SPARROW模型在水環(huán)境管理中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

鄭佳琦， 李文攀， 霍守亮， 何卓識(shí)*， 曹祥會(huì)， 馬春子， 黃煒惠

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 北京 100012

近10年來，隨著治污力度不斷加大，我國(guó)水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，截至2020年，我國(guó)1 937個(gè)水質(zhì)斷面中，GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量》Ⅲ類及以上水體已達(dá)到83.4%[1]. 然而由氮磷等營(yíng)養(yǎng)物富集造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化問題依然存在. 研究[2-3]表明，自然環(huán)境和人類活動(dòng)都會(huì)影響水體氮磷的濃度. 水質(zhì)模型可用于模擬不同土地管理、土地利用、氣候變化下的水質(zhì)變化趨勢(shì)，是研究水環(huán)境變化、進(jìn)行水環(huán)境管理的重要工具. 目前比較成熟的水質(zhì)模型可分為機(jī)理模型和統(tǒng)計(jì)模型兩大類，其中機(jī)理模型為動(dòng)態(tài)的、基于過程的流域模型，如SWAT(soil and water assessment tools)、WASP(water quality analysis simulation program)、EFDC(environmental fluid dynamics code)、MIKE21、HSPF(hydrologic simulation program fortran). 這些模型在結(jié)構(gòu)上有所不同，但每個(gè)模型都需要用戶提供50～100個(gè)相關(guān)參數(shù)來進(jìn)行水文、泥沙和營(yíng)養(yǎng)物的模擬[4]. 模型的復(fù)雜性、對(duì)數(shù)據(jù)量的要求以及大量需要校準(zhǔn)的參數(shù)會(huì)限制這類機(jī)理模型的應(yīng)用. 相較于機(jī)理模型，統(tǒng)計(jì)模型具有相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，易于在大流域中使用，并且模型參數(shù)和預(yù)測(cè)中的誤差量化較容易(見表1)，常見的統(tǒng)計(jì)模型有回歸分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNs)、克里格空間統(tǒng)計(jì)方法等[5]，該類統(tǒng)計(jì)模型缺乏質(zhì)量平衡約束且不包含水質(zhì)隨空間和時(shí)間變化的信息，而這些信息通常是表征營(yíng)養(yǎng)物輸送過程的關(guān)鍵[6].

表1 機(jī)理模型與統(tǒng)計(jì)模型的對(duì)比

SPARROW (spatially referenced regression on watershed attributes)模型是一種將機(jī)理模型和統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合的水質(zhì)模型，其通過混合統(tǒng)計(jì)和基于過程的方法將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與流域特征和污染物來源信息聯(lián)系起來，來估計(jì)污染物在流域和水體的遷移，以探索人類活動(dòng)、自然過程和污染物遷移三者之間的關(guān)系[7]. 該模型吸取了機(jī)理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的空間特性、較好的污染負(fù)荷預(yù)測(cè)能力并提供模型系數(shù)和預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性度量[8]，具有數(shù)據(jù)需求量少、結(jié)構(gòu)透明、普適性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于流域背景濃度模擬、水質(zhì)目標(biāo)管理與總量控制、水質(zhì)評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)、氣候變化對(duì)水環(huán)境影響等研究[9]. 該文對(duì)SPARROW模型的結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)缺點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，在已有應(yīng)用基礎(chǔ)上，討論了該模型在使用過程中存在的問題，并展望了該模型未來可能的發(fā)展趨勢(shì).

1 SPARROW模型的原理與結(jié)構(gòu)

SPARROW是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)開發(fā)的具有空間屬性的非線性流域回歸模型. 該模型使用質(zhì)量平衡方法，將水質(zhì)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所在流域的屬性相關(guān)聯(lián)，估算污染物在流域下墊面及河道運(yùn)輸中的損失，從而獲得河流中污染物的分布、來源和輸移等信息，并提供了模型系數(shù)和水質(zhì)預(yù)測(cè)不確定性度量[10].

SPARROW模型將小流域的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀測(cè)結(jié)果與大流域地表水的營(yíng)養(yǎng)物輸送相關(guān)聯(lián)，為賦予污染物負(fù)荷數(shù)據(jù)空間意義提供了一種可靠的方法[11]，其復(fù)雜性適中，輸入數(shù)據(jù)相對(duì)較少，結(jié)構(gòu)相對(duì)透明，具有可解釋的模型系數(shù)和對(duì)源貢獻(xiàn)量的估計(jì)[12-13]；同時(shí)，基于回歸的SPARROW模型擬合與尺度無關(guān)，使得其適用于不同尺度的時(shí)間和空間場(chǎng)景[14].

河流河段的污染物負(fù)荷由兩部分組成，分別是上游河段傳輸?shù)皆摵佣蔚奈廴矩?fù)荷和本河段及其所在子流域產(chǎn)生的污染負(fù)荷. Schwarz等[5，15]提供了SPARROW模型理論發(fā)展的細(xì)節(jié)，計(jì)算公式：

Fi*={∑j∈J(i)Fj′}δiA(ZiS,ZiR;θS,θR)+

(1)

式中：Fi*為子流域的年總污染負(fù)荷，kg/a，第1部分表示由上游河段傳輸?shù)较掠蝘河段的污染物通量，第2 部分表示i河段所在子流域產(chǎn)生并進(jìn)入河段的污染物通量；J(i)為與i河段相鄰的上游河段的集合；δi為上游污染物通量傳輸?shù)絠河段的比例，通常依據(jù)水流量確定；A、A′均為傳輸過程的衰減函數(shù)，其中湖泊和河流的參數(shù)不同，分別用角標(biāo)R和S表示，衰減函數(shù)的參數(shù)分別為ZiS、θS和ZiR、θR；NS為流域內(nèi)污染源數(shù)量；Sn,i為i河段內(nèi)的第n個(gè)污染源產(chǎn)生的污染負(fù)荷，kg/a；αn為第n個(gè)污染源的排放系數(shù)；Dn為第n個(gè)污染源的水陸傳輸項(xiàng)；ZiD為陸域傳輸衰減函數(shù)的參數(shù)；θD為參數(shù)的系數(shù).

年總污染負(fù)荷(Fi*)由長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的水質(zhì)及流量數(shù)據(jù)估算得到，作為模型的因變量. 模型估算河流污染物負(fù)荷涉及3種自變量，分別為源變量、陸-水遷移變量以及河道和湖泊中的損失變量. 源變量(Sn,i)可以包含城市用地面積、大氣沉降等污染源相關(guān)變量；陸地到水體遷移變量(Dn)可以包含氣溫、降水量、地表坡度、河網(wǎng)密度和濕地面積等；河道中的損失變量(ZiS、θS)由河流長(zhǎng)度和流速?zèng)Q定，湖泊中的損失變量(ZiR、θR)由區(qū)域水力負(fù)荷(平均徑流與湖泊面積的比值)決定. 利用上述自變量的參數(shù)，模型將年均污染物通量數(shù)據(jù)與流域污染現(xiàn)狀以及影響傳輸?shù)耐寥谰坝^和地表水性質(zhì)相聯(lián)系，基于最小二乘法的回歸分析建立了水體負(fù)荷通量估算模型. 對(duì)模型參數(shù)和水體負(fù)荷通量預(yù)測(cè)值模擬方程進(jìn)行多次評(píng)估，最終得到模擬誤差最小的最優(yōu)結(jié)果. SPARROW模型的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示.

圖1 SPARROW模型結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of model structure for SPARROW

2 SPARROW模型的研究進(jìn)展

SPARROW模型最初被應(yīng)用于美國(guó)地區(qū)，由于其較好的模擬效果，已在國(guó)際范圍內(nèi)開始應(yīng)用研究[13,16-17]. 近年來SPARROW模型得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，如Li等[18]利用SPARROW模型評(píng)估了松花江流域擴(kuò)散源的營(yíng)養(yǎng)物輸送和流失比率，并預(yù)測(cè)了上游子流域向通江監(jiān)測(cè)斷面運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷的百分比；Zhou等[19]估算了九龍江流域總氮和總磷的來源及遷移，并在SPARROW模型基礎(chǔ)上開發(fā)了情景分析模塊；此外，研究人員在新安江流域[20]、密云水庫(kù)流域[21]、艾比湖流域[22]等地區(qū)也開展了相關(guān)研究. 目前，SPARROW模型在模擬營(yíng)養(yǎng)物背景本底濃度、水質(zhì)目標(biāo)管理及總量控制、水質(zhì)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)、氣候變化對(duì)水環(huán)境影響等方面都得到了很好的應(yīng)用.

2.1 營(yíng)養(yǎng)物背景濃度模擬

流域水體氮磷自然背景濃度反映自然因素對(duì)營(yíng)養(yǎng)物達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)的影響，有時(shí)可能在富營(yíng)養(yǎng)化過程中起決定性的作用[23]. 對(duì)水質(zhì)狀況的評(píng)估通常是基于當(dāng)前水質(zhì)狀況與自然背景條件的閾值相比較，因此營(yíng)養(yǎng)物的自然背景濃度是水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)制定及評(píng)估富營(yíng)養(yǎng)化過程的重要參考[24]. 常用于地表水營(yíng)養(yǎng)物背景濃度模擬研究的方法有參照湖泊法、古湖沼學(xué)法及壓力-響應(yīng)關(guān)系法，但存在一定局限性(見表2).

表2 營(yíng)養(yǎng)物背景濃度研究方法

不同于參照湖泊法，SPARROW模型可以利用較小的上游參照流域，為整個(gè)流域估算營(yíng)養(yǎng)物背景濃度. 該模型通過在流域上游選擇無人類活動(dòng)干擾或人類干擾相對(duì)較小的參照站點(diǎn)，構(gòu)建營(yíng)養(yǎng)物濃度與天然環(huán)境因素回歸方程得到模型的營(yíng)養(yǎng)物源變量. SPARROW模型在進(jìn)行背景濃度模擬時(shí)，將人為污染源數(shù)量設(shè)為0，同時(shí)考慮了營(yíng)養(yǎng)物在河流和湖庫(kù)輸移過程中的損失，以此模擬未受人類干擾條件下水質(zhì)由上游至下游的變化情況. 相較于其他模型，SPARROW模型輸入數(shù)據(jù)相對(duì)較少且易獲得. Smith等[28]利用63個(gè)低開發(fā)強(qiáng)度的源頭河段的總氮和總磷數(shù)據(jù)校準(zhǔn)了流域通量回歸模型，建立總氮、總磷與徑流、集水面積、大氣沉降和其他區(qū)域因素的響應(yīng)方程，利用總氮和總磷通量模型估算流域背景營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷量化SPARROW模型河流運(yùn)輸中的營(yíng)養(yǎng)源變量，通過SPARROW模型計(jì)算總氮和總磷損失率來估計(jì)整個(gè)流域背景營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷傳輸過程，最終得到整個(gè)流域的營(yíng)養(yǎng)物背景濃度.

利用SPARROW模型模擬營(yíng)養(yǎng)物背景濃度關(guān)鍵在于參照點(diǎn)的選擇，盡可能地選擇受人類活動(dòng)影響較小的監(jiān)測(cè)點(diǎn). 由于不同國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、人口、土地利用情況存在差異，參照點(diǎn)的確定也有不同的方法. 芬蘭將最小人為壓力的流域系統(tǒng)定義為農(nóng)用地面積占比小于10%、林地面積占比小于5%、城鎮(zhèn)用地面積占比小于0.8%的流域[29]. 挪威將農(nóng)用地面積占比小于10%、人口密度小于5人/km2且沒有點(diǎn)源污染的區(qū)域視為水體不受人為影響或人為壓力較小的區(qū)域[30]. 美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃項(xiàng)目中選擇基準(zhǔn)流域所遵循的標(biāo)準(zhǔn)包括：流域內(nèi)不存在人類活動(dòng)、流域中的地下水不受抽水井的影響、流域內(nèi)具有準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的河流流量數(shù)據(jù)[31]. Lewis等[27]在美國(guó)熱帶地區(qū)的流域研究中，將最小干擾流域定義為自然植被覆蓋大于80%、人口密度低于5人/km2、氮沉降低于2.5 kg/(hm2·a)的區(qū)域.

確定合適的參照點(diǎn)選擇方法，SPARROW模型可以有效模擬流域背景營(yíng)養(yǎng)物通量和濃度，為評(píng)估由人類活動(dòng)導(dǎo)致的水體營(yíng)養(yǎng)物的增加提供了研究基礎(chǔ)，為流域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了參照量化依據(jù). 我國(guó)人口密度大，流域受人類活動(dòng)擾動(dòng)強(qiáng)度高，傳統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)物背景濃度模擬方法在我國(guó)適用性差. SPARROW模型提供了一種利用上游參照流域預(yù)測(cè)下游流域營(yíng)養(yǎng)物背景濃度的方法，為我國(guó)水環(huán)境管理提供了一種新的技術(shù).

2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

流域水質(zhì)評(píng)價(jià)主要包括估計(jì)營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷、識(shí)別營(yíng)養(yǎng)物來源和分析營(yíng)養(yǎng)物通量空間分布三方面[32]. 評(píng)價(jià)過程中均需要評(píng)價(jià)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來描述該地區(qū)過去或現(xiàn)在的水質(zhì)狀況，但受到空間采樣范圍限制和監(jiān)測(cè)頻次差異的影響，有效水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本量有限. SPARROW模型可以將監(jiān)測(cè)獲得的營(yíng)養(yǎng)物通量信息外推至未監(jiān)測(cè)區(qū)域[10]，利用流域氣候、地質(zhì)環(huán)境、土地利用等因素對(duì)水質(zhì)的影響，預(yù)測(cè)未監(jiān)測(cè)區(qū)域營(yíng)養(yǎng)物通量及濃度.

相較于一般統(tǒng)計(jì)模型，SPARROW模型在估計(jì)流域營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷時(shí)考慮了污染物向下游傳輸時(shí)的衰減或滯留，目前已成功應(yīng)用于美國(guó)全國(guó)范圍河流總氮和總磷負(fù)荷的估算[33]. 美國(guó)農(nóng)業(yè)部在2004年啟動(dòng)的保護(hù)性措施效益評(píng)價(jià)項(xiàng)目(CEAP)中，將SPARROW模型應(yīng)用于水質(zhì)效益的評(píng)估，為SWAT模型提供徑流和污染物負(fù)荷信息[34]. 同時(shí)，SPARROW模型使用整個(gè)流域的空間水系網(wǎng)絡(luò)，利用簡(jiǎn)單的基于過程的源和輸移描述，對(duì)所有子流域營(yíng)養(yǎng)物來源貢獻(xiàn)進(jìn)行比較和排序，量化了不同營(yíng)養(yǎng)物來源的重要性，評(píng)估水質(zhì)與不同污染源之間的聯(lián)系，以確定流域尺度的營(yíng)養(yǎng)物來源和輸移過程[35-37]. Xu等[38]使用SPARROW模型估算了天津渤海灣流域氮磷的來源和輸移過程，確定了流域向渤海灣輸送的氮磷負(fù)荷及流域上游、工業(yè)排放、污水排放等因素對(duì)流域營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷貢獻(xiàn)的百分比. SPARROW模型將回歸模型與空間信息相關(guān)聯(lián)，保留了環(huán)境因素的空間信息，可以直接通過地圖來展示模型模擬和預(yù)測(cè)結(jié)果，提供了營(yíng)養(yǎng)物通量詳細(xì)的空間分布信息，揭示了營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷的區(qū)域差異性. Booth等[39]對(duì)莫比爾河進(jìn)入莫比爾灣之前的最后一條河流河段開展SPARROW模型研究，以評(píng)估從該河匯水區(qū)向莫比爾灣的營(yíng)養(yǎng)物輸送，研究發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離海灣的河段和水庫(kù)上游的河段向海灣輸送營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷占比較低. 利用SPARROW模型預(yù)測(cè)得到的流域營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷，結(jié)合水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，可以實(shí)現(xiàn)流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià). Wise等[40]利用SPARROW模型預(yù)測(cè)太平洋西北部河流總氮和總磷年均濃度，結(jié)合頻數(shù)分布法估算該河流的年均濃度超過美國(guó)環(huán)境保護(hù)局適用參考標(biāo)準(zhǔn)的概率，以評(píng)價(jià)該河流的水質(zhì)狀態(tài)，為水環(huán)境管理提供參考.

2.3 水質(zhì)目標(biāo)管理及總量控制

除了估算及評(píng)價(jià)未監(jiān)測(cè)河流的水質(zhì)條件外，SPARROW模型還可用于估算不同土地使用條件、資源管理方案下河流營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷情況. 目前流域面臨來自農(nóng)田開墾、人口增長(zhǎng)和城市擴(kuò)張的壓力越來越大[41]，為保持良好的水環(huán)境，確保水資源的可持續(xù)利用，多采用TMDL(最大日負(fù)荷總量)法制定水環(huán)境管理政策. TMDL控制方案的主要部分之一是為所有影響河段水質(zhì)的污染源建立一個(gè)假設(shè)的污染物負(fù)荷分配，從而使該斷面的水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn). SPARROW模型中的通量模擬功能可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)水體的污染物總量估算、流域主要污染物篩選及模擬不同的污染物負(fù)荷分配方案對(duì)水質(zhì)的響應(yīng)，從而確定TMDL控制方案[42]. Detenbeck等[43]對(duì)美國(guó)河口區(qū)的氮總量進(jìn)行了綜合估算，并評(píng)估不同污染源對(duì)氮負(fù)荷的相對(duì)貢獻(xiàn)，從而制定了一種針對(duì)沿海區(qū)域減少氮負(fù)荷的TMDL策略. SPARROW模型可以通過改變輸入變量數(shù)值，描述特定輸入條件變化對(duì)水環(huán)境的影響，提供實(shí)施管理方案的水質(zhì)效益估計(jì). Dai等[44]研究表明，通過分別削減三岔河和雅池河子流域30%和10%的人為氨氮負(fù)荷量，可使烏江流域80%水體達(dá)到GB 3838—2002 Ⅲ類 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

SPARROW模型是由統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)(SAS)宏語言編寫的開源系統(tǒng)，可在原模型的基礎(chǔ)上開發(fā)成用戶友好、便捷訪問、更適合管理人員使用的水質(zhì)管理模型. 管理者可直接使用模型參與水質(zhì)模擬分析，可直觀感受到不同管理方案的使用效果，精簡(jiǎn)了決策過程. 如Hassanzadeh等[45]基于SPARROW模型開發(fā)了一個(gè)動(dòng)力學(xué)決策支持系統(tǒng)，該模型可以計(jì)算加拿大卡佩勒河流域農(nóng)業(yè)效率管理措施實(shí)施前后的負(fù)荷變化，模擬流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量或濕地覆蓋率變化對(duì)流域營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的影響等. Booth等[39]也開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的SPARROW決策支持系統(tǒng)，方便用戶利用網(wǎng)頁(yè)訪問系統(tǒng)界面，為用戶展示水質(zhì)狀態(tài)，并預(yù)測(cè)未來共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑下的水質(zhì)狀況.

2.4 氣候變化對(duì)水環(huán)境影響

水環(huán)境問題與水文模式息息相關(guān)，而水文模式本身對(duì)氣候變化十分敏感，降水和徑流的變化可能會(huì)改變營(yíng)養(yǎng)鹽的流動(dòng)性和稀釋率，氣溫的升高可能會(huì)影響被輸送物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[46]. Huo等[47]使用廣義可加模型估計(jì)了未來氣候情景對(duì)營(yíng)養(yǎng)基準(zhǔn)的影響，結(jié)果表明，在營(yíng)養(yǎng)物沒有增加的情況下，一些當(dāng)前沒有發(fā)生藻華的湖泊可能會(huì)受氣候變化的影響在未來發(fā)生藍(lán)藻水華. 未來流域營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷很可能會(huì)因氣候變化的影響而改變，在應(yīng)對(duì)氣候變化的水環(huán)境管理決策中必須考慮到未來氣候變化對(duì)水環(huán)境的影響.

將SPARROW模型與降雨-徑流模型相結(jié)合，估算在不同大氣環(huán)流模式和碳排放情景下流域徑流變化，調(diào)整氣候變化條件下模型中流量、流速等水域傳輸變量，能得到更可靠的河流營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果. Robertson等[48]根據(jù)不同情景下降雨徑流模型系統(tǒng)(PRMS)模擬河流未來流量及其相應(yīng)的水流速度和行進(jìn)時(shí)間，然后利用SPARROW模型模擬未來情景中營(yíng)養(yǎng)物在河道內(nèi)的損失. Teutschbein等[49]用概念性水文模型HBV模擬未來情景下每個(gè)集水區(qū)的日徑流，再與SPARROW模型耦合實(shí)現(xiàn)對(duì)未來氣候情景下流域污染負(fù)荷的估計(jì).

目前，SPARROW模型在氣候變化對(duì)水環(huán)境影響的研究應(yīng)用中還存在一定的局限性. 水體營(yíng)養(yǎng)物濃度的季節(jié)性波動(dòng)要比外源輸入量的波動(dòng)大得多，氣候變暖很可能導(dǎo)致更強(qiáng)的季節(jié)性波動(dòng)[50]. SPARROW模型沒有考慮營(yíng)養(yǎng)物傳輸?shù)臅r(shí)間動(dòng)態(tài)，只提供營(yíng)養(yǎng)物的長(zhǎng)時(shí)間平均值，忽略了季節(jié)性波動(dòng)的影響，是未來可以進(jìn)行改進(jìn)的地方. 氣候變化情景下，基于SPARROW模型進(jìn)行氣候變化對(duì)水環(huán)境影響的研究可以支撐水環(huán)境管理方案的制定，以應(yīng)對(duì)未來氣候變化導(dǎo)致的營(yíng)養(yǎng)物輸出增加，只有將營(yíng)養(yǎng)物濃度保持在一定水平下，水體富營(yíng)養(yǎng)化問題才能得到有效緩解.

3 SPARROW模型應(yīng)用展望和發(fā)展趨勢(shì)

相對(duì)機(jī)理模型而言，SPARROW模型需要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量更少，并將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的產(chǎn)生及遷移過程與河流衰減作用相聯(lián)系，用統(tǒng)計(jì)方法描述自然條件和人類活動(dòng)對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷的影響. 可以利用該模型在流域水環(huán)境評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)、污染物背景濃度模擬、污染物總量控制管理等方面開展多項(xiàng)研究.

雖然SPARROW模型在預(yù)測(cè)特定水質(zhì)管理措施、氣候變化等條件下地表水營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的變化趨勢(shì)方面得到了很好的應(yīng)用，但該模型沒有考慮各影響因素對(duì)受納水體影響的時(shí)間效應(yīng). 由上游土地利用或氣候發(fā)生變化到觀測(cè)到下游受納水體中營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷由此變化之間的時(shí)間會(huì)受到不同流域地質(zhì)條件的影響[51]. 因此應(yīng)開發(fā)時(shí)間動(dòng)態(tài)SPARROW模型，解釋流域水體營(yíng)養(yǎng)物遷移的時(shí)間效應(yīng)，為制定精準(zhǔn)的水環(huán)境管理方案提供水質(zhì)預(yù)測(cè)支撐.

目前，受到SPARROW模型結(jié)構(gòu)的影響，模型多被應(yīng)用于估算流域氮磷的負(fù)荷及遷移研究，對(duì)其他污染物模擬效果一般[8,52]. SPARROW模型主要包含人畜排泄、土地利用、化肥施用量、大氣沉降及點(diǎn)源排放5種污染源的影響，與流域氮磷負(fù)荷的主要影響因素一致. 而對(duì)其他污染物而言，如化學(xué)需氧量(COD)等，以上5個(gè)方面不能完整代表影響污染負(fù)荷的主要因素. COD污染負(fù)荷與產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)及污水處理廠去污率有較大關(guān)系，自然條件(如土地利用、大氣沉降等)對(duì)其影響較小. 因此為了適應(yīng)污染物總量控制需求，更準(zhǔn)確地進(jìn)行污染物負(fù)荷模擬，應(yīng)對(duì)SPARROW模型進(jìn)一步開發(fā)高錳酸鹽指數(shù)、COD、氨氮等相關(guān)模塊.

此外，SPARROW模型使用非線性回歸方法模擬流域污染負(fù)荷，流域內(nèi)所有子流域使用固定系數(shù)，并且模型估算的河流內(nèi)損失率系數(shù)反映的是河段污染物去除的平均速率，年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不能預(yù)測(cè)季節(jié)性負(fù)荷或短期年內(nèi)循環(huán)，后續(xù)的研究可以通過貝葉斯等方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，使模型融入有關(guān)模型參數(shù)的先驗(yàn)知識(shí)，為模型參數(shù)找到較為準(zhǔn)確的參數(shù)區(qū)間[53]. SPARROW模型一般應(yīng)用于監(jiān)測(cè)頻率高、監(jiān)測(cè)點(diǎn)密集的大流域，致使模型很難應(yīng)用于缺乏高密度監(jiān)測(cè)網(wǎng)的中小流域. 可將SPARROW模型與隨機(jī)森林等機(jī)器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型的學(xué)習(xí)能力，提高量化模型不確定性的能力，使模型更好地應(yīng)用于不同尺度、不同流域的水質(zhì)相關(guān)研究.

4 結(jié)論

a) SPARROW模型吸取了機(jī)理模型與統(tǒng)計(jì)模型的優(yōu)點(diǎn)，具有數(shù)據(jù)需求量少、結(jié)構(gòu)透明、普適性強(qiáng)等特點(diǎn). 該模型通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的水質(zhì)與流量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)污染源、河道損失、陸地-水體遷移損失等污染物負(fù)荷主要影響因素的參數(shù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與流域特征相關(guān)聯(lián)，為污染物負(fù)荷賦予了空間意義.

b) 目前SPARROW模型已在水質(zhì)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)、水質(zhì)目標(biāo)管理及總量控制、氣候變化對(duì)水環(huán)境影響等方面得到了廣泛應(yīng)用. 為識(shí)別、評(píng)估、預(yù)測(cè)人類活動(dòng)及氣候變化導(dǎo)致的水體營(yíng)養(yǎng)物增加提供了研究基礎(chǔ). SPARROW模型在營(yíng)養(yǎng)物背景濃度模擬方面的應(yīng)用，也為我國(guó)水環(huán)境管理政策的制訂和管理提供了新的支撐技術(shù).

c) SPARROW模型多用于流域氮磷污染負(fù)荷及遷移研究，對(duì)其他幾項(xiàng)主要污染物(如高錳酸鹽指數(shù)、COD、氨氮等)的模擬效果一般，且該模型沒有考慮影響因素的時(shí)間滯后影響. 為實(shí)現(xiàn)水環(huán)境的精準(zhǔn)治污、科學(xué)管理，未來SPARROW模型應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)其他污染物模塊，并與機(jī)器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型的學(xué)習(xí)能力使該模型適應(yīng)多尺度的研究區(qū)域.