第二節(jié)　流域面源污染的基本研究理論和方法

1.面源污染的概念

面源污染（Diffused Pollution），又稱非點源污染（Non-Point Pollution），是指在降雨、徑流的淋溶和沖刷作用下，大氣、地面和土壤中的污染物進入江河、湖泊、水庫和海洋等水體而造成的水環(huán)境污染，廣義的面源污染包括城市面源污染與農(nóng)業(yè)面源污染。農(nóng)業(yè)面源污染主要來自于四個方面：一是種植業(yè)中肥料的流失；二是畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物的流失；三是農(nóng)村生活污染物的流失；四是水土流失。據(jù)統(tǒng)計，美國的面源污染負荷占到了總污染負荷的2/3，而面源污染中有57%～75%來源于農(nóng)業(yè)活動；在歐洲，超過50%的TN由農(nóng)業(yè)面源污染導(dǎo)致，丹麥的270條河流中，農(nóng)業(yè)面源污染貢獻了92%的TN和52%的TP，英國水體中70%以上的硝酸鹽來自農(nóng)業(yè)。中國的氮肥當(dāng)季利用率只有30%，剩余的氮大部分通過徑流或淋溶的方式進入周邊水體或地下水，進入大氣的活性氮（NH3、NOx和HNOx）也會通過沉降的方式進入水體。因此，狹義的面源污染也指農(nóng)業(yè)面源污染。

2.面源污染的基本特征

控制面源污染的關(guān)鍵首先在于需要對污染源進行源解析、污染負荷的估算并分析其空間分布特征。但在實際操作中，面源污染的研究是一個非常復(fù)雜的綜合性難題，其原因在于面源污染具有以下特點：

（1）從空間上來說，面源污染源較為分散，它可以發(fā)生在流域內(nèi)的任何地方，隨流域內(nèi)土地利用狀況、地形地貌、水文特征、氣候、天氣等的不同而具有空間異質(zhì)性和時間上的不均勻性。排放的分散性導(dǎo)致其地理邊界和空間位置的不易識別。此外，由于非點源污染涉及多個污染者，在給定的區(qū)域內(nèi)它們的排放是相互交叉的。

（2）從時間上來說，大多數(shù)面源污染問題發(fā)生的時間也是不確定的。例如，農(nóng)作物的生產(chǎn)會受到天氣的影響，因為降雨量的強度、空氣溫度、空氣濕度的變化會直接影響化肥、農(nóng)藥等對水體的污染程度。若施用化肥即遇到降雨，造成的面源污染將會十分嚴重。由于化肥和農(nóng)藥在農(nóng)田存在的時間較長，通常一次化肥或農(nóng)藥的使用所造成的面源污染將是長期的。

3.流域尺度面源污染負荷的估算方法

由于面源污染存在著隨時、隨地發(fā)生且來源難以界定的特征，因此很難具體地定點監(jiān)測，流域尺度面源污染負荷大多采用估算的方法。目前，區(qū)域尺度的農(nóng)業(yè)面源污染負荷估算的方法主要有四種：平衡法、排放清單法、統(tǒng)計模型法和機理模型法。

（1）平衡法。平衡法用于早期的農(nóng)業(yè)面源污染研究，對于已知污染物總負荷的流域來說，減去點源污染的負荷量、流域的污染物沉降量，即為面源污染的負荷。計算所得的負荷被看作是農(nóng)業(yè)面源污染負荷量的最小估計值。中國早期滇池、太湖和鄱陽湖等湖泊的水體富營養(yǎng)化中農(nóng)業(yè)面源污染貢獻率估算和評價就采用此方法。

（2）排放清單法。首先選擇基本研究單元，采用研究單元內(nèi)的活動數(shù)據(jù)，如肥料施用量、家畜年末出欄量、鄉(xiāng)村人口數(shù)與對應(yīng)產(chǎn)污系數(shù)相乘的方式計算各個污染源的排放負荷。排放清單法數(shù)據(jù)搜集較為簡單，適用于年均污染負荷量的計算，不考慮中間過程或內(nèi)在機制，為“黑箱”研究。

（3）統(tǒng)計模型。20世紀60年代，國外學(xué)者對面源污染的定量化研究一般采用統(tǒng)計模型的方法。統(tǒng)計模型法是通過建立流域受納水體中污染物負荷與土地利用、徑流量等的線性或非線性方程來計算污染物貢獻率和負荷。這種方法不需要較多的數(shù)據(jù)來源，方程的擬合也較為簡單，是農(nóng)業(yè)面源污染研究早期常用的手段。但這種方法與排放清單法一樣，難以描繪面源污染的過程與機理，其局限性也是明顯存在的。

（4）機理模型。20世紀80年代以后模型發(fā)展迅速，從統(tǒng)計模型轉(zhuǎn)入機理模型，機理模型能夠反映農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生與遷移過程及環(huán)境影響，研究領(lǐng)域也由之前對貢獻率和總負荷的關(guān)注，拓寬至對面源污染特征、機理、空間分布以及相關(guān)的影響因子等的研究。目前國內(nèi)外應(yīng)用范圍較廣、認可度較高的模型有4個：AGNPS（Agricutural Non-Point Source）模型、AnnAGNPS模型（Annualized Agricutural Non-Point Source）、HSPF（Hydrological Simulation Program-Fortra）模型、SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型。

AGNPS模型用于研究面源污染物對地表水和地下水質(zhì)的潛在影響，適用于集水面積在200km2以下的流域，定量估計來自農(nóng)業(yè)區(qū)域的污染負荷，評價不同管理措施的效果。在用AGNPS模型模擬美國堪薩斯州Cheney水庫流域的不同亞流域營養(yǎng)物負荷時，采用AGNPS-ARC INFo界面來提取GIS中的信息，并用測量值進行校正。結(jié)果顯示模型在有充足降雨數(shù)據(jù)的較小型流域中的模擬過程效果較好。AGNPS模型在應(yīng)用于農(nóng)用小流域氮磷負荷的評估中，發(fā)現(xiàn)頂峰階段流量，總氮、總磷的模擬值和觀測值相似系數(shù)均達到顯著水平。AGNPS模型對于擬合熱帶流域的徑流、泥沙含量，總氮和總磷濃度方面都能取得較好成效，但在流量高峰期還不能準確地進行模擬。此外，AGNPS模型是場次降雨模型，無法對流域內(nèi)面源污染進行長期預(yù)測，在應(yīng)用中具有局限性。

AnnAGNPS模型是以AGNPS模型為基礎(chǔ)的改進模型，其以日為基礎(chǔ)連續(xù)模擬一個時段內(nèi)每天累計的徑流、泥沙、養(yǎng)分、農(nóng)藥等輸出結(jié)果，模型按照流域水文特征將流域劃分為一定的單元，即按集水區(qū)來劃分單元，可用于評價流域內(nèi)非點源污染的長期影響；根據(jù)地形水文特征進行流域集水單元的劃分，模擬的流域尺度更大。AnnAGNPS模型對于流域中氮負荷的模擬值與測量值在置信度為95%的范圍內(nèi)無差別。應(yīng)用AnnAGNPS模型也可以用于對土地利用方案進行評價。AnnAGNPS模型在九龍江、千島湖、柴河上游等小流域均有應(yīng)用，模型預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果在一定誤差范圍內(nèi)基本一致，表明該模型應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染負荷估算及評價是可行的。

HSPF模型是美國環(huán)保署開發(fā)的一個確定性集總參量的連續(xù)性流域水文模型。模型可以自動提取模擬區(qū)域所需要的地形、地貌、土地利用、土壤、植被、河流等數(shù)據(jù)進行非點源污染負荷的長時間連續(xù)模擬，并把模擬結(jié)果與所存儲的實測數(shù)據(jù)進行比較，以驗證模型。自1980年以來，HSPF模型在國外被廣泛地用于模擬徑流中泥沙，營養(yǎng)物，農(nóng)藥等負荷的模擬，并取得了精確的結(jié)果。HSPF模型與GIS技術(shù)結(jié)合，利用PRZM3模型劃分子流域，被用于美國加利福尼亞州中部圣華金河沿岸農(nóng)地面源污染狀況研究，并提出優(yōu)化方案。

對美國塞巴斯蒂安河流域South Prong地區(qū)總泥沙、總磷和總氮含量進行模擬時采用了暴雨采樣的方法，在漲水期，頂峰期和落水期分別采集了水樣并用HSPF模型同時進行了模擬，結(jié)果顯示模擬得到的暴雨徑流負荷和測量值吻合良好。應(yīng)用HSPF模型模擬20271km2的大型流域的污染物負荷（包括大壩運行），并用最佳管理措施BMPs對其進行評價，得到的模擬結(jié)果對大型流域的大壩運行措施及混合土地利用等方面都是有顯著作用的。用HSPF模型模擬混合型小流域的徑流和泥沙產(chǎn)量，得到的結(jié)果和測量值基本符合，研究還顯示了HSPF模型能夠預(yù)測營養(yǎng)物季節(jié)性最大流失。這個研究也證實HSPF模型非常適合于復(fù)雜的多植被小流域。在國內(nèi)HSPF模型被用于滇池流域的水文、水質(zhì)模擬，定量地計算出四種污染物（SS、BOD、TN、TP）的面源污染負荷，為流域面源控制方案的實施提供了科學(xué)的評估依據(jù)。借助HSPF模型，對深圳西麗水庫流域的水量水質(zhì)進行了動態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)面源污染是造成水庫水質(zhì)污染的主要原因，果樹施肥是水庫氮、磷污染的主要來源，減少化肥使用量可以使非點源污染負荷明顯降低。

SWAT模型，由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）的農(nóng)業(yè)研究中心（Agricultural Research Service，ARS）Jeff Arnonld博士研發(fā)。由水文過程子模型、土壤侵蝕子模型和污染負荷子模型三個子模型組成，采用日為時間步長連續(xù)計算，是一個具有很強物理機制的長時段分布式流域水文模型。它能夠利用GIS和RS提供的空間數(shù)據(jù)信息，預(yù)測復(fù)雜大流域中不同土壤、土地利用和管理措施對流域徑流、泥沙負荷、農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)運移等的長期影響，適宜較長周期、大流域的水土預(yù)測、非點源污染模擬研究。近幾年SWAT模型已在世界大部分國家和地區(qū)推廣和使用。應(yīng)用SWAT模型對北非Medjerda流域不同管理措施對地表水的潛在影響進行研究，結(jié)果表明流域氮、磷負荷的增加主要來源于化肥施用量的增加。使用SWAT模型模擬美國愛荷華州得梅因河流域硝態(tài)氮的負荷，并評價減少氮負荷的管理措施，通過長達11年對模型的校準和驗證，取得了一系列較好的結(jié)論。顯示了SWAT模型在貫徹有效減少污染物負荷的措施上具有指導(dǎo)意義。在國內(nèi)，SWAT模型的應(yīng)用也很廣泛，對西北寒區(qū)、黑河高海拔山區(qū)以及長江上游的水量水質(zhì)模擬效果良好，用于研究這些區(qū)域的水溫過程、水量平衡以及氣象環(huán)境的影響。

研究流域尺度面源污染的方法眾多，也各有優(yōu)缺點。目前其應(yīng)用范圍多依賴于數(shù)據(jù)的豐富程度，未來通過多方法或多模型融合手段對面源污染進行研究可以減小誤差，提高結(jié)論的準確性。