基于水文模型的面源污染模拟研究综述

基于水文模型的面源污染模拟研究综述

摘要本文主要阐述了农业面源污染定义和特点,以及运用土壤侵蚀预报模型来研究农业面源污染的意义,介绍了国内外土壤侵蚀预报模型的主要研究成果。国外的侵蚀预报模型主要为LISEM、WEPP、EUROSEM模型、切沟侵蚀预报模型和浅沟侵蚀预报模型(EGEM)。国内的模型主要有浅沟侵蚀的坡面侵蚀预报模型以及具有一定物理成因的坡面侵蚀预报模型。在总结和评价国内外土壤侵蚀预报模型的基础上,提出了中国今后土壤侵蚀预报模型研究的设想。

关键词面源污染;土壤侵蚀;预报模型;研究进展;设想

1 农业面源污染

农业面源污染是指在发生自然降雨或人类农业生产生活的过程中,造成的土壤扰动,使得农田中的土壤颗粒、氮磷钾等营养元素、农药及其它的有机、无机污染物,在农田人工排水、农田地表径流以及地下水渗漏等的作用下,而大量进入水体,造成水体营养元素超标,富营养化等水体污染[1]。其主要的特征为,面源污染发生的地区和发生时间的随机性、其产生的具体途径及所产生的污染物不确定性、污染物负荷在空间上分布的差异性[1]。

2 农业面源污染的现状

相比较点源污染,面源污染由于其特点的不确定性,在研究和治理上都存在较大的难度,面源污染已经成为世界上地下水污染和地表水污染的主要来源,而农业生活生产所带来的农业面源污染是世界面源污染的重要来源。

根据2003年美国环境保护局调查资料和国外的相关研究资料表明,全世界约有30%~50%的地表已经受到面源污染的影响,在全世界范围内,已经退化的12 亿hm2 耕地中,约有12%的耕地都是由农业面源污染引起的[2]。调查还显示,在美国农业面源污染是造成湿地锐减和地下水污染的重要因素[3],是美国境内河流和湖泊污染的首要污染源;在欧洲瑞典,大约有60%~87%的污染,是由于农业面源污染中污染物渗入地下水中的氮磷元素所造成的[3];在爱尔兰,约60%的富营养化湖泊,在流域范围内并没有明显的点源污染[3]。

同样,在我国农业面源污染也已经成为我国水体中水质恶化的首要污染源[3];由中国农科院土壤肥料所研究的结果表明,在中国污染严重的流域内,农村的生活生产排污、农村畜禽养殖、农田及城乡结合部地带的排污是造成流域内水体富营养化的主要原因[4];同时根据土壤肥料研究所对北京、天津、河北、山东、陕西等地的600 多个点位进行的抽样调查显示,农业面源污染也日益成为我国地下水硝酸盐污染的主要来源[4]。

3模型在农业面源污染中的应用

3.1国外研究现状

早在20世纪70年代,欧美等主要发达国家就开始了对面源污染模型的研究,其中的大部分模型研究均是以应用为主,模型本身的结构和功能都比较单一,无法满足在面源污染的具体产生过程进行估算和模拟[5]。

这一时期的模型研究主要是用于土地开发利用对河流中水体水质产生的影响,模型主要是依据统计分析和因果分析的方法建立统计式的模型,并在此基础上建立污染物输出与土地利用或径流量之间的统计关系。其中具有代表性的模型主要有SCS径流曲线数法和Horton入渗方程等模型,这类模型对输入的数据以及参数的设置要求均比较低,能够简便地计算出流域出口处与面源污染相关的因子的负荷量,模型基本上表现出了较强的实用性和准确性,因而在早期得到了较为广泛的应用。但由于模型难以描述面源污染物内在的迁移规律,且模型在实际应用中功能的单一,使得这类模型并没有得到广泛的应用。

20世纪70年代末到90年代,伴随着计算机和3S等高新技术的兴起,以及人们对面源污染物理化过程研究的深入,和对面源污染长期而有效的监测,使得面源污染机理模型研究得到了较快的发展[6]。

这一时期面源污染模型的特点相比较以前,已经开始由原先只是简单的统计分析向面源污染污染的机理转变,由仅仅从单场暴雨分析向时间连续性分析的转变、由模型集中式向分布式的模型转变;人们在模型研究中开始强调模型应用的普遍性和适地性,使模型研究的实际应用价值大大提高。在这时期的模型主要有,可以模拟城市暴雨径流的SWMM模型、可以模拟农业污染负荷的ARM模型、可以模拟河流流域负荷的HSP模型等;其中,被誉为面源污染模型的“里程碑”是由美国农业部农业研究所开发的CREAMS模型,它是当时唯一一个将面源污染中三大影响因子(水文、土壤侵蚀以及污染物的迁移过程)进行了系统综合的模型;随后,研究人员又根据CREAMS模型发展出了用于模拟农业生产活动对地下水影响的GLEAMS模型、用于研究农田小区的EPTC模型和用于模拟研究大型流域面源污染物输出的SWRRB模型等。

此外,在欧洲,研究人员也相继开发出了用于模拟中小流域面源污染输出的AGNPS模型、欧洲水文系统模型SHE、用于研究流域土壤侵蚀的SEDIMOT II 模型、用于研究泥沙输出的模型WEPP,以及用于流域水文和泥沙演算的ROTO 模型,随后,人们又在ROTO模型的基础上,将ROTO模型与SWRRB模型集成,形成了新一代大型流域面源污染模型SWAT。

进入本世纪以来,随着经济的发展以及科技水平的高速进步,面源污染模型与计算机极其应用软件的结合更加的紧密,使得面源污染模型的功能效率更高,模型在面源污染研究中应用更加广泛。

在这一时期,研究人员发展出了功能更加强大、应用更加先进成熟的面源污

染模型;如SWAT,WEPP和AGNPS模型,这些大型的综合模型都可以与一些GIS 软件如GRASS、ArcView等进行不同程度的集成,随之产生了超大型流域模型;这些大型的综合性模型均是以空间信息处理、数学计算、数据库技术、可视化等功能集于一身的大型专业软件。其中较著名的是美国农业部农业研究所开发的AGNPS2001,SWAT2000以及美国国家环保局开发的BASINS模型。目前,SWAT 模型已经被大量的应用到了美国国家项目HUMUS中,用于研究和监测大型流域内的水量平衡、流域内河流的流量以及流域内面源污染物的控制评价等;而美国环保局的大型TMDL项目也将SWAT作为其研究模型,并将SWAT模型集成到其开发的BASINS模型系统中,用于协助TMDL项目进行重点污染源的识别、控制及面源污染输出量的估算等。

3.2国内研究现状

我国的面源污染模型的研究比欧美等发达国家起步较晚。在我国,研究面源污染负荷定量估算的方法基本从两个方面来入手,一是采用相关分析法,通过对面源污染中的影响因子如(降雨径流、水土流失、污染物迁移)的模拟研究,进而估算出面源污染物的输出量;例如,夏青等人提出的包括了(降雨径流、产流量、水体水质)的3个子模型在内的面源污染模型,并运用该模型在四川沱江流域进行了面源污染的模拟研究,并取得了较好的模拟效果;另一种方法是通过对面源污染中水体的水质分析,进而估算出流域内的面源污染物的输出量,这是一种经验性质的统计模型,目前这种方法己在国内得到了广泛的应用;例如,陈西平等人在三峡库区研究提出了用于计算农田径流中污染负荷的模型,其中包括了降雨产流和地表径流中水质相关的子模型,用于计算三峡库区内的各种面源污染物的输出量[6]。

20世纪80年代,我国开始对面源污染以及径流污染中的机理、污染负荷的定量计算方面进行了初步的模型研究。如吴祖林等人从降雨径流量、污染负荷等相关的角度对城市径流污染负荷模拟模型进行了探讨;刘枫等在天津于桥水库进行了流域面源污染的量化识别研究。