农业面源污染管理政策调控仿真模型研究进展

农业面源污染因其分散性、滞后性和不确定性而成为环境治理的难点。面源污染物迁移转化过程的模拟模型发展迅速,而农业面源污染管理政策仿真评估模型研究相对较为滞后。系统梳理与分析了自上而下宏观目标约束、自下而上微观行为传导及宏观与微观上下耦合三类政策仿真模型研究进展,总结了当前模型的基础理论与方法的优势与不足。本文提出了融合流域水系统过程规律认知,构建宏观政策目标自上而下约束与微观主体行为自下而上传导耦合的农业面源污染政策仿真模型,实现政策仿真模拟在国家、区域、流域与栅格跨尺度上的嵌套传导、参数互验与系统预测,以解决因农业面源污染防治主体的多元性与防治对象的广泛性特征所导致的复杂性系统难题,使得政策效应模拟仿真结果空间显性化,进而实现农业面源污染控制的政策管理由粗放型向精准化方向迈进。     

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。     

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。     

基于径流路径的分布式面源污染模型研发与应用进展

精准刻画地表径流的路径及其所携带的面源污染物随径流的输移过程是准确估算面源污染入水体量、污染关键源区辨识和高效防控的关键,在我国以小农户种植为主、景观特征复杂的地理条件下尤为重要。鉴于目前常用的面源污染模型大都起源于国外,往往对径流路径的空间差异性及污染物陆面输移过程进行概化,介绍了一个基于径流路径的分布式面源污染模型(STEM-NPS)及其研发与应用进展。阐述了该模型的研发背景、模型原理和结构,说明了STEM-NPS模型对地表径流汇流及其所携带的污染物输移过程的精细化表达方法;介绍了该模型在不同地理环境及尺度的应用进展,展示了其在地块尺度的面源污染关键源区辨识,关键过程和关键影响因素解析及面源污染监管决策支持等方面的功能;探讨了STEM-NPS模型与其他常用模型的异同,并结合生态学研究和面源污染精准防控的需求,提出模型的应用前景及进一步发展的方向。     

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。     

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。     

农业非点源污染模拟不确定性研究进展

随着点源污染控制水平的提高,非点源污染问题日益突出.农业非点源污染由于具有涉及范围广、控制难度大、模拟过程不确定因素多等特点,已成为当前水环境污染防治研究的热点与难点.本文围绕农业非点源污染模拟的不确定性问题,介绍了国内外常用的农业非点源污染模型及其不确定性来源,着重讨论了模型结构、参数和输入信息不确定性的研究方法及其应用进展;提出了今后的研究趋势,指出定量分析非点源污染的不确定性,获取影响非点源污染负荷的关键因子,可以有针对性地进行非点源污染的预防和管理,对于提高非点源污染研究水平和制定有效的污染防治措施均具有重要意义.     

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.     

我国农业环境问题及其防治对策

从农业自然资源、生态环境破坏现状及环境污染3方面对我国农业环境问题现状进行了系统的总结,并对其产生原因进行了初步分析,在此基础上提出防治对策。总体上看,我国农业自然资源短缺且受污染严重;农业生态破坏较为严重;由化肥、农药和农膜等农业投入品造成的面源污染日趋严重;秸秆处置不当、畜禽养殖污染、农村生活污染控制不力造成的环境污染日益严重,乡镇企业及城镇污染向农村的转移又进一步使农业环境恶化。我国农业环境问题的产生很大程度上与部分农业政策的实施有关;此外,农业环境保护立法不完善、执法不力以及农村环境保护意识淡薄、环境管理体系不完善等也是其产生的主要原因。基于以上原因,提出解决农业环境问题的如下对策措施：开展农业政策战略环境评价;重视生态建设,推动资源高效利用,发展生态农业;合理控制农用化学品投入,实施种植业清洁生产;加强畜禽养殖污染控制监管;制定激励机制,减轻农业面源污染;建立健全农村环境污染监管机制;加强宣传教育,增强农民环境保护意识。     

中国东北地区非点源污染研究进展

为掌握东北地区非点源污染研究动态和明确研究中存在的问题和不足,对近20年（1991-2008年）东北地区有关非点源污染研究成果进行检索、分类和统计分析,以便更好地进行区域水环境治理和污染防治.东北地区非点源污染研究总体呈增加趋势;研究内容包括水环境污染源调查分析与评价、污染负荷量化、机理探索、模型模拟和污染防治5类;研究对象包括氮、磷、泥沙、农药和重金属;经验方法估算污染负荷较多,机理模型应用成功实例较少;研究性论文中以农业非点源污染较多,城市非点源污染较少;治理措施停留在水土保持措施层面上,缺乏对水土保持措施的优选评价和对最佳管理措施的评价研究.目前,东北地区非点源污染研究处在理论探索阶段,非点源污染是否是主要污染源还存在争议.今后应着力于措施应用、评价和基础数据收集及区域非点源污染物的确定和污染负荷的量化研究;尝试新技术和多领域交叉合作,为区域水环境治理提供科学依据.     

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.     

流域水环境污染模型及其应用研究综述

流域水环境污染模型是研究流域水环境问题的重要工具,通过对整个流域系统及其内部发生的复杂污染过程定量化描述,识别污染物主要来源和迁移途径,估算污染负荷,评价其对流域水环境的影响,可为流域规划与管理提供决策依据.本文对当前国内外广泛应用的流域水环境模型,尤其是模拟污染负荷的模型进行了系统总结,主要包括污染负荷模型(GWLF与PLOAD)、受纳水体水质模型(QUAL2E与WASP)、以及集成污染负荷与水体水质的综合流域模型(HSPF、SWAT、AGNPS、AnnAGNPS、SWMM),着重介绍各模型的结构原理与主要特点,讨论模型实际应用的局限性.此外,还对其他水质模型(CE-QUAL-W2、EFDC和AQUATOX)与综合流域模型(GLEAMS和MIKE SHE)进行了简要的总结.最后,通过对单个模型独立运用和多个模型联合运用的案例分析,探讨了流域水环境污染模型的发展趋势与应用前景.     

土地利用变化情景下浑河-太子河流域的非点源污染模拟

近年来非点源污染已经成为水污染的主要来源,对非点源污染发生机理和控制方法的研究有着重要的科学和现实意义.为了研究不同土地利用方式对非点源污染的影响,本文基于土地利用变化模型CLUE-S模拟了城市规划、历史趋势和生态保护3个预案下浑河-太子河流域土地利用未来变化.应用SWAT模型对非点源污染进行了模拟研究,并结合实测数据对模拟结果进行了评价.结合两个模型研究了3个土地利用预案下非点源污染对土地利用和景观格局变化的响应.结果表明: SWAT模型在浑河-太子河流域模拟精度较高,该模型在研究区具有适用性.城市规划和历史趋势预案下非点源污染负荷不断增加,城市规划方案下最高,生态保护预案下非点源污染负荷呈不断下降趋势.不同土地利用和景观格局对非点源污染有一定的影响,科学合理的生态建设能够有效减少非点源污染负荷.研究结果可以为流域的非点源污染研究提供案例,为非点源污染防治和最佳管理措施的制定提供科学依据,为相关政策制定提供参考.     

农业土壤中邻苯二甲酸酯污染研究进展

由邻苯二甲酸酯(PAEs)引起的环境污染和食品安全问题已经引起全球性关注.我国既是邻苯二甲酸酯生产大国,又是消费大国,其环境污染问题不容忽视.本文综述了美国国家环保署所列出的6种优先控制PAEs污染物在我国农田土壤中的污染现状,分析了其来源,重点阐述了不同类型农作物对PAEs化合物的吸收累积特征及PAEs类污染物的生物毒害效应.我国多数地区农业土壤中PAEs的含量显著高于美国和欧洲等国家.大气沉降、农用薄膜、施用污泥和污水灌溉是我国农业土壤中PAEs的主要来源.不同作物对PAEs的吸收、累积和分配特征具有显著的差异性.PAEs不但影响土壤质量、作物生长和生理生化性质,而且具有生物累积效应.最后指出了当前研究中的不足及对今后研究的展望,建议扩大PAEs污染调查范围,深入揭示PAEs对农作物的毒害机理,重点研发PAEs污染土壤的原位修复技术.     

Vertical Variation of Nonpoint Source Pollutants in the Three Gorges Reservoir Region

Nonpoint source (NPS) pollution is considered the main reason for water deterioration, but there has been no attempt to incorporate vertical variations of NPS pollution into watershed management, especially in mountainous areas. In this study, the vertical variations of pollutant yields were explored in the Three Gorges Reservoir Region (TGRR) and the relationships between topographic attributes and pollutant yields were established. Based on our results, the pollutant yields decreased significantly from low altitude to median altitude and leveled off rapidly from median altitude to high altitude, indicating logarithmic relationships between pollutant yields and altitudes. The pollutant yields peaked at an altitude of 200–500 m, where agricultural land and gentle slopes (0–8°) are concentrated. Unlike the horizontal distributions, these vertical variations were not always related to precipitation patterns but did vary obviously with land uses and slopes. This paper also indicates that altitude data and proportions of land use could be a reliable estimate of NPS yields at different altitudes, with significant implications for land use planning and watershed management.     

关键源区识别:农业非点源污染控制方法

非点源污染的控制难度大、成本高,必须首先识别流域内的关键源区。对国内外应用的关键源区识别方法从指标筛选、指标体系建立到关键源识别等关键技术环节进行了系统的评述,以促进该方法在我国农业非点源污染控制中的应用。     

京津冀地区污染物排放与城市化过程的耦合关系

我国快速的城市化发展不仅带来了经济的迅速发展和人口的大量聚集,同时也对资源和环境产生了巨大的影响。在城市化进程较为快速的城市群地区,城市化带来的生态环境胁迫尤为突出。以典型污染物为指标,定量研究了京津冀地区13个城市在2000年、2005年、2010年的工业和生活污染物的排放总量、人均排放量、排放效率、排放强度的时空特征,研究了经济发展与污染物排放的定量响应模式,以探讨污染物排放与城市化的耦合关系。研究发现:(1)京津冀地区的污染物排放空间分异特征显著,其中北京的生活污水、生活COD等污染物排放总量为地区内最高,唐山、天津、石家庄等城市的工业污染物排放高于其它城市。(2)北京、天津工业污染物的排放效率较高,人均排放量、排放强度低于其它城市。(3)2000—2010年间,京津冀地区的生活污水、工业废气、工业固废排放显著增加(P0.05),而其它生活和工业污染物排放量、排放效率和排放强度等呈显著下降趋势(P0.05)。(4)京津冀地区的工业废水、工业和生活SO2、生活烟尘、工业固废和工业废气等污染物的排放量与经济发展存在环境库兹涅兹曲线特征(R20.5,P0.05)。定量揭示了京津冀地区污染物排放的时空分布特征及其与城市化发展的关系,可为城市群区域污染物排放的管理及环境保护政策的制定提供科学参考。