研究非点源污染负荷估算模型及在北京的应用

　　摘要：本文通过对大量文献资料的研究，对非点源污染负荷估算模型的发展历史进行了全面的分析，探究出了非点源污染负荷估算模型在不同时期不同区域的特点和应用范围。并对现有的各类非点源污染负荷模型进行对比，得出他们各自的优缺点和选用标准，以便应对不同的水域实际情况。虽然各类模型都各自有各自的优势，但是他们都存在着一定的问题，本文对这些存在的问题进行了阐述，并对未来非点源污染负荷模型的发展趋势进行了预测和猜想。最后根据北京当地的实际情况，提出了非点源污染负荷模型在北京应用基本思路和面临的挑战。

　　关键词：污染负荷;非点源污染模型;地表径流;面源污染

　　1.引言

　　降雨径流过程、侵蚀过程和污染物的迁移转化过程是决定非点源污染特征的三个主要过程，因此通常非点源模型由水文子模型、土壤侵蚀子模型和污染物迁移转化子模型构成。国外非点源污染模型的发展大致经历了三个阶段：(1)早期的经验模型。如日本的水箱模型Tank(李有林2000)，在诸多非点源养分污染模型中运用的美国的通用土壤流失方程USLE(Wischmeier and Smith 1978)。这类模型主要通过统计分析建立污染负荷与土地利用、径流量及土壤侵蚀量之间的关系，对数据的需求比较低，在早期得到了广泛应用;(2)上世纪70年代中期后的机理模型。如，Hydrocomp公司的非点源系列模型PTR-HSP-ARM-NPS、统一运输模型UTM(DeCoursey 1985;Beyerlein 1979)、流域非点源污染模拟模型ANSWERS(Bouraoui and Dillaha 1996)等;(3)近期的新一代功能模型。它协调了前两种模型的优缺点，是对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行系统综合模拟的一种模型。如化学污染物径流负荷和流失模型CREAMS(Knisel 1982)、农业非点源污染模型AGNPS(Panuska et al. 1991)，以及与3S技术结合的大型模型，如BASINS(Whittemore 1998)和SWAT(Arnold 1998)等。

　　2. 模型的比较

　　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。ANSWERS (areal nonpoint source watershed environment response simulation)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，[1]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。污染物类型包括氮、磷的各种形态。HSPF ( hydrological simulation program-fortran)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。

　　3. 模型的选用的标准

　　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。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.问题与发展趋势

　　非点源污染是一个复杂的过程,是多个子过程的综合,涉及水文、土壤、环境、地理、泥沙、物化、生态、气象等多种学科。目前,我国在城市非点源污染负荷定量化方面存在的问题主要有如下几个方面:各类城市非点源污染模型中,经验型的多,机理型的少;对实测资料的依赖程度高,具有局域性,缺少以污染物迁移转化机理为基础的模型; GIS和水文模型技术集成,多限于低层次的文件交换。非点源污染模型模拟是建立在人们对非点源污染可认识的基础之上，认识越深刻则模拟越精确。但是由对系统的认识是有限的，所以任何数学模型的模拟结果都与真实系统之间存在着一定的误差，从而造成了模型的不确定性。

　　模型结构的不确定性源于建模者对自然现象认识的不足与数学描述的误差。在非点源污染模型中用数学公式描述每个模块所涉及的自然规律时，为求解数学微分方程不得不进行一些概化和假定，由此产生的不确定性不可忽略。模型的结构(即各部分组成的方式)概念化不合理是影响复杂模型稳定性的主要原因。研究表明，即使输入数据与参数优化做得比较好，模型结构的不确定性依然可能极大地影响模拟效果。

　　由于非点源污染物的类型差异、产生机制复杂、空间异质性高、监测数据有效性差异大，因而不同非点源污染模型结构的差异引起的不确定性很高，单一模型难以应对这种复杂局面和流域管理的多样需求。[7]迄今为止，国内外开发了很多水文模型，不同的模型在针对不同的水文过程方面都具有一定的优势，但没有任何一个模型能够肯定其在任何条件下应用都优于其它模型。应用单一模型得到的预测结果往往具有不确定性。Liu等认为理解、定量和减少模型的不确定性是模型正确模拟的前提，因此，流域非点源污染负荷的多模型方法成为流域综合管理思想下实行污染总量控制的重要手段和迫切需要。

　　5. 北京市非点源污染研究

　　北京地区非点源污染主要来自农业、城市径流和大气沉降，另外矿山开采和旅游活动所造成的非点源污染也不可忽视。其中农业非点源污染主要包括以下五种类型：土壤侵蚀、化肥与农药的流失、畜禽养殖及垃圾、农田施用污水和污泥、底泥的二次污染。城市非点源污染主要有地表径流、大气干湿沉降、城市水土流失、垃圾积聚造成的污染。

　　目前北京非点源污染研究主要集中在官厅与密云两大水库及其周边地区，研究内容涉及非点源污染调查、负荷与预测评价、影响因素与机理、控制管理等方面。但北京非点源污染的空间分布的具体数据还没有，这对建立北京市非点源污染监测系统带来了困难。因此，采用不同模型分析各种不同类型的非点源，为定量化分析非点提供依据，同时也为政府有效的管理和治理方案提供依据。

　　参考文献：

　　[1] 李云生，刘伟江，吴悦颖，等. 美国水质模型研究进展综述[J]. 水利水电技术，2006，37(2)：68-73

　　[2] 郭永彬，王焰新. 汉江中下游水质模拟与预测——QUAL2K模型的应用[J]. 安全与环境工程，2003，10(1)：4-7 .