曹高明，杜 強，宮輝力，彭文啟

（1.中國水利水電科學研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038；2.首都師范大學 資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048）

1 研究背景

非點源污染（NPS，Nonpoint Source Pollution）是指溶解的和固體的污染物從非特定的地點，在降水（或融雪）沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體（包括河流、湖泊、水庫和海灣等）并引起水體的富營養(yǎng)化或其它形式的污染。據20世紀90年代初統(tǒng)計，全球30%～50%的陸地面積受到非點源污染的影響［1］。美國、日本等國家研究表明，即使點源污染得到全面控制以后，江河水質的達標率僅為65%，湖泊水質的達標率為42%，在美國，非點源污染量已經占到污染總量的2/3以上，其中農業(yè)非點源貢獻率更是達到75%以上［2］。根據國內的統(tǒng)計數據，北京密云水庫、天津于橋水庫、安徽巢湖等水域，非點源污染的比例已經超過了點源污染，其中農業(yè)非點源污染對非點源污染量的貢獻最大［2］。因此，非點源污染目前已經成為影響水體環(huán)境質量的重要污染類型。

2 非點源污染的特征及影響

2.1 非點源污染的特征 流域非點源污染主要來自于土壤侵蝕、農藥和化肥的施用、農村家畜糞便及垃圾、農田污水灌溉、城鎮(zhèn)地表徑流和大氣干濕沉降。與點源污染相比，非點源污染起源于分散的、多樣的地區(qū)，地理邊界和發(fā)生位置難以準確界定，隨機性強、形成機理復雜、涉及范圍廣、控制難度大［3］。其主要具有以下特點：（1）隨機性和不確定性。非點源與降雨、土地利用、土壤結構、農作物種植、氣候氣象、地質地貌、人類活動等多個因素都有密切關系，這些因素的隨機性和不確定性決定了非點源污染的形成具有較大的隨機性；（2）廣泛性。由于人類活動的分散性和降雨的普遍性，決定非點源在空間分布上具有廣泛性；（3）滯后性。大量的農藥化肥的施用是造成非點源污染最重要的原因之一，但只有在徑流的驅動下，才會將地表長期積累的化學物質帶入水體，造成水環(huán)境的污染，所以非點源污染在時間上具有滯后性；（4）研究治理難度大。由于非點源污染的上述幾個特性，所以在研究非點源污染機理過程和控制非點源污染方面具有較大的難度，傳統(tǒng)的點源污染末端治理技術很難有效的控制非點源污染［2-3］。

2.2 非點源污染對水環(huán)境的影響 非點源污染對受納水體的影響是多方面的，主要集中在以下幾個方面：（1）增加水體富營養(yǎng)化程度，惡化水質。水體富營養(yǎng)化是指生物所需要的N和P等營養(yǎng)鹽大量進入水體，引起藻類大量繁殖、水體溶解氧下降、水質惡化的現象［4］；（2）嚴重威脅地下水。全世界施入土壤中的肥料大約30%～50%經土壤淋溶而進入地下水，而大量的土壤中氮的淋失和下滲，使地下水中硝態(tài)氮含量嚴重超標；（3）水體底泥降低水體的生態(tài)功能。水體底泥（沉積物）污染，是世界范圍內的一個重要環(huán)境問題，水體水質惡化勢必破壞水生生物的生存環(huán)境。一些有毒有害物質（如重金屬或農藥的殘留物等）進入水體后直接影響水體的生態(tài)功能。

3 非點源污染主要研究進展

非點源污染的產生是由于降雨在不同的下墊面條件下產生徑流，并對土壤產生侵蝕作用，在降雨-徑流驅動因子作用下，大量泥沙與附著的氮磷污染物及可溶性氮磷污染物進入水體。所以從非點源產生的機制來看，其主要可分為有3個過程，如圖1所示，即徑流形成過程、徑流沖刷地面形成土壤侵蝕的過程和泥沙及氮磷污染物進入水體的過程。在進行非點源污染機理研究的同時，人們逐漸使用數字模型來描述非點源污染的發(fā)生過程，對非點源污染進行定量研究。非點源污染模型也主要包含3個模塊：降雨徑流模型、土壤侵蝕模型和污染物遷移轉化模型。降雨徑流過程主要是采用水文模型來進行模擬；土壤侵蝕過程研究伴隨水土流失的過程，營養(yǎng)鹽中氮磷元素的流失情況；而污染物遷移轉化是非點源污染研究中的核心問題，目前研究比較多的是氮磷元素在匯流過程中及河道中的遷移轉化規(guī)律，很多國內外學者也逐步開始研究農藥、殺蟲劑的遷移轉化規(guī)律。由于在進入水體以后，非點源污染物對水體的影響機制與點源相同，因此非點源污染重點的研究內容是污染物由陸地進入水體前的遷移轉化過程。

圖1 非點源污染發(fā)生過程

3.1 降雨徑流過程 降雨形成的徑流是非點源污染物遷移轉化的載體。單場暴雨所產生的徑流量大小，是進行非點源污染負荷估算的前提條件。但單次暴雨事件并不意味著流域內所有地區(qū)都會產生地表徑流［2］。因此，很多學者從水文學、水動力學角度出發(fā)，研究作為暴雨事件響應的徑流動力形成的產匯流特征，重點是對其產流條件的空間差異進行研究。

產匯流的理論是19世紀后逐步發(fā)展和建立起來的，在20世紀30—70年代之間取得了很多理論上的進展和突破。其中最為典型的是19世紀60年代美國土壤保持局（Soil Conservation Service，SCS）根據3000多份實驗資料的數據，提出了SCS-CN（Soil Conservation Service-Curve Number）方法，這是一種用曲線數計算徑流量的方法。20世紀60年代，涌現出一大批流域水文模型，其中較為成功的模型是Stanford流域水文模型SWM（Stanford Watershed Model）。該模型可以模擬地面徑流的物理過程。HSPF（Hydrological Simulation Program-FORTRAN）也源自SWM，它是一種功能強大、能綜合模擬流域水文和水質的機理模型。

我國在20世紀60年代初期陸續(xù)提出了蓄滿產流和超滲產流的理論。80年代以來，該理論逐步作為概念模型的重要部分應用于北京、西安和三峽庫區(qū)進行非點源污染負荷計算［5-7］，新安江模型的構建也是基于這套理論。目前，降雨徑流研究較為成熟，常采用人工降雨和自然降雨定點監(jiān)測和模型相結合進行降雨產匯流特征的分析和評估［8］。

在所有模型中，SCS-CN模型由于適用性廣，可操作性較好，模擬結果準確度較高，近年來在國內有大量應用。魏文秋等［9］通過改進SCS模型并與遙感結合，來確定模型的土地利用和土壤類型，在安徽城西徑流試驗站進行了實例研究，結果顯示的產流精度令人滿意。王臘春等［10］用泰森多邊形將流域分塊，使用TM影像對研究區(qū)土地利用類型進行分類，進而確定每種土地利用上的CN值和S值，對浙江溪西流域6次洪水的產流計算結果表明其精度令人滿意。賀寶根等［11-12］根據實測資料對SCS模型中的兩個系數，即前期損失量和徑流曲線數予以修正，并對模型進行修正計算，其結果表明模擬徑流量非常接近于實際徑流量。徐秋寧等［13-14］用SCS降雨-徑流模型對陜北-渭北多個典型小型集水區(qū)降雨徑流量進行了分析和計算，他認為SCS模型考慮了徑流與土壤特征和土地利用情況關系，非常適合應用于小流域、溝道等小型集水區(qū)的徑流量計算。王英［15］運用黃土高原地區(qū)實測降水產流資料對標準SCS-CN模型進行了檢驗，對徑流曲線法進行了改進，提出了一個適應黃土區(qū)坡面和流域的降水產流模型，研究結果為該區(qū)水資源高效利用、水土流失預報和治理提供重要幫助。

3.2 土壤侵蝕過程 土壤侵蝕是農業(yè)非點源污染發(fā)生的重要組成部分。土壤侵蝕帶走的泥沙本身是非點源污染的來源，泥沙中所吸附的各種形態(tài)的氮、磷也會給加重受納水體的污染程度。土壤侵蝕的研究具有很長的歷史，但真正從非點源污染角度出發(fā)進行土壤侵蝕研究，首推20世紀60年代中后期用于坡地侵蝕模擬估算的通用土壤流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）［16］。該方程考慮了影響土壤侵蝕的六大因素：降雨因子、土壤可蝕性因子、坡長因子、坡度因子、作物因子和管理措施因子。后來不斷對USLE進行了修改，包括各因子值計算方式的改變和細化，形成了RUSLE和MUSLE。通用土壤流失方程中參數具有物理意義，它被多個機理或者半機理模型采用作為模擬土壤侵蝕的子模塊。如CREAMS模型采用USLE方程，AGNPS和SWAT采用的MUSLE方程，AnnAGNPS運用的是RUSLE土壤侵蝕方程。由于USLE模型本身的不足，加上對土壤侵蝕機理過程更深入的研究，20世紀80年代初，出現了從機理過程探索土壤侵蝕的WEPP（Water Erosion Prediction Project）模型。但由于該模型需要較多的參數支持，應用受到限制。目前國際上用于模擬估算土壤侵蝕使用最廣泛的仍然是USLE及其修正模型。

我國土壤流失定量監(jiān)測始于20世紀40年代，先后在天水等地建立水土保持試驗站，對水土流失進行定位觀測。50年代初，黃秉維研究了陜甘黃土地區(qū)影響土壤侵蝕量的環(huán)境因素及方式［17］，其后，朱顯漠對黃土區(qū)土壤侵蝕特征、空間分異規(guī)律、影響因素等進行了研究和分析［18］，從而為我國土壤侵蝕定量研究開拓了發(fā)展方向。1953年劉善建根據10年的徑流小區(qū)觀測資料，首次提出了計算年度坡面侵蝕量的公式，從而開啟了我國土壤侵蝕定量模型研究的序幕［19］。早期土壤侵蝕定量研究側重于野外徑流小區(qū)的試驗，觀測相同下墊面條件下不同降雨的侵蝕，或者相同降雨條件下不同下墊面的侵蝕。后來逐漸發(fā)展到室內的試驗研究，利用人工降雨開展單因素侵蝕相關研究，如降水、坡度、坡長、坡向、植被、土壤質地等單要素與侵蝕量的關系，并建立不同形式的土壤侵蝕預報方程，從而也就產生了土壤侵蝕定量經驗模型的雛形。20世紀70年代以后，我國開始土壤侵蝕經驗模型的研究，研究了降雨特征、雨滴動能、濺蝕及降雨徑流侵蝕力、植被蓋度、植被截留、土壤可蝕性、微地貌形態(tài)等因素與侵蝕量的關系［20-21］。初步形成了以小流域為單元進行水土流失研究的格局，從而也奠定了我國以小流域為單元進行水土保持治理的初期思路。

20世紀80年代，通用土壤流失方程開始引進和應用于我國，對我國土壤侵蝕經驗模型的研究產生重大影響。許多學者結合我國土壤侵蝕特點，基于地面徑流小區(qū)實測資料，對通用土壤流失方程進行實驗校正。其中付煒以晉西離石王家溝流域為試驗區(qū)，建立了適合該區(qū)水土流失的USLE修正方程［22-23］。我國在基于坡面或徑流小區(qū)等尺度單元對土壤侵蝕進行了大量研究，著重研究侵蝕量與其影響因子之間的定量關系，并建立了許多區(qū)域性（徑流小區(qū)或小流域尺度）土壤侵蝕經驗方程，取得了一系列研究成果。

20世紀90年代到本世紀初，對各種土地利用類型的土壤侵蝕機理上也進行了系統(tǒng)深入研究。謝樹楠等將坡面產沙量與雨強、坡長、坡度、徑流系數和泥沙中數粒徑間的函數關系，建立了具有一定理論基礎的流域侵蝕模型［24］，取得了較為理想的土壤侵蝕模擬效果。湯立群建立了適合于中小流域的包括徑流模型和泥沙模型兩部分的土壤侵蝕模型［25-26］。蔡強國等也建立了具有一定物理基礎的侵蝕-輸移-產沙過程的小流域次降雨產沙模型。

3.3 污染物遷移轉化規(guī)律 非點源污染物遷移是指非點源污染物在外力作用下（降雨、灌溉等）從土壤圈向水圈擴散的過程。從氮、磷元素角度考慮，主要包括氮磷元素的地表流失和氮素地下滲漏兩個大的機理過程。其中，氮磷元素地表流失機理研究，國內外從農田降雨徑流氮磷流失與農田耕作方式、作物生長季節(jié)、降雨特征、土地利用、地形狀況、植被覆蓋等方面進行了一系列的研究工作。

污染物的遷移過程不僅與水文條件和侵蝕條件有關，還與污染物在土壤中的物理、化學形態(tài)以及分布等密切相關。而污染物各物理、化學形態(tài)之間的轉化以及在土壤中的分布的變化過程是十分復雜的，國內外大量學者對不同土地利用下氮磷流失的機理進行了深入的研究。Jordan等［27］在1997年通過做氮素排出量與農田所占比例的回歸模型估算表明：農田氮素排出速率為18 kg·N/（hm2·a），而非農田氮素排出速率僅為2.9 kg·N/（hm2·a）；楊斌等［28］在1999年以實驗的方式探討了連云港地區(qū)農田氮磷元素的流失的規(guī)律，其中氮素的淋溶損失為9.8%～35%，稻田施肥后，如果24h內排水，氮素損失12%～21%，磷素對水環(huán)境的影響主要是徑流攜帶；竇培謙等［29］于2005年研究了北京密云地區(qū)土地利用方式的差異對徑流中氮磷的濃度的影響因素，有徑流中總磷濃度變化趨勢：果園＞標準小區(qū)＞農地＞荒草坡＞林地，總氮濃度變化趨勢：林果＞地荒＞草坡＞農地＞標準＞小區(qū)林地；朱海洋等［30］在2007—2008年綜合2年的試驗結果，針對丘陵區(qū)稻田氮磷輸出進行了定量的研究，并提出了適宜的生態(tài)治理技術模式；羅璇等［31］對丹江口庫區(qū)的胡家山小流域不同土地利用氮磷輸出的年季變化情況進行了定量研究，結果表明在不同時間尺度上，土地利用結構對氮素輸出濃度影響有所不同。年度上，對氮素輸出影響最大的是旱地，季節(jié)上，四季對氮素輸出影響最大的依次是旱地、居民地、居民地、旱地；土地利用結構對氮素輸出濃度的影響受到降雨、氣溫、人為等因素的作用。

從模型研究的角度考慮，非點源模型對污染物遷移的模擬可分為2類：一類是不考慮污染物的平衡過程，認為污染物在土壤中的含量是恒定的，典型的有早期的AGNPS模型和CNPS模型等。這類模型往往只將污染物根據物理形態(tài)劃分為溶解性和非溶解性兩種，根據土壤侵蝕量和暴雨徑流量來計算兩種形態(tài)污染物的負荷；另一類是考慮污染物平衡過程，即土壤中污染物的狀態(tài)和含量是受到各種過程影響的。如CREAMS模型在對氮的模擬中，考慮了地表徑流流失、入滲淋失、化肥輸入等物理過程，有機氮礦化、反硝化等化學過程以及作物吸收等生物過程，氮除了具有溶解和非溶解兩種物理狀態(tài)外，還分為有機氮、作物氮和硝酸鹽氮3種化學狀態(tài)。EPIC和SWRRB中則增加了氮的生物固定、無機氮向有機氮的轉化以及溶解性氮隨側向壤中流的遷移等過程，有機氮又被劃分為活性（active）有機氮和惰性（stable）有機氮兩種狀態(tài)。SWAT模型在EPIC基礎上又增加了對氨態(tài)氮揮發(fā)過程的模擬。而HSPF對氮平衡的模擬更為復雜，有機氮也被劃分為溶解性和非溶解性兩類，并且通過吸附與解吸過程相互轉化。

4 非點源污染研究的發(fā)展趨勢

非點源污染機理研究和過程模擬還存在很多問題。首先是非點源污染發(fā)生很多機理過程尚不能完全明確。很多機理模型雖然可以對非點源污染過程進行近似的模擬，但這些模型都是基于已有的研究成果，仍然具有一定的局限性。其次，非點源污染研究中所涉及的3個重要的環(huán)節(jié)（產匯流、土壤侵蝕和污染物遷移轉化）在自然界中是一個系統(tǒng)過程，而在模型中分別使用3個獨立的模塊進行模擬，并通過特定模塊進行連接，這本身就影響了模擬的精確程度。再次，由于非點源污染在時間上具有非連續(xù)性和滯后性，在空間上具有廣泛性和分布不均勻性的特點，地理時空的復雜性非常直接的影響著非點源污染模擬的準確度，所以更多的考慮引入GIS和RS手段對非點源污染進行研究是大勢所趨，我國目前在這方面的研究稍顯滯后。最后是非點源污染模擬尺度問題，非點源污染模擬的尺度不斷增大，而已有的非點源污染物在土壤中的監(jiān)測數據多為小尺度或更微觀的尺度獲得的。小尺度建立的物理基礎的水文模型，應用到大空間尺度上，存在尺度外延的準確性問題。

當前非點源污染研究的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面：（1）氮磷遷移轉化機理研究。當前，雖然氮磷元素在土壤和水體遷移轉化研究有一定的研究成果，但人們對土壤和坡面產流中各形態(tài)氮磷來源的定量分析還做的不夠，各形態(tài)氮磷的轉化機理尚不完全明確。對氮磷元素來源的進行定量研究有助于直接了解非點源污染的根源，這一部分也一直是學者們研究的重點和熱點；（2）非點源污染的不確定性研究。非點源污染的研究和模擬存在很大的不確定性。這種不確定性主要體現在以下4個方面：降水、溫度、蒸發(fā)和土壤物理化學屬性等時間和空間數據數據具有隨機的或系統(tǒng)的誤差；徑流、地下水水位、農業(yè)灌溉、含沙量等歷史記錄和資料的隨機或系統(tǒng)誤差；非最優(yōu)參數值所導致的誤差；不完整或有偏差的模型結構導致的誤差。所以如何分析非點源污染的不確定性，提高模型模擬精度也是一個重要的研究方向；（3）非點源污染研究與GIS和RS技術的整合。首先在數據共享層面上，我國非點源污染模擬在數據的獲取和數據的標準化上都存在較大的問題，具體表現為非點源污染的空間數據采集沒有統(tǒng)一的標準和規(guī)范，所以非點源污染模擬的標準化問題仍然是一個重要的研究內容。其次，采用遙感手段進行土壤侵蝕、土地利用相關參數的反演目前已經有人做出了一些嘗試性的工作，如何使遙感數據為模型提供參數是當前一個重要的研究內容，這對在數據缺乏區(qū)域進行非點源污染研究具有相當重要的意義；最后如何將GIS的制圖、空間分析、三維展示方面的優(yōu)勢更好與非點源污染研究相結合，也是未來的一個重要研究點。

綜上所述，當前發(fā)達國家對非點源污染的研究已經進入成熟期，對非點源污染發(fā)生的機理都有了很深入的了解，模型模擬也取得了不錯的效果，美英等研究人員目前已將更多的研究精力投入到非點源污染的最佳管理措施（BMPs）的研究上。當前我國非點源污染的研究已經進入了一個比較穩(wěn)定的階段，研究人員通過大量試驗、模型的研究，希望對我國氮磷污染物產生的機理過程有更明確的認識。國外模型大量應用本身也提高了我國非點源污染的研究水平，但各種模型參數的獲取方式在國內仍沒有一個統(tǒng)一的標準。所以通過對非點源污染機理的深入研究，開發(fā)出適合我國的非點源污染模型仍然是當務之急。

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