污染不同于农业非点源污染,而控制难度更大.治理城市非点源污染的常用方法是最佳管理措施(BestManagementPractices,BMPs),主要采取一些局部修复措施在地表径流迁移过程中控制污染物.但城市土地利用格局的改变对非点源污染的影响十分显著,结合局部的BMPs和区域的景观规划是控制城市非点源污染的一个理想途径.城市非点源污染控制的景观生态学途径首先需要了解城市景观格局对非点源污染源、污染物迁移过程和受纳水体的影响,明确非点源污染与景观格局的关系,判定造成非点源污染的主要原因和关键环节.在此基础上,根据城市非点源污染控制要求,针对性地重新组合原有景观格局或引入新的景观要素以构建新的景观格局,并将BMPs融入规划之中,将景观规划与管理有机结合,增强城市景观异质性,实现对城市非点源污染的有效控制.     

农田氮素非点源污染控制的生态补偿标准——以江苏省宜兴市为例

农田氮素流失引起的非点源污染已成为国内外农田生态环境资源可持续利用及农业可持续发展的瓶颈,对其进行有效控制愈显迫切.对非点源污染的控制不能简单地照搬点源污染的方法,须针对非点源污染本身具有的强烈外部性及复杂、广泛、不易监测等特征,探究与非点源污染特征规律相对应的对策.生态补偿作为应对全球生态危机和环境污染的一种公共政策工具,对于内化外部效应具有良好的效果.以农户减少一定程度的氮肥施用量获得政府补偿为切入点,论证了农户减少氮肥用量到最佳生态经济施氮量是获得补偿的依据;以宜兴市为实证对象,运用意愿调查评估法和成本-收益法相结合的方式测算了农户参与农田氮素非点源污染控制的生态补偿标准.研究表明:(1)宜兴市主要粮食生产的最佳生态经济施氮量为375.6 kg/hm2,农户参与农田氮素非点源污染控制的补偿额度理论值为620.0-7098.0元/hm2;(2)68.3％的受访农户愿意接受补偿而减少氮肥用量,受偿意愿与种田经验、受教育程度等因素正相关;(3)愿意接受补偿的农民中50.7％选择氮肥量减少到最佳生态经济施氮量,农田氮素非点源污染控制的补偿标准为620.0元/hm2.     

基于模型的农业非点源污染最佳管理措施效率评估研究进展

随着点源污染的逐步控制,农业非点源污染已成为世界范围内关注的热点,由于其特有的时空异质性特点导致对其进行有效控制较为困难,最佳管理措施(BMPs,Best Management Practices)是实现流域农业非点源污染控制的有效手段,对拟实施的BMPs效率进行评估是实施流域非点源污染BMPs配置的前提。通过模型模拟的方法可对拟采用的不同措施的削减效率及经济成本进行评估以获取最具成本-效益的BMPs空间配置方案,为措施有效选择提供依据。通过对多种模型在工程型和管理型BMPs评估方面的研究进行论述表明,通常概念化模型多用于对污染源控制类措施进行评估,而机制类模型则可用于对不同时空尺度下的过程控制类BMPs进行评估;措施效率发挥的时间滞后性及模型模拟不确定性是模型模拟过程中需要重点考虑的问题,可通过增加野外监测点数量、监测频率、优化监测点位置并选择合适的评估指标以降低模型评估BMPs过程中滞后效应的影响;此外BMPs实施时间与空间位置的不匹配、时空尺度异质性、污染物形态及生态系统服务功能转换风险均需在BMPs评估过程中加以考虑。模型模拟是BMPs效率评估(包括非点源污染关键源区的时空识别)、污染物迁移转化以及成本效益分析的有效工具,同时对于流域非点源污染管理控制及BMPs实施利益相关者有效参与问题的分析也具有重要意义。     

农业非点源污染关键源区识别方法研究进展

在农业非点源污染研究中,识别污染发生的关键源区非常重要.在介绍输出系数法、污染指数法和非点源污染模型法等主要农业非点源污染关键源区识别方法的基础上,分析了输出系数取值、污染指数因子权重分级以及非点源模型法参数获取等方面存在问题,并从野外观测、现有不同识别方法的结合、多角度识别方法的研究以及新技术的应用与集成等方面对未来关键源区识别研究进行了展望,以期为农业非点源污染评价与控制提供借鉴.     

基于“源-汇”景观的饮用水源地非点源污染风险遥感识别与评价

非点源污染因分布广泛、产生过程复杂、防治困难,近年成为影响饮用水源地水环境的重要污染源。以海南三亚赤田水库为例,开展了基于"源-汇"景观的非点源污染风险遥感识别与评价分析。首先,采用高分辨率遥感影像分类提取水源地不同类型景观分布信息;结合"源-汇"对污染的促进\\阻碍作用,在考虑影响污染物迁移的"河道距离"因子、坡度因子情况下,利用非点源污染风险指数的计算实现对区域非点源污染风险的快速识别;并基于洛伦兹曲线分析水源地景观空间分布对非点源污染的影响。结果表明:一方面,流域非点源污染风险总体较低,"汇"景观占主导作用的子流域占整个区域的76.50%;污染风险呈现东高西低的特点,极高风险区主要分布于以居住用地、建设用地等"源"景观类型为主的流域东南部区域,占整体区域面积的1.28%,而西部以林地为主污染风险小;另一方面,基于坡度因子的"源""汇"景观污染负荷之比值大于1,"源"景观在低坡度区域分布范围广,景观布局较合理;基于"河道距离"因子的"源""汇"景观污染负荷之比值为2.30,"源"景观在距河道近的区域分布范围大,对污染影响大,近河道区域需进一步调整景观格局以降低对非点源污染的影响。基于遥感与"源-汇"景观指数计算是一种快速、客观、有效的饮用水源地的非点源污染风险识别与评价方法。     

遥感和GIS辅助下流域养分迁移过程的计算机模拟

农业非点源污染问题已成为我国重要的环境污染类型之一．利用空间模型对流域N、P的迁移过程进行计算机模拟,是研究非点源污染控制方法的一个有效手段．设计了遥感和GIS技术辅助下的流域水分和养分迁移过程分布式的模拟方法,包括模型选择、流域的空间离散化和参数化、模型模拟和结果验证3个步骤,为控制流域水肥流失提供了思路．以江西兴国潋水河流域(579km^2)为研究区域,选择美国农业部设计的SWAT模型,设计了流域．子流域-水文响应单元的空间离散方案和实现步骤．首先依据地形特征,将整个流域分割成多个子流域,每个子流域内部通过叠加统计分析,生成单一土地利用类型和土壤类型组合的水文响应单元．土地利用参数用TM遥感图像进行监督分类获得,土壤参数化利用地统计学采样和插值分析获得．对1991～2000年的初步预测结果表明,SWAT模型能够较好地模拟潋水河流域的径流水量和泥沙的变化,产水和产沙10年平均预测精度分别为89．9％和70．2％．     

遥感和GIS辅助下流域养分迁移过程的计算机模拟

农业非点源污染问题已成为我国重要的环境污染类型之一.利用空间模型对流域N、P的迁移过程进行计算机模拟,是研究非点源污染控制方法的一个有效手段.设计了遥感和GIS技术辅助下的流域水分和养分迁移过程分布式的模拟方法,包括模型选择、流域的空间离散化和参数化、模型模拟和结果验证3个步骤,为控制流域水肥流失提供了思路.以江西兴国潋水河流域(579km²)为研究区域,选择美国农业部设计的SWAT模型,设计了流域-子流域-水文响应单元的空间离散方案和实现步骤.首先依据地形特征,将整个流域分割成多个子流域,每个子流域内部通过叠加统计分析,生成单一土地利用类型和土壤类型组合的水文响应单元.土地利用参数用TM遥感图像进行监督分类获得,土壤参数化利用地统计学采样和插值分析获得.对1991～2000年的初步预测结果表明,SWAT模型能够较好地模拟潋水河流域的径流水量和泥沙的变化,产水和产沙10年平均预测精度分别为89.9%和70.2%.     

非点源污染模型研究进展

随着水环境污染问题日益突出,非点源污染研究越来越受到重视.3S技术的出现使非点源污染模型得以快速发展.本文简要介绍了模型的分类和非点源污染模型的发展历程,并且比较了国外常用的10个非点源污染模型,对各模型的开发提供者、模型的主要输入和输出数据、模拟的主要过程和特点、模型类型、时间尺度和污染物类型等7个方面做了详细介绍.在此基础上,总结了如何选用合适的非点源污染模型来进行水污染管理,分析了当前模型的不足之处,概括了其研究和发展趋势.     

减少农业对水体污染的对策与措施

水体富营养化是一个全球关注的问题。逐渐增加的化肥施用量和畜禽养殖业产生的粪便进一步引起营养流失,进而产生了N、P营养物质的不平衡。因此农业面源污染已被视为水体富营养化的主要污染源。本文简要地概述了农业面源污染对造成水体富营养化的危害,同时介绍了国内外防治农业面源污染的主要措施,包括面源控制措施和转移转化措施。指出了建立稳定、和谐与良性循环的农业生态系统是治理农业面源污染的长久之计。