非點(diǎn)源污染模型研究進(jìn)展

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1、程炯等：非點(diǎn)源污染模型研究進(jìn)展643非點(diǎn)源污染模型研究進(jìn)展程炯，林錫奎，吳志峰，劉平，陳志良廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所//廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510650摘要：隨著點(diǎn)源污染的有效控制，非點(diǎn)源污染已成為水體污染的主要因素，如何有效地控制和管理非點(diǎn)源污染已成為水環(huán)境整治的一項(xiàng)重要任務(wù)。而計(jì)算機(jī)模型是極其有效的流域非點(diǎn)源污染模擬和污染負(fù)荷估算的定量化工具，為非點(diǎn)源污染評價(jià)、管理和控制提供了可靠依據(jù)。文章綜述了非點(diǎn)源污染模型的發(fā)展概況及其研究不足，并對模型的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析和預(yù)測。由于

2、非點(diǎn)源污染隨機(jī)性大、分布范圍廣、形成機(jī)理模糊、管理控制難度大等特點(diǎn)，未來非點(diǎn)源污染的量化模型研究及其與量化模型有關(guān)的相應(yīng)參數(shù)研究、模型與GIS集成研究將成為未來研究的主流。關(guān)鍵詞：非點(diǎn)源污染；模型；研究進(jìn)展中圖分類號：X501文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1672-2175（2006）03-0641-04程炯等：非點(diǎn)源污染模型研究進(jìn)展643在發(fā)達(dá)國家，隨著工業(yè)和生活污染源等點(diǎn)污染源的有效控制，非點(diǎn)源污染已成為水體污染的主要因素，例如美國目前有60%的河流和50%的湖泊污染與非點(diǎn)源有關(guān)[1]。在我國，非點(diǎn)源污

3、染問題也日益嚴(yán)重。我國二十多年來的研究表明，63.6%的河流、湖泊富營養(yǎng)化，在太湖、巢湖和滇池流域，由于人口密集，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度高，流域總氮、總磷比二十年前分別提高了十倍以上，其中50%以上的污染負(fù)荷由農(nóng)業(yè)貢獻(xiàn)[2-4]。面對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的嚴(yán)峻形勢，評估和模擬農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染尤為重要。這種定量評估和模擬，很大程度上依賴于計(jì)算機(jī)模型，通過試驗(yàn)手段或有限數(shù)量的田間測試來評估一些管理措施和污染效應(yīng)是不可行的[5]。迄今為止，已經(jīng)出現(xiàn)了許多模型輔助研究農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染。非點(diǎn)源污染模型通過對整個(gè)流域系統(tǒng)及其內(nèi)

4、部發(fā)生的復(fù)雜過程進(jìn)行定量描述，幫助我們分析非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的時(shí)間和空間特征，識(shí)別其主要來源和遷移路徑，預(yù)報(bào)污染產(chǎn)生的負(fù)荷及其對水體的影響，也可以評估土地利用變化以及不同管理與技術(shù)措施對非點(diǎn)源污染負(fù)荷和水質(zhì)的影響，為流域水環(huán)境規(guī)劃與管理提供決策依據(jù)[6]。1非點(diǎn)源污染模型研究現(xiàn)狀1.1非點(diǎn)源污染模型完整的非點(diǎn)源污染模型系統(tǒng)一般由4個(gè)子模型構(gòu)成，即：降雨徑流模型、侵蝕和泥沙輸移模型、污染物轉(zhuǎn)化模型、受納水體水質(zhì)模型。整個(gè)模型化過程從簡單到復(fù)雜大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀C(jī)理模型和功能模型。1.1.1經(jīng)驗(yàn)

5、模型經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪峭ㄟ^建立污染負(fù)荷與流域土地利用或徑流量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[7-8]，并通過該經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來識(shí)別土地利用或流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷的模型。這類統(tǒng)計(jì)模型對數(shù)據(jù)的需求比較低，能夠簡便地計(jì)算出流域出口處的污染負(fù)荷，表現(xiàn)了較強(qiáng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，因而在非點(diǎn)源污染研究早期得到了較為廣泛的應(yīng)用。但是由于它們難以描述污染物遷移的路徑與機(jī)理，使得這類模型的進(jìn)一步應(yīng)用受到了較大的限制。另外該模型所包含的區(qū)域特征的經(jīng)驗(yàn)性也限制了模型的可轉(zhuǎn)移性。1.1.2機(jī)理模型機(jī)理模型是通過反映非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的過程（包括污染負(fù)荷的產(chǎn)生、變化

6、及其環(huán)境影響），模擬非點(diǎn)源污染的一種模型。自上世紀(jì)70年代中后期以來，隨著對非點(diǎn)源污染物理化學(xué)過程研究的深入和對非點(diǎn)源過程的廣泛監(jiān)測，機(jī)理模型逐漸成為非點(diǎn)源模型開發(fā)的主要方向，其中著名的有模擬城市暴雨徑流污染的SWMM、STORM模型，模擬農(nóng)業(yè)污染的ARM模型，以及流域模型ANSWERS和HSP等。通過參數(shù)的合理率定，和模型通用參數(shù)的較準(zhǔn)，機(jī)理模型能對流域不同節(jié)點(diǎn)及其流域出口處的流量和水質(zhì)作出較為準(zhǔn)確的預(yù)測。但這類模型所提供的額外精度是以大量的時(shí)間和資源為代價(jià)的。1.1.3功能模型程炯等：非點(diǎn)源污染模

7、型研究進(jìn)展643功能模型也是一種系統(tǒng)模型，是在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并有效協(xié)調(diào)了兩種模型的優(yōu)缺點(diǎn)，是對非點(diǎn)源污染的水文、侵蝕和污染物遷移過程進(jìn)行系統(tǒng)綜合模擬的一種模型。功能模型能評價(jià)非點(diǎn)源污染物質(zhì)負(fù)荷不同季節(jié)或年際間的變化，并評價(jià)長期水質(zhì)的變化趨勢，而且還能描述實(shí)際流域內(nèi)的土地使用類型和地形構(gòu)造。美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所開發(fā)的CREAMS模型就是一種功能模型。該模型的研發(fā)奠定了非點(diǎn)源模型發(fā)展的“里程碑”，它首次對非點(diǎn)源污染的水文、侵蝕和污染物遷移過程進(jìn)行了系統(tǒng)的綜合[9]。隨著CREAMS

8、模型的推出，相應(yīng)的不同功能性非點(diǎn)源污染模型在同一時(shí)期得到了大力的發(fā)展，主要模型有EPIC、GLEAMS、SWRRB、SWAT、AGNPS、WEPP等。這些尺度和功能各異的模型極大地豐富了非點(diǎn)源污染模型的內(nèi)涵。1.2GIS在非點(diǎn)源模型中的應(yīng)用上世紀(jì)90年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和3S（RS、GPS、GIS）技術(shù)在流域研究中的廣泛應(yīng)用，如何提高模型質(zhì)量和模擬的精確度成為了非點(diǎn)源研究的一個(gè)主要方向。GIS技術(shù)在這方面體現(xiàn)了其巨大的優(yōu)勢。一些功能強(qiáng)大的超