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1、(完整word版)湖泊水污染控制理论与技术的方法研究湖泊水污染控制理论与技术的方法研究姓名：邓小亮 学号：0830101066 摘要：随着工业进步和社会发展，水污染亦日趋严重，成了世界性的头号环境治理难题。其中，湖泊污染是水污染控制与治理的重点，亦是难点。太湖蓝藻事件给人们敲了警钟。湖泊流域各地在污染治理方面做了大量工作，取得了一定成效，取得了阶段性进展，局部有所改善。但必须看到，湖泊污染严重的状况还未从根本上改变，边污染、边治理的现象依然存在，富营养化的问题依然比较突出，形势依然十分严峻，特别是一些经济发达地区和城市的湖泊，仍然重病缠身，亟待休养生息。关键字：水污染控制 湖泊污染 流域分析
2、空间插值1.中国湖泊污染研究背景湖泊在本流域是开放型水体，接纳四面八方来水，流域内人类活动对水土资源的影响最终都会在湖泊水体的量和质上得到反应。就湖泊水污染而言，工业废水的排放、农田生产、畜牧养殖、社区生活、资源开发等，都是参与流域水循环的污染源。太湖、滇池、巢湖都是有一定流域面积的湖泊。如太湖流域面积比海南省的面积还大，是我国重要的经济社会区域，城市与乡村、工业与农业综合发展，水土资源开发利用程度极高.因此，污染湖泊水体的物质来源就更具多向性特征。随着流域内社会经济的快速发展,入湖污染物的种类和数量剧增,导致湖泊水质恶化、富营养化程度不断加重.为改善湖泊的水环境和水生态状况,需采取外源污染防
3、治与生态修复相结合的方式(国家环境保护总局, 2004);其中流域内的外源污染控制作为最根本的解决途径倍受关注,也开展了大量的相关研究和实践.但就目前我国的湖泊水污染防治而言,主要存在4个方面的问题:首先,多以行政区划为污染防治的规划制定和实施单元,未能体现流域的自然属性;其次,多侧重于对单一法规、标准的关注,从而使得污染防治方案更多地以点源为首要的控制对象,特别是工业和城镇生活污染物的排放,而缺乏从流域系统角度对水质达标的考虑,对面源污染的控制有所涉及但仍属起步阶段,尚难以实现预期的水环境管理目标;第三,对污染物在流域和湖泊间的输移过程亟需进一步深入分析,并以此为基础开展污染防治方案的制定;
4、第四,在水污染防治方案的制定中,对国内外相关研究的进展分析不够.2.基于流域分析方法的湖泊水污染研究2.1研究指导思想随着湖泊水污染防治工作的开展和相关研究的深入,传统的以行政区划为基础、将点源与非点源分割治理的方法越来越显示出其不适应性.而与此同时,自1980年代始,随着水环境问题研究的不断深入,以流域为水环境管理基本单元的理念在国际上得到了日益广泛的认可(USEPA, 1994;Brady, 1996; National Research Counci,l 1999;Westervel,t 2001;许振成等, 2003),特别是提高了对非点源污染(He, 2003)、生物水质标准和生态系
5、统管理的关注程度.从自然地理特征上讲,流域是指水系的汇水区域,是具有水文功能的连续体.据景观生态学理论(傅伯杰等, 2001),流域是以河流为廊道,由“山地-平原-湖区”斑块所组成的空间联合体,是人类赖以生存的基础.同时,流域又具有鲜明的社会、经济和生态属性,湖泊-流域的服务功能也多体现于此.2.2于流域分析方法的湖泊水污染综合防治框架分析方法基础对湖泊-流域的水污染综合防治而言,应将全流域视为一个基本的和完整的管理单元,并在流域尺度上采用一种综合性和整体性的分析方法.依据对流域基本特征的分析,湖泊的水污染防治需以其流域为基本单元,综合考虑流域的水文和污染物输移过程,以此制定污染控制方案并进行
6、优选.由此,结合国内外的相关研究进展,本文提出以流域保护方法、流域分析和景观生态学为基础的流域分析方法,作为解决上述问题的途径.流域分析方法在管理单元与尺度、方案制定原则、方案制定方法与步骤等方面吸纳了流域保护方法和流域分析的要点,体现了以流域为单元的思想;在分析污染物在流域和湖泊间的输移过程时,则应用了景观生态学的基本理论和方法.与我国目前以行政辖区为基础的湖泊水污染防治模式相比,流域分析方法在管理尺度的选择、对污染物输移过程的理解以及对非点源治理的关注等方面均有较大的差异.流域保护方法关注的对象是流域内所有与水污染相关的自然和社会经济要素,并将其纳入综合方案的制定之中.流域保护方法有如下的
7、基本原则:流域尺度:污染控制和管理策略要在特定的地理单元内开展,多采用景观和流域尺度,并以坚实的科学数据与综合的科学知识为依托,反复对方案进行修正;利益相关者的参与;制定综合方案,设定优选顺序;将方案评价纳入整个分析过程之中.与此对应,流域分析方法也将关注流域尺度内的不同要素,在方案的制定过程中广泛采纳不同相关群体的意见,并在此基础上对方案进行优选.与流域保护方法不同,流域分析主要侧重于操作过程,其步骤为:特征描述、问题辨识、现状评价、参考状态选定、综合分析、方案推荐.其中,特征描述主要是分析相关的物化、生物和社会要素;参考状态选择的目的在于确定目标;综合分析在于总结前述过程的研究结果,为确立
8、推荐方案提供基础.流域分析的6个步骤将为湖泊水污染防治中的流域分析方法提供借鉴.因此,从空间布局上分析,湖泊-流域的水污染防治需统筹考虑不同斑块的污染物输出,以及河流廊道对污染物的传输和净化作用.综上,湖泊水污染防治中的流域分析方法就是要在宏观尺度上贯穿流域保护方法的思想,在实际设计中以流域分析的步骤为依据,制定综合方案,并对项目及其实施区域进行优选;为实现污染控制目标,在方案的空间布局上以流域的景观格局分析为基础,从源头(点源治理、农业和农村面源控制、水土流失防治)、途径(河道生态修复与污染控制)、末端(河流入湖口污染削减)以及汇(内源清除)等多方面入手进行设计和实施.此外,由于流域界限与行
9、政边界大多不重叠,在一定程度上制约了流域保护方法的切实应用,因此,在实施湖泊水污染综合防治时,需划分出一些面积相对较小、行政区划相对简单的子流域.分析方法框架根据上述分析,提出湖泊水污染防治中流域分析方法的主要内容:根据流域的自然和生态环境现状,以入湖河流为重要的景观廊道,划分水污染防治子流域;通过对子流域内污染源的控制,减少入河污染物量;通过对河道的污染治理和恢复,增强其对污染物的净化作用;再通过对入湖河口的生态修复和内源疏浚,进一步削减入湖污染物量;经过以上过程,从而建立“源-途径-末端-汇”全过程的污染控制体系.其中,确定研究的尺度是流域分析方法的基础对于制定法规政策而言,无疑需较大的尺
10、度,而对于设计污染防治工程而言,则需要遵循自然流域特征,选择相对较小的尺度.由此,在制定污染控制对策时,首要工作是根据流域景观格局分析和污染物迁移途径划分子流域.在流域分析的6步骤基础上,本文提出湖泊水污染防治中流域分析方法的主要步骤(图1):子流域划分与污染负荷计算,对比分析不同子流域的污染特点和污染负荷,以此识别出主要的环境问题及其对湖泊总污染负荷的贡献率,从而确定重点污染控制区域和敏感地带;根据污染物在子流域中的传输规律和路径,设计不同的、有针对性的污染防治方案,主要是建立起一套系统的、立体的和多层次的“源途径末端汇”以及“山地平原河道湖区”相结合的4级污染物削减体系;针对不同的防治对策
11、,在实地调研的基础上,结合目前国内外在湖泊和流域水污染防治实践中采用的工程和管理技术,提出备选技术方案;技术方案优选,并分子流域单独设计多目标的技术优选评价体系,由方案编制组、地方相关专家和公众等对技术进行评价,以此提出最优的技术,再将优选出的技术和设计规模同地方相关机构和主管部门充分协商和征求意见,以最终确定技术和规模大小;计算优选技术方案对子流域内污染负荷的削减率,以及对预期目标的满足程度,以此对工程方案进行优先性分析,对方案的实施规模做进一步调整;子流域技术方案汇总与优先实施方案的推荐,汇总各子流域的技术集合得到流域的水污染综合防治方案.2.3建议在目前我国以行政区划为管理单元的现状下,
12、实施以流域分析方法为基础的污染控制仍面临一些挑战,并需要在如下方面做出努力:在管理体制上,将流域管理与行政区域管理相结合,建立跨行政区域的协调机构,在流域管理、政策与法规制定、冲突协调以及污染补偿等方面开展工作,并逐步向流域综合管理过渡;在规划设计和实施过程中吸收利益相关者的参与,在基础信息收集、环境问题诊断以及工程和管理措施计等过程中通过问卷调查、访谈和规划方案公示等途径征询公众意见和意愿,并建立规划中的公众参与保障机制;在上述工作的基础上,以子流域为口径统计污染负荷,分子流域设计工程和管理措施,并评价污染削减效果,以保障流域水污染防治工作的顺利实施;水污染防治工程和管理措施的设计和实施要兼
13、顾流域内的社会经济发展,并对措施的规模和时空布局进行优化.3.基于空间插值分析方法的湖泊水污染研究常规方法无法对空间中所有点进行观测,但是可以获得一定数量的空间样本,这些样本反映了空间分布的全部或部分特征,并可以据此预测未知地理空间的特征.在这一意义上,空间内插可以被定义为根据已知的空间数据估计(预测)未知空间的数据值.空间插值方法被广泛应用于各种地理要素(气温、降雨量、大气环境等)的估值.污染物浓度的空间内插对于监测点十分稀少、但要获取大量数据的污染物分析研究具有十分重要的实际意义.作者在实地取样分析获得最新资料的情况下利用空间插值对长湖污染现状进行分析,得出其污染现状在空间上的分布情况.3
14、.1研究方法水质各指标的实际观测值只能在有限的代表性监测点上获得,如何将这些点上同一时间内实测的浓度信息外推到整个研究区域,长期以来,国内外已进行了大量的研究,并总结出了多种方法.根据本研究及其他学者相关研究结果来看,反距离加权方法与Kriging内插法在空间估值中效果明显好于其他方法。3.1.1反距离加权方法反距离加权法是最常用的空间内插方法之一.它认为与未采样点距离最近的若干个点对未采样点值的贡献最大,其贡献与距离成反比.距离倒数加权法的优点是算法简单,易于实现.在进行插值时其结果在用于插值数据的最大值和最小值之间,用这种插值结果绘出的等值线平滑美观.其表示公式为:式中,Z是估计值,Zi是
15、第(ii=1,n)个样本,Di是距离,p是距离的幂,它显著影响内插的结果,它的选择标准是最小平均绝对误差.3.2.2 Kriging内插法Kriging内插法分为两步:1)对空间场进行结构分析;2)在该模型的基础上进行kriging计算.Matheron给出了Kriging的一般公式:式中,Z(xi)为观测值,它们分别位于区域内xi位置;x0是一个未采样点;i为权,并且其和等于1.kriging法以空间结构分析为基础进行估值,因此该法充分利用了数据空间场的性质,在插值过程中可以反映空间场的各向异性,并且充分利用数据点之间的空间相关性;可以自动识别样品点的空间分布.3.3结论与讨论(1)整个长湖
16、污染比较严重,大部分水域水质都处于类和劣类,也就是说,长湖的全部水域均超过了湖北省人民政府规定的应执行的类水质标准.(2)利用空间插值得出湖泊污染物的分布模式具有可行性与实用性,从而合理布局监测点,减少水质监测项目工程的投资.(3)监测点数据的特性,站点样本的位置、空间密度、测量数据的精度、空间变异性等都会影响插值结果的精度.在进行要素空间插值之前,需对站点数据的空间变异性与相关性进行分析,在此基础上选择合适的空间插值模型.(4)水体污染物的时空分布还会受到监测点的布设以及季节等因素的影响,但是由于资料所限,在本文研究中,由于监测点数据的有限性,对模型的精度也会有一定的影响,但此插值结果可以作为下一次采样的依据和对长湖水质进行初步评价.4.结语湖泊是陆域景观中的重要组分,为人类提供了多样的服务功能,在保护湖泊、控制水污染的过程中，我们有许多条路可走。但是，无论采用
