农业非点源污染预测模型

第23卷第5期2007年5月农业工程学报

T r ansactions of the CSA E V ol.23　N o.5M ay 2007

农业非点源污染预测模型研究进展

王少丽1,2,王兴奎1,许　迪2

(1.清华大学水沙科学教育部重点实验室,北京100084;　2.中国水利水电科学研究院水利研究所,北京100044)摘　要:农业非点源污染是一种间歇发生、随机性、突发性、不确定性很强的复杂过程,因此,模型化研究一直是非点源污染研究领域的一个核心内容。该文回顾了农业非点源污染预测模型的发展,简要阐述了国外农田尺度和流域规模尺度农业非点源污染模拟模型的功能和研究进展,对中国非点源污染预测、模型发展及存在问题进行了论述,提出从农业生产和水环境保护的角度去探讨污染物运移特征和定量预测模型,结合3S 技术,并考虑非点源污染的不确定性将是今后非点源污染模型研究的主要内容之一。

关键词:农业非点源;污染;预测模型;地理信息系统

中图分类号:X 592 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2007)5-0265-07

王少丽,王兴奎,许　迪.农业非点源污染预测模型研究进展[J ].农业工程学报,2007,23(5):265-271.

Wang Shaoli,W ang Xing kui,Xu Di.A dv ances in the predictio n mo dels of ag ricultural non-point so urce pollution [J ].T r ansa ct ions of t he CSA E,2007,23(5):265-271.(in Chinese with English abst ract)

收稿日期:2006-08-15　修订日期:2007-02-12

基金项目:国家自然科学基金重点项目(50639040);水利部“948”计划技术创新与转化项目(C T200404)

作者简介:王少丽(1963-),女,江苏无锡人,教授级高工,博士生,主要从事农田灌排理论与技术、农业水环境保护方面的研究。北京中国水利水电科学研究院水利研究所,100044。Email:s haoliw @iw h

0　引　言

近年来,随着工业点源污染控制水平的提高,非点源污染已经成为水环境污染的主要来源。在各种非点源污染引起的水环境污染问题中农业非点源污染最为普遍,并构成当今世界水质恶化的第一大威胁,农业非点源污染具有影响因素多、发生的随机性大、危害范围广、污染物排放种类和数量不确定、污染负荷时空差异性显著等特点,使得农业非点源污染的研究与防治工作比点源污染更为困难。

农业非点源污染是由化肥、农药、畜禽粪便,以及水土流失经降雨径流、淋溶和农田灌溉回归水进入水体而造成的。影响农业非点源污染的因素众多,如土壤质地、土地利用类型、施肥种类及方法和时间、耕作方法、降雨强度和降雨量等。采用常规的监测手段定量估算某一时段内非点源污染负荷量,受客观条件的限制而难以大面积采用,因此,模型化研究一直是非点源污染研究领域一个活跃的分支。目前,利用模型对非点源污染问题进行模拟研究是广泛使用的方法之一,一方面对非点源污染机理的进一步认识促进了非点源污染模型的快速发展;另一方面模型的发展又加强了非点源污染机理的进一步认识。利用数学模型可以有效解决非点源污染的随

机性和观测点的不确定性,可以模拟各类非点源污染的形成、运移、输出等过程,从而为地表水资源的合理开发和利用提供决策依据,并使地表水环境保护措施的实施

更加科学化和定量化。

1　农业非点源污染预测模型的发展

描述农业非点源污染预测的模型可大致分为3大类:经验性模型、确定性(机理)模型和随机模型。经验性模型不考虑溶质运移的机制或动力学特征,如早期的非点源污染模型研究始于土地利用对河流水质产生影响的认识,其方法往往依据因果分析和统计分析来建立统计模型,并以此建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计关系[1],这类模型对数据的需求比较低,表现了较强的实用性和准确性,但是由于它们难以描述污染物运移的路径与机理,使得这类模型的进一步应用受到了较大的限制。自20世纪70年代中后期以来,随着对农业非点源污染物理化学过程研究的深入和对其运移过程的广泛监测,机理模型逐渐成为非点源污染模型开发的主要方向,即依据达西定律和连续原理建立的对流-弥散方程,对整个系统及其内部发生的复杂转化运移过程进行定量描述,评估土地利用的变化及不同的管理技术措施对污染负荷和水质的影响,通常由降雨径流过程(水文过程)、土壤侵蚀过程和化学物质转化运移3个主要过程组成,其中著名的有综合水文、侵蚀和污染物运移过程的农田尺度模型CREAM S ,GLEAMS ,LEACHM ,DRAINMOD-N ,RZWQM ,EPIC 等,这些

模型在美国和加拿大广为应用,对于指导农业生产,减少农业活动对水体的污染起着积极的作用。20世纪90

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年代以来,随着计算机技术的飞速发展和地理信息系统(GIS)技术在流域研究中的广泛应用,GIS技术与非点源污染模型的结合成为该研究领域中的热点问题。一些功能强大的超大型流域模型被开发出来,这些模型集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能于一身,使得非点源污染模型的应用性能和精度都大为提高。其中比较著名的有美国农业部农业研究所开发的AGNPS和美国国家环保局开发的SWAT,BASINS等模型。

随机模型近20年来才逐渐发展起来,并越来越受到重视和广泛应用。国外在这方面的研究较多,而国内应用随机方法建模和预报的研究才刚刚起步[2]。随机模型以对流-弥散方程为基础,考虑到模型中的参数存在较大的空间变异性和某些变量存在的时间变异性,参数或边界条件处理为随机变量,模型的运行结果将得到输出变量的一个统计分布或范围。其中,Jury提出的传递函数模型具有较完备的理论基础[3],将溶质在土壤孔隙中复杂运移现象作为随机过程处理,不考虑溶质在田间土壤中运移的微观机制,其特点是根据地表加入的浓度输入函数,转化成田间土壤中运移溶质浓度的函数。

2　国外农业非点源污染预测模型研究

2.1　农田尺度模型

农田尺度规模的定义为:单一的土地利用,相对均一的土壤质地,降雨空间分布均匀,简单的管理措施,如保护耕作或梯田。农田尺度模型虽然未考虑气候条件、农田土地利用、土壤质地、水土管理措施等的空间变异性,但对于一定的气候、土地利用和土壤质地条件,它能够准确地描述和评价不同农业管理措施条件对土壤侵蚀和污染物转化运移过程的影响效果,是以GIS为基础研究大尺度规模分布式参数模型建模的基础,所以,至今农田尺度机理模型的发展和应用仍受到众多研究者的重视。以下简要描述较为有代表性的模型。

1)CREAMS(Chem icals,Runoff and Erosio n fr om Agr icultural M anag ement System s)是由美国农业部于1980年提出的一个连续模拟模型,它首次对非点源污染的水文、侵蚀和污染物运移过程进行了系统的综合,奠定了非点源污染模型发展的里程碑[4]。模型用于预测农田单元径流、侵蚀、来自农业活动的化学物质运移,可以预测单次暴雨事件或长时期的平均效果。径流计算采用径流曲线法(SCS曲线法);土壤剖面的水流运动采用简单的水量平衡方法,土壤含水量超过田间持水量时产生重力水流;土壤侵蚀采用USLE方法;化学物质将氮、磷和杀虫剂损失分为溶解态和沉积态,沉积态中还考虑了富集因子。模型最大的优点是不需要现场数据校正,而是按现有的参数和一些估计值就可以运用,使模型的运行费用大大降低。

2)GLEAM S(Gro undw ater Loading Effects of Ag ricultural Management Systems)为农业管理模型CREAM S的改进[5]。模型用于评价农业管理措施对农药、营养物质可能的淋洗、田间管理决策对地下水质的影响,以及田间地表径流和土壤流失动态。模型包括3个子模型:水文、沉积/侵蚀量和化学物质运移。化学物质运移子模型进一步分为农药和营养物。营养物子模型包括主要的氮过程:矿化、氨化、固化、挥发、硝化、反硝化、植物吸收、豆科植物的氮固定、径流和侵蚀的氮损失、根区以下的渗漏损失,以及磷过程:矿化、植物吸收、径流、泥沙和渗漏损失量。

3)DRAINM OD-N用于研究农田非饱和区一维垂向土壤水氮运移,及饱和区二维垂向和侧向的土壤水氮运移,已经广泛应用于北美和其他地方。模型适用于湿润地区浅地下水位条件,可以研究多年的土壤水动态和氮素的转化运移[6,7]。模型仅考虑土壤中简单的氮循环,控制过程包括降雨沉淀、氮肥溶解、有机氮的净矿化、反硝化、根系吸收、地表径流损失和地下排水硝态氮损失,未考虑氨挥发和硝化过程。模型的主要输入参数包括气象、土壤、作物、排水系统设计管理和氮素运移参数。最新版本的DRAINM OD-N-II已经拓展为可以描述有机肥料氮的转化和运移。

4)LEACHM(Leaching Estimation and Chem istry M odel)用于研究农田非饱和区域水和溶质的运动、传输、植物吸收和化学反应[8],由LEACHN、LEACHP和LEACHC3部分组成。LEACHN用于氮和磷的转化和运移模拟;LEACHP用于农药运移和降解模拟; LEACHC用于无机化学离子运动的模拟,如Ca、M g、Na、氯化物、硫酸盐、钾等。LEACHM要求的土壤参数包括土壤物理特性、容重、土壤颗粒分布、土壤持水特性;也要求有机肥或化学肥料中的氮含量和磷酸盐含量、日最大和最小温度、降雨量和蒸腾量。模型以天为时间步长,一个作物生长季节,也可应用于多年的模拟。

5)RZWQM(Roo t Zone Water Quality M odel)用于模拟农田土壤-作物-大气系统中主要的物理、化学和生物过程,可以模拟地下水位的变化和暗管排水条件,作物系统管理措施对土壤水、营养物质和农药运移的影响效果[9]。土壤水运动按小时计算,包括土壤水再分配、化学元素的运移、入渗和径流、农药淋洗、热运动、实际蒸发和蒸腾量、植物氮吸收、积雪的运动动态。模型将植物残体分为快和慢两种降解形式,将土壤有机物质分为快、中、慢3个降解池,模型也研究3类微生物:异养生物、自养生物和厌氧性生物。各降解池之间的转化

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