非点源污染模型研究进展(1)

非点源污染模型研究进展

程 炯，林锡奎，吴志峰，刘 平，陈志良

广东省生态环境与土壤研究所//广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650

摘要：随着点源污染的有效控制，非点源污染已成为水体污染的主要因素，如何有效地控制和管理非点源污染已成为水环境整治的一项重要任务。而计算机模型是极其有效的流域非点源污染模拟和污染负荷估算的定量化工具，为非点源污染评价、管理和控制提供了可靠依据。文章综述了非点源污染模型的发展概况及其研究不足，并对模型的发展趋势进行了分析和预测。由于非点源污染随机性大、分布范围广、形成机理模糊、管理控制难度大等特点，未来非点源污染的量化模型研究及其与量化模型有关的相应参数研究、模型与GIS集成研究将成为未来研究的主流。 关键词：非点源污染；模型；研究进展

中图分类号：X501 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）03-01-04

在发达国家，随着工业和生活污染源等点污染源的有效控制，非点源污染已成为水体污染的主要因素，例如美国目前有60%的河流和50%的湖泊污染与非点源有关[1]。在我国，非点源污染问题也日益严重。我国二十多年来的研究表明，63.6%的河流、湖泊富营养化，在太湖、巢湖和滇池流域，由于人口密集，农业生产集约化程度高，流域总氮、总磷比二十年前分别提高了十倍以上，其中50%以

面对农业非点源污染上的污染负荷由农业贡献[2-4]。

的严峻形势，评估和模拟农业非点源污染尤为重要。这种定量评估和模拟，很大程度上依赖于计算机模型，通过试验手段或有限数量的田间测试来评估一些管理措施和污染效应是不可行的[5]。迄今为止，已经出现了许多模型辅助研究农业非点源污染。非点源污染模型通过对整个流域系统及其内部发生的复杂过程进行定量描述，帮助我们分析非点源污染产生的时间和空间特征，识别其主要来源和迁移路径，预报污染产生的负荷及其对水体的影响，也可以评估土地利用变化以及不同管理与技术措施对非点源污染负荷和水质的影响，为流域水环境规划与管理提供决策依据[6]。

1 非点源污染模型研究现状

1.1 非点源污染模型

完整的非点源污染模型系统一般由4个子模型构成，即：降雨径流模型、侵蚀和泥沙输移模型、污染物转化模型、受纳水体水质模型。整个模型化过程从简单到复杂大致经历了三个阶段，即经验模型、机理模型和功能模型。 1.1.1 经验模型

经验模型是通过建立污染负荷与流域土地利

并通过该经验系数用或径流量之间的经验关系[7-8]，

来识别土地利用或流域非点源污染负荷的模型。这类统计模型对数据的需求比较低，能够简便地计算出流域出口处的污染负荷，表现了较强的实用性和准确性，因而在非点源污染研究早期得到了较为广泛的应用。但是由于它们难以描述污染物迁移的路径与机理，使得这类模型的进一步应用受到了较大的。另外该模型所包含的区域特征的经验性也了模型的可转移性。 1.1.2 机理模型

机理模型是通过反映非点源污染产生的过程（包括污染负荷的产生、变化及其环境影响），模拟非点源污染的一种模型。自上世纪70年代中后期以来，随着对非点源污染物理化学过程研究的深入和对非点源过程的广泛监测，机理模型逐渐成为非点源模型开发的主要方向，其中著名的有模拟城市暴雨径流污染的SWMM、STORM模型，模拟农业污染的ARM模型，以及流域模型ANSWERS和HSP等。

通过参数的合理率定，和模型通用参数的较准，机理模型能对流域不同节点及其流域出口处的流量和水质作出较为准确的预测。但这类模型所提供的额外精度是以大量的时间和资源为代价的。 1.1.3 功能模型

功能模型也是一种系统模型，是在经验模型和机理模型的基础上发展起来的，并有效协调了两种模型的优缺点，是对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行系统综合模拟的一种模型。功能模型能评价非点源污染物质负荷不同季节或年际间的变化，并评价长期水质的变化趋势，而且还能

基金项目：国家自然科学基金项目（405711）；广东省自然科学基金项目（5006700）；广东省科技攻关项目（2004B20501002） 作者简介：程 炯（1969－），男，副研究员，博士，主要研究方向环境生态。Tel: +86-20-87024902；E-mail: chengjiong@soil.gd.cn 收稿日期：2006-03-27

2 生态环境 第15卷第3期（2006年5月）

描述实际流域内的土地使用类型和地形构造。

美国农业部农业研究所开发的CREAMS模型就是一种功能模型。该模型的研发奠定了非点源模型发展的“里程碑”，它首次对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行了系统的综合[9]。随着CREAMS模型的推出，相应的不同功能性非点源污染模型在同一时期得到了大力的发展，主要模型有EPIC、GLEAMS、SWRRB、SWAT、AGNPS、WEPP等。这些尺度和功能各异的模型极大地丰富了非点源污染模型的内涵。

1.2 GIS在非点源模型中的应用

上世纪90年代后期，随着计算机技术的飞速发展和3S（RS、GPS、GIS）技术在流域研究中的广泛应用，如何提高模型质量和模拟的精确度成为了非点源研究的一个主要方向。GIS技术在这方面体现了其巨大的优势。一些功能强大的超大型流域模型被开发出来。这些模型已经不再是单纯的数算程序，而是集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能于一身的大型专业软件。其中比较著名的有美国国家环保署开发的BASINS[10]和美国农业部农业研究所开发的AGNPS98（AGNPS98网站）等。这期间模型的应用也得到广泛的推广。例如运用EPIC模型评价和

GIS和ANSWERS相结合预测农业非点源污染[11]，

Bhaskar等[13]与Smith等[14]模拟农业非点源污染[12]，

将GIS用于水文模型的数据预处理和参数估计，Hessling等[15]将水文模型PHASE与GIS相结合，将遥感数据用于模型区域参数的率定，应用于瑞典Mediterranean岛的5个流域，同时研究了水文过程与植被覆盖之间的动态反馈机制。 1.3 我国非点源污染模型的研究

自从20世纪80年代以来，我国也逐渐认识到非点源污染的存在及其危害性，先后在云南滇池、武汉东湖、上海苏州河、北京密云水库等地点开始了非点源污染的控制研究。随着非点源污染的问题逐步得到重视，适合中国流域特点的非点源模型的研究也逐步繁荣起来。例如李定强、王继增等[16]分析了杨子坑小流域主要非点源污染物氮、磷随降雨径流过程的动态变化规律，建立了降雨量—径流量、径流量—污染物负荷输出量之间的数学统计模型，并用该模型对流域的非点源污染负荷总量进行了计算，得出了流域非点源污染物流失规律。李怀恩、沈晋等[17]建立了用逆高斯分布瞬时单位线法计算流域汇流的非点源污染物迁移机理模型，较好地模拟了于桥水库及宝象河流域洪水、泥沙和多种污染物的产生和迁移。王宏等[18]将改进的QUAL-Ⅱ FU水质模型和非点源污染模型有机的结合，建立

了用于流域化管理的综合水质模型，并采用曲线法计算径流，用统计模型计算污染物负荷。章北平[19]通过建立黑箱模型模拟了武汉东湖农业区的径流污染，并求得了全流域农业区的TN和TP与COD输出负荷及其总量。这期间国外非点源模型也开始

同时GIS等相关技术与应用于我国不同的区域[20]，

非点源污染控制相结合的研究也逐步成为研究的主流[21-22]。随着人们对非点源污染机制、过程的深入理解，非点源模型必将获得进一步完善和发展，为流域非点源的管理、控制提供更好的技术支持。 1.4 非点源模型研究存在的问题

目前国内外的非点源污染模型中研究型的多、应用型的少，经验型的多、机理型的少。从应用角度看，现有的模型过于复杂，参数太多，率定困难，而且实际应用效果也不理想。现有的模型大多带有明显的区域性，有较多的经验型参数，这就造成在模型推广应用时，由于不同区域水文、气象条件的差异，从而大大降低模拟的精度。

非点源污染是一个十分复杂的自然过程，其模型是建立在大量的基本数据和基本信息之上，而现有基本数据库的缺乏、监测工作的薄弱、资金投入少，这给非点源的识别带来不确定性和模型模拟的巨大误差。

我国的非点源污染模型也多为经验型或带有局地特点，有关非点源污染的计算机软件开发应用研究在国内还没有开始。

在现有非点源污染模型中，具有坚实的水文学基础、考虑污染物地表迁移转化过程和大暴雨情况、可推广应用于资料少的大流域、且融入3S技术的非点源污染规划、管理模型在国内外的研究明显不足。

2 非点源污染模型研究趋势

2.1 模型数据规范性研究

现代非点源污染模型是建立在大量的不同类型的数据之上，模型最终是对数据进行运算，所以数据的规范性将直接影响到模型的模拟精度和模拟结果之间的可比性。一般非点源污染模型基本数据来源集中在三个方面，即地形地貌数据、土壤数据、水文气象数据。这些数据基本上与非点源发生过程紧密地联系在一起。如模型所需的高程数据（DEM）可直接识别径流方向，模型所需的土壤数据和水文气象数据直接决定了径流和产污过程。要解决目前模型的区域局限性的缺点，必须从数据的规范性入手，不同区域数据和不同模型的数据结构如果能够进行统一规范，那么就会大大增加模型之间或模拟结果之间的可比性，也便于模型的推广和应用。 这种模型数据的规范性是一项庞大的工程，应

程 炯等：非点源污染模型研究进展 3

与现有的基本地理数据库保持一致。目前基本数据库较为完善的国家其模型的通用性也比较好。由于我国极度缺乏基础数据库，零星的研究结果也散布于不同部门的文献中，因此在我国一些基本数据库的建设和相关数据的规范性研究显得尤为重要。 2.2 模型模拟的不确定性研究

非点源污染模型的主要目的是对非点源污染的过程进行模拟，并估算其产生的污染负荷。这种模型的模拟是建立在我们对非点源污染可认识的基础之上，认识越深刻则模拟越精确。但是由于人对系统的认识是有限的，所以任何数学模型的模拟结果都与真实系统之间存在着一定的误差，从而造成了模型的不确定性。因此正确分析模型的不确定性，是完善非点源模型的一个重要手段，也是现有模型研究的一个重要趋势。

从非点源模型的应用角度看，模型的不确定性主要决定于模型参数的不确定性[23]。而参数的选择及其参数的取值范围直接决定于我们对非点源污染过程的认识深度以及模型所要反映的重点问题。参数不确定的判别只有基于大量的实验和野外观察的基础之上，模型才能切实反映这种非点源污染地表过程。

2.3 模型集成研究 2.3.1 模型要素的集成

由于非点源污染研究涉及到物理，生物，化学等多种复杂过程，涉及到多学科的综合研究。因此，非点源污染模型中不同要素，不同过程的集成是非点源污染模型逐步机理化和系统化的一大趋势。 2.3.2 模型与GIS技术的集成

随着GIS（地理信息系统）技术的不断发展及其在非点源污染中的深入应用，势必要加强GIS和非点源污染模型的集成研究，充分发挥GIS在组织，管理处理空间和属性数据方面的优势，提高数据获取能力，并可视化模拟结果，从而加快模型模拟计算速度，提高模拟精度。模型。由于GIS技术在数据处理中特有的优点 ,因此在非点源模型的发展中得到了广泛的应用。模型与GIS的集成方式有 4种：一是将GIS嵌入到模型中，GIS只用作图形工具；而是将模型嵌入到GIS中，这种集成能充分运用了GIS的功能，但模型趋于简化；三是松散的耦合，即GIS单独用于模型输入文件的产生和输出文件的显示；四是紧密耦合，即通过GIS程序编写的用户界面将模型和GIS耦合 ,可通过下拉菜单实现各种功能。模型与GIS的紧密耦合方式是未来研究的趋势。

2.3.3 模型与其他模型的集成

近年来，随着经济发展与生态环境保护等相矛

盾的问题日益凸现，流域作为一个管理单元，同时又是一个自然地理单元，其概念已逐步为决策和管理部门所重视。相应的经济与环境、人地和谐发展的大型流域管理模型已成为不同国家、诸多学者的一个研究热点和研究趋势。由于非点源污染是流域内影响水质的主要过程之一，因此流域非点源模型将成为这种大型模型的重要组成部分。美国国家环保局主持开发的BASINS模型标志着这类模型的出现，HSPF模型就是它的重要组成部分之一。可以预见，随着流域集成管理概念的广泛接受和采用，包含了非点源模型的大型流域管理模型将成为未来数年中流域模型开发的重点。

3 讨论与研究展望

非点源污染模型发展至今已有较完备的模型体系和方法，已逐步从经验模型过渡到机理模型功能模型。现有的非点源污染模型普遍结合了较为新颖的、成熟的有关非点源污染物在土壤、水体等不同组分中运动和迁移的理论和方法。所以一般状态下，运用模型模拟即使不能精确得到非点源污染的状态，但足以满足管理的需要。而且，模型模拟不仅可以有效地弥补大尺度流域研究经验手段的不足，其模拟结果可以成为流域管理决策支持系统、专家系统等的基础。

遥感、GIS等技术的迅速发展为非点源污染模型研究奠定了坚实的基础。非点源污染研究需要综合描述、分析和显示各种空间信息，但以往的非点源模型在对环境过程空间特性的描述、对空间数据操作及对模拟结果的显示方面都比较困难。而空间分析和空间数据管理及多方式显示查询正是GIS的优势所在。两者在研究对象及功能上的相似性与互补性，使得它们相结合的应用研究成为近年来环境模型研究中新的生长点。

现有非点源污染模型，由于流域特征的异质性，模型输入参数的繁多，精度的有限性，缺乏对资料有限的地区进行模拟计算等因素，几乎没有哪一种方法或模型可以说已具有广泛的实用性和通用性。所以相关模型数据的规范性研究，模型的不确定性研究以及国家相关大型地理数据库的建立是今后模型研究的一个重要趋势，也是提高模型精度及其推广应用的关键。同时，模型要素的集成研究、模型与GIS技术的紧密耦合、模型与大型流域管理模型的结合都将进一步提高非点源污染模型研究的地位及其实用性。

我国非点源污染模型研究正处于起步阶段，模型研究基本上以引用国外模型，进行验证和模拟应用为主。随着非点源污染问题的日益突出，有效管理和控制非点源污染将逐步得到重视，适合于我国

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不同区域特色和相应地理特点的非点源污染模型研究也将逐渐繁荣起来。 参考文献：

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Advance in the research on non-point source pollution models

CHENG Jong, LIN Xikui，WU Zhifeng, LIU Ping, CHEN Zhiliang

Guangdong Institute of Ecology and Environmental and Soil Sciences // Guangdong Key Lab of Integrated Control of Agro-environment,

Guangzhou 510650, China

Abstract: Pollution of non-point source has become the main causation of water pollution, with the effective control of point source pollution. How to control and manage non-point source pollution has become the important task of water environment fathering. Computer models can be used to evaluate, manage and control non-point source pollution, which regarded as available and measur-able tools to simulate non-point source pollution and estimate its pollution loads. In this paper, development trend of non-point source pollution models was put forward, after summarizing its development status and shortcomings. Because the characteristic of non-point source pollution, involved random of pollution, wide range, mechanism mistiness and difficult of management, the main-stream study of future will include models quantify, parameter quantify, and integration of models and GIS. Key words: non point source pollution; models; development trend