（环境工程专业论文）基于遥感和gis的水环境非点源污染研究.pdf

硕十学位论文 摘要 论文从遥感和g i s 技术的基本特点和功能入手，分析了遥感和g i s 技 术在水环境非点源污染研究中的应用途径与意义。通过列举3 个研究实例， 分别阐述了遥感和g i s 技术在非点源污染信息监测分析、非点源污染模型应 用、非点源污染控制这三个方面应用的基本思路和操作方法，并就一些关键 问题的技术处理进行了深入探讨。 在以平江县为典型研究区的水土流失型非点源污染信息监测和分析的实例 中，重点介绍了t m 遥感图像的预处理和识别判读方法、采用水土流失定量遥感 方法获取水土流失强度信息的方法、采用逐级分类方法获取地利用类型信息的 方法。通过水土流失与土地覆被类型的相关分析和水土流失与d e m 的相关分析， 揭示了平江县水土流失的规律和原因，并由此得到平江县水土流失型非点源污染 敏感度分区以及水土流失管理与控制的措施。 在以a g n p s 为例的非点源污染模型应用分析中，分析了g i s 与非点源污染 模型结合的三种主要模式，重点介绍了g i s a g n p s 的嵌合模式结构、遥感和 g 1 s 为a g n p s 模型提取参数的方法，还深入探讨了不确定性参数对a g n p s 模 型的影响。 在以长沙市为典型研究区的非点源污染景观格局优化控制中，探讨了景观格 局优化在非点源污染控制中的作用原理，介绍了几种适用于非点源污染控制的景 观格局优化方法，并讨论了其应用原则。通过划分长沙市的生态景观类型并研究 景观格局特征，设计了长沙市基于非点源污染控制的景观格局优化的重点区域及 各区域内的景观格局优化措施。 关键词：遥感；g i s ；水环境；非点源污染；应用：监测；模型；控制 基于遥感和g i s 的水环境非点源污染研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h eb a s i sc h a r a c t e r i s t i ca n df u n c t i o no f r e m o t es e n s i n g a n dg i st e c h n o l o g i e s ，t h e nr e p r e s e n t sh o wa n dw h yt om a k eu s eo f r e m o t es e n s i n g a n dg i st e c h n o l o g i e si nt h er e s e a r c h o fn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no fw a t e r e n v i r o n m e n t b yt a k i n gt h r e er e s e a r c he x a m p l e s ，t h ep r i n c i p i u ma n dm e t h o d si nt h e a p p l i c a t i o no f r e m o t es e n s i n ga n dg i st e c h n o l o g i e si nt h em o n i t o r i n g ，m o d e l i n ga n d c o n t r o l l i n go fn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na r er e s p e c t i v e l ya n a l y z e d ，a n ds o m e m e a s u r e st os e t t l ee x i s t i n gp r o b l e m sa r eo f f e r e d i nt h ee x a m p l eo fn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no fs o i la n dw a t e rl o s st y p ei n p i n g j i a n gc o u n t y , t h e s em e t h o d sa r ee m p h a s i z e d ：t mr e m o t es e n s i n gi m a g e s p r e t r e a t m e n ta n di n t e r p r e t a t i o n ，e x t r a c t i n gi n t e n s i t yi n f o r m a t i o no fw a t e r s o i ll o s s b yq u a n t i t a t i v er e m o t es e n s i n gm e t h o d ，a n de x t r a c t i n gl a n d u s et y p ei n f o r m a t i o nb y h i e r a r c h i c a lc l a s s i f y i n g t h r o u g hc o r r e l a t i o na n a l y s i so fw a t e r - s o i ll o s st o g e t h e r w i t hl a n d - u s et y p ea n dc o r r e l a t i o na n a l y s i so fw a t e r s o i ll o s st o g e t h e rw i t hd e m ， t h er u l e sa n dc a u s e so fw a t e r s o i ll o s si np i n g j i a n gc o u n t ya r ed i s c o v e r e d ，a n dt h e s e n s i t i v i t ys u b a r e a sa n dc o n t r o lm e a s u r e sa r ea l s oo f f e r e d i nt h ee x a m p l eo fa g n p sa sn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nm o d e l sa p p l i c a t i o n ， t h r e et y p e so ft h ec o u p l i n gb e t w e e ng i sa n dn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nm o d e la r e e x p o u n d e d e m b e d d e dt y p e o fg i s a g n p sa n dt h ew a yo fe x t r a c t i n ga g n p s p a r a m e t e r sb yr e m o t es e n s i n ga n dg i sa r ee m p h a s i z e d f u r t h e r m o r e ，t h ei m p a c to f u n c e r t a i n t yi nm o d e lp a r a m e t e r so na g n p s i ss t u d i e d i nt h ee x a m p l eo fl a n d s c a p em a n a g e m e n tf o rt h ec o n t r o lo fn o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o ni nc h a n g s h ac i t y , t h ep r i n c i p a l so fl a n d s c a p em a n a g e m e n ta r ed i s c u s s e d ， a n ds e v e r a lm e t h o d s a n dr u l e sa r e e x p a t i a t e d a f t e ra n a l y z i n g t h e t y p e sa n d c h a r a c t e r so fe c o l o g i c a l l a n d s c a p e ，t h ei m p o r t a n ts u b a r e a s a n dm e a s u r e so f l a n d s c a p em a n a g e m e n ti nc h a n g s h ac i t ya r ep l a n n e d k e yw o r d s ：r e m o t es e n s i n g ；g i s ；w a t e re n v i r o n m e n t ；n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ； a p p l i c a t i o n ；m o n i t o r i n g ；m o d e l i n g ；c o n t r o l l i n g 硕士学位论文 插图索引 图2 1 水土流失型非点源污染遥感监测与分析研究技术路线流程图1 9 图2 2 泪罗江支流河道淤塞严重2 2 图2 3 平江县d e m 地形图2 4 图2 4 平江县2 0 0 0 年t m 影像图2 6 图2 5 光谱信息逐级分类流程2 7 图2 ，6 非植被部分主要地物光谱2 8 图2 7 植被部分主要地物光谱2 9 图2 8 平江县2 0 0 0 年土地利用分类结果图3 0 图2 92 0 0 0 年平江县水土流失强度分级现状图3 3 图2 1 02 0 0 0 年平江县各级水土流失面积对比图3 4 图2 1 l 平江县大坪乡水土流失现场照片3 5 图2 1 2 平江县水土流失防治工作规划分区图3 8 图2 13 平江县长石挖掘造成的植被破坏3 9 图2 1 4 平江县人为砍伐造成的植被破坏3 9 图3 1 水环境非点源污染的一般过程4 3 图3 2 非点源污染模型层次结构简图4 4 图3 3g i s 与水环境非点源污染模型的松结合模式4 6 图3 4g i s 与水环境非点源污染模型的紧结合模式4 7 图3 5g i s 与水环境非点源污染模型的嵌合模式4 8 图3 6a g n p s a r c v i c w 的交互式界面5 1 图3 7g i s a g n p s 嵌合模块的结构与计算流程5 2 图3 8 应用a g n p s 模型的基本流程5 2 图3 9a g n p s 参数生成过程流程简图5 3 图3 10 试验小流域2 3 4 个分室的水流去向图5 5 图4 ，1 长沙市基于非点源污染控制的生态景观类型图6 4 图4 2 基于非点源污染控制的长沙市景观格局优化重点区域图6 9 基于遥感和g i s 的水环境非点源污染研究 附表索引 表1 1 水环境非点源污染的研究手段及其特点1 1 表2 1 最大似然度分类混淆矩阵2 6 表2 2 比值变换混淆矩阵2 9 表2 3 植被覆盖度对应的植被指数3 0 表2 4 平江县土地利用类型简表3 2 表2 5 水土流失强度分级3 4 表2 6 平江县2 0 0 0 年总体水土流失的海拔和坡度分布3 5 表2 7 平江县2 0 0 0 年中度以上水土流失的海拔分布3 6 表2 8 平江县2 0 0 0 年中度以上水土流失的坡度分布3 6 表2 9 平江县各种土地利用类型水土流失情况表3 7 表3 1a g n p s 模型的所有输入参数5 0 表3 2 流域及各个分室的主要输出量5 1 表3 3研究采用的敏感参数的目标分布5 6 表3 4 一阶分析的计算结果5 7 表3 5f l o w 在平均值附近区间的出现概率5 8 表3 6f l o w 输出值的置信区间5 8 表3 7s e d i m e n t 在平均值附近区间的出现概率5 8 表3 8s e d i m e n t 输出值的置信区间5 8 表3 9p c o n 在平均值附近的区间出现的概率5 8 表3 1 0p c o n 输出值的置信区间5 8 表4 1 长沙市生态景观格局总体特征值6 6 表4 2 长沙市生态景观类型的数量特征值6 7 表4 3 长沙市生态景观格局指标6 7 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囝。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 东锋 日期：j 哩f 年s 月，日 日期：口f 年。s 月店日 乏。 硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 水环境非点源污染的起源、类型和特点 1 1 1 什么是水环境非点源污染? 非点源( n o n p o i n ts o u r c e ) 是指时空上无法定点监测的，与大气、水文、土壤、 植被、地质、地貌、地形等环境条件和人类活动密切相关的，可随时随地发生的， 直接对大气、土壤、水构成污染的污染物来源t i 】。它包括大气环境的非点源、土 壤环境的非点源和水环境的非点源三类。与点源污染相比，非点源污染因其来源 面广、污染物复杂多样而更加引起有关政府部门和专家们的重视。 水环境非点源污染通常是在降雨径流的淋溶和冲刷作用下，大气中、地面和 地下污染物通过地表漫流等水文循环过程进入各种水体，引起含水层、湖泊、河 流、水库、海湾及滨岸生态系统等的污染口】，一般也称之为面源污染。其污染物 类型主要有泥沙、盐分、重金属和有机物。由于非点源污染起源于分散、多样的 土地区，其地理边界和位置难以识别和确定。按照美国联邦水污染控制法( 1 9 7 2 ) 的解释，水环境非点源污染通常是在不确定的时间内，通过不确定的排放途径， 向水系排放不确定量的污染物质【3 】。 1 1 2 水环境非点源污染的起源及类型 1 1 2 1 土壤侵蚀 土壤侵蚀介予大气干湿沉降、暴雨径流之间，既包括风蚀，又包括水蚀，是 二者的有机结合。土壤侵蚀是规模最大、危害程度最严重的一种非点源污染，从 表面上看，土壤侵蚀损失了土壤表层的有机质层，但随着壤侵蚀，同时有许多 污染物进入水体，形成非点源污染。据估计，自人类开展农业生产活动以来，全 球有4 3x1 0 8 h m 2 土地因谴受严重的土壤侵蚀而遗弃。现在全世界每年遭受土壤 侵蚀而弃耕的土地仍达5 0 1 0 6 h r a 2 。美国大陆每年因土壤侵蚀进入河流的泥沙 量达1 0 x1 0 9 t ，造成的直接经济损失达6 0 亿美元【4 】。我国现有三分之一的耕地 受士壤侵蚀镌害f 5 1 ，每年流失的土壤约5 0 1 0 9 t 【6 1 。 1 1 2 2 农用化学制品的施用及家畜粪便 农药、化肥、家畜粪便是另外一个重要的污染源。许多研究也表明，农药和 化肥的使用是造成水体污染和富营养化的最主要来源。据农业部门调查，我国的 化肥平均利用率仅为2 0 3 0 【 。我国每年使用农药防治面积超过1 5 1 0 s h m 2 基于遥感和g i s 的水环境非点源污染研究 【8 】。但田间试验表明，喷洒的农药仅有2 0 3 0 附在目标作物上，3 0 - 5 0 落到 地面，其余即进入大气中。可见，大量的化肥、农药将通过雨水冲淋、农田灌溉、 土壤渗透等途径进入各种水体。此外，农村家畜粪便和垃圾的随意堆放，在降雨 季节，随着地表径流也会进入水体形成大面积的污染。美国环保局( u s e p a ) 调查 资料显示，美国约有7 0 的湖泊、6 4 的河道、1 9 的港湾遭受农业化学物质 的污染，且部分水流已经丧失其原有水体功能。因此，美国环保局把农业列为全 美河流和湖泊污染的第一污染源【9 】。 1 1 2 3 农田污水灌溉 农田污水灌溉是污水农业利用的一种提倡方式，它既是可靠的水源，又是廉 价的肥料。污染物可以通过农业土壤的自然净化作用和农作物对营养元素的吸收 得到净化。但如果污水灌溉旌用量过大或时间不恰当，许多污水未经过农作物和 壤的自然挣化而直接进入水体，同样会导致土壤和地表水及地下水体污染。据 不完全统计，全国有污灌农田1 4 1 0 6 h m 2 ，其中9 1 分布在北方。对3 7 个污灌 区调查发现，有3 2 个灌区水质不符合要求。即使发达国家美国，也有l 5 的 地表水污染源于农田污水灌溉t l o 】。 1 1 2 4 城镇地表径流 城镇是人类社会活动和生产活动最集中的地方。人们在消耗大量物质资源的 同时，产生许多废弃物。城镇地表径流主要指在降雨过程中，雨水及所形成的径 流，流经城镇地面，如商业区、街道、停车场等，聚集一系列污染物，如原油、 盐分、氮、磷、有毒物质及杂物，随之进入河流或湖泊，污染地表水或地下水体。 美国环保局把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源【9 1 。 1 1 2 5 矿区、建筑工地地表径流 主要是由于人类活动引起的，一方面由于不合理的人为活动，破坏了原来的 土壤结构和植被面貌，使得土壤表层裸露，导致水土流失增加：另一方面，在降 雨条件下散落在矿区地表的泥沙、盐类、酸类物质和残留矿渣等污染物，会随 着地表径流进入水体，形成非点源污染。据测定，矿区和建筑施工地的侵蚀强度 可达1 7 1 0 4 t ( k m la ) ，其径流携带的悬移质数量要比农耕地高l o 倍，比草地 高2 0 0 倍 l “。美国有5 的地表水污染是由建筑工地的地表径流引起的1 1 们。 1 1 2 6 林区地表径流污染 主要指在降雨过程中所发生的地表侵蚀，使迭表的植物残枝、落叶以及形成 的腐殖物随地表径流进入水体，在一定程度上也可以形成非点源污染。由于林区 人为活动强度相对较低，地表植被覆盖率较高，与其它非点源污染相比，林区地 表径；j f l 非点源污染负荷般比较低，污染物除少量地表侵蚀物外，尚有植被枯枝 硕士学位论文 落叶及其分解的腐殖物质。但在森林采伐区，可以因植被的破坏而增加土壤侵蚀 物质，相应增高径流中有机污染物的含量，大大增加区域的非点源污染。 1 1 2 7 大气千沉降与湿沉降 大气的干沉降和湿沉降主要是指大气中的粉尘、烟尘、有毒物质等直接降落 到水面或随同降雨、降雪而降落到水体表面，从而造成水环境非点源污染【”。其 中，酸雨形成的污染已经成为世界上公认的环境灾害之一，不仅对建筑物和植被 造成直接的破坏，还会对土壤和水体形成污染。据统计【2 】，我国是继欧洲、北 美洲之后的第三大重酸雨区，酸雨造成的损失为1 3 0 亿元。 1 1 2 8 水体人工养殖 国内大多数湖泊、水库都具有多种功能，既是水源地，又是人工养殖的场所。 随着水产养殖业的发展，人工投放饵料给水体带来的n 、p 营养物质不断增加， 成为水体富营养化的又一物质来源。 1 1 2 9 底泥= 次污染 通过不同途径进入地表永体的污染物，除了经降解、挥发和随排水带走外， 大多随悬浮物、泥沙沉淀在水体底泥中。沉淀在底泥中的污染物在流量、水温以 及微生物结构发生变化的情况下，可以通过再悬浮、溶解的方式进入水介质，构 成水源的二次污染。据调查，太湖底泥每年释放的总p 和总n 约占总负荷的 2 5 3 5 t 们。 1 1 3 水环境非点源污染的特征 与点源污染( 集中排放废污水) 相比较，水环境非点源污染有许多显著不同的 特点。 1 1 3 1 隧机性 从非点源污染的起源和形成过程分析，非点源污染与区域的降水过程密切相 关。无论是城市地表径流、矿区地表径流，还是土壤侵蚀，其规模和强度均与降 水过程密切相关。此外，非点源污染的形成与其他许多因素，如土壤结构，农作 物类型、气候、地质地貌等密切相关n 1 。由于降水的随机性和其他影响因子的 不确定性，决定了非点源污染的形成具有较大的随机性。 1 1 3 2 广泛性 随着世界经济的发展，人工生产的许多为自然环境无法接受的化学物质逐年 增多，在地球表层分布广泛，随着径流进入水体的污染物遍地可见，其所产生的 生态环境影响更是深远而广泛。 基于遥感和g i s 的水环境非点源污染研究 1 1 3 3 滞后性 农田中农药和化肥施用造成的污染，在很大程度上与降雨和径流立即发生密 切相关，同时也与农药和化肥的施用量有关。研究显示，当施用化肥后，若遇到 降雨，造成的非点源污染将会十分严重1 3 】。研究还显示，农药和化肥在农田存 在的时间长短也将决定非点源污染形成的滞后性的长短【i 引。通常，一次农药或 化肥的使用所造成的非点源污染将是长期的。 1 1 3 4 模糊性 影响非点源污染的因子复杂多样。由于缺乏明确固定的污染源，在判断污染 物的来源时存在一定的难度。以农业非点源污染为例，农药和化肥的施用是非点 源污染的主要来源，但不同的农药施用量、在生长季节、农作物类型、使用方式、 土壤性质和降水条件不同时，所导致的农药和养分的流失将会有巨大的差异，而 不同因子之间又相互影响，因而使得非点源污染的形成机理具有较大的模糊性。 1 1 3 5 潜伏性 以农药、化肥施用为例，使用之后，在无降水或灌溉时，形成的非点源污染 十分微弱。在更多的情况下，非点源污染直接起因于降水和灌溉的时问。城市地 表径流污染也有同样的特点。在无降水条件下，散落在城市空间的许多固体污染 物、垃圾对水体的危害十分有限，但在降水时，随着径流进入水体将会形成严重 的非点源污染。城市中的垃圾或其它附着于建筑物表面的污染物均是潜在的非点 源污染源。 1 1 ，3 6 研究和控制难度大 由于非点源污染来源的复杂性，机理的模糊性和形成的潜伏性，在研究和控 制非点源污染方面具有较大的难度。 1 2 水环境非点源污染的现状与危害 1 2 1 水环境非点源的污染现状 从世界范围来看，非点源污染已成为水环境污染的重要方式。2 0 世纪9 0 年 代有研究【l5 】认为全球3 0 5 0 的陆面受到非点源污染的影响。据美国、日本等 国家的报道，即使点源污染全面控制之后，江河的水质达标率仅为6 5 ，湖泊 的水质达标率为4 2 ，海域水质达标率为7 8 【扪。非点源污染控制不好，水体根 本无法达标。 在美国，非点源污染已经成为环境污染的第一因素，6 0 的水资源污染起源 于非点源污染1 9 】，其中农业的贡献率为7 5 左右【3 】。据研究【16 1 ，2 0 世纪7 0 年代 兰王鍪壁型2 曼墼查堑篓斐塞鎏誊些堑耋 ll3 3 滞詹性 农田中农药和化肥施用造成的污染在很大程度上与降雨和径流立即发生密 切相关，同时也与农药和化肥的施用量有关。研究显示，当施用化肥后，若遇到 降雨造成的非点源污染将会十分严重 ”j 。研究还显示农药和化肥在农田存 在的时间长短也将决定非点源污染形成的滞后性的长短i “】。通常，一次农药或 化肥的使用所造成的非点源污染将是长期的。 1 1 ，3 4 模糊性 影响非点源污染的因子复杂多样。由于缺乏明确固定的污染源，在判断污染 物的来源时存在定的难度。以农业非点源污染为例，农药和化肥的施用是非点 源污染的主要来源。但不同的农药施用量、在生长季节、农作物类型、使用方式、 土壤性质和降水条件不同时所导致的农药和养分的流失将会有巨大的差异，而 不同因子之间又相互影响，因而使得非点源污染的形成机理具有较大的模期性。 1 1 3 5 潜伏性 以农药、化肥施用为例，使用之后，在无降水或灌溉时，形成的非点源污染 十分微弱。在更多的情况下，非点源污染直接起因于降水和灌溉的时问。城市地 表径流污染也有同样的特点。在无降水条件下，散落在城市空问的许多固体污染 物、垃圾对水体的危害十分有限，但在降水时随着径流进入水体将会形成严重 的非点源污染。城市中的垃圾或其它附着于建筑物表面的污染物均是潜在的非点 源污染源。 1 1 3 6 研究和控制难度大 由于非点源污染来源的复杂性，机理的模糊性和形成的潜伏性，在研究和控 制非点源污染方面具有较大的难度。 1 2 水环境非点源污染的现状与危害 1 2 1 水环境非点源的污染现状 从世界范围来看，非点源污染已成为水环境污染的重要方式。2 0 世纪9 0 年 代有研究”“认为全球3 0 一5 0 的陆面受到非点源污染的影响。据美国、日本等 国家的报道，即使点源污染全面控制之后，江河的水质达标率仅为6 5 ，湖泊 的水质达标率为4 2 ，海域水质达标率为7 8 瞄”。菲点源污染控箭不好，承体根 本无法达标。 在美国，非点源污染已经成为环境污染钓第一田素，6 0 的水资源污染起源 于非点源污染f 9 ，其中农业的贡献率为7 5 左右1 3 j 。据研究 ”，2 0 世纪7 0 年代 于非点源污染p ) ，其中农业的贡献率为7 5 左右1 3 1 。据研究“，2 0 世纪7 0 年代 基于遥感和g i s 的水环境非点源污染研究 1 1 3 3 滞后性 农田中农药和化肥施用造成的污染，在很大程度上与降雨和径流立即发生密 切相关，同时也与农药和化肥的施用量有关。研究显示，当施用化肥后，若遇到 降雨，造成的非点源污染将会十分严重1 3 】。研究还显示，农药和化肥在农田存 在的时间长短也将决定非点源污染形成的滞后性的长短【i 引。通常，一次农药或 化肥的使用所造成的非点源污染将是长期的。 1 1 3 4 模糊性 影响非点源污染的因子复杂多样。由于缺乏明确固定的污染源，在判断污染 物的来源时存在一定的难度。以农业非点源污染为例，农药和化肥的施用是非点 源污染的主要来源，但不同的农药施用量、在生长季节、农作物类型、使用方式、 土壤性质和降水条件不同时，所导致的农药和养分的流失将会有巨大的差异，而 不同因子之间又相互影响，因而使得非点源污染的形成机理具有较大的模糊性。 1 1 3 5 潜伏性 以农药、化肥施用为例，使用之后，在无降水或灌溉时，形成的非点源污染 十分微弱。在更多的情况下，非点源污染直接起因于降水和灌溉的时问。城市地 表径流污染也有同样的特点。在无降水条件下，散落在城市空间的许多固体污染 物、垃圾对水体的危害十分有限，但在降水时，随着径流进入水体将会形成严重 的非点源污染。城市中的垃圾或其它附着于建筑物表面的污染物均是潜在的非点 源污染源。 1 1 ，3 6 研究和控制难度大 由于非点源污染来源的复杂性，机理的模糊性和形成的潜伏性，在研究和控 制非点源污染方面具有较大的难度。 1 2 水环境非点源污染的现状与危害 1 2 1 水环境非点源的污染现状 从世界范围来看，非点源污染已成为水环境污染的重要方式。2 0 世纪9 0 年 代有研究【l5 】认为全球3 0 5 0 的陆面受到非点源污染的影响。据美国、日本等 国家的报道，即使点源污染全面控制之后，江河的水质达标率仅为6 5 ，湖泊 的水质达标率为4 2 ，海域水质达标率为7 8 【扪。非点源污染控制不好，水体根 本无法达标。 在美国，非点源污染已经成为环境污染的第一因素，6 0 的水资源污染起源 于非点源污染1 9 】，其中农业的贡献率为7 5 左右【3 】。据研究【16 1 ，2 0 世纪7 0 年代 硕士学位论文 非点源污染对美国水体污染的贡献为：总悬浮固体的9 2 ，总氮的7 9 ，总磷 的5 3 ，大肠杆菌的9 8 ：2 0 世纪8 0 年代的数据为【1 7j b o d 的5 7 ，总磷的8 7 ， 总氮的5 8 。总悬浮固体的9 8 。在丹麦，2 7 0 条河流9 4 的氮负荷、5 2 的磷 负荷是由非点源污染引起的i 】。在荷兰，农业菲点源提供的总氮、总瓣分别占 水环境污染总量的6 0 和4 0 5 0 t 1 9 】。 我国是个多山的国家，大部分地区夏季降水高度集中，多年的人类经济活动 带来的生态破坏，导致水土流失，再加上近年农药、化肥使用量增多，使我国非 点源污染问题日益严重。在北京密云水库、天津于桥水库、安徽巢湖、云南洱海、 上海淀山湖等水域，非点源污染比例超过点源污染【2 0 1 ，非点源污染己上升为威 胁饮用水源的主要原因。 1 2 2 水环境非点源污染的危害 非点源来源面广。它夹带着大量的泥沙、营养物、有毒有害物质进入江河、 湖库，引起水体悬浮物浓度升高、有毒有害物质含量增加。溶解氧减少，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。 i 2 2 1 淤积水体，降低水体的生态功能 由于水土流失，大量泥沙进入地表水体，一方面导致河床、湖泊库容减少， 水箍升高；另一方面，由于径流携带的大量泥沙及有害物质，将会对水体的水质 产生严重的影响，破坏水生生物的生存环境。在我国，每年约有3 5 1 0 9 m 3 泥 沙进入湖泊、水库和河流【6 1 。由于水土流失导致湖泊面积缩小的例子不胜枚举， 如洞庭湖，太湖、白洋淀和青海湖等，由于水体面积和体积的减小，大大降低了 水体防洪、抗旱的能力，改变了水生生物的生存环境。 1 2 2 2 引起水体的譬营养化，破坏水生生物生存环境 由于过量施用化肥和农药，大量的氮磷元素进入地下和地表水体，将导致水 体的污染，甚至会形成水体的富营养化，破坏了水生生物的生存环境。由此，将 会阻碍水生生物的呼吸和觅食，甚或引起水生生物的猝死，从而导致局域永生生 态系统的失调。 1 2 2 3 污染饮用水源，危害人体健康 在点源负荷逐渐被切断冉钰情况下，水源地污染主要是非点源的贡献。非点源 污染物种类很广，几乎含有自然和人工合成的各种化学、生物污染物质。研究发 现，饮用水中n 0 3 - n 含量与化肥施用量成正相关。化肥施用量大的地区，饮用 水源中n 0 3 一n 含量高达1 6 8 m g l ，超过世界卫生组织最高允许浓度值( 1 0 m g l ) 博ja 目前，国际上己查出环境激素7 0 种，其中有4 4 种为农药类有机化合物( 杀 虫帮j 、除草剂和杀菌剂) 。在我国农业区民用井水中，杀虫脒含量高达 基于遥感和g 1 s 的水环境非点源污染研究 o 7 8 6 u g l 1 2 1 1 ，比欧共体农药允许总浓度( o 5 g l ) 还要高。由于家畜粪便中常常 包含大量细菌，尤其含有大量的大肠杆菌：随着径流进入水体会形成大面积的非 点源污染，并会造成疾病的广泛传播。1 9 9 4 年全美有2 0 0 0 多个海滩因水体细菌 含量过高而关闭【2 2 1 。必须指出，非点源毒性污染物( 包括本身无毒，却可诱发其 它污染物毒性的物质) 进入地表水环境，造成的不仅是污染指标的超标，丽且还 可能产生污染物的协同作用。现已查明，通过农田污水灌溉进入水环境的洗涤剂， 可将污染物从水中转移到水面，使化学物质的毒性提高2 7 倍【6 】。 1 2 2 4 造成建筑物和财产的壹接损失 随着近代工业的高速发展，大气中的c 0 2 和s 0 2 的含量迅速增加，由此导 致的酸雨在全球范围内愈演愈烈。酸雨的形成，不仅对地表植被会形成直接的影 响，破坏生态环境，而且降落在建筑物和衣物表面，还会对建筑物和衣物造成腐 蚀，形成直接的经济损失。 1 3 水环境非点源污染的研究进展 2 0 世纪6 0 年代起，日、英等一些发达国家在点源污染得以控制的背景下开 始关注非点源污染。7 0 年代中期，非点源污染问题受到各国普遍关注和重视， 开始进行系统研究，并付诸管理实践。研究工作从概念、理论、研究方法、管理 手段乃至新技术应用逐步发展，全世界每年发表的有关非点源污染的文献约有 5 0 0 余篇。基本内容主要集中于农田管理、滨岸流域管理、畜禽废物管理、农药 化肥管理等。在发展中国家，相对于点源污染而言，非点源污染仍未引起应有的 重视。我国的非点源污染研究起步较晚，真正意义上的非点源污染研究始于北京 城市径流污染的研究及2 0 世纪8 0 年代初的全国湖泊、水库富营养化调查和河流 水质规划研究【2 ”。国内非点源污染研究范围较窄，管理实践进展也较为缓慢。 纵观圆内外，特别是西方国家的成果，可从以下两个方面把握水环境非点源 污染的重点研究领域及进展方向。 1 3 1 起源和机理的研究 2 0 世纪7 0 年代初进行的非点源污染研究仅是在非点源污染特征、影响因素、 单场暴雨和长期平均污染负荷输出等方面的韧步认识研究。非点源污染负荷定量 化模型研究仅有早期的农药输移和径流模型( p r t ) 和城市暴雨水管理模型 ( s w m m ) 口“。土壤侵蚀的定量化研究在这一时期已相当成熟，只是当时的研究 角度不是非点源。7 0 年代中后期的非点源污染研究有很大发展，影响因素和宏 观特征研究由相关因素分析和时空分异分析转向与非点源污染控制密切相关的 主控因子和源区( 危险区域) 空间分析。有关非点源污染物的迁移和转化研究也有 初步进展1 。机理模型和连续时| 、日j 序列响应模型，如农业化学品运输模型 硕士学位论文 ( a c t m o 】、城市地表径流储存处理与溢流模型( s t o r m ) 2 4 j 以及统一迁移模型 ( u t m ) 、( l a nd r u n ) 都在这一时期提出，只是大部分仅供小区域研究用，大范 围推广应用价值不大。美国水土保持局花了4 0 多年时间现场观测调查得出的通 用土壤流失方程f u s l e ) 【2 钉，广泛应用于各类非点源污染负荷定量计算。径流和 水质模型的对接方法开始探讨。 8 0 年代非点源污染基础研究地域范围广、类型多样( 新增生物源) ，因素分析 和污染物( 特别是农药) 迁移机理研究更加深入。著名的农业管理系统中的化学污 染物径流负荷和流失模型( c r e a m s ) 、用于农业非点源管理和政策制定的农业非 点源污染模型( a g n p s ) 、农田尺度的水侵蚀预测预报模型( w e p p ) 、区域性非点 源集水面环境响应的模拟模型( a n s w e r s ) 均在这一时期提出并应用于非点源污 染的负荷定量计算、控制措施效果评价、营养元素在土壤、地表的迁移规律研究 和非点源的管理、政策制定。 进入9 0 年代，非点源污染的研究更加活跃，与非点源污染控制相关的影响 因子研究层出不穷。微生物的迁移成为非点源污染物迁移、转化研究的新生长点。 地下水的反补给 2 6 1 也被列为地表水源的重要非点源。美国水土保持局在对过去 非点源污染模型十多年的应用经验进行总结的基础上对几大模型的预测能力进 行了客观的评价。城市地表径流大肠杆菌数学模型、杀虫剂模型【27 1 、融雪径流 侵蚀指数【28 】等相继建立。与非点源污染负荷估算相关的流域开发方向、非点源 污染管理模型和非点源污染风险评价【2 9 l 成为本时期应用模型研究的最新突破 点。 我国在2 0 世纪8 0 年代，仅是对非点源和区域径流污染的宏观特征与污染负 旖定量计算模型的初步研究 3 0 , 3 t 1 。2 0 世纪8 0 年代初，我国先后在于桥水库、滇 池、太湖、鄱阳湖、巢湖、镜泊湖、三峡库区等湖泊，水库流域及沱江内江段、 渭河宝鸡段、辽河铁岭段进行对湖泊、水库富营养化调查和流域水质规划进行了 探索性的研究【2 3 1 ，较好地把握了非点源污染负荷发生状况，为湖泊、河流的水 质规划与流域规划提供了可靠的依据，也为非点源污染研究积累了宝贵的经验。 基于受纳水体水质分析，计算汇水区农业非点源污染输出量的经验统计模型在这 一时期发展较快并广泛应用 3 0 1 。城区径流污染负荷模拟模型主要从径流量与污 染负荷相关【32 1 、单位线f 3 引、地表物质累积规律f 3 4 j - - - 个角度进行研究。通用土壤 流失方程首次在我国用于非点源污染的危险区域识别研究【3 l l 。 进入9 0 年代，我国的非点源污染研究更加活跃，在农业、城区非点源污染， 大气沉降、生物污染方面都有一定的进展 3 5 , 3 6 j ，但由于缺少长系列的水文水质 监测数据等资料，很大程度上影响了非点源污染研究工作的深入。农药、化肥污 染的宏观特征、影响因素研究和黑箱经验统计模式继续在农业非点源污染研究中 占莺要席位。分雨强计算城区径流污染负荷1 3 7 1 为城市径流污染负荷定量计算提 基于遥感和g i s 的水环境非点源污染研究 供了新方法。将农业、城市非点源污染负荷模型与3 s 技术结合【3 引、与水质模型 对接 3 9 1 用于流域水质管理成为农业、城市非点源污染研究的新生长点。油田开 发区石油污染【4 们、生物污染、大气沉降 4 1 l 等非点源污染研究也有一定进展。这 一时期的首要成就当推李怀恩等的机理型流域暴雨径流响应模型【4 2 1 。它要求参 数少、应用范围广，适合我国目前资料短缺的非点源污染研究现状，但其应用、 推广有待接受后期检验。 1 3 2 管理控制的研究和实践 非点源污染的理论研究与管理实践的接轨是必然趋势美国在1 9 8 7 年的国 会上首次声明了非点源污染问题转变为行动计划的意愿，但是这个计划尚未被很 好执行。在欧共体，第一个明确提出非点源污染的官方文件是1 9 8 9 年欧盟委员 会提出的一个直接建议，提出水质问题是由农田与城市硝酸盐的释放引起的l ”) 。 近年来趋向于控制方法与管理政策的研究，基本内容有滨岸流域管理、农田 管理、畜禽废物管理、化肥农药管理等，涉及环境经济、农业经济、水文学、环 境化学、土壤学、农学、林学、生扬学等多学科。国外在政府政策、管理技术、 市场调节、农民配合等方面，有着许多成功的经验。国内对于非点源污染的认识 尚处在起步阶段，缺乏相应的管理研究和实践。我国的非点源污染控制与管理措 施除了一些水土保持方法和尹澄清【4 4 】的“多塘系统”外，其它成就不是很多。 1 3 2 1 技术措施 日本正在推广的居前l o 位的环保型农业技术均与非点源污染治理有关1 4 5 1 ： 有机物的利用； 缓效性氮肥和包覆肥料的使用；根据土壤和生长发育的诊 断进行施肥：行测施肥：根据病虫害发生的预测预报进行防治；利用性外 激素防治害虫；家畜排泄物的处理和利用；减少药剂使用量；利用天敌昆 虫和微生物：利用覆盖材料防治病虫害。此外，利用花粉媒介昆虫和利用动物 除草等技术也很有前途。 6 0 年代后期全世界倡导对农作物有害生物采取综台治理策略( 即i n t e g r a t e d p e s tm a n a g e m e n t ，i p m ) 。综合防治措施有：农业防治即利用耕作、载培、 育种等农事措施来防治农作物病虫害；物理防治，即应用光、电、微波、超 声波、辐射、机械等物理措施来控制有害生物；生物防治，即利用有益的活 体生物本身来防治农业有害生物的方法；基因工程防治，即将有害生物的致 死基因导入农作物中，培育成抗虫作物、抗精作物。i p m 策略在世界范围内对 减少农药的旌用量起了很大作用【4 “。我国自“六五”以来已在近千万公顷农田 上进行单项技术推广。密云水库周边地区林、果和作物已普遍实行多种i p m 措 施，为保护水库水质起了巨大作用1 4 7 1 。延续i p m 思想，未来的植保学还会向相 生植保学方向发展t 4 引。 硕士学位论文 1 3 2 2 管理措施 在管理措施方面，以美国的“最佳管理措施”( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ， b m p s ) 最具代表性。它起源于7 0 年代后期，发展于8 0 年代初期，成型于8 0 年 代中后期。这种接轨体现在三个层面：技术层面上，主要是完善城市污水管道体 系，建人工沉积塘，采用湿地处理以及水体生态修复工程等；经济层面上，学术 界以基化非点源污染为基础，结合微观经济学方法展开费用效益分析1 4 9 ，从而 进行政策手段的设计和有效性评价【5 0 1 ；政策层面上，美国国会结合研究进展， 积极立法，并在不同层次、不同性质都门建立非点源监测、管理机构母1 ，管理、 监测非点源污染的起源、变化、形成机制，以便及时削减非点源污染。国家环保 局还设置了土地利用与水源水质监测参考项目表，用于与非点源管理有关的水质 检测。同时，在流域范围开展点源一非点源污染总量控制和排污贸易，将非点源 纳入总量控制体系。 美国马里兰州非点源计划围绕着切萨皮克湾( c h e s a p e a k eb a y ) 行动，以从 1 9 8 5 年到2 0 0 0 年将营养输入减少4 0 的任务为中心，鼓励农民自觉采纳最佳管 理措施(