基于径流路径的分布式面源污染模型研发与应用进展

李思思,张 亮,刘宏斌,冯青郁,庄艳华,李文超,杜 耘,杜新忠

1 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院,湖北省面源污染防治工程技术研究中心, 武汉 430071

2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,农业部面源污染控制重点实验室, 北京 100081

3 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085

4 河北农业大学资源与环境科学学院, 保定 071001

为有效防治农业面源污染,国家相继制定出台了《水污染防治行动计划》《关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》等政策和规划文件。在面源污染防治工作取得了长足进步和明显成效的同时,还面临着科技支撑有限和系统性治理不足等问题[1]。目前,农田源头减量增效、坡耕地径流拦截、生态沟塘和人工湿地、畜禽粪污处理和利用等单项污染防治技术已日趋成熟,而支撑区域或流域层面的系统性、集成性综合防治技术才刚刚起步。经过一批典型小流域农业面源污染综合治理示范工程建设的探索实践,2020年农业农村部发布了针对平原水网区、丘陵山区和云贵高原三种地理区域特色的面源污染综合防控技术规范[2—4]。2021年的中央一号文件提出:在长江经济带、黄河流域建设一批农业面源污染综合治理示范县。流域或区域面源污染综合防治的国家需求,对面源污染模型的功能提出了更高要求。

1 模型研发背景和过程

精准高效的面源污染综合防治,需科学评估污染物的入水体量、识别污染流失的关键源区、关键过程和影响因素[5]。管理者和科研人员通过污染调查、长期监测、指标评价、模型模拟等不同方法,对流域和区域进行了面源污染评估与防控对策探讨[6—9]。然而,面源污染的径流路径和输移过程具有复杂性和不确定性,增加了面源污染入水体量估算及防控措施落地实施的难度。由于植被、沟塘、湿地、河流等过渡景观的面源污染截留能力不同,不同的径流路径对面源污染入水体量有重要影响(图1)。

图1 径流路径对面源污染输移过程的影响示意图

我国第一次污染源普查,形成了较为完善的农业面源污染源头发生量核算方法,但源头发生量有多少进入了受纳水体并不清楚。到第二次污染源普查,开始使用入河系数来刻画源头发生量进入受纳水体的比率,并分区、分尺度建立入河系数与地表径流因子、降雨驱动因子、地形驱动因子、地下蓄渗因子和植物截留因子“五大因子”的关系[10]。国际上多采用模型模拟来表达面源污染的输移过程。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]等往往对污染物的陆面输移过程进行概化,即:以子流域内的平均截留速率和平均坡面汇流时间模拟污染物在植被、土壤、地下水中的截留和转化,计算子流域的污染输出负荷。这种集总式模拟方法难以体现子流域内部径流路径的差异性,对国外大农户种植为主、景观一致性较高的区域影响较小,但对我国分田到户背景下小农户种植为主、景观破碎的区域影响较大。因此,精准刻画径流路径及污染物陆面输移过程的空间差异性,是准确评估面源污染水环境风险的基础,在景观破碎或水网复杂的区域尤为重要,对面源污染防控的整体工程布局和单体工程设计具有重要意义。

本文介绍一个基于径流路径的时空分布式面源污染模型(Spatially and Temporarily distributed Model for Non-Point Source pollution, STEM-NPS)。该模型于2017年初步研发完成[14],并在国际期刊上发表[15—17]。在随后的模型应用中,对模拟对象进行了扩展,从仅仅模拟磷素扩展到可模拟氮素和磷素。下文将从模型原理与结构组成、应用进展、应用前景与发展方向三方面对STEM-NPS模型展开介绍。

2 模型原理与结构组成

2.1 模型结构框架

STEM-NPS模型是一个应用级的时空分布式面源污染模型,用最简单的过程和最少的参数实现面源污染流失过程模拟[17]。模型以栅格为基本模拟单元,主要包括一个水文模块和一个污染物输移模块。其中,水文模块也是一个可单独使用的时空分布式水文模型(Distributed Hydrological Model for Watershed Mangement, DHM-WM)[15—16],实现各栅格地块的径流模拟、径流路径识别及汇流时间计算；污染物输移模块计算各栅格地块的面源污染源头发生量、输移过程截留量及最终的入水体量。此外,针对水田灌溉排水和淹水期污染物输移的特殊性,还研发了水田模块[14]。

2.2 水文模块

水文是面源污染发生发展的驱动力,不同气象地理环境下,地表径流的产生机制存在差异[18]。STEM-NPS模型的水文模块提供两种水量平衡模式(图2):局部水量平衡模式,适合于壤中侧向流不重要,以超渗产流为主的地区；全局水量平衡模式,适合于壤中侧向流重要,兼具超渗和蓄满两种产流模式的地区。模块依据水量平衡计算土壤水分含量；采用长期连续NRCS曲线数法[19]计算超渗产流；依据TOPMODEL模型理论[20]计算壤中水位的空间分布,当水位升高到地表时计算超渗产流(降雨日)或壤中回流(无雨日)。

图2 水文模块的局部水量平衡模式和全局水量平衡模式示意图

水文模块提供单流向D8算法和多流向MFD算法跟踪各栅格地块的上下游流向关系,识别径流路径。在汇流时间的计算上,结合稳定态动力波方程和曼宁方程计算坡面汇流时间[21],结合连续性方程和曼宁方程计算河道内汇流时间[22]。

2.3 污染物输移模块

污染物输移模块模拟面源污染物随地表径流从陆面到水体的储存-搬运-输移过程(图3)。栅格地块的污染物地表储量由污染物的土壤背景值,及土地利用方式下的投入量和产出量共同决定。污染物随地表径流的搬运过程,和L-THIA(Long-term Hydrological Impact Assessment)[23]、STEPL(Spreadsheet Tool for the Estimation of Pollutant Load)[24]等经验模型一样采用平均浓度和径流量的乘积模拟,在本文中称为零级动力学搬运。污染物随地表径流的输移过程,和SWAT[11]、SPARROW(Spatially Referenced Regressions On Watershed attributes)[25]等常用模型一样,采用一级动力学公式模拟。

图3 STEM-NPS模型的污染物储存-搬运-输移过程示意图

STEM-NPS模型对污染物地下径流输移过程进行了简化:磷素以用户设定的磷浓度来模拟随基流的输出负荷；氮素的模拟方法与SWAT模型相似,地下含水层的氮素浓度是当日淋溶水和前一天地下含水层的混合,并随时间呈指数衰减。

3 模型功能与应用进展

3.1 模型应用进展概述

STEM-NPS模型先后在高原流域(云南省凤羽河流域,面积217 km2)[17]和平原县域(河南省南乐县,面积623 km2)[26]两个不同地理环境及尺度的区域进行了成功应用,模拟了河流水量水质时间序列；计算了各栅格地块的面源污染源头发生量和入水体量；辨识了面源污染的关键时期和关键源区；解析了污染流失关键过程和驱动因素,从而提出针对性的防控建议。下文将以凤羽河流域为典型应用案例,说明模型的应用方法和特色功能；并以南乐县为例,说明模型在区域面源污染监管方面的业务化运行方法。

此外,STEM-NPS模型正在长江流域进行应用实验。针对栅格模型在大型流域应用的运算效率问题,通过入河系数在栅格地块和子流域尺度的转换,使模型以子流域为计算单元提升了运算效率,仍能体现不同子流域径流路径差异性对污染物入水体量的影响。

3.2 典型应用案例——云南省凤羽河流域

凤羽河流域降水量充足,地形起伏大。土壤类型多样,山地丘陵区的土壤透水性良好,以蓄满产流为主；中部平原和北部出口附近土壤透水性较差,以超渗产流为主。因此模型应用时,水文模块采用全局水量平衡模式；且流域水田面积较大,启用了水田模块[17]。

STEM-NPS模型能精准刻画栅格地块在陆面和河道内的径流路径,表征径流路径的差异性对面源污染入水体量的影响(图4)。源头发生量相似的地块入水体量差异大,反映了坡面径流路径长短、路径上的土地利用类型、植被覆盖和土壤透水性的差异性。

图4 云南省凤羽河流域面源污染入水体量、关键源区模拟结果及STEM-NPS对径流路径影响的刻画

基于面源污染入水体量的空间分布模拟结果,STEM-NPS模型能精细识别关键源区(图4)和面源污染发生发展的关键过程(表1)。A级关键源区(面源污染入水体量大于流域平均值2个标准差的区域)主要是村镇及土壤透水性较差的果园、旱地和水田,年均地表径流深高达586.4 mm,为面源污染流失提供了充足的搬运力。因此,搬运过程是污染物流失的关键过程,防治应着力减少地表径流的产生。而B级关键源区(面源污染入水体量大于流域平均值1个标准差的区域)则主要是水田,年均地表径流量明显小于A级,但年均入河系数0.91,高于A级关键源区。说明输移过程是其污染物流失的关键过程,防治措施应加强径流路径上的拦蓄和截留。

表1 STEM-NPS识别的云南省凤羽河流域关键源区、关键过程和影响因素表

3.3 模型业务化运行实例——河南省南乐县

STEM-NPS模型具有自主知识产权,并且可打包成可执行文件,在面源污染智能管理平台中进行业务化运行。在河南省南乐县的应用中,STEM-NPS模型部署在“南乐县面源污染监测预警服务系统”(图5)的模拟分析服务器上,分析物联网传回的气象、水文、水质等各类野外监测站点的数据,率定相关模型参数,并对全县域的面源污染入水体量进行模拟(图5中),基于模拟结果实现关键源区、关键时期辨识(图5右)和污染来源解析(图5左),为分区分类制定针对性的污染防治措施及应急管理提供决策支持[26]。

图5 南乐县面源污染监测预警服务平台中STEM-NPS模型的应用功能示意图

4 模型应用前景与发展方向

4.1 模型比较:服务于面源污染精准防治的功能和应用前景

STEM-NPS模型自发表后,得到了国际同行的关注。美国普渡大学的Liu等[27]比较了该模型与SWAT、L-THIA等在一个农业小流域的应用效果；加拿大农业部门和环境部门的研究者Habibiandehkordi等[28]也比较了该模型与改进的输出系数模型CADA-ECM、AnnAGNPS等在识别关键源区上的功能。本文参考上述两文,对STEM-NPS模型与常用面源污染模型的异同点进行总结(表2)。CADA-ECM、L-THIA、STEPL-WEB、SPARROW是经验模型；SWAT、AnnAGNPS、HSPF、SWIM、APEX等属机理过程模型；而STEM-NPS模型是介于经验模型和机理过程模型之间的混合模型。其中机理过程模型功能最完备。

表2 不同模型的原理及其在面源污染精准防治决策支持方面的功能比较

关键源区识别的精度和有效性,对指导污染防控工程的整体布局具有重要意义[34—35]。L-THIA和STEPL-WEB能基于土地利用进行污染源解析,对区域景观规划具有指导意义[36]。SWAT等机理过程模型识别关键源区的精度取决于最小模拟单元(通常为子流域),能体现土壤、土地利用、农事管理、气象及河道内水文水动力过程的差异性,有效指导子流域之间的防控措施布置[37—39],但难以直接体现径流路径的空间差异性。CADA-ECM和STEM-NPS可辨识栅格尺度的关键源区,便于地块尺度的污染防控措施落地实施[40]；除反映土地利用等的影响外,还能体现径流路径的空间差异性,在景观或水网复杂的区域具有重要意义。

在管理措施评价方面,SWAT、SWIM、STEPL-WEB模型能评估田间农艺管理、过程拦截等措施的效果并为其空间优化配置提供指导[41—43]。CADA-ECM和STEM-NPS模型则不具有管理措施评价模块,但STEM-NPS模型可通过调整模型参数实现诸如化肥减量、植被缓冲带设置等管理措施的评价。

4.2 STEM-NPS模型在生态学中的应用前景

当代生态学进入了生态系统科学的新阶段,极大促进了生物学、地理学及环境科学研究的大融合,使生态学不断吸收新方法和新技术[44]。STEM-NPS模型可以为当代生态学研究的部分方向提供定量研究工具。

(1)助力景观格局与生态过程关系的定量研究

景观生态学研究景观格局与生态过程的关系,陈利顶等提出了“源”“汇”景观理论并探讨了其在水土流失、面源污染领域的意义[45]。对于水土流失和面源污染流失过程而言,“源”“汇”景观具有明确的上下游关系；“源”景观产生的径流和营养物是否能被“汇”景观截留消纳,取决于两者之间的水文连通性[46]。STEM-NPS模型基于径流路径计算的汇流时间,可用作“源”“汇”景观水文连通性定量评价的指标,相较于“源”“汇”之间的距离等指标,生态过程含义更直接。基于STEM-NPS模拟的面源污染源头发生量和入水体量,还可进一步探讨水文连通性与面源污染流失尺度效应的关系。

(2)助力人-地耦合系统模拟及绿色可持续发展研究

全球气候变化和人(社会)-地(生态)系统相互作用,是可持续发展研究的两大挑战；注重人-地耦合系统模拟,评估人类活动与自然环境的相互作用,成为探讨绿色可持续发展路径的重要方式[47—48]。和常用面源污染模型一样,STEM-NPS模型通过改变气象输入数据能评估气候变化对区域水资源水环境的影响。此外,模型对污染物地表储存过程的表达,涉及不同土地利用的污染物投入量和产出量统计计算,能够反映肥料用量、作物产量、人口、畜禽养殖等社会经济发展相关指标的影响,在助力人-地耦合系统模拟和绿色可持续发展模式研究方面具有良好的应用前景。

4.3 STEM-NPS模型的发展和改进方向

(1)污染物输移过程模拟考虑污染截留速率的动态变化及遗留效应

一般而言,沟塘、植被缓冲带、湖库、河流等地表景观对氮磷具有截留作用；但在一定的水力和环境条件下,前期截留的氮磷将再次随径流输出到下游水体,称为遗留效应,对模型模拟方法和污染防治手段提出了新的要求[49—50]。目前,STEM-NPS模型的截留速率在时间上是固定不变的。因此,有必要基于氮磷迁移转化机理过程的相关研究成果,建立截留速率与温度、植被覆盖、水文水动力等环境条件的关系,以反映截留速率随时间的动态变化和氮磷遗留效应。

(2)开发管理措施评估和优化配置功能

管理措施评估和优化配置,对流域/区域面源污染防治策略筛选、整体工程布局和单体工程设计具有重要意义。STEM-NPS模型尚不包含管理措施评估模块,但其对径流输移过程的精细刻画,使其在模拟评估植被缓冲带、人工湿地、生态沟塘等过程拦截型污染防治措施的效果方面具有先天的优势,因为这些措施的效果很大程度上取决于其上下游水文连通关系及地表径流的水力停留时间[46, 51—52]。因此,开发管理措施评估和优化配置功能,将是STEM-NPS模型的重要发展方向。

(3)应用于不同区域时应注意地理差异性及适用性

STEM-NPS模型的水文模块已提供了局部和全局水量平衡两种模式,能适配以超渗产流为主和兼具超渗、蓄满两种产流模式的区域；但尚不能体现闸坝、泵站、调水等人为水量调控对水文过程的影响,因此若需在强人工干扰的区域应用,还需增加人为水量调控模块。另外,模型以栅格作为基本计算单元,运行速率与模拟的流域/区域大小及栅格分辨率有关,在大型流域(大于1000km2)应用需降低栅格分辨率或采用栅格地块-子流域的尺度转换方法。综上,作为初创模型,STEM-NPS应用于不同地理区域的适用性还有待进一步验证；因此研发者拟逐步公布模型源代码,便于更多研究者使用,促进模型改进和发展。

5 结论

精准高效的面源污染综合防治,需科学评估污染物的入水体量,辨识关键源区、关键过程和影响因素,评估污染防治措施的效果,这对面源污染模型提出了更高要求,即:精准刻画污染源头到受纳水体之间的污染流失过程。这对我国以小农户种植为主、景观特征复杂的区域尤为重要。鉴于此,本文介绍了一个自主研发的基于径流路径的分布式面源污染模型(STEM-NPS),阐述了其基本原理和结构,介绍了其在不同地理环境和尺度的应用案例,探讨了其与其他常用模型在关键源区精准识别、管理措施评价等决策支持方面的功能差异。作为介于经验模型和机理过程模型之间的混合模型,STEM-NPS具有结构简单、适配性强的特点；可精准刻画径流路径的空间差异性及其对污染物输移的影响,在景观生态学和绿色可持续发展等生态学研究方向上具有良好的应用前景,并且对区域面源污染综合高效防治具有重要的应用价值。但在参数科学性、区域适用性及管理措施评价功能方面,有待进一步发展。

致谢：本文介绍的STEM-NPS模型,其水文模块的开发过程,得到了美国普渡大学的Bernard A. Engel和Margaret W. Gitau教授的指导和帮助；模型开发和应用过程中得到了美国农业部农业研究服务中心(USDA-ARS)、中国农业部面源污染控制重点实验室和河南省南乐县地方政府提供的数据支持,对相关工作人员提供的帮助表示感谢。