黃河流域河套灌區農業面源污染模擬的難點與重點分析

侯聰宇，劉海霞，趙 健*，宋永會*

1.中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

2.中國環境科學研究院水生態環境研究所，北京 100012

內蒙古河套灌區是我國三個特大型灌區之一，地處黃河內蒙古段北岸的“幾”字彎上，東西長250 km，南北寬50 km，總面積11 893 km2，現引黃灌溉面積7 333 km2，灌區退水通過烏梁素海排入黃河，年排入黃河退水4×108~5×108m3.農田退水中攜帶過量施用的氮磷進入地下及地表水，進而威脅烏梁素海及黃河干流水體水質[1-2].在黃河流域生態保護和高質量發展的背景要求下，使用模型模擬是對河套灌區農業面源精準溯源、準確預測、科學評估管理措施治理效果的有效途徑，也是全面應用“監測-溯源-核算-治理-管理”農業面源污染全鏈條防控體系的關鍵核心步驟[3]，然而目前受限于河套地區特殊且復雜的溝渠模式、農業面源污染來源的不明確以及地理水文條件導致的污染物輸移轉化過程不清晰等難點，現階段的農業面源污染模型尚不足以滿足政府及環保從業者對更高時空精度輸移途徑模擬的需求[4-5].因此，本文總結現階段河套灌區農業面源污染的現狀，闡明其模擬過程中遇到的主要難點，并提出加強農業面源污染模型對污染治理和監督管理相關工作支撐力度的針對性建議.

1 河套灌區農業面源污染現狀與問題

河套灌區種植業發達，主要耕作土壤為灌淤土，鹽堿化程度高，化肥農藥、農膜等農業投入品過量使用現象突出.2021 年巴彥淖爾市化肥畝均施用量(折純量)為31 kg，是國際安全施用水平(15 kg/畝)的2倍左右，化肥利用率約為40%，未被利用的氮磷則儲存或排放到水、土、氣環境中，在降雨和農田排水期間通過淋溶、下滲等途徑匯入周邊支溝，最后注入烏梁素海和黃河.長期過量氮磷施用造成了農田土壤氮磷遺留量不斷累積，成為烏梁素海流域氮磷污染的重要來源[6].研究表明，目前河套灌區土壤碳氮比(C/N)明顯低于微生物分解所需的C/N=25，低于淋溶閾值30，土壤氮、磷都有較大淋溶風險[7].河套灌區土地鹽漬化嚴重，為保障農作物生產狀況和產量，通常會在作物收獲后和冬季土壤封凍前的階段用灌溉的方式將農作物根區殘留的鹽分以淋溶的方式輸送到深層土壤甚至是地下水層中[8-9]，該過程稱為“秋后灌”，期間產生的農田退水也會攜帶大量的鹽分以及氮磷等營養物質，會進一步加劇面源污染程度[10].此外，河套灌區農田地膜使用量較大，2021 年巴彥淖爾市農用塑料薄膜使用量高達30 351 t，使用后的地膜大部分被丟棄在土壤中填埋進而導致土壤肥力下降等問題，進一步加劇農業面源污染.研究[11]表明，河套灌區地膜污染整體處于中度污染水平，農田地膜殘留量平均值為10.87 kg/畝.

畜禽養殖業是河套灌區的優勢產業，也是河套灌區污染物排放的主要污染源.以巴彥淖爾市五原縣為例，第二次全國污染源普查結果(見表1)顯示，五原縣化學需氧量(COD)排放總量2 304.85 t，其中畜禽養殖業占81%；氨氮排放總量52.14 t，其中畜禽養殖業占47%；總氮(TN)排放總量242.28 t，其中畜禽養殖業占57%；總磷(TP)排放總量20.12 t，其中畜禽養殖業占68%.然而，現場調研發現，養殖場位置大多距離河道較遠，清糞方式以干清糞為主，加上區域氣候干旱，不存在養殖尾水直接入河的現象，黃河及其主要支流入河排污口排查中也未發現河套灌區內存在規模化養殖場入河排污口.灌區畜禽養殖產生的污染物遷移轉化路徑及其對周邊水體環境的影響有待進一步研究.

表1 巴彥淖爾市五原縣第二次全國污染源普查結果Table 1 The second national census on the sources of pollution results of Wuyuan in Bayannaoer

2 河套灌區農業面源污染模擬難點

2.1 灌排溝渠系統復雜且相關水文過程難以模擬

河套灌區是黃河多沙河流引水灌溉的典范，經過多年的改造，擁有完善的灌排系統，引水排水溝渠交織密布，呈網絡狀逐級分布：引水系統現有總干渠1 條，干渠13 條，分干渠48 條，支、斗、農、毛渠8.6 萬多條；排水系統有總排干溝1 條，排干溝12 條，分干溝59 條，支、斗、農、毛溝1.7 萬多條，各類建筑13.25 萬座[12].與自然匯水單元相比，灌區具有獨特的水文與氮磷輸移過程，其結果為水文過程受人工控制影響，具有顯著的動態變化特征.灌區每年分3個時間段進行引水灌溉，分別為夏灌(5 月上旬至6 月底)、秋灌(9 月初至9 月中旬)、秋后灌(10 月初至11 月初)[13].前兩次灌水均為作物生長期的灌溉，秋后灌是作物收割后的儲水灌溉.灌溉期由總干渠引水，通過干、分干、支、斗、農、毛渠將水輸入田間，退水則經“毛、農、斗、支、分干、干溝”匯至總排干和八排干、九排干、十排干匯入烏梁素海，最后退入黃河.河套灌區內部排水主要通過下滲淋溶和側向經排干系統排出，因此部分灌期無地表徑流，且夏灌期排干溝渠水量也很少，較小支溝渠常年處于無水狀態.

現階段我國在農業面源污染模型模擬模型中的水文模擬方面開展了一定程度的探索，但大多是對國外模型的直接引用并進行參數本地化，存在不能精確刻畫人工排水溝渠污染物的遷移轉化過程、不能充分體現遷移過程中源匯及消納關系變化等問題[14].目前可用來模擬灌區面源污染特征或者經過修改調整后可能準確模擬河套灌區面源污染的模型主要包括如下3 種：①CREAMS 是農田管理系統化合物徑流及侵蝕模擬模型，此模型在估算田塊上徑流、泥沙和農用化合物的流失量的基礎上，評價不同耕作措施對面源污染負荷的影響[15-17]；②ECM(export coefficient method)模型是一個經驗性模型，該模型考慮土地利用分類，結合畜禽數量和分布、農村居民面源污染物排放，能較準確地估算氮磷負荷，但是在應用時需要依據當前研究區的特點對模型的參數進行本土化[18-19]；③SWAT(soil water assessment tool)是長周期分布式流域水文模型，可用于模擬地表水及地下水的水質狀況，該模型可根據研究區土地利用類型、土壤類型和坡度，將流域細分為水文響應單元(hydrological response unit，HRU)，這是基本水文計算單元，模擬流域尺度的徑流以及泥沙、氮磷等營養物的運移和輸送過程[20-21].由于河套灌區面源污染過程機制復雜，多種因素及其相互作用下污染物遷移轉化規律不清、沿程消納系數不準確，已有面源污染負荷核算模型研究多以SWAT 模型應用和改進為主[6,21-23]，但因缺乏多點、長期實測數據支撐，一定程度上淡化了“源-匯”過程和水肥管理方式的本地參數化，高分辨率、多年多站點、全通量的模型參數存在部分偏離實際的“假擬合”情況，造成了灌區面源污染負荷核算的不確定性，進而導致模型模擬結果無法真實反映實際情況，致使現有模擬手段對于污染物入水體負荷的核算結果偏差較大，不能準確反映灌區農業面源污染對水體的實際影響，從而影響模型在溯源、核算、評估等方面的應用場景.

2.2 現有水文水質數據難以準確率定高時空精度水文模型

隨著模型技術的不斷開發以及高時空精度遙感技術在農業面源污染模型領域的越來越大范圍的應用，現有模型正在將結果向著更精準、更貼近實際和更高時空精度推進，水文模型在率定與驗證過程中對水文、水質數據的質量以及數量的需求也隨之上升，而河套灌區現有的水文水質數據監測網絡難以滿足日益增長的農業面源模型建立、率定和驗證的需要[24-28].

目前，巴彥淖爾市針對烏梁素海流域水環境質量監管，建設水質自動監測站38 處，對各排干溝入總排干口、人工濕地、烏梁素海周邊入海口等重要節點的水質進行實時監測；為摸清河套灌區農業面源污染情況，建設農田地下淋溶面源監測站、畜禽養殖監測站、農村面源污染監測站、農田灌溉溝監測站等9 處，河套灌區農業面源污染監測體系初步成型.然而，目前的監測體系側重于水質監測，對水量的監測考慮較少；農業面源污染監測點位也只是詳細監測不同農藝方式下的農田養分循環過程，并未真正建立起從農田到受納水體的全過程監測網絡，難以闡明厘清農業面源污染特征和遷移轉化過程[29-32].此外，農業農村部、生態環境部、水利部等部門雖均開展了監測工作，但由于未形成統一的監測技術規范，同時監測信息共享不充分，以致系統性評估區域內農業面源污染負荷和治理績效均受到不同程度的限制，水文模型的使用也受到了一定的阻礙.

2.3 農業面源污染輸移轉化過程機理不明確

河套灌區內部物理參數存在顯著的空間異質性，致使其模擬單元內部的輸移轉化機制不明確.目前，大部分以物理參數為基礎的水文模型需要保證其模擬對象在各自模擬單元內大致保持性質均一穩定且無顯著性差異，這一特征是使其輸移轉化機制保持基本清晰明確的基礎，從而可以通過數值準確復現模擬并保證結果貼近現實；而由于河套灌區內實際情況過于復雜，傳統的物理參數模型會因為難以準確表示、記錄并計算被模擬對象的物理參數、性質、狀態等，而導致結果偏離實際、誤差增大、存在結果偏移等后果，造成最終模擬結果的不準確.河套灌區地處黃河流域，其根區土壤內部存在理化性質與其他土壤截然不同的砂質層，影響土壤水的輸移和其中面源污染的轉化機制，進而使農業面源污染的輸移轉化機制變得復雜且不清晰[33-35].具體而言，農業生產過程中流失的化肥與農藥、作物秸稈漚田水等隨著灌溉水或者降雨進入附近排水溝中，污染物以農田退水為載體，受地形、地下水位、土壤特性等自然因素影響，地表水、地下水、土壤水之間存在頻繁水體交換，農田退水存在側滲、徑流等多種方式，其產流、匯流特征具備較大的空間異質性，污染物在“田-溝-河”中的遷移轉化路徑難摸清.

河套灌區內部引水、排水溝渠交錯復雜，且溝渠系統一般未進行良好的水土隔離措施，由此導致灌區氮磷循環過程受自然條件和人工控制的雙重影響，輸移路徑復雜.在實際調查走訪中筆者發現灌區內部及周邊的農村生活污水也存在直排現象.因此在該區域的水文過程中，地表水、地下水、土壤水之間存在頻繁的相互補給，農田、生活污水等不同類型污染源排放并匯合于周邊溝渠，造成面源污染的輸移途徑錯綜復雜，難以確定污染物在河套灌區內部通過淋溶、壤中流和地表徑流等方式輸移的貢獻比例；同時由于面源污染途徑各部分物理、化學和生物參數差異性顯著，污染物在各途徑中的轉化時機和機制同樣模糊不清.

3 河套灌區農業面源污染模擬研究的重點

3.1 探索開發適用于河套灌區的機理-深度學習耦合模型

河套灌區農業生產活動具有人工干擾強、灌排體系復雜、退水以測滲為主等特點，現有面源污染模型難以滿足精準面源污染溯源和核算的實際應用需求.因此，針對2.1 節提到的“灌排溝渠系統復雜且相關水文過程難以模擬”這一難點，需要根據河套灌區面源污染特征，構建適用于河套灌區的農業面源污染模型，用于模擬灌區“渠-田-溝-河/湖”灌排關系與污染物遷移過程，計算各類污染源對斷面氮、磷通量的貢獻度，提高灌區面源污染負荷核算準確率.針對難以用傳統物理參數模型進行準確模擬的區域和農業面源污染過程，建議嘗試開發與機理模型相結合的深度學習模型[36-38]，即通過大量的觀測數據對被模擬對象的相關參數集進行深度訓練學習，將難以用物理參數模型準確模擬的過程轉化為大數據模型，確保在這些過程中所得到的結果誤差和數據偏移被控制在合理的范圍內，且通過這種方式減少傳統機理模型對環境物理、化學、生化等地理信息數據的依賴[39-40].而對可以用物理參數模型準確模擬的過程則保持繼續使用物理參數模型模擬，以提高其運算速度并減少深度學習模型對水文觀測數據的依賴.因此，嘗試將物理參數機理模型和深度學習模型相耦合是更好地利用現有數據監測網、地理信息數據、水文水質數據和氣象數據的方式.例如，針對河套灌區人工溝渠占比大，與天然情形下水流趨勢不匹配，并且存在大量揚水機和水泵等改變水流的裝置時，可以在田塊尺度上采用物理參數水文模型來模擬其在灌溉和降水因素下的面源污染輸移轉化，同時在區域尺度上構建阻力系數模型，通過“系數-物理參數水文模型”相互耦合的方式達到運算速度提升和準確度上升的雙贏結果.

3.2 建立流域層面農業面源污染監測網和數據分享平臺

目前制約河套灌區乃至整個黃河流域面源污染治理的一大障礙是監測數據覆蓋面不足且不成體系化[41-42]，在此，針對2.2 節提到的“現有水文水質數據難以準確率定高時空精度水文模型”這一難點，筆者認為應在現有的監測體系基礎上建立一套覆蓋整個灌區的農業面源污染監測網以及相應的數據分享平臺.該網絡以現有監測體系為基礎，優化面源污染監測點位并加入現今我國正在大力發展的遙感遙測技術，以完成農業生產方面的數據收集與處理，并通過當地環境調查員實地走訪、采樣和實時試驗的手段對重點區域進行監測數據的時空分辨率升級，最終達到河套灌區全區域面源污染相關數據可以支撐中央及地方政府治理項目需求、面源污染關鍵示范區域可以支撐國內科研部門及高校的科研需求的水平.例如，在面源污染的關鍵示范區中，土壤、作物和地下水的理化參數需要準確測量，達到米級甚至更高，由此可以在明晰河套灌區農業面源輸移轉化機制的基礎上，通過水文模型精準預測其面源污染時空特異性，然而，在廣泛的區域上，只需對可能顯著影響面源污染管理措施及農業管理措施的理化參數進行田塊尺度上的采樣分析，即可在大多數情況下滿足治理需求，同時應保持規則的彈性，即發現治理效果與預估效果存在嚴重偏離時應增加問題區域理化參數的時空分辨率，以為從根本上分析解決面源污染問題提供數據支持.在此基礎上，管理部門應同時建立一個農業面源多源數據的共享平臺，按照項目需求、所在區域和時間跨度將數據提供給不同層次的使用者，減少數據收集的時間成本并提高項目的最終效率.

3.3 開展實地實驗厘清農業面源污染輸移轉化過程機制

對面源污染模型的構建和準確模擬來說，僅有監測數據只能解決率定過程中數據缺乏的困境，而在模型架構上達到對面源污染準確模擬的目的則需要闡明并厘清農業面源在河套灌區的具體輸移轉化機制，因此針對河套灌區農業面源污染輸移轉化過程機理不明確的難點[43]，筆者建議在河套灌區進一步開展實地實驗以厘清其輸移轉化機制，為將來在研究和管控工作中使用結果更準確、更貼合真實狀況的物理參數模型提供理論基礎.除此之外，針對農業面源污染輸移轉化過程機制的研究內容也應包括可能使用的管理模式對農業面源污染輸移轉化的影響，以方便評估管理模式變更后農業面源污染的變化趨勢[29,44].目前，從科研和示范角度，國內研究團隊針對灌區污染特征研究提出了多種農業面源污染治理技術，王維剛[45]研究了不同灌溉、施肥與耕作方式對氮磷營養物負荷及作物產量的影響，提出了葵花、小麥產量提升和硝態氮負荷降低的最佳種植模式；周慧等[46]研究了有機氮替代不同比例無機氮對玉米產量和硝態氮淋失的影響，提出有機無機氮配施比例3∶2 為較優的有機無機氮配施模式；郭富強等[47]通過氮素淋溶試驗研究得出，河套灌區小麥和向日葵的最佳施氮量分別為176.52 和118.15 kg/hm2.然而以上研究更多的是局部或者單項設施的試驗，缺乏成熟的整套灌區農業面源污染治理技術體系并且需要將其改善效果轉化為可以準確量化表示的輸移轉化機制的變化.

4 結束語

農業面源污染模型是面源污染治理過程中的關鍵步驟，在“測-溯-算-治-管”的全鏈條面源污染治理技術體系中承上啟下，既可以在實地實驗的基礎上輔助溯源污染來源，又可以厘清、計算、評估和判斷面源污染時空特異性及風險水平，同時還能評價并優化管理措施對面源污染治理、改善的效果，總的來說，一個科學的、有實際治理效果和可推廣性的面源治理項目需要依賴面源污染模型的準確度和可靠性.尤其對于河套灌區，人工-自然共同作用的河道網絡以及集中的農業生產是面源模型模擬的兩大特點，將來面源模型的關注點也應聚焦于這兩點：既包括從實地實驗的角度建立流域層面農業面源污染監測網和數據分享平臺并開展實地實驗厘清農業面源污染輸移轉化過程機制，從根本上將原理明確，降低面源污染治理過程中的理論成本；又需探索開發適用于河套灌區的機理-深度學習耦合模型，從提升研究者的模擬能力角度提高河套灌區農業面源模擬的準確度和可靠性.以此全方位提升我國科研人員和有關部門的面源污染治理能力和河套灌區的面源污染治理水平.

黃河九曲，唯富一套，作為兩千年來養育華夏民族的重要糧食產地，對河套灌區的面源污染問題的治理是需要無數中華兒女致力終生的偉大事業.在全面依法治國、推進國家治理體系和治理能力現代化的大背景下，中共中央、國務院于2021 年印發的《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》中，“強化農業面源污染綜合治理”被列為“強化環境污染系統治理”的第一項，因此，治理河套灌區農業面源污染即成為我國治理黃河流域水環境問題的最重要組成部分之一.同時，為了進一步突出黃河在我國環境保護治理中的不可替代的地位，2022 年10 月30 日，中華人民共和國第十三屆全國人民代表大會常務委員會第三十七次會議通過的《中華人民共和國黃河保護法》已于2023 年4 月1 日起正式施行.中共中央、國務院對黃河環境治理的一系列決策不但是對習總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”重要指示的具體體現，也體現了黨和政府對治理華夏兒女五千年來母親河的歷史擔當.