城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶小流域污染特征及控制研究進(jìn)展

宋宇加

(長春科技學(xué)院環(huán)境工程系，吉林 長春 130600)

1.研究背景

我國正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快速階段，載負(fù)經(jīng)濟(jì)增長的人工建筑物、廢棄物和不斷增加的人口已經(jīng)接近甚至超過了環(huán)境承載力，中國已成為全球元素遷移產(chǎn)生污染問題最多的國家，而在中國，城市又是大多數(shù)污染物的重要來源，據(jù)《邁向環(huán)境可持續(xù)的未來——中華人民共和國環(huán)境分析》報(bào)道［1］，2012年世界十大污染嚴(yán)重城市中，我國的太原、北京、烏魯木齊、蘭州、重慶、濟(jì)南、石家莊都被列入其中，主要都是人群活動(dòng)和工業(yè)污染疊加的結(jié)果。僅大氣污染每年造成的損失就達(dá)到了國內(nèi)生產(chǎn)總值的1.2%。各種污染歸根到底都是污染物質(zhì)不合理的遷移，而造成這種結(jié)果的原因是人類自身的各種不良活動(dòng)。

2.城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶小流域的污染特征

2.1 生態(tài)特征

城市既包括典型的主城區(qū)，也包括城鄉(xiāng)交匯處的邊緣地帶。隨著中國城市化的迅速發(fā)展，越來越多的城市功能向城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶轉(zhuǎn)移，使得這里成為受城市生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)雙重影響最為明顯的地區(qū)，其特點(diǎn)是地表景觀變化迅速，物質(zhì)流和能量流大量集中，原有的自然生態(tài)系統(tǒng)受到強(qiáng)烈沖擊和改造，物質(zhì)遷移的方式和數(shù)量發(fā)生劇烈變化。因此，這里成為既不同于典型城市街區(qū)，有不同于典型農(nóng)村地區(qū)的一種過渡帶。

城市生態(tài)系統(tǒng)是一種典型的人工生態(tài)系統(tǒng)，又是一種脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。說它屬于人工系統(tǒng)，是因?yàn)榇讼到y(tǒng)以人工建筑物為主，不透水斑塊占據(jù)系統(tǒng)的主體，制造有機(jī)物和氧氣的生產(chǎn)者不足以養(yǎng)活消費(fèi)者，大量物質(zhì)和能量需要從其他生態(tài)系統(tǒng)輸入，而自身產(chǎn)生的大量廢棄物也因分解者少需要輸出到其他生態(tài)系統(tǒng)，所以，如果城市生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)不合理，必然導(dǎo)致大量污染元素?zé)o節(jié)制的輸出或堆積，當(dāng)超過生態(tài)系統(tǒng)的自我凈化能力時(shí)，污染就會(huì)發(fā)生。

2.2 污染元素遷移的狀況

城市溝谷地是連接城市基底與城市河流的紐帶，其特點(diǎn)是規(guī)模小但分布廣，遍布于各種類型的城市，類似于人體內(nèi)分布的大量毛細(xì)血管源源不斷地向大型河流輸送各種物質(zhì)，是城市水力和潛流侵蝕綜合作用的集中地，作為一種典型的水陸交錯(cuò)帶，這里往往最先接受大量的非點(diǎn)源污染物，同時(shí)往往也是容易被忽略的對(duì)象。如果其污染狀況長期得不到研究和治理，那么主要江河水體的污染問題將不可能得到根本解決。城市水環(huán)境安全也就無從談起。

非點(diǎn)源污染一般是指由于降水引起的各種污染物由大氣圈和土壤圈逐漸向水圈遷移，最終導(dǎo)致水體污染的一種污染形式。非點(diǎn)源污染是在多個(gè)圈層之間同時(shí)交叉進(jìn)行的，因此污染物遷移途徑較多，遷移過程較為復(fù)雜，同時(shí)還受到氣象、水文、地貌等外界因素的影響，所以非點(diǎn)源污染發(fā)生的隨機(jī)性、不確定性較大，近些年的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，除了受以上幾種因素影響外，土地利用、土壤特性、地表徑流、植被覆蓋等因素也會(huì)對(duì)非點(diǎn)源污染的發(fā)生、發(fā)展產(chǎn)生明顯影響。因此，有學(xué)者認(rèn)為，分散性與不確定性是非點(diǎn)源污染的最主要特征，與點(diǎn)源污染的研究不同，搞清污染物的來源、遷移途徑及時(shí)空分異規(guī)律是今后非點(diǎn)源污染研究的主要方向。

城市生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)均是非點(diǎn)源污染物的重要來源，美國環(huán)保署(EPA)的研究認(rèn)為，農(nóng)業(yè)、城市和工礦區(qū)是非點(diǎn)源污染物的主要來源，氮、磷、重金屬是其中最主要的污染元素［2］。

Chesters 和Schierow 在研究美國非點(diǎn)源污染現(xiàn)狀時(shí)指出，20 世紀(jì)60年代時(shí)，人們認(rèn)為美國地表水惡化的主要原因是點(diǎn)源污染，到了20 世紀(jì)80年代，人們才意識(shí)到，非點(diǎn)源污染對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)率被大大低估，原因是之前人們未能將點(diǎn)源污染與非點(diǎn)源污染有效地區(qū)分開，非點(diǎn)源污染才是美國河流污染的最主要原因［3］。

3.城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶小流域污染控制方法

國內(nèi)外對(duì)元素遷移的系統(tǒng)化研究始于20 世紀(jì)70年代，研究方法也在不斷的進(jìn)步，主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 野外定位監(jiān)測

這種方法是獲得研究區(qū)域各種數(shù)據(jù)的最直接最有效的方法，尤其是長期不間斷地定位監(jiān)測，可以獲得很多寶貴的數(shù)據(jù)，借以分析和找出元素遷移的時(shí)空規(guī)律。近些年來，隨著科技的發(fā)展，人們將定位監(jiān)測方法與遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，大大提高了判別能力和工作效率。

3.2 3S 技術(shù)

也就是指遙感、地理信息系統(tǒng)和衛(wèi)星定位技術(shù)。這些技術(shù)可以幫助研究者直觀準(zhǔn)確的從圖片中掌握各種環(huán)境因子的分布和變化情況，取得了一些成果，但由于非點(diǎn)源污染具有分散不確定的特點(diǎn)，地理邊界與污染發(fā)生位置難以識(shí)別和確定等原因，使得單靠這項(xiàng)技術(shù)有一定的局限性，需要與其它方法結(jié)合使用。

3.3 模型研究

模型研究在最近二十多年越來越受到重視，針對(duì)不同類別、不同來源和不同遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制的污染物，國內(nèi)外開發(fā)了很多不同的模型，如1971年美國農(nóng)業(yè)部使用通用土壤流失軟件(USLE)用于研究土壤侵蝕作用，雖然早期的模型還存在很多不成熟的地方，但還是為非點(diǎn)源污染的定量研究奠定了基礎(chǔ)。之后，越來越多模型隨之出現(xiàn)，Saleh 將SWAT 模型用于研究德克薩斯州Bosque 流域畜牧業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的富營養(yǎng)化問題;美國環(huán)保署使用基于GIS 支持的BASINS 模型研究流域點(diǎn)源與非點(diǎn)源污染綜合控制問題;美國農(nóng)業(yè)研究局研發(fā)的AGNPS 模型，用于小流域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)非點(diǎn)源污染的模擬和預(yù)測等。這些模型的優(yōu)點(diǎn)是可以提高工作效率，在一定程度上減輕野外監(jiān)測的工作量，但每種模型都有一定的局限性，其模擬的情況往往與實(shí)際情況有出入，導(dǎo)致最終的模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果出現(xiàn)偏差，因此，模型的使用一般要與實(shí)地監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)相結(jié)合使用，用以對(duì)模型進(jìn)行校正或者確定模型是否適合否以區(qū)域的元素遷移研究。

3.4 工程化治理方法

目前已在有些國家實(shí)施的水陸交錯(cuò)帶生態(tài)工程研究包括美國的植被過渡帶項(xiàng)目［4］，新西蘭的水邊休閑地項(xiàng)目［5］，英國的緩沖帶項(xiàng)目［6］，匈牙利的Kis-Balaton 項(xiàng)目以及中國的多水塘項(xiàng)目等［7］。這些工程項(xiàng)目都是利用水陸交錯(cuò)帶的截留作用治理河流水體富營養(yǎng)化的有益嘗試。

我國有關(guān)水陸交錯(cuò)帶的研究包括對(duì)水質(zhì)影響的研究，對(duì)元素遷移的影響研究，受損河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)，城市河岸帶開發(fā)研究四個(gè)方面。通過這些研究，試圖找出污染元素的來源，遷移過程和最終去向，也就是研究源—流——匯之間的關(guān)系。從研究的成果看，人們對(duì)源和匯的研究已經(jīng)比較清楚，可以找到污染元素的最初源地和最終匯聚地，但對(duì)其遷移過程尚不是很清楚。

4.結(jié)語

城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶小流域污染具有污染源分布廣泛，污染路徑復(fù)雜多樣，污染物種類繁多的特征，同時(shí)，這一區(qū)域的污染對(duì)江河干流的水質(zhì)影響很大，目前，國內(nèi)外已對(duì)其污染過程有了初步的認(rèn)識(shí)，但是很多涉及污染機(jī)理的內(nèi)容還不清楚，并且污染的治理措施相對(duì)比較單一，無法適應(yīng)不同區(qū)域，不同污染情況的治理需要，景觀生態(tài)學(xué)的治療措施相對(duì)于其他措施來說具有投資較小，治理效果明顯，且不易發(fā)生二次污染的特點(diǎn)，是未來這一區(qū)域污染治理研究的主要發(fā)展方向之一。

［1］張慶豐;羅伯特·克魯克斯;邁向環(huán)境可持續(xù)的未來——中華人民共和國環(huán)境分析［M］.北京:中國財(cái)政經(jīng)濟(jì)出版社;2012.36-37.

［2］Huaguo Xiao;Wei Ji;Relating landscape characteristics to non-point source pollution in mine waste-located watersheds using geospatial techniques ［J］;Journal of Environmental Management;2007，82:111–119.

［3］Chesters G;L Schierow;A primer on nonpoint pollution ［J］;J.Soil and Water Conserv;1985，40:9-13.

［4］Dillaha T A;Reneau R B Mostaghimi;Vegetative filter strips for agricultural ono-point source pollution control Trans ［J］;ASAE，1989，(32):513-519.

［5］Christine M;Smitha Riparian;Pasture retirement effects on sediment，phosphorus，and nitrogen in channellised surface run ‐off from pastures ［J］;New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research;1989，(23):25-29.

［6］A D Muscutt;G L Harris;S W Bailey et al.Buffer zones to improve water quality:a review of their potential use in UK agriculture ［J］;Agriculture Ecosystems ＆ Environment;1993，45，(1–2):59–77.

［7］Chengqing Yin;Ming Zhao;Weigen Jin;et al.A multi-pond system as a protective zone for the management of lakes in China，Nutrient Dynamics and Retention in Land/Water Ecotones of Lowland，Temperate Lakes and Rivers ［M］Germany:springer;1997.78-92.