面源污染估算模型研究進(jìn)展

田軍林，郝守寧

（1中山市水庫水電工程管理中心，廣東中山 528400；2西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏林芝 860000）

0 引言

面源污染(Diffused Pollution，DP)又稱非點源污染(Non-point Source Pollution，NPS)，相對于點源污染具有的集中污染源和明確排污途徑[1]，面源污染的隨機(jī)性、滯后性、隱蔽性、廣泛性、影響面積廣等特點，致使面源污染的監(jiān)測、控制和處理上具有較大的困難[2]，使面源污染治理逐漸成為水環(huán)境保護(hù)與水資源利用中的重點和難點，是世界公認(rèn)的水環(huán)境污染治理的難題[3]。面源污染通常是通過降水、融雪或灌溉等過程產(chǎn)生的地表徑流，在淋溶或沖刷的作用下，從不確定的區(qū)域，攜帶自然或人為的污染物質(zhì)最終進(jìn)入收納水體所引起的水體污染[4-8]。對于地表水和地下水源，面源污染已成為最大威脅，全球范圍內(nèi)近50%的地表水資源已經(jīng)受到面源污染的影響，農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也正在受到面源污染的嚴(yán)重制約，同時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動正是造成全球面源污染的最主要原因。面源污染對水資源和水生環(huán)境帶來的危害主要表現(xiàn)為：破環(huán)水生環(huán)境致使水體富營養(yǎng)化；污染飲用水源威脅人類身體健康；致使水體懸浮物數(shù)量改變降低水體生態(tài)功能；污染地下水。

1 面源污染研究進(jìn)展

國外對面源污染的研究工作開始較早，可分為3個階段：

第一階段20世紀(jì)60至80年代，由美國率先開展，并帶動日本、英國等西方發(fā)達(dá)國家對面源污染進(jìn)行[9-11]研究，對面源污染的宏觀特征及影響因素有了初步的認(rèn)識，此階段以面源污染的復(fù)雜機(jī)理為基礎(chǔ)衍生了一批具有代表性的估算模型：PTR、ARM、SWMM、STORM、Johnes輸出系數(shù)等預(yù)測模型[12]。

第二階段20世紀(jì)80至90年代，此階段將面源污染模型應(yīng)用于污染管理方面進(jìn)行了重點研究，同時衍生了具有代表性的新型模型：ANSWERS、AGNPS、CREAMS、USLE等模型[13-15]。

第三階段從20世紀(jì)90年代至今，此階段3S技術(shù)被應(yīng)用到面源污染研究中，將傳統(tǒng)的面源污染模型與GIS相結(jié)合構(gòu)建的面源模型信息平臺，成為當(dāng)下面源污染研究的有效工具和熱點[16-17]，AGNPS98、SWAT2半分布式水文模型等成為當(dāng)下典型的代表模型[18-20]。

相對于國外，中國對面源污染的研究相對較晚，20世紀(jì)80年代中國開展的湖泊、水庫富營養(yǎng)化問題調(diào)研和河流水環(huán)境質(zhì)量規(guī)劃探究標(biāo)志著中國對面源污染研究的開始。查閱文獻(xiàn)可將中國對面源污染的研究分為3個方面[3]：

第一個方面是對于面源污染的特征、類型及危害的研究，對國內(nèi)河流湖泊進(jìn)行探索性的研究，對各研究區(qū)面源污染產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行初步的了解。

第二個方面是對面源污染形成機(jī)理與分析方法的探索，包括面源污染的產(chǎn)生來源、影響因素、污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及土地利用類型、方式和面源污染關(guān)系的研究與探索。

第三個方面是借鑒國外面源污染模型估算面源污染負(fù)荷，同時逐步對對面源污染進(jìn)行定性與定量的分析。

2 面源污染負(fù)荷計算模型及應(yīng)用

國內(nèi)外對面源污染負(fù)荷計算的模型較多，最有代表性的有 ：HSPF、SWMM、STORM、AnnAGN-PS、SWAT、Johns輸出系數(shù)、WARMF和SPARROW等估算模型。諸多面源污染模型中SWAT和AGNPS水文模型應(yīng)用較為普遍，國外很多學(xué)者對面源污染模型的功能和機(jī)理得進(jìn)行了實踐應(yīng)用并取得了良好的模擬效果：Niraula等[21]應(yīng)用SWAT與GWLF模型估算美國Saugahatchee Creek流域TN與TP負(fù)荷概況，同時利用綜合指標(biāo)法對流域內(nèi)的關(guān)鍵污染源進(jìn)行了識別；Parajuli等利用Ann AGNPS及校準(zhǔn)驗證后的SWAT模型對美國堪薩斯的切尼湖流域進(jìn)行了模擬[22]；Akhavan等[23]利用SWAT模型對哈馬丹-巴哈爾流域內(nèi)的硝酸鹽進(jìn)行了模擬并取得了較好的成果；Sarangi等[24]利用Ann AGNPS模型估算了在降雨條件下東加勒比海向風(fēng)群島中部圣盧西亞島內(nèi)農(nóng)業(yè)和森林流域的泥沙損失量，得出農(nóng)業(yè)流域泥沙流失量高于森林流域。同樣國內(nèi)很多學(xué)者利用面源污染模型對國內(nèi)很多區(qū)域進(jìn)行了模型并取得了豐碩的成果。鄭思遠(yuǎn)等[25]結(jié)合水文響應(yīng)單元劃分利用SWAT模型對東苕溪上游區(qū)域的總氮負(fù)荷進(jìn)行了較好的模擬；王文章等[26]基于SWAT模型對古藺河流域面源污染物氮、磷負(fù)荷進(jìn)行了模擬，同時根據(jù)氮、磷負(fù)荷估算結(jié)果對污染源的貢獻(xiàn)進(jìn)行了分析；張?zhí)祢缘萚27]利用面源污染模型結(jié)合GIS與RS技術(shù)對黃河下游濱州市濱城區(qū)小流域重金屬(Cu)、鉛(Pb)的輸出進(jìn)行了較好的模擬；歐陽威[28]利用SWAT模型計算出撓力河流域的面源污染數(shù)據(jù)與In VEST模型中的生境質(zhì)量模擬結(jié)果相結(jié)合，對撓力河流域的生態(tài)安全進(jìn)行了研究；郝守寧[29]利用輸出系數(shù)模型結(jié)合GIS技術(shù)對潁河流域的面源污染負(fù)荷分布進(jìn)行了模擬；謝經(jīng)朝等[30]利用排污系數(shù)模型對漢豐湖流域的農(nóng)業(yè)面源污染的TP與TN進(jìn)行了較好的估算；胡正等[31]利用改進(jìn)的輸出系數(shù)模型結(jié)合GIS技術(shù)對缺乏資料的四川省達(dá)州市巴河州河流域內(nèi)TN與TP的負(fù)荷，進(jìn)行了較好的估算和空間分析；馮愛萍等[32]利用RS結(jié)合面源污染DPeRS模型對海河流域TN與TP的負(fù)荷進(jìn)行了模擬估算得到了較好的結(jié)果；根據(jù)于飛等[33]對于中國面源污染研究狀況的統(tǒng)計分析成果可知，面源污染文獻(xiàn)發(fā)文量急速增加與中國頻發(fā)的水污染事件密切相關(guān)，表明面源污染模型得到了廣泛的應(yīng)用；關(guān)于面源污染的研究橫跨眾多學(xué)科，面源污染文獻(xiàn)發(fā)文量較大的主要為環(huán)境科學(xué)與資源利用、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)、農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)藝學(xué)等國內(nèi)優(yōu)秀期刊，面源污染文獻(xiàn)的機(jī)構(gòu)主要為高校和研究所。

3 估算模型特征比較

根據(jù)面源污染已有的研究文獻(xiàn)成果，面源污染模型的各有自身的特點應(yīng)用范圍，模型的選擇主要根據(jù)研究區(qū)所搜集的資料而定。根據(jù)面源污染文獻(xiàn)研究成果[29]常用的面源污染估算模型見表1。

面源污染估算模型主要分為機(jī)理模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃透拍钅Ｐ?類[34]，常用的模型中的SWAT模型由水文模塊、土壤侵蝕模塊以及化學(xué)物質(zhì)侵蝕模塊3部分組成，該模型能夠很好的預(yù)測流域管理措施對水質(zhì)的影響，但所需資料量較大，具有代表性的研究成果：洱海典型灌區(qū)流域土地利用類型對流域產(chǎn)流產(chǎn)沙及非點源氮磷流失影響規(guī)律模擬[35]、黃河某小流域不同土地利用方式對土壤侵蝕負(fù)荷的影響[36]、江西省萍鄉(xiāng)市蘆溪流域農(nóng)業(yè)面源污染狀況[37]、河北省平原區(qū)小流域的農(nóng)業(yè)面源污染情況的模擬[38]，均取得了較好的效果。Ann AGNPS模型是在AGNPS模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)的模型，該模型模擬時能將流域內(nèi)具有相似水文性質(zhì)的地區(qū)歸納為一個單元，并對其進(jìn)行連續(xù)的模擬，可對流域內(nèi)各種營養(yǎng)元素的流失量以及土壤的侵蝕速率進(jìn)行估算，模擬過程和模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠，且Ann AGNPS模型具有良好的適用性，其代表性研究成果：浙江省寧?？h顏公河流域N、P污染物負(fù)荷[39]、三峽庫區(qū)秭歸縣非點源污染輸出[40]，模擬效果較好。HSPF模型是連續(xù)性流域水模型[41]，廣泛應(yīng)用于流域農(nóng)業(yè)面源污染預(yù)測模擬[34]，其代表性研究成果：潮河支流大閣河流域進(jìn)行模擬研究[42]、西麗水庫流域研究[43]、流溪河小流域農(nóng)業(yè)面源污染模擬[44]，結(jié)果均表明該模型具有較好的適用性。SWMM模型將研究區(qū)劃分為多個子匯水區(qū)，在每個匯水區(qū)內(nèi)分別進(jìn)行地表產(chǎn)流和匯流計算，疊加后演算到排水區(qū)出口，主要應(yīng)用與城市雨洪污染的模擬[45]，代表性研究成果：湖北省鄂州市某小區(qū)[46]和武漢市巡司河片區(qū)[47]SS、COD、TP的模擬、河北科技大學(xué)校園降雨徑流中SS、COD、氨氮污染物模擬[48]，主要應(yīng)用于城市小面積的模擬。隨著3S技術(shù)的快速發(fā)展，面源污染模型與3S技術(shù)的結(jié)合為研究面源污染提供了新的選擇并取得了較好的效果。

不同研究區(qū)域不同工況下研究模型存在差別，正如表1所示，面源污染模型有不同的估算模型，這也會使得研究去的面源污染負(fù)荷量計算結(jié)果有所不同；特別是針對不同研究區(qū)的污染源，由于污染源本身狀況差別較大，則計算結(jié)果必然存在差別。特別是缺乏資料的研究區(qū)，不同區(qū)域的條件污染源的輸出系數(shù)存在差異，只能對面源污染進(jìn)行粗略估算。隨著研究的深入，結(jié)合3S技術(shù)發(fā)展與面源污染模型的成熟，掌握研究區(qū)的實際狀況和充分的資料使得計算結(jié)果更加吻合實際情況。就目前來看SWAT模型是中國大多研究區(qū)應(yīng)用最廣泛的模型。

表1 面源污染估算模型應(yīng)用條件及范圍

4 面源污負(fù)荷估算研究若干問題討論

綜合分析面源污染研究可知，面源污染從無到有、從點到面，污染程度從輕到重，污染源從單一到多元，日益演變成為一個共性問題[49]。時間尺度上，面源污染總體表現(xiàn)為“下降-上升-下降”的波動變化趨勢，一定時段內(nèi)呈現(xiàn)出線性增長的態(tài)勢[50]；空間尺度上，面源污染的狀況表現(xiàn)出明顯的地域差異性[51]；污染源劃分角度分析，面源污染可以劃分為農(nóng)村生活廢水、農(nóng)田化肥流失、畜禽養(yǎng)殖流失、水土流失污染負(fù)荷、城鎮(zhèn)地表徑流污染等5類污染源[52]。面源污染負(fù)荷估算模型由簡單到復(fù)雜，不同模型都在研究過程中得到了逐步完善，雖然面源污染模型對各個研究區(qū)的模擬取得了較好的研究成果，但面源污染模型大多為經(jīng)驗型模型，面源污染機(jī)理型模型相對較少，機(jī)理模型大多為研究型模型在應(yīng)用方面較少，大范圍推廣存在困難。未來應(yīng)加強污染物產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化機(jī)理模型，完善面源污染模型中的機(jī)理模塊；其次，多數(shù)面源污染模型需要較為全面完整的資料，資料條件較差或無資料的研究區(qū)受到較大的限制，應(yīng)加強無資料和缺乏資料研究區(qū)的污染源輸出系數(shù)進(jìn)行研究；當(dāng)前的面源污染模型并未考慮污染源在土壤及地下水中的運移影響，研究成果中缺乏對同一地區(qū)的多種模型估算結(jié)果的對比分析。面源污染模型的改進(jìn)完善是未來一段時間的發(fā)展趨勢。

5 總結(jié)

自20世紀(jì)80年代以來，中國在面源污染計算方面主要的引進(jìn)國外的經(jīng)驗與模型，并加以改進(jìn)和完善，結(jié)合研究區(qū)的實際狀況合理的選擇應(yīng)用模型，在持續(xù)的研究分析中逐漸總結(jié)出一些符合中國國情的面源污染理論和模型。總而言之，國內(nèi)對于面源污染的研究正向著快速健康的方向發(fā)展。

目前國內(nèi)大多研究者主要是對模型的應(yīng)用，關(guān)于面源污染模型對研究區(qū)的污染源在土壤及地下水中的運移研究的機(jī)理研究存在一定的不足。

SWAT模型與3S技術(shù)結(jié)合的研究方法為目前研究的熱點，在研究區(qū)資料充足的情況下能模擬出較好的結(jié)果，對于資料較為缺乏的研究區(qū)，輸出系數(shù)模型為主要的面源污染研究方法。隨著中國對水生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的加強與實施，應(yīng)對國內(nèi)不同研究區(qū)進(jìn)行多種模型計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)合研究區(qū)實際狀況選擇最優(yōu)模型，根據(jù)不同的研究區(qū)實際狀況不斷的對模型進(jìn)行完善和改進(jìn)是面源污染研究的發(fā)展趨勢。