浅议流域水环境非点源污染负荷模型

朱青　彭晓静　葛文君　唐鹏　王炜亮

【摘 要】流域污染负荷模型一般用来模拟沉积物和污染物的产生及其从源向受纳水体运动的过程，可以描述与估算污染负荷的产生和归趋。本文总结了农业非点源污染负荷模型、城市非点源污染负荷模型以及混合非点源污染负荷模型的模拟过程、适用性与局限性，指出了模型应用中存在的问题，并探讨了模型的研究与发展趋势。

【关键词】流域；非点源；污染负荷；模型

随着人民生活水平的提高，农用化肥、农药数量急剧增加，加之多年的人类经济活动带来的生态破坏，我国水环境非点源污染问题日益突出。而运用数理模型实现对非点源污染的有效模拟，是解决流域水环境非点源污染问题的一个重要环节。本文对非点源污染负荷模型进行介绍，并根据在不同土地利用类型下，模型对非点源污染负荷的产生和输移过程的模拟特征不同，将非点源污染负荷模型分为农业非点源污染负荷模型、城市非点源污染负荷模型和混合非点源污染负荷模型三大类。

1 农业非点源污染负荷模型

常用的农业非点源污染负荷模型有AGNPS、ANSWERS、SWAT等。

1.1 AGNPS模型

AGNPS是由美国农业部农业研究局联合明尼苏达州污染控制局和自然资源保护局共同开发的基于方格框架组成的流域分布式事件模型。AGNPS 按照栅格采集模型参数，可以预测土壤养分流失，对农业地区的水质问题以重要性为顺序进行排列，同时模拟单次暴雨径流和侵蚀产沙过程。

模型可以连续模拟土壤水和地下水中的氮平衡，适用于流域景观特征、水文和土地利用规划等领域，模拟精度较高。但是无法模拟各营养物组分在河道中的转化过程、流域物理过程长期演变及土壤侵蚀时空分布规律等。

1.2 ANSWERS模型

ANSWERS是由美国弗吉尼亚州立大学建立的可以完成次降雨条件下的表面径流模拟和土壤侵蚀量的测算，并能模拟分析农业地区降雨期间及雨后的地表径流、土壤侵蚀量以及污染物流失量的分散型模型。

模型的优点是可计算建筑区域和农业流域的径流量和泥沙流失，模拟土地利用方式对水文和侵蚀响应的影响，同时模拟评估最佳管理措施。但是存在输入数据复杂，不能模拟各化学物质的相互转换，对于深层下渗、壤中流、河道基流、融雪过程等的模拟存在局限性。

1.3 SWAT模型

SWAT 模型是由美国农业部农业局开发的流域尺度模型，用于模拟地表和地下水的水量和水质，预测不同土地利用情景下对流域水文、泥沙和农业化学物质产量的影响。

模型在美国是应用较为广泛的非点源模型之一，适用于资料短缺地区，可预测复杂流域内气候变化及土壤类型、土地覆被变化、农业管理措施等对流域水循环、泥沙、营养物质和农药、作物产量等的长期影响。模型仍存在许多不足：不能模拟详细的基于事件的洪水和泥沙，日模拟存在系统误差等。

2 城市非点源污染负荷模型

典型的城市非点源污染负荷模型有：SWMM、STORM、SLAMM等。

2.1 SWMM模型

SWMM模型即暴雨雨水管理模型，是1971年美国国家环境保护局推出的城市暴雨水量水质预测和管理模型，可以模拟完整的城市降雨径流过程。

模型的优点是可完整地模拟分析非点源污染负荷的产生过程，可计算分析径流中的各个污染物的负荷量，对录入数据的要求较低，通用性能较好、应用灵活。局限性表现在对污染物的生化反应的模拟能力很差，对与水质密切相关的管道泥沙运动也不能进行较好的模拟。

2.2 STORM模型

STORM是于1973年推出的城市暴雨径流模型，用于模拟城区降雨径流及水质变化过程，模型结构比较简单，不能模拟泥沙运动的过程和污染物的迁移转化过程。

2.3 SLAMM模型

SLAMM20世纪70年代中期美国学者Pitt等开发的用于城市非点源污染物识别和控制模拟的非点源污染模型。模型可以模拟多种控制管理装置和措施的污染物截留和去除效果；此外模型引入了随机分析，可以进行输入参数的不确定性分析。其局限在于不能进行雨水和污染物在管道和沟道中的模拟计算，因而不能输出径流过程和污染物浓度过程。

3 混合非点源污染负荷模型

3.1 HSPF模型

HSPF模型是1966年由美国环境保护署在SWM模型的基础上开发形成的可以模拟流域非点源污染的演进过程的混合模型。

模型主要模块包括透水地段水文水质模块和不透水地段水文水质模拟模块。HSPF 是最全面和灵活的一种流域水文水质模型，以强大的水文模型为基础，能够应用于大多数的流域，能够模拟不同时间尺度的洪峰流量和低流量，模拟精度较高。但是HSPF对输入数据的要求较高，需要给出连续的降雨、蒸发、气温和日照等时间序列，同时也要有相应的连续水文水质监测数据来率定模型；并且模型假设污染物在受纳水体的宽度和深度方向上是充分混合的，所以模型的实用性受到了一定限制。

3.2 GWLF模型

通用流域污染负荷模型 是1987年由美国康奈尔大学开发的一个流域污染负荷模型。模型属于半机理-半经验性流域负荷模型，主要用于多土地利用混合的中小型流域（10000km2以下）。模型能够模拟逐月和逐年的河川径流、沉积物传输以及氮、磷通量。模型对数据的要求不高，其精度基本满足我国环境管理的需求。

4 非点源污染负荷模型应用现状

马晓宇等将温州市典型住，区结合降雨径流实测数据构建了基于SWMM的非点源污染负荷计算模拟，表明SWMM模型可用于模拟城市非点源污染负荷及辅助管网的设计。白淑英等建立了开都河流域的 SWAT月径流模拟模型，达到了模拟评价标准，开辟了在新疆其他河流乃至干旱半干旱内陆河地区径流模拟的先河。梅立永等选定不同的时间，应用HSPF模型模拟了深圳西丽水库流域水量和水质的连续动态变化。薛亦峰等应用 HSPF 模型对潮河流域内的大阁河流域进行水文模拟，表明 HSPF模型在研究区对流域长期连续的径流量模拟具有较好的适用性。杜新忠等选取GWLF模型，有效模拟了柳河上游的月径流及总氮负荷，分析得到总氮污染源贡献率季节性差异明显。赵越等应用GWLF模型，评估了新安江上游练江流域把口断面的月时间尺度下总氮污染物通量，并分析了负荷来源。

5 结语

非点源污染是一个十分复杂的自然过程，现有基本数据库的缺乏、监测工作的薄弱、资金投入的短缺，给非点源的识别带来不确定性和模型模拟的巨大误差；有的模型带有明显的区域性，有较多的经验型参数，造成了在模型推广应用时，由于不同区域水文、气象条件的差异，模拟精度大大降低。

针对存在的上述几个问题，其解决方法及未来的发展趋势主要有：①着力提高模型数据规范性，②注重理论和实际相结合，将多模型方法在流域非点源污染负荷研究和实践中应用推广，③将GIS与模型相结合等。

【参考文献】

[1]马晓宇，朱元励，梅琨，张艳军，张明华.SWMM模型应用于城市住宅区非点源污染负荷模拟计算[J].环境科学研究，2012，25（1）：95-102.

[2]白淑英，王莉，史建桥，李伟.基于SWAT 模型的开都河流域径流模拟[J].干旱 区资源与环境，2013，27（9）：79-84.

[3]梅立永，赵智杰，黄钱，尹璇.小流域非点源污染模拟与仿真研究——以HSPF模型在西丽水库流域应用为例[N].农业环境科学学报，2007，26（1）：64-70.

[责任编辑：朱丽娜]