流域農(nóng)業(yè)面源污染遷移過(guò)程與模型研究進(jìn)展

黃國(guó)鮮，聶玉璽,*，張清寰，童思陳，趙健，梁東方，陳煒

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院

3.劍橋大學(xué)工程系

4.重慶文理學(xué)院

農(nóng)業(yè)面源污染主要包括由種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活垃圾、水產(chǎn)養(yǎng)殖等帶來(lái)的污染[1]。由于持續(xù)大面積開(kāi)墾和高強(qiáng)度的種植、施肥等原因[2]，使農(nóng)田表層土壤污染物含量不斷增加，并隨降雨徑流匯入河道，加重水體污染。農(nóng)業(yè)面源污染具有隱蔽性、滯后性、廣泛性、隨機(jī)性以及難檢測(cè)性等特點(diǎn)，成為當(dāng)前流域水環(huán)境治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為解決這一問(wèn)題，美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)部署了2014—2018年戰(zhàn)略計(jì)劃“健康流域計(jì)劃”（Health Watersheds Program），提出6 項(xiàng)基本流域生態(tài)屬性指標(biāo)，用來(lái)衡量流域的健康狀況，其目標(biāo)是將密西西比河流域的農(nóng)業(yè)氮負(fù)荷減少45%[3]。歐盟委員會(huì)的研究表明，農(nóng)業(yè)面源和點(diǎn)源對(duì)歐盟水環(huán)境的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率分別為38% 和22%[4]。據(jù)《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》，2017年我國(guó)農(nóng)業(yè)污染源年排放化學(xué)需氧量1 067.13 萬(wàn)t、氨氮21.62 萬(wàn)t、總氮141.49 萬(wàn)t、總磷21.20 萬(wàn)t，分別占全國(guó)污染物總排放量的49.77%、22.44%、46.50%、67.20%，可見(jiàn)農(nóng)業(yè)仍是我國(guó)面源污染的主要來(lái)源[5]。我國(guó)“十四五”規(guī)劃提出優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間布局，以化肥農(nóng)藥減量化、規(guī)模以下畜禽養(yǎng)殖污染治理為重點(diǎn)內(nèi)容，加強(qiáng)“源頭減量—循環(huán)利用—過(guò)程攔截—末端治理”的農(nóng)業(yè)面源污染精細(xì)化監(jiān)管和治理體系建設(shè)，體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)面源污染全過(guò)程和系統(tǒng)化監(jiān)管的重要性。因此，加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染遷移全過(guò)程的認(rèn)識(shí)有助于推進(jìn)農(nóng)業(yè)面源污染合理評(píng)估、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)并提升防控效果。流域農(nóng)業(yè)面源污染的遷移過(guò)程較復(fù)雜，涉及農(nóng)學(xué)、水利、環(huán)境、地理學(xué)等多領(lǐng)域和多學(xué)科交叉協(xié)同，然而各個(gè)領(lǐng)域側(cè)重點(diǎn)不同，且較少考慮面源污染的整個(gè)過(guò)程和環(huán)節(jié)，比如種植制度、施肥過(guò)程、水文過(guò)程、水土侵蝕過(guò)程、營(yíng)養(yǎng)鹽遷移、多尺度及轉(zhuǎn)化過(guò)程等，而這些過(guò)程對(duì)面源過(guò)程的貢獻(xiàn)受到不同地形坡度、灌排系統(tǒng)、土壤類型、天氣條件等因素的重要影響。近年來(lái)從田塊、溝渠、山坡、河網(wǎng)到流域單個(gè)尺度或?qū)ο蟮拿嬖次廴具w移過(guò)程研究較多并獲得一定的認(rèn)識(shí)，然而各個(gè)對(duì)象的影響特性及其尺度轉(zhuǎn)化關(guān)系仍不清楚。筆者綜述了農(nóng)業(yè)面源污染在不同尺度下的匯集遷移過(guò)程、模型方法及模型不確定性的研究進(jìn)展。

1 農(nóng)業(yè)面源污染遷移過(guò)程

農(nóng)業(yè)面源污染遷移過(guò)程與農(nóng)業(yè)區(qū)域空間景觀格局、氣象條件及人為調(diào)控相關(guān)。在丘陵山區(qū)，農(nóng)田一般沿著等地形高線布局，形成山塘—農(nóng)田—山坡—匯流河道等景觀格局，在此區(qū)域中，由于地形縱向比降較大，農(nóng)田側(cè)滲機(jī)會(huì)較多，匯出農(nóng)田的水流動(dòng)力和土壤侵蝕較強(qiáng)，污水在河道滯留時(shí)間較短，泥沙和氮、磷的耦合程度較高。在坡度較小的平原河網(wǎng)區(qū)，農(nóng)田一般分布在河道和灌渠兩側(cè)，通常形成農(nóng)田—小比降山坡—灌排水網(wǎng)—池塘等景觀格局。由于小比降、人工閘壩和河口潮汐等非恒大流的影響，可能導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)往復(fù)流產(chǎn)生，往復(fù)流極其復(fù)雜的物質(zhì)輸運(yùn)導(dǎo)致其污水水團(tuán)濃度具有更多的不確定性，營(yíng)養(yǎng)鹽的沉積、再懸浮、釋放及其生物轉(zhuǎn)化吸收等過(guò)程和貢獻(xiàn)與丘陵山區(qū)河道差異顯著，且更加難以準(zhǔn)確計(jì)算。田塊是污染產(chǎn)生和農(nóng)作物水肥利用與轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵場(chǎng)所，其空間尺度主要包含田塊大小，污染物遷移時(shí)間尺度主要與水肥施放節(jié)律、農(nóng)作物種類和生長(zhǎng)收割等因素相關(guān)。由于局部區(qū)域尺度內(nèi)地形比降較小，水分滯留時(shí)間較長(zhǎng)，因此蒸發(fā)、下滲等過(guò)程中會(huì)造成溶解態(tài)物質(zhì)的損失。山坡是水文產(chǎn)匯流的基本單元之一，其對(duì)應(yīng)尺度也是農(nóng)業(yè)面源污染遷移的基本尺度之一，在田塊—山坡—流域等空間尺度污染物求解過(guò)程中，不同中間變量對(duì)污染物的影響程度不同，導(dǎo)致同一過(guò)程表現(xiàn)出不同的特征，山塘、取排水溝渠、閘壩等人為管理更是加大了污染物遷移過(guò)程和環(huán)節(jié)的復(fù)雜性與不確定性，給流域農(nóng)業(yè)面源污染物遷移預(yù)測(cè)帶來(lái)一定的難度和不確定性。筆者從田塊、山坡、流域3 個(gè)關(guān)鍵尺度描述農(nóng)業(yè)面源污染遷移過(guò)程，以期對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染遷移有更全面的認(rèn)識(shí)。

1.1 田塊尺度污染物遷移過(guò)程

農(nóng)業(yè)區(qū)每個(gè)田塊周圍都有小溝渠，這些溝渠連接到大溝渠，然后連接到池塘形成具有獨(dú)特排水網(wǎng)絡(luò)的人造景觀，對(duì)降水進(jìn)行再次分配引起污染物遷移的局部過(guò)程，即田塊—池塘—溝渠尺度〔圖1（a）〕。在農(nóng)業(yè)區(qū)田塊—池塘—溝渠尺度作用下，污染物遷移過(guò)程表現(xiàn)出不同的時(shí)空特征，同時(shí)污染物的累積、遷移和交換也影響著流域農(nóng)業(yè)格局的穩(wěn)定性[6-7]。田塊、池塘和人工排水溝作為農(nóng)業(yè)景觀的濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的影響十分復(fù)雜，該濕地系統(tǒng)具有降低地表徑流和土壤流失、增加土壤含水量和地下水的功效。各類污染物在池塘中通過(guò)沉積、轉(zhuǎn)化、植物吸收和微生物利用，可以有效降低出水口處的濃度。已有研究表明，池塘對(duì)總氮、總磷的去除率分別達(dá)到11%～93%、12%～92%[8-9]。田塊作為污染物的源匯單元，其氮流失的主要途徑是揮發(fā)和淋溶，磷則主要以發(fā)生氧化還原反應(yīng)和物理方式流失，通過(guò)節(jié)水灌溉（如間歇灌溉、控制灌溉、洪水季節(jié)排水等）可減輕田塊的氮、磷流失[10]。排水溝渠作為田塊和池塘的連接件改變了水流路徑，是污染物遷移和排出的主要路徑之一，在排水溝邊灘配置對(duì)氮、磷具有吸附和利用效果的植物，可減緩水流流速，減低氮、磷的流失率，由于NH4+、有機(jī)氮和磷通常吸附在土壤顆粒上，因此排水溝渠中該類污染物濃度會(huì)降低[11]。田塊—池塘—溝渠尺度可通過(guò)遙感影像、無(wú)人機(jī)拍攝影像等方法來(lái)識(shí)別其空間分布和結(jié)構(gòu)組成的定量指標(biāo)，如池塘斑塊面積占比、田塊斑塊密度、溝渠密度[12]。景觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)〔如斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、蔓延度(CONTAG)〕比其組成指標(biāo)〔如內(nèi)聚指數(shù)(COHE)、形狀指數(shù)(SHMN)、聚集指數(shù)(AI)〕對(duì)小流域季節(jié)性和年度水文水質(zhì)波動(dòng)影響更大[13]。在流域中降水與農(nóng)業(yè)格局變化對(duì)水文連通性的影響是一個(gè)交互反饋的過(guò)程，田塊—池塘—溝渠的空間分布比其組成類型對(duì)流域污染物遷移影響更大[14]，因此已有的大多數(shù)研究都集中在田塊—池塘—溝渠系統(tǒng)空間變化的差異上[15-16]，而對(duì)其隨時(shí)間變化的關(guān)注較少。田塊—池塘—溝渠系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化會(huì)對(duì)流域農(nóng)業(yè)污染物遷移產(chǎn)生較大影響[17]，對(duì)其進(jìn)行可靠的評(píng)估，對(duì)于維持流域長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定至關(guān)重要[18]。

圖1 不同空間尺度水文特性與污染物遷移路徑Fig.1 Hydrological characteristics and pollutant transport paths at different spatial scales

1.2 山坡尺度污染物遷移過(guò)程

山坡污染物遷移過(guò)程是指坡面土壤中的氮、磷、農(nóng)藥及其他有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物在降水或灌溉過(guò)程中，通過(guò)地表徑流向坡底運(yùn)動(dòng)的過(guò)程〔圖1（b）〕。污染物遷移不僅與降水量、徑流、坡度、土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)、植被覆蓋度等自然因素有關(guān)[19]，還與土地利用、土壤耕作、農(nóng)田施肥等人為影響密切相關(guān)[20]。在較小的降水強(qiáng)度下，總磷濃度在降水后期才會(huì)顯著增加，這是因?yàn)橛甑螢R蝕和剪切力較小，入滲較長(zhǎng)時(shí)間土壤含水量才會(huì)達(dá)到飽和，然后產(chǎn)生坡面流和坡面磷流失；在較大的降水強(qiáng)度下，雨滴濺蝕和剪切力較強(qiáng)，流速增大，坡面表層土和吸附的磷容易被地表徑流沖走，盡管表層活動(dòng)層土（一般小于2cm）的總磷含量相對(duì)較高，但該土層的總磷累積有限，這部分磷在被沖刷流失后，即便隨后的降水強(qiáng)度增大，也較難造成大量的磷流失，因此總磷流失劇增往往發(fā)生在暴雨初期[21]。Pei 等[22]對(duì)黃土高原不同植被類型和土壤特征進(jìn)行溶質(zhì)遷移試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土壤性質(zhì)(如體積密度、大孔隙數(shù)量、孔隙連通性密度、飽和水力傳導(dǎo)率、顆粒組成)與污染物遷移參數(shù)(如孔隙平均流速、初始滲透時(shí)間、累計(jì)滲透時(shí)間和動(dòng)力擴(kuò)散系數(shù))之間存在顯著相關(guān)性。Du 等[23]研究丘陵山區(qū)降水侵蝕條件下不同施肥和耕作形式對(duì)氮、磷遷移的影響，發(fā)現(xiàn)等高線耕作通過(guò)改變坡耕地的微地形增強(qiáng)儲(chǔ)水能力并改善土壤性質(zhì)，在同等施肥條件下作物根系吸收的土壤營(yíng)養(yǎng)物有所提高，從而減少了氮、磷損失量?？傊?，山坡是農(nóng)業(yè)面源污染物產(chǎn)生和遷移的基本單元，在坡面上污染物流失速度快、歷時(shí)短，其污染遷移過(guò)程受人為影響較大，要實(shí)現(xiàn)有效和統(tǒng)一的規(guī)范化管理仍具有挑戰(zhàn)性。

1.3 流域尺度污染物遷移過(guò)程

流域農(nóng)業(yè)污染物遷移過(guò)程是指化肥、農(nóng)藥、畜禽糞便、農(nóng)村生活垃圾等隨徑流和泥沙在陸面—溝渠—主河道流動(dòng)，最終匯集到流域出口的過(guò)程〔圖1（c）〕[24]。流域氣候和下墊面條件是影響污染物遷移的客觀因素，在降水豐富的雨季，農(nóng)業(yè)污染物主要隨地表水和泥沙匯入流域出口，在旱季污染物累積在土壤中并被植物吸收利用，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化[25]；而人類活動(dòng)（如耕作面積和空間分布、施肥量、作物產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度以及農(nóng)業(yè)管理模式）是影響污染物遷移的主觀因素，合理優(yōu)化農(nóng)業(yè)空間布局以及規(guī)范種植施肥行為將有效減少農(nóng)業(yè)源頭污染[26]。研究者通常利用大量野外采樣數(shù)據(jù)、分布式物理模型來(lái)計(jì)算分析流域尺度農(nóng)業(yè)污染物時(shí)空遷移，識(shí)別流域內(nèi)關(guān)鍵污染源區(qū)以及遷移特點(diǎn)[27]，而從污染源—溝渠—河道上下游全面布設(shè)采樣點(diǎn)位無(wú)疑會(huì)增加人力成本，因此與高頻率監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的流域模型將提高農(nóng)業(yè)面源污染遷移過(guò)程監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性[28]。

1.4 尺度轉(zhuǎn)化過(guò)程

由1.1～1.3 節(jié)可知，在小尺度上農(nóng)業(yè)面源污染變化特性主要與微生物群、微地形和土壤質(zhì)地等因子有關(guān)，在大尺度上主要受氣候、土地利用、地形和人類活動(dòng)的影響[29-30]。水文-地貌-生態(tài)相互作用，質(zhì)量和能量的自由傳輸以及山坡與流域的沉積物滯留、遷移均是各尺度關(guān)注的熱點(diǎn)[31]。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源模擬過(guò)程模型主要包括各類污染源在不同介質(zhì)中的產(chǎn)生、累積、流失、衰減、轉(zhuǎn)化與遷移的模型數(shù)據(jù)表達(dá)和驅(qū)動(dòng)機(jī)理方程的數(shù)值求解。農(nóng)業(yè)面源污染遷移的空間尺度轉(zhuǎn)化受限于如下因素：1）計(jì)算對(duì)象的時(shí)空表達(dá)有效性；2）模型本構(gòu)方程及其參數(shù)獲取的試驗(yàn)時(shí)空尺度范圍及時(shí)空尺度有效性；3）模型中主要控制方程穩(wěn)定性、收斂性求解要求；4）計(jì)算機(jī)資源、計(jì)算效率限制等條件要求。需要對(duì)模型網(wǎng)格或響應(yīng)單元空間尺度、時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行協(xié)同控制，以期達(dá)到合理可靠的計(jì)算結(jié)果，對(duì)單一的問(wèn)題可能有最合適或最優(yōu)的時(shí)空尺度組合存在。但涉及農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)，其田塊—山坡—流域的空間異質(zhì)性高，污染遷移過(guò)程計(jì)算涉及多過(guò)程和多驅(qū)動(dòng)因子求解，由于流域內(nèi)各子過(guò)程和驅(qū)動(dòng)因子具有不同時(shí)空尺度，從而使得問(wèn)題呈現(xiàn)多時(shí)空尺度特點(diǎn)。從模型求解角度，一般只能選擇最小尺度或最具代表性的時(shí)間或網(wǎng)格尺度進(jìn)行求解。此外，一些模型使用的關(guān)鍵計(jì)算公式及其相應(yīng)的參數(shù)主要從室內(nèi)試驗(yàn)和野外具體觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到，具有隱含的時(shí)空尺度，公式的適用范圍也受到這些時(shí)空尺度的限制。如SWAT 模型使用的水土流失方程及其相應(yīng)參數(shù)主要是由月尺度和年尺度的中大流域觀測(cè)分析獲得，因此SWAT 在模擬中、大型流域的月尺度和年尺度的泥沙與污染物遷移過(guò)程計(jì)算精度較高，而模擬小時(shí)空尺度的相應(yīng)過(guò)程計(jì)算精度就大幅下降[32]?？s小由于尺度轉(zhuǎn)化帶來(lái)的誤差的主要方法有：1）模型求解的時(shí)空尺度需要盡量匹配物理過(guò)程的關(guān)鍵過(guò)程的時(shí)空尺度要求，以時(shí)空尺度最小的過(guò)程或分辨率進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵的過(guò)程提升模型刻畫(huà)的準(zhǔn)確性，并對(duì)大的時(shí)空尺度的過(guò)程進(jìn)行適度的解耦合計(jì)算，以減少計(jì)算量；2）當(dāng)模型要求的計(jì)算時(shí)空尺度較小，計(jì)算機(jī)資源無(wú)法很好滿足要求時(shí)，則需要對(duì)模型中小尺度的重要過(guò)程和分辨率進(jìn)行概化或參數(shù)化，使計(jì)算具有可行性。

從田塊、山坡、流域各尺度總結(jié)降水、地形、土壤性質(zhì)、土地利用類型、人類活動(dòng)等不同因素，對(duì)污染物遷移過(guò)程的影響及其內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行研究。農(nóng)業(yè)面源流失具有多尺度特點(diǎn)，尺度轉(zhuǎn)換對(duì)模型的合理計(jì)算具有重要的作用，厘清各尺度及尺度轉(zhuǎn)換下污染物遷移規(guī)律有助于掌控污染物遷移關(guān)鍵環(huán)節(jié)以及優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

2 流域農(nóng)業(yè)面源污染模型的研究進(jìn)展

2.1 污染物遷移本構(gòu)方程

農(nóng)業(yè)面源污染研究主要有理論推導(dǎo)、野外實(shí)測(cè)、室內(nèi)外試驗(yàn)、模型模擬等方法，以此精準(zhǔn)識(shí)別刻畫(huà)流域農(nóng)業(yè)面源污染物流失與遷移過(guò)程。各類污染物與泥沙的吸附-解吸關(guān)系及不同單元營(yíng)養(yǎng)鹽累積-流失的本構(gòu)方程是農(nóng)業(yè)面源污染關(guān)鍵過(guò)程之一，可作為流域內(nèi)跨尺度研究的基礎(chǔ)。水和泥沙是污染物（如氮、磷等）輸移的核心要素和關(guān)鍵載體，遷移過(guò)程中污染物與水沙之間形成物質(zhì)混合，Langmuir 和Freundlich 等溫線是描述污染物和泥沙的吸附-解吸方程[33]，公式如下：

式中：Q為泥沙對(duì)污染物的平衡吸附量，mg/kg；C為吸附平衡時(shí)濾液污染物濃度，mg/L；Qm為泥沙對(duì)污染物的最大吸附量，mg/kg；k為與吸附結(jié)合能有關(guān)的常數(shù)，L/mg；Kf和n分別為與泥沙污染物吸附容量和吸附特性有關(guān)的常數(shù)。泥沙的化學(xué)性質(zhì)影響其吸附量，如CaCO3、Fe 和Al 氧化物是泥沙中重要的吸附基質(zhì)，其含量與污染物的吸附量呈顯著正相關(guān)；泥沙的物理性質(zhì)如粒徑大小、pH 是影響泥沙的吸附能力的重要因素，如砂質(zhì)土壤對(duì)污染物的吸附能力高于黏性土壤。雖然泥沙吸附量與解吸量呈正相關(guān)，但部分解吸是不完全可逆反應(yīng)，大量室內(nèi)試驗(yàn)觀測(cè)表明，動(dòng)態(tài)吸附-解吸一般在12h 以內(nèi)達(dá)到平衡[34]。由于污染物價(jià)態(tài)、形態(tài)多樣，不同地區(qū)土壤物化性質(zhì)有所差異，具體應(yīng)用到不同流域環(huán)境中吸附-解吸方程仍有待進(jìn)一步修正，識(shí)別主導(dǎo)影響因子是精準(zhǔn)構(gòu)建本構(gòu)方程的關(guān)鍵步驟。在污染物遷移過(guò)程中，Walter等[35]提出完全混合物理模型〔圖1（d）〕，該模型假設(shè)降水和土壤水在相互作用的有效深度內(nèi)瞬間完全混合，并且認(rèn)為徑流中的溶質(zhì)濃度等于有效深度土壤水中的溶質(zhì)濃度。溶解態(tài)污染物遷移完全混合模型計(jì)算方程如下所示：

式中：hm為徑流水與土壤水的混合深度，m；c為徑流水與土壤水混合深度中的溶質(zhì)濃度，g/m3；θs為飽和含水量，m3/m3；ρs為土壤容重，g/m3；k為土壤吸附率，m3/g；qr為徑流產(chǎn)流率，m3/(m·s)。

王全九等[36]應(yīng)用式（3）建立了黃土高原區(qū)等效對(duì)流溶質(zhì)模型，在模型中考慮了裸露的黃土高原上雨滴飛濺和擴(kuò)散對(duì)溶質(zhì)遷移的影響。Yang 等[37]利用土壤溶質(zhì)遷移模型建立了降水對(duì)土壤顆粒的分離以及地表徑流與土壤污染物之間的混合數(shù)學(xué)模型。但這些污染物遷移模型著重于溶解態(tài)的污染物隨徑流的遷移過(guò)程，忽略了顆粒態(tài)污染物的遷移。Shao 等[38]研究了考慮溶解態(tài)和顆粒態(tài)污染物的遷移模型，表明污染物徑流量與土壤侵蝕相關(guān)的因素（降水強(qiáng)度、初始含水量和坡度）有關(guān)，并提高了模型預(yù)測(cè)污染物流失量的精度。污染物遷移混合物理模型在田塊尺度適用性強(qiáng)，若能考慮吸附-解吸動(dòng)態(tài)平衡因子，并加入植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸收和揮發(fā)因子，將能定量統(tǒng)一描述水-泥沙-植物與污染物的相互作用和遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，為流域模型預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)面源污染物過(guò)程提供參考。

2.2 流域污染物遷移過(guò)程模型

模擬流域農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型可分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀C(jī)理過(guò)程模型[39]2 類。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵揽康湫捅O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立水文與污染物參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，如輸出系數(shù)模型（ECM）[40]。然而由于監(jiān)測(cè)樣本數(shù)據(jù)的局限性，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗y以充分描述整個(gè)流域污染物遷移過(guò)程，較難將當(dāng)?shù)貐?shù)應(yīng)用到更廣泛的地區(qū)?；跈C(jī)理過(guò)程的流域模型結(jié)合了水文模型、土壤侵蝕模型和污染物遷移模型，形成了較為完整的模型體系，能用于預(yù)測(cè)不同管理模式下流域的徑流、侵蝕、泥沙和養(yǎng)分遷移，如應(yīng)用較為廣泛的非點(diǎn)源污染環(huán)境（ANSWERS）模型[41]，化學(xué)品、徑流和侵蝕的農(nóng)業(yè)管理（CREAMS）模型[42]，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染（AGNPS）模型[43]，土壤和水評(píng)價(jià)工具（SWAT）模型[44]，水文模擬（HSPF）模型[45]等。機(jī)理過(guò)程模型參數(shù)數(shù)量龐大、對(duì)輸入數(shù)據(jù)的要求高、可用信息有限，很難進(jìn)行全面的參數(shù)優(yōu)化、校準(zhǔn)和驗(yàn)證，這在一定程度限制了其在大尺度流域的使用。但隨著高精度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和大規(guī)模監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的累積，機(jī)理過(guò)程模型研究和應(yīng)用成為未來(lái)模型研究的主要方向之一。目前已廣泛應(yīng)用的各類模型在求解流域尺度的污染物遷移過(guò)程中各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)資料分析，歸納出各類模型及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

表1 流域面源污染模型機(jī)理統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of watershed non-point source pollution model mechanism

2.3 模型不確定性研究

模型不確定性來(lái)源主要有輸入數(shù)據(jù)、模型結(jié)構(gòu)及模型參數(shù)與邊界條件數(shù)據(jù)的誤差或不確定性[50]。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為初始條件、邊界條件和模型參數(shù)輸入到模型中，如果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有不確定性，就會(huì)使模型計(jì)算和結(jié)果產(chǎn)生不確定性或偏差。例如降水量數(shù)據(jù)的空間異質(zhì)性，相鄰區(qū)域局部小尺度的降水量可能有所不同甚至差異較大，因此降水觀測(cè)站網(wǎng)的空間密度、位置和測(cè)量誤差都會(huì)給模型輸入數(shù)據(jù)帶來(lái)不確定性；水位、流速、水質(zhì)等測(cè)量?jī)x器的不穩(wěn)定性、手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)頻率低等因素也會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有不確定性[51]，即使是高頻測(cè)量的水質(zhì)數(shù)據(jù)也未必能夠與各類模型的具體需要相適配[52]。

模型結(jié)構(gòu)框架是建立在一個(gè)涵蓋空間、時(shí)間、過(guò)程和應(yīng)用等維度的通量體系，結(jié)構(gòu)不確定性體現(xiàn)在模型的數(shù)學(xué)形式存在差異（例如概念模型、數(shù)學(xué)模型、物理模型對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程的描述不同），通過(guò)污染物遷移的數(shù)學(xué)方程式來(lái)求解污染物的濃度和通量等變量，然而這些控制方程與真實(shí)的污染物遷移過(guò)程不可能做到完全相符，因此模型結(jié)構(gòu)不確定性存在具有必然性[53]。即使模型求解準(zhǔn)確，其結(jié)果只是代表了這些控制方程的精確解，不一定能夠完全代表實(shí)際污染物的遷移過(guò)程。如果不考慮模型結(jié)構(gòu)不確定性和誤差，通過(guò)調(diào)參得到的模型參數(shù)為補(bǔ)償模型結(jié)構(gòu)誤差，此時(shí)物理參數(shù)就會(huì)過(guò)度擬合，從而影響模型預(yù)測(cè)效果[54]。減少模型結(jié)構(gòu)不確定性的方法首先需要對(duì)真實(shí)過(guò)程有深入的理解并進(jìn)行合理的把握，對(duì)關(guān)鍵過(guò)程進(jìn)行概化，從而減小模型結(jié)構(gòu)不確定性的范圍，為進(jìn)一步減少模型參數(shù)不確定性和模型的精確驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。通常情況下，采用高頻、全面測(cè)量樣本數(shù)據(jù)識(shí)別模型主要本構(gòu)方程和相應(yīng)參數(shù)、多個(gè)模型的綜合對(duì)比計(jì)算等方法可以有效改善和降低模型結(jié)構(gòu)的不確定性[55]。

在降低邊界輸入數(shù)據(jù)和模型結(jié)構(gòu)不確定性的前提下，優(yōu)化參數(shù)并降低參數(shù)不確定性可以達(dá)到提升模型的計(jì)算與預(yù)報(bào)精度的目的，這對(duì)面源污染模型的建立非常關(guān)鍵，如在模型中體現(xiàn)徑流過(guò)程、氮磷的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，氮磷通量和城市降水量的相關(guān)參數(shù)等[56]。這些參數(shù)只能根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估計(jì)和優(yōu)化，存在誤差，此外參數(shù)的時(shí)空異質(zhì)性也是參數(shù)不確定性的主要來(lái)源之一。求解參數(shù)不確定性或優(yōu)化參數(shù)的方法有：1)廣義似然不確定性估計(jì)(GLUE)方法，其在水文模型和水質(zhì)模型的參數(shù)不確定性分析中得到廣泛應(yīng)用[57]；2)馬爾可夫鏈蒙特卡羅(MCMC)方法，其可以從多維參數(shù)后驗(yàn)分布生成樣本用于統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)的敏感度和不確定性范圍[58]。描述不同面源污染過(guò)程(主要是降水-徑流、土壤侵蝕、污染物遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程)的模型參數(shù)對(duì)模擬變量具有單一和多方面的影響。在HSPF 模型中參數(shù)的不確定性與降水量呈顯著正相關(guān)，參數(shù)對(duì)強(qiáng)降水和大流量的敏感性較高[59]。識(shí)別參數(shù)不確定性來(lái)源對(duì)模型模擬結(jié)果差異至關(guān)重要，同時(shí)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等算法確定多維參數(shù)最優(yōu)區(qū)間，從而提高模擬效率和精度，對(duì)模型配置和計(jì)算起到重要的作用。

當(dāng)前，模型對(duì)流域內(nèi)從田塊—山坡—流域各環(huán)節(jié)的水文連通、泥沙與污染物遷移的表達(dá)和求解仍與實(shí)際過(guò)程有一定差異，因此流域模型定量描述污染物負(fù)荷的時(shí)空分布和遷移變化過(guò)程仍有待提高，需要結(jié)合更全面的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)一步地開(kāi)展研究。

3 存在的問(wèn)題與展望

3.1 存在的問(wèn)題

（1）農(nóng)業(yè)面源污染遷移過(guò)程觀測(cè)手段的不足

目前在各時(shí)空尺度上相應(yīng)的觀測(cè)手段或監(jiān)測(cè)技術(shù)已取得較大進(jìn)步，但在如下環(huán)節(jié)存在局限性：在田塊尺度缺乏對(duì)田塊—池塘—溝渠污染物遷移過(guò)程的原位與實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，這限制了田塊尺度作物、微生物對(duì)主要營(yíng)養(yǎng)鹽（如碳、氮、磷）的影響整合；在山坡尺度對(duì)影響污染物遷移過(guò)程的關(guān)鍵介質(zhì)，例如泥沙級(jí)配、化學(xué)性質(zhì)與顆粒態(tài)污染物吸附解吸難以進(jìn)行連續(xù)性觀測(cè)；在流域尺度下監(jiān)測(cè)完整的污染物遷移過(guò)程仍是巨大的挑戰(zhàn)，這限制了污染物遷移轉(zhuǎn)化研究以及相關(guān)概念或模型的發(fā)展和重大突破；缺乏對(duì)土壤水、地下水中污染物含量的連續(xù)性觀測(cè)，這限制了流域污染物通量演化過(guò)程的完整性。

（2）農(nóng)業(yè)面源污染物模型機(jī)制的不足

對(duì)流域農(nóng)業(yè)面源污染物遷移過(guò)程模型的代表性認(rèn)識(shí)空缺，表現(xiàn)如下：在長(zhǎng)時(shí)間尺度上能夠從機(jī)理描述污染物遷移的物理化學(xué)過(guò)程的方程還不成熟，氣候變化對(duì)水文-泥沙-污染物的耦合機(jī)制的影響仍不確定，因此很難在長(zhǎng)時(shí)間尺度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)污染物遷移過(guò)程；在山坡尺度溶質(zhì)遷移模型機(jī)制對(duì)污染物與泥沙的動(dòng)態(tài)吸附-解吸機(jī)制、植物的吸收與釋放機(jī)制以及化學(xué)機(jī)制尚未完全了解；就模型結(jié)構(gòu)、模塊組成而言只有少數(shù)流域模型考慮短時(shí)間的泥沙濺蝕機(jī)理過(guò)程對(duì)污染物的影響，而基于小尺度等比例放大到大尺度會(huì)產(chǎn)生誤差累積,使得流量、泥沙、污染物通量峰值誤差量級(jí)增大幾倍；參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)在流域模型中常需要本土化，缺乏對(duì)流域時(shí)空異質(zhì)性的精細(xì)化參數(shù)最優(yōu)算法的應(yīng)用，限制了流域模型參數(shù)不確定研究的發(fā)展。

3.2 展望

未來(lái)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染研究還需要進(jìn)一步完善：1）完善不同時(shí)空尺度的污染物遷移過(guò)程模型模擬，加強(qiáng)應(yīng)用現(xiàn)代高效測(cè)試技術(shù)和設(shè)備獲得各環(huán)節(jié)的充分測(cè)量樣本數(shù)據(jù)（如采用天-地-空全方位與源頭—路徑—匯集出口的高頻高精度監(jiān)測(cè)平臺(tái)大規(guī)模數(shù)據(jù)集）來(lái)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證及參數(shù)率定，提升不同條件下模型計(jì)算的普適性及計(jì)算精度；2）對(duì)流域內(nèi)的田塊-池塘-溝渠-山坡-水網(wǎng)等對(duì)象及其拓?fù)滏溄拥暮侠頂?shù)學(xué)表達(dá)和雙向遍歷的精確計(jì)算，污染累積與遷移本構(gòu)關(guān)系的方程構(gòu)建及其參數(shù)化、各類子過(guò)程的尺度轉(zhuǎn)化對(duì)污染物的綜合效應(yīng)的定量研究；3）利用模型試算、擬合優(yōu)化算法和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法對(duì)模型結(jié)構(gòu)、輸入數(shù)據(jù)（如流域降水與蒸發(fā)、污染源強(qiáng)等）、本構(gòu)方程類型及參數(shù)、泥沙吸附解吸和遷移方程類型及參數(shù)等進(jìn)行定量合理性檢驗(yàn)、參數(shù)敏感分析和優(yōu)化?？傊?，未來(lái)農(nóng)業(yè)面源模型計(jì)算應(yīng)面向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境精細(xì)化管理的應(yīng)用需求，加強(qiáng)面向農(nóng)業(yè)系統(tǒng)源頭到末端受納水體的一體化和精準(zhǔn)化模型系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用研究，選擇農(nóng)業(yè)典型區(qū)，充分利用現(xiàn)代化觀測(cè)系統(tǒng)獲得的高頻高精度水文水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證模型，并實(shí)現(xiàn)靈活的天氣條件和人工調(diào)控措施配置作用下模型精準(zhǔn)計(jì)算與預(yù)報(bào)預(yù)警，從而為農(nóng)業(yè)面源負(fù)荷、濃度、通量等變量的高精度求解與流域環(huán)境精準(zhǔn)化管控提供模型技術(shù)支撐。