江苏省太湖流域产业结构的水环境污染效应

通过研究太湖流域(江苏部分)的产业结构污染负荷和水环境的空间分布特点,得出了产业结构污染负荷的水环境空间响应状况.根据小流域划分技术,得出该区域水环境质量空间分布特点:劣于Ⅴ类水质的区域占32％,Ⅴ类水质的占30％,仅有27％的区域水质低于Ⅳ类.另一方面,对应水环境质量空间分布研究,构建了综合反映产业结构水环境污染负荷的经济社会指标体系,分析了流域农田污染因子和工业污染因子的空间分布特点.通过主成分分析,提取了水环境污染因素的四个主成分,分别为土地利用强度、三次产业结构、农业面源和工业点源.基于主成分载荷,解析了四个水环境污染因素的贡献率.在产业结构方面,研究得出工业化仍是区域水环境污染最大影响因素,但区域水环境恶化是各种因素共同交织的结果.又对工业点源污染和农业面源污染等级进行分区,对各区的空间分布特点做了详细的分析.研究了流域水环境综合污染的空间分布和市县区域分解特点,发现县级市比市区在产业发展上对水环境影响更大,主要是由于县级市工业发展相对较为粗放,水环境监管的区域差异性.为控制流域产业结构的水环境污染,综合提出了在流域内整合产业结构调整和产业优化布局,调整重污染工业结构和控制农业面源污染的对策,及相应的产业结构污染负荷区域差别化削减的建议.     

河道生态系统特征及其自净化能力研究现状与发展

河道生态系统包括河道水体和河岸带两大部分,具有净化水体、降低污染物浓度的功能.研究河道生态系统的自净化能力对河道生态系统的健康评价及水环境管理具有重要的意义.目前该领域的研究主要侧重于两个方面:一方面是运用水质模型的方法模拟评价河道水体的自净化能力,另一方面则是研究河岸植被缓冲带对净化水体的作用.系统总结了目前研究的特点与不足,指出了今后应该重视的研究领域,主要包括:(1)应加强研究陆地生态系统空间异质性对河道自净化能力的影响研究;(2)需要系统解剖河道剖面形态结构与空间布局对河道水质自净化能力的影响;(3)重视面向外部复杂环境的参数获取方法的研究;(4)综合河岸生态系统与河道水体生态系统,系统研究非点源污染在陆-水迁移和水体运移中河道生态系统自净化能力的时空变化特征,从而为开展河道生态系统健康评价,河道生态系统管理提供科学的依据.     

山美水库流域水量水质模拟的SWAT与CE-QUAL-W2联合模型

为更好地模拟分析流域非点源污染对山美水库水质的影响,联合运用流域日尺度分布式水文模型SWAT和二维垂向水动力水质模型CE-QUAL-W2,将SWAT模型的时序输出作为CE-QUAL-W2模型的输入条件,构建了山美水库流域水量水质模拟联合模型,并对流域径流、输沙和污染物以及水库的水位、水温和无机氮等变量进行了率定.结果表明: 尽管受流域部分计算结果的影响,误差会累积到对下游水库水体的计算,但模型的模拟结果与实测数据的吻合程度仍较高,说明联合模型可以较好地反映山美水库流域及库区水体的水动力和污染过程.模型的使用可以为定位流域关键污染源区及控制水库富营养化提供科学依据.     

松花江流域沿江重点监控企业水环境潜在污染风险分析

为防控松花江流域水污染风险、优化流域内沿江产业带布局,分析了松花江流域沿江企业潜在污染风险的大小和分布,并揭示导致不同区域间水环境潜在污染风险空间差异的原因。基于《2012年废水国家重点监控企业名单》,本研究将沿松花江(到三级支流)1 km范围内的45家重点废水产生企业识别为松花江流域水环境潜在污染风险源。以沿江企业和重点区域的废水产生量与对应河段的水质状况表征水环境潜在污染风险源强弱与流域水体对潜在污染风险的缓冲能力,并以区域总人口数、第二产业产值及珍稀濒危物种分布情况反映流域社会-经济-自然复合生态系统对潜在污染风险的敏感程度开展评价。结果表明:牡丹江市辖区(牡丹江中游河段)因潜在污染风险源强、水体对潜在污染风险的缓冲能力低且自然生态系统对潜在污染风险的敏感程度高,是松花江流域受沿江企业产生的水环境潜在污染风险最严重的地区;长春市辖区(饮马河、伊通河部分河段)、伊春市辖区(汤旺河全部河段)与敦化市(海浪河全部河段、牡丹江部分河段)由于较低的水体缓冲能力和较高的生态系统敏感程度,应加强水环境潜在污染风险的防治;污染风险源强的吉林市辖区(西流松花江部分河段)与七台河市辖区(倭肯河部分河段),须提高本区域对潜在污染的风险管理能力以降低污染事故发生的可能性。最后,针对不同行业类型、区域潜在污染特点与水污染风险特征,从加快污水处理研究、评估污染治理经济手段、建立产业准入机制及完善污染防治立法等多方面提出流域水环境污染风险管控的相关建议。     

半干旱半湿润地区流域非点源污染负荷模型研究进展

受特殊的地理环境和气候条件影响,半干旱半湿润地区具有较复杂的水文循环过程及非点源污染发生和迁移转化机制。流域非点源污染负荷模型是定量化描述流域系统复杂水文循环及污染物迁移转化过程的有效手段,也是流域生态系统管理的重要工具。本文从半干旱半湿润地区特殊的气候、水文特征及下垫面情况出发,详细阐述了非点源污染的发生机理,系统总结了流域非点源污染负荷模型在解决水环境重要问题中研究与应用的现状、进展与不足,提出了适用于半干旱半湿润地区的非点源污染负荷模型的构建思路,并展望了流域非点源污染负荷模型的发展趋势。     

基于流域水环境响应的城市建设用地面积阈值模拟

城市扩张影响流域水环境质量.从水环境响应出发,模拟预测流域范围内城市建设用地的扩张阈值,可为城市建设用地规划提供客观依据.本文选取完全城市化的筼筜湖流域、半城市化的马銮湾流域和城市化起步阶段的杏林湾流域作为对比研究对象,结合2009—2012年实测数据,运用区域污染物管理模型(ReNuMa),计算3个流域水体污染物总氮(TN)和总磷(TP)环境容量上限,确定流域内城市建设用地面积阈值,并预测城市景观格局演变产生的水环境效应.结果表明: 筼筜湖、马銮湾和杏林湾的TN年负荷上限值分别为12900、42800和43120 kg,TP年负荷上限值分别为340、420和450 kg;现实情境下,筼筜湖水体污染物环境容量尚未饱和,马銮湾与杏林湾的污染物年负荷均接近上限值,杏林湾的TN和TP年负荷存在明显的上升趋势;3个流域污染物年负荷均在模拟情境1下未超标、情境3下超标,情境2下,筼筜湖污染物年负荷均未超标,而马銮湾TN与TP年负荷均处于超标;筼筜湖、马銮湾和杏林湾流域的城市建设用地面积阈值分别为1320、5600和4750 hm²,并据此提出景观格局调整对策建议.     

1995-2014年拉萨河流域水环境变化及其驱动力

探究自然环境和人类活动影响下的河流水环境变化,对于流域水资源管理和保护有重要意义。目前从较长时间尺度上系统开展拉萨河流域水环境的研究较少,基于拉萨河流域达孜、卡林、才纳3个环境监测中心站近20年（1995-2014）的水质资料,综合单因子指数法和内梅罗指数法评估拉萨河流域水环境状况,并采用Mann-Kendall检验法分析其多年变化趋势。同时,从经济社会和自然环境两个方面通过灰色关联分析法识别了影响流域水环境变化的关键驱动因子,以期为流域水环境保护提供借鉴。结果表明：（1）总体上,拉萨河流域水环境状况良好,满足水功能区要求;（2）水体中pH、溶解氧、化学需氧量、总磷等指标的取值较高,在0.7左右,是拉萨河流域水环境需重点关注指标;（3）水环境质量稍有下降,内梅罗指数从1995年的0.62增加到2014年的0.73;（4）近20年来拉萨河流域水环境变化的主要驱动因子为降水量、牲畜存栏数、人口数、农村人口数和国民经济生产总值等,农牧非点源污染是拉萨河流域的主要污染源,要重点关注和管控。     

苕溪流域非点源污染特征及其影响因子

应用土壤水体评价模型（SWAT）对苕溪流域径流量、泥沙、营养盐负荷进行模拟计算,分析了2008年苕溪流域非点源污染的时空分布特性.结果表明：苕溪流域非点源污染单位面积产生量表现为北部高于南部、东部高于西部、中部地区最少;耕地是泥沙和污染物产生的主要来源,其单位面积负荷远大于其他土地利用类型;产流量、产沙量与降水量呈显著正相关关系（P<0.05）,雨季(6-9月)的营养盐输出大于旱季(12月至次年3月);平均坡度与泥沙负荷、有机氮负荷及硝态氮负荷呈显著相关关系（P<0.05）.     

基于ESEF的水生态承载力:理论、模型与应用

以流域综合管理为核心的水环境管理理念要求人们从更高的角度认识水生态系统相对于人类的承载能力.水生态承载力将水资源和水环境问题统一考虑,将社会经济发展与水生态系统联系起来,为实现流域综合管理提供了有力支撑.本文以基于生态系统服务的生态足迹(ESEF)方法为基础,提出了基于ESEF的水生态承载力评估方法,构建了基于ESEF的水生态足迹与承载力模型,实现了足迹方法对水生态系统承载能力的有效表征;并建立了太湖流域水生态足迹与承载力模型,以流域上游城市常州市为例,评估了现状发展水平下水生态系统所能承载的人口与经济规模.结果表明:常州市对水生态系统服务的消费需求超出了水生态系统的供给能力,需求与供给的显著差距对水生态系统的可持续性造成影响;综合考虑水产品供给、水量支撑和水质保障3方面因素,常州市水生态系统可承载的人口与经济规模仅为现状水平的54%.     

流域水环境管理保护线与控制线及其规划方法

社会经济的发展以及公众环境意识的不断提高,对水质及水环境的要求不断提升,水资源及其环境问题已成为制约我国社会经济可持续发展的瓶颈因素.但在水体保护和管理方面,一直以来缺乏适当的方法或者规范来确定明确的范围与界线,因而难以对水体进行有效的保护和管理.提出流域水环境管理保护线和控制线的概念,与城市蓝线类似,是对流域内江、河、湖、库、渠和湿地等地表水体进行严格保护和控制的地域界线,但在流域水环境综合管理的基础上拓展了其内涵,强调以流域为单元.保护线宽度较小,线内设计植被带,类似于河岸植被缓冲带的概念,对水体及水环境起着缓冲及保护的关键作用;控制线范围较宽,其作用主要在于控制区域内的土地利用及社会经济活动科学有序进行,在社会经济发展的同时不以牺牲水环境为代价.综合考虑流域内生态环境、社会安全、经济发展等因素,结合岸线控制、河岸缓冲带等内容探讨了流域内水环境管理保护线和控制线确定的方法,并以鄱阳湖流域为对象进行了案例研究,取得了较好的结果.表明本文提出的概念和相关规划方法可有效指导流域水环境保护的实践工作,并为各类规划和政策的制定提供科学参考.     

Investigating the effects of point source and nonpoint source pollution on the water quality of the East River (Dongjiang) in South China

Understanding the physical processes of point source (PS) and nonpoint source (NPS) pollution is critical to evaluate river water quality and identify major pollutant sources in a watershed. In this study, we used the physically-based hydrological/water quality model, Soil and Water Assessment Tool, to investigate the influence of PS and NPS pollution on the water quality of the East River (Dongjiang in Chinese) in southern China. Our results indicate that NPS pollution was the dominant contribution (>94%) to nutrient loads except for mineral phosphorus (50%). A comprehensive Water Quality Index (WQI) computed using eight key water quality variables demonstrates that water quality is better upstream than downstream despite the higher level of ammonium nitrogen found in upstream waters. Also, the temporal (seasonal) and spatial distributions of nutrient loads clearly indicate the critical time period (from late dry season to early wet season) and pollution source areas within the basin (middle and downstream agricultural lands), which resource managers can use to accomplish substantial reduction of NPS pollutant loadings. Overall, this study helps our understanding of the relationship between human activities and pollutant loads and further contributes to decision support for local watershed managers to protect water quality in this region. In particular, the methods presented such as integrating WQI with watershed modeling and identifying the critical time period and pollutions source areas can be valuable for other researchers worldwide.     

生态系统减轻水环境磷素非点源污染服务及价值——以雅砻江二滩水库为例

以ArcGIS9.2为平台,构建了生态系统减轻集水区出口受纳水体非点源污染服务物质量和价值量评估模型。包括模拟集水区范围,根据各种土地利用/覆被类型的污染物质输出及过滤污染能力系数,沿汇流路径,模拟集水区内每个栅格像元被植被移除而未进入水环境的污染物质量空间分布特征。价值量模型结合期望水质标准和净化污染物的边际成本进行计算。以磷素作为指示污染物,在二滩水库的集水区进行了模型的运用。结果表明:二滩水库集水区南部的河道附近是水文敏感区。其中盐源县腹地的农作区、西昌市与冕宁县,以及集水区最北端的称多县、中部的甘孜县等部分地区是是磷素关键污染源区。2000年被集水区生态系统过滤移除而未进入水环境的磷素污染物质总量达到978.90t.a-1,占关键污染源区指数总量的81.88%。林地生态系统服务价值贡献率最高。2000年集水区生态系统对于减轻其出口受纳水体磷素非点源污染服务的总价值为1370.18万元。     

Assessment of Water Quality and Identification of Polluted Risky Regions Based on Field Observations & GIS in the Honghe River Watershed,China

Water quality assessment at the watershed scale requires not only an investigation of water pollution and the recognition of main pollution factors, but also the identification of polluted risky regions resulted in polluted surrounding river sections. To realize this objective, we collected water samplings from 67 sampling sites in the Honghe River watershed of China with Grid GIS method to analyze six parameters including dissolved oxygen (DO), ammonia nitrogen (NH₃-N), nitrate nitrogen (NO₃-N), nitrite nitrogen (NO₂-N), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP). Single factor pollution index and comprehensive pollution index were adopted to explore main water pollutants and evaluate water quality pollution level. Based on two evaluate methods, Geo-statistical analysis and Geographical Information System (GIS) were used to visualize the spatial pollution characteristics and identifying potential polluted risky regions. The results indicated that the general water quality in the watershed has been exposed to various pollutants, in which TP, NO₂-N and TN were the main pollutants and seriously exceeded the standard of Category III. The zones of TP, TN, DO, NO₂-N and NH₃-N pollution covered 99.07%, 62.22%, 59.72%, 37.34% and 13.82% of the watershed respectively, and they were from medium to serious polluted. 83.27% of the watershed in total was polluted by comprehensive pollutants. These conclusions may provide useful and effective information for watershed water pollution control and management.     

珠海竹银水库入库污染现状评估及水环境容量分析

以珠海竹银水库为对象,针对水库面临的入库污染问题,分析入库主要的污染物类型与污染负荷总量,全面评估水库的污染现状,并对水库水环境容量状况进行评价.研究结果表明,入库河流的主要问题是氮、磷浓度较高,但其它污染物的浓度不高.每种污染物的水环境容量值都很大,其中氯化物的容量最大,重金属的容量较小,表明水库蓄水初期水质较好,纳污能力较强.这些结果为今后竹银水库的污染控制与水质管理,为实现安全供水目标提供基础数据.     

污染足迹及其在区域水污染压力评估中的应用——以太湖流域上游湖州市为例

传统生态足迹理论虽然在可持续发展评价等方面得到了广泛的应用,但却仍然无法全面衡量人类活动对生态系统造成的各种影响。其无法全面评估人类活动的根源在于,土地功能排他性假设限制了其对利用生态系统非生物生产性产品和服务的人类活动的衡量。为了摆脱传统生态足迹理论的局限性,建议承认土地功能多样性的客观事实,将生态足迹构建于多种生态系统服务功能之上。针对传统生态足迹对定义中废弃物吸纳的考虑不足,提出了基于污染物吸纳功能的生态足迹,即污染足迹。污染足迹不是对传统生态足迹中能源足迹的简单置换,而是能够囊括人类活动产生的大部分污染物,并可以根据不同的污染物类别或类型进一步细化的足迹类型。构建了太湖流域有机物、氮和磷污染足迹模型,并利用该模型对流域上游湖州市的水污染压力进行了综合评估。结果表明:(1)2007年湖州市污染足迹为39948.73 hm²,东部平原地区污染足迹较大,西部丘陵地区污染足迹相对较小;(2)湖州市人类活动排放的氮磷污染物对水域空间的生态占用已经远远超过了有机污染物;(3)2007年湖州市污染承载力为20896.00 hm²,污染赤字为19052.73 hm²,人类排污活动俨然超出了当地水域的承载能力;(4)2007年湖州市污染压力指数为1.91,当地水环境总体上处于轻度接近中度污染压力;(5)湖州市水污染压力较大的地区,区域内人类活动的维持建立在区域水环境质量恶化或污染物向下游输移的基础之上。     

Application of index number theory to the construction of a water quality index: Aggregated nutrient loadings related to the areal extent of hypoxia in the northern Gulf of Mexico

Numerous studies have linked individual nutrient loadings from the Mississippi and Atchafalaya Rivers to the growth of the hypoxic, or oxygen depleted, zone in the northern Gulf of Mexico. However, in the discussion of policy to remediate Gulf hypoxia, it is beneficial for stakeholders and policymakers to obtain a single measure for water quality that characterizes information from multiple water pollutants. This study aggregates loadings from six nutrients measured at the entrance to the Gulf of Mexico into a single time-varying index of water quality. The index is constructed using traditional index number theory originating from economic production theory, mainly, Shephard’s distance functions calculated using data envelopment analysis (DEA). The methodology is an advance over other index construction schemes because the determined metric weights are endogenous, calculated from the data itself, and do not require external user input. To validate the index, May values of the index are used within a statistical regression model to model the areal extent of Gulf hypoxia using mid-July cruise measurements from 1985 to 2013, excluding 1989 when no cruise data were available. Regression results (R²_adj = 0.81) suggest the index is successful at aggregating multiple pollutants into a single measure of water quality and may be useful for tracking their aggregated effect on the growth of the hypoxia area in the northern Gulf of Mexico. Calculation of the water quality index described here is automatic in the sense that no human intervention is required for variable selection, statistical analysis or assignment of weights. This is very useful for specifying a water quality objective in a multiple objective optimization for watershed management.     

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。     

流域景观格局与河流水质的多变量相关分析

流域内的景观格局改变是人类活动的宏观表现,会对河流水质产生显著影响,因此明确影响水质变化的关键景观因子,对于深入了解景观对水质的影响机制具有重要的研究价值。选择广东省淡水河流域为研究对象,以2007年ALOS卫星影像以及水质监测数据为基础,运用空间分析和多变量分析方法,分析淡水河流域景观格局与河流水质的相关关系。用包括流域和河岸带尺度的景观组成和空间结构信息的景观指数表征景观格局,用Spearman秩相关分析、多元线性逐步回归模型和典型相关分析(CCA)研究景观指数和水质指标的相关关系。研究结果表明:林地、城镇用地和农业用地占淡水河流域总面积超过90%,其中城镇用地超过20%。多元线性逐步回归分析和CCA结果说明水质指标受到多个景观指数的综合影响,反映了景观格局对水质的复杂影响机制。流域景观格局对河流水质有显著影响,流域尺度的景观指数比河岸带尺度的景观指数对水质影响更大。城镇用地比例是影响耗氧污染物和营养盐等污染物浓度最重要的景观指数,林地和农业用地对水质的影响较小。另外,景观破碎化对pH值、溶解氧和重金属等水质指标有显著影响。CCA的第一排序轴解释了景观指数与水质指标相关性的54.0%,前两排序轴累积能解释景观指数与水质指标相关性的87.6%,前两轴分别主要表达了城市化水平和景观破碎化水平的变化梯度。淡水河流域的景观格局特征从上游到下游呈现出城市—城乡交错—农村的景观梯度,水质变化也对应了这个梯度的变化,说明人类活动引起的流域土地覆盖及土地管理措施变化会对水质变化产生显著影响。     

流域空间结构指标与药物污染水平的关系研究

流域地表特征与土地利用结构同流域水环境质量关系密切。流域空间结构指标能够表征流域空间结构特征和生态功能,主要包括流域特征指标和景观格局指数等。为探讨海湾流域生态系统结构与药物污染特征之间的关系,以浙江象山湾为研究区域,采用固相萃取、超高效液相色谱质谱联用等分析手段,研究流域水环境中药物的污染水平、分析其分布特征与流域特征指标和景观结构的关系。结果表明,象山湾22个流域共有22种药物检出,总检出浓度范围为n.d.-220.2 ng/L,主要包括林可霉素、大环内酯类、喹诺酮类、抗癫痫药物、β受体阻滞剂、抗抑郁药物,其中林可霉素、大环内酯类和抗癫痫药物的检出率高达100%,检出浓度分别为2.36-29.1 ng/L、n.d.-35.8 ng/L和n.d.-37.5 ng/L。流域地貌结构指标与水环境药物污染关系密切,其中平均坡度（MS）与药物总浓度、面积高程曲线斜率（SAEC）与β受体阻滞剂都呈显著负相关关系（P<0.01）;流域景观结构也与水环境药物污染紧密相关,其中景观蔓延度指数（CONTAG）、城镇用地面积加权平均形状因子（IsSHAPE-AM）、林地最大斑块景观面积比（fLPI）与药物总浓度呈显著负相关关系（P<0.05）,Shannon均匀度指数（SHEI）与药物总浓度呈显著正相关关系（P<0.05）。通过明确药物与流域空间结构指标的关系,可为应用景观生态措施进行流域管理提供科学依据。