水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染災(zāi)害防控中的應(yīng)用

摘 要：農(nóng)業(yè)面源污染作為水體污染的重要來源，因其污染來源廣泛且分散、污染物種類復(fù)雜多變、污染發(fā)生具有隨機性和不確定性、污染治理難度大等，成為亟待解決的問題?；诖?，闡述了水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)和新型監(jiān)測技術(shù)（遙感監(jiān)測技術(shù)、在線自動監(jiān)測技術(shù)、生物監(jiān)測技術(shù)），并重點探討了這些技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染識別、污染物遷移轉(zhuǎn)化過程追蹤和污染負荷估算中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)面源污染；水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)；遙感監(jiān)測；在線自動監(jiān)測

中圖分類號：X832 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-03

作為水體污染的重要來源之一，農(nóng)業(yè)面源污染主要指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，農(nóng)藥、化肥、畜禽糞便等污染物在降雨或灌溉過程中通過地表徑流、土壤滲濾及地下徑流等方式進入水體，對水體造成污染的現(xiàn)象。其特點包括污染來源廣泛且分散、污染物種類復(fù)雜多變、污染發(fā)生具有隨機性和不確定性、污染治理難度大等。這些特點使得農(nóng)業(yè)面源污染成為水環(huán)境保護中亟待解決的問題。

1 水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)

傳統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)作為環(huán)境保護領(lǐng)域的重要基石，長期以來使用化學(xué)分析法、物理檢測法及生物檢測法等多元化手段，為水質(zhì)評估與污染治理提供了堅實的數(shù)據(jù)支持。化學(xué)分析法通過精確測量水體中各類化學(xué)物質(zhì)的濃度，如重金屬、有機物等，揭示了水體污染的化學(xué)特征；物理檢測法則聚焦于水體的溫度、色度、濁度等物理屬性，直觀地反映水質(zhì)變化；生物檢測法則將水生生物群落的變化作為水質(zhì)污染的生物指標，提供了生態(tài)視角的評估方法。

然而，傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在展現(xiàn)其強大功能的同時，也面臨著監(jiān)測周期長、成本高昂、現(xiàn)場操作復(fù)雜、勞動強度大等挑戰(zhàn)，難以適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測對時效性強、精準度高和覆蓋面廣的更高要求[1]。為了克服這些局限問題，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的融入，傳統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)正經(jīng)歷著深刻的變革，逐步朝著自動化、智能化、遠程化方向邁進。

1.2 新型水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)

1.2.1 遙感監(jiān)測技術(shù)

作為一種先進的非接觸式監(jiān)測手段，遙感監(jiān)測技術(shù)依托衛(wèi)星與飛機等高空平臺搭載的精密傳感器，實現(xiàn)對地表水體大范圍、高效率的遠距離監(jiān)測。該技術(shù)憑借其覆蓋面廣、速度快、成本相對低廉的獨特優(yōu)勢，在農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大潛力。通過對遙感影像進行精細化分析，不僅能夠精準識別出污染發(fā)生的具體區(qū)域，還能定量評估污染的程度與范圍，為制定科學(xué)有效的污染防控策略提供空間信息支持。遙感監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，極大地提升了農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測的時效性和準確性，為生態(tài)環(huán)境保護與水資源管理貢獻了重要力量。

1.2.2 在線自動監(jiān)測技術(shù)

作為現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的一項重要創(chuàng)新，在線自動監(jiān)測技術(shù)通過在水域關(guān)鍵位置部署自動監(jiān)測站，實現(xiàn)了對水質(zhì)參數(shù)的全方位、不間斷、高精度監(jiān)測。該技術(shù)憑借其卓越的實時數(shù)據(jù)獲取能力、高度自動化的操作模式和高精度的監(jiān)測結(jié)果，成為水質(zhì)安全保障的得力助手。它不僅能夠?qū)崟r捕捉水質(zhì)參數(shù)的細微變化，還能在第一時間發(fā)現(xiàn)并報告水質(zhì)異常情況，為相關(guān)部門迅速采取污染防控措施提供了寶貴的時間。在線自動監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了水質(zhì)監(jiān)測的效率和準確性，更為水資源的持續(xù)保護與利用構(gòu)筑了一道堅實的防線。

1.2.3 生物監(jiān)測技術(shù)

生物監(jiān)測技術(shù)從獨特的生態(tài)視角，巧妙利用水生生物作為自然界的“水質(zhì)檢測員”，通過細致觀察生物種群結(jié)構(gòu)的變動、數(shù)量的增減和行為模式的變化，間接而直觀地反映出水質(zhì)狀況的變化。相較于傳統(tǒng)方法，生物監(jiān)測技術(shù)具有成本低廉、操作簡便、結(jié)果直觀易懂的優(yōu)勢，尤其適用于農(nóng)業(yè)面源污染等復(fù)雜環(huán)境條件下的水質(zhì)評估。它不僅能夠幫助相關(guān)人員深入了解水質(zhì)污染的生態(tài)效應(yīng)，還能為制定環(huán)境友好型的農(nóng)業(yè)管理措施提供科學(xué)依據(jù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護的和諧共生。

1.3 水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛且深入，構(gòu)建起一套集遙感監(jiān)測、在線自動監(jiān)測和生物監(jiān)測于一體的綜合監(jiān)測體系。這一體系充分發(fā)揮了各類技術(shù)的獨特優(yōu)勢，不僅實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)面源污染分布范圍、污染程度及動態(tài)變化的全面、精準監(jiān)測，還極大提升了監(jiān)測的時效性和準確性。

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等前沿技術(shù)的不斷融合與創(chuàng)新，水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)正加速朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向邁進。通過構(gòu)建智能監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、處理與分析，為農(nóng)業(yè)面源污染的快速識別、預(yù)警與防控提供了強有力的技術(shù)支持。同時，借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能夠深入挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)背后的規(guī)律與趨勢，為制定科學(xué)、有效的污染防控策略提供決策依據(jù)，推動農(nóng)業(yè)面源污染防控工作的精準化、高效化開展。

2 水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染識別中的應(yīng)用

2.1 污染源空間分布識別

在污染源空間分布識別方面，現(xiàn)代水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)展現(xiàn)出了強大的應(yīng)用潛力。通過運用遙感監(jiān)測技術(shù)，能夠輕松獲取農(nóng)業(yè)區(qū)域的高分辨率衛(wèi)星或航空影像。這些影像資料如同生態(tài)的“透視鏡”，使得相關(guān)人員能夠深入洞察地表細微的變化，進而精準地識別出污染源的空間分布特征。在影像分析過程中，專業(yè)的軟件與算法被用于解析影像中的光譜信息、紋理特征等，從而勾勒出污染源的輪廓與范圍。

為了進一步提升識別精度與實用性，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（GIS）不僅能夠?qū)⑦b感監(jiān)測得到的污染源信息與精準的地理位置信息相融合，還能夠通過空間分析功能，生成直觀易懂的污染源空間分布圖。這些地圖清晰地標注了污染源的地理位置、類型及規(guī)模，并通過顏色深淺、符號大小等方式，直觀地反映污染程度的差異[2]。如此一來，決策者與管理者能夠迅速把握污染分布的全貌，為制定有針對性的污染防控策略提供強有力的空間信息支持。

2.2 污染物類型及濃度識別

作為現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測的核心手段，在線自動監(jiān)測技術(shù)能夠不間斷地監(jiān)控水體中關(guān)鍵污染物的動態(tài)變化。利用高精度傳感器實時收集數(shù)據(jù)，該技術(shù)精準捕捉氮、磷等營養(yǎng)元素和農(nóng)藥殘留等有害物質(zhì)的濃度變化。分析這些數(shù)據(jù)，環(huán)保部門能迅速確定污染物類型，同時精確量化其濃度水平，從而制定有針對性的污染防控策略。這一技術(shù)的應(yīng)用顯著提升了污染監(jiān)測的時效性和準確性，有助于及時遏制農(nóng)業(yè)面源污染的擴散，保護水資源的健康與安全。

2.3 污染源貢獻率評估

在農(nóng)業(yè)面源污染防控中，污染源貢獻率的評估是制定有效防控措施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過綜合運用遙感監(jiān)測、在線自動監(jiān)測和生物監(jiān)測等先進技術(shù)手段，能夠全面且精準地收集到海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)涵蓋污染物的種類、濃度及分布范圍，反映了污染物的動態(tài)變化過程。然后，利用數(shù)據(jù)分析方法如主成分分析和聚類分析等統(tǒng)計學(xué)工具，對收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入挖掘與分析。主成分分析有助于揭示數(shù)據(jù)中的主要特征和變異來源，通過降維處理，將多個變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標，從而更加清晰地識別出主要污染源。聚類分析則能夠?qū)⑾嗨频奈廴驹催M行歸類，進一步細化污染源的分布特征。

3 水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在污染物遷移轉(zhuǎn)化過程追蹤中的應(yīng)用

3.1 污染物在土壤—水體系統(tǒng)中的遷移過程監(jiān)測

在土壤—水體系統(tǒng)中，污染物的遷移過程復(fù)雜且多變，涉及溶解、吸附、解吸、沉淀等物理化學(xué)過程。為了準確追蹤這些過程，水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)結(jié)合了多種手段。首先，通過布設(shè)土壤滲濾液監(jiān)測井和地表徑流監(jiān)測站，利用在線自動監(jiān)測技術(shù)實時監(jiān)測水體中污染物的濃度變化，結(jié)合土壤樣品分析，揭示污染物在土壤中的運移路徑。其次，利用同位素示蹤技術(shù)，通過標記特定污染物，追蹤其在土壤和水體之間的交換過程，進一步了解污染物的遷移機制。最后，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)，可以構(gòu)建污染物遷移的時空模型，為污染防控提供可視化、動態(tài)化的信息支持。

3.2 污染物在地表水—地下水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化過程追蹤

地表水與地下水之間存在著密切的水力聯(lián)系，污染物在地表水—地下水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化過程對評估水環(huán)境風(fēng)險具有重要意義。為了追蹤這一過程，水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)首先在地表水和地下水體中設(shè)置監(jiān)測斷面，利用在線自動監(jiān)測設(shè)備連續(xù)監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)，包括溶解氧、pH值、電導(dǎo)率和特定污染物的濃度等。同時，通過水文地質(zhì)調(diào)查，了解地下水的流向、流速及含水層特性，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，構(gòu)建污染物在地表水—地下水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型。這些模型能夠模擬污染物的擴散、稀釋、吸附、解吸等過程，為污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

3.3 污染物在水生生態(tài)系統(tǒng)中的累積效應(yīng)監(jiān)測

水生生態(tài)系統(tǒng)中的生物體對污染物具有不同程度的累積效應(yīng)，這種累積效應(yīng)不僅影響生物體的健康，還可能通過食物鏈影響人類。為了監(jiān)測污染物的累積效應(yīng)，水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)采用了生物監(jiān)測與化學(xué)監(jiān)測相結(jié)合的方法。一方面，通過采集水生生物樣本（如魚類、貝類、浮游生物等），分析其體內(nèi)污染物的含量和種類，評估污染物的生物累積效應(yīng)。另一方面，利用化學(xué)監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測水體中污染物的濃度變化，結(jié)合生物累積效應(yīng)數(shù)據(jù)，總結(jié)污染物在水生態(tài)系統(tǒng)中的傳遞和累積規(guī)律。此外，還可以通過建立生態(tài)毒理學(xué)實驗?zāi)Ｐ?，評估污染物對水生生物的毒性效應(yīng)和生態(tài)風(fēng)險。

4 水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在污染負荷估算中的應(yīng)用

4.1 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的污染負荷計算方法

在基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的污染負荷計算過程中，直接利用水環(huán)境監(jiān)測站點獲取實時、精確的數(shù)據(jù)是關(guān)鍵步驟。這一過程不僅能確保數(shù)據(jù)的準確性，還能保證計算結(jié)果的實時性，對及時制定污染防控策略至關(guān)重要。

具體而言，需要根據(jù)水環(huán)境監(jiān)測站點采集到的數(shù)據(jù)，精確測定污染物的濃度（設(shè)為C，單位為mg/L）和相應(yīng)水體的流量（設(shè)為Q，單位為m3/s）。采用業(yè)界公認的污染負荷計算公式，如濃度—流量乘積法（公式：負荷量=C×Q×T，其中，T為時間，單位s），計算單位時間內(nèi)的污染負荷量。這一公式直接關(guān)聯(lián)了污染物的濃度、水體流量和時間，能夠客觀地反映污染負荷的實際情況。

利用這一計算過程，可以獲取詳盡的污染負荷數(shù)據(jù)，進而對其進行統(tǒng)計分析，評估污染負荷的時空分布特征。這不僅有助于識別污染高發(fā)區(qū)域和時段，還能為制定更加精準、有效的污染防控措施提供科學(xué)依據(jù)。因此，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的污染負荷計算方法憑借數(shù)據(jù)準確、實時性強的特點，在水環(huán)境保護領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

4.2 結(jié)合水文模型的污染負荷估算

在結(jié)合水文模型進行污染負荷估算的實踐中，以某農(nóng)業(yè)流域為例，深入剖析了污染物負荷的時空分布特征。該流域的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水體受農(nóng)業(yè)面源污染影響顯著。為了精確估算污染負荷，構(gòu)建了基于SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型的系統(tǒng)，該模型能夠全面模擬流域內(nèi)的水流、水質(zhì)變化和污染物遷移轉(zhuǎn)化過程。

依托流域內(nèi)分布的多個水環(huán)境監(jiān)測站點，收集了近五年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括氮、磷等主要污染物濃度和水文參數(shù)（如流量、水位）。根據(jù)流域的水文地質(zhì)條件（如土壤類型、地形地貌）、水體特征（如河流網(wǎng)絡(luò)、湖泊分布）和農(nóng)業(yè)活動分布情況，定制了SWAT模型參數(shù)，確保該模型能夠準確反映流域的實際狀況。監(jiān)測數(shù)據(jù)涵蓋不同季節(jié)、不同降雨條件下的水質(zhì)變化，為模型提供了豐富的輸入信息。將收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)按時間序列整理，并輸入SWAT模型進行模擬運算，得到了詳細的污染負荷估算結(jié)果（表1）。

從表1可以看出，夏季的污染負荷最高，這主要源于夏季降雨頻繁，農(nóng)藥和化肥的使用量也相應(yīng)增加，導(dǎo)致大量污染物隨雨水進入水體。氮污染負荷普遍高于磷污染負荷，反映出該流域農(nóng)業(yè)活動中氮肥使用的普遍性和過量性。

結(jié)合水文模型進行污染負荷估算，不僅能夠提供更為準確、全面的污染負荷數(shù)據(jù)，還能揭示污染負荷的時空變化規(guī)律，為制定農(nóng)業(yè)面源污染的防控策略提供有力的數(shù)據(jù)支持。

4.3 多尺度污染負荷估算技術(shù)

多尺度污染負荷估算技術(shù)是指在不同空間和時間尺度上進行污染負荷估算的技術(shù)方法。由于農(nóng)業(yè)面源污染具有空間分布廣泛、時間變化復(fù)雜的特點，因此需要在多個尺度上進行污染負荷估算，以全面了解污染狀況。在空間尺度上，可以從流域、區(qū)域、小流域等不同層次進行污染負荷估算；在時間尺度上，可以根據(jù)季節(jié)、降雨事件等時間節(jié)點進行污染負荷估算[3]。通過使用多尺度污染負荷估算技術(shù)，相關(guān)人員可以更加全面地掌握農(nóng)業(yè)面源污染的時空分布特征及其對環(huán)境的影響程度。

5 結(jié)束語

水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染災(zāi)害防控中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過多尺度、多技術(shù)的綜合應(yīng)用，相關(guān)人員能夠更準確地識別污染源、追蹤污染物遷移轉(zhuǎn)化過程，并估算污染負荷結(jié)果。未來，應(yīng)繼續(xù)深化技術(shù)研究，完善監(jiān)測體系，為農(nóng)業(yè)面源污染防控提供更加科學(xué)、高效的支持。

參考文獻

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收稿日期：2024-09-18

作者簡介：司瑞敏（1983—），女，河北邯鄲人，工程師，研究方向為水環(huán)境監(jiān)測評價與研究。