基于流域水文模型SWAT的细菌污染模拟现状分析

李 航，柏建雯

（1.松辽水利委员会流域规划与政策研究中心，吉林长春130021；2.吉林师范大学环境科学与工程学院，吉林四平136000）

0 引言

1 模型描述

根据世界卫生组织近年的报告，不安全的饮用水及缺乏卫生设施仍是人类生存的最大威胁之一[1,2]。从1988年的上海甲肝大爆发到1991年席卷拉丁美洲的霍乱，病原微生物污染的水体严重威胁了人类的健康。因此，对河流水质状况的监测评估关系到公众的健康。为了更好地评估流域中细菌的变化情况，很多水文模型被用于模拟流域中细菌污染水体的水文过程。常见的模型有SWAT（Soil and Water Assessment Tool）、HSPF（Hydrological Simulation Program-Fortran）等。水文模型可较好地反映流域中细菌污染的变化过程，且在流域管理方面有良好的应用前景。

SWAT模型可用于对流域中径流、泥沙、氮磷等物质及管理措施的模拟研究，在我国各大流域均有较好的应用。但是，应用SWAT模型对细菌污染进行的模拟研究在国内还并不多，虽有部分研究者开展了此类研究，但与国外的同类研究相比，还处于初级阶段。此次研究基于2002年以来公开发表的文献，对应用SWAT模型的流域中细菌类污染物进行模拟研究的文章进行了归纳总结，希望为后续研究者提供帮助。

最初由Sadeghi和Arnold[3]在美国进行了SWAT模型细菌模块方程的构建工作。从SWAT2005到SWAT2012版，细菌模块处于不断地完善中。与其他模型相比，SWAT模型存在一定的优势：首先，模型构建于GIS基础上，有利于空间数据的计算。其次，除SWAT模型，模型HSPF也常被用于细菌污染的模拟研究，但HSPF模型经常用于模拟中小流域，比如33.3 km2[4]和1 015.0 km2[5]，而SWAT模型更适合大中型流域，如417.6 km2[6]和6 155 km2[7]。第三，由于SWAT模型及其源代码可免费获得，很多研究者对模型进行了修改，使模拟得以不断地完善，拓展了模型应用的范围。

2 模拟的细菌种类

通常，指示菌在自然水体中不能繁殖也不能长时间存活，因此可表征水体被粪便污染的程度[8]。在现有文献中，SWAT模型的主要研究对象为指示菌，比如粪大肠菌群和大肠埃希氏菌[9,10]。但仅针对指示菌的研究并不能满足流域保护的需要，很多研究者开展了对非指示菌的模拟工作。目前研究最多的是隐孢子虫。Coffey等[11]对爱尔兰的流域进行了隐孢子虫浓度变化分析；Bergion等[12]对瑞典的流域进行隐孢子虫管理控制措施的分析。在应用其他水文模型进行细菌模拟研究时，考虑了很多其他种类的细菌，比如有研究将水动力学模型和水质模型相结合用于沙门氏菌、隐孢子虫的模拟研究[13]。在今后的研究中，可适当扩展模拟的细菌种类，或根据流域的实际情况进行细菌种类的选择。

3 模型的率定与修改

3.1 模型参数的调整

应用模型进行模拟研究时，首先需要进行参数的调整。表1中总结了部分调整频率较高参数的调整结果。其中BACTKDDB（细菌分配系数）、BACTKDQ（细菌的土壤分配系数）、BACTMIX（细菌的渗流系数）、THBACT（细菌的温度调整因子）和BACT_SWF（包含活性菌落形成单位的粪肥所占分数）是比较敏感的几个参数。参数值的不同反应了不同流域的土壤结构的差异及细菌通过径流转移到土壤表面的能力[14-16]。

在表1中，BACTKDQ一般在90.00～225.00之间，默认值为175.00，一般认为当参数值为175.00时可得到很好的模拟效率[17-19]。THBACT的默认值为1.07，很多学者认为这个值是合理的[17-19]。BACT_SWF代表包含活性菌落形成单位的粪肥所占的分数，默认值为0.15，表1中的范围为0.20～1.00；该值关系到肥料中释放的菌落数，所以很多研究会根据流域实际情况或相关文献进行参数值的设定[19]。BACTKDDB的范围为0～1.00，当值接近0时，细菌主要吸附到土壤颗粒上；当值接近1.00时，细菌主要处于溶液中，因此，该参数值的设定会影响流域中生物的数量。表1中，BACTKDDB的范围是0.36～0.90，很多研究者会针对不同类型的肥料进行设定[19]。作为细菌的渗流系数，BACTMIX一般为表层10 mm土壤溶液中细菌浓度与渗流中细菌浓度的比值，调整范围为7.00～20.00；在现有研究中，调整范围集中在7.65～18.31。

表1 不同流域中细菌参数值总结

在进行细菌模拟时，大部分参数的设置是根据流域实际情况及文献进行设定的。在未来研究中，如能对流域进行现场勘测，将有助于提高模拟的准确性。

3.2 模型的率定效果

模型的率定与验证是应用模型进行研究的重要步骤。常见的模型效果评估参数有纳什效率系数（NSE）、R2等。通常，当NSE＞0.50时，率定效果是满意的[24]，但该结论主要针对径流、泥沙和营养物的模拟效果。表2总结了部分应用SWAT模型进行细菌模拟研究文章的率定效果。从表2可看出，总体率定效果偏低。近期有研究者针对SWAT模型细菌的模拟效果进行了率定结果评价，该研究认为：0.200＜NSE＜0.300时,模拟效果为满意，0.300≤NSE≤0.400为好，NSE＞0.400为非常好，NSE≤0.200表现为不满意[25]。如果以此标准作为参考，表2中的大部分模拟效果是可接受的。影响率定效果的因素很多，如模型的不确定性，为了得到更好的细菌率定效果，很多研究者对模型进行了修改，比如，Jeong等[10]对SWAT模型进行改进后，模拟效果R2从0.590提高到0.900。

表2 不同流域应用SWAT模型细菌率定效果的总结

3.3 SWAT模型的改进

为了得到更加符合实际情况的模拟结果，很多研究者致力于模型的修改。表3总结了对SWAT模型细菌模块进行的各种修改。这些修改可分为对模型内部结构的修改、模型率定与验证方法的修改和对模型输入数据的修改三方面。

表3 现有SWAT模型细菌模块修改总结

对模型内部结构的修改主要考虑沉积物中细菌的再悬浮释放、太阳辐射及温度对细菌变化的影响这三方面。很多研究中均报道暴雨过后，流域中细菌的数量会骤然上升几个数量级[30]。因此，有研究考虑了沉积物的再悬浮释放后，模型的模拟效果有明显提高。太阳辐射和温度是细菌生长变化不可忽略的因素，不论是增加太阳辐射还是修改温度方程，都使模型更加符合流域的实际情况，均取得了不错的模拟效果。

由于水质样品在采集、测定、保存及参数的率定等过程会产生不确定性，进而影响水文模型的模拟效果。为提高率定效果，有研究提出了区间对区间的率定方法，该方法主要应用了细菌样品在测定和率定过程中都可产生95置信区间的原理，将两种置信区间结合在一起进行率定，该方法可有效提高率定效果[7]。

细菌污染源的输入一直是影响模拟效果的重要因素。输入源一般分为点源、施肥、放牧、野生动物、失败的化粪池等，当然由于国家和地区的不同，输入的分类有一定的差异。有研究认为野生动物可成为自然河流中细菌的主要来源[10]；也有研究表明人类与畜禽养殖粪便及施肥都可成为细菌的主要来源[15]。为了让输入的细菌源更符合流域的实际情况，研究者将细菌源追踪技术纳入SWAT模型中[10]。加入该技术后，模型的模拟效果有明显提高[10]。

4 细菌污染变化的影响因素研究

4.1 气候变化的影响

近年来对气候变化影响下流域变化的研究有很多，但针对流域中细菌污染物的变化研究较少。Mohammed等[16]分析了在挪威的流域中气候变化对河流流量和大肠杆菌浓度的影响，研究表明：在未来流量的峰值会发生季节的迁移变化，河流的大肠杆菌浓度也受到影响，比如高浓度区域的延后出现等。Jeon等[6]应用改进的SWAT模型与GCM-RCM模型研究未来气候变化对流域粪便细菌进行的影响，研究结果认为，到21世纪末，土壤与河流中的粪便细菌水平都会升高。以上研究都表明气候变化可对细菌的浓度产生重要影响。研究中也发现，SWAT模型日趋成熟，可和气候变化模型很好地结合，对很多污染物质都可进行良好的模拟。

4.2 土地利用变化与社会经济发展的影响

除气候外，人类活动对土地利用类型的改变和社会经济发展变化也是影响细菌浓度变化的重要因素。Coffey等[31]对气候变化与土地利用管理变化下爱尔兰流域中径流和微生物的变化进行了评估，研究结果认为冬季降雨的增加可能会对微生物的迁移运输产生巨大的影响，有较高的污染风险。Iqbal等[15]是首个将社会经济发展与气候变化相结合起来对流域中细菌变化进行分析的，研究结果认为未来气候与社会经济发展对微生物变化起重要的作用。

5 结论

1）在现阶段应用SWAT模型对细菌类污染物进行的模拟研究中，主要的研究对象还是指示菌，在今后的研究中可以根据流域的实际情况，模拟其他种类的细菌。

2）很多研究者对模型内部结构、率定与验证方法及模型输入等方面进行了修改，使得模型更符合流域实际情况，模拟效果明显提高。

3）气候变化、土地利用和社会经济发展都对流域中细菌的浓度变化及时空变化产生影响；SWAT模型可和气候变化、社会经济变化等模型进行很好地结合，为流域的模拟提供帮助。