非点源污染负荷估算模型的研究及在北京的应用

摘要：本文通过对大量文献资料的研究，对非点源污染负荷估算模型的发展历史进行了全面的分析，探究出了非点源污染负荷估算模型在不同时期不同区域的特点和应用范围。并对现有的各类非点源污染负荷模型进行对比，得出他们各自的优缺点和选用标准，以便应对不同的水域实际情况。虽然各类模型都各自有各自的优势，但是他们都存在着一定的问题，本文对这些存在的问题进行了阐述，并对未来非点源污染负荷模型的发展趋势进行了预测和猜想。最后根据北京当地的实际情况，提出了非点源污染负荷模型在北京应用基本思路和面临的挑战。

关键词：污染负荷;非点源污染模型;地表径流;面源污染

Abstract: Based on the literature research, the non - point source pollution loading estimation model development history undertook comprehensive analysis, explores a non - point source pollution loading estimation model in different times and different regional characteristics and scope of application. The existing various kinds of non point source pollution load model for contrast, derive their respective advantages and disadvantages and selection criteria, in order to deal with different water conditions. Although all models have their own advantages, but they all exist the certain problem, based on the existing problems are described, and the future of non point source pollution load model to forecast the development trend and guess. Finally, according to the local conditions of Beijing, puts forward the non point source pollution load model in Beijing application basic ideas and challenge.

Key words: pollution load of non point source pollution; model; surface runoff; non-point source pollution

中国分类号:TK7文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2012)03-0001-02

1.引言

降雨径流过程、侵蚀过程和污染物的迁移转化过程是决定非点源污染特征的三个主要过程，因此通常非点源模型由水文子模型、土壤侵蚀子模型和污染物迁移转化子模型构成。国外非点源污染模型的发展大致经历了三个阶段：（1）早期的经验模型。如日本的水箱模型Tank（李有林2000），在诸多非点源养分污染模型中运用的美国的通用土壤流失方程USLE（Wischmeier and Smith 1978）。这类模型主要通过统计分析建立污染负荷与土地利用、径流量及土壤侵蚀量之间的关系，对数据的需求比较低，在早期得到了广泛应用；（2）上世纪70年代中期后的机理模型。如，Hydrocomp公司的非点源系列模型PTR-HSP-ARM-NPS、统一运输模型UTM（DeCoursey 1985；Beyerlein 1979）、流域非点源污染模拟模型ANSWERS（Bouraoui and Dillaha 1996）等；（3）近期的新一代功能模型。它协调了前两种模型的优缺点，是对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行系统综合模拟的一种模型。如化学污染物径流负荷和流失模型CREAMS（Knisel 1982）、农业非点源污染模型AGNPS（Panuska et al. 1991），以及与3S技术结合的大型模型，如BASINS（Whittemore 1998）和SWAT（Arnold 1998）等。

2. 模型的比较

非点源模型一般是以流域(单个流域或多流域)为研究对象，研究各非点源污染物进入地表水和地下水系统的方式、强度等特性以及规律。目前，国外在非点源污染领域的研究已经相当广泛；国内在这方面研究虽属于热点，但仍然比较薄弱。ANSWERS (areal nonpoint source watershed environment response simulation)是由美国普度大学农业工程系Beasley和Huggins于1981年提出的基于降水事件的分布式参数模型，[1]可以模拟暴雨事件中农业流域的截留、渗透、地表水、地表径流、壤中流、土壤侵蚀和泥沙输运、沉积等过程。输入信息包含土地利用、土壤数据、小时降数。

据和BMP措施设计数据；输出信息包含暴雨径流量和峰值流量。污染物类型包括氮、磷的各种形态。HSPF ( hydrological simulation program-fortran)是由Hanson等于1981年提出的一个允许用水动力学和沉积化学共同作用来模拟路面和土壤污染物径流过程的物理分布型综合模型。HSPF考虑了雨滴溅蚀、径流冲刷侵蚀和沉积作用，同时考虑复杂的污染物(污染物包括氮、磷和农药等)平衡。其输入信息包括气象和水文、土地利用、负荷因子与冲刷参数、受纳水体特征、衰减系数；输出信息主要包括径流量和污染物负荷的时间序列、对受纳水体的影响分析、对控制措施的分析；污染物类型主要取决于可获得的污染物参数和数据。

3. 模型的选用的标准

由于各种模型的功能和特点不尽相同，所以在定量非点源污染负荷过程中必然存在模型的选择和适用问题。有针对性的对每个模型的评价标准从6个方面做了总结：

（1）应用尺度

不同的研究尺度对非点源污染模型对水文过程和污染物迁移过程的模拟效果影响很大，所以要根据集水区的特征来确定合适的研究尺度。模型在小于适用尺度的情况下比大于适用尺度的情况下模拟效果好。一般情况下，模拟过程中的时间尺度可以分为长期或短期。一些模型适合短期模拟，如单场降雨事件；而另一些模型能够进行长期模拟，如一个月甚至几百年的连续时间模拟。

（2）研究对象的具体特征

研究区域的特征对模型的选择很重要。研究过程中，区域内部和外部变量都需要说明，而且变量选择得越多，模型匹配得越好。比如低凹区与高山区的土壤特征和相应的地形之间分别具有不同的影响机制，在研究过程中，需针对研究对象选择不同的参数变量。但是，如果模型能够反应土壤动态的一般机理，那么它就可以应用到研究区域以外的同一土壤。