關于五大湖區域水資源污染的研究和分析

肖致遠

（江西心遠中學，江西 南昌 330006）

1.引言

在當今社會，技術在不斷發展的同時，人們在生活的各個方面都需要以不同的方式去消耗環境資源。也就是說，人們在生產的過程中不可避免地利用到原料來制造工業產品及農業產品，可視作為以環境惡化為代價來進行牟利。為了衡量過去20年水質變化的程度，學者們將經濟概念引入到環境領域之中，以達到量化過去的環境損失為未來的運營模式起到預測作用。

這篇論文也打算以這種的方式去衡量利弊，本文通過各種類型的水環境相關數據，對近20年的水環境變化進行概要整合。在確定環境代價和經濟利益之間的關系的過程中，人們建立了一個全新的學科，稱為環境經濟學，它研究如何使企業保持盈利與環保之間的平衡去進行運營并致力于量化抽象的環境損失。實現綠色經濟的過程中。我們需要去改變產品和生產的方式，并合理地以供需變化去應對。在環境經濟學中，人們把環境視為是商品的成本，試圖在環境與商業之間尋求平衡。

本次研究將選取五大湖作為研究對象。五大湖，又名北美五大湖，是位于北美中東部地區的一系列大型淡水湖泊，通過圣勞倫斯河與大西洋相連，占世界淡水總量的21%。五大湖分別是是蘇必利爾湖、密歇根湖、休倫湖、伊利湖和安大略湖，位于加拿大和美國的邊界。根據大量的研究，五大湖遭受著各種各樣的水污染。

本文深入探討了當前水污染的程度與多年前的比較，以及緩解污染壓力的模式。污染通常以兩種不同的形式發生。在微觀層面上，水中滋生的微生物和藻類可能會影響水質。另外，農業和運輸可能會造成像水土流失或過度排放的問題。來自農業或工業的數億噸污水連同化肥和殺蟲劑或工業生產過程中加工過的化學廢料流入湖泊或海洋。

技術和法律的進步也為解決水污染問題提供了條件。生產技術的改進有助于減輕污染源的壓力。許多地方選擇了生態高效的勞動方式，如噴灌、滴灌和合理使用化肥，而不是傳統的方式；同時，1972年頒布的《清潔水法》最早通過立法的形式了規定了水的排放規則，這為保護水提供了一個新的起點。此外，許多志愿者和市民自發組織起來，對預防水污染采取行動。

從經濟學家的角度來看，環境利用應被視為發展的一種代價。外部性問題是指發展過程中生產者所產生的成本或收益，而不是由該生產者自身承擔或獲得的，它不可避免地以環境損失為代價破壞環境。經濟學家試圖以價格為單位去量化環境，以發現其與發展的關系。例如，在估算五大湖的水量時，他們不僅會測量水體的儲備，還會包括一些其他的方法。這種“使用”價值可能只是正確定義的經濟價值的一小部分。而環保設施如交通或瀕危物種的“非使用”價值也應該被考慮。因此，人們應該把污染和發展聯系起來，權衡利弊。

2.相關文獻

在以往對湖泊污染的實驗和研究中，大學和政府都獲得了大量的數據和信息。Robert Howarth, Andrew Sharpley和Dan Walker計算出大約60%的河流和湖泊由于富營養化而嚴重退化。人類活動使氮、磷、鉀等化學元素在湖泊中大量存在，并造成了一些自然問題，如赤潮。并提出了一些解決問題的方法，如將地區里過剩的營養引入到更大范圍的生態中，而不是局限于單一的湖泊。

另一份由Lin Ma和Maryna Strokal撰寫的關于中國農業轉型和營養物質污染的報告。本文著重介紹了農業秸稈種植轉型前后水質的變化情況。在中國，人們不習慣把牲畜的糞便和污水直接倒進河里。但近年來，人們開始把農業殘留物直接放入水中。2010年以前，只有5%的養分能夠進入水體，而現在已經超過了30%。養分的變化會對水質產生影響。

在認識到環境帶來的重大環境破壞和社會破壞后，人們將目光轉向如何預防和修復這一現象。Claude Boyd試圖為人們找出一種實用的方法來去除水中過多的元素，如礦物質元素所以他提出了一些方法，比如植被控制（通過控制當地的植被來間接控制排放），為環境選擇合適的物種，從廢水中去除營養（人們可以從污水中分離元素），并在水中種植一些植物來平衡湖泊中的元素（水生物如鳳眼蓮有助于凈化水）。

人們逐漸意識到生態政策帶來的收入。在David a .Keisera和Catherine L. Kling的研究中，政策開始帶來了低而不穩定的利潤。1972年，《清潔水法》開始在清潔項目上投資超過19億美元，以及公眾捐贈的資金。他們意識到有限的投資忽略了一些潛在的經濟利潤，過度關注損失。他們考慮到保護環境的價值，對農業和漁業進行了一些改進。環境改善的真正好處不僅是直接的，同時也是間接的。

在Apoorva M. Sampat和Andrea Hicks的研究中，他們提出了一種方法來量化經濟帶來的利潤，并將經濟引入生態學之中。這樣，水資源和環境損耗就可以標為商品來計算了。他們利用一個框架來估計HABS對Yahara牲畜廢物管理研究帶來的實際損失。他們的研究表明，利用協調的市場分析來證明這種經濟影響對研究地區的營養和其他種類的污染。他們設法將利潤與政府調控的政策聯系起來。

3.案例背景

3.1 五大湖

3.1.1 地理位置

五大湖的地理位置五大湖是北美中東部上地區一系列相互連通的淡水湖，與大西洋相連。五大湖被命名為蘇必利爾湖、密歇根湖、休倫湖、伊利湖和安大略湖，位于美國和加拿大的邊界附近。湖泊中的水從西向東流過，從西蘇必利爾湖到東安大略。除了密歇根湖和休倫湖以外，每個湖的水位都隨著水流而下降。

3.1.2 五大湖的形成

五大湖是在一百萬年前的地質運動中形成的。如今，五大湖位于因冰川侵蝕和崩塌而擴大的山谷中。陸地上的冰塊降低了河谷的高度，形成了幾米深的盆地。然后在第四紀，山谷中的冰川恢復了數千年，融化并填滿了山谷。數百萬噸的水流入湖泊，在湖泊之間形成小溪。之后，這些水將通過圣勞倫斯河流入大西洋。

3.1.3 五大湖的地質特征

五大湖最深的地方，也是世界上第二深的地方，在蘇必利爾湖水深超過1000英寸。此外,五大湖是全世界最大的淡水資源儲存庫和最大的淡水湖，儲備了美國超過20%的淡水資源。

3.1.4 大湖的經濟條件

在五大湖周圍的地區主要是工業區，依靠工業生產發展。東北部的阿巴拉契亞山脈沿著五大湖分布著豐富的煤炭和鐵礦石。天然河流和運河形成了連接湖泊和海洋的水道，為航運提供了良好的條件。而且，東北大西洋沿岸有紐約、費城、波士頓、巴爾的摩等重要港口，對外交通十分便利。東北地區是世界上最發達的地區，有著百年工業基礎。

3.1.5 五大湖的環境污染

盡管五大湖占據了超過五分之一的地表水。然而，由于工業生產和農業的污染，五大湖的水質日益下降。在一些地區，由于汞和未經處理的污水排放的增加，人們甚至不能喝除湖泊以外的一些地區的污染水。此外，流入湖泊的污水無法從湖泊排出，因為部分污水進入湖底，并將污水與凈水混合在一起，使水受到污染。

3.2 五大湖上的航運

這些湖泊占據了美國一半以上的內陸航線，這些航線是連接五大湖地區和大西洋的動脈。連接伊利湖和安大略湖的韋蘭運河可以將船只抬高近100米。位于蘇必利爾湖和安大略湖邊界的大環可以容納船舶噸位超過60000噸的大型船舶。此外。伊利運河有助于連接五大湖和大西洋，并使其中的大型船只將不只是在孤立的地區通航。

3.2.1 五大湖航線數量的提升

五大湖的航線為生活在大西洋沿岸的人們提供了生活必需品，并將一些貨物出口到國外。寬闊的湖泊和運河為人們運輸貨物到其他地方提供了良好的環境。大量的礦石資源和森林資源出口到其他地方，需要大型的儲罐來運輸貨物。因此，越來越多的元材料需要從五大湖區域流出到大西洋沿岸城市。

3.2.2 湖泊過量船舶的負面影響

航線上超量船舶會造成一些環境問題。首先，聲學污染可能會影響生活在那里的生物。發動機發出的噪聲在水中可能會增大，影響到水生生物。這種聲音可能會干擾動物群內部的正常交流和食物捕食。此外，運輸帶來的污染物導致水質惡化，進一步破壞生態系統。

3.3 水質的指示劑

3.3.1 光合有效輻射

太陽輻射中對植物光合作用有效的光譜成分稱為光合有效輻射。光譜成分范圍為380-710，與可見光近似一致。而光合作用則代表植物生命活動的能量來源、生物體的結合和生產的形成在不受其他環境限制的條件下，植物光合作用隨PAR的增加而增加。PAR通常隨季節和年份而變化，可由衛星檢測到。

3.3.2 海表溫度

海水表面溫度是由太陽輻射能量吸收和釋放的對比決定的。這主要是由于地球上的太陽輻射不均勻，并根據地球的位置將溫度提高到不同的程度。

4.數據描述

4.1 葉綠素

4.1.1 定義

葉綠素是植物的綠色色素，能促進光合作用。葉綠素不穩定，在酸性和堿性環境下容易轉化為其他物質。因此，我們可以通過某些地方的葉綠素含量來判斷環境。光合作用是指葉綠素將二氧化碳和水轉化為氧氣的過程。光合作用的第一步是葉綠素電離。我們選擇葉綠素作為研究對象，因為它既容易觀察變化，又很重要。

4.1.2 葉綠素與養分污染

與土壤一樣，水體中也含有大量的養分物質，如磷，氮、鉀等。這些物質為依賴它們的動植物提供了重要的能量和營養，但另一方面，土地變硬，水體富營養化也會導致一些問題。這些元素可能來自洗衣和農業活動，人們會將未經處理的污水直接排放到湖里，導致破壞。過量的養分將為藻類提供足夠的資源基礎。當藻類數量大量增加并照亮湖面時，留給水平面以下動物的生存空間就所剩無幾了。藻類在湖泊中消耗大量的能量，并逐漸降低河流中的氧氣含量，導致浮游生物和魚類的死亡。所以一些水生動物死于食物和氧氣。因此，保持良好的平衡應該是保護環境的重要組成部分。

4.1.3 營養污染的嚴峻

近年來，過度挖掘和農業生產加重了五大湖地區的負擔。營養污染主要來自農業和工業污水中的營養過量。隨著農村和市中心地區的規模和人口的發展，生活所需的更多的東西不可避免地停止了對湖泊的破壞。這些污染物覆蓋了湖泊環境，并導致長期的環境惡化。從數據中，我們得出結論，加拿大近25%的農業生產和美國7%的農業生產發生在五大湖。為了防止養分污染而停止污水排放是不可避免的，也是不現實的。

當我們分析收集到的五大湖葉綠素濃度數據時。我們發現葉綠素濃度高的地方通常位于湖濱，特別是在一些先進的工農業中。因此，更合理的說法是，根據葉綠素濃度的變化，工業制造和農業生產在一定程度上導致了環境的惡化。在大多數地區，葉綠素濃度約為0.5 - 1mg /m3，但在一些地區含量超過10 mg/m3。流入伊利湖和安大略湖的水含有大量的沉積物，如葉綠素和一些被污染的造成富營養化的物質

4.2 溫度

在五大湖地區搜索的溫度數據表明，自1970年以來，五大湖地區的溫度逐漸上升。相關研究表明，凍結面積每10年減少約5%。過去，五大湖的冰凍期是從12月到明年5月。而在2021年，五大湖在同一個月凍結和解凍。由于比熱容高，像五大湖這樣的地方與其他地方相比氣候變化少。

與其他沿湖地區相比，湖泊中心的水溫變化差別較小。在湖的一些地方，由于工業和農業的影響，溫度變化很大。在一些地區，由于熱島效應，溫度非常高。這些區域通常靠近城市，那里一些密集的建筑區域會吸收更多的熱量，比湖泊的比熱比低。此外，深水區溫度低于清潔區溫度。總的來說，五大湖地區的溫度略有上升。這種變化在一些工業地區是很明顯的。

4.3 輻射

太陽的輻射為地球的運動提供了至關重要的能量。在五大湖中，潮汐的流向、溫度和許多其他生態條件都直接或間接地與太陽輻射有關。太陽輻射中對植物光合作用有效的有效成分稱為光合有效輻射。PAR在一定程度上控制著光合作用的速率。

五大湖區域瞬時光合有效輻射(PAR)的空間分布存在顯著差異，總體特征為東南環湖、中心高;各數值變化25%，范圍約為0.15 - 0.20 m2s。冬季平均PAR在第1期顯著減少的區域主要集中在西部湖泊，冬季平均PAR顯著增加的區域主要集中在東部湖泊。

4.4 降水

由于五大湖地區位于冷熱氣流的交匯處，而且中部地區沒有高山阻擋南下的冷空氣，因此冬季降雨量較高。由于五大湖系統水汽充足，氣候比同緯度地區濕潤，年降水量的季節變化相對較小。

4.5 人口統計

我們獲得了2010年到2020年居住在密歇根州和美國的人口的GDP和失業率的數據并去進行比較。通過搜索這樣的數據，我們想找到就業方面的信息，并將其進行比較，找出差異的原因。圖表顯示，密歇根的人均GDP約為0.9 104，這意味著生活在這些地區的人的工作收入遠低于其他地區。這個州選擇了一種相對守舊的重工業盈利方式。

其次，密歇根在GDP增長率在美國各州中排名第36位。這些環繞五大湖的州主要從事工業和農業，而不從事高科技產業。這些州優越的地理位置為傳統工農業的發展提供了最佳的地質條件。這些國家幾百年來的發展是以環境破壞為代價的。

此外，在失業率調查中，研究表明，從2010年到2018年，兩者的失業率都有所下降，但密歇根的失業率一直穩定高于美國的失業率。也就是說，人們不太可能像美國的其他地區一樣被雇用。

5，研究方法

5.1 環境經濟學

人們利用環境經濟將環境價值與經濟聯系起來，量化環境惡化所帶來的損失。人們通常只關注直接的經濟效益，而忽略了對生態的進一步影響。例如，人們最初為了從森林和山脈中尋找原材料而破壞環境。通過捕獵動物，定量地砍伐樹木，人們在犧牲未來自然環境資源的同時獲得了利益。從大自然獲得的資源大大超過了大自然的再生能力，向環境排放的廢物大大超過了環境的再生能力，造成了全球資源的枯竭和嚴重的環境污染和破壞。由于未來經濟的損失，人們設計了一門新的學科——環境經濟學來計算發展的損失。這個課題有助于實現發展與環境保護之間的平衡。

5.2 阻止環境污染的方法

經濟體通過稅收、金融和信貸等經濟杠桿調整經濟活動和環境保護之間的關系，以及污染者和污染者之間的關系，以促進和誘導經濟單位和個人的生產和消費活動，以滿足國家保護環境和維持生態平衡的要求。通常的方法有:資源稅、排污費、意外排放罰款、綜合利用對垃圾、財政補貼和優惠貸款建設垃圾處理設施等。

5.3 外部性

外部性是一種溢出效應，它對產品產生影響的原因是超出產品本身。經濟實體進行的經濟活動間接影響了不參與這些活動的其他人的利益。其他無關事件的人在過程中承擔損失和損害。在這種情況下，生產帶來的環境惡化可能危及公眾的利潤。因此，政府為生產商品的公司和個人設立了標準。政府會徵收及訂定排放標準。經濟實體必須遵守標準，否則將受到懲罰。

6.提高環境質量的辦法

6.1 理性使用資源

加強工業生產管理，將環境保護納入企業生產經營管理的軌道。節能降耗，減少物料損耗，回收生產過程中的產品和廢物。同時，還應改進燃煤技術，提高燃燒效率，優先供應低硫優質煤炭清潔生產。

6.2 清潔生產

清潔生產是指使用無毒或低毒、雜質低的原材料，改造生產工藝或更新設備。研究開發無污染、低污染的生產技術，開發綠色產品，減少單位產量廢物排放。宏觀調控產業結構，對高消費、低效率、重污染的工業企業采取關停、兼并、轉移、搬遷等調整措施。開發和使用低能耗或清潔能源的交通工具，淘汰和限制使用落后的交通工具。政府應該擁有監督企業能源和資源使用的權利，并為產品的生產制定具體的標準。生產所帶來的浪費和污染可以限制在一定的價值或由相關的政府機關處罰。

6.3 法律和政策制定

美國政府確實為五大湖的環境治理制定了幾項法律或登記。甚至他們還與加拿大政府合作，規定了每年排放到湖里的污染物的限制。例如，1970年制定的《清潔水法》首先注意到五大湖的污染，并試圖保護它。到目前為止，為了保護環境，人們制定了數以百計的法律，如《能源政策法》(2005)、《污染預防法》(1990)盡管如此，所有這些法律和登記都有一個嚴重的問題:大多數法律沒有足夠的細節來付諸實施。由于沒有具體的法律懲罰，執行者無法對犯罪進行判斷。更糟糕的是，一些法律沒有被國家機構執行，這使得法律的效力減少。

7.總結

五大湖流域對該地區的經濟有著重要的影響，但也遭受著商業活動和生產生產的不節制所帶來的污染。這些生產或活動把環境變成財富。但在轉換的過程中，一些企業過度利用環境，停止了不可逆轉的影響。在這種情況下，人們應該找到發展和環保之間的平衡保護。制定環保標準的方法之一是通過環境經濟學。人們過度利用自然資源導致了幾個嚴重的環境問題:富營養化，汞，磷。這些污染進一步擠壓了生態系統中生物的生存空間。這樣，我們就可以用兩種截然不同的方式來解決問題。首先，我們應該找出發展的外部性所帶來的環境損失，并對企業進行限制。這樣，公司才會更認真地考慮他們的污染問題。其次，雖然政府已經制定了保護生態系統的法律，但很多法律都不夠詳細，無法付諸實施。政府應完善法律法規，包括相應的處罰，確保司法公正。