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。     

农业非点源污染控制中的最佳管理措施及其发展趋势

农业非点源污染是最主要的一类非点源污染,容易造成水体的富营养化,降低环境的质量,已经成为构成目前水质环境恶化的一大威胁。农业非点源污染具有随机性、广泛性等特点,因此对农业非点源污染的控制相对比较困难。最佳管理措施通过工程措施、耕种措施和管理措施共同作用控制农业非点源污染,可以取得良好的经济效益、社会效益和环境效益。其中工程措施有梯田与山边沟,草沟与植被过滤带、人工湿地、节水灌溉系统等,耕种措施有保护性耕作、等高线种植、合理轮作等,管理措施包括有害生物综合治理、综合肥力管理、农田灌溉制度等。最后,本文还对最佳管理措施的发展趋势作了展望。     

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。     

中国农业面源污染最佳管理措施研究进展

最佳管理措施(BMPs)对控制农业面源污染具有重要意义.本文从两方面归纳中国BMPs的研究现状:基于污染物关键源区的位置,分为不同类型的BMPs(源头控制、迁移途径阻截、末端治理);根据措施实施的环境背景,分为不同空间单元(流域、行政区域)上的BMPs组合.对现有的措施分析其控污机理和净化效果,指出当前研究存在着理论研究薄弱、缺乏成本-效益分析、措施优化组合不够、环境效果评价不足等问题.着重指出今后应从以下5个方面加强研究:BMPs管理体系建设,措施研发与技术集成,模型模拟研究,尺度转换模式,BMPs效益评价.本文旨在为提高中国BMPs构建与研究水平,同时为中国农业面源污染防控和水环境改善提供理论借鉴和科学依据.     

农业面源氮污染控制措施滞后效应形成机理与评估方法研究进展

推广实施最佳管理措施(BMPs)被认为是防治农业面源污染的有效途径,然而许多流域实施BMPs后通常难以在预测的时间内实现水质改善目标,导致人们对BMPs的有效性提出质疑。受流域内养分遗留效应影响,BMPs实施后的环境质量改善效益可能不会立刻显现(也即“滞后期”),这是由于过去人为活动输入的过量营养物质在流域水文传输和生物地球化学转化过程中的积累所致,当来自外部的污染负荷减少时,这部分营养物质的汇集和释放可能掩盖治理措施对于水质改善的影响。鉴于遗留的营养物质在延迟水质改善方面的关键作用,滞后期的量化评估对于全面分析污染成因,科学配置BMPs,有效治理流域农业面源污染,提升水质改善效率非常重要。以农业面源氮控制措施的滞后效应形成机理和评估方法为主线,概述了流域尺度氮累积和滞后效应产生的主要机理,述评了氮污染滞后效应的量化评估方法,提出目前大多数流域模型尚不能很好的表述滞后效应以及缺乏解决水文和生物地球化学遗留效应的能力,并对未来BMPs优化配置研究提出建议：(1)摸清流域水文传输过程和生物地球化学转化过程对BMPs控氮效益滞后期的影响,分析污染负荷削减的时空响应规律;(2)构建包含土壤、浅...     

城市非点源污染研究进展

城市非点源污染是伴随城市化而出现的新问题,其主要来源于城市中的工业排放、化石燃料燃烧、汽车尾气和土壤侵蚀等,通过暴雨径流的冲刷作用汇入城市水体,从而严重危害着城市水体水质和生态系统的安全.本文阐述了城市非点源污染的概念、形成过程及其影响因素;评述了城市暴雨径流的主要研究方法,即事件平均浓度(EMC)和初期冲刷(FF);介绍了国内外常用的SWMM和HSPF两种城市非点源污染模型的研究进展;总结了最佳管理措施(BMPs)和低影响发展(LID)在城市非点源污染控制中的应用;最后根据目前研究的不足,提出了未来研究要在加强污染物机理研究的基础上,进一步完善城市非点源模型,而中国要研究适合本国的城市非点源污染控制措施和将城市非点源污染治理与城市规划、景观设计相结合.     

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.     

农业管理措施对三峡库区流域非点源污染削减效果评价

选取三峡库区典型流域,利用已校准的连续非点源污染模型AnnAGNPS,评价作物种植、化肥施用水平和3组农业管理措施（保护性耕作措施,CTP;保护性工程措施,CRP;退耕还林措施,CCFP)对农业非点源污染（NSP）输出的削减效果.模拟结果表明：作物种植类型对泥沙削减的效果差异不显著,对磷输出削减的效果差异显著;化肥施用量对总氮和总磷输出影响极显著;CTP可以显著削减泥沙输出,增加养分输出;CRP能削减泥沙输出,对养分输出削减的效果不显著;CCFP对泥沙和养分输出削减效果均显著,坡度>10°农田实施CCFP后,流域泥沙输出<5 t·hm^-2,氮、磷等养分输出量可降低至容许范围.     

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.     

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.     

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。     

基于AnnAGNPS模型的三峡库区秭归县非点源污染输出评价

非点源(NPS)污染已成为全球关注的环境问题。由于NPS特点、实验手段和监测数据的局限,其研究多采用数学模型进行时间和空间模拟。模型模拟提供了一种成本低效率高的手段来评定区域非点源污染。选择连续农业非点源污染AnnAGNPS(Annualized AGricultural Non-Point Source)模型,构建该模型数据库,模拟秭归县黑沟、兰陵溪、杉木溪等3条典型流域和县域径流、泥沙和营养物质的输出。结果表明：AnnAGNPS模型对3条典型流域的径流模拟能力高于对泥沙和养分的模拟,径流模拟误差均在可接受范围之内,说明模型中采用的径流预测(SCS曲线)法对研究区的地理气候条件是适用的;对3条典型流域泥沙输出模拟误差较高,对氮磷等养分输出模拟的误差最高,通过调整RUSLE和HUSLE等子模型的输入参数来减小泥沙模拟误差;对小型降雨径流事件,模型泥沙、养分模拟误差有偏大趋势,对较大降雨径流事件,模型泥沙和养分模拟误差有偏小趋势;2006年秭归县县域模型模拟的地表径流量为363 mm,泥沙输出为19.6 t/hm2,总氮输出为122 kg/hm2,总磷输出为28 kg/hm2,有机碳输出为581 kg/hm2,模拟结果与相关文献研究和政府统计数据较为相符;AnnAGNPS模型对NPS污染物输出模拟具有一定的不确定性,但作为一个较好的高级农业流域管理工具,该模型可以在三峡库区地理气候条件下使用。     

基于增强回归树的流域非点源污染影响因子分析

地表水的非点源污染在点源污染不断得到控制的前提下已经成为水环境污染的首要问题.非点源污染影响因子的复杂性及不确定性一直是流域非点源污染研究的重点和难点.本文利用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,以辽河子流域汎河流域为例,模拟了2003—2012年的非点源污染状况,对其空间分布状况进行了分析,并应用增强回归树的方法定量分析各种影响因子(坡度、土地利用类型、高程和土壤类型)对该流域非点源污染的贡献率.结果表明: 在汎河流域,非点源污染呈现较高的空间异质性,其中总氮的空间分布差异较大,总磷的空间分布差异较小.坡度因子与载体泥沙、总氮和总磷均呈极显著正相关关系(P<0.01),对泥沙和总磷有显著影响,其贡献率分别为46.5%、38.2%;土地利用因子对载体泥沙、总磷的负荷量有重要影响,其贡献率分别达到27.2%、35.3%;高程较低、坡度较缓的耕地地区易产生较高的总磷负荷量;褐色土壤最易流失总磷,而草甸土易流失总磷,且易受泥沙侵蚀.本研究利用增强回归树模型克服了流域非点源污染影响因子的复杂性,可加深对非点源污染产生机制的理解.     

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。