熊慧欣 徐軼群

(揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇揚(yáng)州 225129)

高等學(xué)校是我國人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新的主要力量[1-3]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中央和各級地方政府持續(xù)加大了對高校的財(cái)政投入，高校在政府的大力支持下科研水平得到了很大的提升，科研成果不斷涌現(xiàn)，極大地推動(dòng)了我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。如何將科研成果在服務(wù)于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的同時(shí)融入本科教學(xué)，傳授學(xué)科前沿知識(shí)，提高學(xué)生綜合素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化，是目前值得探討的問題。

環(huán)境學(xué)是環(huán)境科學(xué)與工程類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是環(huán)境類專業(yè)學(xué)生最早接觸的一門專業(yè)課程。該課程以人類面臨的主要環(huán)境問題為主要研究對象，探討人類活動(dòng)導(dǎo)致的環(huán)境污染的成因、特征及規(guī)律，目的是使學(xué)生掌握一定的環(huán)境科學(xué)知識(shí)，了解當(dāng)前全球和我國環(huán)境問題的嚴(yán)重性、危害及產(chǎn)生的原因。由于環(huán)境科學(xué)是一門綜合學(xué)科，涉及內(nèi)容多，范圍廣，對于低年級的學(xué)生來說，很多內(nèi)容不能充分理解，加之專業(yè)老師為了完成教學(xué)內(nèi)容，更多時(shí)候是填鴨式教學(xué)，導(dǎo)致教師在講授環(huán)境學(xué)有關(guān)內(nèi)容時(shí)學(xué)生不能深入理解，只會(huì)機(jī)械記憶，且遇到實(shí)際問題不能很好應(yīng)對。因此需在環(huán)境學(xué)課程講授過程中引入一些科研成果，使學(xué)生能理論與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力[4]。該文結(jié)合多年來在科研方面的研究成果，并把這些科研成果應(yīng)用于環(huán)境學(xué)課程教學(xué)中，以期提高本科教學(xué)效果，落實(shí)該校研究型教學(xué)改革的需要，達(dá)到“授人以魚不如授人以漁”的教學(xué)目的[5]。

1 河流一維水質(zhì)模型的應(yīng)用與實(shí)踐

在環(huán)境學(xué)課程的講授過程中，一維水質(zhì)模型在污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程中具有重要的意義及地位，它主要用來評價(jià)和預(yù)測中小型河流中污染物在下游某處污染物的濃度c，從而為排污口的合理設(shè)置及污染物的削減提供依據(jù)。

上述一維水質(zhì)模型中，c0為排污口斷面污染物的初始濃度（mg/L），包括排污口上游河流中污染物的濃度和廢水中污染物的濃度；ux為河流平均流速（m/d 或m/s）；Dx為廢水與河水的縱向混合系數(shù)（m2/d或m2/s）；K為污染物的衰減系數(shù)（1/d 或1/s）；x為河水從排放口向下游流經(jīng)的距離（m）。應(yīng)用該水質(zhì)模型時(shí)，常假設(shè)該河段無其他支流或河水流量是穩(wěn)定的，因?yàn)閏和c0是濃度單位，跟水的體積或水量相關(guān)，運(yùn)算時(shí)必須河流穩(wěn)定。但在實(shí)際存在的河流中，河流由于可能存在多個(gè)排污口及支流，河水流量持續(xù)穩(wěn)定幾乎不可能出現(xiàn)，這樣就給模型的實(shí)際使用帶來困難。由于課本上只對理想狀態(tài)下的模型進(jìn)行了闡述，一旦出現(xiàn)上述復(fù)雜情況，學(xué)生將非常迷茫，特別是工作過程中遇到類似問題將無從下手。筆者在蘇州有關(guān)河流的污染物削減科研工作中也遇到類似問題，通過認(rèn)真研究，較好地解決了類似問題。

蘇州某水功能區(qū)（A）水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類水，目前水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，需提出污染物削減方案。上游水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類水。所在河流上游來水流量為24 m3/s，流速為1 m/s，河流寬度為12 m，平均水深2 m。A水功能區(qū)長為7 km，所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)有污水處理廠一座，設(shè)計(jì)規(guī)模為4 000 m3/d，執(zhí)行一級B標(biāo)準(zhǔn)，排入該水功能區(qū)。A水功能區(qū)有一支流，流量為4 m3/s，實(shí)測支流COD濃度分別為40 mg/L。水功能區(qū)沿岸有2 家紡織企業(yè)，污水直排入河，排放量分別為500 m3/d 和1 000 m3/d。水功能區(qū)調(diào)查信息如表1所示。

表1 排污口信息

從相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，要使水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)，需保證在水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測斷面的COD 達(dá)到Ⅲ類水的要求。為了解決污染物削減的問題，首先應(yīng)核算各個(gè)排污口流經(jīng)水功能區(qū)后的污染物濃度，以此作為污染物削減的依據(jù)。從上述信息可以看出，該水功能區(qū)不同的排污口離監(jiān)測（考核）斷面距離不一致，且排污量不同，加之從排污口至斷面由于支流等的原因水的流量一直變化，理想化的一維水質(zhì)模型核算某一排污口流經(jīng)某一距離的過程中要求河水流量持續(xù)穩(wěn)定，所以利用一維水質(zhì)模型核算各個(gè)排污口流經(jīng)監(jiān)測斷面的COD濃度存在困難。

研究發(fā)現(xiàn)，河流水質(zhì)模型的實(shí)質(zhì)是微生物等對好氧有機(jī)污染物的降解（衰減），污染物的衰減系數(shù)跟河水體積或流量并沒有多少關(guān)系，如果把c和c0換成污染物的量，不考慮河水體積，只考慮污染物的實(shí)際含量，無論流經(jīng)河段有多少支流，均可以利用改進(jìn)后的一維水質(zhì)模型解決實(shí)際困難問題。當(dāng)需要核算排污口下游某處的污染物濃度時(shí)，只要把該處污染物的量除于該河段河水的流量，而河水在該處的流量是比較容易計(jì)算出來的。在實(shí)際運(yùn)用過程中，如果遇到多個(gè)排污口，依然可以按照以上思路分別計(jì)算不同的排污口，最后得出排污口下游某處污染物的濃度。該案例中，首先把各排污口（或支流）的COD換算成mg/s，也就是不考慮體積單位，然后根據(jù)一維水質(zhì)模型計(jì)算各排污口（或支流）COD 流經(jīng)水功能區(qū)后在監(jiān)測斷面的實(shí)際含量，這樣就不必受制于水的流量變化帶來的運(yùn)算困難，而且很好地理清了各排污口（或支流）對監(jiān)測斷面COD含量的貢獻(xiàn)，據(jù)此可以制訂一個(gè)科學(xué)的污染物削減方案。

通過該科研成果的引入，能讓學(xué)生領(lǐng)悟到科研的魅力，把復(fù)雜的問題簡單化，從而增強(qiáng)學(xué)生探索困難、解決問題的信心與決心。

2 土壤污染防治措施的應(yīng)用與實(shí)踐

在環(huán)境學(xué)的教學(xué)過程中，土壤環(huán)境污染防治有多種方法，對于土壤重金屬污染，提出了施用化學(xué)改良劑，采用生物措施及控制氧化還原條件等措施，以控制氧化還原條件為例，教材中只有歸納式的寥寥幾句，沒有對其機(jī)理進(jìn)行闡述，故不能加深學(xué)生對知識(shí)的理解及應(yīng)用。為了讓學(xué)生進(jìn)一步理解土壤污染的防治措施，筆者以最受關(guān)注的土壤重金屬鎘污染防治為例，結(jié)合近期取得的耕地土壤污染防治科研成果，以提高學(xué)生綜合知識(shí)的運(yùn)用能力。

在土壤污染防治的研究中，耕地重金屬鎘（Cd）污染防治問題是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。我國主要的糧食作物為水稻，而水稻容易吸收積累鎘進(jìn)而威脅人類的身體健康[6-7]。因此，如何降低污染土壤中水稻鎘的積累具有重要的意義。傳統(tǒng)的土壤污染以降低土壤中重金屬的含量為目的，這樣耗資巨大且周期長，并不符合我國的國情，而通過調(diào)控措施改變土壤重金屬鎘的存在形態(tài)進(jìn)而降低水稻對鎘的積累具有更現(xiàn)實(shí)的意義。土壤中可溶和有效態(tài)的Cd 主要受Eh 和pH 值控制[8]，水稻能吸收的Cd形態(tài)主要為Cd2+，在還原的條件下Cd的吸收被抑制[9]。Ito 等把植物吸收積累有效態(tài)Cd 的減少歸因于Cd 硫化物的形成[8]，在淹水的情況下，Eh 降低，Cd主要以CdS的形態(tài)存在，排干使稻田產(chǎn)生好氧環(huán)境，Eh 升高，CdS 被氧化為Cd2+和SO42-，CdSO4具有很高的水溶性，Cd的生物有效性得到了提高。筆者通過多年的研究發(fā)現(xiàn)，通過施用有機(jī)物料，結(jié)合調(diào)控稻田水分，可以改變土壤中鎘的存在狀態(tài)，有效降低污染土壤中水稻籽粒對鎘的積累，從而達(dá)到污染土壤安全利用的目的。具體為：水稻移栽前，土壤表層（0～15 cm）添加適量有機(jī)物料，翻耕，有機(jī)物料的添加量根據(jù)表層土壤實(shí)際有機(jī)質(zhì)含量來定。水稻移栽后，稻田保持持續(xù)淹水狀態(tài)，水深5～7 cm 左右，目的是使土壤環(huán)境呈還原狀態(tài)，鎘的形態(tài)發(fā)生改變從而不利于水稻根系的吸收。在水稻特定生長階段，如灌漿期，水稻推遲1～2周排水。分蘗末期保持淹水狀態(tài)，通過提高稻田水深的方式控制水稻無效分蘗。水稻收割前，稻田自然落干或在收獲前1～2 周內(nèi)適時(shí)排水曬田，以保證水稻收獲正常進(jìn)行。

3 農(nóng)村面源污染控制技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐

由于過量施加化肥和農(nóng)藥，加之農(nóng)村生活污水、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖廢水等沒有經(jīng)過處理而隨意排放，使農(nóng)田地表徑流中含有大量的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)和有毒的農(nóng)藥。農(nóng)村面源污染具有污染面廣、來源分散、難于收集、難于治理的特點(diǎn)。過量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體，容易引起藻類及其他浮游生物大量繁殖，導(dǎo)致水體缺氧、水質(zhì)惡化、魚類等生物大量死亡。另外，富含氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的農(nóng)業(yè)退水進(jìn)入河流，將嚴(yán)重影響飲用水水源地水質(zhì)安全，需嚴(yán)格控制排污口污染物濃度及排放量。目前，由于農(nóng)村面源污染固有的特點(diǎn)，涉及污染種類多，更多的是借鑒點(diǎn)源污染控制技術(shù)進(jìn)行污染防治。在環(huán)境學(xué)的教學(xué)內(nèi)容中，沒有對農(nóng)村面源污染控制技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述，學(xué)生對這部分內(nèi)容比較陌生，筆者結(jié)合農(nóng)村面源污染控制技術(shù)方面的有關(guān)科研成果的講解，可以加強(qiáng)學(xué)生對知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。

揚(yáng)州某農(nóng)業(yè)區(qū)毗鄰京杭大運(yùn)河，存在農(nóng)業(yè)面源污染，產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)退水對附近河流帶來污染，需采取適當(dāng)措施，提升入河流農(nóng)業(yè)排水水質(zhì)，達(dá)到環(huán)保管理目標(biāo)要求。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生污染的原因主要是化肥及有機(jī)肥施用、少量畜禽養(yǎng)殖導(dǎo)致的污染，污染物主要為N、P 營養(yǎng)物質(zhì)。區(qū)域灌排水系發(fā)達(dá)，根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉排水中主要污染物的類型和遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律及面源污染的特點(diǎn)，綜合考慮投資、管理及長期有效運(yùn)行等諸多因素，可優(yōu)選人工濕地的構(gòu)建達(dá)到面源污染治理的目的。具體為：采用生態(tài)溝渠與人工濕地串聯(lián)，利用植物吸收、微生物處理以及土地吸附等途徑將污染物削減至達(dá)標(biāo)排放。即根據(jù)現(xiàn)有地勢，排水以自流為主，水泵動(dòng)力提升為輔。依托原有排灌溝渠，建設(shè)生態(tài)溝渠，含污染物的排水經(jīng)生態(tài)溝渠停留、初步處理后，進(jìn)入表面流人工濕地進(jìn)一步強(qiáng)化處理，最后達(dá)標(biāo)排放至河流。

在農(nóng)田系統(tǒng)中構(gòu)建一定的溝渠，在溝渠中配置多種植物，并在溝渠中設(shè)置透水壩、攔截壩等輔助性工程設(shè)施，對溝渠水體中氮、磷等物質(zhì)進(jìn)行攔截、吸附，從而凈化水質(zhì)。生態(tài)溝渠建設(shè)密度應(yīng)能滿足農(nóng)田排水要求和生態(tài)攔截需要，一般為每公頃農(nóng)田100 m生態(tài)溝渠，分布在農(nóng)田四周與農(nóng)田區(qū)外的河道之間。生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)主要由工程部分和生物部分組成，工程部分主要包括渠體及節(jié)制閘壩等，生物部分主要包括渠底、渠兩側(cè)的植物。在有效處理污染的同時(shí)，植物的選擇兼顧景觀效果，水生植物選擇具有相應(yīng)凈化能力優(yōu)勢物種，盡可能選用土著物種，物種的選用應(yīng)考慮污染處理效果和花期，同時(shí)高低搭配，注意植物層次性。

表面流濕地也稱水面濕地系統(tǒng)。在表面流人工濕地系統(tǒng)中，灌溉排水在濕地表面流動(dòng)，水位較淺，流速較慢。這種系統(tǒng)與自然濕地最為接近，污水中的大部分有機(jī)污染物的去除依靠生長在植物水下部分的莖、竿上的生物膜來完成。濕地中種植茭草、香蒲、美人蕉、鳶尾、再力花等生物量大、根系發(fā)達(dá)的挺水植物，利用植物的根區(qū)效應(yīng)和吸收能力凈化污染物。

4 結(jié)果和結(jié)論

蘇州某水功能區(qū)污染物削減相關(guān)科研項(xiàng)目成果的引入，加深了學(xué)生對一維水質(zhì)模型的理解并能靈活應(yīng)用。以土壤重金屬鎘為例的污染防治的科研成果案例講授，培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決生產(chǎn)實(shí)際問題的能力。揚(yáng)州某農(nóng)業(yè)區(qū)生態(tài)溝渠與人工濕地的構(gòu)建是解決農(nóng)村面源污染的一次有益嘗試，讓學(xué)生對農(nóng)業(yè)面源污染這個(gè)陌生的環(huán)境污染問題有了一個(gè)全新的理解，為后續(xù)有關(guān)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

環(huán)境學(xué)教學(xué)過程中對科研成果的引入，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境學(xué)及后續(xù)專業(yè)課程的興趣與熱情，學(xué)生愿意提出問題、討論問題，更加堅(jiān)定了學(xué)好環(huán)境專業(yè)知識(shí)解決我國環(huán)境污染問題的信心與決心。

5 結(jié)語

針對教學(xué)過程中出現(xiàn)的重要知識(shí)點(diǎn)或難于理解的內(nèi)容，可以選擇性地引入一些易理解、較前沿的相關(guān)科研成果，通過類似案例教學(xué)的方式融入教學(xué)環(huán)節(jié)中去。

專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)的目的是使學(xué)生掌握基本理論知識(shí)并能運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題，同時(shí)為后續(xù)專業(yè)課打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。專業(yè)基礎(chǔ)課由于內(nèi)容繁雜，如果采取傳統(tǒng)的教學(xué)方法，學(xué)生將感到枯燥乏味，教學(xué)效果大打折扣，研究成果的引入，不僅使教學(xué)內(nèi)容更為豐富、課堂更為活躍，還培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考問題、解決問題的能力，從而為將來走向工作崗位、繼續(xù)深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。