【正文】 1 博士論文開(kāi)題報(bào)告 作者： 何圣嘉 指導(dǎo)教師： 呂 軍 教授 (說(shuō)明支持項(xiàng)目的題目、編號(hào)和來(lái)源，也可以是自選課題 ) 題目： 農(nóng)業(yè)流域非點(diǎn)源污染的定量及 基流負(fù)荷貢獻(xiàn)率研究 課題來(lái)源： 基于物聯(lián)網(wǎng)的小流域廢物集中處置與資源化利用技術(shù)研究及示范 （ 國(guó)家科技支撐計(jì)劃 ） （說(shuō)明研究意義，詳述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行分析） 研究意義 隨著人口的不斷增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，其中水環(huán)境污染成為制約中國(guó)乃至全球社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可 持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題?！?20xx中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，長(zhǎng)江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河、浙閩片河流、西北諸河和西南諸河等十大流域的 469個(gè)國(guó)控?cái)嗝嬷?，Ⅳ類至?V類水質(zhì)的斷面比例為 %；美國(guó)環(huán)保署最近的環(huán)境公告顯示，全國(guó)參加評(píng)估的 26%的河流中，有近 50%的河流水質(zhì)仍受到污染；歐洲受嚴(yán)重污染地表水所占的比例約 20%。從水污染的成因來(lái)看，由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水土流失以及大氣沉降等引起的非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為水環(huán)境的首要污染源和第一大污染源 (Miller, 1992。 Yang et al., 20xx。 Gong et al., 20xx)， 全球受非點(diǎn)源污染影響面積 占總 陸地 面積的 30%－50%(Dennis amp。 Corwin, 1998)。 其中，由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)所引起的水環(huán)境 非點(diǎn)源污染 問(wèn)題一直是 美國(guó)及其他西方國(guó)家水體污染研究所關(guān)注的 焦點(diǎn) (Ongley et al., 20xx)。 根據(jù) 美國(guó)、日本以及歐洲等國(guó)幾十年來(lái)的 相關(guān) 研究，即使點(diǎn)源污染完全實(shí)現(xiàn)零排放，河流的達(dá)標(biāo)率也僅有 65%，湖庫(kù)的達(dá)標(biāo)率同樣只有 42%，而農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染則是導(dǎo)致這一問(wèn)題的關(guān)鍵所在。例如， Boers(1996)曾報(bào)道荷蘭農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的氮、磷 污染物的量分別占水環(huán)境中相應(yīng)污染物總量的 60%和 40%－50%。而在美國(guó)，非點(diǎn)源污染約占總污染量的 2/3，其中農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染占非點(diǎn)源污染總量的 68％ － 83％ (Miller, 1992)。 就國(guó)內(nèi)而言，非點(diǎn)源污染 同樣成為了一個(gè)日益突出的社會(huì)問(wèn)題 ，有 近 %的河流、湖泊存在富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，其中太湖、巢湖和滇池流域總氮、總磷比二十年前分別提高了十倍以上，其中 50%以上的污染負(fù)荷 則是 由農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染所引起 (程炯 等 , 20xx)。由此可見(jiàn)，如何有效控制非點(diǎn)源 (尤其是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源 )污染己成為許多國(guó)家和地區(qū)進(jìn)一步控制水體污 染、改善水環(huán)境的關(guān)鍵所在。 然而，非點(diǎn)源污染并不僅僅局限于河流、湖泊等地表水體，不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)同樣容易引發(fā)地下水系統(tǒng)的非點(diǎn)源污染問(wèn)題 (Hall et al., 20xx。 Shaffer amp。 2 Delgado, 20xx)。目前已有大量研究表明，不合理的農(nóng)業(yè)活動(dòng) (例如，過(guò)量施用化肥、畜禽糞便等 )是導(dǎo)致地下水中硝酸鹽污染的主要原因 (Carey and Lloyd, 1985。 Spalding amp。 Exner, 1993。 Wylie et al., 1995。 DeSimone and Howes, 1998。 Hudak, 20xx。 Harter et al., 20xx。 Ledoux et al., 20xx。 Oyarzun et al.,20xx), 其中 NO3－ 是地下水非點(diǎn)源污染物中最為常見(jiàn)、最為典型的一種 (Postma et al., 1991)。就國(guó)內(nèi)而言，在進(jìn)行 水資源調(diào)查評(píng)價(jià)的 197 萬(wàn) km2平原區(qū)淺層地下水中， Ⅳ 類和 Ⅴ 類水質(zhì)面積高達(dá) %，太湖、遼河、海河以及淮河等流域地下水超標(biāo)的面積分別高達(dá) %， %， 和 %(薛禹群和張幼寬 , 20xx)。隨著 非點(diǎn)源污染效應(yīng)的逐漸積累，很有可能造成地下水環(huán)境容量枯竭，水質(zhì)的嚴(yán)重惡化，最終使地下水轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇硭w一個(gè)重要的非點(diǎn)源；尤其是在沒(méi)有降水或者降水較少的枯水期，地表直接徑流所引起的非點(diǎn)源污染通?？梢院雎?，而地下水則成為了地表水體中硝酸鹽和農(nóng)藥等污染物最主要的來(lái)源 (Hallberg, 1987, 1989。 Squillace et al., 1993。 Gburek amp。 Folmar, 1999)。 當(dāng)前，在人口快速增長(zhǎng)和有限耕地不斷減少的情況下，如何在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)又確保糧食安全，是我國(guó)正面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。 為了在有限的土地資源中獲取更高的糧食產(chǎn)量，大量的合成氮肥被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，這使得我國(guó)成為目前世界上化肥使用量最大的國(guó)家 (Sun et al., 20xx)。這種以農(nóng)業(yè)化學(xué)為基礎(chǔ)的集約型農(nóng)業(yè)在帶來(lái)高產(chǎn)量的同時(shí)，嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染也隨之而來(lái)。盡管人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到非點(diǎn)源污染的嚴(yán)重危害，但更多的研究集中在地表徑流的非點(diǎn)源污染問(wèn)題，很少有研究專門考慮基流或者地下水對(duì)非點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)或影響。加之我國(guó)目前地下水污染日趨嚴(yán)重，呈現(xiàn)由點(diǎn)到面、由淺到深、由城市到農(nóng)村的擴(kuò)展趨勢(shì) , 全國(guó) 195 個(gè)城市監(jiān)測(cè)結(jié)果表明 , 97%的城市地 下水受到不同程度污染 , 40%的城市地下水污染有加重趨勢(shì) (羅蘭 , 20xx)。因此， 在進(jìn)行流域非點(diǎn)源污染定量研究的基礎(chǔ)上， 如何更好地評(píng)估基流與地下水對(duì)非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)， 實(shí)現(xiàn)地表水與基流污染負(fù)荷的分割，并通過(guò) 分析總結(jié)其變化規(guī)律， 制定流域 最佳管理措施 (Best Management Practices)來(lái)有效控制或減少流域非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為我國(guó) 一個(gè)亟待解決的問(wèn)題 。 問(wèn)題的提出： 自 20 世紀(jì) 70 年代至今，大量有關(guān)非點(diǎn)源污染方面的研究為流域尺度上水環(huán)境非點(diǎn)源污染物的控制和管理提供了理論上和方法上的支持和借鑒。盡管隨著 相應(yīng)污染防治技術(shù)的發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，地表徑流排放的污染物的控制和管理已日見(jiàn)成效，但由于欠缺對(duì)地下水質(zhì)管理方面的考慮，使得地表河流水體的水質(zhì)并沒(méi)有得到明顯的改善 (Freeze amp。Cherry, 1979。 Schilling amp。 Zhang, 20xx)。地下水主要以壤中流和基流的形式來(lái)作用于地表水體 (Freeze amp。 Cherry, 1979)， 通過(guò)與地表水體進(jìn)行水量或溶質(zhì)的交換來(lái)影響對(duì)方 (Sophocleous, 20xx)。相關(guān)一些研究表明，當(dāng)?shù)叵滤囱a(bǔ)在整個(gè)徑流過(guò)程占主導(dǎo)地位時(shí) (如枯水期 )，河流水體中NO3－ 、 P 等污染物的濃度與淺層地下水中相應(yīng)的污染物質(zhì)的濃度具有較強(qiáng)的相似性 (McHale et al., 20xx。 M252。ller et al., 20xx。 Donn et al., 20xx)，且與地下水的流量與水位的波動(dòng)密切相關(guān) (Arheimer amp。 Liden, 20xx。 Wriedt et al., 20xx)；就基流而言，其對(duì) NO3–N 負(fù)荷量的貢獻(xiàn)可能較暴雨徑流來(lái)的更大，貢獻(xiàn)率可高達(dá) 60%以上(Pionke et al., 1999。 Schilling amp。 Zhang, 20xx。 Kim et al., 20xx)，甚至高達(dá) 75%(Zhu et al., 20xx)；盡管農(nóng)業(yè)流域中 P 的遷移傳輸方式更多的是以地表徑流傳輸和壤中流的遷移傳輸，但通過(guò)基流形式輸出的 P 負(fù)荷量同樣不容忽視，其對(duì) P 輸出的貢獻(xiàn)率可達(dá) 30%－ 50%(Caruso, 20xx。 M252。ller et al., 20xx)。除此之外，過(guò)去關(guān)于基 3 流的研究大多是通過(guò)觀測(cè)枯水期間水質(zhì)基礎(chǔ)上所進(jìn)行的，而非基于對(duì)基流的測(cè)量結(jié)果 (Barber et al., 20xx。 Hur et al., 20xx)；加之河岸帶高地下水位滲 透區(qū)的存在，即使是暴雨徑流期間，總徑流量依舊可能為該類滲透區(qū)回流的高濃度 NO3–N 流所主導(dǎo) (Pionke et al., 1988,1993。DeWalle amp。 Pionke, 1994)。這也就意味著，在實(shí)際研究中很有可能存在對(duì)暴雨徑流非點(diǎn)源污染負(fù)荷的高估和基流非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)的低估。因此，污染地下水以基流的形式反補(bǔ)給地表水已經(jīng)成為了流域非點(diǎn)源污染控制管理，改善地表水體質(zhì)量的一個(gè)重要限制性因子。然而，由于無(wú)法有效地通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)基流分割的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)論證，致使各種徑流分割和水源界定的理論和方法之間仍存在著較大爭(zhēng) 議，如何準(zhǔn)確地估算基流量則成為了基流非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)評(píng)估的關(guān)鍵。 綜上所述，為了更好地實(shí)現(xiàn)流域非點(diǎn)源污染的控制與管理，有效改善地表河流水體的水質(zhì)，目前仍需對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入研究： 1)以非點(diǎn)源污染模型為研究手段，實(shí)現(xiàn)流域非點(diǎn)源污染物在水陸界面中遷移的動(dòng)態(tài)模擬及定量描述，是進(jìn)行流域非點(diǎn)源污染總量控制的前提和重要環(huán)節(jié)； 2)利用環(huán)境同位素和水文化學(xué)分析基本水文過(guò)程，對(duì)基流流量進(jìn)行定量，評(píng)估基流對(duì)該流域非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)量，并結(jié)合流域特征，構(gòu)建地表徑流與基流非點(diǎn)源污染負(fù)荷分割模型，是進(jìn)行流域污染負(fù)荷分割的基礎(chǔ)； 3)分析 研究地表徑流以及基流中污染物的年際變化與月動(dòng)態(tài)規(guī)律，以及不同情景變化下污染負(fù)荷的變化規(guī)律，為制定相應(yīng)的最佳管理措施提供依據(jù)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 水環(huán)境非點(diǎn)源污染研究進(jìn)展 從廣義上來(lái)說(shuō)，水環(huán)境非點(diǎn)源不僅僅是指降雨徑流引起的污染，而且也囊括了大氣干濕沉降、土壤侵蝕、河流底泥二次污染以及生物污染等諸多方面。國(guó)際上關(guān)于非點(diǎn)源污染的研究最早始于 20世紀(jì) 60年代，并率先在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到開(kāi)展。 70年代是非點(diǎn)源污染研究的探索期，雖然非點(diǎn)源污染研究在 70年代中后期有了較大的發(fā)展 － 由 影響因素和宏觀特征研究由相 關(guān)因素分析和時(shí)空分異分析轉(zhuǎn)向與非點(diǎn)源污染控制密切相關(guān)的主控因子和源區(qū) ( 危險(xiǎn)區(qū)域 ) 空間分析，有關(guān)非點(diǎn)源污染物的遷移和轉(zhuǎn)化研究也有了初步進(jìn)展 (楊愛(ài)玲和朱顏明 , 1999)，然而仍局限于非點(diǎn)源污染源調(diào)查、非點(diǎn)源特性分析、單場(chǎng)暴雨和長(zhǎng)期平均污染負(fù)荷輸出以及非點(diǎn)源污染對(duì)水質(zhì)的影響等方面的初步認(rèn)識(shí)研究，但期間所積累的大量關(guān)于非點(diǎn)源污染對(duì)水質(zhì)的影響的研究成果為之后非點(diǎn)源污染模型的蓬勃發(fā)展以及非點(diǎn)源污染控制管理對(duì)策的制定奠定了基礎(chǔ)。例如，城市暴雨洪水管理模型(SWMM)、城市地表徑流數(shù)學(xué)模型 (STORM)、農(nóng)業(yè)化學(xué)品運(yùn) 輸模型 (ACTMO)、統(tǒng)一運(yùn)輸模型 (U TM)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理模型 (ARM)以及流域模型 (HSP)等模型相繼問(wèn)世。美國(guó)作為開(kāi)展非點(diǎn)源污染研究最多的一個(gè)國(guó)家，在建立了 SCS模型 (US Department of Agriculture, 1956)和 USCLE模型 (Wischmeier, 1976)基礎(chǔ)上，成功實(shí)現(xiàn)了徑流計(jì)算和土壤侵蝕預(yù)報(bào)，并于 1976年首次提出了最佳管理措施 BMPs (Best Management Practices )，詳細(xì)介紹了應(yīng)用模型分析法評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)管理措施的實(shí)施效果。 進(jìn)入 80年代以后，隨著世界各地對(duì)非點(diǎn)源污染問(wèn)題的重視程度的進(jìn)一步增加，非點(diǎn)源污染研究無(wú)論是在基礎(chǔ)研究還是在模型開(kāi)發(fā)方面都得到了飛速的發(fā)展 。 例 如 ， CREAMS(USDA, 1980) 、 ANSWERS(Beasley et al., 1980) 、GLEAMS(Leonard et al., 1987)、 AGNPS(Young et al., 1989)等諸多經(jīng)典非點(diǎn)源污染 4 模型的出現(xiàn)、傳統(tǒng)的土壤流失方程的改進(jìn) (修改為 RUSLE)(Renard et al., 1997)以及最佳管理措施 (BMPs)的進(jìn)一步發(fā)展和完善都標(biāo) 志著非點(diǎn)源污染研究已經(jīng)由原先簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析向機(jī)理模型研究轉(zhuǎn)變，由平均負(fù)荷輸出或單場(chǎng)暴雨分析向連續(xù)的時(shí)間響應(yīng)分析轉(zhuǎn)變，而模型的發(fā)展也由原先的集總式向分布式模型發(fā)展，模型的研究開(kāi)始以過(guò)程為依據(jù)、并與管理、控制措施相結(jié)合，更強(qiáng)調(diào)普遍適用性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 自 20世紀(jì) 80年代末、 90年代初以來(lái)，非點(diǎn)源污染控制相關(guān)的影響因子以及污染物遷移轉(zhuǎn)化方面的研究繼續(xù)得到加強(qiáng)，其中微生物的遷移轉(zhuǎn)化成為新的研究熱點(diǎn)。另一方面，通過(guò)在非點(diǎn)源污染模型研究中引入 RS、 GIS技術(shù) , 不僅大大提高了模型的有效性、實(shí)用性和可視化程度，而且實(shí)現(xiàn) 了從單純的非點(diǎn)源污染的數(shù)學(xué)模擬工具向一種系統(tǒng)決策工具的轉(zhuǎn)變，例如，目前應(yīng)用較為廣泛的 SWAT(Soil Water Assessment Tool)模型 (Arnold et al., 1996)、 HSPF(Hydrological Simulation ProgramFortran)模型 (Bicknell et al., 1996)等，而以非點(diǎn)源模型為基礎(chǔ)的非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制管理成為當(dāng)前模型應(yīng)用研究的一個(gè)重要方向。 與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的非點(diǎn)源污染研究起步相對(duì)稍晚，且最初 (1980－ 1990)有關(guān)非點(diǎn)源污染的研究主要圍繞城市和農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染徑流特征與污染負(fù)荷的關(guān)系分析與定量計(jì)算所展開(kāi) (夏青 , 1982。 朱萱 等 , 1985。 溫灼和等 , 1986。 吳林祖 , 1987 )。自 90年代至今，農(nóng)藥、化肥等非點(diǎn)源污染特征及其影響因子的研究與基于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型所進(jìn)行的非點(diǎn)源污染的研究依舊占重要地位，而有關(guān) 3S技術(shù)非點(diǎn)源污染的定量研究 (陳西平 , 1993。 王少平 等 , 20xx。 周慧平 等 , 20xx。 黃金良 等 , 20xx。 煙貫發(fā)等 , 20xx。)、以結(jié)合了 3S技術(shù)的水質(zhì)模型與為基礎(chǔ)的非點(diǎn)源污染定量與源識(shí)別研究 (如，楊桂蓮等 , 20xx。 陳軍鋒 和 陳秀萬(wàn) , 20xx。 李家科 等 , 20xx。 秦耀民 等 , 20xx。 趙中華 和 邱祖民 , 20xx。 王學(xué) 等 , 20xx)以及在定此基礎(chǔ)上所進(jìn)行的非點(diǎn)源污染評(píng)價(jià)和控制管理 (王曉燕 等 , 20xx