水环境非点源污染模型研究的文献综述
1 引言
水污染是制约中国乃至全球社会经济可持续发展的重大问题，非点源污染是其中最不易控制的难点问题。非点源污染指时空上无法定点监测的，与大气、水文、土壤、植被、地质、地貌、地形等环境条件和人类活动密切相关的，可随时随地发生，直接对大气、土壤、水构成污染物的来源[1]，包括大气环境的非点源、土壤环境的非点源和水环境的非点源。水环境的非点源包括大气干湿沉降、暴雨径流、底泥二次污染和生物污染等方面。狭义的非点源污染指降雨(尤其是暴雨)产生的径流，冲刷地表的污染物，通过地表漫流等水文循环过程进入各种水体，引起含水层、湖泊、河流、水库、海湾及滨岸生态系统等的污染[2-3]。非点源污染成分复杂、类型多样，污染源强有地表径流污染、土壤侵蚀和流失、施用化肥农药、污水灌溉、农村生活污水、畜禽粪便、水体人工养殖、大气干湿沉降、底泥二次污染、旅游污染等[4-9]。危害较大的污染物有氮、磷、泥沙、盐分、重金属、有机物、酸雨、农药、细菌等。非点源污染具有随机性、广泛性、滞后性、模糊性、难监测性、潜伏性、研究和控制难度大等特点。
农业面源污染是最为重要且分布最广泛的面源污染。城市化被认为是仅次于农业造成地表水污染的主要原因。城市地表径流被美国环保局列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源。全球30%～50%的地表已受到非点源污染的影响[10]。美国江河中73%的BOD、92%的悬浮物和83%的细菌均来自非点源;墨西哥湾年氮入流量89%来自非点源造成严重的水体富营养化;欧洲因农业活动输入北海河口的总氮、总磷分别占60%、25%;丹麦大部分河流、荷兰农业中来自非点源污染的氮磷负荷分别占94%、52%和60%、40%～50%[6,11-13]。中国水土流失面积占国土面积的37.2%，非点源污染已成为江河湖泊，尤其是巢湖、太湖、滇池等湖泊水质恶化的主要原因;北京市地下饮用水硝态氮含量半数以上超过国际标准;重庆市单位面积氮磷、农药施用量分别达314 kg/、9.55 kg/。暴雨因子是非点源污染发生的主要驱动力，在全球气候变化背景下，多数陆地地区的强降水事件频率呈现增加趋势[14]，中国降水强度和频率普遍也趋于增加[15-17]，非点源污染情势亦将日趋严重。非点源污染主要集中在水土流失严重的地区和农业区，然而长期以来中国重点控制点源污染，侧重城市环境管理，至今尚未把非点源污染纳入水污染总量控制中去，导致中国非点源研究相对滞后。
非点源污染已引起了严重的生态环境问题，成为继点源污染后的国际研究热点问题之一，非点源科学研究及控制包括对非点源污染过程的动态监测、采用非点源污染模型进行非点源污染量化、影响评价和污染治理等，是当今水文、环境等交叉学科研究的重点。
2 非点源污染模型研究
基于陆地水文学、水土保持学、环境化学等相关学科的水环境非点源污染的主要研究领域包括非点源污染的特征、负荷、地域范围、机理及相关影响因子等。通过采用野外实地考察和监测、人工模拟试验、遥感、地理信息系统等技术手段定量识别非点源污染时空分布规律，与非点源污染机理模型研究相结合，构建以实用性为目标的污染模型，进行影响评价和污染治理，从而促进非点源污染的控制与管理。
非点源污染模型可模拟非点源的形成、迁移转化等，预测规划措施对污染负荷和水质的影响，为非点源控制和管理的定量化提供有效的技术手段。完整的模型系统主要包括4部分：降雨径流模型、侵蚀和泥沙输移模型、污染物迁移转化模型、受纳水体水质模型[18]。非点源污染模型有多种分类方法，通常可分为功能性和机制性模型[19-20]，前者依据输入输出构建经验模型，多用于流域非点源年均污染负荷计算，不涉及污染的具体过程和机理，不适合短期计算，在与试验区自然、社会因素差别较大的区域较难外推使用;后者以非点源污染的发生、迁移转化和影响的具体过程为框架，考虑中间过程或内在机制，数据精度要求高，模型外推受时空制约较少。实际上由各子模型构成的非点源污染模型往往兼有以上两种形式[21]。本文将着重讨论国内外非点源污染数学模型研究的发展。
2.1 国外非点源污染模型研究
土壤侵蚀是规模大、危害程度严重的一种农业非点源污染，目前普遍采用美国的通用土壤侵蚀方程(The Universal Soil Loss Equation，USLE)和修正的土壤侵蚀方程(RUSLE)估算农田长期土壤流失量。USLE是美国水土保持局经40多年的现场观测调查得到的经验方程[22]，假设决定土壤侵蚀的6个因子为降雨能量、土壤可蚀性、坡长、坡度、作物覆盖及管理、水土保持措施。该公式结构合理、参数代表性普遍、应用范围广，与之结合的各种实用商业化软件的开发与使用发展迅速。但模型资料主要来自美国落基山山脉以东地区，仅适于平缓坡地，不太适于垄作等高耕作及带状耕作措施等，限制了其推广应用。作为经验模型，不能描述土壤侵蚀的物理过程，如仅考虑了降雨侵蚀力因子，未考虑与侵蚀密切相关的径流因子，坡长与降雨、坡度与降雨等有关因子交互作用也被忽略等。
20世纪80年代中期，提出应用现代化的试验测试手段和计算机模拟技术，根据细沟间侵蚀和细沟侵蚀的原理及泥沙输移的动力机制，建立修正的通用土壤流失预报方程[23]，即RUSLE，其基本原理与USLE相同，都是六参数乘法算式。模型有良好的适应性，可模拟多种流域管理措施下的水土流失状况;应用范围由二维领域扩展到三维，可模拟地貌景观的空间演变特性，预报可靠性大大加强。RUSLE是缓坡地模型，主要针对平原区和缓坡地形区，而中国地貌类型复杂多样，模型基于年降雨的侵蚀产沙模型，不符合中国黄土高原等许多地区高强度次降雨居于侵蚀产沙主导地位的情况，使RUSLE在中国的应用也受到很大的约束;RUSLE各侵蚀因子的测算，有严格的实验条件，其测算在中国尚未有统一的方法。
1985年美国农业部研究了新一代连续日尺度水蚀预报模型WEPP(Water Erosion Prediction Project)模型[24]。模型主要由7部分组成：对降雨、温度、风等气候因子的模拟，地表水和地下水的水文运动，水平衡和渗透，土壤组成和变化，植物生长和残留物分解及管理，地表水力学运动，侵蚀的形成和预测预报等。作为连续的物理模型，WEPP可以模拟非规则坡形的陡坡、土壤、耕作、作物及管理措施对侵蚀的影响，可以模拟土壤侵蚀的时空变异规律;预测泥沙在坡地及流域中的运
移状态;但其本身只能模拟片蚀、细沟侵蚀和临时性沟道中的水力侵蚀过程，无法模拟较大规模的沟蚀和流水沟道的侵蚀;模型在它的发源地未得到很好的推广，限制了其发展。
20世纪70年代初提出的输出系数法是利用污染物输出系数估算流域输出的面源污染负荷，主要用于评价土地利用和湖泊富营养之间的关系，由此建立的半分布式输出系数模型[25]。该模型允许田间试验的研究结果应用到适合尺度的集水区管理，已被成功地用于确定英格兰和威尔士的湖泊养分负荷量、北加拿大河流的面源污染负荷估算等。与3S技术结合，流域污染负荷估测精度大大加强，且在流域内污染负荷的时空分布模式及其驱动因素分析、流域污染主要来源及其污染关键源区的识别、污染控制的最佳管理措施方面等均得到了广泛的应用。
20世纪70年代由美国农业部农业研究局(USDA-ARS)开发的CREAMS(Chemicals，Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems)，可在估算田块径流、泥沙和农田化合物流失量的基础上，评价不同耕作措施对非点源污染负荷的影响，适于田块尺度过程的计算[26]。模型适于40～400的流域，包括水文模块，侵蚀或泥沙模块，化学污染物模块。模型已广泛用于计算农田污染物的流失，也可单独用于暴雨过程中径流计算。由于模型参数较单一，且未考虑流域土壤、地形和土地利用状况的差异，只能用做粗略的计算和预测预报。
GLEAMS(Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)模型由美国佐治亚大学与USDA-ARS共同研发，其前身为CREAMS，主要用于小区域模拟，可模拟的水质项目包括沉积物、硝酸氮、氨氮、硝酸磷、氨氮、总氮、总磷等[27]。模型采用修正的SCS曲线数法模拟降雨径流，使用Priestly-Taylor或Penman-Monteith方法模拟蒸发。通过模拟氨化、硝化、脱硝、挥发、吸收、固定等作用，以经验或半经验公式与模型结合来模拟氮因子。主要采用Sharpley等[28]发展的一长期估算土壤侵蚀的模型模拟磷，农药成分的模拟主要针对农药特性、土壤质地、气候影响、管理策略、表面径流渗漏与附着等交互作用而进行，模型中也模拟了施药后农药在根际的传输。
20世纪70年代针对欧洲平原地区研发的分布式事件模型ANSWERS(Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation)[29]，可模拟的水质能分仅为氮和磷，不能模拟各化学物质的相互转换、杀虫剂、深层下渗、壤中流、河道基流、融雪过程。20世纪90年代，Bouraoui等[30]基于原模型开发了连续模拟版本ANSWERS 2000，以方格划分流域，网格内所有的水文参数(土壤特性、地表状况、植被、地形等)一致。雨期和无雨期的模拟步长分别为30 s、24 h。模型包括水文、泥沙输移、营养物质3大模块。由于该模型采用经验性的侵蚀模块，仅可以模拟总泥沙迁移过程，而不能模拟如地表径流的饱和度、地下水等许多子过程;因未考虑不稳定水流运动、土壤中污染物运移、土壤与地表水之间的交换等，导致非点源污染模拟具有不确定性，不能很好地用于BMPs规划;江河中水流和泥沙输移运动与耕地上坡地流的特性不同，需修改输移方程;不适于壤中流为主的流域。
1986年由USDA-ARS与明尼苏达污染物防治局研制的流域分布式事件模型AGNPS(Agricultural Non-Point Source)[31]，步长为暴雨历时，适于1～20000 的流域，以方格划分流域，包括水文、侵蚀、泥沙和化学物质传输模块。模型可连续模拟土壤水和地下水中氮平衡，在流域景观特征、水文和土地利用规划等领域有良好的适应性;大量经验公式的采用使其在数据短缺地区适应性较强，但无法模拟各营养物组分及其在河道中的转化过程，不适于流域物理过程的长期演变及土壤侵蚀时空分布规律等研究。1998年研发的以日为步长的批处理过程、连续模拟、地表径流污染物负荷模型AnnAGNPS(Annualized AGNPS)适合1～3000 的流域，按集水区划分单元，由数据输入和编辑模块、年污染负荷计算模块、数据输出及显示模块3部分组成，由水文、侵蚀和泥沙输移、化学物质(养分和农药)模块组成，还可计算点源、畜牧养殖场产生的污染物、土坝、水库和集水坑的影响。但模型忽略河道沉积泥沙吸附营养物及农药的后续影响，假定模拟期间点源流量及营养盐为常数，忽略地下水的影响，总磷模拟存在较大的不确定性等。
20世纪90年代初USDA-ARS开发的以日为步长的具有物理机制的适于大、中尺度的流域管理模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是在农业和森林为主的流域具有连续模拟能力的最有前途的非点源模型[32-33]。以子流域划分法离散流域，并进一步划为水文响应单元(HRU)，包括水文、非点源污染负荷模拟、河道污染物迁移转化和湖泊水体水质模块。模型不能模拟详细的基于事件的洪水和泥沙，日模拟存在系统误差，丰水期模拟效果较好;各HRU可有不同的地形特征，且设定土地利用和土壤阈值会忽略产沙量较大的小面积土地;在地表层增加营养物模拟化肥施用与实际不符;水质模拟结果以负荷总量的形式输出，而中国水质检测和管理主要采取污染物浓度控制，需进行换算;DEM分辨率对提取坡度值影响较大，模拟流域产流、产沙时，应订正坡度;天气发生器只能产生一点处的天气序列，不适于尺度水文模拟;增加了模拟河道下切和边坡稳定性的算法，允许河道范围和大小连续更新，但河床描述过于简单;基于完全混合假设的水库演算的出流计算过于简化，为模拟大型水库，这些方面有待改进。
1981年Robert提出的HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran)模型[34]，起源于SWM(Stanford Watershed Model)模型，适于大流域长期连续模拟。模拟地段分透水地面、不透水地面、河流或完全混合型湖泊水库。模型包含3个应用模块和5个效用模块，前者模拟流域的水文/水力和水质要素，后者可分析时间序列数据。应用模块包括透水和不透水区水文水质模块，透水区模拟包括融雪、水文、地表土壤侵蚀沉积物、多种水质变化模拟及农业化学子模块等;地表水体水文水质模块模型可模拟河道和混合水库的径流和水质。由斯坦福Ⅳ计算径流，采用机理性的土壤侵蚀模型模拟土壤侵蚀，模型可提供水解、氧化、光解、生物降解、挥发和吸收6种沉积化学作用模式，并结合水动力学实现沙、粉沙和黏土及BOD、DO、氮、磷、农药等的地表、壤中流过程和蓄积、迁移、转化的综合模拟，可进行小时
尺度的产汇流分析，是国际上模拟流域非点源污染效果最好的模型之一。最大的缺陷是假设模拟区对斯坦福流域水文模型是适用的，且污染物在受纳水体的宽度和深度上充分混合，限制模型的实用性，只能模拟到各子流域不同土地利用类型污染负荷产生量，空间分辨率较低。
1969年由Abbott等提出的SHE(Systeme Hydrologique Europeen)模型以矩形网格划分流域[35]。20世纪90年代初在SHE的基础上研发的MIKE SHE是一个综合、确定的灵活而功能强大的模型，是世界上第一个严格意义上的有物理意义的连续分布式水文系统模型。主要组件有WM(水流运动)、AD(溶解质的平移和扩散)、GC(地球化学和生物反应)、CN(作物生长和根系区氮的运移过程)、SE(土壤侵蚀)、DP(双相介质中的孔隙率)、IR(灌溉)。MIKE SHE能综合模拟对流—弥散运移、吸附、生物降解、地球化学过程和大孔隙流问题以及大多数水文、水资源和污染物运移的一般应用。大部分子模型具有物理意义，适合尺度很广，从单一的土壤剖面到大范围的区域尺度;完全与GIS数据库耦合，并有用户友好输入-输出界面;采用整合式的模块化结构，每一组件描述水文循环中一个独立的物理过程;Richards方程使用有效或有代表性的参数值无法验证模拟的土壤含水条件;模型代码未公开，用户无法根据实际需要修改模块;对蒸散量与河流含水层相互作用的模拟能力有待提高。
国外非点源污染模型研究经历了萌芽期(20世纪60年代初-70年代初)、快速发展期(20世纪70年代中期-80年代末)、完善应用期(20世纪90年代初至今[36]，由简单的统计分析向机理模型、由平均负荷输出或单场暴雨分析向连续时间响应分析、由集总模型向分布式模型发展，耦合GIS和RS等实现最佳管理、标识关键源区，今后模糊理论、不确定性分析、风险评价和管理的引入将促进相关研究的开展;但多数非点源污染模型的水文模块较为薄弱，如采用经验的SCS曲线数法，需加强非点源污染模型与水循环系统的耦合研究，非点源污染机理模型参数较多，缺少详尽的实测资料率定参数，综合研究大暴雨产流产污、污染物迁移转化过程、非点源污染规划管理、资料缺乏流域的非点源污染模型较少，人类活动、气候变化等的效应模拟也是非点源污染模型今后开发和改进的方向。
2.2 国内非点源污染模型研究
20世纪60年代，中国开展了化学侵蚀与径流研究[37]，主要分析与河流、湖泊等矿化度有关的盐类物质，类似于今天的非点源污染研究，可认为是中国水环境非点源污染研究的先导。70年代末提出在该领域发展RS和GIS技术的建议，80年代在理论研究、软件开发、系统建立等方面取得了一定的进展。80年代中后期，开始了控制研究，主要是其宏观特征与污染负荷定量计算模型的初步研究。90年代以来主要通过GIS技术与一些简单模型结合的模拟来辅助决策或应用综合分析和统计法评估与地理因素密切相关的事件。
温灼如等[38]建立了包括雨水淋洗与冲刷作用的确定性集总的苏州暴雨径流污染的概念模型，由遥感技术得到土地利用卫星影像分类图，由典型试区径流系数及土地利用建立降雨径流关系，选择降雨时段较少的实测BOD[，5]或氨氮污染负荷过程，扣除旱流本底影响，推出径流污染负荷单位线，根据参与径流污染计算的雨量及时段数，由水量和污染负荷单位线计算流量和污染负荷，外城采用典型区径流与污染模数，由此建立月水质污染量经验方程，可以计算缺乏水质监测资料的污染量;刘曼蓉等[39]建立了南京城北地区的暴雨径流污染概念模型和统计相关模型，研究了输入径流模数与输出污染径流模数的相关关系;肖青等[40]以ArcView为软件平台，开发了苏州河环境综合整治管理信息系统的原型;朱萱等[41]采用统计技术建立农田区域径流—污染负荷经验模型;陈西平等[42]建立的涪陵地区各次降雨冲刷污染物预测方程，可通过气象预报降雨量预测污染物流失量;李定强等[43]分析了杨子坑小流域氮磷负荷随降雨径流过程的动态变化规律，建立了降雨—径流、径流—污染物负荷输出之间的数学统计模型。
王昕皓[44]将研究流域划分为若干坡面，提出了单元坡面模型，包括划分基本单元、确定净雨过程、计算坡面漫流和污染物流失4个子模型。小流域或汇水区可建立污染物流失率与径流率的统计关系反映非点源污染的形成过程;夏青等[45]提出了包含降雨产流、汇流出流、水流和水质相关3个子模型的非点源污染负荷流域模型，适于湿润与半湿润地区;吴礼福[46]以数字地形模型上最小的沟谷单元为侵蚀基本单元建立了黄土高原土壤侵蚀模型;马超飞等[47]依据USLE模型结合RS、GIS技术对岷江上游进行侵蚀强度分级和填图、坡耕地提取，分析了坡耕地和侵蚀强度的关系;刘海涛[48]基于Web-GIS与USLE建立网络土壤侵蚀模型，可基于DEM计算土壤侵蚀程度;邹亚荣等[49]用USLE为选取的水土流失因子打分，应用Arc/Info的主成分分析法确定各因子的权重，在ArcView下定出风险等级。
李怀恩等[50-52]进行了一系列研究，如建立了逆高斯分布瞬时输沙单位线模型，将径流及悬移质在流域中的汇集概化为在河网中的汇集，以逆高斯分布概率密度函数为瞬时输沙单位线线型研究流域汇沙，由步长加速法自动率定模型参数，具有物理基础、弹性好、汇流与输沙过程计算采用统一模式的特点，但峰值模拟偏低，应加强研究参数的单站及地区综合问题，促进模型推广，构建的流域非点源污染模型系统优选综合产流模型，建立逆高斯分布分布瞬时单位线流域汇流模型及考虑污染物迁移转化机理的宏观概念性模型，由流域出口断面的标准负荷率过程可推求出口断面浓度过程线，模型精度高、弹性好，应进一步研究次暴雨平均浓度的推求及参数的综合与预测检验问题。
王宏等[53]建立了适于中小流域的综合水质模型，可模拟分级落差的台阶形河流，河流水质模块采用QUALIIEU模型，增加了模拟COD和底泥泛起功能;水库水质模块包括峡山水库和墙夼水库子模型，前者采用经验统计法，后者为输入响应模型;非点源污染模块根据土地利用和人口、牲畜当量制定;王少平等[54]基于VB6.0、MapX4.0、Surfer7.0和Access2000建立了无缝集成的苏州河流域面源管理信息系统，为面源模型与3S技术的结合开发提供了参考，模型包括用户界面、数据库模块和功能模块，后者包括面源负荷估算、面源污染评价和面源总量控制。由面降水量、径流系数、不同
土地利用的污染物浓度等估算单位多边形的污染负荷，通过上中下游河段水环境容量计算单位负荷削减量;朱学愚等[55]表明用数学模拟方法定量研究地下水污染是可行的。
李家科等[56-58]建立了一系列模型预测渭河流域非点源污染负荷，如对资料要求少、精度较高的非点源污染负荷多变量灰色神经网络预测模型，包括GM(1，N)模型、残差序列{1[(0)](k)｝的BP、RBF网络模型和灰色人工神经网络模型。模型简单、不需要确定非线性函数和计算方法，但网络参数选择和网络结构的确定需进一步研究;利用支持向量机进行有限资料下非点源污染负荷预测，确定预测因子后选择非点源污染负荷构成样本数据集，采用RBF核函数利用SVM进行学习训练，由训练后的参数预测，精度较高，预测结果优于最小二乘支持向量机、人工神经网络和最小二乘回归法预测模型，但核函数类型的选择研究应进一步深入;将待预测时段的非点源污染影响因子以加权和形式引入自记忆模型估算资料缺乏地区非点源污染负荷，将现有观测资料看做描述实际非线性动力系统动力模式，反演描写系统的非线性动力模式，得到非点源污染负荷非线性常微分方程，即可建立自记忆模型。该模型在缺乏连续非点源污染负荷资料的地域适用性较差，模型的回溯阶数问题需进一步研究，非点源负荷的动力微分方程模式应加强物理机制研究;渭河流域分别建立了基于多变量灰色神经网络、支持向量机技术、自记忆原理的非点源污染负荷模型，为有限资料条件下非点源污染负荷的预测提供了有效的方法(表1)。
齐苑儒等[59]在有限资料条件下，由Erdas生成研究区土地利用图，采用SCS径流曲线模型推求暴雨地表径流量，以土壤前期降水水分调整了CN值，估算了COD、总氮、悬浮固体及总磷等的负荷量;张超[60]建立了能描述土地覆被、土壤水力特性的坡面单元产流计算子模型和河网汇流计算子模型，提出了自动建立子流域拓扑关系的新算法，建立蓄满—超渗混合产流模型，增加动力波计算模块;将分布式水文模型与土壤侵蚀、污染物淋洗模型嵌套形成分布式非点源污染机理模型，坡面产输沙考虑了雨滴溅蚀、片流侵蚀和细沟侵蚀，仅计算泥沙D[，50]，假定土壤污染物为保守型，总磷分为溶解态磷和颗粒态磷，总氮分为溶解态氮和吸附在泥沙颗粒上的氮，忽略生物摄取量和吸附/解吸作用，由非恒定悬移质不平衡输沙方程模拟沟道泥沙输移，最后建立综合计算平台DWHEMT，并成功用于香溪河流域氮磷负荷变化规律的研究。
中国非点源污染研究起步较晚，长系列的非点源监测数据较少，非点源污染模型研究目前尚属应用研究，大多采用国外比较成熟的非点源污染模型，应加强建立适合中国不同区域特征不同时空变异特征的非点源污染机理模型，国外模型在中国监测资料缺乏区域很难适应，应改进有限资料条件下非点源污染负荷的模拟问题;中国已建立的模型大多形式简单、功能单一，应用简单统计模型应对日益严重的非点源问题具有较高的可行性;机理性模型研究较少，且缺乏研究深度，较少考虑气象、农业管理等因素的影响，限制了模型的适用范围;模型大多为确定性模型，但由于水质、水文监测数据、模型参数、模型结构等均存在误差，应加强分析模拟的影响因素，减少模拟结果的不确定性;3S技术与非点源污染模型的结合尚处于尝试阶段，应加强地理信息库的建立、模型要素的集成研究等;目前建立的非点源污染模型大多适于小流域，而不同尺度估算的非点源污染负荷差异较大，应专门研究基于不同尺度的非点源污染模型及参数转换;非点源污染机理复杂，涉及气象、水文、土壤、环境、生态等多学科，应加强各学科之间的联系，完善非点源污染研究的理论体系。
2.3 现有研究的不足
(1)国内外非点源污染机理模型缺乏研究深度，水文模块较多采用经验公式，需加强非点源污染过程的水循环基础研究，流域产污、运移机理较为简单，污染物在壤中流和地下水中的迁移转化机制研究较少，尤其是不同形态的氮磷等污染物，今后需加强研究深度，为非点源污染控制提供坚实的理论基础。
(2)非点源污染物复杂多样、污染控制技术有限，加强非点源污染物的毒理学研究，模拟污染物对水生生物及人体的影响，筛选出主控污染物，以便采取相应的监测、管理和控制措施。
(3)基于不同流域尺度非点源污染模型的产汇流过程、吸附、渗滤机制不同[61]，导致估算的污染负荷差异较大，现大多针对较小流域进行模拟与验证，应拓展研究尺度、建立微观与宏观模型及参数转换的关系，加强非点源污染模型与大型流域管理模型的集成研究。
(4)中国目前基本没有较为连续的非点源水质水量同步监测资料，现有模型很难在无资料及资料缺乏地区运用，开展有限资料条件下非点源污染机理研究，将逐渐能满足非点源控制与治理的实际需要，模拟中存在多种误差，模型的不确定性主要取决于参数的不确定性[62]，基于大量的观测与模拟实验，可获得有效的数据支持，以充分揭示不同条件下非点源污染物的发生和迁移转化规律。
3 非点源污染机理模型探索
3.1 非点源污染机理模型构建
非点源污染过程涉及水文、土壤、化学等多个学科，降雨在不同下垫面下产生径流，并对土壤产生侵蚀，在降雨—径流驱动因子作用下，大量的泥沙与附着态、可溶态污染物进入水体，同时土体内污染物随降水入渗产生垂直迁移，水中吸附态和溶解态污染物存在吸附—解吸、植物吸收、微生物降解等作用，因此非点源污染机理非常复杂。通常非点源污染机理模拟主要分陆地过程和河道演算2个阶段。陆地过程主要应用坡面模型，包括降水径流、水土流失和非点源污染水质模型;河道演算主要应用河道水动力、河网输沙和河道水质模型。
非点源污染机理研究是污染输出控制和模拟估算研究的基础，重点是阐明在多种污染因子综合影响下目标污染物的迁移转化，包括降雨量、降雨强度、流域下渗和蓄水特征等水文参数、土壤结构、农作物类型、气候、地质地貌等因子。已有不少学者[63-65]进行野外监测或室内人工降水实验研究非点源污染负荷迁移转化机理，包括分析流域下垫面、降雨等对污染负荷的影响，采用田间小区试验研究不同耕作、施肥方式下农田排水的营养盐输出，由典型小流域出口监测研究流域产汇流过程污染物输出量与流域下垫面的联系等。受野外复杂条件和观测手段的局限，目前主要通过室内人工
模拟降雨试验。基于不同土地利用、不同土壤类型、不同固定雨强下多次室内人工降雨平行实验，测定各土层径流水样的流量及其中颗粒物和氨氮、硝氮、亚硝氮、总氮磷、溶解态氮磷等的浓度，研究污染负荷与降雨、径流、植被覆盖、土壤之间的相关关系，分析污染负荷在土壤中迁移转化规律(图1)。
机理研究 数学模型 室内人工降雨实验 研究污染负荷与降雨、径流、植被覆盖、土壤的关系，分析污染负荷在土壤中迁移转化规律 分布式非点源污染模型
模块组分 基础 降雨径流模型 侵蚀和泥沙输移模型 核心 污染物迁移转化模型 目的 河道输移模型
模块功能 建立流域水文模型、推求流量过程线和径流量 流域产汇流 径流冲刷地面形成土壤侵蚀及在土壤中输移 流域产输沙 氮磷等污染物进入水体前在土壤中的迁移转化 污染物在径流形成过程中转化和输移过程 污染物(氮磷、BOD、COD、泥沙等)在河道中的迁移转化过程 非点源污染负荷对水质的影响
常用方法 推理公式法时段单位线瞬时单位线水文模型…… 通用土壤流失方程尼格夫模型一阶冲刷函数逆高斯分布非点源污染物迁移模型亚林公式…… 埃利森土壤溅蚀统计模型土壤养分与径流相互作用深度模型土壤养分在径流中释放与传输模型土壤养分在坡面流失行为模型富集系数法…… QUAL综合水质模型BOD-DO模型CE-QUAL模型WASP模型河流随机水质模型……
选用方法 分布式时变增益模型产汇流模块 修正的土壤流失方程亚林公式 硝态氮污染负荷模型有机氮污染负荷模型溶解磷污染负荷模型有机磷和矿物质磷污染负荷模型 QUAL-Ⅱ型综合水质模型
分布式时变增益非点源污染模型
图1 分布式非点源污染模型构建技术路线图
Fig. 1 Technology roadmap of distributed nonpoint source pollution model development
在室内实验的基础上，借助数学模型，以分布式水文模型的产汇流理论为基础，污染物的输移过程分地表汇集和河道迁移转化两部分，借鉴当前比较成熟、物理机制比较完善的非点源污染模型，构建集产汇流、侵蚀和泥沙输移、污染物负荷迁移转化模块于一体的具有物理成因机制的分布式非点源污染模型，实现流域水文(产汇流)、泥沙(产输沙)、污染物迁移转化模型之间的耦合。分布式时变增益模型(DTVGM)结合分布式水文模拟与流域降雨-径流非线性系统理论，非线性产流机制简单，采用分级网格运动波法汇流，已成功运用在黄河、黑河、潮白河、淮河等多个流域，可以对人工调控流域进行水质、水量联合模拟，满足水资源管理的要求[66-69]。此处降雨径流模块采用基于水文非线性系统方法的分布式时变增益模型，在流域单元网格上计算非线性地表水产流，基于水量平衡方程和蓄泄方程计算土壤水和地下水产流，由DEM提取的汇流网络分级演算网格汇流;侵蚀和泥沙输移模块采用MUSLE计算，颗粒污染物随地表径流迁移，溶解污染物随地表或土壤水、地下水运动，划分颗粒等级按亚林公式沿网格演算到流域出口;坡地土壤养分流失表现为可溶性氮磷随径流流失，无机态和有机质态氮磷吸附和结合于泥沙颗粒表面流失，铵态氮基本吸附于土壤颗粒表面，硝态氮主要存在于土壤液相中，氮流失的主要形式为颗粒态氮，将总氮划分为硝态氮(溶解态氮)、有机氮(吸附态氮)，将总磷分为溶解态磷和吸附态磷(有机磷和矿物态磷)，溶解态污染物可采用土壤污染物与径流的相互作用模型计算，分别计算地表水、壤中流和渗流流失的硝态氮，由于溶解态磷不很活跃，仅计算土壤表层(10 mm)地表径流输移的溶解态磷，吸附态污染物多采用富集率概念计算，富集率定义为泥沙颗粒中的污染物浓度与泥沙源区土壤中的污染物浓度之比，分别建立硝态氮、有机氮、溶解磷、有机磷和矿物质磷污染负荷模型;河道水质模拟采用QUAL-Ⅱ模型，模拟河道中溶解氧、泥沙、不同存在形式的氮磷等营养元素、有机污染物及农药等多种不同水质指标的变化过程。以此研究流域污染负荷空间分布，识别流域非点源污染来源和扩散途径，提出相应的控制措施，为评价非点源污染对水环境的影响程度提供科学依据和技术支撑。
3.2 建模存在的难点
(1)如何将非点源污染中复杂模糊的机理过程通过简单有效的数学公式表达，反映氮磷等物质各个形态之间的相互转化以及在不同的降水条件、土地利用条件下，其在土壤中纵向和垂向的迁移转化规律等;
(2)不同尺度的非点源污染模型估算的污染负荷存在较大的差异性，通过实验室和田间尺度模拟实验获得的监测数据，难以全面反映流域尺度非点源污染负荷迁移转化规律;
(3)构建的非点源污染模型难以完全反映实际情况，正确分析模型的不确定性有利于模型的合理应用，模拟结果缺乏有效的验证，需要详尽的实测监测资料的支持。
(4)非点源污染模型的构建还必须与农业生产活动联系，考虑农作物生长机理、耕作方式、施肥、灌溉、收割等，涉及农业生产的方方面面。这也是非点源污染模型构建的一大难点。
4 结论
非点源污染研究的两个主要发展趋势是实验室和田间尺度的观测和模拟试验，即基于流域尺度的非点源污染模型的模拟和评价。首先，通过人工控制和田间试验获得大量监测数据，建立小尺度反映不同降水条件、土地利用类型等自然状况下各负荷的流失过程、变化规律的机理模型。由点到面，从实验室、农田等小尺度推广到流域尺度，由单次暴雨扩大到长期连续模拟，根据流域内不同土地利用类型、不同降水条件等将整个流域分为多种产流产污计算单元，采用不同的机理模型计算各单元非点源污染负荷，从而形成流域尺度非点源污染模型。目前机理模型在流域尺度上推广仍存在很多薄弱环节。此外，目前国内外非点源污染模型偏向应用型，模型具有明显的区域性，不利于推广，由于受缺乏实测的详尽的非点源污染负荷各环节监测资料，模型存在的不确定性等的影响，模拟结果缺乏有效的验证、缺乏可靠性。为了有效控制非点源，在加强科学调查的同时，非点源污染研究还有待进一步完善和扩展：
(1)加强与遥感等先进观测技术的结合
利用遥感卫星技术对研究区内非点源污染的时空分布进行反演估算，为非点源污染模型率定和验证提供新的途径，提高模型的可靠性。
(2)进一步加强非点源污染形成各个环节的机理研究，增强人工模拟试验与非点源污染模型结合
研究不同降水条
件、不同土地利用条件下产污机制、不同非点源污染物质在土壤中的纵向和垂向的运移规律、可溶性物质和不可溶性物质随地表径流、壤中流、地下径流、泥沙等的运移规律、不同形态污染物质的相互转化规律等等。以人工控制和田间试验的定量分析结果，指导流域尺度非点源污染模型各模块的建模、参数调试、模拟结果验证等，以非点源污染模型的模拟分析验证人工模拟试验的合理性等。
(3)加强与气候变化、社会经济、水循环等系统的综合集成研究
加强非点源污染与气候变化模式、土地利用变化等的集成研究;气候变化可改变降水模式、雨强、土壤水含量和径流，并影响水质，恶化营养物、泥沙和病菌等污染物对生态系统和人类健康的影响等，土地利用方式取决于气候、水文、土壤、地貌、经济水平等自然和社会因素，其变化会导致下垫面水力学特征、化学物质输入输出、耕作方式、土壤等发生变化，对非点源污染负荷有较大影响;水污染调控应以水功能区水质水量达标为基础控制排污，应加强流域水质水量联合调控研究，基于分布式时变增益模型已在淮河流域构建了闸坝调控流域水质水量联合模拟系统，但仍需巩固非点源污染模块，加强水系统的综合模拟研究。
(4)加强模型的不确定性和风险分析
非点源污染模型涉及水文、环境、人类活动等多个环境，因此模型中存在许多不确定性。在模型研究中必须引入不确定性分析、灰色理论、人工神经网络等，量化输入不确定性、模型结构不确定性、参数不确定性等等对模型结果可能导致的影响，进行风险评价和管理。
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