非点源污染的研究进展与前景展望
摘要：在阐述非点源污染的概念、特点、成因的基础上，从非点源污染模型、土地利用方式对非点源污染的 影响 、新技术 应用 三个方面对国内外非点源污染的 研究 进展和存在的 问题 做了 分析 ，并对非点源研究的 发展 趋势进行了展望。
关键词：非点源 新技术 研究 进展
水资源危机 目前 已成为世界上一个十分尖锐的 社会 问题，水资源危机不仅表现在水量的不足，更反应在水质的恶化。随着 工业 污染源的有效控制，非点源污染已经成为我国重要污染类型之一，如何 科学 地认识并有效控制非点源污染因而成为一个紧迫的研究课题。
从世界范围来看，非点源已成为水环境的一大污染源或首要污染源。在美国，60%的水环境污染起源于非点源。在奥地利北部地区，据 计算 进入水环境的非点源氮量远比点源大。丹麦270条河流94%的氮负荷、52%的磷负荷是由非点源污染引起的。荷兰农业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染总量的60%和40%～50%。在我国，非点源污染问题也日益严重，在太湖和滇池等重要湖泊，非点源污染已经成为水质恶化的主要原因之一。
1. 非点源污染
非点源是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，可随时随地发生的，直接对大气、土壤、水构成污染的污染物来源。非点源污染(Nonpoint pollution )，或称面源污染(Diffused pollution)，是指溶解性或固体污染物在大面积降水和径流冲刷作用下汇入受纳水体而引起的水体污染。与点源污染相比，非点源污染的时空范围更广，不确定性更大，成分、过程更复杂，因而加深相应的研究、治理和管理政策制定的难度。
非点源污染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三类。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诸多方面。降雨径流污染，即通常意义(狭义)的非点源污染，是与降水过程伴随进行的地表径流污染。土壤侵蚀介于大气干湿沉降、降雨径流之间，既包括风蚀，又包括水蚀，是二者的有机结合[1]。一般将非点源污染分为城市和 农村 非点源污染两大类。
非点源污染物发生后随地表和地下径流进行复杂的迁移和转化过程(沉降物还有经大气迁移的过程)。迁移方式因污染物类型而有所不同，如湿地的非点源污染研究中发现，固体颗粒、磷和农药主要经地表径流进入湿地，而氮主要经地下径流进入湿地。与污染物迁移过程相伴的是一系列的物理、化学和生物的转化过程，这些过程均因污染物、 自然 环境和历时的差异而发生变化。
非点源污染的成因有水土流失、城市膨胀、农药化肥过量使用、废弃物堆放等，土地利用方式不合理是关键。非点源来源面广，它夹带着大量的泥沙、营养物、有毒有害物质进入江河、湖库，引起水体悬浮物浓度升高、有毒有害物质含量增加，溶解氧减少，水体富营养化和酸化。在发达国家，随着工业和生活污染源等点污染源的有效控制，非点源污染已成为水体污染的主要因素，20世纪60年代发达国家开始关注非点源污染，20世纪70年代起进行系统研究，并付诸管理实践。在发展 中国 家，相对于点源污染而言，非点源污染仍未引起应有的重视。
2. 非点源污染模型
非点源污染模型通过对整个流域系统及其内部发生的复杂污染过程进行定量描述，可以帮助我们分析非点源污染产生的时间和空间特征，识别其主要来源和迁移路径，预报污染的产生负荷及其对水体的影响，并评估土地利用的变化以及不同的管理与技术措施对非点源污染负荷和水质的影响，为流域规划和管理提供决策依据。
2.1模型的发展
人类开始全面认识和研究非点源污染的 历史 并不长，70年代以前，人们对非点源污染已逐渐有所认识并开始研究，但这个时期的研究多限于现象的因果分析，定量化的研究则寥寥无几[2]。
自70年代中后期以来，随着对非点源污染物理化学过程研究的深入和对非点源过程的广泛监测，机理模型逐渐成为非点源模型开发的主要方向，其中著名的有模拟城市暴雨径流污染的SWMM、STORM，模拟农业污染的ARM，流域模型ANSWERS、CREAMS和AGNPS，以及单位线类模型[3]。
90年代后期，随着计算机技术的飞速发展和3S技术在流域研究中的广泛应用，一些功能强大的超大型流域模型被开发出来。这些模型已经不再是单纯的数学运算程序，而是集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能于一身的大型专业软件。其中比较著名的有美国国家环保局开发的BASINS和美国农业部农业研究所开发的AGNPS等。
2.2 非点源机理模型的结构特点
完整的非点源污染模型一般由四个子模型构成，如右图所示。由于应用的目的不同，实际中非点源模型的结构往往更为复杂，可能涉及水质模拟、气候模拟、作物生长模拟和管理控制费用估算等方面的子模型。
降雨径流模型用来解决各类流域的产汇流问题，即推求流量过程线与径流量。它是整个研究的基础，因为降雨径流过程是形成非点源污染的直接动力，可见，对其描述的合理性和准确性直接影响到非点源污染模型的模拟结果。
土壤侵蚀与泥沙输移模型研究流域产沙及河流输沙问题，泥沙不仅本身是一种重要的非点源污染物，而且还能吸附和夹带许多其它污染物(如N、P和重金属)。
污染物的迁移转化过程子模型研究污染物(液态和固态)在径流形成过程中的转化和输移过程，几乎涉及化学的所有领域，是非点源污染研究的核心 内容 。
受纳水体水质子模型研究非点源污染负荷对受纳水体的影响，是进行非点源污染研究的目的。现有模型大都未将受纳水体水质子模型包括在内，因为其研究历史比非点源污染长，也更成熟[4]。
2.3 常用非点源污染模型的比较
目前非点源模型数量繁多，表1对目前影响较大、应用较广的6个机理模型进行了 总结 ，并由此可以发非点源模型发展的一些特点：①模型的空间和时间尺度逐步扩大;②统计模型在非点源模型中仍然具有不可替代的地位。由于非点源模型的机理十分复杂，使得对非点源污染过程精确的物理描述几乎不可能;③3S技术被普遍采用，并成为非点源模型建立中不可或缺的重要工具。
2.4 现有模型存在的问题
(1)干沉降对水体传输作用被忽视;污染物的迁移转化研究多为COD、TN、TP等;对毒性污染物由于技术存在上的难度，对其在空中、地表的迁移转化研究较少;
(2)各类非点源模型均对实测资料(降雨、径流、泥沙和水质同步监测数据等)的依赖程度高，很难用于无资料或资料条件较差的流域;
(3)实用模型中，经验性模型多，考虑污染物迁移转化的机理类模型少。
表1： 常见非点源模型对比
模型名称最早开发时间最新版本发布时间参数形式空间尺度时间尺度时间步长模型结构
ANSWERS19771996分散参数流域开始为单次暴雨，后发展为长期连续暴雨期为60s，非暴雨期为1d水文模型考虑降雨初损、入渗、坡面流和蒸发;侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀和沉积;早期并不考虑污染物迁移，后补充了氮、磷子模型，复杂污染平衡
CREAMS1979集中参数农田小区长期连续1天SCS水文模型，Green Ampt入渗模型，蒸发;侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀、河道侵蚀和沉积;氮、磷负荷，简单污染物平衡
AGNP19871998分散参数流域开始为单次暴雨，后发展为长期连续1天SCS水文模型;通用土壤流失方程;氮、磷和COD负荷，不考虑污染物平衡
SWAP19962000集中参数流域长期连续1天SCS水文模型，入渗，蒸发，融雪;改进通用土壤流失方程氮磷负荷，复杂污染物平衡
LAOD1996分散参数流域长期连续1天产流系数法计算径流量;无侵蚀模型;统计模型计算BOD、TN、TP负荷
HSPF19761996集中参数流域长期连续从1分钟到1 天斯坦福水文模型侵蚀模型考虑雨滴溅蚀、径流冲刷侵蚀和沉积作用;污染物包括氮、磷和农药等，考虑复杂的污染物平衡
3. 土地利用方式与非点源污染
土地利用方式是 影响 非点源污染的关键性因素。土地利用方式取决于一些重要的 自然 与 社会 经济 因素，如气候、水文、土壤、地貌、经济水平、产业结构、技术、 教育 水平等。另一方面，土地利用方式反过来影响诸如化学物质输入输出、径流、土壤、植被类型、地形地貌、耕作方式等因素[5]。剖析非点源污染与土地利用方式之间关系的常见的形式是区域(流域或城市区域)非点源污染可能性评价，又称非点源污染风险评价。在进行评价时中应注意的 问题 有：①风险评价总模型可以是简单的指数模型或秩模型，也可以是复杂的机制模型。前者常用于定性分区，后者常用于流域非点源污染总量估算[6];②各因子的量化同样需要有合适的模型支持，如水土流失因子可用USLE模型来量化;③在流域的非点源污染 研究 中，可随机选取一定量的网格样本进行操作，而后进行插值，推算全流域的非点源污染状况。
当点源污染得到有效监控时，非点源污染尤其是农业非点源污染将成为影响地表水水质的主要因素。不适当的土地利用和农田管理模式会导致土壤侵蚀和过量N、P随地表径流流失，从而导致大面积的非点源污染。李俊然等利用地理信息系统GIS研究了于桥水库流域内不同的土地利用结构(林地、草地和耕地)与地表水水质的相关关系[7]，结果表明，在以单一土地利用类型为主控制的流域中，林地、草地控制的小流域的地表水水质明显好于以耕地为主的小流域;在不同土地类型(草地、林地和耕地)的结合结构下，各项污染物浓度介于单一利用的小流域之间;在其它条件相似时，随着小流域内林地和耕地比类的增加，非点源污染降低，而随着耕地比类的升高，非点源污染有逐渐增大的趋势。
4. 新技术的 应用
计算 机技术和3S(地理信息系统GIS、遥感技术RS和全球定位系统GPS)技术的 发展 为非点源污染研究提供了全新的手段。
4.1 GIS在非点源污染研究中的应用
非点源污染负荷定量化研究是流域污染环境治理的重要基础工作，而利用非点源污染模型来估算和模拟非点源污染负荷是对非点源污染 规律 进行评价研究的基本 方法 之一[8]。一个好的模型应该充分考虑区域的空间变异性以及能够利用分布式的过程来模拟污染情况。但一旦考虑空间变异性，会使模型的输入和输出参数变得繁多而复杂，而GIS的应用正好解决了这个问题。
GIS用于环境模型研究，使模型的三维显示、空间 分析 能力、空间模拟能力得到加强;另一方面，GIS的介入，使环境模型的检验、校正更加容易，而且GIS的空间表现能力会使环境模型的视觉效果有质的飞跃[9]，从而有助于模型质量的改进和提高。GIS在非点源污染研究中的应用，本质上也是GIS与非点源污染模型结合(集成)的问题[10]。 目前 GIS与水质模型集成，在促进模型改进和标准化，以及进行模型间的比较等方面扮演越来越重要的角色[11]。
4.2 RS技术在非点源污染研究中的应用
RS与GIS研究对象都是空间实体，RS着眼于空间数据的采集和分类，是GIS重要的信息源和数据更新手段;GIS侧重于空间数据的管理分析，是RS信息提取与分析的重要手段。由于RS可实时、快速地记录大面积流域的空间信息及各种变化参数，提供精确的定性和定量数据，并能对各种信息进行定量分析、动态监测和自动成图，已成为目前非点源研究中获取流域各种信息的主要手段。
GIS与RS结合后，通过RS图像可在较大的范围内，调查区域土地利用现状、植被覆盖、水土流失的分布、面积及程度，可以准确、快速、连续地提出区域水土流失的主要指标，进而给GIS提供实效性强、准确度高、监测范围大、具有综合性的数据源，有助于GIS数据库的及时更新，确保系统的现势性，特别在污染监测方面具有其它类型数据所无法代替的优越性。因此RS与GIS相结合，既可以保证GIS具有高效和稳定的信息源，又可以对遥感信息进行实时处理、 科学 管理和综合分析，实现监测、预测和决策的目的。
4.3 GPS在非点源污染研究中的应用
GPS具有精度高、速度快、全天候、自动化程度高等优点，可对数据采集点、污染源监测点和遥感信息中的特征点进行实时、快速的精确定位，并提供地面高程模型，以便形成信息层进入GIS。GPS和GIS的结合，极大地拓宽了GIS的应用范畴[36]，也彻底改变了有关专题图在传统制作上手工绘制、成图慢、精度低、投入高的缺点。考虑到RS的成像原理、图像的分类方法本身固有的误差和其他误差的影响，使得遥感判读的区域界线不很明确，因此RS与GPS结合，能够精确地确定水土流失的区域边界[12]。
5. 研究前景展望
5.1 非点源污染有关模型的研究将继续深入
在人们逐渐认识到各类非点源污染模型推广应用的局限性情况下，研究不同气候水文条件下的非点源污染模型，而后统一集成开发为由专家系统控制、GIS支撑的非点源污染模型软件将成为未来非点源污染模型和计算机软件开发的主流。
5.2 新技术的应用将向广度和深度发展
GIS的空间信息管理的综合分析能力、RS的空间动态监测能力及GPS的高精度定位能力，为解决测什么、怎么测、在哪里测这些问题奠定了良好的技术基础。目前国际上“3S”的研究和应用已走向集成，是生态环境科学等研究领域的重要发展方向之一。“3S”整体集成技术也将是今后非点源污染研究中应用的主要研究手段，而“3S”自身的融合技术仍将是当前和今后研究的重点。
5.3 理论 研究与管理实践的接轨是必然趋势
以美国为例，这种接轨体现在三个层面：技术层面上，主要是完善城市污水管道体系，建人工沉积塘，采用湿地处理以及水体生态修复工程等;经济层面上，学术界以量化非点源污染为基础，结合微观经济学方法展开费用效益分析，从而进行政策手段的设计和有效性评价;政策层面上，美国国会结合研究进展，积极立法[13]。
参 考 文 献
[1]沈晋,沈冰,李怀恩等. 环境水文学.[M]. 合肥：安徽 科学 技术出版社,1992.
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[4]李怀恩,沈晋. 非点源污染数学模型.[M]. 西安：西北 工业 大学出版社,1996,3～6
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[11]Zhang H,et al. Hydrologic Modeling with GIS：An Overview [J]. Appl.Eng.Agric.,1990,64(4)：453-458.
[12]陈为峰,史衍玺.“3S”技术在农业非点源污染研究中的应用. [J]. 水土保持学报, 2002.6：122～125.
[13]郑一,王学军. 非点源污染研究的进展与展望. [J]. 水科学进展,2002.1：105～110.
Progress and Prospect of to Non-point Pollution Research
Abstract: Based on the explanation on the concept, characteristics and origin of the non-point pollution research at home and abroad, the progress and existing problems of the non-point pollution research are analyzed from the following three aspects: non-point pollution model, influence of the way of land use on non-point pollution and new technology’s application in non-point pollution research, finally the non-point pollution research is prospected.
Key words: Non-point Pollution;New Technology;Research Progress
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