流域農業非點源污染負荷模型研究綜述

■趙 祥，周鵬飛 ■.中國城市規劃設計研究院上海分院，上海 00335;.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 0098

隨著中共十八大“生態文明”建設方針的提出和公眾對環保意識的逐步提升，以及點源污染的限排納入水資源管理控制紅線，湖泊河流水體污染的主要來源由點源污染逐步轉向農業非點源污染。而非點源污染由于具有分散性、隨機性、影響范圍大、控制難度大等特點，已成為當前水環境污染控制研究的重難點［1］。

非點源污染負荷定量化研究可基于數學手段進行污染物隨水文過程遷移轉化的物理過程模擬，能對流域污染的微觀過程進行定量化描述。

1 國外研究進展

20世紀70年代以前，國外主要借助經驗模型，依據實測資料建立污染負荷與重要影響因子間的相關關系，該方法能得出最終負荷結果，但并不能反映出污染物的動態輸移變化過程。這一時期出現的經驗型模型包括通用土壤流失方程模型(USLE)、農藥輸移徑流模型(PRT)、城市暴雨水管理模型(SWMM)等［2］。

從70年代中后期開始至80年代末是非點源模型發展的重要階段，復雜的機理模型在研究深度和監測手段不斷提高的基礎上得以飛速發展，主要通過設定和校準模型參數，預測和模擬流域不同節點及出口斷面流量、水質。

由于90年代以后至今計算機技術的迅猛發展和“3S”技術特別是GIS技術的綜合應用，非點源污染模型得以不斷完善，很好的解決了模型參數的空間變異性問題。國外大多采用部分耦合的方式，如比較著名的非點源污染模型AGNPS、土壤及水質評價模型(SWAT)等，與GIS軟件耦合成大型專業軟件，實現研究途徑多維化、信息化、可視化，有利地推進了非點源污染定量化研究。

2 國內研究進展

我國非點源污染研究起步較晚，上世紀80年代以來才逐漸對國內主要流域非點源污染整體情況進行監測分析，并借鑒國外模型和經驗公式定量化計算，在機理研究和規律探索方面取得了一定成果。但部分模型在應用過程中出現了實測資料偏少、適用范圍受限、難以推廣的問題［3］，這也成為了當時污染管控研究的重要制約因素。

90年代以后至今是我國非點源污染模型快速發展的機遇期。李懷恩［4］提出的平均濃度法，對于監測資料有限流域的非點源污染負荷估算簡單而有效。李強坤［5］等構建了基于“源”、“匯”過程的農業非點源污染模型，在黃河上游青銅峽灌區的模擬效果較好。此外，學者嘗試將“3S”技術融合入SWAT、AnnAGNPS等國外模型中，應用于國內各流域，計算、監測、預報、分析污染負荷量和時空分布情況以及驗證模型尺度效應［5］，并在一些問題上取得了重要成果。

3 常用模型簡析

現就國內外應用較為廣泛的三種非點源污染模型進行介紹分析。

(1)ANSWERS模型:是一種長期連續性、分布式、小流域尺度的物理概念模型。初期以水文過程(徑流、入滲、蒸散發等)研究為主，后來在模型發展過程中又加入了泥沙、營養物模塊，有利于模型的連續性模擬。該模型在歐美平原、森林等區塊有較強的適用性，目前我國學者也多在研究其適用情況。牛志明［6］等在應用其模擬三峽庫區小流域土壤侵蝕過程時，模擬和實測結果整體吻合度較高，但陡坡、林地等特殊地類的模擬誤差較大;潘沛［7］等利用其水文子模型模擬多場人工降雨事件，發現其模擬理想坡面的誤差較小，但存在系統偏大的情況。實際上，該模型在侵蝕模塊中主要是基于經驗模擬，且不能模擬殺蟲劑和融雪過程，是模型的薄弱環節。

(2)AGNPS模型:是一種基于單次事件、分布式、小流域尺度的分室物理模型，由水文、侵蝕、沉積和化學污染物輸移四個模塊組成，用于預測流域內氮、磷等土壤養分流失、模擬次暴雨徑流及土壤侵蝕過程，并可評價流域農業管理措施對徑流和泥沙產生的影響。孟春紅［8］等驗證了該模型在福建省五川流域的適用性(Nash－Suttclife效率系數E均在0.8以上)，并認為可將其用于南方丘陵區小流域氮、磷流失預測與評價。李家科通過對AnnAGNPS模型的率定與驗證，分析和評價了其在黑河流域的適用性和可靠性，認為可用于長期模擬以及選擇最佳管理措施。

(3)SWAT模型:是一種長期連續性、分布式、大流域尺度的水文物理模型，由子流域水文循環過程、河道徑流演算、水庫水量平衡與演算三大部分組成，用于模擬流域非點源污染的產生和輸移過程、定量計算負荷及評價、預測管理控制措施對水資源、環境的影響。該模型已廣泛應用于國外尤其是北美和歐洲地區，而在我國，主要還側重于進行流域水文過程模擬和水資源評價，但國內也逐漸利用該模型展開流域非點源污染的模擬預測研究。陳媛［9］等用該模型模擬三峽庫區流域非點源污染情況，模型徑流和泥沙模型模擬效果很好，但營養鹽模擬效果欠佳，這與國內外許多研究成果情況基本一致，主要是該模型算法存在一定的局限性。

4 模型發展趨勢

(1)擴大模型適用范圍。目前，非點源污染模型的研究特別是國內還主要側重于對國外模型的適用性檢驗，且模型的模擬效果很多是在試驗小區、實驗室等小尺度范圍內得到驗證的，但由于流域在自然條件方面所具有的時空復雜性，使得研究成果難以向流域尺度推廣，特別是模型參數在大尺度流域上的確定問題。因而擴大模型適用范圍、綜合考慮影響因素、提高模型擬合度也就成為了當前非點源污染模型面臨的主要問題。

(2)模型模擬不確定性分析。模型的模擬情況往往與實測結果存在一定的差異，這是不可避免的，也是難以確定的，所以需要在今后運用數學模型來分析模型模擬的不確定性，并通過對機理認知的深入和模型精度的提高來減小這種不確定性。

(3)模型集成化、實用化研究。非點源污染模型的模擬需要基于大量實測數據，而以RS和GIS技術為支撐，能消除與模型相兼容的時空數據結構差異的大型流域集成管理模型，可有效解決數據獲取與處理問題，為非點源污染的模擬、控制、管理提供有利支持，這種集成更加緊密、管控更加實用的模型是其發展的一個必然趨勢。

(4)開發新型分布式非點源污染模型。非點源污染的產生和遷移是一個復雜的物理化學過程，涉及大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈等多個圈層，而當前模型研究還大多停留在水圈和巖石圈，且對水—土界面的溶質遷移轉化的機理研究尚在探索中。可考慮掌握和控制非點源污染物在以水循環為主、各圈層相互作用下的運移和能量傳遞過程，構建具有物理機理基礎的分布式大氣—陸面—水文過程耦合模型，從而在流域、區域范圍內進行溶質污染輸出控制措施與環境評價。

［1］朱永澍，朱雙喜，徐耀飛，周鵬飛.農業非點源污染問題研究.河南水利與南水北調，14，1 －2.

［2］陳勇，馮永忠，楊改河.農業非點源污染研究進展.西北農林科技大學學報(自然科學版)，08，173 －181.

［3］李懷恩.流域非點源污染模型研究進展與發展趨勢.水資源保護，02，14 －18.

［4］李懷恩.估算非點源污染負荷的平均濃度法及其應用.環境科學學報，04，397 －400.

［5］張紅舉，崔廣柏，馮健.農業非點源污染模型研究概況.江蘇環境科技，02，37 －39.

［6］牛志明，解明曙，孫閣.ANSWER2000在小流域土壤侵蝕過程模擬中的應用研究.水土保持學報，03，56－60.

［7］潘沛，劉凌，梁威.非點源污染模型ANSWERS－2000的水文子模型研究.水土保持研究，01，103 －106.

［8］孟春紅，趙冰.AGNPS模型在小流域農業非點源污染中的應用.長江科學院院報，04，24 －27+32.

［9］陳媛，郭秀銳，程水源.基于SWAT模型的三峽庫區大流域不同土地利用情景對非點源污染的影響研究.農業環境科學學報，04，798－806.