流域尺度的营养物质输移模型研究综述

文章编号:100428227(2005)052

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流域尺度的营养物质输移模型研究综述

赖格英1,2,3,于　革1

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京210008;2.江西师范大学鄱阳湖生态环境与资源研究教育部重点实验室,

江西南昌330027;3.中国科学院研究生院,北京100039)

摘　要:近几十年来,水体富营养化已成为许多国家密切关注的环境问题,氮、磷等湖泊富营养化营养元素与流域的点源、非点源排放密切相关。随着点源治理水平的逐步提高,非点源污染的比重和危害将逐步增大。对流域的营养物质输移进行数值模拟对于揭示我国浅水湖泊富营养化的机制有重要的意义。国内外对这类模型已经有相当多的研究,形成了种类繁多的各类非点源污染模型。从湖泊营养盐外源输移的研究角度出发,分析了流域尺度的营养盐输移模拟机理性模型的结构特征,并对非点源污染模型在国内外的研究概况、模型的研究动态、主要模型的功能、结构及其特点和发展趋势进行了多视角的综述。关键词:流域;营养盐;输移模拟;进展;综述;非点源污染文献标识码:A

水体富营养化是目前许多国家存在并密切关注

的环境问题,研究表明[1,2],水体中营养盐的输入和富集是富营养化的最主要原因。近几十年来,过量的化肥施用、人口的快速增加、城市的迅速扩展以及动植物生命过程中产生的氮磷,改变了营养物质的自然循环[3],主要限制性营养盐间的原子比例如N :P 、Si :N 和Si :P 的变化[4,5]导致了浮游植物群落的变化并且伴随着有毒藻华的出现和持续。

非点源污染在形成上具有随机性大、分布广泛、发生相对滞后和潜在性强等特点,与点源污染相比,非点源污染在管理与控制上有较大难度[6]。通过建立数学模拟模型在流域尺度上对营养物质输移进行定量化评估,进而研究非点源形式的营养盐输移转化规律,探讨外源性营养物质的驱动因素,对于湖泊等水体营养物质外源输入实行总量控制,实现流域-湖泊复合生态系统的健康管理以及湖泊营养本底的良性修复,具有重要的意义。经过几十年的努力,国内外已形成了基于事件和过程的不同时空尺度的非点源机理性模型,为湖泊营养盐外源输入的模拟提供了很好的模型基础。本文分析了流域尺度的营养盐输移模拟机理性模型的结构特征,并对非点源污染模型在国内外的研究概况和动态、主要模型的功能、结构和发展趋势进行了多视角的综述。

1　流域尺度的营养盐机理性模型的结构特

征

流域或集水区是基于水文学的一个空间单元概

念,它是指河流及其支流排水的地理区域,具有系统性和相对独立性。随着生态学、环境学的发展以及人们对生态与环境的日益关注,与流域相关的地表过程如水文过程、水土流失与侵蚀过程、营养物质输移过程,以及这些过程与人类活动之间的相互响应得到了大量研究[7]。流域的自然过程和流域的自然属性密切相关,因此把流域作为营养盐输移模拟的基本空间单元有特殊的地域和水文意义。

营养物质输移模型是根据营养物质流失、吸附、迁移、聚集等过程的机理,以数学建模的方法模拟不同类型的营养物质在水文循环作用下,对水体所造成的负荷,以及营养物质在水文循环各个环节中迁移、转化的过程。营养物质输移涉及许多过程,其中降雨径流过程、土壤侵蚀与流失过程和各种营养物质在陆面、河道与湖泊等水体中的迁移、转化、沉积过程是决定非点源形式营养盐输移特征的3个主要过程[8]。因此,模拟这3个过程的子模型构成了非点源机理模型基本框架。

收稿日期:2004208206;修回日期:2004212229

基金项目:国家科技部973项目(2002CB41230021)和中国科学院知识创新工程项目(KZCX12SW 212)共同资助.

作者简介:赖格英(1963～　),男,江西省寻乌人,博士生,教授,主要从事遥感、地理信息系统和流域过程模拟的研究.

第14卷第5期2005年9月 长江流域资源与环境Resources and Environment in t he Yangtze Basin

Vol.14No.5

Sep.2005

2　国内外研究概况

我国对非点源污染机理模型的研究开始较晚,做了许多应用研究和理论探讨[9～11],取得了一定成果。水文模型和土壤侵蚀模型是污染物输移模拟的基础,国内自20世纪60年代以来,有了很大进展,形成了新安江模型和陕北模型等。几十年来,在不同的建模理论和方法上进行了不同侧面的探讨[12～15]。在流域土壤侵蚀和产沙方面,学者进行了许多探索,形成了一些实用的模型[16,17]。

国际上对非点源污染的研究大体上开始于20世纪60年代,70年代起进行系统研究,80年代以后进展迅速。早期的研究往往只对单一的非点源污染物或单场降雨进行模拟,其方法多采用统计模型。机理性模型由统计模型发展而来,可以逐日长期连续模拟营养盐、沉积物、农药、除草剂等不同非点源污染物在渗透性和非渗透性的土壤、河网、水库和湖泊等介质中迁移转化的复杂综合过程。

随着机理性模型模拟能力的提高,模型结构日趋复杂,所需数据量日益庞大,应用传统的常规定量化研究方法变得困难甚至不可能。80年代以来,随着计算机和信息技术的发展,地理信息系统(GIS)、遥感(RS)等高新技术在非点源污染研究领域得到了迅速应用[18,19]。

早期的机理性模型通常将整个流域或区域作为一个集总系统来处理,相关的土壤、气候、地形等地理要素采用空间平均方法处理。由于地理要素的非均一性和非线性,集总式参数模型无法满足研究的精度需求。分布式参数模型考虑了流域内部的地理要素和地理过程在时间和空间上的差异,并以格网或子流域的空间单元划分方法将大区域或流域离散化成更小的地理单元。在这些地理单元中,地理要素被看作是均匀的,因而分布式模型比集总式模型更逼近环境过程的真实性,有更强的物理基础。

由于研究的侧重点和对象不同,分布式模型又包含尺度和功能各异的机理性非点源模型,如模拟城市暴雨径流污染的SWMM、STORM和WA T2 FLOOD模型;模拟农田尺度径流、渗滤、蒸发、土壤侵蚀和化学物质迁移转化过程的EPIC、CN PS和CREAMS模型;模拟中小流域农业非点源的A G2 N PS模型;评估土地利用变化及不同管理措施对非点源污染和水质影响的SWA T和SH E模型;模拟农业活动对地下水影响的G L EAMS模型;采用空间相关统计的SPA RROW模型;为城市规划人员和

自然资源管理者评估土地利用变化对水质水量影响的L2T H IA模型[20];集空间信息处理、数据库技术、可视化等功能于一体的流域管理与评估的BASINS 模型。这些非点源模型在不同程度上都有营养盐模拟组件,是进行营养盐输移研究的重要模型。

3　流域尺度的主要营养物质模拟模型

20世纪70～80年代,研究人员开发了大量的机理性非点源污染模型,如HSPF、ANSWERS、SWRRB、A GN PS、CN PS、L2T HIA、SWA T、LOAD、WA TFLOOD、M IKE-SHI等,本文主要对有代表性的模型进行阐述和分析。

3.1　L2T H IA模型

L2T HIA(Long2Term Hydrologic Impact As2 sessment)模型主要帮助城市规划人员或自然资源管理者量化土地利用变化对水质水量的影响。它借助土地利用、土壤特性以及降水的历史资料来确定某种土地利用类型变化或潜在的土地利用类型变化所导致的年径流和几种非点源污染物的平均影响。作为快速而简易的方法,L2T HIA模型聚焦于土地利用类型变化带来的平均影响而不是特定年份或某个暴雨事件对水质水量的影响。

目前L2T H IA模型已经有许多基于GIS平台的版本,并具有分布式参数的特征[21,22]。Bhaduri (1998)开发了一个基于GIS的L2T H IA N PS模型,用于评估过去或将来规划中的城市建设所引起的土地利用变化对流域水质的影响。此外,L2T HIA还有基于Web的模型系统L2T H IA WWW,用户只要将数据提供给客户端的Web用户界面,系统就会将数据通过Internet传递到主机并进行运算,将结果反馈到客户端并以图表和图形的方式加以表达。

近年来,城市无计划大规模的扩张引发了许多有关土地利用变化的关注与思考,如土地利用变化导致了洪水频发、河床降低、土壤侵蚀以及地下水补给等一系列无法诠释的问题[20],因而L2T HIA N PS 模型得到了大量应用,如Ogden(1996)用于城镇规划和海岸线管理;Grove等则基于GIS和遥感资料,用该模型评估印第安纳波利斯历史上土地利用变化对流域的影响;Minner(1998)在美国的主要气候带下通过构造城市扩展的许多变量,分析保留适宜绿化带或绿化区的城建方案与传统的城建方案对流域水环境的影响差异。传统的土地利用规划是基于“满足需求”这种理念,而现在可持续发展的土地利

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