李家科，彭 凱，郝改瑞，李懷恩，李 舒

(西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

水資源是國家自然資源開發(fā)利用和保護的關鍵與核心之一，也是與石油、糧食資源并列的三大戰(zhàn)略性自然資源之一。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，三大產(chǎn)業(yè)用水對國內(nèi)水環(huán)境產(chǎn)生很大負擔，且我國人均水資源缺乏，水環(huán)境和水生態(tài)問題突出。一般來說，水體污染可分為點源污染(point source pollution)和非點源污染(non-point source pollution)[1]。近些年隨著政府部門對水污染治理的嚴加管控及高質(zhì)量工程措施的實施，點源污染得到了顯著控制。非點源污染來源于非特定的、分散的地區(qū)，地理邊界和發(fā)生位置難以識別和確定，具有隨機性強、成因復雜、潛伏周期長等特征[2-3]。國外以美國為代表，對非點源污染的研究開始于20世紀60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在非點源污染特征、機理、模型與控制等方面已經(jīng)形成了較為成熟的研究體系。相較于國外，我國非點源污染的研究較晚，始于20世紀80年代的湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查，進入90年代以后開始活躍，研究對象主要聚集在三峽庫區(qū)、太湖流域、密云水庫、滇池流域、渭河流域等區(qū)域，在北京、上海、南京、天津、西安、廣州等地也開展了大量城市非點源污染研究，主要通過經(jīng)驗模型、國外機理模型及改進方法等對目標區(qū)域進行研究，研究尺度分為空間和時間尺度?？臻g尺度包括徑流小區(qū)、田間、流域、國家乃至全球尺度；時間尺度包括小時、日、月、年及世紀尺度等[4]。近年來，將農(nóng)業(yè)、城市非點源污染模型與現(xiàn)代技術相結(jié)合成了新的研究熱點。黃河流域(圖1)的非點源污染研究始于20世紀末，研究內(nèi)容集中在典型支流非點源污染的監(jiān)測及負荷定量化方面。

圖1 黃河流域示意圖

黃河流域位于95°53′E～119°05′E、32°10′N～41°50′N，發(fā)源于青藏高原的巴顏喀拉山北麓，注入渤海灣，總面積79.5萬km2。流經(jīng)地區(qū)地勢復雜多樣，橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原及華北平原。根據(jù)2019年發(fā)布的《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，黃河流域劣Ⅴ類水質(zhì)占比8.8%，遠高于全國3.3%的平均水平，其干流水質(zhì)為優(yōu)，部分支流為輕度污染，總體水質(zhì)處于輕度污染[5]。黃河是中華民族的母親河，也是我國北方重要的生態(tài)屏障，更是橫跨東、中、西部的重要經(jīng)濟區(qū)和能源基地，對維護國家和區(qū)域安全具有不可替代的重要作用。黃河流域水質(zhì)的好壞直接影響到一帶一路的建設，影響到國家西部大開發(fā)的戰(zhàn)略布局，也關系到全流域1.07億人口的用水安全與經(jīng)濟發(fā)展。黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱，其中非點源污染形勢日益嚴峻，而且面臨多要素耦合驅(qū)動及多時空尺度過程相互影響的挑戰(zhàn)。本文通過闡述黃河流域非點源污染負荷定量化與污染控制的研究進展，歸納出黃河流域非點源污染研究的不足，展望未來的研究方向，從機制和內(nèi)涵上豐富流域非點源污染控制理論，期望有助于黃河流域非點源污染控制和水環(huán)境質(zhì)量的提高，進一步實現(xiàn)“幸福河”的目標。

1 黃河流域非點源污染負荷定量化研究

1.1 非點源污染機理研究

非點源污染機理研究是探討氮、磷、新型污染物、微生物等在不同影響因素驅(qū)動作用下遷移和轉(zhuǎn)化的過程，是認識其環(huán)境行為和進行污染防治的理論基礎?？梢詮难芯糠椒?、影響因素、機理過程3方面進行總結(jié)。

1.1.1研究方法

非點源污染研究主要包括選擇典型小流域進行小區(qū)試驗、人工模擬降雨試驗[6]、研究水質(zhì)變化、同位素示蹤技術等。對不同研究方法制定相應的監(jiān)測方案是非點源污染研究的關鍵環(huán)節(jié)，吳喜軍等[7]提出了一套針對城區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)和流域的非點源污染監(jiān)測方案，為非點源污染監(jiān)測的規(guī)范化和標準化提供了技術參考。非點源污染物主要來源于地表徑流，不同地理特征及耕作制度都影響污染物的流失過程，選擇有代表性的徑流小區(qū)，分析自然降雨條件下非點源污染的產(chǎn)生、遷移及轉(zhuǎn)化規(guī)律的方法已被廣泛應用。如：朱燕琴等[8]基于安家溝流域2014—2016年自然降雨條件下監(jiān)測資料，采用通徑原理分析植被、降雨及下墊面等因素對徑流量和產(chǎn)沙量的影響作用，發(fā)現(xiàn)雨強和植被類型是影響徑流量的重要因子，徑流量、蓋度及降雨歷時是影響產(chǎn)沙量較重要的因子?？紤]到非點源污染的空間差異性和自然降雨條件的局限性，可采用人工降雨模擬進行研究，呂黎明[9]在隴東黃土高原典型小流域設計研究不同雨強、坡度、植被覆蓋度等條件對非點源污染的影響。不同種類非點源污染物最終匯入河流等天然水體，研究受納水體水質(zhì)變化規(guī)律也可反映非點源污染的影響。

1.1.2影響因素

影響非點源污染的主要因素包括氣象水文、地形土壤、土地利用、植被覆蓋和社會經(jīng)濟等。降雨徑流是非點源污染物遷移轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力和載體，目前研究主要集中在暴雨徑流作用下N、P等常規(guī)污染物的流失等方面。Liu等[14]的研究表明，N、P的流失與降雨強度和前期土壤含水量呈正相關，而與植被覆蓋度呈負相關。黃河流域面積廣闊，地形地貌差異較大，人類活動影響強烈，構成其復雜多變的下墊面條件。地形因素主要通過坡度、坡長因子影響非點源污染過程，且相較于坡長，坡度對養(yǎng)分流失影響更大。不同的土壤類型(土壤結(jié)構、物化性質(zhì))及土地利用方式(植被類型、農(nóng)田措施以及耕作方式)也會對非點源污染物的輸出產(chǎn)生不同程度的影響[15]。城市化發(fā)展是流域潛在非點源污染高風險區(qū)面積增大的重要因素。城市作為人類活動最集中的區(qū)域，其非點源污染來源廣泛、機制復雜、治理困難。影響城市非點源污染主要因素包括氣候狀況及復雜的下墊面等因素。在西安市等地的研究表明，降雨時空分布特征、復雜的下墊面條件、大氣干濕沉降等對城市地表徑流污染物的濃度有很大影響[16-18]。不同影響因素作用下會導致非點源污染的響應不同，對此進行深入分析是研究黃河流域非點源污染過程的關鍵。

1.1.3機理過程

水文過程中的產(chǎn)匯流機制與非點源污染聯(lián)系緊密。黃河流域大部分位于西北干旱半干旱地區(qū)，降水量分布嚴重不均，氣候情況多變；產(chǎn)流過程也較復雜，半濕潤區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主，干旱半干旱區(qū)以超滲產(chǎn)流為主，源頭產(chǎn)流還存在凍融的影響。下墊面條件變化會對產(chǎn)流機制產(chǎn)生重要影響，黃土區(qū)植被恢復對產(chǎn)匯流機制有很大影響，隨著植被的恢復，產(chǎn)流機制有由超滲產(chǎn)流向混合產(chǎn)流及蓄滿產(chǎn)流轉(zhuǎn)變的趨勢；不同土壤含水量對凍融坡面產(chǎn)流也有較大影響，凍融作用會導致黃土坡面產(chǎn)流時間滯后，在含水量為20%時影響較顯著[19-20]。早有古籍記載“黃河斗水，泥居其七”，黃河水中泥沙主要來源于黃河流域中游的黃土高原地區(qū)，而夾雜在泥沙中N、P等營養(yǎng)鹽是造成水體污染的主要因素，這是黃土高原區(qū)土壤侵蝕與非點源污染的一個顯著特點。探究黃土高原地區(qū)土壤侵蝕的內(nèi)在機理，對該區(qū)非點源污染研究具有顯著的促進作用。Hao等[21]對中游北洛河流域的非點源顆粒態(tài)氮磷污染進行定量分析，發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)氮磷負荷空間分布與土壤侵蝕分布具有一致性，耕地對應的顆粒態(tài)氮磷輸出系數(shù)較高，在坡度8°～15°區(qū)域上顆粒態(tài)氮磷的輸出系數(shù)最大，可見黃土區(qū)土壤侵蝕與坡度具有一定關系。非點源污染物遷移轉(zhuǎn)化過程是污染物在降雨徑流的沖刷和淋溶作用下，通過地表徑流、壤中流和地下徑流的途徑輸出，造成地表水和地下水的污染。許昌敏等[22]認為，硝態(tài)氮難以被土壤顆粒吸附，是土壤氮素轉(zhuǎn)化、遷移過程中最活躍的氮素形態(tài)，容易受淋溶過程影響；總氮和硝態(tài)氮的濃度隨著淋溶次數(shù)的增加而減少，最終趨于穩(wěn)定。

隨著越來越多的新型污染物在水環(huán)境中被檢測發(fā)現(xiàn)，其對整個生態(tài)系統(tǒng)帶來的潛在高風險問題日益受到人們關注。目前對黃河流域新型非點源污染物的研究主要以污染物的種類調(diào)查及時空分布為主。研究發(fā)現(xiàn)，渭河關中段水體中抗生素主要為磺胺類和大環(huán)內(nèi)酯類，抗生素濃度在上、中、下游分布存在顯著差異，不同種類抗生素的空間分布特征不同，人口密度以及畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖對其影響較大[23]；渭河楊陵段多種耐藥細菌及耐藥基因檢出率均為100%，耐藥菌主要為耐頭孢曲松細菌，耐藥基因呈現(xiàn)出多樣化，相較于國外處于中等水平[24]；在汾河流域，朱宇恩等[25]著重分析了汾河沿岸農(nóng)田土壤中4種喹諾酮類抗生素的殘留情況及分布特征，發(fā)現(xiàn)其在汾河沿岸農(nóng)田土壤中檢出率達到98%以上，主要以諾氟沙星為主，其次為環(huán)丙沙星和氧氟沙星，恩氟沙星含量最低，且4種喹諾酮類抗生素含量受土壤理化性質(zhì)和pH值的共同作用，在中下游殘留濃度明顯高于上游。針對新型非點源污染的研究，目前主要集中在環(huán)渤海灣及東南沿海等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，我國其他地區(qū)研究不多，黃河中上游流域處于西北干旱半干旱地區(qū)，支流眾多，典型支流的生態(tài)環(huán)境形勢嚴峻，關于支流流域中不同類型新型污染物的研究更是少之又少。

水環(huán)境受到微生物污染而引起傳染病暴發(fā)和流行一度是人類生存和發(fā)展的主要威脅之一。水體微生物污染是指潛藏于畜禽糞便及生活污水中的微生物(致病菌、寄生蟲、病毒等)通過地表徑流、土壤侵蝕以及人類活動等因素進入受納水體對人類健康造成損害的污染[26]。有研究表明我國各類地表水環(huán)境均遭受到不同程度的微生物污染，有的地區(qū)已出現(xiàn)水體中因微生物超標引發(fā)的安全事件[26]。鑒別水體中微生物的來源及污染程度有助于對微生物污染的監(jiān)管和防控，目前多采用微生物污染溯源技術。我國其他流域已有運用微生物溯源技術分析微生物污染的主要來源，對其污染特征、時空分布、防控等也有一定的研究[27-28]。目前在黃河流域?qū)λw微生物非點源污染的研究鮮見，后續(xù)有必要對黃河流域水體中微生物及其來源進行研究，并評估其對水環(huán)境的危害程度和人類健康威脅度。

1.2 非點源污染通量估算方法和模型

表1 有限資料條件下非點源污染負荷估算方法

1.2.1非點源污染通量估算方法

我國非點源污染研究的時間較短，缺乏長系列的監(jiān)測數(shù)據(jù)，迄今為止也尚未將非點源污染納入常規(guī)監(jiān)測范圍，現(xiàn)有的水文資料都是我國學者及相關單位根據(jù)科研課題獲得，不能形成系統(tǒng)的監(jiān)測體系。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)學者圍繞黃河流域特別是在黃河中游污染較重的渭河流域地區(qū)，在有限資料條件下相繼提出了適合我國國情的非點源污染負荷估算方法，并取得一定的研究成果，這些原創(chuàng)性方法同時也應用到了我國其他流域非點源污染負荷的估算，表現(xiàn)出不錯的效果。具體詳見表1。

1.2.2非點源污染模型

國外關于非點源污染模型研究較早，涌現(xiàn)出較多經(jīng)典的非點源污染模型[43-54]。而我國非點源污染模型研究起步較晚，李懷恩等[52]提出了國內(nèi)首個具有機理基礎的流域降雨徑流非點源污染數(shù)學模型，此外，郝芳華等[53]、宋文龍等[54]在黃河流域非點源污染大尺度計算模型方面進行了重要探索。本文通過模型參數(shù)、時間尺度、模型組成、污染物類型、應用區(qū)域等方面對國內(nèi)外常見的非點源污染模型進行總結(jié)，如表2所示，污染物主要考慮了有機污染物、重金屬、農(nóng)藥等[55-56]。同時，李懷恩等[57]從20世紀90年代起，對陜西黑河水庫流域進行研究，將非點源污染模型(流域降雨徑流非點源污染數(shù)學模型、AnnAGNPS等)和水庫水質(zhì)模型(CE-QUAL-W2、MIKE等)相結(jié)合，在水庫水質(zhì)對非點源污染輸入負荷的響應和水源保護的流域非點源污染控制方案等方面做了開拓性的工作。

1.2.3新型非點源污染物模型

新型污染物進入環(huán)境后在不同介質(zhì)中和介質(zhì)間會發(fā)生遷移、擴散和轉(zhuǎn)化，且種類繁多、理化性質(zhì)各異、影響復雜，利用數(shù)學模型預測新型污染物在環(huán)境相中的分布及歸趨是一種有效方法。逸度模型(fugacity model)具有結(jié)構簡單、所需參數(shù)少且容易獲得、結(jié)果直觀等優(yōu)點，在多介質(zhì)環(huán)境中可以較好地模擬新型污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化及預測對環(huán)境可能造成的不利情況。近年來，使用逸度模型與水質(zhì)模型結(jié)合評估有機污染物在河流系統(tǒng)的歸趨取得了很好的效果，但是針對新型非點源污染物模型研究大多集中在我國沿海城市及南方發(fā)達地區(qū)[58-59]。黃河流域鮮有對新型污染物進行研究，目前尚處于起步階段。綜合考慮還存在以下幾點問題：新型污染物質(zhì)在水體中的遷移轉(zhuǎn)化、對水中生物影響等機理研究不清；關于新型污染物定量化的自主模型少見；新型非點源污染物研究時間短，數(shù)據(jù)累積少，亟須對這一熱點問題進行深入研究。

表2 非點源污染模型對比

1.3 黃河流域非點源污染通量特征

1.3.1農(nóng)業(yè)灌區(qū)非點源污染特征

黃河流域以2%的徑流量養(yǎng)育了12%的人口，灌溉了15%的耕地，在地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮了巨大作用。灌區(qū)是黃河流域比較重要的耕地類型，化肥、農(nóng)藥的大量使用引起的農(nóng)業(yè)非點源污染也愈發(fā)受到人們的關注。對于農(nóng)業(yè)非點源污染的研究，我國學者通常采取監(jiān)測試驗與模型模擬相結(jié)合的方法，研究主要污染物的時空分布特征、遷移轉(zhuǎn)化機理及防控評價等內(nèi)容[60-61]。如李強坤等[62]在黃河上游青銅峽灌區(qū)分析了主要污染物在灌區(qū)輸水系統(tǒng)、田間系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的運移特征，劃分“源”“匯”模塊構成完整的農(nóng)業(yè)非點源污染負荷模型，并針對性地提出了農(nóng)業(yè)源污染控制措施。郝芳華等[63]在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)做了一系列研究，如水循環(huán)特征對土壤水運移的影響、不同耕作方式下土壤磷素的流失評價、不同灌溉季節(jié)土壤氮素的時空分布特征分析和鹽分流失變化、灌區(qū)夏秋澆灌的氮磷元素遷移轉(zhuǎn)化等。黃河流域擁有內(nèi)蒙古河套、寧夏青銅峽、陜西寶雞峽和涇惠渠、河南勝利渠及山東位山等大型灌區(qū)，農(nóng)業(yè)非點源污染問題突出，推進流域化肥農(nóng)藥減量增效，減少非點源污染已勢在必行。

1.3.2城市非點源污染特征

黃河流域擁有蘭西、寧夏沿黃、關中、中原及山東半島等城市群，城市密集、人口多且擴展速度快，城市群帶來的非點源污染問題非常關鍵。蘭州市非點源污染研究表明，市區(qū)地表徑流污染物濃度大于北京、上海等其他城市，這主要是與蘭州市區(qū)環(huán)境較差、大氣污染嚴重有關；且主要污染物SS、COD、TP的濃度表現(xiàn)為街道大于小區(qū)大于屋面，TN表現(xiàn)為街道大于屋面大于小區(qū)的現(xiàn)象[64]。在西安市，城市非點源污染研究取得了一定的成果，如李家科等[65]發(fā)現(xiàn)西安城區(qū)的非點源污染呈區(qū)域性，SS、COD、重金屬平均濃度在交通區(qū)最大，NH3-N、TN、TP平均濃度值在商業(yè)區(qū)最大。陳瑩等[66]分析了西安市路面徑流污染隨季節(jié)變化特征，發(fā)現(xiàn)SS、COD濃度呈現(xiàn)冬春季高秋季低的變化趨勢，表明其受交通污染源排放和大氣降塵的共同影響；NH3-N濃度呈現(xiàn)秋冬季高夏季低的趨勢，表明其主要與大氣降水有關。王寶山等[67]建立了匯流面污染物輸送模型，對小區(qū)域雨水徑流污染物COD、SS和TN進行了模擬，結(jié)果表明在降雨初期，污染物輸送速度迅速增加，形成全面匯流時達到最大值，隨后呈逐漸降低趨勢。李懷恩等[68]研究了西安市降雪徑流污染特性，污染物SS、COD、TN的濃度在融雪徑流初期高于融雪后期，相同地點降雨徑流污染濃度高于降雪徑流。黃河流域城市群非點源污染影響因素復雜(如尺度、自然要素、人類活動、變化環(huán)境等)，目前城市非點源污染研究尺度較多的針對城市某一片區(qū)，缺乏較大尺度研究。

1.3.3流域非點源污染特征

通過非點源污染估算方法及模型模擬，研究流域污染物的通量、分布特征，可為流域非點源污染的治理提供有力的科學支撐，現(xiàn)有黃河流域非點源污染特征主要研究成果詳見表3。

表3 黃河流域非點源污染特征研究成果

綜上所述，目前黃河流域非點源污染研究主要集中在運用有限資料下的負荷估算方法和模型進行負荷定量、污染物源區(qū)識別和時空分布研究等方面。仍然存在一些不足，首先是非點源污染物缺乏系統(tǒng)性監(jiān)測；其次在機理研究上，關于常規(guī)污染物和新型污染物的全過程研究較少，多是單一因素影響研究，研究深度不夠[78]；估算方法上，大多是在有限資料下展開，不同估算方法對應的結(jié)果差異性較大，后續(xù)針對不同污染物來源還需精細化處理；模型研究上，我國自主研發(fā)的模型鮮見，多是直接或部分應用發(fā)達國家開發(fā)的模型。黃河流域地理條件變化大、地形地貌特殊且受人為活動影響大，對應用的機理模型參數(shù)要求很高，自主研發(fā)黃河流域的非點源污染模型及與河庫(湖)耦合的模型亟待突破；特征研究上，局限于黃河干流某一斷面、典型子流域和城市某一片區(qū)，且成果較多集中在黃河流域中游地區(qū)，缺乏黃河流域上下游的研究，不同污染源的入河通量不確定，仍然缺乏系統(tǒng)、深度的研究。

2 黃河流域非點源污染控制研究

由于流域非點源污染發(fā)生隨機、過程復雜，再加上其機理的模糊性，形成時的潛伏性，難以識別和確定，很難對其進行有效管理和控制。美國是開展非點源污染控制研究最早的國家，最先提出了“最佳管理措施(best management practices, BMPs)”和“低影響開發(fā)(low impact development, LID)”理念，并在一些地區(qū)展開試驗研究，并取得了不錯的效果[79]。相對而言，中國關于非點源污染控制的研究時間短，但是也有比較系統(tǒng)的認識和方案[80]，目前黃河流域非點源污染控制的研究進展主要涉及源頭控制、過程控制、末端治理及控制規(guī)劃4方面。

2.1 源頭控制

非點源污染控制的關鍵是污染源的控制，主要涉及農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)、村莊生活等。在黃河流域，有研究表明，農(nóng)業(yè)施肥是發(fā)生非點源污染的重要因素之一，最佳固氮固磷的土地利用類型是草地，林地次之，耕地最差，農(nóng)田是N、P流失最主要的土地利用類型[81]。此外，也有學者在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)研究了種肥+追肥和單一種肥的施肥方式下TN的流失量，發(fā)現(xiàn)在小麥、玉米兩種農(nóng)作物中，種肥+追肥能更好地削減TN負荷量[82]。城市非點源污染源頭控制方面，主要以LID和BMPs為主。西安市是非點源污染源頭控制研究較多的區(qū)域，在主城區(qū)、灃西新城等地通過提出LID及BMPs等組合系統(tǒng)，使得道路景觀與雨水處理有機地結(jié)合起來，達到控制城市非點源污染的效果[83-84]。

2.2 過程控制

在非點源污染物進入受納水體之前，采取攔截污染物措施減少污染進入水體就是過程控制，主要包括水保措施、植物籬、沉砂池等措施。李家科等[85]應用SWAT模型對渭河支流灃河流域的徑流、泥沙及營養(yǎng)鹽污染負荷的產(chǎn)輸出過程進行了模擬計算，提出實施水土保持措施如植樹造林、種草、退耕還林等，加強水土流失區(qū)治理，減小土壤侵蝕可以有效減少污染。黃河流域耕地中坡耕地較多，坡耕地的水土流失會導致非點源污染加重。吳磊等[86]提倡在黃土高原地區(qū)構建“喬-灌-草”多種組合形式的植物籬，并且修建流渠(管)、沉砂池等工程措施，多種措施相結(jié)合方法對非點源污染物的削減效果顯著。

2.3 末端治理

末端治理作為非點源污染控制的最終措施，主要包括人工濕地、水陸交錯帶、植被過濾帶、生態(tài)護岸等。研究表明，通過在農(nóng)田周邊開挖人工濕地和設置防護林帶，在入河口、沿河兩岸的農(nóng)田邊緣建立水陸交錯帶等多種組合措施，可以達到控制非點源污染的效果[87]；在河岸濕地，蘆葦、藨草、水燭等不同植被群落對農(nóng)業(yè)非點源氮素均具有一定的控制功能，證明了河岸濕地對非點源污染的控制起到了重要作用，但3種植被對氮素污染的吸收有較大差異，具體表現(xiàn)為蘆葦優(yōu)于藨草優(yōu)于水燭[88]。鄧娜等[89-91]發(fā)現(xiàn)植被過濾帶對地表徑流的懸浮固體、顆粒態(tài)氮、顆粒態(tài)磷、總氮、總磷都有較好的削減效果，且不同植被配置下的植被過濾帶凈化效果由好到差排序為：草地過濾帶、灌草植被過濾帶、空白帶。此外，張學慧[92]在汾河水庫流域非點源污染控制中，采取設置緩沖帶等措施完成負荷削減效果的模擬，發(fā)現(xiàn)設置緩沖帶后，各非點源污染因子負荷量均有不同程度的削減，且削減比例隨緩沖帶寬度的增加而逐漸增大。

2.4 控制規(guī)劃

非點源污染的控制規(guī)劃涉及經(jīng)濟、決策、技術、意識等，在實現(xiàn)污染物最大削減效率的同時實現(xiàn)經(jīng)濟成本的最小化，通過這些措施的結(jié)合確定最優(yōu)的控制方案，這對非點源污染的防控具有重要意義。毛戰(zhàn)坡[93]以陜西黑河流域為例，提出以土地利用方式為核心的非點源污染控制方案，以經(jīng)濟效益最大、非點源污染環(huán)境容量和土地利用面積等作為約束條件構建了多目標線性規(guī)劃模型，提出設置植被保護帶、控制人口數(shù)量等6種控制措施相結(jié)合來控制該區(qū)非點源污染。蔡明[94]在渭河陜西段對非點源污染物氮提出設置不同的耕作方式、減少農(nóng)藥化肥使用、退耕還林、植被過濾帶、濕地系統(tǒng)及多水塘系統(tǒng)等多種措施相結(jié)合的控制技術體系。其他流域控制規(guī)劃研究采用了排污權交易模型，且考慮了環(huán)境容量、工程型和非工程型控制措施、不確定性等因素；也有采用SUNTAIN系統(tǒng)在流域、農(nóng)村社區(qū)、農(nóng)戶3個層面的BMPs組合方案優(yōu)化模擬[95]。

綜上所述，黃河流域采用的源頭控制、過程控制、末端治理及控制規(guī)劃等措施的方案大多在較小范圍實施；城市非點源污染控制多是利用模型模擬給出控制方案，缺乏措施實施后的評估。不論黃河流域還是其中的城市群，控制措施較多的是關注技術層面的防控，部分技術也建立了示范工程，但缺乏系統(tǒng)和全面的控制體系以及對整個農(nóng)業(yè)及城市生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復與優(yōu)化，亟須構建黃河流域農(nóng)業(yè)及城市結(jié)合的點源、非點源污染綜合防控體系，將源頭治理、過程控制和末端治理的控制技術進行集成、示范和標準化，未來研究比較關鍵的是擴大控制面、技術推廣及后期階段性效果的評估。

3 研究存在的不足與展望

3.1 不足

黃河流域非點源污染的負荷定量化與污染控制已取得一定的研究成果，但是黃河流域跨度大，非點源污染物來源廣泛，且在氣候變化的大背景下，非點源污染的機制及內(nèi)涵更加復雜，通過前期黃河流域非點源污染的研究回顧，發(fā)現(xiàn)還存在以下不足：

a. 流域和農(nóng)業(yè)非點源污染方面。主要集中于黃河流域部分支流如渭河、汾河以及部分灌區(qū)。針對黃土區(qū)流域水沙過程與氮磷流失的特殊性，黃土高原非點源污染的機理、模型、防控等綜合體系研究缺乏，缺少對黃河流域上、下游區(qū)域的研究。常規(guī)污染物和新型污染物多是單一因素影響研究，缺乏多要素綜合影響分析。研究內(nèi)容多是在有限資料條件下利用成熟的國外模型進行模擬，但存在輸入數(shù)據(jù)要求高、長期數(shù)據(jù)資料缺乏、參數(shù)多且率定困難及不確定性等問題。缺少適合黃河流域多空間尺度和自主研發(fā)的水文-水質(zhì)-水動力的非點源污染和水庫水動力-水質(zhì)耦合模型。

b. 城市非點源污染方面。主要以城市非點源污染模型軟件SWMM模擬、LID和BMPs研究為主。缺乏長期基礎監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究對象多為城市某一片區(qū)，以整個城市或城市群為研究對象鮮見。

c. 非點源污染防控方面。控制措施較多關注技術層面的防控，對一些關鍵控制管理措施沒有形成系統(tǒng)的規(guī)范與指南，也不能因地制宜形成全面的控制與管理體系。黃河流域非點源污染的研究區(qū)域呈現(xiàn)較大的不平衡性，通過文獻分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)集中在黃河流域中游，上游、下游研究較少。這樣的分布特點可能與黃河流域的地理特征與地區(qū)學科布局存在著一定的關系。此外，黃河流域缺乏非點源污染管制的法律、政策和體制機制，諸多研究成果主要集中在生態(tài)環(huán)境領域方面，對于涉及社會性、經(jīng)濟性、政策性方面的內(nèi)容則少有提及。流域的持續(xù)健康發(fā)展受到眾多因素的綜合影響，全面考慮才能對流域污染進行綜合防控。

綜上，黃河流域非點源污染研究還存在很大的不足。與國內(nèi)外其他地區(qū)非點源污染研究相比，首先，黃河流域非點源污染研究總體上起步較晚，研究不夠深入；其次，在研究尺度方面，空間尺度大多集中在小區(qū)、農(nóng)田、小流域，時間尺度主要在小時、天、年尺度上，缺乏全流域、長序列等尺度研究。雖然國內(nèi)學者針對我國國情提出了很多有限資料下非點源負荷估算的方法，但黃河流域不同地區(qū)非點源污染機理、自主模型構建、綜合防控體系等研究亟待發(fā)展。

3.2 研究展望

污染物監(jiān)測是研究非點源污染、模型軟件運行的基礎。后續(xù)應加強黃河流域常規(guī)、新型污染物基礎數(shù)據(jù)的監(jiān)測，各部門應加強數(shù)據(jù)合作共享，科學觀測并建立長期有效的非點源污染監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。針對目前研究狀況，在非點源污染模型方面還需分別建立適合黃河流域、具有自主知識產(chǎn)權、能推廣應用的水文-水質(zhì)-水動力非點源污染和水庫水動力-水質(zhì)耦合模型。在原有研究基礎上深入對黃河流域非點源污染物的產(chǎn)生、遷移轉(zhuǎn)化、管理控制等過程研究，摸清黃河流域干支流非點源污染物的種類，探究負荷定量及關鍵源區(qū)確定的方法，并改進現(xiàn)有研究階段只關注污染過程中某一環(huán)節(jié)的研究模式。

從我國國情出發(fā)，未來農(nóng)業(yè)非點源污染研究仍是重點與熱點。黃河流域地區(qū)村莊、耕地分布廣泛，針對耕地中N、P、農(nóng)藥、化肥流失，農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便缺乏有組織排放等現(xiàn)狀，可進行黃河流域農(nóng)村污水處理與水系統(tǒng)健康循環(huán)模式研究。如，針對黃河流域農(nóng)村污水分散排放、高氮磷低有機物的特點，實現(xiàn)污水的高效處理和水循環(huán)模式的健康可持續(xù)發(fā)展；針對黃河流域不同地區(qū)氣候特征和排放要求，構建因地制宜、分類指導的農(nóng)村污水治理技術體系；針對黃河流域不同區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展水平，形成適合黃河流域村鎮(zhèn)污水處理建管并重的長效運維機制。還應加強水土流失以及壤中流形成的非點源污染及其遷移轉(zhuǎn)化、控制管理等整個復雜機理過程的不確定性研究。積極利用現(xiàn)代科學技術，如同位素示蹤法與現(xiàn)有的研究方法相結(jié)合進一步加強該區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染研究，形成一套適合該區(qū)的研究體系。城市非點源污染研究應從研究機理、模型及尺度3個方面展開。加大對黃河流域城市非點源污染的產(chǎn)匯流污染過程、暴雨徑流沖刷下的泥沙遷移轉(zhuǎn)化、污染物的生化反應等機理過程的深入研究。尤其是黃土地區(qū)海綿城市建設的關鍵技術及問題研究，如雨水徑流集中入滲對植物、土壤、地下水的累積效應及風險研究，LID設施規(guī)范化與標準化研究等。建立適合該區(qū)的城市非點源污染的非點源污染模型，從城市某一區(qū)域的小尺度模擬過渡到以整個城市為研究對象的空間模擬。

黃河流域非點源污染的防控是進行非點源污染理論研究的最終目的。未來黃河流域非點源污染防控要從全流域、全過程進行綜合治理，把BMPs充分運用到農(nóng)業(yè)、城市非點源污染控制中來，通過明確各分區(qū)的非點源優(yōu)化控制模式，定量模擬各單項控制措施及措施組合效果，篩選出最優(yōu)防控方案，布設全流域非點源污染空間層次配置綜合防控系統(tǒng)。考慮點源、非點源的綜合控制和方案管理，因地制宜形成全過程控制與管理體系。做到如何將控制管理理論實施到實踐當中是我國研究學者未來研究的重點。

新型非點源污染物也是近幾年全球?qū)W者研究的熱點，其對整個生態(tài)系統(tǒng)帶來的潛在高風險問題已不可忽視。黃河流域目前關于這方面的研究少有報道，未來應重視新型非點源污染物的研究?？蓮男滦臀廴疚锏膩碓唇馕?、環(huán)境行為、過程控制技術與管理措施、生態(tài)風險分析等方面進行，探究其內(nèi)在機理。在當今世界各國面臨著新冠病毒威脅這一大形勢下，還需探究黃河流域病原微生物潛在的健康風險，為后續(xù)防控奠定基礎。

黃河流域生態(tài)環(huán)境保護和高質(zhì)量發(fā)展的國家戰(zhàn)略給黃河流域非點源污染研究帶來新的機遇與挑戰(zhàn)，從2019年8月至2020年6月，習近平總書記先后前往甘肅、河南、陜西、山西、寧夏5個省份進行調(diào)研，針對黃河流域提出一系列的治理理念，將生態(tài)保護與經(jīng)濟綠色發(fā)展放在同等重要的位置。對黃河流域非點源污染負荷定量化與控制的系統(tǒng)深入研究有利于黃河流域水體污染的有效防治，從而助力地方經(jīng)濟建設和社會發(fā)展，為國家重大水環(huán)境戰(zhàn)略任務的順利實施以及黃河流域高質(zhì)量發(fā)展提供有力的理論依據(jù)與技術支持。