基于水文模型的面源污染模擬研究綜述

郭圣浩，孫麗菲

西南林學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系，云南昆明 650224

1 農(nóng)業(yè)面源污染

農(nóng)業(yè)面源污染是指在發(fā)生自然降雨或人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的過(guò)程中，造成的土壤擾動(dòng)，使得農(nóng)田中的土壤顆粒、氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素、農(nóng)藥及其它的有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物，在農(nóng)田人工排水、農(nóng)田地表徑流以及地下水滲漏等的作用下，而大量進(jìn)入水體，造成水體營(yíng)養(yǎng)元素超標(biāo)，富營(yíng)養(yǎng)化等水體污染[1]。其主要的特征為，面源污染發(fā)生的地區(qū)和發(fā)生時(shí)間的隨機(jī)性、其產(chǎn)生的具體途徑及所產(chǎn)生的污染物不確定性、污染物負(fù)荷在空間上分布的差異性[1]。

2 農(nóng)業(yè)面源污染的現(xiàn)狀

相比較點(diǎn)源污染，面源污染由于其特點(diǎn)的不確定性，在研究和治理上都存在較大的難度，面源污染已經(jīng)成為世界上地下水污染和地表水污染的主要來(lái)源，而農(nóng)業(yè)生活生產(chǎn)所帶來(lái)的農(nóng)業(yè)面源污染是世界面源污染的重要來(lái)源。

根據(jù)2003年美國(guó)環(huán)境保護(hù)局調(diào)查資料和國(guó)外的相關(guān)研究資料表明，全世界約有30%～50%的地表已經(jīng)受到面源污染的影響，在全世界范圍內(nèi)，已經(jīng)退化的 12 億 hm2耕地中，約有12%的耕地都是由農(nóng)業(yè)面源污染引起的[2]。調(diào)查還顯示，在美國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染是造成濕地銳減和地下水污染的重要因素[3]，是美國(guó)境內(nèi)河流和湖泊污染的首要污染源；在歐洲瑞典，大約有60%～87%的污染，是由于農(nóng)業(yè)面源污染中污染物滲入地下水中的氮磷元素所造成的[3]；在愛(ài)爾蘭，約60%的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊，在流域范圍內(nèi)并沒(méi)有明顯的點(diǎn)源污染[3]。

同樣，在我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染也已經(jīng)成為我國(guó)水體中水質(zhì)惡化的首要污染源[3]；由中國(guó)農(nóng)科院土壤肥料所研究的結(jié)果表明，在中國(guó)污染嚴(yán)重的流域內(nèi)，農(nóng)村的生活生產(chǎn)排污、農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田及城鄉(xiāng)結(jié)合部地帶的排污是造成流域內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[4]；同時(shí)根據(jù)土壤肥料研究所對(duì)北京、天津、河北、山東、陜西等地的600 多個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行的抽樣調(diào)查顯示，農(nóng)業(yè)面源污染也日益成為我國(guó)地下水硝酸鹽污染的主要來(lái)源[4]。

3 模型在農(nóng)業(yè)面源污染中的應(yīng)用

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)70年代，歐美等主要發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始了對(duì)面源污染模型的研究，其中的大部分模型研究均是以應(yīng)用為主，模型本身的結(jié)構(gòu)和功能都比較單一，無(wú)法滿足在面源污染的具體產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行估算和模擬[5]。

這一時(shí)期的模型研究主要是用于土地開(kāi)發(fā)利用對(duì)河流中水體水質(zhì)產(chǎn)生的影響，模型主要是依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和因果分析的方法建立統(tǒng)計(jì)式的模型，并在此基礎(chǔ)上建立污染物輸出與土地利用或徑流量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。其中具有代表性的模型主要有SCS徑流曲線數(shù)法和Horton入滲方程等模型，這類模型對(duì)輸入的數(shù)據(jù)以及參數(shù)的設(shè)置要求均比較低，能夠簡(jiǎn)便地計(jì)算出流域出口處與面源污染相關(guān)的因子的負(fù)荷量，模型基本上表現(xiàn)出了較強(qiáng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，因而在早期得到了較為廣泛的應(yīng)用。但由于模型難以描述面源污染物內(nèi)在的遷移規(guī)律，且模型在實(shí)際應(yīng)用中功能的單一，使得這類模型并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。

20世紀(jì)70年代末到90年代，伴隨著計(jì)算機(jī)和3S等高新技術(shù)的興起，以及人們對(duì)面源污染物理化過(guò)程研究的深入，和對(duì)面源污染長(zhǎng)期而有效的監(jiān)測(cè)，使得面源污染機(jī)理模型研究得到了較快的發(fā)展[6]。

這一時(shí)期面源污染模型的特點(diǎn)相比較以前，已經(jīng)開(kāi)始由原先只是簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析向面源污染污染的機(jī)理轉(zhuǎn)變，由僅僅從單場(chǎng)暴雨分析向時(shí)間連續(xù)性分析的轉(zhuǎn)變、由模型集中式向分布式的模型轉(zhuǎn)變；人們?cè)谀Ｐ脱芯恐虚_(kāi)始強(qiáng)調(diào)模型應(yīng)用的普遍性和適地性，使模型研究的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值大大提高。在這時(shí)期的模型主要有，可以模擬城市暴雨徑流的SWMM模型、可以模擬農(nóng)業(yè)污染負(fù)荷的ARM模型、可以模擬河流流域負(fù)荷的HSP模型等；其中，被譽(yù)為面源污染模型的“里程碑”是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所開(kāi)發(fā)的CREAMS模型，它是當(dāng)時(shí)唯一一個(gè)將面源污染中三大影響因子（水文、土壤侵蝕以及污染物的遷移過(guò)程）進(jìn)行了系統(tǒng)綜合的模型；隨后，研究人員又根據(jù)CREAMS模型發(fā)展出了用于模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)地下水影響的GLEAMS模型、用于研究農(nóng)田小區(qū)的EPTC模型和用于模擬研究大型流域面源污染物輸出的SWRRB模型等。

此外，在歐洲，研究人員也相繼開(kāi)發(fā)出了用于模擬中小流域面源污染輸出的AGNPS模型、歐洲水文系統(tǒng)模型SHE、用于研究流域土壤侵蝕的SEDIMOT II模型、用于研究泥沙輸出的模型WEPP，以及用于流域水文和泥沙演算的ROTO模型，隨后，人們又在ROTO模型的基礎(chǔ)上，將ROTO模型與SWRRB模型集成，形成了新一代大型流域面源污染模型SWAT。

進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科技水平的高速進(jìn)步，面源污染模型與計(jì)算機(jī)極其應(yīng)用軟件的結(jié)合更加的緊密，使得面源污染模型的功能效率更高，模型在面源污染研究中應(yīng)用更加廣泛。

在這一時(shí)期，研究人員發(fā)展出了功能更加強(qiáng)大、應(yīng)用更加先進(jìn)成熟的面源污染模型；如SWAT，WEPP和AGNPS模型，這些大型的綜合模型都可以與一些GIS軟件如GRASS、ArcView等進(jìn)行不同程度的集成，隨之產(chǎn)生了超大型流域模型；這些大型的綜合性模型均是以空間信息處理、數(shù)學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、可視化等功能集于一身的大型專業(yè)軟件。其中較著名的是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所開(kāi)發(fā)的AGNPS2001，SWAT2000以及美國(guó)國(guó)家環(huán)保局開(kāi)發(fā)的BASINS模型。目前，SWAT模型已經(jīng)被大量的應(yīng)用到了美國(guó)國(guó)家項(xiàng)目HUMUS中，用于研究和監(jiān)測(cè)大型流域內(nèi)的水量平衡、流域內(nèi)河流的流量以及流域內(nèi)面源污染物的控制評(píng)價(jià)等；而美國(guó)環(huán)保局的大型TMDL項(xiàng)目也將SWAT作為其研究模型，并將SWAT模型集成到其開(kāi)發(fā)的BASINS模型系統(tǒng)中，用于協(xié)助TMDL項(xiàng)目進(jìn)行重點(diǎn)污染源的識(shí)別、控制及面源污染輸出量的估算等。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)的面源污染模型的研究比歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚。在我國(guó)，研究面源污染負(fù)荷定量估算的方法基本從兩個(gè)方面來(lái)入手，一是采用相關(guān)分析法，通過(guò)對(duì)面源污染中的影響因子如（降雨徑流、水土流失、污染物遷移）的模擬研究，進(jìn)而估算出面源污染物的輸出量；例如，夏青等人提出的包括了（降雨徑流、產(chǎn)流量、水體水質(zhì)）的3個(gè)子模型在內(nèi)的面源污染模型，并運(yùn)用該模型在四川沱江流域進(jìn)行了面源污染的模擬研究，并取得了較好的模擬效果；另一種方法是通過(guò)對(duì)面源污染中水體的水質(zhì)分析，進(jìn)而估算出流域內(nèi)的面源污染物的輸出量，這是一種經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)模型，目前這種方法己在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用；例如，陳西平等人在三峽庫(kù)區(qū)研究提出了用于計(jì)算農(nóng)田徑流中污染負(fù)荷的模型，其中包括了降雨產(chǎn)流和地表徑流中水質(zhì)相關(guān)的子模型，用于計(jì)算三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)的各種面源污染物的輸出量[6]。

20世紀(jì)80年代，我國(guó)開(kāi)始對(duì)面源污染以及徑流污染中的機(jī)理、污染負(fù)荷的定量計(jì)算方面進(jìn)行了初步的模型研究。如吳祖林等人從降雨徑流量、污染負(fù)荷等相關(guān)的角度對(duì)城市徑流污染負(fù)荷模擬模型進(jìn)行了探討；劉楓等在天津于橋水庫(kù)進(jìn)行了流域面源污染的量化識(shí)別研究。

進(jìn)入90年代，我國(guó)研究者開(kāi)始引進(jìn)歐美等國(guó)比較成熟的面源污染模型，但大多數(shù)的模型都不能完全的適用于我國(guó)，再加上我國(guó)面積廣闊，面源污染的實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足，致使研究多是根據(jù)具體研究的需要稍加修正系數(shù)，對(duì)模型本身在我國(guó)的適用性的改進(jìn)并不大。在這一時(shí)期，我國(guó)的研究者也積極發(fā)展適合我國(guó)的面源污染模型；而目前，我國(guó)研究者將GIS等高新軟件集成于面源污染模型中，建立大型模型的研究正在逐步興起；例如，游松財(cái)?shù)热藨?yīng)用USLE模型加入GIS的輔助，估算出了江西省泰和縣灌溪鄉(xiāng)的土壤侵蝕量；沈曉東等人在自行研制的GIS軟件的支持下，提出了一個(gè)動(dòng)態(tài)分布式降雨徑流模型，實(shí)現(xiàn)了基于柵格的坡面產(chǎn)匯流與河道匯流的數(shù)值模擬，獲得了流域上任意模擬時(shí)刻、任意柵格上的徑流量；李碩等人在SWAT模型的研究中，通過(guò)GIS和遙感的輔助，對(duì)該模型的空間參數(shù)化、離散化進(jìn)行了研究，并成功地將其應(yīng)用到江西激水河流域中徑流和泥沙的模擬中[7]。

4 結(jié)論

目前，我國(guó)還沒(méi)有產(chǎn)流產(chǎn)沙和農(nóng)業(yè)面源污染相結(jié)合的模型,同時(shí)國(guó)外侵蝕產(chǎn)沙與農(nóng)業(yè)面源污染模型一般是以美國(guó)、歐洲等國(guó)家的地形基礎(chǔ)上建立的，并不能直接用于我國(guó)，所以開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的分布式侵蝕產(chǎn)沙和面源污染相結(jié)合的模型是迫在眉睫[8]；目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展已經(jīng)到了非常關(guān)鍵的時(shí)期，環(huán)境的保護(hù)和資源的合理利用已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大的瓶頸，而在國(guó)家逐漸對(duì)點(diǎn)源污染進(jìn)行有效控制之后面源污染問(wèn)題凸現(xiàn)，面源污染中又以農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題最為嚴(yán)重，因而，有必要發(fā)展中國(guó)自己的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，發(fā)展動(dòng)態(tài)的、適應(yīng)性更廣的模型。

[1]江忠善,王志強(qiáng),劉志.黃土丘陵區(qū)小流域土壤侵蝕空間變化定量研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1996,2.

[2]蔡強(qiáng)國(guó),陸兆熊,王貴平.黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程模型[J].地理學(xué)報(bào),1996(2).

[3]胡良軍,李銳,楊勤科.基于GIS的區(qū)域水土流失評(píng)價(jià)研究[C].全國(guó)區(qū)域水土流失快速調(diào)查與管理信息系統(tǒng).學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集,1999.

[4]尹國(guó)康,陳欽巒.黃土高原小流域特性指標(biāo)與產(chǎn)沙統(tǒng)計(jì)模式[J].地理學(xué)報(bào),1989,44(1).

[5]王星宇.黃土地區(qū)流域產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型[J].泥沙研究,1987(3).

[6]湯立群,陳國(guó)祥,蔡名揚(yáng).黃土丘陵區(qū)小流域產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型[J].河海大學(xué)報(bào),1990,18(6).

[7]陳國(guó)祥,謝樹(shù)楠,湯立群.黃土高原地區(qū)流域侵蝕產(chǎn)沙模型研究[J].鄭州:黃河水社,1996.

[8]牟金澤,孟慶枚.降雨侵蝕土壤流失方程的初步研究[J].中國(guó)水土保持,1983(6).