羅娜，李華，樊霆，郭彬，李凝玉，傅慶林，馬潔，金躍群

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

水環(huán)境污染問題仍是當(dāng)今中國乃至全球普遍關(guān)注的重要問題，極大地制約了全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，其中，對面源污染的研究是水環(huán)境污染研究中的重要方向。水環(huán)境中的面源污染是指在雨水的沖刷下，大氣、地表和土壤中的溶解性或固體污染物質(zhì)進(jìn)入江河、湖泊、水庫和海灣等水體引起的污染[1]。其特點(diǎn)綜合而言包括時(shí)間的不確定、途徑的不確定和量的不確定[2-4]。流域水體的面源污染物大多來源于地表徑流、土壤侵蝕和流失、農(nóng)田用料、污水灌溉、生活污水、畜禽糞便、大氣干濕沉降、 水體人工養(yǎng)殖、底泥二次污染，以及旅游污染等[5-9]。

全球已有30%～50%的地表受到非點(diǎn)源污染的影響[10]。美國水體面源污染物的含量分別為：生物需氧量(BOD)含量73%，細(xì)菌含量83%，懸浮物92%[11-12]；墨西哥灣因面源污染造成的水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致的總氮含量高達(dá)89%；荷蘭大部分河流面源污染的氮磷含量分別為60%、40%～50%[11]；歐洲某河流面源污染物氮、磷含量分別為60%、25%；丹麥大部分水體中來自面源污染的氮磷含量為94%、52%[12]。

對于我國來說，農(nóng)業(yè)面源污染是當(dāng)今導(dǎo)致河流、湖泊等水體水質(zhì)惡化的主要原因。太湖流域水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染中N、P貢獻(xiàn)率分別為59%、30%，滇池流域水體中農(nóng)業(yè)面源污染物N、P負(fù)荷分別為53%和42%[13-14]。據(jù)全國污染源公告發(fā)布，農(nóng)業(yè)污染源排放的污染物中化學(xué)需氧量、總氮和總磷含量分別占全國總量的43.71%、57.19%和67.27%。目前，我國年農(nóng)藥、化肥使用量分別為30多萬t和4 124萬t，平均每公頃農(nóng)田化肥施用量遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國家的安全上限[15]。

面源污染在生態(tài)環(huán)境的影響愈甚，對此，我國環(huán)?？蒲腥藛T自20世紀(jì)80年代以來便積極吸取國外經(jīng)驗(yàn)，利用面源污染的分析模型尋求解決我國面源污染的突破口。面源污染模型研究通過實(shí)地野外考察，結(jié)合遙感、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，得出面源污染時(shí)間、空間分布特點(diǎn)，確定污染物的來源，總結(jié)污染物負(fù)荷含量，分析污染物或不同土地管理措施對流域的影響，最終對流域規(guī)劃與污染治理提供支持[16]。目前我國可利用的面源污染模型有CREAMS模型、ANSWERS模型、AGNPS模型、AnnAGNPS模型、SWAT模型，以及HSPF模型[17-20]。其中，HSPF模型依托于BASINS系統(tǒng)，與擁有強(qiáng)大功能的Arcview緊密結(jié)合，能自動(dòng)生成模型所需的土壤、地形、土地利用等數(shù)據(jù)，并能夠模擬較長時(shí)間序尺度，且模擬精度相較其他面源污染模型高，在國內(nèi)外許多國家都有成功的應(yīng)用先例。

本文旨在介紹HSPF模型及目前廣泛應(yīng)用的面源污染模型，綜述該模型在國內(nèi)外流域面源污染模擬中的應(yīng)用進(jìn)展，并對HSPF模型在面源污控制中的應(yīng)用研究進(jìn)行展望。

1 HSPF模型及常用面源污染模型對比

1.1 HSPF模型

HSPF模型在斯坦福流域模型上發(fā)展而來，能夠在BASINS系統(tǒng)和WDMUtil等工具的輔助下，綜合模擬水文徑流、土壤流失狀況、水溫、泥沙運(yùn)輸、污染物含量、河道水力等過程。HSPF模型將模擬模塊分為透水地段模塊、不透水地段模塊、地表水體水質(zhì)模擬模塊，以及管理實(shí)踐相關(guān)的BMP模塊，實(shí)現(xiàn)對泥沙、BOD、溶解氧(DO)、氮、磷、農(nóng)藥等污染物負(fù)荷，以及遷移轉(zhuǎn)化的長時(shí)間序列的連續(xù)模擬[21]。

1.2 我國常用面源污染模型對比

結(jié)合相關(guān)資料[18,22]，將我國常用面源污染模型作一對比(表1)?？梢钥闯?，HSPF模型結(jié)合了分布式水文模型與其他集總式流域模型的一些優(yōu)點(diǎn)。(1)HSPF模型依托于最新的BASINS 4.1系統(tǒng)。BASINS為美國環(huán)保署(USEPA)于1998年開發(fā)的操作平臺(tái)，HSPF利用BASINS及GenScn工具，可方便快捷地幫助HSPF預(yù)處理所需的輸入數(shù)據(jù)。同時(shí)，HSPF模型可利用MapWindow GIS自動(dòng)劃分子流域，生成所需河網(wǎng)水系，并將Arcview融合水文模型，實(shí)現(xiàn)對土地利用、土壤、地形、數(shù)字高程模型(DEM)等圖形的加載疊加和可視化，大大降低了數(shù)據(jù)處理的煩瑣度[23]。(2)HSPF模型可根據(jù)應(yīng)用對象水文單元大小進(jìn)行調(diào)整，從而適應(yīng)各子流域的模擬運(yùn)算并緊密結(jié)合相互子流域，操作方便，減小運(yùn)算負(fù)擔(dān)。(3)HSPF模型可模擬詳細(xì)的徑流形成過程，時(shí)間步長較其他面源污染模型更久，模擬過程更連續(xù)，模擬結(jié)果精度較好。(4)HSPF模型相較于SWAT模型而言，可運(yùn)用于單個(gè)的洪水事件[24]。

對比HSPF模型與我國其他面源污染模型，HSPF模型結(jié)合了分布式水文模型與集中式水文模型的優(yōu)勢，它可分析模擬點(diǎn)源與面源的過程，在美國、澳大利亞、韓國及我國的水文水質(zhì)領(lǐng)域研究中都得到了許多應(yīng)用[25]。如今，HSPF模型作為美國環(huán)保署在水環(huán)境研究中的推薦模型，在流域面源污染中的功效愈發(fā)顯現(xiàn)。

表1 我國常用的面源污染模型對比

2 HSPF模型在流域面源污染中的應(yīng)用研究

自1981年Jeon等[21]提出HSPF模型以來，美國環(huán)保署充分利用HSPF模型研究了社會(huì)環(huán)境中水環(huán)境的水質(zhì)與水文狀況以及流域污染問題，以期在社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境方面做出貢獻(xiàn)。HSPF模型也因自身模型優(yōu)勢，被更多地運(yùn)用于流域的水文循環(huán)過程及面源污染防治當(dāng)中[26]。

HSPF模型的輸入數(shù)據(jù)主要可分為空間數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及污染源數(shù)據(jù)3大類，其中：空間數(shù)據(jù)主要有流域數(shù)字高程模型、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)包括降水量、氣溫、日照、云量、露點(diǎn)溫度、風(fēng)速、相對濕度等；污染源數(shù)據(jù)包括流域的大量點(diǎn)源排放數(shù)據(jù)，以及不同子流域的農(nóng)業(yè)作業(yè)模式數(shù)據(jù)等[27]。綜合迄今國內(nèi)外學(xué)者們基于HSPF模型的相關(guān)模擬應(yīng)用進(jìn)展，主要包括以下3個(gè)方面：(1)不同土地利用類型等空間屬性條件下流域面源污染研究；(2)降雨、徑流等不同氣象條件影響下流域面源污染研究；(3)HSPF模型自身參數(shù)敏感性與不確定性研究。本節(jié)將從以上3個(gè)方面綜述HSPF模型在流域面源污染模擬中的研究進(jìn)展。

2.1 HSPF模型對不同空間屬性條件下流域面源污染的模擬

在國內(nèi)，何泓杰[30]用HSPF模型模擬估算，確定了2009年流溪河流域面源污染物的負(fù)荷總量與重點(diǎn)污染分布區(qū)及時(shí)間段，研究得出不同土地利用條件下的面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率，并利用HSPF模型對流溪河未來一定時(shí)段面源污染負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測模擬，對日后此流域的污染及管理規(guī)劃提供了切實(shí)的研究數(shù)據(jù)。李濤[31]利用HSPF模型研究了濟(jì)南南部山區(qū)面源污染在土地利用及不同覆被影響下的負(fù)荷及規(guī)律，研究計(jì)算了此區(qū)域總氮、總磷的含量，結(jié)果表明，耕地對總氮的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大，建設(shè)用地對總磷的污染負(fù)荷影響最深，林地和草地對面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)成反比。該研究為山區(qū)由于人為因素投放農(nóng)藥、化肥造成的水環(huán)境的面源污染治理提供了支持，為山區(qū)的生態(tài)環(huán)境維護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供了依據(jù)。

2.2 HSPF模型對不同氣象和水文條件下流域面源污染的模擬

關(guān)于HSPF模型在不同氣象條件下的流域面源污染應(yīng)用研究，國內(nèi)外學(xué)者大多從降雨及徑流因素、氣候因素等不同條件下對流域面源污染進(jìn)行研究。在國外，Ouyang等[32]用HSPF模型，模擬了一定流域、氣象、水文條件下美國佛羅里達(dá)州Cedar-Ortega河流域Hg動(dòng)態(tài)負(fù)荷狀況，并用已有的現(xiàn)場數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了標(biāo)定和驗(yàn)證，然后應(yīng)用該方法預(yù)測了在降雨以及水流通的情況下從流域出口到LSJR的日和年負(fù)荷，結(jié)果顯示，預(yù)計(jì)模擬期間日均總汞通量是0.69 g·hm-2。模擬進(jìn)一步表明，降雨事件對Hg載荷的影響是顯著的，特別是在一個(gè)非常潮濕的時(shí)期。Huo等[33]在降雨數(shù)據(jù)缺乏的情況下，利用HSPF模型對流域流量預(yù)測進(jìn)行改進(jìn)，對Feitsui水庫流域的每小時(shí)降水進(jìn)行估計(jì)。結(jié)果表明，利用HSPF模型可對降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，改善河流流量預(yù)測，從而便于對流域進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

在國內(nèi)，白曉燕等[34]研究了東江流域在降水影響下的面源污染物遷移與時(shí)空分布狀況，利用HSPF模型得出各面源污染物在降水汛水期和枯水期的污染負(fù)荷情況。數(shù)據(jù)表明，校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期的HSPF模型中東江流域月徑流量、輸沙量，以及總氮(TN)、BOD、總磷(TP)污染負(fù)荷的相對誤差均在15%以下。在枯水期以及汛水期，流域面源污染負(fù)荷表現(xiàn)差異明顯。東江流域的面源污染負(fù)荷在2007—2009年間汛水期(4—9月)較重，而枯水期污染物負(fù)荷總量較少，并且較集中期間的各污染物BOD、TN、TP的負(fù)荷比重分別高達(dá)86.7%、79.3%、85.5%，結(jié)果顯示東江流域降水量與流域的面源污染呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，密切影響流域的水質(zhì)變化，且HSPF模型在東江流域的面源污染模擬結(jié)果精度較高，較為適用。張鵬飛[35]研究了氣候變化條件下，密云水庫流域面源污染負(fù)荷的變化情況，并利用HSPF模型對水庫的徑流和營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，總氮、總磷的負(fù)荷量減少與降雨量關(guān)系密切，氣溫條件變化對污染物負(fù)荷影響不突出。由密云水庫的降雨年際波動(dòng)深刻影響了面源污染來看，極端氣候條件下流域面源污染的防控與整治格外重要。

2.3 HSPF模型參數(shù)的不確定性研究

在流域水文水質(zhì)的模擬應(yīng)用過程中，HSPF模型自身參數(shù)的不確定性對模擬輸出的影響較大。研究HSPF模型參數(shù)調(diào)整，對減少參數(shù)不確定性的影響具有重要意義。在國內(nèi)，羅川等[36]對太湖小流域的水文模塊、泥沙模塊，以及N、P輸出等模擬參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果得出7大關(guān)于徑流過程的敏感參數(shù)，其中，關(guān)于泥沙敏感性的參數(shù)3種，關(guān)于水質(zhì)模擬的敏感參數(shù)4種。研究結(jié)論對類似太湖區(qū)域的丘陵地區(qū)的小流域水文水質(zhì)模擬的敏感性參數(shù)調(diào)整和選擇具有一定的借鑒作用。李燕等[37]也分析了太湖丘陵地區(qū)流域徑流模擬的關(guān)鍵參數(shù)敏感性，總結(jié)了AGWRC、UZSN、INFILT、LZSN、DEEPFR這5大水文模擬中的關(guān)鍵參數(shù)的敏感性，通過調(diào)整參數(shù)將徑流模擬偏差控制在10%以內(nèi)，直到精度能符合模擬要求，提高了HSPF模型的模擬準(zhǔn)確度。張麗紅[38]將HSPF模型應(yīng)用于青山水庫的水文徑流應(yīng)用中，通過利用PEST參數(shù)校準(zhǔn)工具，在貝葉斯理論基礎(chǔ)上，構(gòu)建了青山水庫模型參數(shù)相對誤差的函數(shù)，對模型的參數(shù)不確定性和預(yù)測不確定性進(jìn)行了研究，得出了參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差及協(xié)方差，以及參數(shù)在預(yù)測不確定性中的貢獻(xiàn)，結(jié)果與參數(shù)敏感性分析一致。

國外，Gallagher等[39]認(rèn)為流域模擬模型參數(shù)在自然界中很難甚至不可能測量，參數(shù)必須經(jīng)常在次級(jí)信息源中進(jìn)行評(píng)估，因此通常具有顯著的不確定性，參數(shù)的準(zhǔn)確度對于模型模擬應(yīng)用的成功是至關(guān)重要的。Fonseca等[40]研究了葡萄牙水流域模型模擬參數(shù)的不確定性和靈敏度，目的是在數(shù)據(jù)資源獲取條件不足的前提下對模型參數(shù)的精確度研究進(jìn)行指導(dǎo)，該研究進(jìn)行了為期4 a的驗(yàn)證，結(jié)果顯示，HSPF模型模擬結(jié)果與預(yù)測值一致性較高，敏感性分析結(jié)果顯示，徑流估計(jì)與土壤、土地利用、氣候條件參數(shù)最為相關(guān)。此研究說明，今后學(xué)者在研究數(shù)據(jù)有限條件下的流域建模中，應(yīng)多注意部分重點(diǎn)敏感性參數(shù)，以期更有效地利用資源。

3 HSPF模型在我國流域面源污染控制中的應(yīng)用展望

面源污染管理研究的延遲影響了面源污染模型在我國流域中的應(yīng)用研究，同時(shí)，水文水質(zhì)模型在我國面源污染中的應(yīng)用本就存在一些現(xiàn)實(shí)的局限。HSPF模型是來源于美國的半分布式推廣模型，在我國進(jìn)行本土化應(yīng)用時(shí)，須調(diào)整相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。HSPF模型對于數(shù)據(jù)收集的要求較高，需要長時(shí)間序列數(shù)據(jù)，如降水、蒸發(fā)、日照、氣溫等，同時(shí)也需相應(yīng)的連續(xù)水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來校正模型，而我國各地區(qū)的資料相對短缺，且研究時(shí)間跨度不足，缺乏長時(shí)間的序列數(shù)據(jù)，這是限制HSPF模型在我國廣泛應(yīng)用的主要原因。隨著我國數(shù)據(jù)化信息化的進(jìn)步，以及水文水質(zhì)等數(shù)據(jù)收集站監(jiān)測點(diǎn)的增多和發(fā)展，所需的氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、河道水力數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)將更易獲取，HSPF模型在面源污染中的應(yīng)用優(yōu)勢將逐漸凸顯。

國內(nèi)外基于HSPF模型的流域面源污染模擬研究中，大多數(shù)學(xué)者已關(guān)注了降雨徑流及流量對面源污染負(fù)荷、泥沙侵蝕運(yùn)輸?shù)拿芮杏绊?，今后的面源污染研究方向?yīng)側(cè)重于在不同氣象水文條件、極端氣候影響、不同大小尺度流域條件下HSPF模型的模擬應(yīng)用研究，尤其須關(guān)注我國特色的引水工程、人工配水等人為干預(yù)下流域面源污染的模擬。

從HSPF模型自身來看，此模型依托于由GIS技術(shù)整合的平臺(tái)——BASINS系統(tǒng)，利用GIS自動(dòng)劃分子流域，生成所需河網(wǎng)水系，并將ArcView與水文模型融合，從而實(shí)現(xiàn)對土地利用、土壤、地形、DEM等數(shù)據(jù)圖形的引用及可視化。近年來，關(guān)于HSPF模型參數(shù)的不確定性研究增多，此類研究將成為模型定量評(píng)價(jià)研究的重點(diǎn)，對提高HSPF模型在面源污染模擬中的應(yīng)用精度具有重要意義。

我國流域的面源污染研究前路漫漫，亟須從碎片化的研究轉(zhuǎn)向大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與模擬，將HSPF模型的理論研究更多地應(yīng)用于實(shí)踐并挖掘HSPF模型的更多實(shí)用性價(jià)值，探索HSPF模型的潛力，為解決我國愈發(fā)嚴(yán)重的面源污染問題提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)和管理平臺(tái)支撐，更好發(fā)揮HSPF模型在我國流域面源污染研究中的應(yīng)用效果。