朱青　彭曉靜　葛文君　唐鵬　王煒亮

【摘 要】流域污染負(fù)荷模型一般用來模擬沉積物和污染物的產(chǎn)生及其從源向受納水體運(yùn)動的過程，可以描述與估算污染負(fù)荷的產(chǎn)生和歸趨。本文總結(jié)了農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型、城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型以及混合非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型的模擬過程、適用性與局限性，指出了模型應(yīng)用中存在的問題，并探討了模型的研究與發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】流域；非點(diǎn)源；污染負(fù)荷；模型

隨著人民生活水平的提高，農(nóng)用化肥、農(nóng)藥數(shù)量急劇增加，加之多年的人類經(jīng)濟(jì)活動帶來的生態(tài)破壞，我國水環(huán)境非點(diǎn)源污染問題日益突出。而運(yùn)用數(shù)理模型實(shí)現(xiàn)對非點(diǎn)源污染的有效模擬，是解決流域水環(huán)境非點(diǎn)源污染問題的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文對非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型進(jìn)行介紹，并根據(jù)在不同土地利用類型下，模型對非點(diǎn)源污染負(fù)荷的產(chǎn)生和輸移過程的模擬特征不同，將非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型分為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型、城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型和混合非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型三大類。

1 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型

常用的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型有AGNPS、ANSWERS、SWAT等。

1.1 AGNPS模型

AGNPS是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局聯(lián)合明尼蘇達(dá)州污染控制局和自然資源保護(hù)局共同開發(fā)的基于方格框架組成的流域分布式事件模型。AGNPS 按照柵格采集模型參數(shù)，可以預(yù)測土壤養(yǎng)分流失，對農(nóng)業(yè)地區(qū)的水質(zhì)問題以重要性為順序進(jìn)行排列，同時(shí)模擬單次暴雨徑流和侵蝕產(chǎn)沙過程。

模型可以連續(xù)模擬土壤水和地下水中的氮平衡，適用于流域景觀特征、水文和土地利用規(guī)劃等領(lǐng)域，模擬精度較高。但是無法模擬各營養(yǎng)物組分在河道中的轉(zhuǎn)化過程、流域物理過程長期演變及土壤侵蝕時(shí)空分布規(guī)律等。

1.2 ANSWERS模型

ANSWERS是由美國弗吉尼亞州立大學(xué)建立的可以完成次降雨條件下的表面徑流模擬和土壤侵蝕量的測算，并能模擬分析農(nóng)業(yè)地區(qū)降雨期間及雨后的地表徑流、土壤侵蝕量以及污染物流失量的分散型模型。

模型的優(yōu)點(diǎn)是可計(jì)算建筑區(qū)域和農(nóng)業(yè)流域的徑流量和泥沙流失，模擬土地利用方式對水文和侵蝕響應(yīng)的影響，同時(shí)模擬評估最佳管理措施。但是存在輸入數(shù)據(jù)復(fù)雜，不能模擬各化學(xué)物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)換，對于深層下滲、壤中流、河道基流、融雪過程等的模擬存在局限性。

1.3 SWAT模型

SWAT 模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)局開發(fā)的流域尺度模型，用于模擬地表和地下水的水量和水質(zhì)，預(yù)測不同土地利用情景下對流域水文、泥沙和農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)量的影響。

模型在美國是應(yīng)用較為廣泛的非點(diǎn)源模型之一，適用于資料短缺地區(qū)，可預(yù)測復(fù)雜流域內(nèi)氣候變化及土壤類型、土地覆被變化、農(nóng)業(yè)管理措施等對流域水循環(huán)、泥沙、營養(yǎng)物質(zhì)和農(nóng)藥、作物產(chǎn)量等的長期影響。模型仍存在許多不足：不能模擬詳細(xì)的基于事件的洪水和泥沙，日模擬存在系統(tǒng)誤差等。

2 城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型

典型的城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型有：SWMM、STORM、SLAMM等。

2.1 SWMM模型

SWMM模型即暴雨雨水管理模型，是1971年美國國家環(huán)境保護(hù)局推出的城市暴雨水量水質(zhì)預(yù)測和管理模型，可以模擬完整的城市降雨徑流過程。

模型的優(yōu)點(diǎn)是可完整地模擬分析非點(diǎn)源污染負(fù)荷的產(chǎn)生過程，可計(jì)算分析徑流中的各個(gè)污染物的負(fù)荷量，對錄入數(shù)據(jù)的要求較低，通用性能較好、應(yīng)用靈活。局限性表現(xiàn)在對污染物的生化反應(yīng)的模擬能力很差，對與水質(zhì)密切相關(guān)的管道泥沙運(yùn)動也不能進(jìn)行較好的模擬。

2.2 STORM模型

STORM是于1973年推出的城市暴雨徑流模型，用于模擬城區(qū)降雨徑流及水質(zhì)變化過程，模型結(jié)構(gòu)比較簡單，不能模擬泥沙運(yùn)動的過程和污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程。

2.3 SLAMM模型

SLAMM20世紀(jì)70年代中期美國學(xué)者Pitt等開發(fā)的用于城市非點(diǎn)源污染物識別和控制模擬的非點(diǎn)源污染模型。模型可以模擬多種控制管理裝置和措施的污染物截留和去除效果；此外模型引入了隨機(jī)分析，可以進(jìn)行輸入?yún)?shù)的不確定性分析。其局限在于不能進(jìn)行雨水和污染物在管道和溝道中的模擬計(jì)算，因而不能輸出徑流過程和污染物濃度過程。

3 混合非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型

3.1 HSPF模型

HSPF模型是1966年由美國環(huán)境保護(hù)署在SWM模型的基礎(chǔ)上開發(fā)形成的可以模擬流域非點(diǎn)源污染的演進(jìn)過程的混合模型。

模型主要模塊包括透水地段水文水質(zhì)模塊和不透水地段水文水質(zhì)模擬模塊。HSPF 是最全面和靈活的一種流域水文水質(zhì)模型，以強(qiáng)大的水文模型為基礎(chǔ)，能夠應(yīng)用于大多數(shù)的流域，能夠模擬不同時(shí)間尺度的洪峰流量和低流量，模擬精度較高。但是HSPF對輸入數(shù)據(jù)的要求較高，需要給出連續(xù)的降雨、蒸發(fā)、氣溫和日照等時(shí)間序列，同時(shí)也要有相應(yīng)的連續(xù)水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來率定模型；并且模型假設(shè)污染物在受納水體的寬度和深度方向上是充分混合的，所以模型的實(shí)用性受到了一定限制。

3.2 GWLF模型

通用流域污染負(fù)荷模型 是1987年由美國康奈爾大學(xué)開發(fā)的一個(gè)流域污染負(fù)荷模型。模型屬于半機(jī)理-半經(jīng)驗(yàn)性流域負(fù)荷模型，主要用于多土地利用混合的中小型流域（10000km2以下）。模型能夠模擬逐月和逐年的河川徑流、沉積物傳輸以及氮、磷通量。模型對數(shù)據(jù)的要求不高，其精度基本滿足我國環(huán)境管理的需求。

4 非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型應(yīng)用現(xiàn)狀

馬曉宇等將溫州市典型住，區(qū)結(jié)合降雨徑流實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)建了基于SWMM的非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算模擬，表明SWMM模型可用于模擬城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷及輔助管網(wǎng)的設(shè)計(jì)。白淑英等建立了開都河流域的 SWAT月徑流模擬模型，達(dá)到了模擬評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，開辟了在新疆其他河流乃至干旱半干旱內(nèi)陸河地區(qū)徑流模擬的先河。梅立永等選定不同的時(shí)間，應(yīng)用HSPF模型模擬了深圳西麗水庫流域水量和水質(zhì)的連續(xù)動態(tài)變化。薛亦峰等應(yīng)用 HSPF 模型對潮河流域內(nèi)的大閣河流域進(jìn)行水文模擬，表明 HSPF模型在研究區(qū)對流域長期連續(xù)的徑流量模擬具有較好的適用性。杜新忠等選取GWLF模型，有效模擬了柳河上游的月徑流及總氮負(fù)荷，分析得到總氮污染源貢獻(xiàn)率季節(jié)性差異明顯。趙越等應(yīng)用GWLF模型，評估了新安江上游練江流域把口斷面的月時(shí)間尺度下總氮污染物通量，并分析了負(fù)荷來源。

5 結(jié)語

非點(diǎn)源污染是一個(gè)十分復(fù)雜的自然過程，現(xiàn)有基本數(shù)據(jù)庫的缺乏、監(jiān)測工作的薄弱、資金投入的短缺，給非點(diǎn)源的識別帶來不確定性和模型模擬的巨大誤差；有的模型帶有明顯的區(qū)域性，有較多的經(jīng)驗(yàn)型參數(shù)，造成了在模型推廣應(yīng)用時(shí)，由于不同區(qū)域水文、氣象條件的差異，模擬精度大大降低。

針對存在的上述幾個(gè)問題，其解決方法及未來的發(fā)展趨勢主要有：①著力提高模型數(shù)據(jù)規(guī)范性，②注重理論和實(shí)際相結(jié)合，將多模型方法在流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷研究和實(shí)踐中應(yīng)用推廣，③將GIS與模型相結(jié)合等。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬曉宇，朱元?jiǎng)?lì)，梅琨，張艷軍，張明華.SWMM模型應(yīng)用于城市住宅區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷模擬計(jì)算[J].環(huán)境科學(xué)研究，2012，25（1）：95-102.

[2]白淑英，王莉，史建橋，李偉.基于SWAT 模型的開都河流域徑流模擬[J].干旱 區(qū)資源與環(huán)境，2013，27（9）：79-84.

[3]梅立永，趙智杰，黃錢，尹璇.小流域非點(diǎn)源污染模擬與仿真研究——以HSPF模型在西麗水庫流域應(yīng)用為例[N].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（1）：64-70.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]