关于五大湖区域水资源污染的研究和分析

肖致远

（江西心远中学，江西 南昌 330006）

1.引言

在当今社会，技术在不断发展的同时，人们在生活的各个方面都需要以不同的方式去消耗环境资源。也就是说，人们在生产的过程中不可避免地利用到原料来制造工业产品及农业产品，可视作为以环境恶化为代价来进行牟利。为了衡量过去20年水质变化的程度，学者们将经济概念引入到环境领域之中，以达到量化过去的环境损失为未来的运营模式起到预测作用。

这篇论文也打算以这种的方式去衡量利弊，本文通过各种类型的水环境相关数据，对近20年的水环境变化进行概要整合。在确定环境代价和经济利益之间的关系的过程中，人们建立了一个全新的学科，称为环境经济学，它研究如何使企业保持盈利与环保之间的平衡去进行运营并致力于量化抽象的环境损失。实现绿色经济的过程中。我们需要去改变产品和生产的方式，并合理地以供需变化去应对。在环境经济学中，人们把环境视为是商品的成本，试图在环境与商业之间寻求平衡。

本次研究将选取五大湖作为研究对象。五大湖，又名北美五大湖，是位于北美中东部地区的一系列大型淡水湖泊，通过圣劳伦斯河与大西洋相连，占世界淡水总量的21%。五大湖分别是是苏必利尔湖、密歇根湖、休伦湖、伊利湖和安大略湖，位于加拿大和美国的边界。根据大量的研究，五大湖遭受着各种各样的水污染。

本文深入探讨了当前水污染的程度与多年前的比较，以及缓解污染压力的模式。污染通常以两种不同的形式发生。在微观层面上，水中滋生的微生物和藻类可能会影响水质。另外，农业和运输可能会造成像水土流失或过度排放的问题。来自农业或工业的数亿吨污水连同化肥和杀虫剂或工业生产过程中加工过的化学废料流入湖泊或海洋。

技术和法律的进步也为解决水污染问题提供了条件。生产技术的改进有助于减轻污染源的压力。许多地方选择了生态高效的劳动方式，如喷灌、滴灌和合理使用化肥，而不是传统的方式；同时，1972年颁布的《清洁水法》最早通过立法的形式了规定了水的排放规则，这为保护水提供了一个新的起点。此外，许多志愿者和市民自发组织起来，对预防水污染采取行动。

从经济学家的角度来看，环境利用应被视为发展的一种代价。外部性问题是指发展过程中生产者所产生的成本或收益，而不是由该生产者自身承担或获得的，它不可避免地以环境损失为代价破坏环境。经济学家试图以价格为单位去量化环境，以发现其与发展的关系。例如，在估算五大湖的水量时，他们不仅会测量水体的储备，还会包括一些其他的方法。这种“使用”价值可能只是正确定义的经济价值的一小部分。而环保设施如交通或濒危物种的“非使用”价值也应该被考虑。因此，人们应该把污染和发展联系起来，权衡利弊。

2.相关文献

在以往对湖泊污染的实验和研究中，大学和政府都获得了大量的数据和信息。Robert Howarth, Andrew Sharpley和Dan Walker计算出大约60%的河流和湖泊由于富营养化而严重退化。人类活动使氮、磷、钾等化学元素在湖泊中大量存在，并造成了一些自然问题，如赤潮。并提出了一些解决问题的方法，如将地区里过剩的营养引入到更大范围的生态中，而不是局限于单一的湖泊。

另一份由Lin Ma和Maryna Strokal撰写的关于中国农业转型和营养物质污染的报告。本文着重介绍了农业秸秆种植转型前后水质的变化情况。在中国，人们不习惯把牲畜的粪便和污水直接倒进河里。但近年来，人们开始把农业残留物直接放入水中。2010年以前，只有5%的养分能够进入水体，而现在已经超过了30%。养分的变化会对水质产生影响。

在认识到环境带来的重大环境破坏和社会破坏后，人们将目光转向如何预防和修复这一现象。Claude Boyd试图为人们找出一种实用的方法来去除水中过多的元素，如矿物质元素所以他提出了一些方法，比如植被控制（通过控制当地的植被来间接控制排放），为环境选择合适的物种，从废水中去除营养（人们可以从污水中分离元素），并在水中种植一些植物来平衡湖泊中的元素（水生物如凤眼莲有助于净化水）。

人们逐渐意识到生态政策带来的收入。在David a .Keisera和Catherine L. Kling的研究中，政策开始带来了低而不稳定的利润。1972年，《清洁水法》开始在清洁项目上投资超过19亿美元，以及公众捐赠的资金。他们意识到有限的投资忽略了一些潜在的经济利润，过度关注损失。他们考虑到保护环境的价值，对农业和渔业进行了一些改进。环境改善的真正好处不仅是直接的，同时也是间接的。

在Apoorva M. Sampat和Andrea Hicks的研究中，他们提出了一种方法来量化经济带来的利润，并将经济引入生态学之中。这样，水资源和环境损耗就可以标为商品来计算了。他们利用一个框架来估计HABS对Yahara牲畜废物管理研究带来的实际损失。他们的研究表明，利用协调的市场分析来证明这种经济影响对研究地区的营养和其他种类的污染。他们设法将利润与政府调控的政策联系起来。

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东部上地区一系列相互连通的淡水湖，与大西洋相连。五大湖被命名为苏必利尔湖、密歇根湖、休伦湖、伊利湖和安大略湖，位于美国和加拿大的边界附近。湖泊中的水从西向东流过，从西苏必利尔湖到东安大略。除了密歇根湖和休伦湖以外，每个湖的水位都随着水流而下降。

3.1.2 五大湖的形成

五大湖是在一百万年前的地质运动中形成的。如今，五大湖位于因冰川侵蚀和崩塌而扩大的山谷中。陆地上的冰块降低了河谷的高度，形成了几米深的盆地。然后在第四纪，山谷中的冰川恢复了数千年，融化并填满了山谷。数百万吨的水流入湖泊，在湖泊之间形成小溪。之后，这些水将通过圣劳伦斯河流入大西洋。

3.1.3 五大湖的地质特征

五大湖最深的地方，也是世界上第二深的地方，在苏必利尔湖水深超过1000英寸。此外,五大湖是全世界最大的淡水资源储存库和最大的淡水湖，储备了美国超过20%的淡水资源。

3.1.4 大湖的经济条件

在五大湖周围的地区主要是工业区，依靠工业生产发展。东北部的阿巴拉契亚山脉沿着五大湖分布着丰富的煤炭和铁矿石。天然河流和运河形成了连接湖泊和海洋的水道，为航运提供了良好的条件。而且，东北大西洋沿岸有纽约、费城、波士顿、巴尔的摩等重要港口，对外交通十分便利。东北地区是世界上最发达的地区，有着百年工业基础。

3.1.5 五大湖的环境污染

尽管五大湖占据了超过五分之一的地表水。然而，由于工业生产和农业的污染，五大湖的水质日益下降。在一些地区，由于汞和未经处理的污水排放的增加，人们甚至不能喝除湖泊以外的一些地区的污染水。此外，流入湖泊的污水无法从湖泊排出，因为部分污水进入湖底，并将污水与净水混合在一起，使水受到污染。

3.2 五大湖上的航运

这些湖泊占据了美国一半以上的内陆航线，这些航线是连接五大湖地区和大西洋的动脉。连接伊利湖和安大略湖的韦兰运河可以将船只抬高近100米。位于苏必利尔湖和安大略湖边界的大环可以容纳船舶吨位超过60000吨的大型船舶。此外。伊利运河有助于连接五大湖和大西洋，并使其中的大型船只将不只是在孤立的地区通航。

3.2.1 五大湖航线数量的提升

五大湖的航线为生活在大西洋沿岸的人们提供了生活必需品，并将一些货物出口到国外。宽阔的湖泊和运河为人们运输货物到其他地方提供了良好的环境。大量的矿石资源和森林资源出口到其他地方，需要大型的储罐来运输货物。因此，越来越多的元材料需要从五大湖区域流出到大西洋沿岸城市。

3.2.2 湖泊过量船舶的负面影响

航线上超量船舶会造成一些环境问题。首先，声学污染可能会影响生活在那里的生物。发动机发出的噪声在水中可能会增大，影响到水生生物。这种声音可能会干扰动物群内部的正常交流和食物捕食。此外，运输带来的污染物导致水质恶化，进一步破坏生态系统。

3.3 水质的指示剂

3.3.1 光合有效辐射

太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射。光谱成分范围为380-710，与可见光近似一致。而光合作用则代表植物生命活动的能量来源、生物体的结合和生产的形成在不受其他环境限制的条件下，植物光合作用随PAR的增加而增加。PAR通常随季节和年份而变化，可由卫星检测到。

3.3.2 海表温度

海水表面温度是由太阳辐射能量吸收和释放的对比决定的。这主要是由于地球上的太阳辐射不均匀，并根据地球的位置将温度提高到不同的程度。

4.数据描述

4.1 叶绿素

4.1.1 定义

叶绿素是植物的绿色色素，能促进光合作用。叶绿素不稳定，在酸性和碱性环境下容易转化为其他物质。因此，我们可以通过某些地方的叶绿素含量来判断环境。光合作用是指叶绿素将二氧化碳和水转化为氧气的过程。光合作用的第一步是叶绿素电离。我们选择叶绿素作为研究对象，因为它既容易观察变化，又很重要。

4.1.2 叶绿素与养分污染

与土壤一样，水体中也含有大量的养分物质，如磷，氮、钾等。这些物质为依赖它们的动植物提供了重要的能量和营养，但另一方面，土地变硬，水体富营养化也会导致一些问题。这些元素可能来自洗衣和农业活动，人们会将未经处理的污水直接排放到湖里，导致破坏。过量的养分将为藻类提供足够的资源基础。当藻类数量大量增加并照亮湖面时，留给水平面以下动物的生存空间就所剩无几了。藻类在湖泊中消耗大量的能量，并逐渐降低河流中的氧气含量，导致浮游生物和鱼类的死亡。所以一些水生动物死于食物和氧气。因此，保持良好的平衡应该是保护环境的重要组成部分。

4.1.3 营养污染的严峻

近年来，过度挖掘和农业生产加重了五大湖地区的负担。营养污染主要来自农业和工业污水中的营养过量。随着农村和市中心地区的规模和人口的发展，生活所需的更多的东西不可避免地停止了对湖泊的破坏。这些污染物覆盖了湖泊环境，并导致长期的环境恶化。从数据中，我们得出结论，加拿大近25%的农业生产和美国7%的农业生产发生在五大湖。为了防止养分污染而停止污水排放是不可避免的，也是不现实的。

当我们分析收集到的五大湖叶绿素浓度数据时。我们发现叶绿素浓度高的地方通常位于湖滨，特别是在一些先进的工农业中。因此，更合理的说法是，根据叶绿素浓度的变化，工业制造和农业生产在一定程度上导致了环境的恶化。在大多数地区，叶绿素浓度约为0.5 - 1mg /m3，但在一些地区含量超过10 mg/m3。流入伊利湖和安大略湖的水含有大量的沉积物，如叶绿素和一些被污染的造成富营养化的物质

4.2 温度

在五大湖地区搜索的温度数据表明，自1970年以来，五大湖地区的温度逐渐上升。相关研究表明，冻结面积每10年减少约5%。过去，五大湖的冰冻期是从12月到明年5月。而在2021年，五大湖在同一个月冻结和解冻。由于比热容高，像五大湖这样的地方与其他地方相比气候变化少。

与其他沿湖地区相比，湖泊中心的水温变化差别较小。在湖的一些地方，由于工业和农业的影响，温度变化很大。在一些地区，由于热岛效应，温度非常高。这些区域通常靠近城市，那里一些密集的建筑区域会吸收更多的热量，比湖泊的比热比低。此外，深水区温度低于清洁区温度。总的来说，五大湖地区的温度略有上升。这种变化在一些工业地区是很明显的。

4.3 辐射

太阳的辐射为地球的运动提供了至关重要的能量。在五大湖中，潮汐的流向、温度和许多其他生态条件都直接或间接地与太阳辐射有关。太阳辐射中对植物光合作用有效的有效成分称为光合有效辐射。PAR在一定程度上控制着光合作用的速率。

五大湖区域瞬时光合有效辐射(PAR)的空间分布存在显著差异，总体特征为东南环湖、中心高;各数值变化25%，范围约为0.15 - 0.20 m2s。冬季平均PAR在第1期显著减少的区域主要集中在西部湖泊，冬季平均PAR显著增加的区域主要集中在东部湖泊。

4.4 降水

由于五大湖地区位于冷热气流的交汇处，而且中部地区没有高山阻挡南下的冷空气，因此冬季降雨量较高。由于五大湖系统水汽充足，气候比同纬度地区湿润，年降水量的季节变化相对较小。

4.5 人口统计

我们获得了2010年到2020年居住在密歇根州和美国的人口的GDP和失业率的数据并去进行比较。通过搜索这样的数据，我们想找到就业方面的信息，并将其进行比较，找出差异的原因。图表显示，密歇根的人均GDP约为0.9 104，这意味着生活在这些地区的人的工作收入远低于其他地区。这个州选择了一种相对守旧的重工业盈利方式。

其次，密歇根在GDP增长率在美国各州中排名第36位。这些环绕五大湖的州主要从事工业和农业，而不从事高科技产业。这些州优越的地理位置为传统工农业的发展提供了最佳的地质条件。这些国家几百年来的发展是以环境破坏为代价的。

此外，在失业率调查中，研究表明，从2010年到2018年，两者的失业率都有所下降，但密歇根的失业率一直稳定高于美国的失业率。也就是说，人们不太可能像美国的其他地区一样被雇用。

5，研究方法

5.1 环境经济学

人们利用环境经济将环境价值与经济联系起来，量化环境恶化所带来的损失。人们通常只关注直接的经济效益，而忽略了对生态的进一步影响。例如，人们最初为了从森林和山脉中寻找原材料而破坏环境。通过捕猎动物，定量地砍伐树木，人们在牺牲未来自然环境资源的同时获得了利益。从大自然获得的资源大大超过了大自然的再生能力，向环境排放的废物大大超过了环境的再生能力，造成了全球资源的枯竭和严重的环境污染和破坏。由于未来经济的损失，人们设计了一门新的学科——环境经济学来计算发展的损失。这个课题有助于实现发展与环境保护之间的平衡。

5.2 阻止环境污染的方法

经济体通过税收、金融和信贷等经济杠杆调整经济活动和环境保护之间的关系，以及污染者和污染者之间的关系，以促进和诱导经济单位和个人的生产和消费活动，以满足国家保护环境和维持生态平衡的要求。通常的方法有:资源税、排污费、意外排放罚款、综合利用对垃圾、财政补贴和优惠贷款建设垃圾处理设施等。

5.3 外部性

外部性是一种溢出效应，它对产品产生影响的原因是超出产品本身。经济实体进行的经济活动间接影响了不参与这些活动的其他人的利益。其他无关事件的人在过程中承担损失和损害。在这种情况下，生产带来的环境恶化可能危及公众的利润。因此，政府为生产商品的公司和个人设立了标准。政府会徵收及订定排放标准。经济实体必须遵守标准，否则将受到惩罚。

6.提高环境质量的办法

6.1 理性使用资源

加强工业生产管理，将环境保护纳入企业生产经营管理的轨道。节能降耗，减少物料损耗，回收生产过程中的产品和废物。同时，还应改进燃煤技术，提高燃烧效率，优先供应低硫优质煤炭清洁生产。

6.2 清洁生产

清洁生产是指使用无毒或低毒、杂质低的原材料，改造生产工艺或更新设备。研究开发无污染、低污染的生产技术，开发绿色产品，减少单位产量废物排放。宏观调控产业结构，对高消费、低效率、重污染的工业企业采取关停、兼并、转移、搬迁等调整措施。开发和使用低能耗或清洁能源的交通工具，淘汰和限制使用落后的交通工具。政府应该拥有监督企业能源和资源使用的权利，并为产品的生产制定具体的标准。生产所带来的浪费和污染可以限制在一定的价值或由相关的政府机关处罚。

6.3 法律和政策制定

美国政府确实为五大湖的环境治理制定了几项法律或登记。甚至他们还与加拿大政府合作，规定了每年排放到湖里的污染物的限制。例如，1970年制定的《清洁水法》首先注意到五大湖的污染，并试图保护它。到目前为止，为了保护环境，人们制定了数以百计的法律，如《能源政策法》(2005)、《污染预防法》(1990)尽管如此，所有这些法律和登记都有一个严重的问题:大多数法律没有足够的细节来付诸实施。由于没有具体的法律惩罚，执行者无法对犯罪进行判断。更糟糕的是，一些法律没有被国家机构执行，这使得法律的效力减少。

7.总结

五大湖流域对该地区的经济有着重要的影响，但也遭受着商业活动和生产生产的不节制所带来的污染。这些生产或活动把环境变成财富。但在转换的过程中，一些企业过度利用环境，停止了不可逆转的影响。在这种情况下，人们应该找到发展和环保之间的平衡保护。制定环保标准的方法之一是通过环境经济学。人们过度利用自然资源导致了几个严重的环境问题:富营养化，汞，磷。这些污染进一步挤压了生态系统中生物的生存空间。这样，我们就可以用两种截然不同的方式来解决问题。首先，我们应该找出发展的外部性所带来的环境损失，并对企业进行限制。这样，公司才会更认真地考虑他们的污染问题。其次，虽然政府已经制定了保护生态系统的法律，但很多法律都不够详细，无法付诸实施。政府应完善法律法规，包括相应的处罚，确保司法公正。