[科普中國(guó)]-面源污染

面源污染又稱非點(diǎn)源污染，主要由土壤泥沙顆粒、氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥、各種大氣顆粒物等組成，通過地表徑流、土壤侵蝕、農(nóng)田排水等方式進(jìn)入水、土壤或大氣環(huán)境。其具有的隨機(jī)性、廣泛性、滯后性、模糊性、潛伏性等特點(diǎn)，加大了相應(yīng)的研究、治理和管理政策制定的難度。

定義面源污染溶解的以及固體的污染物從非特定的地點(diǎn)，在降水(或融雪)沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體(包括河流、湖泊、水庫和海灣等)并引起水體富營(yíng)養(yǎng)化或其他形式的污染。相對(duì)點(diǎn)源污染而言，面源污染主要由地表的土壤泥沙顆粒、氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥等有害物質(zhì)、秸稈農(nóng)膜等固體廢棄物、畜禽養(yǎng)殖糞便污水、水產(chǎn)養(yǎng)殖餌料藥物、農(nóng)村生活污水垃圾、各種大氣顆粒物沉降等，通過地表徑流、土壤侵蝕、農(nóng)田排水等形式進(jìn)入水體環(huán)境所造成，具有分散性、隱蔽性、隨機(jī)性、潛伏性、累積性和模糊性等特點(diǎn)，因此不易監(jiān)測(cè)、難以量化，研究和防控的難度大。1

面源污染有廣義與狹義兩種理解：廣義指各種沒有固定排污口的環(huán)境污染，狹義通常限定于水環(huán)境的面源污染，即與降水過程伴隨產(chǎn)生的地表徑流污染。2

形成過程1、降雨徑流形成過程，即累積在流域地表的污染物受到降水的沖刷作用，隨著徑流的形成和泥沙的輸移在陸地坡面產(chǎn)生污染負(fù)荷，并隨徑流與泥沙的輸移在流域內(nèi)增加和衰減,最終到達(dá)河道。

2、土壤侵蝕和泥沙輸移過程，即面源污染物在河道內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過程。

3、污染物轉(zhuǎn)化過程。3

坡面徑流是坡面土壤泥沙流失的動(dòng)力和載體，徑流在坡面的沖刷過程實(shí)際上就是徑流與坡面土壤顆粒相互作用的過程。在這個(gè)過程中，徑流首先攜帶土壤細(xì)顆粒，侵蝕泥沙中細(xì)顆粒特別是粘粒的含量明顯增加，這導(dǎo)致了泥沙粘粒的富集。由于土壤養(yǎng)分多與土壤細(xì)顆粒結(jié)合，泥沙粘粒的富集導(dǎo)致了養(yǎng)分的富集。土壤與徑流的相互作用結(jié)果加劇了土壤養(yǎng)分或隨徑流或隨泥沙流失，其表現(xiàn)形式為：溶解于徑流中的可溶性養(yǎng)分隨徑流液流失；吸附和結(jié)合于泥沙顆粒表面的養(yǎng)分，隨著懸浮顆粒物進(jìn)入水體，同時(shí)懸浮物在水中也會(huì)釋放出一些溶解態(tài)污染物。土壤與徑流的作用、土壤養(yǎng)分與徑流-泥沙的相互轉(zhuǎn)換使土壤養(yǎng)分流失這一問題更為復(fù)雜化。4

性質(zhì)與點(diǎn)源污染集中排放廢污水相比，面源污染具有許多顯著不同的特點(diǎn)，表現(xiàn)為隨機(jī)性、廣泛性、滯后性、模糊性、潛伏性、研究和控制難度大。其主要特征概括如下

1、發(fā)生具有隨機(jī)性，因?yàn)槊嬖次廴局饕芩难h(huán)過程主要為降雨以及降雨形成徑流的過程的影響和支配，而降雨徑流具有隨機(jī)性，所以由此產(chǎn)生的面源污染從時(shí)空上都具有隨機(jī)性。

2、污染物的來源和排放點(diǎn)不固定，排放具有間歇性，而點(diǎn)源排放比較有規(guī)律如排放量、排放時(shí)間、排放地點(diǎn)等污染負(fù)荷的時(shí)間變化次降雨徑流過程、年內(nèi)不同季節(jié)及年際間和空間不同發(fā)生地點(diǎn)變化幅度大

3、監(jiān)測(cè)、控制和處理困難復(fù)雜，這是由于以上幾點(diǎn)特點(diǎn)決定的。5

面源污染的形成與土壤結(jié)構(gòu)、農(nóng)作物類型、氣候、地質(zhì)和地貌等關(guān)系密切。土壤侵蝕是規(guī)模最大、危害程度最嚴(yán)重的一種面源污染。土壤流失的強(qiáng)度取決于降雨強(qiáng)度、地形地貌、土地利用方式和植被覆蓋率等。6

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

面源污染，在20世紀(jì)30年代已被提出，但對(duì)于面源污染的全面認(rèn)識(shí)和研究始于60年代。最先使人類意識(shí)到面源污染潛在危害的是農(nóng)藥的使用，特別是DDT對(duì)河流水質(zhì)的影響。由于對(duì)面源污染形成機(jī)理和過程認(rèn)識(shí)不足，且監(jiān)測(cè)資料較少，這一時(shí)期主要采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行研究，如美國(guó)農(nóng)業(yè)部開發(fā)的徑流曲線方程（SCS）和早期的輸出系數(shù)法。

自20世紀(jì)70年代起，面源污染在世界各地逐漸受到重視，隨著對(duì)面源污染理化過程研究的深入和對(duì)其輸移過程的廣泛監(jiān)測(cè)，研究?jī)?nèi)容從簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)展到復(fù)雜的機(jī)理模型，如美國(guó)農(nóng)業(yè)部的GREAMS和GLEAMS模型，普度大學(xué)的ANSWERS模型，及美國(guó)農(nóng)業(yè)研究署和明尼蘇達(dá)州聯(lián)合開發(fā)的AGNPS模型。

80年代后，面源污染影響因素和遷移轉(zhuǎn)化理論的研究更加深入，基于流域尺度的面源污染模型相繼被開發(fā)，如CREAM、CLEAMS、HSPF、SWMM。

90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和3S技術(shù)的廣泛應(yīng)用，面源污染模型與GIS相結(jié)合，克服了以往模型對(duì)空間變異性考慮不足，發(fā)展成集合空間信息處理與分析，數(shù)據(jù)庫建立，數(shù)學(xué)計(jì)算，可視化模擬，多維評(píng)價(jià)等功能于一身，

可適用于大型流域和復(fù)雜地貌狀況的超大型流域模型。如美國(guó)農(nóng)業(yè)部開發(fā)的SWAT模型和AnnAGNPS模型，美國(guó)環(huán)保局的BASINS模型。

近20年來，隨著機(jī)理模型的廣泛應(yīng)用，模型模擬結(jié)果的不確定性問題日益凸顯。不確定性的產(chǎn)生是由于模型概化自然系統(tǒng)的過程中進(jìn)行了一系列簡(jiǎn)化與假設(shè),加之模型運(yùn)用時(shí)輸入信息的缺乏或誤差,以及獲取的參數(shù)值不確定。

如何認(rèn)識(shí)和定量評(píng)價(jià)面源污染模型模擬結(jié)果的不確定性已成為面源污染模型研究的前沿領(lǐng)域。2

主要研究方法面源污染研究方法有野外實(shí)地監(jiān)測(cè)法、人工模擬試驗(yàn)法、面源污染模型法以及GIS技術(shù)等。

1、野外實(shí)地監(jiān)測(cè)法?；A(chǔ)數(shù)據(jù)收集工作的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，而且往往由于數(shù)據(jù)資料缺乏或可靠性差等原因，影響污染負(fù)荷的估算精度。當(dāng)前，野外實(shí)地監(jiān)測(cè)在多數(shù)情況下僅是作為一種輔助手段，主要用于各類模型的驗(yàn)證和模型參數(shù)的校正。

2、綜合試驗(yàn)場(chǎng)法。在研究區(qū)域內(nèi)選擇一塊面積不大，又有代表性的典型徑流小區(qū)，在其中同步監(jiān)測(cè)降雨徑流的水量和水質(zhì)，以小區(qū)的污染單位負(fù)荷量估算整個(gè)研究區(qū)域的面源污染負(fù)荷量。此方法，工作量小，花費(fèi)也較少，因而在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。但污染負(fù)荷的估算精度不高。

3、類型劃分法方法。與綜合試驗(yàn)場(chǎng)法基本相同，不同點(diǎn)在于，先對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，根據(jù)土地利用狀況劃分為不同的非點(diǎn)源類型區(qū)，然后在每個(gè)源類型區(qū)內(nèi)選擇一塊典型小區(qū)作為徑流試驗(yàn)場(chǎng)，同步監(jiān)測(cè)水量和水質(zhì)，建立各源類型的污染負(fù)荷估算模型。這種方法考慮了不同土地利用對(duì)面源污染總負(fù)荷量的貢獻(xiàn)，因而大大提高了估算精度，但是工作量和費(fèi)用也相應(yīng)增加了很多。

4、人工模擬試驗(yàn)法。使用人工布雨器模擬出各種類型的自然降雨，在人為控制條件下模擬各種自然條件下的面源污染，可以獲取大量在野外工作中無法得到的數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)方法研究周期長(zhǎng)、耗資高等缺陷。目前，人工模擬試驗(yàn)主要用于面源污染機(jī)理和模型的研究。

5、面源污染模型法。面源污染研究模型是對(duì)污染物地表遷移過程的客觀描述，是計(jì)算污染物進(jìn)入流域中河流或湖泊負(fù)荷量的量化模擬，是面源污染研究的重要環(huán)節(jié)。面源污染模型分為機(jī)理型模型、經(jīng)驗(yàn)型模型、負(fù)荷量計(jì)算模型和控制治理模型等許多種類。以不同的模型模擬流域污染物時(shí)空分布規(guī)律和地表遷移過程、估算污染物的流失量，是目前最常用的研究方法之一。

6、GIS技術(shù)應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)。它是一個(gè)處理地理空間數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)管理、查詢分析，并可進(jìn)行輔助決策的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。GIS可極大地方便面源污染的模擬、預(yù)測(cè)和管理決策，對(duì)面源污染的定量化研究具有重要意義。

目前流域的面源污染負(fù)荷量計(jì)算的研究趨于將GIS技術(shù)、模型模擬手段和實(shí)地監(jiān)測(cè)方法相結(jié)合，得到較真實(shí)的計(jì)算值。6

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張勇 - 副教授 - 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院