黄河流域河套灌区农业面源污染模拟的难点与重点分析

侯聪宇，刘海霞，赵 健*，宋永会*

1.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

2.中国环境科学研究院水生态环境研究所，北京 100012

内蒙古河套灌区是我国三个特大型灌区之一，地处黄河内蒙古段北岸的“几”字弯上，东西长250 km，南北宽50 km，总面积11 893 km2，现引黄灌溉面积7 333 km2，灌区退水通过乌梁素海排入黄河，年排入黄河退水4×108~5×108m3.农田退水中携带过量施用的氮磷进入地下及地表水，进而威胁乌梁素海及黄河干流水体水质[1-2].在黄河流域生态保护和高质量发展的背景要求下，使用模型模拟是对河套灌区农业面源精准溯源、准确预测、科学评估管理措施治理效果的有效途径，也是全面应用“监测-溯源-核算-治理-管理”农业面源污染全链条防控体系的关键核心步骤[3]，然而目前受限于河套地区特殊且复杂的沟渠模式、农业面源污染来源的不明确以及地理水文条件导致的污染物输移转化过程不清晰等难点，现阶段的农业面源污染模型尚不足以满足政府及环保从业者对更高时空精度输移途径模拟的需求[4-5].因此，本文总结现阶段河套灌区农业面源污染的现状，阐明其模拟过程中遇到的主要难点，并提出加强农业面源污染模型对污染治理和监督管理相关工作支撑力度的针对性建议.

1 河套灌区农业面源污染现状与问题

河套灌区种植业发达，主要耕作土壤为灌淤土，盐碱化程度高，化肥农药、农膜等农业投入品过量使用现象突出.2021 年巴彦淖尔市化肥亩均施用量(折纯量)为31 kg，是国际安全施用水平(15 kg/亩)的2倍左右，化肥利用率约为40%，未被利用的氮磷则储存或排放到水、土、气环境中，在降雨和农田排水期间通过淋溶、下渗等途径汇入周边支沟，最后注入乌梁素海和黄河.长期过量氮磷施用造成了农田土壤氮磷遗留量不断累积，成为乌梁素海流域氮磷污染的重要来源[6].研究表明，目前河套灌区土壤碳氮比(C/N)明显低于微生物分解所需的C/N=25，低于淋溶阈值30，土壤氮、磷都有较大淋溶风险[7].河套灌区土地盐渍化严重，为保障农作物生产状况和产量，通常会在作物收获后和冬季土壤封冻前的阶段用灌溉的方式将农作物根区残留的盐分以淋溶的方式输送到深层土壤甚至是地下水层中[8-9]，该过程称为“秋后灌”，期间产生的农田退水也会携带大量的盐分以及氮磷等营养物质，会进一步加剧面源污染程度[10].此外，河套灌区农田地膜使用量较大，2021 年巴彦淖尔市农用塑料薄膜使用量高达30 351 t，使用后的地膜大部分被丢弃在土壤中填埋进而导致土壤肥力下降等问题，进一步加剧农业面源污染.研究[11]表明，河套灌区地膜污染整体处于中度污染水平，农田地膜残留量平均值为10.87 kg/亩.

畜禽养殖业是河套灌区的优势产业，也是河套灌区污染物排放的主要污染源.以巴彦淖尔市五原县为例，第二次全国污染源普查结果(见表1)显示，五原县化学需氧量(COD)排放总量2 304.85 t，其中畜禽养殖业占81%；氨氮排放总量52.14 t，其中畜禽养殖业占47%；总氮(TN)排放总量242.28 t，其中畜禽养殖业占57%；总磷(TP)排放总量20.12 t，其中畜禽养殖业占68%.然而，现场调研发现，养殖场位置大多距离河道较远，清粪方式以干清粪为主，加上区域气候干旱，不存在养殖尾水直接入河的现象，黄河及其主要支流入河排污口排查中也未发现河套灌区内存在规模化养殖场入河排污口.灌区畜禽养殖产生的污染物迁移转化路径及其对周边水体环境的影响有待进一步研究.

表1 巴彦淖尔市五原县第二次全国污染源普查结果Table 1 The second national census on the sources of pollution results of Wuyuan in Bayannaoer

2 河套灌区农业面源污染模拟难点

2.1 灌排沟渠系统复杂且相关水文过程难以模拟

河套灌区是黄河多沙河流引水灌溉的典范，经过多年的改造，拥有完善的灌排系统，引水排水沟渠交织密布，呈网络状逐级分布：引水系统现有总干渠1 条，干渠13 条，分干渠48 条，支、斗、农、毛渠8.6 万多条；排水系统有总排干沟1 条，排干沟12 条，分干沟59 条，支、斗、农、毛沟1.7 万多条，各类建筑13.25 万座[12].与自然汇水单元相比，灌区具有独特的水文与氮磷输移过程，其结果为水文过程受人工控制影响，具有显著的动态变化特征.灌区每年分3个时间段进行引水灌溉，分别为夏灌(5 月上旬至6 月底)、秋灌(9 月初至9 月中旬)、秋后灌(10 月初至11 月初)[13].前两次灌水均为作物生长期的灌溉，秋后灌是作物收割后的储水灌溉.灌溉期由总干渠引水，通过干、分干、支、斗、农、毛渠将水输入田间，退水则经“毛、农、斗、支、分干、干沟”汇至总排干和八排干、九排干、十排干汇入乌梁素海，最后退入黄河.河套灌区内部排水主要通过下渗淋溶和侧向经排干系统排出，因此部分灌期无地表径流，且夏灌期排干沟渠水量也很少，较小支沟渠常年处于无水状态.

现阶段我国在农业面源污染模型模拟模型中的水文模拟方面开展了一定程度的探索，但大多是对国外模型的直接引用并进行参数本地化，存在不能精确刻画人工排水沟渠污染物的迁移转化过程、不能充分体现迁移过程中源汇及消纳关系变化等问题[14].目前可用来模拟灌区面源污染特征或者经过修改调整后可能准确模拟河套灌区面源污染的模型主要包括如下3 种：①CREAMS 是农田管理系统化合物径流及侵蚀模拟模型，此模型在估算田块上径流、泥沙和农用化合物的流失量的基础上，评价不同耕作措施对面源污染负荷的影响[15-17]；②ECM(export coefficient method)模型是一个经验性模型，该模型考虑土地利用分类，结合畜禽数量和分布、农村居民面源污染物排放，能较准确地估算氮磷负荷，但是在应用时需要依据当前研究区的特点对模型的参数进行本土化[18-19]；③SWAT(soil water assessment tool)是长周期分布式流域水文模型，可用于模拟地表水及地下水的水质状况，该模型可根据研究区土地利用类型、土壤类型和坡度，将流域细分为水文响应单元(hydrological response unit，HRU)，这是基本水文计算单元，模拟流域尺度的径流以及泥沙、氮磷等营养物的运移和输送过程[20-21].由于河套灌区面源污染过程机制复杂，多种因素及其相互作用下污染物迁移转化规律不清、沿程消纳系数不准确，已有面源污染负荷核算模型研究多以SWAT 模型应用和改进为主[6,21-23]，但因缺乏多点、长期实测数据支撑，一定程度上淡化了“源-汇”过程和水肥管理方式的本地参数化，高分辨率、多年多站点、全通量的模型参数存在部分偏离实际的“假拟合”情况，造成了灌区面源污染负荷核算的不确定性，进而导致模型模拟结果无法真实反映实际情况，致使现有模拟手段对于污染物入水体负荷的核算结果偏差较大，不能准确反映灌区农业面源污染对水体的实际影响，从而影响模型在溯源、核算、评估等方面的应用场景.

2.2 现有水文水质数据难以准确率定高时空精度水文模型

随着模型技术的不断开发以及高时空精度遥感技术在农业面源污染模型领域的越来越大范围的应用，现有模型正在将结果向着更精准、更贴近实际和更高时空精度推进，水文模型在率定与验证过程中对水文、水质数据的质量以及数量的需求也随之上升，而河套灌区现有的水文水质数据监测网络难以满足日益增长的农业面源模型建立、率定和验证的需要[24-28].

目前，巴彦淖尔市针对乌梁素海流域水环境质量监管，建设水质自动监测站38 处，对各排干沟入总排干口、人工湿地、乌梁素海周边入海口等重要节点的水质进行实时监测；为摸清河套灌区农业面源污染情况，建设农田地下淋溶面源监测站、畜禽养殖监测站、农村面源污染监测站、农田灌溉沟监测站等9 处，河套灌区农业面源污染监测体系初步成型.然而，目前的监测体系侧重于水质监测，对水量的监测考虑较少；农业面源污染监测点位也只是详细监测不同农艺方式下的农田养分循环过程，并未真正建立起从农田到受纳水体的全过程监测网络，难以阐明厘清农业面源污染特征和迁移转化过程[29-32].此外，农业农村部、生态环境部、水利部等部门虽均开展了监测工作，但由于未形成统一的监测技术规范，同时监测信息共享不充分，以致系统性评估区域内农业面源污染负荷和治理绩效均受到不同程度的限制，水文模型的使用也受到了一定的阻碍.

2.3 农业面源污染输移转化过程机理不明确

河套灌区内部物理参数存在显著的空间异质性，致使其模拟单元内部的输移转化机制不明确.目前，大部分以物理参数为基础的水文模型需要保证其模拟对象在各自模拟单元内大致保持性质均一稳定且无显著性差异，这一特征是使其输移转化机制保持基本清晰明确的基础，从而可以通过数值准确复现模拟并保证结果贴近现实；而由于河套灌区内实际情况过于复杂，传统的物理参数模型会因为难以准确表示、记录并计算被模拟对象的物理参数、性质、状态等，而导致结果偏离实际、误差增大、存在结果偏移等后果，造成最终模拟结果的不准确.河套灌区地处黄河流域，其根区土壤内部存在理化性质与其他土壤截然不同的砂质层，影响土壤水的输移和其中面源污染的转化机制，进而使农业面源污染的输移转化机制变得复杂且不清晰[33-35].具体而言，农业生产过程中流失的化肥与农药、作物秸秆沤田水等随着灌溉水或者降雨进入附近排水沟中，污染物以农田退水为载体，受地形、地下水位、土壤特性等自然因素影响，地表水、地下水、土壤水之间存在频繁水体交换，农田退水存在侧渗、径流等多种方式，其产流、汇流特征具备较大的空间异质性，污染物在“田-沟-河”中的迁移转化路径难摸清.

河套灌区内部引水、排水沟渠交错复杂，且沟渠系统一般未进行良好的水土隔离措施，由此导致灌区氮磷循环过程受自然条件和人工控制的双重影响，输移路径复杂.在实际调查走访中笔者发现灌区内部及周边的农村生活污水也存在直排现象.因此在该区域的水文过程中，地表水、地下水、土壤水之间存在频繁的相互补给，农田、生活污水等不同类型污染源排放并汇合于周边沟渠，造成面源污染的输移途径错综复杂，难以确定污染物在河套灌区内部通过淋溶、壤中流和地表径流等方式输移的贡献比例；同时由于面源污染途径各部分物理、化学和生物参数差异性显著，污染物在各途径中的转化时机和机制同样模糊不清.

3 河套灌区农业面源污染模拟研究的重点

3.1 探索开发适用于河套灌区的机理-深度学习耦合模型

河套灌区农业生产活动具有人工干扰强、灌排体系复杂、退水以测渗为主等特点，现有面源污染模型难以满足精准面源污染溯源和核算的实际应用需求.因此，针对2.1 节提到的“灌排沟渠系统复杂且相关水文过程难以模拟”这一难点，需要根据河套灌区面源污染特征，构建适用于河套灌区的农业面源污染模型，用于模拟灌区“渠-田-沟-河/湖”灌排关系与污染物迁移过程，计算各类污染源对断面氮、磷通量的贡献度，提高灌区面源污染负荷核算准确率.针对难以用传统物理参数模型进行准确模拟的区域和农业面源污染过程，建议尝试开发与机理模型相结合的深度学习模型[36-38]，即通过大量的观测数据对被模拟对象的相关参数集进行深度训练学习，将难以用物理参数模型准确模拟的过程转化为大数据模型，确保在这些过程中所得到的结果误差和数据偏移被控制在合理的范围内，且通过这种方式减少传统机理模型对环境物理、化学、生化等地理信息数据的依赖[39-40].而对可以用物理参数模型准确模拟的过程则保持继续使用物理参数模型模拟，以提高其运算速度并减少深度学习模型对水文观测数据的依赖.因此，尝试将物理参数机理模型和深度学习模型相耦合是更好地利用现有数据监测网、地理信息数据、水文水质数据和气象数据的方式.例如，针对河套灌区人工沟渠占比大，与天然情形下水流趋势不匹配，并且存在大量扬水机和水泵等改变水流的装置时，可以在田块尺度上采用物理参数水文模型来模拟其在灌溉和降水因素下的面源污染输移转化，同时在区域尺度上构建阻力系数模型，通过“系数-物理参数水文模型”相互耦合的方式达到运算速度提升和准确度上升的双赢结果.

3.2 建立流域层面农业面源污染监测网和数据分享平台

目前制约河套灌区乃至整个黄河流域面源污染治理的一大障碍是监测数据覆盖面不足且不成体系化[41-42]，在此，针对2.2 节提到的“现有水文水质数据难以准确率定高时空精度水文模型”这一难点，笔者认为应在现有的监测体系基础上建立一套覆盖整个灌区的农业面源污染监测网以及相应的数据分享平台.该网络以现有监测体系为基础，优化面源污染监测点位并加入现今我国正在大力发展的遥感遥测技术，以完成农业生产方面的数据收集与处理，并通过当地环境调查员实地走访、采样和实时试验的手段对重点区域进行监测数据的时空分辨率升级，最终达到河套灌区全区域面源污染相关数据可以支撑中央及地方政府治理项目需求、面源污染关键示范区域可以支撑国内科研部门及高校的科研需求的水平.例如，在面源污染的关键示范区中，土壤、作物和地下水的理化参数需要准确测量，达到米级甚至更高，由此可以在明晰河套灌区农业面源输移转化机制的基础上，通过水文模型精准预测其面源污染时空特异性，然而，在广泛的区域上，只需对可能显著影响面源污染管理措施及农业管理措施的理化参数进行田块尺度上的采样分析，即可在大多数情况下满足治理需求，同时应保持规则的弹性，即发现治理效果与预估效果存在严重偏离时应增加问题区域理化参数的时空分辨率，以为从根本上分析解决面源污染问题提供数据支持.在此基础上，管理部门应同时建立一个农业面源多源数据的共享平台，按照项目需求、所在区域和时间跨度将数据提供给不同层次的使用者，减少数据收集的时间成本并提高项目的最终效率.

3.3 开展实地实验厘清农业面源污染输移转化过程机制

对面源污染模型的构建和准确模拟来说，仅有监测数据只能解决率定过程中数据缺乏的困境，而在模型架构上达到对面源污染准确模拟的目的则需要阐明并厘清农业面源在河套灌区的具体输移转化机制，因此针对河套灌区农业面源污染输移转化过程机理不明确的难点[43]，笔者建议在河套灌区进一步开展实地实验以厘清其输移转化机制，为将来在研究和管控工作中使用结果更准确、更贴合真实状况的物理参数模型提供理论基础.除此之外，针对农业面源污染输移转化过程机制的研究内容也应包括可能使用的管理模式对农业面源污染输移转化的影响，以方便评估管理模式变更后农业面源污染的变化趋势[29,44].目前，从科研和示范角度，国内研究团队针对灌区污染特征研究提出了多种农业面源污染治理技术，王维刚[45]研究了不同灌溉、施肥与耕作方式对氮磷营养物负荷及作物产量的影响，提出了葵花、小麦产量提升和硝态氮负荷降低的最佳种植模式；周慧等[46]研究了有机氮替代不同比例无机氮对玉米产量和硝态氮淋失的影响，提出有机无机氮配施比例3∶2 为较优的有机无机氮配施模式；郭富强等[47]通过氮素淋溶试验研究得出，河套灌区小麦和向日葵的最佳施氮量分别为176.52 和118.15 kg/hm2.然而以上研究更多的是局部或者单项设施的试验，缺乏成熟的整套灌区农业面源污染治理技术体系并且需要将其改善效果转化为可以准确量化表示的输移转化机制的变化.

4 结束语

农业面源污染模型是面源污染治理过程中的关键步骤，在“测-溯-算-治-管”的全链条面源污染治理技术体系中承上启下，既可以在实地实验的基础上辅助溯源污染来源，又可以厘清、计算、评估和判断面源污染时空特异性及风险水平，同时还能评价并优化管理措施对面源污染治理、改善的效果，总的来说，一个科学的、有实际治理效果和可推广性的面源治理项目需要依赖面源污染模型的准确度和可靠性.尤其对于河套灌区，人工-自然共同作用的河道网络以及集中的农业生产是面源模型模拟的两大特点，将来面源模型的关注点也应聚焦于这两点：既包括从实地实验的角度建立流域层面农业面源污染监测网和数据分享平台并开展实地实验厘清农业面源污染输移转化过程机制，从根本上将原理明确，降低面源污染治理过程中的理论成本；又需探索开发适用于河套灌区的机理-深度学习耦合模型，从提升研究者的模拟能力角度提高河套灌区农业面源模拟的准确度和可靠性.以此全方位提升我国科研人员和有关部门的面源污染治理能力和河套灌区的面源污染治理水平.

黄河九曲，唯富一套，作为两千年来养育华夏民族的重要粮食产地，对河套灌区的面源污染问题的治理是需要无数中华儿女致力终生的伟大事业.在全面依法治国、推进国家治理体系和治理能力现代化的大背景下，中共中央、国务院于2021 年印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》中，“强化农业面源污染综合治理”被列为“强化环境污染系统治理”的第一项，因此，治理河套灌区农业面源污染即成为我国治理黄河流域水环境问题的最重要组成部分之一.同时，为了进一步突出黄河在我国环境保护治理中的不可替代的地位，2022 年10 月30 日，中华人民共和国第十三届全国人民代表大会常务委员会第三十七次会议通过的《中华人民共和国黄河保护法》已于2023 年4 月1 日起正式施行.中共中央、国务院对黄河环境治理的一系列决策不但是对习总书记提出的“绿水青山就是金山银山”重要指示的具体体现，也体现了党和政府对治理华夏儿女五千年来母亲河的历史担当.