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加大科技创新力度 推进生态环境保护

作者:刘蔚  宋杨

中国环境科学学会2018年科学技术年会8月3日~5日在安徽省合肥市召开。年会以“助推绿色发展,建设美丽中国”为主题,通过交流学术进展,探讨科技创新,展示绿色技术,共商科技合作,推动生态文明和美丽中国建设。会上,多位中国工程院、中国科学院院士就生态环保科技创新建言献策。本报今日刊登部分观点,以飨读者。

中国工程院院士刘文清提出——

推进生态环境监测立体化

环境监测技术为生态环境保护工作提供了不可或缺的工具,所有的环境管理都是建立在准确的测量基础之上,所以大气环境监测技术是认识、理解和最终解决大气环境污染问题的一个关键。

中国工程院院士、中国科学院安徽光学精密机械研究所首席科学家刘文清指出,大气环境实际上是一个比较复杂的过程,所有的污染都是发生在整个空间,而我们现在的监测都是在近地面,所以就会有一些问题。想要描述这些污染的过程,拥有预测这些污染的能力,需要的是一套完整的大气环境监测技术,不仅仅包括技术、设备,还包括模型和一系列的相关研究,比如国外研究大气环境演变过程的一个重要手段就是大型环境模拟舱,可以把所有的设备都放在这个空间舱里。

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刘文清认为,我国在空气质量、水质、土壤环境监测方面取得了阶段性的成果,但是自动化监测、系统监测的项目还是有限,在应急方面也存在不足,仪器的互联网、物联网包括数据分析的水平都不是很高。

从国家发展和生态环境保护的战略布局考虑,必须提高生态环境监测的立体化、自动化和智能化水平,通过大众手段的综合观测来认识复杂的大气过程,通过模型模拟的对比认识大气中污染物排放及复杂的物理、化学过程,包括对空气质量、全球气候的影响。因此,多平台监测技术一体化的实现,将为我国快速治理大气复合污染提供一些关键技术和设备。

今年5月9日,我国顺利发射了高分五号卫星。刘文清介绍,高分五号卫星的一个主要任务就是对二氧化碳、甲烷、臭氧、二氧化氮、二氧化硫这些大气成分和大气气溶胶特性进行监测,满足大气环境监测和气候变化监测的需求。高分五号卫星是国际上首颗对大气和陆地高光谱卫星,是国内光谱分辨率最高的卫星,也是国内定量化要求最高的卫星,在卫星上装载有太阳漫反射板等定标器,实现光谱定标精度。高分五号卫星也是探测手段最多的光学遥感卫星。

在大气光谱测量方面,可以在测量的大气光谱中分析出各种大气成分和大气污染物。臭氧的全球分布图和二氧化氮的首图,填补了国内卫星监测在大气污染全球区域分布的空白。通过高分五号卫星,就可以观测大气污染的过程,比如5月31日~6月1日,河南南部扩散条件较差,二氧化氮开始聚集,6月2日~6日,在偏南风的作用下向北传输影响北京和天津,6月7日才在偏北风的作用下开始慢慢消散。因此,要想一个地方的污染不会成为霾,必须要继续降低各类污染物浓度。

刘文清表示,目前的重点发展方向是继续用监测数据来说明问题,继续攻关那些还没有掌握的环境监测技术和设备的研发,对影响生态环境改善、危害人体健康,进而影响国家可持续发展战略实施的领域,继续推进环境监测技术和系统的研发,比如跨国界污染纠纷方面的技术和系统的研发。同时,推进基于地基包括点源、面源、移动源、无组织源,包括机载、球载和星载平台的新型环境监测技术与系统研发。只有技术独立,才能经济独立,才能有政策独立。要不断追求更高精度、更多成分、更大范围、更加实用,小型化、轻型化会成为主流。

刘文清说,在推动环境监测和“互联网+”智慧环保/智慧环境方面,实验室研发的FTIR设备只有800克,它可以测整个红外光谱波段,可以放在小型无人机和车上对一些危险品进行监测。另外还做了一些机载方面的飞行试验。计划发展VOCs雷达。挥发性有机物是我国下一步控制的瓶颈,除了对人体有毒有害之外,可能是臭氧、细颗粒物的一个重要的组分,但是现在没有很好的测量手段。所以要用一种宽带的激光光源,这样在各个不同的波段,这些挥发性有机物都有吸收谱,可以做一个挥发性有机物的时空分布。这是当前设计的发展路线图,希望在2030年的时候,不管是区域机载的和星载的都可以进行常规的业务化运行。

中国工程院院士张偲提出——

生态恢复促进生物多样性保护

我国是生物多样性最丰富的国家之一,物种在世界排名第三,但在生物多样性的研究方面基础还比较薄弱,特别是在海洋生物多样性方面基础是比较薄弱的。

在海洋生态恢复方面,我国现在有哪些研究?进展如何?中国工程院院士、中国科学院南海海洋研究所所长张偲表示,过去5年,我国开展了南海岛礁建设,2013~2015年完成了基本的准备工作,2015~2017年完成了主要的设施建设。按照《联合国海洋法公约》的思路,要做到适宜居住、适宜生产、天然发育,就要思考如何实现南海岛礁的可持续发展,要认识岛礁自然演替的机制和促进可持续发展的机制。

张偲团队的研究方案就是实施生态恢复工程。生态恢复以后,可以优化生物的栖息地,进而促进生物多样性的保护。而生物多样性水平提升后,可以让生物群落结构得到进一步优化,更好地促进生态的恢复,形成良性循环。

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张偲介绍,2015年以后,中科院开始从事南海岛礁自然属性的稳态与安全工作,包括岛礁地下生态淡水涵养与地质稳态,岛礁多格局海洋生态系统构建与保护,观测系统和岛礁的可持续发展等。通过两年的工作,取得了一些标志性成果,南沙岛礁整体保持稳定。此外,还制定了绿化指南,建立绿色生态示范区,现在的南沙岛礁是一片绿色。同时,开展了大规模珊瑚礁生态系统修复,实现珊瑚礁生态系统人工修复技术集成,连续4年对40多个南海岛礁进行生态系统调查。尝试淡水涵养新机制,证实岛礁陆域地下水逐渐淡化的趋势,准确掌握地下水淡化进程。针对南海高湿、高温、高盐、高辐射、高辐照,研发了重腐蚀防护技术,已经取得了很好的效果。环保、新能源等技术持续上岛应用,完成可移动能源制淡平台“先导一号”,与三沙电网对接海事供电。

那么,生态恢复后,对海洋生物多样性保护起到了哪些作用?张偲表示,生态恢复促进了生物多样性的保护。对南海的生物多样性进行了研究,对南沙岛礁、吕宋海峡控制断面等进行了重点观测,对南海的动力环境特征也进行了相关研究,揭示了南海的生物多样性以及季风强迫、地形约束对生物多样性的影响。

在细菌方面,收集了很多的样品,也揭示了它的基本特征。从南海和印度洋沉积物中做了鉴定,找到了一些特殊类群,比如南沙链霉菌,有很好的环境适应性,跟环境关联性很高。在真菌物种方面做了大量的采集,收集了分离真菌1800多株,检定了其中762株,分别属于138个不同种属,其中青梅属和曲霉属是优势种群。

张偲和他的团队揭示了岛礁海洋生态修复的过程。海洋微生物膜产生后诱导很多的动物幼体和植物进行附着,附着后不断地进行二次演体,这样进行生物膜的修复。生物膜要在基底礁石上形成生物膜微生物的社区,在微生物社区里形成初始生物群落。生物群落进行多种分泌功能,分泌了大量的胞外基质,这个物质包括菌类、蛋白类,就能诱导大型生物、动物的附着。所以,生物膜具有很积极的生态学的意义。

此外,还对珊瑚礁特色物种海龙科鱼类的环境适应进化开展了研究。海龙体形很有特色,雄性具有育儿袋,具有特殊的繁育功能。对全球海马的遗传结构进行分析后发现,太平洋和印度洋谱系有明显的分化现象,同时海平面的升降、温度的变化是全球海马扩散的重要驱动因素,南海是主要的扩散起源中心。海龙科鱼类是鱼类界中进化速率最快的类群。这些工作表明,南沙岛礁的海洋生态现在是非常合适海龙、海马生长的,因为海龙、海马对南沙岛礁具有很好的适应性。

张偲说,南海的生态恢复后引来了大量的生物,包括各种各样的鱼类和其他物种,现在南海岛礁已经变成了海洋生物的美好家园。

中国工程院院士吴丰昌提出——

加快建立国家环境基准体系

加快建立国家环境基准体系,是当前我国生态环境保护的主要工作之一。环境基准是生态环境保护工作的尺子,是环境中污染物等相对安全的阈值。大气、水、土壤等生态环境是否安全,对健康是否有保障,如何评估环境风险等,都要依靠环境基准评判,更重要的是要依据环境基准制定相应的污染控制方案,确定相应的技术。标准越严,就需要越高、越绿色、越经济、越先进的技术。

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环境基准和环境标准是否一样?中国工程院院士、中国环境科学研究院副总工程师吴丰昌表示,环境基准和环境标准实际上是有差别的。环境基准是从科学研究层面上来说,要有大量的科学试验、科学数据和科学判断,它是一个相对安全的阈值,为标准制定提供参考依据。环境标准是在基准的基础上,根据不同国家的社会经济条件制定的,是法律层面上允许的红线,没有基准就没有标准。此外,基准不仅为标准提供依据,更重要的是还可以为环境质量评估、风险评估甚至监测指标等提供重要依据。

环境基准是国际生态环境保护工作的基石、尺度、目标和方向,不仅在我国,在国际上对环境健康和环境保护支撑产业的发展,以及规范环境管理、推动科技进步都有十分重要的作用。

吴丰昌介绍,我国从2000年开始进行环境基准研究,基本上处于起步阶段。在水环境基准方面,主要包括保护水生生物、水生态系统的基准,保护饮用水的基准等。土壤环境质量基准主要是以重金属为主,还有一些有机污染物尚没有进行基准研究。目前,土壤基准研究有两个重点,即农用地和建设用地,在管理上特别需要加强。我国大气环境质量标准基本是参照欧美国家的标准,但在我国特定的区域,特别是现在强调的复合污染或室内空气环境基准研究还需要加强。

吴丰昌表示,我国现行环境质量标准是1700多个,数量相对较少,类型也比较单一,而且指标基本上参照欧美发达国家。这些标准在我国环境管理初期发挥了重要作用,但随着经济社会发展到一定阶段,就出现了一些问题。环境基准研究逐渐成为国家生态环保事业不可或缺的重要组成部分,随着我国环境治理和环境管理不断制度化、科学化,环境基准的作用将会越来越显现。

针对我国水环境治理现状,吴丰昌有一些自己的初步思考。他认为,当前水环境保护取得了显著成效,但压力依然很大。举例来说,太湖是我国五大淡水湖泊之一,十年来太湖周围地区人口增长了20%,GDP增长了160%。在这样的高速发展情况下,流域的增量比较大,但水环境质量却有一定提升,特别是近十年总氮和总磷降低了50%左右,回到了20世纪90年代的水平。

他认为,当前,水环境治理有了新要求,需要新部署,治理思路就是节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力。总的来说,水环境治理需要从长计议,目前我国进入到污染治理这个阶段,实际上这和国际上一些发达国家的发展经验趋势是一致的,即从污染治理到水质改善,最后进入生态文明。这是个简单的爬坡阶段。所以,要有信心,一张蓝图绘到底,持续加强理念、技术、管理创新。随着改革管理力度加大,科技能力不断增强,我国有更好的条件进行统筹治理,不仅要强调水环境,还要强调水循环、水生态,要山水共治,不仅要注重地表水,还要注重地下水,综合运用行政、技术、经济、法律手段进行系统推进。要更加强调协同性和系统修复,建立水生态循环和良性风险防控体系,秉承科学治理的理念,继续攻坚克难,做好水环境管理保护的工作。

中国工程院院士任南琪提出——

海绵城市要有弹性和韧性

习近平总书记在2013年中央城镇化工作会议中指出,要建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市。目前,30个城市正在试点海绵城市建设,没有进入国家试点的很多城市也在开展工作。那么,海绵城市到底是什么,面临的问题是什么?

对此,中国工程院院士、哈尔滨工业大学副校长任南琪认为,一些城市在最初做海绵城市建设时进入一个误区,就是把海绵城市等同于LID(低影响开发)。尽管后来有意识地扭转这个理念,但也比较难,所以出现了一些碎片化的工程。他认为,很多城市在做的透水路面、下落式绿地等,并不是海绵城市的全部。

任南琪认为,目前我国面临的问题,不仅仅是“城市看海”、暴雨径流和管理的问题,还有长期没有解决现在必须要解决的城市水资源和水环境改善的问题,包括黑臭水体治理等,这些问题交织在一起,需要解决的问题就非常复杂了。

如何实现海绵城市建设目标?任南琪认为,海绵城市就是在适应环境的变化和应对自然灾害时,要有弹性和韧性,要重点解决城市涝灾,建立一个暴雨径流管理体系,还要解决环境污染的问题。要充分考虑水资源、水环境、水生态、水安全,还有就是中国人特别关注的水文化。

对于海绵城市建设的实质,任南琪认为,是城市水资源和水环境的综合整治。海绵城市总体规划一定要因地制宜,结合本地区要解决的关键问题,所以他提出,在总体规划中要考虑自然、地理、地貌、气象条件、基础设施的完善程度以及城市存在的关键问题,要结合起来共同推进。而且,在规划的时候一定要是大规模的,不是一个点的,而是一个流域的。

任南琪认为,在总体规划中要考虑自然、循环和功能这3点。如果将总体规划分为宏观、中观、微观来看,微观就具体到LID一些小的工程,现在一些海绵城市在建设时,很大程度上都是在做一些微观的工程而不是微观的设计,缺乏顶层设计和宏观的东西。因此,现在要围绕着山水林田湖草这个大战略,在海绵城市建设过程中从顶层上建立格局。

对于海绵城市建设未来的发展,任南琪认为,必须要走数字化道路,亟待解决的就是数据库的建立,比如地理气象信息库、水文地质、基础设施目前的状况包括污染源等,还要搭建一些符合中国国情的数学模型。数据层面搭建好后,再往上就到了应用层面,要解决顶层的管理。走这样的路就要从规划开始做数值模拟,宏观、中观、微观都要开展一些数值模拟,包括排水管网系统,从黑臭水体的治理来说也是这样,绝对不是一条河的问题,是要和周边的一些基础设施、民居、工厂紧密结合在一起,是一项系统工程。

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从管理角度看如何构建海绵城市?任南琪认为,首先是必须尽快制定相应的国家标准与规范,比如美国的LID理念实际上是建立在法律基础上的,如果要开发一块地,在审批的时候就必须按照其原有的规划来进行思考。原有的规划是一个渗、滞、蓄、净的系统,建设以后怎么能够补偿这个渗、滞、蓄、净,从规划时就考虑到了,而我国现在没有这套系统。另外是模型的建立,适合中国海绵城市建设的模型现在必须尽快开发,包括暴雨径流管理、水质和水量的模型等。国外的LID等成功的经验,它的一些数值模型是什么关系、如何引进,这些问题都是非常重要的。

中国工程院院士段宁提出——

开发利用好实时原样分析技术

近几年发生的一些污染事故,在发生前都没有得到有效的预警。而如果能够事先通过监测分析出污染物的浓度以及特性等信息,就可以有效避免一些污染事故的发生。中国工程院院士、中国环境科学研究院研究员段宁在中国环境科学学会2018年科学技术年会闭幕式的特邀报告中,介绍了当前正在开发的实时原样分析技术及在污染物过程监测中的应用。

什么是“实时”?就是分析一个样品,可以马上出结果不需要等待。什么叫“原样”?就是指样品来了以后不需要任何预处理也不需要稀释。段宁指出,目前开发的实时原样在线监测技术,用现代物理方法取代古典的物理方法和传统的化学反应方法,取消了对样品的复杂预处理。既不要稀释,也不要各种化学反应,实现了对高浓度、强包裹、多相态、多价态物质共存的复杂液体的监测。最近这些年发生了不少的污染事故,这些事故在发生前都没有得到预警。比如前两年的一个污染事故,源于一种剧毒物质。如果事先能够知道它的浓度,以及易超标等预警信息,就可以避免发生这样的污染事故。但是目前的预警做不到,样品都要进行很多预处理。物理方法比如稀释,化学反应比如加注射剂等,这样两个小时就过去了,事故就发生了。同样,在环境的污染治理设备中这个技术也很重要。各个池子中营养成分多少,现在也是需要两个多小时才能得到结果。比如储氮的设施,硝化池的多少,反硝化池多少,现在都需要两个小时才能出结果。如果氧浓度不够没有实时发出警报可能浓度超标了,还可能造成水电费用增加。垃圾填埋场和渗滤液都存在这个问题。

段宁说,光度法原理有三句话。第一句话,颜色的出现是由于色光吸收产生的;第二句话,电子能级跃迁,从这个能级跃迁到另一个能级是需要能力的,如果碰到绿光它吸收绿光,光里就没有绿色了;第三句话,吸光物质对可见光的吸收必须符合普朗克条件,只有当入射光能量比可见光浓度差才能被吸收。正如牛顿300多年前所说:“光线并没有颜色,并不是人们说的赤橙黄绿青蓝紫,只有某种能激起这样或那样颜色感觉的本领或倾向。”色度法理论跟光度学不一样,一切颜色都是光刺激人眼而产生的,颜色的形成过程,光源的光线照射到物体上,物体对光进行吸收之后,将其余的光线投射或反射出来,这部分光线到达人眼,或者光源光线直接到达人眼,光线到达人眼后给人眼的感觉细胞以刺激,刺激再传输到大脑神经,从而产生颜色的感觉。

段宁指出,把光度学和色度学这两种方法结合起来,就可以实现实时原样分析,就可以取消复杂的物理预处理过程和复杂的化学处理过程。如果再使用人工智能技术,就可以实现原样再监测。当然,一个技术从发明到试用到推广还有很长的过程,还要不断努力。

中国科学院院士江桂斌提出——

加强环境污染健康影响研究

当前,经济社会快速发展,健康日益成为人们追求的重要目标,而影响健康的因素有遗传因素、环境因素等。

中国科学院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员江桂斌介绍说:“近代工业的发展污染催生了环境保护的需求,我国面临着复杂的环境污染问题,也面临着复杂的健康问题。近年来,我国生态环境保护工作取得了显著成效,但因环境因素导致的发病率在增加,这是我国未来面对的最大挑战,必须加强环境污染与人体健康之间关系的研究。”

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江桂斌以持久性有机污染物(POPs)举例:“它可以累积长期迁移,并会对进化产生影响,修改生物的碱基对,影响人体免疫系统。我国积极履行《斯德哥尔摩公约》,开发和利用环境无害化的替代工艺和化学品,保护人类健康和环境免受持久性有机污染物的危害。”为此,江桂斌建议,应继续加强化学品管理的方法和机制建设,健全相关的政策法规,努力做好化学品上市的风险评估。

江桂斌提出,要改善一个地方的污染情况需要长时间的努力,而解决健康问题则需要更长的时间,而我国目前在环境化学和毒理学方面的研究还需进一步加强。他还指出当前生命科学和毒理学的研究热点是表观遗传学,即研究表观的遗传对生命健康的影响。

此外,江桂斌还表示,我国应进一步加强流行病学和毒理学的研究,在未来探索建立符合我国国情的环境健康路线图。“健康问题关系到每一个人,关系到制定政策的官员,也关系到研究者和老百姓。所以,每个人应保持阳光的心态,适当运动,多元饮食,增强自身的抵抗力。”

文章来源:人民网

原文链接:http://env.people.com.cn/n1/2018/0813/c1010-30224869.html

图片来源:pixabay.com

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