流域农业非点源污染负荷模型研究综述

■赵 祥，周鹏飞 ■.中国城市规划设计研究院上海分院，上海 00335;.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 0098

随着中共十八大“生态文明”建设方针的提出和公众对环保意识的逐步提升，以及点源污染的限排纳入水资源管理控制红线，湖泊河流水体污染的主要来源由点源污染逐步转向农业非点源污染。而非点源污染由于具有分散性、随机性、影响范围大、控制难度大等特点，已成为当前水环境污染控制研究的重难点［1］。

非点源污染负荷定量化研究可基于数学手段进行污染物随水文过程迁移转化的物理过程模拟，能对流域污染的微观过程进行定量化描述。

1 国外研究进展

20世纪70年代以前，国外主要借助经验模型，依据实测资料建立污染负荷与重要影响因子间的相关关系，该方法能得出最终负荷结果，但并不能反映出污染物的动态输移变化过程。这一时期出现的经验型模型包括通用土壤流失方程模型(USLE)、农药输移径流模型(PRT)、城市暴雨水管理模型(SWMM)等［2］。

从70年代中后期开始至80年代末是非点源模型发展的重要阶段，复杂的机理模型在研究深度和监测手段不断提高的基础上得以飞速发展，主要通过设定和校准模型参数，预测和模拟流域不同节点及出口断面流量、水质。

由于90年代以后至今计算机技术的迅猛发展和“3S”技术特别是GIS技术的综合应用，非点源污染模型得以不断完善，很好的解决了模型参数的空间变异性问题。国外大多采用部分耦合的方式，如比较著名的非点源污染模型AGNPS、土壤及水质评价模型(SWAT)等，与GIS软件耦合成大型专业软件，实现研究途径多维化、信息化、可视化，有利地推进了非点源污染定量化研究。

2 国内研究进展

我国非点源污染研究起步较晚，上世纪80年代以来才逐渐对国内主要流域非点源污染整体情况进行监测分析，并借鉴国外模型和经验公式定量化计算，在机理研究和规律探索方面取得了一定成果。但部分模型在应用过程中出现了实测资料偏少、适用范围受限、难以推广的问题［3］，这也成为了当时污染管控研究的重要制约因素。

90年代以后至今是我国非点源污染模型快速发展的机遇期。李怀恩［4］提出的平均浓度法，对于监测资料有限流域的非点源污染负荷估算简单而有效。李强坤［5］等构建了基于“源”、“汇”过程的农业非点源污染模型，在黄河上游青铜峡灌区的模拟效果较好。此外，学者尝试将“3S”技术融合入SWAT、AnnAGNPS等国外模型中，应用于国内各流域，计算、监测、预报、分析污染负荷量和时空分布情况以及验证模型尺度效应［5］，并在一些问题上取得了重要成果。

3 常用模型简析

现就国内外应用较为广泛的三种非点源污染模型进行介绍分析。

(1)ANSWERS模型:是一种长期连续性、分布式、小流域尺度的物理概念模型。初期以水文过程(径流、入渗、蒸散发等)研究为主，后来在模型发展过程中又加入了泥沙、营养物模块，有利于模型的连续性模拟。该模型在欧美平原、森林等区块有较强的适用性，目前我国学者也多在研究其适用情况。牛志明［6］等在应用其模拟三峡库区小流域土壤侵蚀过程时，模拟和实测结果整体吻合度较高，但陡坡、林地等特殊地类的模拟误差较大;潘沛［7］等利用其水文子模型模拟多场人工降雨事件，发现其模拟理想坡面的误差较小，但存在系统偏大的情况。实际上，该模型在侵蚀模块中主要是基于经验模拟，且不能模拟杀虫剂和融雪过程，是模型的薄弱环节。

(2)AGNPS模型:是一种基于单次事件、分布式、小流域尺度的分室物理模型，由水文、侵蚀、沉积和化学污染物输移四个模块组成，用于预测流域内氮、磷等土壤养分流失、模拟次暴雨径流及土壤侵蚀过程，并可评价流域农业管理措施对径流和泥沙产生的影响。孟春红［8］等验证了该模型在福建省五川流域的适用性(Nash－Suttclife效率系数E均在0.8以上)，并认为可将其用于南方丘陵区小流域氮、磷流失预测与评价。李家科通过对AnnAGNPS模型的率定与验证，分析和评价了其在黑河流域的适用性和可靠性，认为可用于长期模拟以及选择最佳管理措施。

(3)SWAT模型:是一种长期连续性、分布式、大流域尺度的水文物理模型，由子流域水文循环过程、河道径流演算、水库水量平衡与演算三大部分组成，用于模拟流域非点源污染的产生和输移过程、定量计算负荷及评价、预测管理控制措施对水资源、环境的影响。该模型已广泛应用于国外尤其是北美和欧洲地区，而在我国，主要还侧重于进行流域水文过程模拟和水资源评价，但国内也逐渐利用该模型展开流域非点源污染的模拟预测研究。陈媛［9］等用该模型模拟三峡库区流域非点源污染情况，模型径流和泥沙模型模拟效果很好，但营养盐模拟效果欠佳，这与国内外许多研究成果情况基本一致，主要是该模型算法存在一定的局限性。

4 模型发展趋势

(1)扩大模型适用范围。目前，非点源污染模型的研究特别是国内还主要侧重于对国外模型的适用性检验，且模型的模拟效果很多是在试验小区、实验室等小尺度范围内得到验证的，但由于流域在自然条件方面所具有的时空复杂性，使得研究成果难以向流域尺度推广，特别是模型参数在大尺度流域上的确定问题。因而扩大模型适用范围、综合考虑影响因素、提高模型拟合度也就成为了当前非点源污染模型面临的主要问题。

(2)模型模拟不确定性分析。模型的模拟情况往往与实测结果存在一定的差异，这是不可避免的，也是难以确定的，所以需要在今后运用数学模型来分析模型模拟的不确定性，并通过对机理认知的深入和模型精度的提高来减小这种不确定性。

(3)模型集成化、实用化研究。非点源污染模型的模拟需要基于大量实测数据，而以RS和GIS技术为支撑，能消除与模型相兼容的时空数据结构差异的大型流域集成管理模型，可有效解决数据获取与处理问题，为非点源污染的模拟、控制、管理提供有利支持，这种集成更加紧密、管控更加实用的模型是其发展的一个必然趋势。

(4)开发新型分布式非点源污染模型。非点源污染的产生和迁移是一个复杂的物理化学过程，涉及大气圈、水圈、岩石圈、生物圈等多个圈层，而当前模型研究还大多停留在水圈和岩石圈，且对水—土界面的溶质迁移转化的机理研究尚在探索中。可考虑掌握和控制非点源污染物在以水循环为主、各圈层相互作用下的运移和能量传递过程，构建具有物理机理基础的分布式大气—陆面—水文过程耦合模型，从而在流域、区域范围内进行溶质污染输出控制措施与环境评价。

［1］朱永澍，朱双喜，徐耀飞，周鹏飞.农业非点源污染问题研究.河南水利与南水北调，14，1 －2.

［2］陈勇，冯永忠，杨改河.农业非点源污染研究进展.西北农林科技大学学报(自然科学版)，08，173 －181.

［3］李怀恩.流域非点源污染模型研究进展与发展趋势.水资源保护，02，14 －18.

［4］李怀恩.估算非点源污染负荷的平均浓度法及其应用.环境科学学报，04，397 －400.

［5］张红举，崔广柏，冯健.农业非点源污染模型研究概况.江苏环境科技，02，37 －39.

［6］牛志明，解明曙，孙阁.ANSWER2000在小流域土壤侵蚀过程模拟中的应用研究.水土保持学报，03，56－60.

［7］潘沛，刘凌，梁威.非点源污染模型ANSWERS－2000的水文子模型研究.水土保持研究，01，103 －106.

［8］孟春红，赵冰.AGNPS模型在小流域农业非点源污染中的应用.长江科学院院报，04，24 －27+32.

［9］陈媛，郭秀锐，程水源.基于SWAT模型的三峡库区大流域不同土地利用情景对非点源污染的影响研究.农业环境科学学报，04，798－806.