第23卷第3期 2002彳F 5月 环 境 科 学 23,No 3 May.2002 ENVIR() MENTAl|SCIENCE 非点源污染模型研究 胡雪涛,陈吉宁,张天柱(清华大学环境科学 工程系 北京1 00084) 摘要:随着工业污染源的有效控制,非点糠污染已经成为获国重要污染粪型之一 如何科学地认识井有救掩制非 点源污染因而成为一十紧迫的研究课题奉文回顾了描述非点糠的基础工具——非点谭模刑30多年来的发展历 史,就非点源模型的主要 型、结构和特点进行了系统的总结,并对目前主要的非点糠模型进行了比较分析.探讨 了非点源模型发展的趋势,以期为我国非点螈污染的控制提供可借鉴的经验 关键词:非点源;模型 中围分类号:xl1文穰标识码:A文章宴_号:0250 3301c2002 03 06 0124 A Study on Non-Point Source Pollution Models Hu Xuetao,Chen Jining,Zhang Tianzhu(Department。t Environmental Science and l."ngin ̄ring, ̄inghua University,Beijirtg 100084j Abslract:With the effective control 0f industdal wa cwater.pollution of non point 8ources has bccome increasin y im portant in China The understanding oi nOD point s( rce pollution processes,mostly through mathematical models.is thus a prior knowledge to its effective control A review is presented in this paper,regarding the development of null point ̄'-K)urce pollution models The conceptualization,structure and rn 。 processes of non point 8Ourc ̄models are sys tematically summarized and several widely applied rt ̄dets are compared s0 as to a ess its state of act The fu curc devel— opment trends of non-poinl source model&re also discussed Kevworfls:nonpoint source;model 非点源污染(Nonpoint pollution) 或称面源污染 质的影响.为流域规划和管理提供决策依据 (Diffused lunon).是指溶解性或固体污染物在大面 1非点源模型的发展 积降水和径流冲刷作用下汇^受纳水体而引起的水体 早期的非点源研究始于土地利用对于河流水质产 污染(Novomy和Olera 1993),其主要来源包括水土谎 生影响的认识.其方法往往依据凼果分析和统计分析 失、农业化学品过量施用 城市径流、畜禽养殖和农业 的方法建立统计模型 并以此建奇污染负荷与流域土 与农村废弃物等在发达国家 随着工业和生活污染源 地利用或径流茸之问的统训关系(Haith,1976;Rasr和 等点污染繇的有效控制.非点繇污染已成为水体污染 Lee,1983;Whippie和Hunter.1977,W i lista等, 977)这类统计模型对数据的需求比较低 能够简便地 的主要因素,例如美国目前约有60%的河流和50%的 1湖泊污染与非点握污染有关.1995年美国国家环保局 计算出流域出[]处的污染负荷.表现了鞍强的实用性 用于控村非点源污染的财政拨款达3.7亿美元(USEP 和准确性.因而在早期得到了较为r泛的麻州但是由 A,1996)在我国.非点源污染问题也日益严重在太湖 于它们难以描述污染物迁移的路径与机理.使得这娄 和滇池等重要湖泊,非点糠污染已经成为水质恶化的 模型的进一步应用受到了较大的 主要原因之一(金相灿,1995;昆明市环境科学研究所 1992) 自70年代巾后期以来 随着对非点源污染物理化 学过程研究的挥人和对非点源过程的r泛监测.机理 非点源污染在近30年问受到了广泛关注.非点源 模型逐渐成为非点繇模型开发的主要方向,其中著名 模拟 污染模型的研究是其中的主要领域之_一非 糠污染 的有模拟城市暴雨径流污染的SWMM、STORM.模型通过对整个流域系统及其内部发生的复杂污染过 农业污染的ARM,以及流域模型ANSWERS和HSP 程进行定量描述,帮助我们丹析非点源污染产生的时 间和空问特征.识别其主要来源和迁移路径.预报污染 基盎璃目;高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助 作者萄介:胡雪 ̄(1975~),男.硕士研究生,主要从事非点源 的产生负茼投其对水体的影响,井评估土地利用的变 化以及小同的管理与技术措施对非点源污染负荷和水 收藕 孺 嘉 维普资讯 http://www.cqvip.com
3期 环 境 科 学 等.美嗣农业部农业研究所开发的cR队Ms(USDA, 期的非点源水文模型主要多以模拟地表径流为主,对 1980)模型奠定丁非点源模型发展的“里程碑 .它首次 倒向壤中流则考虑的不多.典型的模型包括CREAMS、ANSWERS和早期的AGNPS模型.它们都采用 对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行丁 CNPS、系统的综合CREAMS推出后,立即引起r广泛的关 美国农业部水土保持局开发的SCS水文模型(McCuen, 注.井在其基础上发展出,一系列结构特征类似的模 1982:Ch0w等.1988)来计算暴雨径流后来的SWRRB 型.如农田小区模型EPICfWilliams等.1984).用于模 和EPIC模型增加r对侧向壤中流的模拟.SWNI、模型 拟农业活动对地下水影响的GLEAMS(Leo.aM,R A 蜓增加r刊栈层地下水的模拟特别是美国EPA组织 等.1987),用于模拟大型流域非点源污染负荷的SWR 开发HSPF模型(Johanmn等,1983:Hicknell等,l 996), Rtt(Williams等.1985)和SWAT(Arnold等.1998)等此 它采用的斯坦福流域水文模型(袁作新.1988)涉及r十 外,Haith等(1984)开发r农田小区模型CNPS,Young 余个水义过程但采用如此复杂的水文模型建立非点 等【1989)开发了中小流域非点源模型AGNPS,Wilson 源模型并不多见 等(t984)和A ̄ough I1等{1997)分别开发r流域侵蚀 (2)土壤侵蚀子模型 非点源模型中上壤侵蚀的 和泥涉模型SEDIMOTII和WEPP.Arnold等(1995)开 主要过程指是降雨侵蚀研究表明,随暴雨侵蚀土壤流 发了用于大型流域水文和泥沙演算的ROTO.Abbott等 失进人水体的非溶解性磷占总流必磷量的绝大部分 (1986)开发了欧洲水文系统模型SHE这些尺度和功 (Sharpley等,1994), 此侵蚀过程是非 源污染的重 能各异的模型极大地丰富机理型非点源模型的内青. 要过程目前,很多非点源污染模碰采 通用士壤流失 9O年代后期,随着计算机技术的飞速发展和3s技 方程(USLE)(Wischmeier等,1965:Singh.1992;王议 术在流域研究中的广泛应用,一些功能强大的超大型 存,1992)及其改进形式作为侵蚀子模型该模型是…个 流域模型放开发出来这些模型已经不再是单纯的数 考虑了降雨侵蚀力因于、土壤可蚀性因子、地形因子、 算样序,而是集孛间信息处理、数据库技术、数学 作物管理因于及土壤侵蚀控制措施因于等5十因素的 fl算、可视化表达等功能于一身的大硒专业软件其中 统计模型.柑厦.CREAMS、ANSWERS和HSPF,荨模璎 比较著名的有美国国家环保局开发的HASINS(wh姒e. 则采用了更具机理性的侵蚀模型.侵蚀过程被卦为 m_】re.1998)和美国农业部农业研究所开发的AGNPS 滴溅蚀、径流冲蚀和径流运移等若十个子过程.并分别 98(ANPG,598网站)等 进行模拟80年代后期,美国USDA开发了新+代机理 的土壤侵蚀模划——wEPP(A ̄cough I1.I 996)该模 2非点源机理模型的结构特点 降雨径流过程(水文过程) 侵蚀过程和朽染物的 型对影响土壤侵蚀的 t象.水文和水力学条件以及土 j壬移转化过程是决定非点源污染特征的3个主要过程, 壤侵蚀的机械过程等进行了全面模拟,使其各步演算 因此通常非点源模型由水文子模型、土壤子侵蚀模型 都具有明确的物理意义,从而为提高模划精度创造了 和污染物迁移转化子模型构成(如图1所不) 必要的条件尽管对输^数据的大茸需求影响,目前 该模型的广泛应用.但是随着窀间地理信息技术纳飞 速发展.数据将不再星模型应用的阻碍 (3)污染物迁移模型 污染物的迁移吐程不仅与 水文条件和侵蚀条件有关,还与饽染物在土壤中的物 ' 1 水文模型 1————]1土壤侵蚀模型 厂—一 l捋染物迁移模型l 污染龟荷 圈1典堑非点潭模型的基本框望 Fig l Structure of typical NPS modela 理、化学形态以及分布等密切相关而污染物各物理 化学形态之间的转化以致在土壤中的分布的变化过程 是十分复杂的,这给非点源污染模型提出厂十分棘于 而又极寓挑战性的课题.非点源模型对污染物迁移的 模拟可分为2类.一娄是不考虑污染物的平衡过程.认 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,可能涉及本质模拟、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. (1)水文子模型 水文过程是描述非点源污染的 为 染物在土壤中的含量是恒定的,典型的有早期的 AGNPS模型和CNPS模型等这类模型往往只将污染 物根据物理形态划分为溶解性和非溶解性2种,根据 上 基础,水的运动为污染物提供了迁移的介质和能鼍,因 壤侵蚀量和暴雨径流量来计算2种形态污染物的负荷 此水文路径也是污染物迁移的路径,其描述的台理性 爿一类是考虑污染物平衡过程,即土壤中污染物的状 和准确性直接影响到非点源污染模型的模拟结果早 态和含量是受到各种过程影响的.如CREAMS模型在 维普资讯 http://www.cqvip.com
126 环 境 科 学 23卷 对氨的模拟中,考虑l『地表径流流失、人渗淋史、化肥 增加r对氨态氮挥发过程的模拟而HSPF对氮平衡的 输人等物理过程,有机氮矿化、反硝化等化学过程以致 模拟更为复杂.有机氨也被划分为溶解性和非溶解性2 作物吸收等,l物过程,氮脒了具有溶解和非溶解2种物 粪,并且通过吸附与解吸过程相互转化 理状态外.还分为有机氨、作物氨和盐氨3种化学 3常见非点源污染模型的比较 状志EPIC和SWRRB中则增加r氮的生物固定、无机 目前非点源模型数量繁多.表l对目前影响较大、 氨向有机氮的转化以及溶解性氮随侧向壤中流的迁移 应用较广的13十机理模型进行r总结,并由此可以发 等过程.有机氨叉教划分为活泼(active)有机氮和惰性 现非点源模型发展的一些特点 (stable)有机氯2种状态SWAT模型在EPIC基础上又 (1)模型的空间和时间尺度逐步扩大随着^ J对 寰l常见非点源模型对比 Table l Compare oI ̄veral……Foint e lx)llution mMels 维普资讯 http://www.cqvip.com
3期 环 境 科 学 127 非点振符理与控制过程向长期化和流域化发展.非点 要研究的首要课题 源模型在空间和时间尺度 也不断扩展.ANSWERS模 (2)不确定性分折将成为今后非点源摸型研究的 型的发展最能够体现这一趋势. 期的ANSWERS模 重点任何数学模型的模拟结果都与真实系统之间存 而由于I凡对系统认知的有限性,使得误 型用于模拟小区范围内单暴雨的非点源产生负荷,后 在着一定误差,来它发展为能够在流域范围内的长期莲续模拟模型 差的大小和分布无法确知,从而造成了模型的币确定 90年代后开发的模型在空间和时间尺度 与80年代 性 对系统的认知越少,小确定性就越大由于非点耀 开发的模型相比都有 同程度的扩展,ROTO模型甚 污染过程十分复杂,人们对它的了解仍然十分有限.闲 至可 模拟未来5O至】00年的状况 此非点源模型具有很大的不确定性 确定性分析是 (2)统计模型在非点源模型中仍然具有不可替代 近年来在数学模型研究中十分活跃的一个领域,已经 的地位由于非点源模型的机理十分复杂.使得对非点 形成了较为完善的方法体系(Reck,M B。】987)。它将 源污染过程精确的物理描述几乎不可能同时人们发 成为非点源模型未来研究的主要课题之 现对非 源发生机理无限精细的公式描述非但不能增 (3j非点源模型与大型流域管理模型的结台近年 加模型的精度。反而可能造成更大的误差,而且使模型 来蛾美国家出现的流域集成管理的思想导致了一种集 止质、工程治理以及费用效益分析等模犁 的输人增加,操作更为复杂,运行成本上升蹦此,象 台污染负荷、SCS水文模型和通用土壤流失方程这样的统计模型仍 一身大型流域管理模型由于非点诼污染足流域内 然被,‘泛地应用cREAMs的侵蚀子模型十分复杂,描 影响水质的主要过程之一,因此流域非点源模型将成 述了侵蚀的多个过程,但是终因过于复杂而影响了它 为这种大型模型的重要组成部分美国国家环保局主 NS模型(Whittemore。I 998)标忐着这类 的应用性因此在后来的EPIC、SWRRB和SWAT中, 持开发的BASI均采 了形式更为简单的改进通用土壤流失 程 模型的出现,HSPF模型就是它的重要组成部分之一 随着流域集成管理概念的广泛接受平lJ采用, (3)3s技术在90年代以后赦普遍采用,并成为非 可以预见。点1掠模型建立中不可或缺的重要上具.山于非点源污 包含r非点源模型的大型流域管理模型将成为束来数 染过程 流域地形、土壤、植被、土地利用等下垫面情 年中流域模型开发的重点.况密切丰H关,困此能否获得准确大茸的地面信息是影 5结论 响非点源模型应用效率和可靠性的致关重要的因素 90年代以前,地面信息只能靠人工测量妖得,成本高, 一非点源模型是近年来环境模型研究中十分活跃的 个领域,经过30多年的发展历史,非 源模型逐步M J爿期长。精度差,因而成为制约非点源模型发展的主要 统计模型过渡副机理模型,机理型非点繇模型卫形成 困素90年代后,3s技术在非点源模型研究中的应用 了 水文于模型、侵蚀子模型和污染物迁移子模犁为 使得地面信息数据的数量和质量都太为的提高。从『『li 基本拘成的框架模式,其应用尺度也从小 逐步扩大 大大增强了非点塬模型的应用性能,同时也推动了大 到了大流域,从单狄暴雨扩大到了长期连续模拟3s技 流域非 源模型的快速发展3S技术 非点源模型的 术的应用使得非点源模型的麻用性能和精度都有大为 结台已成为非点源模型研究领域中的热f]课题 提商今后,非点糠摸 还将在侵蚀和污染物迁移过程 SWAT、HSPF I.CAD和ANSWERS等模型都是通过 的描述以及不确定性分析等领域不断发展 GIS系统进行数据的读取和表达,并具有图形输人/输 出界面 我国对非点源的研究和摔制仍处在刚刚起步的阶 段,随着点源污染的有效控制,非点源污染问题将逐步 受到重视,适合中国流域特点的非点源模型的研究也 4非点源污染模型发展趋势讨论 从目前的发展状况来看,机理型非点源模型将面 将逐渐繁荣起来 参考文馘: 『瞒如下几个研究重点: (1)寻求对土壤侵蚀和污染物在土壤中迁移过程 更为合理的表征水平由于流域在地形和土壤特征上 所具有空间复杂性,使得土壤学巳有的一些在小区或 更微观尺度内获得的关于侵蚀和污染物迁移的研究成 果难以推广到流域尺度上现有的非点源污染模型对 污染物在迁移的模拟仍然比较粗略.如何解决微观尺 度机理模型推广到宏观尺度上,是目前非点褫模型需 1 Abbott M B.Bathurst J C.Cunge J A et al Introduction_n the Eump ̄n Hydrological SyStem Structur ̄of a Physically based-[hstributed Modelling System J Hvdm1.1(/8687 ,(1,2):61~77 2 AbbottM B,Bathurst J C Cuoge.J A I al 1ntr ̄Jduct Lont) tl'te EuroI ̄an Hydrological System Systeme Hydml r 【Eu rope ̄,‘SHE ,【:History and Philosophy ot a Physically based,Distributed Modollir ̄gSystem J Hydrol,1986,87 <1,2):45~59 维普资讯 http://www.cqvip.com
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