面源污染估算模型研究进展

田军林，郝守宁

（1中山市水库水电工程管理中心，广东中山 528400；2西藏农牧学院，西藏林芝 860000）

0 引言

面源污染(Diffused Pollution，DP)又称非点源污染(Non-point Source Pollution，NPS)，相对于点源污染具有的集中污染源和明确排污途径[1]，面源污染的随机性、滞后性、隐蔽性、广泛性、影响面积广等特点，致使面源污染的监测、控制和处理上具有较大的困难[2]，使面源污染治理逐渐成为水环境保护与水资源利用中的重点和难点，是世界公认的水环境污染治理的难题[3]。面源污染通常是通过降水、融雪或灌溉等过程产生的地表径流，在淋溶或冲刷的作用下，从不确定的区域，携带自然或人为的污染物质最终进入收纳水体所引起的水体污染[4-8]。对于地表水和地下水源，面源污染已成为最大威胁，全球范围内近50%的地表水资源已经受到面源污染的影响，农业的可持续发展也正在受到面源污染的严重制约，同时，农业生产活动正是造成全球面源污染的最主要原因。面源污染对水资源和水生环境带来的危害主要表现为：破环水生环境致使水体富营养化；污染饮用水源威胁人类身体健康；致使水体悬浮物数量改变降低水体生态功能；污染地下水。

1 面源污染研究进展

国外对面源污染的研究工作开始较早，可分为3个阶段：

第一阶段20世纪60至80年代，由美国率先开展，并带动日本、英国等西方发达国家对面源污染进行[9-11]研究，对面源污染的宏观特征及影响因素有了初步的认识，此阶段以面源污染的复杂机理为基础衍生了一批具有代表性的估算模型：PTR、ARM、SWMM、STORM、Johnes输出系数等预测模型[12]。

第二阶段20世纪80至90年代，此阶段将面源污染模型应用于污染管理方面进行了重点研究，同时衍生了具有代表性的新型模型：ANSWERS、AGNPS、CREAMS、USLE等模型[13-15]。

第三阶段从20世纪90年代至今，此阶段3S技术被应用到面源污染研究中，将传统的面源污染模型与GIS相结合构建的面源模型信息平台，成为当下面源污染研究的有效工具和热点[16-17]，AGNPS98、SWAT2半分布式水文模型等成为当下典型的代表模型[18-20]。

相对于国外，中国对面源污染的研究相对较晚，20世纪80年代中国开展的湖泊、水库富营养化问题调研和河流水环境质量规划探究标志着中国对面源污染研究的开始。查阅文献可将中国对面源污染的研究分为3个方面[3]：

第一个方面是对于面源污染的特征、类型及危害的研究，对国内河流湖泊进行探索性的研究，对各研究区面源污染产生机制进行初步的了解。

第二个方面是对面源污染形成机理与分析方法的探索，包括面源污染的产生来源、影响因素、污染物的迁移转化规律及土地利用类型、方式和面源污染关系的研究与探索。

第三个方面是借鉴国外面源污染模型估算面源污染负荷，同时逐步对对面源污染进行定性与定量的分析。

2 面源污染负荷计算模型及应用

国内外对面源污染负荷计算的模型较多，最有代表性的有 ：HSPF、SWMM、STORM、AnnAGN-PS、SWAT、Johns输出系数、WARMF和SPARROW等估算模型。诸多面源污染模型中SWAT和AGNPS水文模型应用较为普遍，国外很多学者对面源污染模型的功能和机理得进行了实践应用并取得了良好的模拟效果：Niraula等[21]应用SWAT与GWLF模型估算美国Saugahatchee Creek流域TN与TP负荷概况，同时利用综合指标法对流域内的关键污染源进行了识别；Parajuli等利用Ann AGNPS及校准验证后的SWAT模型对美国堪萨斯的切尼湖流域进行了模拟[22]；Akhavan等[23]利用SWAT模型对哈马丹-巴哈尔流域内的硝酸盐进行了模拟并取得了较好的成果；Sarangi等[24]利用Ann AGNPS模型估算了在降雨条件下东加勒比海向风群岛中部圣卢西亚岛内农业和森林流域的泥沙损失量，得出农业流域泥沙流失量高于森林流域。同样国内很多学者利用面源污染模型对国内很多区域进行了模型并取得了丰硕的成果。郑思远等[25]结合水文响应单元划分利用SWAT模型对东苕溪上游区域的总氮负荷进行了较好的模拟；王文章等[26]基于SWAT模型对古蔺河流域面源污染物氮、磷负荷进行了模拟，同时根据氮、磷负荷估算结果对污染源的贡献进行了分析；张天蛟等[27]利用面源污染模型结合GIS与RS技术对黄河下游滨州市滨城区小流域重金属(Cu)、铅(Pb)的输出进行了较好的模拟；欧阳威[28]利用SWAT模型计算出挠力河流域的面源污染数据与In VEST模型中的生境质量模拟结果相结合，对挠力河流域的生态安全进行了研究；郝守宁[29]利用输出系数模型结合GIS技术对颍河流域的面源污染负荷分布进行了模拟；谢经朝等[30]利用排污系数模型对汉丰湖流域的农业面源污染的TP与TN进行了较好的估算；胡正等[31]利用改进的输出系数模型结合GIS技术对缺乏资料的四川省达州市巴河州河流域内TN与TP的负荷，进行了较好的估算和空间分析；冯爱萍等[32]利用RS结合面源污染DPeRS模型对海河流域TN与TP的负荷进行了模拟估算得到了较好的结果；根据于飞等[33]对于中国面源污染研究状况的统计分析成果可知，面源污染文献发文量急速增加与中国频发的水污染事件密切相关，表明面源污染模型得到了广泛的应用；关于面源污染的研究横跨众多学科，面源污染文献发文量较大的主要为环境科学与资源利用、农业基础科学、农业工程、农艺学等国内优秀期刊，面源污染文献的机构主要为高校和研究所。

3 估算模型特征比较

根据面源污染已有的研究文献成果，面源污染模型的各有自身的特点应用范围，模型的选择主要根据研究区所搜集的资料而定。根据面源污染文献研究成果[29]常用的面源污染估算模型见表1。

面源污染估算模型主要分为机理模型、经验模型和概念模型3类[34]，常用的模型中的SWAT模型由水文模块、土壤侵蚀模块以及化学物质侵蚀模块3部分组成，该模型能够很好的预测流域管理措施对水质的影响，但所需资料量较大，具有代表性的研究成果：洱海典型灌区流域土地利用类型对流域产流产沙及非点源氮磷流失影响规律模拟[35]、黄河某小流域不同土地利用方式对土壤侵蚀负荷的影响[36]、江西省萍乡市芦溪流域农业面源污染状况[37]、河北省平原区小流域的农业面源污染情况的模拟[38]，均取得了较好的效果。Ann AGNPS模型是在AGNPS模型的基础上经过优化改进的模型，该模型模拟时能将流域内具有相似水文性质的地区归纳为一个单元，并对其进行连续的模拟，可对流域内各种营养元素的流失量以及土壤的侵蚀速率进行估算，模拟过程和模拟结果准确可靠，且Ann AGNPS模型具有良好的适用性，其代表性研究成果：浙江省宁海县颜公河流域N、P污染物负荷[39]、三峡库区秭归县非点源污染输出[40]，模拟效果较好。HSPF模型是连续性流域水模型[41]，广泛应用于流域农业面源污染预测模拟[34]，其代表性研究成果：潮河支流大阁河流域进行模拟研究[42]、西丽水库流域研究[43]、流溪河小流域农业面源污染模拟[44]，结果均表明该模型具有较好的适用性。SWMM模型将研究区划分为多个子汇水区，在每个汇水区内分别进行地表产流和汇流计算，叠加后演算到排水区出口，主要应用与城市雨洪污染的模拟[45]，代表性研究成果：湖北省鄂州市某小区[46]和武汉市巡司河片区[47]SS、COD、TP的模拟、河北科技大学校园降雨径流中SS、COD、氨氮污染物模拟[48]，主要应用于城市小面积的模拟。随着3S技术的快速发展，面源污染模型与3S技术的结合为研究面源污染提供了新的选择并取得了较好的效果。

不同研究区域不同工况下研究模型存在差别，正如表1所示，面源污染模型有不同的估算模型，这也会使得研究去的面源污染负荷量计算结果有所不同；特别是针对不同研究区的污染源，由于污染源本身状况差别较大，则计算结果必然存在差别。特别是缺乏资料的研究区，不同区域的条件污染源的输出系数存在差异，只能对面源污染进行粗略估算。随着研究的深入，结合3S技术发展与面源污染模型的成熟，掌握研究区的实际状况和充分的资料使得计算结果更加吻合实际情况。就目前来看SWAT模型是中国大多研究区应用最广泛的模型。

表1 面源污染估算模型应用条件及范围

4 面源污负荷估算研究若干问题讨论

综合分析面源污染研究可知，面源污染从无到有、从点到面，污染程度从轻到重，污染源从单一到多元，日益演变成为一个共性问题[49]。时间尺度上，面源污染总体表现为“下降-上升-下降”的波动变化趋势，一定时段内呈现出线性增长的态势[50]；空间尺度上，面源污染的状况表现出明显的地域差异性[51]；污染源划分角度分析，面源污染可以划分为农村生活废水、农田化肥流失、畜禽养殖流失、水土流失污染负荷、城镇地表径流污染等5类污染源[52]。面源污染负荷估算模型由简单到复杂，不同模型都在研究过程中得到了逐步完善，虽然面源污染模型对各个研究区的模拟取得了较好的研究成果，但面源污染模型大多为经验型模型，面源污染机理型模型相对较少，机理模型大多为研究型模型在应用方面较少，大范围推广存在困难。未来应加强污染物产生、迁移、转化机理模型，完善面源污染模型中的机理模块；其次，多数面源污染模型需要较为全面完整的资料，资料条件较差或无资料的研究区受到较大的限制，应加强无资料和缺乏资料研究区的污染源输出系数进行研究；当前的面源污染模型并未考虑污染源在土壤及地下水中的运移影响，研究成果中缺乏对同一地区的多种模型估算结果的对比分析。面源污染模型的改进完善是未来一段时间的发展趋势。

5 总结

自20世纪80年代以来，中国在面源污染计算方面主要的引进国外的经验与模型，并加以改进和完善，结合研究区的实际状况合理的选择应用模型，在持续的研究分析中逐渐总结出一些符合中国国情的面源污染理论和模型。总而言之，国内对于面源污染的研究正向着快速健康的方向发展。

目前国内大多研究者主要是对模型的应用，关于面源污染模型对研究区的污染源在土壤及地下水中的运移研究的机理研究存在一定的不足。

SWAT模型与3S技术结合的研究方法为目前研究的热点，在研究区资料充足的情况下能模拟出较好的结果，对于资料较为缺乏的研究区，输出系数模型为主要的面源污染研究方法。随着中国对水生态环境保护政策的加强与实施，应对国内不同研究区进行多种模型计算结果进行对比分析，结合研究区实际状况选择最优模型，根据不同的研究区实际状况不断的对模型进行完善和改进是面源污染研究的发展趋势。