基于水文模型的面源污染模擬研究綜述

郭圣浩，孫麗菲

西南林學院環境科學與工程系，云南昆明 650224

1 農業面源污染

農業面源污染是指在發生自然降雨或人類農業生產生活的過程中，造成的土壤擾動，使得農田中的土壤顆粒、氮磷鉀等營養元素、農藥及其它的有機、無機污染物，在農田人工排水、農田地表徑流以及地下水滲漏等的作用下，而大量進入水體，造成水體營養元素超標，富營養化等水體污染[1]。其主要的特征為，面源污染發生的地區和發生時間的隨機性、其產生的具體途徑及所產生的污染物不確定性、污染物負荷在空間上分布的差異性[1]。

2 農業面源污染的現狀

相比較點源污染，面源污染由于其特點的不確定性，在研究和治理上都存在較大的難度，面源污染已經成為世界上地下水污染和地表水污染的主要來源，而農業生活生產所帶來的農業面源污染是世界面源污染的重要來源。

根據2003年美國環境保護局調查資料和國外的相關研究資料表明，全世界約有30%～50%的地表已經受到面源污染的影響，在全世界范圍內，已經退化的 12 億 hm2耕地中，約有12%的耕地都是由農業面源污染引起的[2]。調查還顯示，在美國農業面源污染是造成濕地銳減和地下水污染的重要因素[3]，是美國境內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，是由于農業面源污染中污染物滲入地下水中的氮磷元素所造成的[3]；在愛爾蘭，約60%的富營養化湖泊，在流域范圍內并沒有明顯的點源污染[3]。

同樣，在我國農業面源污染也已經成為我國水體中水質惡化的首要污染源[3]；由中國農科院土壤肥料所研究的結果表明，在中國污染嚴重的流域內，農村的生活生產排污、農村畜禽養殖、農田及城鄉結合部地帶的排污是造成流域內水體富營養化的主要原因[4]；同時根據土壤肥料研究所對北京、天津、河北、山東、陜西等地的600 多個點位進行的抽樣調查顯示，農業面源污染也日益成為我國地下水硝酸鹽污染的主要來源[4]。

3 模型在農業面源污染中的應用

3.1 國外研究現狀

早在20世紀70年代，歐美等主要發達國家就開始了對面源污染模型的研究，其中的大部分模型研究均是以應用為主，模型本身的結構和功能都比較單一，無法滿足在面源污染的具體產生過程進行估算和模擬[5]。

這一時期的模型研究主要是用于土地開發利用對河流中水體水質產生的影響，模型主要是依據統計分析和因果分析的方法建立統計式的模型，并在此基礎上建立污染物輸出與土地利用或徑流量之間的統計關系。其中具有代表性的模型主要有SCS徑流曲線數法和Horton入滲方程等模型，這類模型對輸入的數據以及參數的設置要求均比較低，能夠簡便地計算出流域出口處與面源污染相關的因子的負荷量，模型基本上表現出了較強的實用性和準確性，因而在早期得到了較為廣泛的應用。但由于模型難以描述面源污染物內在的遷移規律，且模型在實際應用中功能的單一，使得這類模型并沒有得到廣泛的應用。

20世紀70年代末到90年代，伴隨著計算機和3S等高新技術的興起，以及人們對面源污染物理化過程研究的深入，和對面源污染長期而有效的監測，使得面源污染機理模型研究得到了較快的發展[6]。

這一時期面源污染模型的特點相比較以前，已經開始由原先只是簡單的統計分析向面源污染污染的機理轉變，由僅僅從單場暴雨分析向時間連續性分析的轉變、由模型集中式向分布式的模型轉變；人們在模型研究中開始強調模型應用的普遍性和適地性，使模型研究的實際應用價值大大提高。在這時期的模型主要有，可以模擬城市暴雨徑流的SWMM模型、可以模擬農業污染負荷的ARM模型、可以模擬河流流域負荷的HSP模型等；其中，被譽為面源污染模型的“里程碑”是由美國農業部農業研究所開發的CREAMS模型，它是當時唯一一個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程）進行了系統綜合的模型；隨后，研究人員又根據CREAMS模型發展出了用于模擬農業生產活動對地下水影響的GLEAMS模型、用于研究農田小區的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，研究人員也相繼開發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。

進入本世紀以來，隨著經濟的發展以及科技水平的高速進步，面源污染模型與計算機極其應用軟件的結合更加的緊密，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用更加廣泛。

在這一時期，研究人員發展出了功能更加強大、應用更加先進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等進行不同程度的集成，隨之產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、數學計算、數據庫技術、可視化等功能集于一身的大型專業軟件。其中較著名的是美國農業部農業研究所開發的AGNPS2001，SWAT2000以及美國國家環保局開發的BASINS模型。目前，SWAT模型已經被大量的應用到了美國國家項目HUMUS中，用于研究和監測大型流域內的水量平衡、流域內河流的流量以及流域內面源污染物的控制評價等；而美國環保局的大型TMDL項目也將SWAT作為其研究模型，并將SWAT模型集成到其開發的BASINS模型系統中，用于協助TMDL項目進行重點污染源的識別、控制及面源污染輸出量的估算等。

3.2 國內研究現狀

我國的面源污染模型的研究比歐美等發達國家起步較晚。在我國，研究面源污染負荷定量估算的方法基本從兩個方面來入手，一是采用相關分析法，通過對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、產流量、水體水質）的3個子模型在內的面源污染模型，并運用該模型在四川沱江流域進行了面源污染的模擬研究，并取得了較好的模擬效果；另一種方法是通過對面源污染中水體的水質分析，進而估算出流域內的面源污染物的輸出量，這是一種經驗性質的統計模型，目前這種方法己在國內得到了廣泛的應用；例如，陳西平等人在三峽庫區研究提出了用于計算農田徑流中污染負荷的模型，其中包括了降雨產流和地表徑流中水質相關的子模型，用于計算三峽庫區內的各種面源污染物的輸出量[6]。

20世紀80年代，我國開始對面源污染以及徑流污染中的機理、污染負荷的定量計算方面進行了初步的模型研究。如吳祖林等人從降雨徑流量、污染負荷等相關的角度對城市徑流污染負荷模擬模型進行了探討；劉楓等在天津于橋水庫進行了流域面源污染的量化識別研究。

進入90年代，我國研究者開始引進歐美等國比較成熟的面源污染模型，但大多數的模型都不能完全的適用于我國，再加上我國面積廣闊，面源污染的實地監測數據嚴重不足，致使研究多是根據具體研究的需要稍加修正系數，對模型本身在我國的適用性的改進并不大。在這一時期，我國的研究者也積極發展適合我國的面源污染模型；而目前，我國研究者將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，游松財等人應用USLE模型加入GIS的輔助，估算出了江西省泰和縣灌溪鄉的土壤侵蝕量；沈曉東等人在自行研制的GIS軟件的支持下，提出了一個動態分布式降雨徑流模型，實現了基于柵格的坡面產匯流與河道匯流的數值模擬，獲得了流域上任意模擬時刻、任意柵格上的徑流量；李碩等人在SWAT模型的研究中，通過GIS和遙感的輔助，對該模型的空間參數化、離散化進行了研究，并成功地將其應用到江西激水河流域中徑流和泥沙的模擬中[7]。

4 結論

目前，我國還沒有產流產沙和農業面源污染相結合的模型,同時國外侵蝕產沙與農業面源污染模型一般是以美國、歐洲等國家的地形基礎上建立的，并不能直接用于我國，所以開發適合我國國情的分布式侵蝕產沙和面源污染相結合的模型是迫在眉睫[8]；目前，我國經濟建設發展已經到了非常關鍵的時期，環境的保護和資源的合理利用已經成為制約我國經濟發展的最大的瓶頸，而在國家逐漸對點源污染進行有效控制之后面源污染問題凸現，面源污染中又以農業面源污染問題最為嚴重，因而，有必要發展中國自己的土壤侵蝕預報模型，發展動態的、適應性更廣的模型。

[1]江忠善,王志強,劉志.黃土丘陵區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報,1996,2.

[2]蔡強國,陸兆熊,王貴平.黃土丘陵溝壑區典型小流域侵蝕產沙過程模型[J].地理學報,1996(2).

[3]胡良軍,李銳,楊勤科.基于GIS的區域水土流失評價研究[C].全國區域水土流失快速調查與管理信息系統.學術研討會論文集,1999.

[4]尹國康,陳欽巒.黃土高原小流域特性指標與產沙統計模式[J].地理學報,1989,44(1).

[5]王星宇.黃土地區流域產沙數學模型[J].泥沙研究,1987(3).

[6]湯立群,陳國祥,蔡名揚.黃土丘陵區小流域產沙數學模型[J].河海大學報,1990,18(6).

[7]陳國祥,謝樹楠,湯立群.黃土高原地區流域侵蝕產沙模型研究[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].中國水土保持,1983(6).