淺議流域水環境非點源污染負荷模型

朱青　彭曉靜　葛文君　唐鵬　王煒亮

【摘 要】流域污染負荷模型一般用來模擬沉積物和污染物的產生及其從源向受納水體運動的過程，可以描述與估算污染負荷的產生和歸趨。本文總結了農業非點源污染負荷模型、城市非點源污染負荷模型以及混合非點源污染負荷模型的模擬過程、適用性與局限性，指出了模型應用中存在的問題，并探討了模型的研究與發展趨勢。

【關鍵詞】流域；非點源；污染負荷；模型

隨著人民生活水平的提高，農用化肥、農藥數量急劇增加，加之多年的人類經濟活動帶來的生態破壞，我國水環境非點源污染問題日益突出。而運用數理模型實現對非點源污染的有效模擬，是解決流域水環境非點源污染問題的一個重要環節。本文對非點源污染負荷模型進行介紹，并根據在不同土地利用類型下，模型對非點源污染負荷的產生和輸移過程的模擬特征不同，將非點源污染負荷模型分為農業非點源污染負荷模型、城市非點源污染負荷模型和混合非點源污染負荷模型三大類。

1 農業非點源污染負荷模型

常用的農業非點源污染負荷模型有AGNPS、ANSWERS、SWAT等。

1.1 AGNPS模型

AGNPS是由美國農業部農業研究局聯合明尼蘇達州污染控制局和自然資源保護局共同開發的基于方格框架組成的流域分布式事件模型。AGNPS 按照柵格采集模型參數，可以預測土壤養分流失，對農業地區的水質問題以重要性為順序進行排列，同時模擬單次暴雨徑流和侵蝕產沙過程。

模型可以連續模擬土壤水和地下水中的氮平衡，適用于流域景觀特征、水文和土地利用規劃等領域，模擬精度較高。但是無法模擬各營養物組分在河道中的轉化過程、流域物理過程長期演變及土壤侵蝕時空分布規律等。

1.2 ANSWERS模型

ANSWERS是由美國弗吉尼亞州立大學建立的可以完成次降雨條件下的表面徑流模擬和土壤侵蝕量的測算，并能模擬分析農業地區降雨期間及雨后的地表徑流、土壤侵蝕量以及污染物流失量的分散型模型。

模型的優點是可計算建筑區域和農業流域的徑流量和泥沙流失，模擬土地利用方式對水文和侵蝕響應的影響，同時模擬評估最佳管理措施。但是存在輸入數據復雜，不能模擬各化學物質的相互轉換，對于深層下滲、壤中流、河道基流、融雪過程等的模擬存在局限性。

1.3 SWAT模型

SWAT 模型是由美國農業部農業局開發的流域尺度模型，用于模擬地表和地下水的水量和水質，預測不同土地利用情景下對流域水文、泥沙和農業化學物質產量的影響。

模型在美國是應用較為廣泛的非點源模型之一，適用于資料短缺地區，可預測復雜流域內氣候變化及土壤類型、土地覆被變化、農業管理措施等對流域水循環、泥沙、營養物質和農藥、作物產量等的長期影響。模型仍存在許多不足：不能模擬詳細的基于事件的洪水和泥沙，日模擬存在系統誤差等。

2 城市非點源污染負荷模型

典型的城市非點源污染負荷模型有：SWMM、STORM、SLAMM等。

2.1 SWMM模型

SWMM模型即暴雨雨水管理模型，是1971年美國國家環境保護局推出的城市暴雨水量水質預測和管理模型，可以模擬完整的城市降雨徑流過程。

模型的優點是可完整地模擬分析非點源污染負荷的產生過程，可計算分析徑流中的各個污染物的負荷量，對錄入數據的要求較低，通用性能較好、應用靈活。局限性表現在對污染物的生化反應的模擬能力很差，對與水質密切相關的管道泥沙運動也不能進行較好的模擬。

2.2 STORM模型

STORM是于1973年推出的城市暴雨徑流模型，用于模擬城區降雨徑流及水質變化過程，模型結構比較簡單，不能模擬泥沙運動的過程和污染物的遷移轉化過程。

2.3 SLAMM模型

SLAMM20世紀70年代中期美國學者Pitt等開發的用于城市非點源污染物識別和控制模擬的非點源污染模型。模型可以模擬多種控制管理裝置和措施的污染物截留和去除效果；此外模型引入了隨機分析，可以進行輸入參數的不確定性分析。其局限在于不能進行雨水和污染物在管道和溝道中的模擬計算，因而不能輸出徑流過程和污染物濃度過程。

3 混合非點源污染負荷模型

3.1 HSPF模型

HSPF模型是1966年由美國環境保護署在SWM模型的基礎上開發形成的可以模擬流域非點源污染的演進過程的混合模型。

模型主要模塊包括透水地段水文水質模塊和不透水地段水文水質模擬模塊。HSPF 是最全面和靈活的一種流域水文水質模型，以強大的水文模型為基礎，能夠應用于大多數的流域，能夠模擬不同時間尺度的洪峰流量和低流量，模擬精度較高。但是HSPF對輸入數據的要求較高，需要給出連續的降雨、蒸發、氣溫和日照等時間序列，同時也要有相應的連續水文水質監測數據來率定模型；并且模型假設污染物在受納水體的寬度和深度方向上是充分混合的，所以模型的實用性受到了一定限制。

3.2 GWLF模型

通用流域污染負荷模型 是1987年由美國康奈爾大學開發的一個流域污染負荷模型。模型屬于半機理-半經驗性流域負荷模型，主要用于多土地利用混合的中小型流域（10000km2以下）。模型能夠模擬逐月和逐年的河川徑流、沉積物傳輸以及氮、磷通量。模型對數據的要求不高，其精度基本滿足我國環境管理的需求。

4 非點源污染負荷模型應用現狀

馬曉宇等將溫州市典型住，區結合降雨徑流實測數據構建了基于SWMM的非點源污染負荷計算模擬，表明SWMM模型可用于模擬城市非點源污染負荷及輔助管網的設計。白淑英等建立了開都河流域的 SWAT月徑流模擬模型，達到了模擬評價標準，開辟了在新疆其他河流乃至干旱半干旱內陸河地區徑流模擬的先河。梅立永等選定不同的時間，應用HSPF模型模擬了深圳西麗水庫流域水量和水質的連續動態變化。薛亦峰等應用 HSPF 模型對潮河流域內的大閣河流域進行水文模擬，表明 HSPF模型在研究區對流域長期連續的徑流量模擬具有較好的適用性。杜新忠等選取GWLF模型，有效模擬了柳河上游的月徑流及總氮負荷，分析得到總氮污染源貢獻率季節性差異明顯。趙越等應用GWLF模型，評估了新安江上游練江流域把口斷面的月時間尺度下總氮污染物通量，并分析了負荷來源。

5 結語

非點源污染是一個十分復雜的自然過程，現有基本數據庫的缺乏、監測工作的薄弱、資金投入的短缺，給非點源的識別帶來不確定性和模型模擬的巨大誤差；有的模型帶有明顯的區域性，有較多的經驗型參數，造成了在模型推廣應用時，由于不同區域水文、氣象條件的差異，模擬精度大大降低。

針對存在的上述幾個問題，其解決方法及未來的發展趨勢主要有：①著力提高模型數據規范性，②注重理論和實際相結合，將多模型方法在流域非點源污染負荷研究和實踐中應用推廣，③將GIS與模型相結合等。

【參考文獻】

[1]馬曉宇，朱元勵，梅琨，張艷軍，張明華.SWMM模型應用于城市住宅區非點源污染負荷模擬計算[J].環境科學研究，2012，25（1）：95-102.

[2]白淑英，王莉，史建橋，李偉.基于SWAT 模型的開都河流域徑流模擬[J].干旱 區資源與環境，2013，27（9）：79-84.

[3]梅立永，趙智杰，黃錢，尹璇.小流域非點源污染模擬與仿真研究——以HSPF模型在西麗水庫流域應用為例[N].農業環境科學學報，2007，26（1）：64-70.

[責任編輯：朱麗娜]