浅谈面源污染负荷估算方法及防止对策_面源污染负荷估算
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浅谈非点源污染负荷估算方法及防止对策
摘要：非点源污染的研究具有重要的现实意义，其为水体的保护和农业非点源污染控制等起到很好的指导作用，本文在系统调研相关文献的基础上，介绍非点源污染的特点以及目前中国的非点源污染负荷计算方法，各计算方法的特点及其在中国的研究和应用情况；并以农业非点源为例，浅述非点源污染的防治对策。
1.非点源污染的概念及特征
近年来,随着人们对环境问题的关注,人类十分普遍而又不为人们所熟悉的环境污染问题逐渐得到各国政府环境保护部门高度重视,这就是非点源污染,又称为非点源污染(Non-point Source Pollution, NPS)。非点源污染与点源污染相对应,指溶解态或颗粒态污染物从非特定的地点,在非特定的时间,在降水(或融雪)冲刷作用下,汇入河流、湖泊、水库、海洋等自然受纳水体,引起的水体富营养化或其它形式的污染。[1-5]
美国《清洁水法修正案》(1997)对非点源污染的定义为:污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水体。这里的微量是指污染物浓度通常较点源污染低,但NPS污染的总负荷却是非常巨大。随着各国政府对点源污染控制的重视,点源污染在包括我国在内的许多国家己经得到较好的控制和治理,而非点源污染目前已成为影响水体环境质量的重要污染源,其土要来源为农业生产过程土壤化肥、农药流失、农村畜禽养殖排污、农村生活污水、生活垃圾污染、城市建筑工地产生的污染、城市地面、公路交通、矿山等固体废物堆存区污染等,并具有以下显著特点:
[6-11]
(l)发生随机性强,因为非点源污染主要受水文循环过程(主要为降雨以及降雨形成径流的过程)的影响和支配,而降雨径流具有随机性,所以山此产生的非点源污染必然具有随机性。
(2)排放途径及排放污染物具有不确定性,影响非点源污染的因子复杂多样,从而使其排放途径及排放污染物具有不确定性。农药和肥料的施用是农业非点源污染的主要来源,但不同的施用量,在生长季节、农作物类型、使用方式、土壤性质和降雨条件不同时,所导致的排放途径及排放污染物具有很大的不确定性。
(3)污染负荷的时间变化（次降雨径流过程、年内不同季节及年际间)和空间(不同地点)变化幅度大,发生相对滞后性和模糊性以及潜在性强。
由此使得非点源污染的监测!控制与管理更加困难与复杂难而复杂。
2.非点源污染负荷计算方法的发展历程
非点源污染负荷计算方法研究始于美国20世纪六七十年代，通过在北美地区开展的一系列深入研究，研发了包括输出系数模型、机理模型等在内的一系列非点源污染负荷估算方法。
进入21世纪后，该领域的研究在世界各国引起广泛关注，除了欧美国家，日本、韩国和中国等亚洲国家近年来又去活跃。由于现有主流模型是根据北美地区环境特点研发的，在其他地区应用时，常常不能够很好地适应研究区的特点，因此，除了一般性的模型应用、验证和对比研究外好地适应研究区的实际情况：韩国的Kang程进行了改进；，日本的Sakaguchi
[13-14]，很多研究者还对模型进行了改进
[15-16]，使之能更
等针对水稻田的降雨径流特征，对SWAT中池塘的水量平衡方
等则引入了“潜在渗透率”的概念，改进了SWAT模型中壶穴的降雨
[19]径流计算方法，建立了新的水稻田降雨径流计算模式；日本的Boulange等将日本本土的农药污染计算模型PCPF—1余SWAT相结合，建立了新的水稻田农药降解和迁移转化模式。
3.我国非点源污染负荷计算方法
中国的非点源污染研究始于20世纪80年代
[20]，2000年以前，总体处于探索阶段，和国外的交流相对偏少；2000年以后，随着国外非点源污染模型尤其是机理模型的引进发展迅速，大批研究者运用各种模型和计算方法（主要来自美国）在全国不同地区、不同尺度范围内开展了大量应用研究
[21]，近年来在国际上的影响力越来越大。根据对近年来国内外年源污染研究文献的检索和分析，中国目前常用的非点源污染负荷计算方法大体可以归结为以下三大类：（1）输出系数模型、（2）实证模型和（3）机理模型。
（1）输出系数模型
是在20世纪70年代在美国发展起来的[22]，其核心是测算每个计算单元（人、畜禽和单位土地面积）的污染物产生量，将每个计算单元的平均污染物产生量与总量相乘，估算研究范围内非点源污染的潜在产生量。Johnes[23]在总结以往输出系数法研究成果的基础上发表了规范的输出系数模型，该模型已经成为输出系数模型的经典模型，国内输出系数法方面的研究，大多基于该模型或稍作修改。
Johnes输出系数模型为：Lj=
ijAi+P。其中
Lj为污染物j在流域的总负荷量（kg/hm/a），i为流域
22中的土地利用类型，共m种。Eij为污染物j在第i中土地利用类型中的输出系数kg/hm）或第i种牲畜每头排泄系数（kg/a）或人口每人输出系数（kg/a）。Ai为流域中第i种土地利用类型的面积（hm）或第i种牲畜数量（头）或人口数量（人）。p为由降雨输入的污染物总量（kg/hm/a）。
输出系数模型因其结构简单和数据获取容易等特点在国内得到广泛应用复杂的迁移转化过程，可以使用统计数据开展污染负荷计算
。该模型忽略了非点源污染，其计算区域，既可以是边界明确的流域，也可以是不同等级的行政单元，时间步长的设定比较灵活，可以是月、季节甚至年、虽然测算精度通常比机理模型低，如果不测算输移系数，其计算结果只是非点源污染的产生潜力，而不是真正进入水体的污染量)，但对尺度不敏感，可移植性好，并可以在较大尺度和较长时间段对非点源污染负荷进行估算“国内输出系数模型的应用，既有将流域作为研究区域的案例究的时空尺度从中小尺度[29]
[26]，也有将行政单元作为研究区域的案例
[27-28]，研到大尺度
均有涉及，2007年开展的全国污染源调查，其非点源污染负荷的调。还有一些研究者对模型进行了改进，引入降雨和地形影响因子，查方法，也是基于输出系数模型建立的[31]考虑降雨时空分布差异和地形对计算结果的影响（2）实证模型
[32]。
有时也称为统计模型，它的研究基础是统计分析，根据长时间降雨、水文和水质监测数据，建立非点源污染负荷变化和降雨、径流变化之间的相关关系，通过回归分析构建经验公式计算非点源污染负荷，这种方法一般适用于内部结构比较单一的小流域，因为小流域内降雨、径流量和污染负荷之间的关系相对简单，大多是线性关系或者简单的非线性关系。实证模型同样不考虑污染的迁移转化，无法从机理上对计算公式进行解释，加之这些公式都是通过回归分析获得，UI那次模型通常不可移植，在其他流域使用时，必须根据该流域的水文、水质监测数据重新进行分析，但如果研究的流域面积不大、结构简单且能够在流域出口处获得足够长系列的水文、水质检测数据，该方法也可获得较高的计算精度。
实证模型的代表是水文分割法，水文分割法尚无规范的名称，也有研究者称之为平均浓度法或其他名称，但研究思路基本一致: 将河川径流过程划分为汛期地表径流过程和基流过程，认为降雨径流的冲刷是产生非点源污染的原动力，非点源污染主要由汛期地表径流携带，而枯水季节的水污染主要由点源污染引起。根据多年的水文和水质监测数据，分别测算枯水期和汛期流域出口处污染物的平均浓度，再根据流域出口处的径流量，就可以计算整个流域的污染负荷并将非点源污染负荷从总负荷中区分出来应用受研究区水文和其他条件的影响较大，应用的案例总体不多
[34-35]
[33]，该方法的。由水文分割法进一步发展而来的还有降雨量差值法，其基本思想是: 认为只有发生较大降雨并产生地表径流时，非点源污染物才会流失并进入水体，降雨量跟非点源污染负荷之间存在相关关系，可以对任意两场洪水产生的污染负荷之差与降雨量之差进行回归分析，从而获得降雨量与非点源污染负荷之间的相关关系，根据相关关系，结合降雨和水文#水质统计数据，估算流域非点源污染负荷
。除水文分割法以外，神经网络和灰色关联分析法实质上也
[37]属于实证模型，少数研究者应用这些方法也开展了一些探索性研究域总负荷减去点源污染负荷的方法来计算非点源污染负荷的思路
。此外，还有一些研究者提出过用流
[38]，但由于中国目前污染管理水平不高，准确核算流域点源污染负荷本身就非常困难，因此，几乎没有见到过成功应用的案例。
（3）机理模型
机理模型试图根据非点源污染形成的内在机理，通过数学模型，对降雨径流的形成以及污染物的迁移转化过程进行模拟，它通常包括子流域划分、产汇流计算、污染物流失转化和水质模拟等子模块，通过GIS惊醒地形分析和子流域划分。机理模型对数据量和精度要求较高，但如果经过规范的率定和验证，能够获得较高的计算精度，并且由于其机理和过程比较明晰，具有良好的可移植性，率定好的模型应用于其他条件类似的流域，也能获得理想的计算结果，机理模型对尺度较为敏感，更适合于中小流域。
目前，无论是国内还是国外，机理模型在非点源污染负荷计算方法中都占据了主导地位，国内广泛使用的机理模型绝大多数来自美国，SWAT（Soil and Water Aement Tool）、AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-point Source Pollution)和HSPF(Hydrologic Simulation Program Fortran)是应用最为广泛的3种模型，除此以外,ANSWERS(Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation)、SWMM(Storm Water Management Model)、WEPP(Water Erosion Prediction Project)等也有一定的应用。
SWAT是目前国内应用最多的机理模型，以水文响应单元(HRU, Hydrologic Response Unit)作为基本计算单元[39]，参数设置方面将土地利用、土壤、作物类型和农业管理方式等各方面的数据储存在查找表(look-up tables)中，在北美地区使用时，用户输入研究区域的空间、坡度、土壤性质以及土地管理方式等信息，模型可自动从查找表中提取所需要的参数
； Ann AGNPS与HSPF的基本原理和SWAT类似，在基本计算单元(Ann AGNPS 为栅格，HSPF为子流域)等方面略有差异； 此外，还有研究者将SWMM,WEPP等用于非点源污染负荷计算研究，与其他模型大多基于源-汇过程开展污染物模拟不同，SWMM的污染物模拟基于累积-冲刷原则，由于具有强大的管道水力计算功能，SWMM更多应用于城市非点源污染负荷的研究,WEPP则更多应用于土壤侵蚀的研究
[41]。
[42-43]机理模型引入国内后，得到迅速推广，以SWAT应用最为广泛，应用范围已经覆盖北方的许多地区，研究区域多以中型和小型流域为主也有一定的应用[49-51]
[45-46]
和南方
[44]，但也有应用于大流域的案例
[47-48],Ann AGNP和HSPF
[52]。在应用过程中，国内一些研究者开始尝试对国外模型进行改进，Yang等将SWAT与新安江模型进行耦合，运用新安江模型进行径流计算，对国产与国外模型的耦合进行了尝试性研究；Xie和Cui[53]对SWAT中壶穴降雨径流计算模式存在的问题进行了分析并针对水稻田的产汇流特征提出了改进[54-55]方案;郑捷等在沟渠河网的提取方法、子流域与水文响应单元的划分以及作物耗水量计算等方面对
[56]SWAT模型进行了改进； 桑学锋等针对中国流域水循环过程受人类活动影响较大的特点，基于“自然-[57]人工”的二元水循环模式，对SWAT的水文模块进行了改进； 赖正清等针对中国西北干旱区河流的特点，[58]通过减少土壤水的贮藏量并增加下渗量对SWAT模型进行改进；余文君等改善SWAT对融雪径流的计算；王慧亮等
将SWAT模型与FASST集成，以
提出了运用多模型方法降低模型不确定性的研究思路” 平原河网区产汇流计算结果不理想是目前机理模型存在的主要问题之一，国内一些研究者在平原河网区的产汇流方面开展了探索性研究，针对模型无法在平原河网区自动划分汇流区的问题，提出了多边形河网划分法[60-61]与河道嵌入法(Burn-inalgorithm)
[53-54]
等解决方案，前者运用多边形河网来划分汇流区，将一些骨干河网构成的不规则多边形作为汇流区，多边形汇流区的产水量则根据一定的计算规则分别汇入四周的河道； 河道嵌入法首先根据调查资料，概化并绘制研究区域的骨干河网，运用GIS软件的“Burn in”功能，根据河网的空间分布格局，对DEM进行改造，使河道流经地区格点的高程低于周边地区，离河道越近，高程越低，通过这种方法，人为增加研究区的高程起伏，使子流域划分和汇流计算能够顺利完成。但国内在模型改进方面的研究目前主要局限于对水文模拟技术的改进，而水质模拟方面则较少涉及，总体上不够系统和深入。
4.非点源污染防治对策
对非点源污染的控制，以农业非点源为例。国外关于农业非点源污染的控制和管理始于 20 世纪 70 年代后期, 发展于 20 世纪 80 年代初, 成形于 20世纪 80 年代中后期, 20 世纪 90 年代后有了较大发展, 并以美国的最佳管理措施BMPs最具代表性。英、美等国是最早进行 BMPs 的国家, 20 世纪 70 年代起, 英、美等国开始实行 BMPs 管理方式, 以有效控制非点源氮、磷素对水生环境的危害。1972 年美国联邦水污染控制法(FWPCA)首次明确提出控制非点源污染, 倡导以土地利用方式合理化为基础的“最佳管理措施”(BMPs)。1977 年的清洁水法(CWA)进一步强调非点源污染控制的重要性。1987 年的水质法案(WQA)则明确要求各州对非点源污染进行系统的识别和管理并给予资金支持出的区域的管理措施。
最佳管理措施是指在获得最大的粮食、纤维生产的同时能科学的使农业生产的负影响达到最小的生产系统和管理策略的总称。USEPA 将最佳管理措施(BMPs)定义为“任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序, 包括工程、非工程措施的操作和维护程序”。具体来说, BMPs 包括工程措施、耕种措施、管理措施等类型, 现在已提出的最佳管理措施主要有:少耕法、免耕法、限量施肥、综合病虫害防治、防护林、草地过滤带、人工水塘和湿地等方法。BMPs 通过有机结合这些措施作用于农业非点源污染的控制
。BMPs 主要就是针对这些被识别
。最佳管理措施自 20 世纪 70 年代末在美国诞生以来, 在英美及欧洲国家得到了广泛的应用。研究结果表明世界上几个实行最佳管理措施(BMPs)的地区, 流域水质得到了明显的改善。美国在密西西比河三角洲治理评估工程中, 采取了一系列保护性的最佳管理措施(BMPs), 研究结果表明采取这些措施后可以使该流域的沉积物负荷减少 70%～97%, 同时 N 和 P 通过沉积运移产生的负荷也得到了很大的减少, 该研究还发现冬天的一些保护性植物对流域的 NO3-N 负荷的减少起到了显著的作用
。美国在水产养殖业流出物的污染控制方面, 也采取了一系列的最佳管理措施(BMPs)。美国国家农业部自然资源保护署(USDA NRCS)、亚拉巴马州环境管理部门(ADEM)、亚拉巴马州鲶鱼产业联合会(ACPA)、奥邦大学(Auburn University)联合针对阿拉巴马当地的鲶鱼养殖业开发了一整套的最佳管理措(BMPs), 研究表明这些措施有效控制了当地鲶鱼养殖业产生的污染参考文献
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