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

鄭佳琦， 李文攀， 霍守亮， 何卓識*， 曹祥會， 馬春子， 黃煒惠

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室， 北京 100012 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站， 北京 100012

近10年來，隨著治污力度不斷加大，我國水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，截至2020年，我國1 937個水質(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]. 然而由氮磷等營養(yǎng)物富集造成的水體富營養(yǎng)化問題依然存在. 研究[2-3]表明，自然環(huán)境和人類活動都會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，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)模型可分為機理模型和統(tǒng)計模型兩大類，其中機理模型為動態(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，但每個模型都需要用戶提供50～100個相關(guān)參數(shù)來進(jìn)行水文、泥沙和營養(yǎng)物的模擬[4]. 模型的復(fù)雜性、對數(shù)據(jù)量的要求以及大量需要校準(zhǔn)的參數(shù)會限制這類機理模型的應(yīng)用. 相較于機理模型，統(tǒng)計模型具有相對簡單的數(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)測中的誤差量化較容易(見表1)，常見的統(tǒng)計模型有回歸分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNs)、克里格空間統(tǒng)計方法等[5]，該類統(tǒng)計模型缺乏質(zhì)量平衡約束且不包含水質(zhì)隨空間和時間變化的信息，而這些信息通常是表征營養(yǎng)物輸送過程的關(guān)鍵[6].

表1 機理模型與統(tǒng)計模型的對比

SPARROW (spatially referenced regression on watershed attributes)模型是一種將機理模型和統(tǒng)計模型相結(jié)合的水質(zhì)模型，其通過混合統(tǒng)計和基于過程的方法將監(jiān)測數(shù)據(jù)與流域特征和污染物來源信息聯(lián)系起來，來估計污染物在流域和水體的遷移，以探索人類活動、自然過程和污染物遷移三者之間的關(guān)系[7]. 該模型吸取了機理模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點，具有較強的空間特性、較好的污染負(fù)荷預(yù)測能力并提供模型系數(shù)和預(yù)測結(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、普適性強等優(yōu)點，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)評價及預(yù)測、氣候變化對水環(huán)境影響等研究[9]. 該文對SPARROW模型的結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)缺點、國內(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.

1 SPARROW模型的原理與結(jié)構(gòu)

SPARROW是美國地質(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)測點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)測不確定性度量[10].

SPARROW模型將小流域的試驗數(shù)據(jù)和觀測結(jié)果與大流域地表水的營養(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)相對較少，結(jié)構(gòu)相對透明，具有可解釋的模型系數(shù)和對源貢獻(xiàn)量的估計[12-13]；同時，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間和空間場景[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個污染源產(chǎn)生的污染負(fù)荷，kg/a；αn為第n個污染源的排放系數(shù)；Dn為第n個污染源的水陸傳輸項；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*)由長期監(jiān)測的水質(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)由河流長度和流速決定，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. 對模型參數(shù)和水體負(fù)荷通量預(yù)測值模擬方程進(jìn)行多次評估，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)用于美國地區(qū)，由于其較好的模擬效果，已在國際范圍內(nèi)開始應(yīng)用研究[13,16-17]. 近年來SPARROW模型得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，如Li等[18]利用SPARROW模型評估了松花江流域擴散源的營養(yǎng)物輸送和流失比率，并預(yù)測了上游子流域向通江監(jiān)測斷面運輸營養(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)評價與預(yù)測、氣候變化對水環(huán)境影響等方面都得到了很好的應(yīng)用.

2.1 營養(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營養(yǎng)物達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)的影響，有時可能在富營養(yǎng)化過程中起決定性的作用[23]. 對水質(zhì)狀況的評估通常是基于當(dāng)前水質(zhì)狀況與自然背景條件的閾值相比較，因此營養(yǎng)物的自然背景濃度是水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)制定及評估富營養(yǎng)化過程的重要參考[24]. 常用于地表水營養(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，為整個流域估算營養(yǎng)物背景濃度. 該模型通過在流域上游選擇無人類活動干擾或人類干擾相對較小的參照站點，構(gòu)建營養(yǎng)物濃度與天然環(huán)境因素回歸方程得到模型的營養(yǎng)物源變量. SPARROW模型在進(jìn)行背景濃度模擬時，將人為污染源數(shù)量設(shè)為0，同時考慮了營養(yǎng)物在河流和湖庫輸移過程中的損失，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)相對較少且易獲得. Smith等[28]利用63個低開發(fā)強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養(yǎng)負(fù)荷量化SPARROW模型河流運輸中的營養(yǎng)源變量，通過SPARROW模型計算總氮和總磷損失率來估計整個流域背景營養(yǎng)物負(fù)荷傳輸過程，最終得到整個流域的營養(yǎng)物背景濃度.

利用SPARROW模型模擬營養(yǎng)物背景濃度關(guān)鍵在于參照點的選擇，盡可能地選擇受人類活動影響較小的監(jiān)測點. 由于不同國家和地區(qū)的經(jīng)濟、人口、土地利用情況存在差異，參照點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]. 美國地質(zhì)調(diào)查局水文基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)計劃項目中選擇基準(zhǔn)流域所遵循的標(biāo)準(zhǔn)包括：流域內(nèi)不存在人類活動、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)測的河流流量數(shù)據(jù)[31]. Lewis等[27]在美國熱帶地區(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.

確定合適的參照點選擇方法，SPARROW模型可以有效模擬流域背景營養(yǎng)物通量和濃度，為評估由人類活動導(dǎo)致的水體營養(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). 我國人口密度大，流域受人類活動擾動強度高，傳統(tǒng)的營養(yǎng)物背景濃度模擬方法在我國適用性差. SPARROW模型提供了一種利用上游參照流域預(yù)測下游流域營養(yǎng)物背景濃度的方法，為我國水環(huán)境管理提供了一種新的技術(shù).

2.2 水質(zhì)評價與預(yù)測

流域水質(zhì)評價主要包括估計營養(yǎng)物負(fù)荷、識別營養(yǎng)物來源和分析營養(yǎng)物通量空間分布三方面[32]. 評價過程中均需要評價目標(biāo)的監(jiān)測數(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)測頻次差異的影響，有效水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本量有限. SPARROW模型可以將監(jiān)測獲得的營養(yǎng)物通量信息外推至未監(jiān)測區(qū)域[10]，利用流域氣候、地質(zhì)環(huán)境、土地利用等因素對水質(zhì)的影響，預(yù)測未監(jiān)測區(qū)域營養(yǎng)物通量及濃度.

相較于一般統(tǒng)計模型，SPARROW模型在估計流域營養(yǎng)負(fù)荷時考慮了污染物向下游傳輸時的衰減或滯留，目前已成功應(yīng)用于美國全國范圍河流總氮和總磷負(fù)荷的估算[33]. 美國農(nóng)業(yè)部在2004年啟動的保護性措施效益評價項目(CEAP)中，將SPARROW模型應(yīng)用于水質(zhì)效益的評估，為SWAT模型提供徑流和污染物負(fù)荷信息[34]. 同時，SPARROW模型使用整個流域的空間水系網(wǎng)絡(luò)，利用簡單的基于過程的源和輸移描述，對所有子流域營養(yǎng)物來源貢獻(xiàn)進(jìn)行比較和排序，量化了不同營養(yǎng)物來源的重要性，評估水質(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、污水排放等因素對流域營養(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)測結(jié)果，提供了營養(yǎng)物通量詳細(xì)的空間分布信息，揭示了營養(yǎng)物負(fù)荷的區(qū)域差異性. Booth等[39]對莫比爾河進(jìn)入莫比爾灣之前的最后一條河流河段開展SPARROW模型研究，以評估從該河匯水區(qū)向莫比爾灣的營養(yǎng)物輸送，研究發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離海灣的河段和水庫上游的河段向海灣輸送營養(yǎng)物負(fù)荷占比較低. 利用SPARROW模型預(yù)測得到的流域營養(yǎng)物負(fù)荷，結(jié)合水質(zhì)評價方法，可以實現(xiàn)流域水環(huán)境質(zhì)量評價. Wise等[40]利用SPARROW模型預(yù)測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環(huán)境保護局適用參考標(biāo)準(zhǔn)的概率，以評價該河流的水質(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

除了估算及評價未監(jiān)測河流的水質(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、人口增長和城市擴張的壓力越來越大[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)荷分配方案對水質(zhì)的響應(yīng)，從而確定TMDL控制方案[42]. Detenbeck等[43]對美國河口區(qū)的氮總量進(jìn)行了綜合估算，并評估不同污染源對氮負(fù)荷的相對貢獻(xiàn)，從而制定了一種針對沿海區(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水環(huán)境的影響，提供實施管理方案的水質(zhì)效益估計. 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，精簡了決策過程. 如Hassanzadeh等[45]基于SPARROW模型開發(fā)了一個動力學(xué)決策支持系統(tǒng)，該模型可以計算加拿大卡佩勒河流域農(nóng)業(yè)效率管理措施實施前后的負(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流域營養(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)頁訪問系統(tǒng)界面，為用戶展示水質(zhì)狀態(tài)，并預(yù)測未來共享社會經(jīng)濟路徑下的水質(zhì)狀況.

2.4 氣候變化對水環(huán)境影響

水環(huán)境問題與水文模式息息相關(guān)，而水文模式本身對氣候變化十分敏感，降水和徑流的變化可能會改變營養(yǎng)鹽的流動性和稀釋率，氣溫的升高可能會影響被輸送物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)[46]. Huo等[47]使用廣義可加模型估計了未來氣候情景對營養(yǎng)基準(zhǔn)的影響，結(jié)果表明，在營養(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受氣候變化的影響在未來發(fā)生藍(lán)藻水華. 未來流域營養(yǎng)物負(fù)荷很可能會因氣候變化的影響而改變，在應(yīng)對氣候變化的水環(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養(yǎng)負(fù)荷預(yù)測結(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)時間，然后利用SPARROW模型模擬未來情景中營養(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集水區(qū)的日徑流，再與SPARROW模型耦合實現(xiàn)對未來氣候情景下流域污染負(fù)荷的估計.

目前，SPARROW模型在氣候變化對水環(huán)境影響的研究應(yīng)用中還存在一定的局限性. 水體營養(yǎng)物濃度的季節(jié)性波動要比外源輸入量的波動大得多，氣候變暖很可能導(dǎo)致更強的季節(jié)性波動[50]. SPARROW模型沒有考慮營養(yǎng)物傳輸?shù)臅r間動態(tài)，只提供營養(yǎng)物的長時間平均值，忽略了季節(jié)性波動的影響，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)對未來氣候變化導(dǎo)致的營養(yǎng)物輸出增加，只有將營養(yǎng)物濃度保持在一定水平下，水體富營養(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

相對機理模型而言，SPARROW模型需要的監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)量更少，并將營養(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)計方法描述自然條件和人類活動對水體營養(yǎng)物負(fù)荷的影響. 可以利用該模型在流域水環(huán)境評價與預(yù)測、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研究.

雖然SPARROW模型在預(yù)測特定水質(zhì)管理措施、氣候變化等條件下地表水營養(yǎng)負(fù)荷的變化趨勢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受納水體影響的時間效應(yīng). 由上游土地利用或氣候發(fā)生變化到觀測到下游受納水體中營養(yǎng)負(fù)荷由此變化之間的時間會受到不同流域地質(zhì)條件的影響[51]. 因此應(yīng)開發(fā)時間動態(tài)SPARROW模型，解釋流域水體營養(yǎng)物遷移的時間效應(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. 而對其他污染物而言，如化學(xué)需氧量(COD)等，以上5個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)計數(shù)據(jù)不能預(yù)測季節(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其進(jìn)行改進(jìn)，使模型融入有關(guān)模型參數(shù)的先驗知識，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)測頻率高、監(jiān)測點密集的大流域，致使模型很難應(yīng)用于缺乏高密度監(jiān)測網(wǎng)的中小流域. 可將SPARROW模型與隨機森林等機器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，利用機器學(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模型吸取了機理模型與統(tǒng)計模型的優(yōu)點，具有數(shù)據(jù)需求量少、結(jié)構(gòu)透明、普適性強等特點. 該模型通過長期監(jiān)測的水質(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)評價與預(yù)測、水質(zhì)目標(biāo)管理及總量控制、氣候變化對水環(huán)境影響等方面得到了廣泛應(yīng)用. 為識別、評估、預(yù)測人類活動及氣候變化導(dǎo)致的水體營養(yǎng)物增加提供了研究基礎(chǔ). SPARROW模型在營養(yǎng)物背景濃度模擬方面的應(yīng)用，也為我國水環(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，對其他幾項主要污染物(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間滯后影響. 為實現(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，并與機器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，利用機器學(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.