非点源污染模型研究概述

2.2　非点源污染模型研究概述

国外关于非点源污染的研究历史较长，20世纪60年代率先从美、英、日等一些发达国家开展，随后其他国家也开始了这方面的研究。40多年来，西方国家在这方面的研究工作无论是概念、研究方法还是新技术的应用，其管理手段已经相对完善^{［19，94］}。纵观水环境污染中非点源污染的相关研究过程，在20世纪70年代初期以前，作为非点源污染研究基础的水文与土壤侵蚀模型研究取得一定的进展，代表水文模型如Horton入渗方程、Green－Ampt入渗方程、SCS方程、Stanford模型等，对于土壤侵蚀模型则有1971年美国农业部水土保持司提出的通用土壤流失方程（USLE）。这些模型的出现为非点源污染定量化计算奠定了基础。但此阶段的研究主要针对非点源污染特征、影响因素、单场暴雨和长期平均污染负荷输出等方面，还未过多涉及非点源污染的迁移转化机理^{［95～97］}。随后在20世纪70年代末期开始用数学模型进行定量评价农业污染水质现状，并由相关因素分析和时空分异分析转向与非点源污染控制密切相关的主控因子和关键区域的空间分析。这一阶段伴随计算机计算能力的提高，出现了半分布式水文模型，如TOPMODEL等。此外，土壤侵蚀模型研究由于流域产沙的复杂性发展相对缓慢，模型带有诸多经验特征。这一时期还提出了农业化学品运输模型（ACTMO）、城市地表径流数学模型（STORM）、统一运输模型（UTM、LDRUN）等机理模型和连续时间序列响应模型。STORM最初是为城区的暴雨径流模拟而设计的，现已被广泛用于规划和评价河流下水道溢流的处理、储存控制方案间的比较评定。另外关于径流和水质模型的对接方法也成为人们关注的一个问题。

到了20世纪80年代，非点源污染研究的地域范围逐步扩大，类型也逐渐增多^{［98，99］}。针对非点源污染的负荷计算、控制措施效果评价、营养元素在土壤和地表的迁移规律以及非点源的管理、政策制定等问题，提出了化学污染物径流负荷和流失模型（Chemical Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems，CREAMS）、流域非点源污染模拟模型（The Areal Non－point Source Watershed Environment Response Simulation，ANSWERS）、农田系统地下水污染负荷效应模拟模型（Groundwater Loading Effects of Agricultural Management System，GLEAMS）、农业非点源污染模型（AGNPS）、农田尺度的水侵蚀预测预报模型（WEPP）等。Cooper等曾用CREAMS模型模拟了营养元素在土壤中的迁移规律和变化范围。Williams等应用CREAMS和WEPP评价植被过滤带对土壤侵蚀和营养元素迁移和截留的作用。AGNPS模型也得到了初步的应用。

发展至20世纪90年代，世界各国众多研究者都广泛开展了非点源污染研究^{［100～105］}。越来越多的非点源污染物和非点源受到人们的关注，人们开始探讨不同种类、来源、迁移转化机制的污染物对地表、地下水体的影响，建立了一系列相关的污染物模型，其中非点源污染机理模型和分布式模型研究成为研究的重点。对于非点源污染机理模型，通常通过研究、分析水体水质的变化，来确定非点源污染的类型和来源，利用数学模型分析非点源污染的形成、污染扩散和运移过程。在研究初期，采用土壤侵蚀产沙模拟模型（Erosion Productivity Impact Calculator）、区域非点源污染环境影响评价模型（Areal Non－point Source Watershed Environment Response Simulation）、农业非点源污染模拟模型（Agricultural Non－point Source Pollution Model）等来模拟地表径流产沙过程和非点源污染的形成过程。在模拟化肥和农药在土壤中的迁移方面，现有的数学模型包括农业管理系统中化学污染物径流负荷与流失模型（Chemical Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems，CREAMS）、农田系统地下水污染负荷效应模拟模型（Groundwater Loading Effects of Agricultural Management Systems）等也得到了相应应用。20世纪90年代末，在CREAMS模型的基础上，具有物理基础的SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型得以深入开发并迅速发展，成为应用广泛的分布式非点源污染模型之一，如Saleh等^［106］将SWAT模型应用于得克萨斯州Bosque流域，研究证实该模型能用于模拟畜牧业生产所导致的非点源污染。Santhi等^［107］应用SWAT模型分别在农田与流域尺度上评价了水质管理措施给流域带来的影响，研究认为利用建模技术有利于决策者定量分析、逐一评价管理措施的优劣，之后美国环保局发布了流域点源和非点源综合控制的BASINS模型，在此阶段，新技术GIS的应用也较好推进了农业非点源污染的定量化研究。^{［108，109］}

近几年来，针对非点源污染机理及模型应用的研究得到进一步深入，国内外也开展了一系列的实验工作，以扩大模型应用范围。Eileen Chen和V.Chaplot等^{［110，111］}研究了基于GIS的输入信息空间尺度对分布式非点源污染模型（SWAT）模拟精度的影响，AGNPS模型在美国、欧洲、澳洲、非洲以及亚洲等地均取得了较好的模拟效果。与国外相比，我国对非点源污染的研究起步相对晚。20世纪80年代初全国湖泊、水库富营养化调查和河流水质规划研究的开展，标志着我国开始了真正意义上的非点源污染研究，此时主要针对农业非点源和城区径流污染的宏观特征及污染负荷的定量计算^{［22，50，112～115］}。如朱萱^［116］等人通过研究农田暴雨径流污染特征及污染物输出规律提出了采用统计技术的区域径流－污染负荷模型。李怀恩和沈晋^［112］从我国实际情况出发，建立了一个完整的流域非点源污染模型系统，提出了流域汇流与非点源污染物迁移逆高斯分布瞬时单位线模型及流域产污过程模型。

到了20世纪90年代，我国的非点源污染研究开始得到广泛的重视，开展了大量的研究工作，但在理论上的突破性成果不多，大多还是结合具体的流域特征引用国外已开发的模型。曹文志和洪华生＊等利用监测的降雨、实测水文参数、营养盐及沉积物负荷等验证了AGNPS模型在我国东南亚热带地区九龙江流域的适用性。胡远安（胡远安，程声通，贾海峰.芦溪流域非点源污染物流失的一般规律.环境科学.2004，25（6）：108—112）等以芦溪小流域为研究对象，应用SWAT模型讨论了连续模拟非点源污染的效果。结果表明模型较适合该流域的长期径流模拟，短期效果则较差。此时，农药、化肥污染宏观特征及影响因素的研究，以及黑箱经验统计模式继续在农业非点源污染研究中占重要地位。同时，计算机技术和卫星遥感技术逐渐应用于非点源污染的研究中。尤其是在3S（遥感RS、全球定位系统GPS、地理信息系统GIS）技术的应用方面取得了丰硕的成果^{［117，118］}。如施为光^［119］用彩红外遥感航片对美国通用流失方程（USLE）参数进行率定，计算出流域自然集水区域的高地潜在侵蚀量，以及每年泥沙和N、P入湖量，并讨论了模型在该流域的适用性。郝芳华^［73］利用RS和GIS技术对官厅水库流域不同典型水文年的非点源污染负荷进行了模拟计算研究，为其他学者提供了借鉴。

水质模拟模型是优化流域管理策略、改善水质的重要工具，目前许多非点源污染模型中通常采用SCS中的径流曲线数（CN）方程预测流域暴雨径流，但径流曲线数法假设超渗产流机制影响降雨过程，而在湿润地区或者植被覆盖率高的区域，特别是土壤渗透力强的区域，暴雨径流常常由可变源区（VSA）蓄满产流产生^{［112，120］}。因此，众多通用的水质模型不能正确识别产流区域和污染源区的空间分布，比如流域负荷函数模型（GWLF）、水土流失评价模型（SWAT），暴雨管理模型（SWMM）等，尽管这些模型可以正确预测流域出口的水量和水质，但却无法反映流域分布式水文过程，无法反映分布式区域P的损失。正如集总式模型，只能确定集成的流域出口的响应过程，而忽略了流域内集水区域的分布特征。初期的模型如PTR－HSP、ARM、STORM、UTM、LANDRUN、INCA等可以详细描述流域出口处连续时间内的污染负荷，在同步监测资料完备的条件下可描述迁移转化过程，但对数据要求很高，仅适用于小尺度的流域范围。

地表径流生成位置受地形、气候、土壤与植被等众多因素的影响而呈现动态变化，其中地形与水文敏感区饱和带之间的关系密切^{［121～124］}。Hewlett早在1967年就提出了“可变源水文学”这一术语，但并没有被广泛深入地应用到水质保护的研究中，可变源影响水文敏感区的研究成果独立于对地形指数的研究，与水质模型没有关联，理论模型研究与全面的应用研究并没有有效结合。水文界研究分析了土壤水分变化与地形指标空间分布的关联性，以模拟计算出不同季节集水区内水文敏感区的变化范围，依据集水区地形反映土壤水分与径流生成潜能。国外一些研究应用地形指数反映土壤水分空间分布，并利用土地变化模式评估森林砍伐对集水区边坡稳定的影响，并且在河道水质改善研究中，比较研究了地形指数与距河道距离这两个变量在地表产流的相关性，从而建立河道水质缓冲带^［1，3］，比较典型的研究是S.W.Lyon（2008）首次应用地形指数推求了集水区中土壤湿润程度的分布情况，并对照实测资料进行比较，模拟效果较好^［125］。国内一些研究者也曾应用地形指数，分析林业实验集水区域的水文相似性，利用地形图内插方法生成地形模型，探讨林业实验集水区地形指数空间分布^［126］。虽然地形指数应用层面广泛，能在多数情况下预测集水区内径流生成区域空间分布，但其只适用于土壤质地均匀的坡地，也就是缺乏对土壤水移动、渗漏以及气候变化的考虑。总结已有的非点源水质模型，国内外已经取得了大量有价值的研究成果，但具有综合明确的水文基础和污染物迁移转化机理的可应用于实践的模型却很少，当前的模型多数是考虑污染物迁移转换机理的理论模型，应用过于复杂，参数太多，仅适用于小尺度流域。对基于物理基础的分布式模型，如SWAT、AGNPS和基于传统的SCS－CN降雨径流方程GWLF模型，试图利用相同的机制进行大流域的模拟计算，把流域分为小的区域和离散的单元来反映流域的空间变异性。虽然可将集水面积分成众多独立单元，每个面积单元分开进行模拟，最后再加以集成。这些模型中大多采用传统的SCS－CN模型预测流域暴雨径流；在蓄满产流地区模拟预测污染物迁移过程，这些模型显然不合适^{［54，76，122］}。除此之外，非点源水质模型对受水文敏感区水文特征影响大的流域的土壤湿润指数、地形指数等因素考虑不足，并认为流域内各景观的水文响应是相互独立的，且独立于周围区域，选取的产流机制仍是集总式的，这就使模型应用时在水文机理上就与实际严重不符，并且模型运行时需要对每一个单元的系统参数进行详尽的描述，对大范围实测资料尤其是水质同步监测数据的依赖程度较高，对未来流域不同管理模式和极端水文条件或不同情景模式的污染风险推求受到很大限制。

对于我国监测技术手段和资料的匮乏以及其他实际条件的限制，很多大尺度非点源污染模型无法在中国得到很好的应用，在国内进行相对较多的是室内或者小流域污染物流失规律的实验研究。如王超^［127］借助土柱物理模型实验装置，研究了氮类污染物在土壤中迁移转化规律，并在分析实测资料的基础上，建立了考虑氮的迁移和转化的数学模型。王晓燕^［19］等在密云水库石匣小流域农田、林果地、荒草坡、村庄等四种不同类型的非点源污染发生区，进行降雨、径流和水质同步监测，分析了不同土地利用类型小区地表径流和泥沙中氮磷污染物的流失情况。王继增^［128］等以珠海正坑小流域为例，分析了次降雨事件中径流流量及非点源污染物浓度随降雨－径流过程的变化规律。胡远安^［129］则根据小流域的实验数据分析得出，不同土地利用类型产生的污染物负荷存在着较大的差异。张荣保^［130］等选择宜兴梅林小流域为研究对象，对降雨过程中径流流量及其污染物浓度随降雨－径流变化过程进行监测研究，并采用统计和系统分析方法建立了径流量和非点源污染负荷输出量之间的数学统计模型，得出了该流域非点源污染物流失规律。该方法可以推广到其他类似的流域。黄云凤^［131］等在福建省九龙江流域遴选了四个不同土地利用方式的小流域，通过在自然降雨条件下现场采样与室内分析相结合，研究了不同土地利用结构的小流域的氮流失特征和影响因素。相对而言，如何将小流域机理分析结论应用于大尺度流域模型的参数确定及其模拟验证仍存在一定难度。综合分析目前国内外的众多非点源污染模型，概述其特点如下：

（1）AGNPS（Agricultural Non－point Source）模型

AGNPS模型是美国农业研究局和明尼苏达污染控制局共同开发研制的分布式参数模型，主要用于小流域生态系统中的农业非点源污染评价及预测^［54］。模型通过将土地利用、水文、土壤等条件相对一致的区域划分为网格来对流域进行离散，根据流域的土地利用及地形情况采用不同尺度的网格。

AGNPS模型主要包括水文、土壤侵蚀和化学物质迁移三个子模块。其中水文模型主要采用美国土壤保持局提出的SCS曲线数法计算径流量；土壤侵蚀量利用修正的通用土壤流失方程来计算；化学物质模块则主要考虑氮磷的迁移转化。模型以网格为基本的运行单位，通过逐网格演算推算至流域出口。首先计算所有起始单元内的坡地侵蚀、地表径流、汇流时间以及可溶性污染物水平等，其次计算流出起始单元的地表径流和泥沙量，最后完成整个流域的汇总计算。

AGNPS模型自提出后在应用中取得了较好的效果，但由于它是单事件模型，无法评价流域内非点源污染的长期作用效果^{［132～135］}，因而在20世纪90年代初美国农业部自然资源保护局与农业研究局开发了连续模拟模型AnnAGNPS模型。它通过集水区来划分单元，使模型更符合实际，并以日为基础时段，克服AGNPS模型的缺陷。然而，模型对农田土壤中氮磷的复杂物理化学作用进行了简化，这也导致模型应用存在较大的局限性。如模型不考虑降水的空间变异性，假定每个单元内部的参数都是均匀和统一的，这其实也是一种参数集总处理；此外模型对某些要素考虑不全面，如只考虑地表水和部分壤中流，并不考虑地下水，这对模型的模拟精度都会有比较大的影响。

（2）HSPF（Hydrological Simulation Program－Fortran）模型

HSPF是由美国环保局和Hydrocomp公司共同开发的集水文、水力和水质一体的模拟模型^［42］。该模型能对透水面积、不透水面积以及河流水库的水文和水质过程进行模拟，尤其在流域非点源污染模拟方面效果突出，模型可自动提取模拟区域所需要的地形、地貌、土地利用、土壤、植被、河流等数据，进行非点源污染负荷的长期连续模拟。

HSPF模型是1981年由Johanson等人在斯坦福模型的基础上提出的。模型采用标准的Fortran语言编写，能够运行水文模拟程序、农业径流管理模型和非点源污染负荷模型的所有函数，在一定程度上克服了大部分模型存在的数据管理和模型兼容问题，便于数据的维护和修改。1996年HSPF模型被整合到BASINS里面，嵌套进ArcView后能够自动提取模拟研究所需的流域地形、地貌、土地利用、土壤以及植被等数据。

HSPF模型包括降雨径流、泥沙侵蚀以及污染物迁移3个主模块和5个应用模块^［126］。其中水文模块以Stanford水文模型为基础，自上而下分为树冠层、植被层、各个土壤层，同时考虑降水、植被截留、不同土壤层的水分传导、蓄积和蒸散发等十余个水文子过程。而在泥沙侵蚀子模块中，考虑雨滴溅蚀、泥沙冲刷和不同粒径泥沙在河道中的输移、淤积与冲淤过程。污染物迁移模块可以模拟BOD、DO、营养盐、农药等多种污染物负荷，对氮的模拟考虑了氮在多种环境介质之间的迁移转化过程，主要是氮在土壤和水体中的传输和反应过程。

HSPF模型在水文水质模拟方面得到了广泛应用并取得了许多成果^［48］。但是，该模型也存在一定的缺陷：一方面，模型忽略了子流域内部的差异性，属于集总式模型，而且对基础数据量及精度要求过高；另一方面，模型基础数据录入繁琐，语法掌握困难，计算过程复杂，比较容易出错，并且出错后不容易确定问题所在，而且参数的调整过程也比较繁杂，参数范围难以确定。

（3）SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型

SWAT模型是美国农业部农业研究中心开发的流域尺度非点源污染模型^［106］，能模拟100年以内的某个流域的总径流量、营养物负荷和泥沙流失量。在一个复杂大型流域内，参考长期的降雨、土壤、土地利用和管理措施等方面的资料，通过划分子流域来模拟整个流域内径流、泥沙、营养物和农药的迁移运动，从而预测土地管理措施对非点源污染的影响，并进一步评估整个流域范围内的水分平衡和非点源污染状况。

SWAT模型前身是EPIC和GLEAMS模型^［136］。EPIC模型是在20世纪80年代由美国农业部农业研究局、土壤保护局和经济研究局联合开发的，目的是为了定量研究美国土壤侵蚀和控制成本。后被用于模拟以日为步长的天气、水文、土壤温度、侵蚀沉积，以及营养物质循环、作物管理和生长、农药和营养物质随水体和泥沙的运动、田地尺度的成本和收益。而GLEAMS模型则是在CREAMS模型基础上开发而来的田地尺度模型，包括水文、侵蚀/泥沙产量、农药输移和营养物质四个部分。主要用于估算管理措施对根系内、通过根系或根系以下的农药和营养物质的影响，也可以估算田地的地表径流和泥沙流失。上述模型在模拟较大尺度的流域时均存在不足，因此出现了早期的SWRRB模型。后由于SWRRB模型对亚流域数量的限制导致了ROTO模型的发展，ROTO可以连接SWRRB在各个子流域的运行结果。但是由于SWRRB与ROTO单独运行的不方便以及整理输入输出资料的繁琐，到了20世纪90年代，SWAT研究人员吸取了上述各个模型的优点，将SWRRB模型和ROTO模型合并成为一个模型，其模型研究发展流程见图2.1^{［111，137］}。

图2.1　SWAT模型研究发展过程

SWAT模型能准确地模拟流域内的非点源污染状况，模型本身具有一定的物理机制，即它不是采用回归方程来描述输入和输出变量之间的关系，而是通过确定流域内气象、土壤特征、地形、植被、管理措施等具体参数，将各种条件诸如径流、泥沙迁移、植物生长、营养物循环直接输入到模型中^［136］。这种方法十分有利于模型的推广应用，即使流域缺乏精确的河流监测数据，也不影响模型的使用，此外各种输入参数（如管理措施、气候）的变化对水体造成的影响也可以进行量化研究。而且模型的运算效率也比较高，模拟大型的流域或者运算大量管理参数不需要消耗太多的时间，能进行长期的影响评价，解决目前用户十分关心的污染物的累积以及对下游水域的影响等问题。通过划分子流域的方式实现流域的分布式模拟，当土地利用以及土壤类型在空间上的差异对模拟产生影响时，这种划分具有非常重要的意义。

SWAT模型主要包括两个部分，即子流域模块和径流演算模块。在用SWAT模型进行非点源污染模拟前，首先要将流域划分为若干不同的子流域，划分依据是土地利用方式和土壤类型。每一个子流域涉及的主要输入参数包括：气候水文响应单元（HRUs）、水塘—湿地、地下水、河流干流或者支流、流域的出水口。其中水文响应单元是子流域的最基本单位，通过将具有相同土地利用方式、土壤特征和管理方式的田块归纳在一起得到。模型中假定各个水文响应单元是没有联系的，首先独立计算出每个单元的污染物负荷，然后将计算结果累加得到该子流域的污染物负荷总量，这种方式能大大提高子流域预测结果的准确度。另外，为了在提高模型运算精度的同时，能使参数输入更方便，又将子流域模块细化为水文、气候、泥沙、土壤温度、植物生长、营养物、农药及农业管理等八个部分。径流演算模块由主河道演算和水库演算两个部分构成。其中，河道演算包括洪水演算、河道泥沙演算、河道营养物演算以及河道农药演算；水库演算则包括水库水量平衡演算、水库泥沙演算、水库营养物质和农药演算。

SWAT模型应用也存在一定的局限性^［137］。SWAT模型主要适用于较大尺度流域的分布式非点源污染模型，其模型内部结构决定了对单一降雨事件造成的短期污染模拟效果会比较差。且SWAT模型一般不考虑较小面积的土地利用，但有时候这些小面积区域产生的污染物量往往会非常大，不可忽视。另外，由于基础数据的匮乏，SWAT模型目前还主要集中于水文模拟、产流产沙和水土保持这几个方面。很多研究表明，该模型输入数据的空间分布对模拟结果影响较大，尤其是在空间变异性大的流域，对数据资料的空间分布分析和处理以及对模型参数的率定和验证都是模型应用中需要解决的问题。

综上所述，非点源污染初期的研究（20世纪60年代）主要针对非点源污染特征、影响因素、单场暴雨和长期平均污染负荷输出等方面。20世纪70年代以后非点源污染的研究有了长足发展，开始用数学模型进行定量评价农业污染水质现状，并由相关因素分析和时空异质分析转向与非点源污染控制密切相关的主控因子和关键区域的空间分析，非点源污染研究的地域范围逐步扩大。