非点源污染研究综述

非点源污染研究综述

随着人类经济活动深入发展，水环境污染问题已成为全球性问题。非点源污染造成大量泥沙、氮磷营养物、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，水体出现富营养化趋势，不仅直接破坏水生生物生存环境，导致水生生态系统失衡，而且还影响人类的生产和生活，威胁人体健康。因此，在点源污染控制水平达到一定程度后，非点源污染的严重性逐渐表现出来，非点源已成为导致水环境污染的重要原因。

1 非点源污染基本介绍

非点源污染亦称面源污染，是相对于点源污染而言的一种水环境污染类型，其定义是指溶解的或固体的污染物从非特定的地点，在降水或降雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体，并引起水体富营养化或其它形式的污染。非点源污染的主要来源包括水土流失、农用化学品过量施用、城市地表累积物、畜禽养殖和农业与农村废弃物等。

非典源污染从其产生机制来看，主要可分为三个过程：径流形成的过程、径流冲刷地面及形成土壤侵蚀的过程和泥沙及氮磷污染物进入水体的过程[4]。各种类型的下垫面在降雨的作用下产生径流并对土壤产生侵蚀作用，大量的泥沙与附着的氮磷污染物及可溶性氮磷污染物进入水体，从而产生非点源污染。

2 非点源污染模型的研究历程

2.1 国外非点源污染模型的研究

2.1.1 初期经验探索阶段

早在20世纪60年代，单纯的依靠点源污染控制无法从根本的改变水质，所以人们开始转向非点源污染的定量研究，能够简便地计算出流经出口的污染负荷，表现了较强的实用性和准确性，因而得到了广泛的应用，但是此类模型对数据的需求能力低，难以描述污染物迁移的路径和机理。

2.1.2 机理模型发展阶段

美国在全国范围内开展了大规模非典源污染调查与研究，提出了一些有影响的非典源污染模型。随着对非点源污染模型的进一步研究，机理模型逐渐成为非点源模型开发的主要方向，其中有城市暴雨径流污染的STORM、SWMM、模拟农业污染的ARM以及流域模型HSPF等。SWMM模型是美国环保局为设计和管

理城市雨洪而研制的综合性数学模型。它可以基于降雨量和其它气象资料模拟真实的暴雨事件，预测水量和水质总值，给出水量水质的时空分布，评价排水系统的排水能力[5]。它可以实现雨水管、合流制管道，自然排放系统的水量和水质模拟，并且具有强大的数据提取功能。HSPF模型模拟了陆地表面、亚表面和地下水的水文路线以及污染物的输移，主要可分为两个部分:PERLAND模型和RCHRES模型。

该阶段的非点源污染模型由初期的探索经验总结提高到机理模型，对实际测量的数据进行了分析和应用，但是它们对各种数据的要求过高，并不能广泛的运用于各种类型的非点源污染的研究中去，从而使得这类类型的推广和应用受到限制。

2.1.3 管理模型综合阶段

非点源污染的研究开始转向污染管理方面，综合了以上两种发展阶段，注意分析综合经济效益的分析。美国农业部农业研究所开发的CREAMS模型就是一种功能模型。该模型的研发奠定了非点源模型发展的“里程碑”，它首次对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行了系统的综合[6]。其预测径流使用的是SCS法，产沙子模型采用经验公式USLE，预测污染物负荷采用的是概念模型。

随着CREAMS模型的推出，不同功能的非点源污染模型在同一时期得到了大力的发展，主要有EPIC、GLEAMS、SWRRB、SWAT、AGNPS、WEPP等[7]。这些尺度和功能各异的模型极大地丰富了非点源污染模型的内涵。

2.1.4 GIS应用阶段

20世纪90年代以来，随着“3S”（RS、GPS、GIS）以及计算机信息技术的飞速发展，GIS技术与非点源污染模型的结合被视为解决问题的有效工具。GIS 地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。例如运用EPIC模型评价和预测农业非点源污染，GIS和ANSWERS相结合模拟农业非点源污染。

2.2 国内对非点源污染的研究

我国对非点源污染的研究起步较晚，于上世纪80年代起开始，此时正是国外

非点源污染研究高速发展时期，所以初期多受国外非点源污染模型和理论的影响。

近些年来，国内在非点源污染这一方面的研究进步迅速，不仅开展了对降雨径流的特性、来源及污染物种类和下垫面性质、土地利用对非点源污染的影响、机理进行研究，还开始重视对模型的研究和参数的验证与检验，并开始探索运用先进技术手段如3S技术，进行辅助研究，逐步实现与世界同行接轨。

例如，张东等[14]针对模型在中国西北寒旱区的黑河流域和中西部温润的汉江流域的水文模拟中发现的问题进行了扩充和改进，增加了土壤粒径转换模块和天气发生器(WGEN)数据预处理模块，改进了模型中的WGEN算法、潜在蒸散量模拟算法以及气象参数的空间离散方法，结果表明利用改进后的模型，不仅模型的使用效率有明显提高，而且改进后模型的效率系数和相关系数也比改进前有较大改善。

3 非点源模型研究存在问题

由于环境自净能力的存在，排污并不等于污染，而其中的界限，即非点源污染评价标准由于受到水文、气候、土壤及土地利用等诸多因素的影响，至今这方面研究还很少，更谈不上标准的制定，今后在这方面要加强[16]。同时，大多数的研究将视角单纯的聚集在非点源污染上，而忽略了与点源污染的关系，缺乏系统的观点对点源和非点源污染进行综合研究。

国内外的非点源污染模型多为确定性模型，在自然系统进行观测和模型模拟的过程中都会带来一定的误差。现有基本数据库的缺乏、监测工作的薄弱、资金投入少。通过对分散地点的实测数据得到模型中的输入流、输出流以及内部条件的时间和空间变异的量化，这些数据只能利用模型自带的生成器来模拟生成这些数据，如何保证数据来源及精度问题也成为制约模型研究及模型有效性主重要因素之一。

4 非点源污染未来研究方向

4.1 发挥3S技术的作用

非点源污染研究需要综合描述、分析和显示各种空间信息，但以往的非点源模型在对环境过程空间特性的描述、对空间数据操作及对模拟结果的显示方面都比较困难。而空间分析和空间数据管理及多方式显示查询正是GIS的优势所在。借助3S技术的广泛应用和GIS强大的数据提取、分析和处理功能，与之结合的非