基于徑流路徑的分布式面源污染模型研發與應用進展

李思思,張 亮,劉宏斌,馮青郁,莊艷華,李文超,杜 耘,杜新忠

1 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院,湖北省面源污染防治工程技術研究中心, 武漢 430071

2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業部面源污染控制重點實驗室, 北京 100081

3 中國科學院生態環境研究中心, 北京 100085

4 河北農業大學資源與環境科學學院, 保定 071001

為有效防治農業面源污染,國家相繼制定出臺了《水污染防治行動計劃》《關于打好農業面源污染防治攻堅戰的實施意見》等政策和規劃文件。在面源污染防治工作取得了長足進步和明顯成效的同時,還面臨著科技支撐有限和系統性治理不足等問題[1]。目前,農田源頭減量增效、坡耕地徑流攔截、生態溝塘和人工濕地、畜禽糞污處理和利用等單項污染防治技術已日趨成熟,而支撐區域或流域層面的系統性、集成性綜合防治技術才剛剛起步。經過一批典型小流域農業面源污染綜合治理示范工程建設的探索實踐,2020年農業農村部發布了針對平原水網區、丘陵山區和云貴高原三種地理區域特色的面源污染綜合防控技術規范[2—4]。2021年的中央一號文件提出:在長江經濟帶、黃河流域建設一批農業面源污染綜合治理示范縣。流域或區域面源污染綜合防治的國家需求,對面源污染模型的功能提出了更高要求。

1 模型研發背景和過程

精準高效的面源污染綜合防治,需科學評估污染物的入水體量、識別污染流失的關鍵源區、關鍵過程和影響因素[5]。管理者和科研人員通過污染調查、長期監測、指標評價、模型模擬等不同方法,對流域和區域進行了面源污染評估與防控對策探討[6—9]。然而,面源污染的徑流路徑和輸移過程具有復雜性和不確定性,增加了面源污染入水體量估算及防控措施落地實施的難度。由于植被、溝塘、濕地、河流等過渡景觀的面源污染截留能力不同,不同的徑流路徑對面源污染入水體量有重要影響(圖1)。

圖1 徑流路徑對面源污染輸移過程的影響示意圖

我國第一次污染源普查,形成了較為完善的農業面源污染源頭發生量核算方法,但源頭發生量有多少進入了受納水體并不清楚。到第二次污染源普查,開始使用入河系數來刻畫源頭發生量進入受納水體的比率,并分區、分尺度建立入河系數與地表徑流因子、降雨驅動因子、地形驅動因子、地下蓄滲因子和植物截留因子“五大因子”的關系[10]。國際上多采用模型模擬來表達面源污染的輸移過程。常用面源污染模型,如SWAT (Soil and Water Assessment Tool)[11]、SWIM (Soil and Water Integrated Model)[12]、HSPF (Hydrological Simulation Program: Fortran)[13]等往往對污染物的陸面輸移過程進行概化,即:以子流域內的平均截留速率和平均坡面匯流時間模擬污染物在植被、土壤、地下水中的截留和轉化,計算子流域的污染輸出負荷。這種集總式模擬方法難以體現子流域內部徑流路徑的差異性,對國外大農戶種植為主、景觀一致性較高的區域影響較小,但對我國分田到戶背景下小農戶種植為主、景觀破碎的區域影響較大。因此,精準刻畫徑流路徑及污染物陸面輸移過程的空間差異性,是準確評估面源污染水環境風險的基礎,在景觀破碎或水網復雜的區域尤為重要,對面源污染防控的整體工程布局和單體工程設計具有重要意義。

本文介紹一個基于徑流路徑的時空分布式面源污染模型(Spatially and Temporarily distributed Model for Non-Point Source pollution, STEM-NPS)。該模型于2017年初步研發完成[14],并在國際期刊上發表[15—17]。在隨后的模型應用中,對模擬對象進行了擴展,從僅僅模擬磷素擴展到可模擬氮素和磷素。下文將從模型原理與結構組成、應用進展、應用前景與發展方向三方面對STEM-NPS模型展開介紹。

2 模型原理與結構組成

2.1 模型結構框架

STEM-NPS模型是一個應用級的時空分布式面源污染模型,用最簡單的過程和最少的參數實現面源污染流失過程模擬[17]。模型以柵格為基本模擬單元,主要包括一個水文模塊和一個污染物輸移模塊。其中,水文模塊也是一個可單獨使用的時空分布式水文模型(Distributed Hydrological Model for Watershed Mangement, DHM-WM)[15—16],實現各柵格地塊的徑流模擬、徑流路徑識別及匯流時間計算；污染物輸移模塊計算各柵格地塊的面源污染源頭發生量、輸移過程截留量及最終的入水體量。此外,針對水田灌溉排水和淹水期污染物輸移的特殊性,還研發了水田模塊[14]。

2.2 水文模塊

水文是面源污染發生發展的驅動力,不同氣象地理環境下,地表徑流的產生機制存在差異[18]。STEM-NPS模型的水文模塊提供兩種水量平衡模式(圖2):局部水量平衡模式,適合于壤中側向流不重要,以超滲產流為主的地區；全局水量平衡模式,適合于壤中側向流重要,兼具超滲和蓄滿兩種產流模式的地區。模塊依據水量平衡計算土壤水分含量；采用長期連續NRCS曲線數法[19]計算超滲產流；依據TOPMODEL模型理論[20]計算壤中水位的空間分布,當水位升高到地表時計算超滲產流(降雨日)或壤中回流(無雨日)。

圖2 水文模塊的局部水量平衡模式和全局水量平衡模式示意圖

水文模塊提供單流向D8算法和多流向MFD算法跟蹤各柵格地塊的上下游流向關系,識別徑流路徑。在匯流時間的計算上,結合穩定態動力波方程和曼寧方程計算坡面匯流時間[21],結合連續性方程和曼寧方程計算河道內匯流時間[22]。

2.3 污染物輸移模塊

污染物輸移模塊模擬面源污染物隨地表徑流從陸面到水體的儲存-搬運-輸移過程(圖3)。柵格地塊的污染物地表儲量由污染物的土壤背景值,及土地利用方式下的投入量和產出量共同決定。污染物隨地表徑流的搬運過程,和L-THIA(Long-term Hydrological Impact Assessment)[23]、STEPL(Spreadsheet Tool for the Estimation of Pollutant Load)[24]等經驗模型一樣采用平均濃度和徑流量的乘積模擬,在本文中稱為零級動力學搬運。污染物隨地表徑流的輸移過程,和SWAT[11]、SPARROW(Spatially Referenced Regressions On Watershed attributes)[25]等常用模型一樣,采用一級動力學公式模擬。

圖3 STEM-NPS模型的污染物儲存-搬運-輸移過程示意圖

STEM-NPS模型對污染物地下徑流輸移過程進行了簡化:磷素以用戶設定的磷濃度來模擬隨基流的輸出負荷；氮素的模擬方法與SWAT模型相似,地下含水層的氮素濃度是當日淋溶水和前一天地下含水層的混合,并隨時間呈指數衰減。

3 模型功能與應用進展

3.1 模型應用進展概述

STEM-NPS模型先后在高原流域(云南省鳳羽河流域,面積217 km2)[17]和平原縣域(河南省南樂縣,面積623 km2)[26]兩個不同地理環境及尺度的區域進行了成功應用,模擬了河流水量水質時間序列；計算了各柵格地塊的面源污染源頭發生量和入水體量；辨識了面源污染的關鍵時期和關鍵源區；解析了污染流失關鍵過程和驅動因素,從而提出針對性的防控建議。下文將以鳳羽河流域為典型應用案例,說明模型的應用方法和特色功能；并以南樂縣為例,說明模型在區域面源污染監管方面的業務化運行方法。

此外,STEM-NPS模型正在長江流域進行應用實驗。針對柵格模型在大型流域應用的運算效率問題,通過入河系數在柵格地塊和子流域尺度的轉換,使模型以子流域為計算單元提升了運算效率,仍能體現不同子流域徑流路徑差異性對污染物入水體量的影響。

3.2 典型應用案例——云南省鳳羽河流域

鳳羽河流域降水量充足,地形起伏大。土壤類型多樣,山地丘陵區的土壤透水性良好,以蓄滿產流為主；中部平原和北部出口附近土壤透水性較差,以超滲產流為主。因此模型應用時,水文模塊采用全局水量平衡模式；且流域水田面積較大,啟用了水田模塊[17]。

STEM-NPS模型能精準刻畫柵格地塊在陸面和河道內的徑流路徑,表征徑流路徑的差異性對面源污染入水體量的影響(圖4)。源頭發生量相似的地塊入水體量差異大,反映了坡面徑流路徑長短、路徑上的土地利用類型、植被覆蓋和土壤透水性的差異性。

圖4 云南省鳳羽河流域面源污染入水體量、關鍵源區模擬結果及STEM-NPS對徑流路徑影響的刻畫

基于面源污染入水體量的空間分布模擬結果,STEM-NPS模型能精細識別關鍵源區(圖4)和面源污染發生發展的關鍵過程(表1)。A級關鍵源區(面源污染入水體量大于流域平均值2個標準差的區域)主要是村鎮及土壤透水性較差的果園、旱地和水田,年均地表徑流深高達586.4 mm,為面源污染流失提供了充足的搬運力。因此,搬運過程是污染物流失的關鍵過程,防治應著力減少地表徑流的產生。而B級關鍵源區(面源污染入水體量大于流域平均值1個標準差的區域)則主要是水田,年均地表徑流量明顯小于A級,但年均入河系數0.91,高于A級關鍵源區。說明輸移過程是其污染物流失的關鍵過程,防治措施應加強徑流路徑上的攔蓄和截留。

表1 STEM-NPS識別的云南省鳳羽河流域關鍵源區、關鍵過程和影響因素表

3.3 模型業務化運行實例——河南省南樂縣

STEM-NPS模型具有自主知識產權,并且可打包成可執行文件,在面源污染智能管理平臺中進行業務化運行。在河南省南樂縣的應用中,STEM-NPS模型部署在“南樂縣面源污染監測預警服務系統”(圖5)的模擬分析服務器上,分析物聯網傳回的氣象、水文、水質等各類野外監測站點的數據,率定相關模型參數,并對全縣域的面源污染入水體量進行模擬(圖5中),基于模擬結果實現關鍵源區、關鍵時期辨識(圖5右)和污染來源解析(圖5左),為分區分類制定針對性的污染防治措施及應急管理提供決策支持[26]。

圖5 南樂縣面源污染監測預警服務平臺中STEM-NPS模型的應用功能示意圖

4 模型應用前景與發展方向

4.1 模型比較:服務于面源污染精準防治的功能和應用前景

STEM-NPS模型自發表后,得到了國際同行的關注。美國普渡大學的Liu等[27]比較了該模型與SWAT、L-THIA等在一個農業小流域的應用效果；加拿大農業部門和環境部門的研究者Habibiandehkordi等[28]也比較了該模型與改進的輸出系數模型CADA-ECM、AnnAGNPS等在識別關鍵源區上的功能。本文參考上述兩文,對STEM-NPS模型與常用面源污染模型的異同點進行總結(表2)。CADA-ECM、L-THIA、STEPL-WEB、SPARROW是經驗模型；SWAT、AnnAGNPS、HSPF、SWIM、APEX等屬機理過程模型；而STEM-NPS模型是介于經驗模型和機理過程模型之間的混合模型。其中機理過程模型功能最完備。

表2 不同模型的原理及其在面源污染精準防治決策支持方面的功能比較

關鍵源區識別的精度和有效性,對指導污染防控工程的整體布局具有重要意義[34—35]。L-THIA和STEPL-WEB能基于土地利用進行污染源解析,對區域景觀規劃具有指導意義[36]。SWAT等機理過程模型識別關鍵源區的精度取決于最小模擬單元(通常為子流域),能體現土壤、土地利用、農事管理、氣象及河道內水文水動力過程的差異性,有效指導子流域之間的防控措施布置[37—39],但難以直接體現徑流路徑的空間差異性。CADA-ECM和STEM-NPS可辨識柵格尺度的關鍵源區,便于地塊尺度的污染防控措施落地實施[40]；除反映土地利用等的影響外,還能體現徑流路徑的空間差異性,在景觀或水網復雜的區域具有重要意義。

在管理措施評價方面,SWAT、SWIM、STEPL-WEB模型能評估田間農藝管理、過程攔截等措施的效果并為其空間優化配置提供指導[41—43]。CADA-ECM和STEM-NPS模型則不具有管理措施評價模塊,但STEM-NPS模型可通過調整模型參數實現諸如化肥減量、植被緩沖帶設置等管理措施的評價。

4.2 STEM-NPS模型在生態學中的應用前景

當代生態學進入了生態系統科學的新階段,極大促進了生物學、地理學及環境科學研究的大融合,使生態學不斷吸收新方法和新技術[44]。STEM-NPS模型可以為當代生態學研究的部分方向提供定量研究工具。

(1)助力景觀格局與生態過程關系的定量研究

景觀生態學研究景觀格局與生態過程的關系,陳利頂等提出了“源”“匯”景觀理論并探討了其在水土流失、面源污染領域的意義[45]。對于水土流失和面源污染流失過程而言,“源”“匯”景觀具有明確的上下游關系；“源”景觀產生的徑流和營養物是否能被“匯”景觀截留消納,取決于兩者之間的水文連通性[46]。STEM-NPS模型基于徑流路徑計算的匯流時間,可用作“源”“匯”景觀水文連通性定量評價的指標,相較于“源”“匯”之間的距離等指標,生態過程含義更直接。基于STEM-NPS模擬的面源污染源頭發生量和入水體量,還可進一步探討水文連通性與面源污染流失尺度效應的關系。

(2)助力人-地耦合系統模擬及綠色可持續發展研究

全球氣候變化和人(社會)-地(生態)系統相互作用,是可持續發展研究的兩大挑戰；注重人-地耦合系統模擬,評估人類活動與自然環境的相互作用,成為探討綠色可持續發展路徑的重要方式[47—48]。和常用面源污染模型一樣,STEM-NPS模型通過改變氣象輸入數據能評估氣候變化對區域水資源水環境的影響。此外,模型對污染物地表儲存過程的表達,涉及不同土地利用的污染物投入量和產出量統計計算,能夠反映肥料用量、作物產量、人口、畜禽養殖等社會經濟發展相關指標的影響,在助力人-地耦合系統模擬和綠色可持續發展模式研究方面具有良好的應用前景。

4.3 STEM-NPS模型的發展和改進方向

(1)污染物輸移過程模擬考慮污染截留速率的動態變化及遺留效應

一般而言,溝塘、植被緩沖帶、湖庫、河流等地表景觀對氮磷具有截留作用；但在一定的水力和環境條件下,前期截留的氮磷將再次隨徑流輸出到下游水體,稱為遺留效應,對模型模擬方法和污染防治手段提出了新的要求[49—50]。目前,STEM-NPS模型的截留速率在時間上是固定不變的。因此,有必要基于氮磷遷移轉化機理過程的相關研究成果,建立截留速率與溫度、植被覆蓋、水文水動力等環境條件的關系,以反映截留速率隨時間的動態變化和氮磷遺留效應。

(2)開發管理措施評估和優化配置功能

管理措施評估和優化配置,對流域/區域面源污染防治策略篩選、整體工程布局和單體工程設計具有重要意義。STEM-NPS模型尚不包含管理措施評估模塊,但其對徑流輸移過程的精細刻畫,使其在模擬評估植被緩沖帶、人工濕地、生態溝塘等過程攔截型污染防治措施的效果方面具有先天的優勢,因為這些措施的效果很大程度上取決于其上下游水文連通關系及地表徑流的水力停留時間[46, 51—52]。因此,開發管理措施評估和優化配置功能,將是STEM-NPS模型的重要發展方向。

(3)應用于不同區域時應注意地理差異性及適用性

STEM-NPS模型的水文模塊已提供了局部和全局水量平衡兩種模式,能適配以超滲產流為主和兼具超滲、蓄滿兩種產流模式的區域；但尚不能體現閘壩、泵站、調水等人為水量調控對水文過程的影響,因此若需在強人工干擾的區域應用,還需增加人為水量調控模塊。另外,模型以柵格作為基本計算單元,運行速率與模擬的流域/區域大小及柵格分辨率有關,在大型流域(大于1000km2)應用需降低柵格分辨率或采用柵格地塊-子流域的尺度轉換方法。綜上,作為初創模型,STEM-NPS應用于不同地理區域的適用性還有待進一步驗證；因此研發者擬逐步公布模型源代碼,便于更多研究者使用,促進模型改進和發展。

5 結論

精準高效的面源污染綜合防治,需科學評估污染物的入水體量,辨識關鍵源區、關鍵過程和影響因素,評估污染防治措施的效果,這對面源污染模型提出了更高要求,即:精準刻畫污染源頭到受納水體之間的污染流失過程。這對我國以小農戶種植為主、景觀特征復雜的區域尤為重要。鑒于此,本文介紹了一個自主研發的基于徑流路徑的分布式面源污染模型(STEM-NPS),闡述了其基本原理和結構,介紹了其在不同地理環境和尺度的應用案例,探討了其與其他常用模型在關鍵源區精準識別、管理措施評價等決策支持方面的功能差異。作為介于經驗模型和機理過程模型之間的混合模型,STEM-NPS具有結構簡單、適配性強的特點；可精準刻畫徑流路徑的空間差異性及其對污染物輸移的影響,在景觀生態學和綠色可持續發展等生態學研究方向上具有良好的應用前景,并且對區域面源污染綜合高效防治具有重要的應用價值。但在參數科學性、區域適用性及管理措施評價功能方面,有待進一步發展。

致謝：本文介紹的STEM-NPS模型,其水文模塊的開發過程,得到了美國普渡大學的Bernard A. Engel和Margaret W. Gitau教授的指導和幫助；模型開發和應用過程中得到了美國農業部農業研究服務中心(USDA-ARS)、中國農業部面源污染控制重點實驗室和河南省南樂縣地方政府提供的數據支持,對相關工作人員提供的幫助表示感謝。