非点源污染模型研究进展

ChineseJournalofAppliedEcology,Aug.2007,18(8):1886-10

非点源污染模型研究进展

张秋玲　陈英旭

33

3

　俞巧钢　邓　华　田　平

(浙江大学环境工程系,杭州310029)

摘　要　随着水环境污染问题日益突出,非点源污染研究越来越受到重视.3S技术的出现使

非点源污染模型得以快速发展.本文简要介绍了模型的分类和非点源污染模型的发展历程,并且比较了国外常用的10个非点源污染模型,对各模型的开发提供者、模型的主要输入和输出数据、模拟的主要过程和特点、模型类型、时间尺度和污染物类型等7个方面做了详细介绍.在此基础上,总结了如何选用合适的非点源污染模型来进行水污染管理,分析了当前模型的不足之处,概括了其研究和发展趋势.

关键词　非点源污染模型　性能比较　发展趋势　3S技术文章编号　1001-9332(2007)08-1886-05　中图分类号　X52　文献标识码　AAreviewonnon2pointsourcepollutionmodels.ZHANGQiu2ling,CHENYing2xu,YUQiao2gang,DENGHua,TIANPing(DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China).2Chin.J.Appl.Ecol.,2007,18(8):1886-10.Abstract:Withtheeffectivecontrolofpointsourcepollution,thenon2pointsourcepollution(NP2SP)ofwaterenvironmenthasbeenpaidmoreandmoreattention,andNPSPmodelsarethrivingwiththedevelopmentof3Stechnology.ThispapermadeabriefintroductionabouttheclassificationandevolutionofNPSPmodels.TenNPSPmodelscommonlyusedabroadwereselectedandcom2pared,withtheirsoftwaredevelopersandproviders,datainputandoutput,pollutant2andsedimenttypes,timescale,simulationprogressandcharacteristics,andmodeltypesillustrated.Basedonthemodelapplicationsandrelatedliteraturereports,aqualitativeevaluationwasmadefromtheviewpointofthesuitabilityofNPSPmodelstodifferentwatershedsituation.Finally,theexistingre2searchinsufficiencywasanalyzed,andthefuturedevelopmenttrendofnon2pointresearchwasdis2cussed,whichwouldbehelpfultothedevelopmentofNPSPmodelsandtheirapplicationsinwatermanagementinChina.

Keywords:non2pointpollutionmodel;capabilitycomparison;developmenttrend;3Stechnology.

1　引　　言

广、影响因子复杂、潜伏周期长和危害大等特点

[10,23]

,因而加深了非点源污染的监测、控制与管

近年来,随着点源污染控制水平的提高,非点源

污染(non2pointsourcepollution)已经成为水环境污染的主要来源.美国、日本等国家的学者研究发现,即使点源污染全部实现零排放,河流达标率也仅有65%

[16,32]

理的难度.数学模型方法可以有效地解决非点源污染的随机性和观测点的不确定性.它不仅可以模拟各类非点源的形成、迁移转化等过程,还可以为非点源控制和管理的定量化提供有效的技术手段内容之一污染模型

[21,27]

[14]

.所

.随着水环境污染问题的突出,非点源污

[37]

以,数学模型的研究一直是非点源污染研究的核心

.西方国家从20世纪70年始就.相比之下,我国在这方面的工作还

染研究越来越受到重视,并且成为环境科学、水文学领域的热点问题之一

.非点源污染是指溶解性或

[39]

对非点源污染进行了研究,并且发展了许多非点源

[15,20]

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,其

是比较有限的.2　非点源污染模型211　模型的分类

具有形成过程复杂、随机性大、机理模糊、分布范围

3国家重点基础研究发展规划项目(2002CB410807)和浙江省自然科学基金资助项目(y606209).33通讯作者.E2mail:yxchen@zju.edu.cn2006207204收稿,2007205231接受.

非点源污染模型形式多样,根据模型建立的途

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径和所模拟的过程,通常可分为经验型模型(empiri2calmodel)和物理型模型(physically2basedmodel)或过程模型(process2basedmodel)等.

经验型模型不涉及污染的具体过程和机理,仅与模型的输入与输出有关系,多用于非点源污染物负荷量的估算.经验型模型的构建主要是通过典型样区的监测实验提取数据,在水质参数与水文(降雨、径流)参数、景观参数(如坡度、植被覆盖状况、农药施用率和土壤性质等)间建立经验关系式.我国在研究农业径流污染时,也常用此类模[13,33,38]型.其特点为:此模型不考虑污染的中间过程或内在机制,只考虑输入和输出情况,属于“黑箱”模型;其数据处理方法简便,但误差较大,适用于年均污染负荷量的计算,不适合短期计算.该模型在自然、人为因素与试验区差异较大的区域较难推广使用.

物理型模型比经验型模型复杂.它以某一过程或系统的内在机理为基础,以非点源污染的发生、迁移转化和影响的具体过程为框架进行构建,通常包括产流、汇流、污染物转化和水质等子模型.其特点为:此模型不仅考虑输入和输出情况,也考虑污染的中间过程或内在机制,属于“白箱”模型;模型形式复杂,对数据量和数据精度的要求比较高;模型的外推受时空制约相对较少.实际研究中,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.212　发展概况

人类开始全面认识和研究非点源污染的历史并不长,具体历程为4个阶段:1)非点源污染的认识阶段(20世纪70年代以前).人们对非点源污染已逐渐认识并开始研究,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)非点源污染模型发展阶段(20世纪70—80年代).在污染源调查、非点源特性分析和非点源污染对水质的影响分析等方面取得了大量的成果.模型研究在此基础上得以蓬勃发展,很多模型例如SWMM、STORM、HSPF、ARM、LANDRUN等相继问世.在此阶段,著名的最佳管理措施BMPs(bestmanagementpractice)逐步形成并投入使用.BMPs由美国环保局(USEPA)于1976年发布,同时还提供了大量的实用的非点源污染模型,并详细介绍了用模型分析法评价和预测管理措施的实施效果.3)非点源污染模型重视阶段(20世纪80—90年代).非点源污染问题开始受到重视,以非点源污染为主题的国际会议和各种专著大量出现.模型研究主要集中在把已有

[22,35]

的模型应用于非点源污染管理方面,开发包含经济评价和优化内容的非点源管理模型.代表性的模型

[17][5]

为ANSWERS、CREAM、AGNPS、WEPP等.4)非点源污染模型完善阶段(20世纪90年代后).随着计算机技术的迅速发展和3S技术在流域研究中的广泛应用,一些学者把GIS技术和非点源模型进行耦合来进一步完善现有的非点源污染模型,如AVS2WAT、AGNPS等.这一阶段模型研究由纯数学问题转向一种系统的决策工具,以帮助预测非点源污染的程度并对各种水域管理措施进行评价;同时,把传统的非点源污染模型与专家系统或各种人工智能相结合,开发非点源模型系统平台,为非点源污染的研究和控制提供了有利工具,也成为一个重

[31]

要的研究方向.

3　非点源污染模型的比较和选用标准311　模型的比较

[18,40]

非点源模型一般是以流域(单个流域或多流域)为研究对象,研究各非点源污染物进入地表水和地下水系统的方式、强度等特性以及规律.目前,国

[2,24]

外在非点源污染领域的研究已经相当广泛;国内在这方面研究虽属于热点,但仍然比较薄弱.由此,本文选取国外10个影响较大、应用较广的模型,进行总结和比较,为模型的应用者提供一个参考依据.

ANSWERS(arealnonpointsourcewatersheden2vironmentresponsesimulation)是由美国普度大学农业工程系Beasley和Huggins于1981年提出的基于降水事件的分布式参数模型,可以模拟暴雨事件中农业流域的截留、渗透、地表水、地表径流、壤中流、土壤侵蚀和泥沙输运、沉积等过程.输入信息包含土地利用、土壤数据、小时降雨数据和BMP措施设计数据;输出信息包含暴雨径流量和峰值流量.污染物

[8]

类型包括氮、磷的各种形态.

HSPF(hydrologicalsimulationprogram2FOR2TRAN)是由Hanson等于1981年提出的一个允许用水动力学和沉积化学共同作用来模拟路面和土壤污染物径流过程的物理分布型综合模型.HSPF考虑了雨滴溅蚀、径流冲刷侵蚀和沉积作用,同时考虑复

[7]

杂的污染物(污染物包括氮、磷和农药等)平衡.其输入信息包括气象和水文、土地利用、负荷因子与冲刷参数、受纳水体特征、衰减系数;输出信息主要包括径流量和污染物负荷的时间序列、对受纳水体的影响分析、对控制措施的分析;污染物类型主要取决于可获得的污染物参数和数据.

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GLEAMS(groundwaterloadingeffectsofagricul2

turalmanagementsystems)是由美国农业部农业研究

署(USDA2ARS)研制开发的基于连续降雨事件的经验集中型模型,可以模拟农田径流、渗滤、蒸发、蒸腾、土壤侵蚀、化学物质的迁移转化和农药垂直通[11,19]量.GLEAMS的输入信息包含气象水文信息、土地利用和土壤类型;输出信息包含农田径流量、泥沙、营养元素和农药垂直通量;污染物类型包括一般污染物体和有毒有机污染物.

AGNPS(agriculturalnon2pointsourcepollution)是由美国农业部农业研究署(USDA2ARS)和土壤保护署于1986年联合开发的基于降水事件的分布式参数模型,可以模拟农业区内径流、泥沙和化学径流

[22,25,34]

(氮、磷).AGNPS的输入信息包含流域土地利用类型、土壤类型、降雨量、地形和BMP措施的去除情况;输出信息包含暴雨径流和峰值流量、沉积物、营养物和COD浓度;污染物类型包括氮、磷、COD、细菌和金属.

MIKESHE(anintegratedhydrologicalmodellingsystem)是由丹麦水工试验所(DanishHydraulicIn2stitute)1982年开发的流域整体水循环模拟软件系统,属于物理分布型模型,可以模拟土地系统各相中

[1,6]

的所有水文循环过程以及水量、水质和泥沙输.输入信息包含气象水文、土地利用、土壤类型和作物生长情况;输出信息包含水量、水质和泥沙.污染物类型包括氮、磷等污染物.

SWRRB/SWAT(simulatorforwaterresourcesinruralbasins/soilandwaterassessmenttools)模型是由Williams等和Arnold等开发提供的物理分布模型,可以模拟连续时间,评价流域规模水质.SWRRB/SWAT的输入信息包含气象水文信息、流域和受纳水体参数、土地利用、土壤类型、储水区和水库信息;输出信息包含连续的水量、水质和峰值排量;污染物类型包括氮、磷、COD、细菌和金属.

PRZM(pesticiderootzonemodel)是美国环保局(USEPA)开发提供的物理分布型模型,可以模拟化学污染物在非饱和带及其相邻的下层土壤、植物根

[9]

系区的水文和水质过程.PRZM的输入信息包含气象水文、土地利用、土壤类型和受纳水体参数;输出信息包含径流量、农药在土壤中的各种存在形态(溶解态、吸附态等)的浓度;污染物类型包括农药有机化学污染.

STORM(storage,treatment,overflow,runoff,mode)是美国陆军工程兵团(USACE)开发的物理

[3-4]

分布型模型,可以模拟小集水区(尤其是城市)的水

[29]

文过程和污染物的迁移转化.其输入信息包含每小时降雨量、累积冲刷参数、径流系数和土壤类型;输出信息包含基于时间的径流和污染物负荷、溢流的存储、处理利用和发生次数、水位过程线和污染物过程线;污染物类型包括总悬浮物、BOD5、总氮、正磷酸盐.

SWMM(stormwatermanagementmodel)是美国环保局(USEPA)开发的,可以对地面径流、排水管网以及污水处理单元等的水量、水质进行动态模[28]

拟.SWMM的输入信息包含气象、水文、土地利用分布和特征、累积冲刷参数和衰减系数;输出信息包含连续时间的径流量、污染物负荷量、污染物在河流水库中运移和控制措施的分析;营养物类型包括总氮、COD、正磷酸盐和总悬浮固体等.

DH3M2QUAL(distributedrouting,rainfall,run2offmodel2quality)是由美国地质勘探局1982年开发的物理分布型模型,可以模拟水文过程和水质过[12]

程.其输入信息包含气象与水文、跟径流有关的流域特征、河道尺寸与运动波参数、累积冲刷系数和储水区特征;输出信息包含汇水区内任意地点处的径流和污染物产生量、暴雨事件、水位过程线和污染物过程线;污染物类型包括氮、磷有机物、总悬浮物固体和金属.

312　模型选用的标准

由于各种模型的功能和特点不尽相同,所以在定量非点源污染负荷过程中必然存在模型的选择和适用问题.为此,本文有针对性的对每个模型的评价标准从6个方面做了总结:1)应用尺度.不同的研究尺度对非点源污染模型对水文过程和污染物迁移过程的模拟效果影响很大,所以要根据集水区的特征来确定合适的研究尺度.模型在小于适用尺度的情况下比大于适用尺度的情况下模拟效果好.一般情况下,模拟过程中的时间尺度可以分为长期或短期.一些模型适合短期模拟,如单场降雨事件;而另一些模型能够进行长期模拟,如一个月甚至几百年的连续时间模拟.2)研究对象的具体特征.研究区域的特征对模型的选择很重要.研究过程中,区域内部和外部变量都需要说明,而且变量选择得越多,模型匹配得越好.比如低凹区与高山区的土壤特征和相应的地形之间分别具有不同的影响机制,在研究过程中,需针对研究对象选择不同的参数变量.但是,如果模型能够反应土壤动态的一般机理,那么它就可以应用到研究区域以外的同一土壤.3)物理型

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模型和经验型模型的比较.经验型模型不能提供过程信息,物理型模型不仅能够提供集水区污染物迁移过程信息,提供迁移过程的算法,而且对未来土地利用类型的变化和气候变化也可以进行预测.4)集中型模型和分布型模型的比较.集中型模型是集中研究区的空间信息,定量地确定非点源污染负荷,但其中一些有用的空间信息可能会丢失,而且此模型难以了解营养物的空间异质性;分布型模型是考虑研究区的空间分布信息以及营养物迁移过程,对污染负荷进行定量研究,但研究区内的各子流域和各单元就会被隔离,缺乏一定的综合性.5)输出类型.输出量随输入参数的变化而变化.模型模拟的效果可以通过改变输入参数来评价.把模拟结果进行聚类分析,散点图中点密集区是最可能的结论.这种结果完全依赖于少量参数的获取和高精度的测量值,所以,在非点源污染模型研究中获取大量的空间数据是非常重要的一个环节.6)模型的复杂性和数据要求.简单的模型具有较少的参数,数据的收集和管理相对容易;而复杂的模型具有很多参数,虽然模拟效果比简单模型好,但数据集和管理也比较困难.随着3S技术的发展,空间数据问题得到解决,因此非点源污染模型和GIS耦合是目前流域模拟的一个发展方向.

4　模型存在的问题和发展趋势411　存在的问题

会大幅度提高,把污染物对水生生物的影响和通过

食物链、饮水等途径而对人体的短期和长期的影响也纳入模拟的范围,形成具有污染物风险分析功能的模型也是其发展的方向之一.2)随着3S技术的出现,集成化模型是解决流域非点源污染的发展方向.经过几十年的研究,已经研制出许多适用于多种气候、水文条件和污染物类型的非点源污染模型.随着3S技术的发展,进一步开发地理信息系统(GIS)支持下的专家系统软件,发挥各模型的优势,最大限度地扩大模型的适用范围,将成为未来非点源污染模型研究的发展趋势.

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[26,36]

非点源污染模型在欧美国家起步较早,已经取得了大量有价值的研究成果,但也存在一些问[27]题,例如:1)有明确水文基础和污染物迁移转化机理的模型还处于研究状态,应用于实践的很少;2)大多数模型只能适用于较小的流域面积,对中大型流域模拟能力较差,不便于推广应用;3)大量经验性模型只能适用于局部地区,难以在大范围内推广使用;4)现有的模型一般要求参数较多,率定困难;5)当前的模型不够完善,不能完全准确地模拟非点源污染过程,导致模拟结果不够理想.412　非点源模型的发展趋势

鉴于国内外对流域非点源污染模型研究的不足,未来的非点源污染模型的发展趋势如下:1)提高模型的适用范围和模拟的精度.随着水环境污染问题的突出,非点源污染研究越来越受到重视,其研究也将得到更快的发展.可以预见,具有明确水文和污染物迁移转化机理的模型将有相当广阔的发展空间,各种模型的适用范围会显著扩大,模拟的精度也

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作者简介　张秋玲,女,1976年生,博士.主要从事环境科学研究.E2mail:zhql1976@yahoo.com责任编辑　梁仁禄

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