90水环境非点源污染数学模型研究进展

发布时间：2016-08-24 15:15

本文关键词：水环境非点源污染数学模型研究进展，由笔耕文化传播整理发布。

第18卷第3期2003年6月；地球科学进展；ADVANCEINEARTHSCIENCESVo；Jun.，2003；1001-8166文章编号：（2003）03-0；水环境非点源污染数学模型研究进展；马蔚纯，陈立民，李建忠，高效江，林卫青；；2.上海市环境科学研究院，）（1.复旦大学环境；摘要：水环境非点源污染正日益受到人们的重视，成为；GIS的集成进行了探讨

第18卷第3期2003 年6月

地球科学进展

ADVANCE IN EARTH SCIENCES Vol.18　 No.3

J un.，2003

1001-8166 文章编号：（2003）03-0358-09

水环境非点源污染数学模型研究进展

马蔚纯，陈立民，李建忠，高效江，林卫青

；2.上海市环境科学研究院，）（1.复旦大学环境科学与工程系，上海　200433上海　200233

摘　要：水环境非点源污染正日益受到人们的重视，成为国内外学者所关注的热点领域。对水文模

GIS 的集成进行了探讨，型、非点源模型的研究现状做了归纳分析，尤其是对模型与RS、论述了两

者结合的意义和重要性，提出了结合的层次性，归纳了结合的多种方式。最后对非点源污染模型的

发展前景进行了分析和预测。

关　键　词：非点源污染；数学模型；地理信息系统

X52 ；P33　　　文献标识码： A中图分类号：

Nonpoint Source ， NPS ）污染是　　水环境非点源（

管理的定量化提供有效的技术手段。本文将着重讨论国内外非点源污染研究的数学模型方法，希望对

我国非点源污染的研究有所启发。

指降雨（尤其是暴雨）产生的径流，冲刷地表的污染物，通过地表漫流等水文循环过程进入各种水体，引起含水层、湖泊、河流、水库、海湾及滨岸生态系统等的污染。20世纪70年代以后，人们在污染控制的实践中，逐渐认识到非点源污染的严重性和重要性。根据美国、日本和我国学者的研究，非点源已

5］［4，

。经成为水环境的重要污染源，甚至首要污染源

非点源污染的成分复杂、类型多样，又具有不同于点源的特征，排放的分散性导致其地理边界

和空间位置不易识别，加上它还与一系列水文气象条件密切相关，因此非点源污染的研究和控制具有较大的难度。国际上对非点源污染的研究大体上开

80年代以后进展迅速，研究始于20世纪60年代，

的主要领域包括非点源污染的特征、负荷、地域范

围、机理以及相关的影响因子等。采用的研究手段包括野外调查与监测、土地利用方式分析、数学模型、遥感与地理信息系统等。近年来也开始趋向于

［3］

控制方法和管理政策的研究。由于非点源污染涉及多学科的理论和方法，因此，综合采用多学科的最新成果，开展对非点源污染的研究成为目前非常活跃的领域。数学模型方法不仅可以模拟各类非点源的形成、迁移转化和负荷，还可以为非点源控制和

2002-03-11 ；2002-11-04．　收稿日期：修回日期：

*基金项目：教育部高等学校骨干教师资助计划资助．

7］［6，

］［1～3

1　非点源污染数学模型

1.1　水文模型

非点源污染与水文循环过程、气象条件密切相关。“大部分用来模拟非点源污染负荷的模型，基本上都是水文模型，或者是与水文模型紧密相关的模型”。这是非点源污染的特性所决定的。因

此，对水文循环过程的研究在非点源污染的数值模拟中占有重要地位，犹如水动力模型对于水质模型、水文模型来说是非点源模型的重要基础。目前，各

多种，比较研究机构开发的流域水文模型多达200

CBM ）、著名的有澳大利亚气象局模型（日本国家防

IITANK- I，II灾研究中心的水箱模型I、（）、美国陆军

SSARR ）、美工程兵团的径流综合与水库调节模型（

国国家天气局河流预报中心的萨克拉门托水文模型SRFCH ）、（原苏联水文气象中心降雨径流模型

HMC ）、（我国的新安江系列模型等［］。这些模型研

［1］

究的主要水文过程包括：①土壤渗入；②土壤水分运动特征的参数化；③蒸散发；④水量平衡过程；⑤流域产流；⑥流域汇流。

1969-）GIS 和环境评价研究．E- mail wcma fudan. edu. cn 　作者简介：马蔚纯（，男，上海市人，副教授，主要从事环境数学模型、：＠

第3期　　　　　　　　　　　　　马蔚纯等：水环境非点源污染数学模型研究进展　　　　　　　　　　　 593

近年来，流域水文模型有了较大的发展。高峰等

［9］

在北京市城区洪水预报系统中采用了三水源新安江模型加上综合汇流模型，构成“三水源综合汇流新安江模型”，该模型包括蒸散发模型、产流模型、分水源模型和汇流模型4个部分。熊立华等［10，

11］吸取系统模型、概念模型和物理模型的精华，开发新一代流域水文模型———三层耦合流域水文模型，并选用世界上不同地区12个流域的降雨径流资料，对模型进行率定和检验，并与著名的新安江

模型和S M A R模型进行比较。

由于流域水文特征具有空间分布的特点，分布式模型日益引起人们的重视。有学者认为：分布式水文数学模型的应用将有助于定量地描述人类活动引起的流域水沙产生和迁移过程及面污染物的产生和迁移过程

［12］

。从目前的发展趋势看，我们可以把分布式模型分为基于“水文响应单元”（H RU ，H ydrologic Response Unit ）和基于“栅格”（G rid-B ased ）两类。前者将流域根据雨量站及流域特征划

分成若干个单元面积，当单元面积小到一定程度时，即可认为具有水文要素上的均一性，将其作为模拟

输入输出的基本单元，如农业流域模型F ESHM （ Fi-n ite Elem ent Storm Hydrograph Model ）［13］

，

M otovilov 等提出的基于明确物理概念的E COMAG 模型等；后者的基本单元是矩形网格，如B even 等［14］

提出的

T OPMODEL ，我国学者郭方等［15］

对该模型进行了研

究，应用于淮河流域，并与新安江模型作了比较分析。

1.2　非点源污染模型

非点源污染模型是采用以方程为主要形式的数学手段，模拟各种不同类型的非点源在水文循环的作用下，对水体所造成的污染负荷，以及污染物在水文循环的各个环节迁移、转化的过程。一般地，在水文模型的基础上叠加上模拟污染物负荷的组件，即构成了非点源污染模型的基本框架。近几十年来，许多研究机构和大学在研究水文循环过程的基础上，开发了数量众多的非点源污染模型。

表1简要概括了目前较常用的具有一定代表性

的非点源污染模型。C

REAMS （ Chem icals ， Runoff a nd Erosion from Agricultural Managem ent Sys tem s）模

型由美国联邦农业部农业研究机构（A

gricultural R esesrch Service ，A RS ）开发，主要用于农业污染控

制最佳管理实践的分析；在C

REAMS 的基础上，A RS 叠加了农药垂直通量模拟程序，构成了G LEAMS 模型，它主要包括3个组件：水文、侵蚀/泥沙和农药。A

DAPT （ Agricultural Drainage And Pesti- cide Transport ）模型则是G LEAMS 的延伸和扩展：它

补充了一个改进的蒸散发计算方法；根据每日土壤

含水量，采用一个修正的S CS 水文曲线指数的径流模型；包含G reen 和 Ampt 渗滤模型；根据径流过程

说明大空隙流。唐万龙等

［18］

以美国俄亥俄（O hio ）

州达比（D arby ）河流域为例，研究和比较了该模型

在使用不同空间分辨率的土壤数据库时的预报精

度。H

SPF ［19

］实际上是专用模型 HSP 的简化版本之一，它的其他简化版本还有面源模拟模型（N PS ）和

农业径流模型（A R M）。U SEPA 的切萨皮克（C hesa-p eake ）湾研究计划（C BP ）的流域模型就是基于H SPF ，C BP 采用这一模型模拟计算不同土地覆盖和

土地管理方案的氮负荷，进而评估对流域造成的环境影响，帮助决策者制定相应的管理策略

［20］

。

S W MM （ Storm Water Managem ent Model ）是城市

暴雨径流模型，

A picella 等［21］

采用该模型模拟合流

污水系统溢流对纽敦（N ewtown ）河的污染负荷（主

要考虑T

SS 和 BOD ），并与R MA- 6水动力模型和R MA 水质模型相结合，研究纽敦河的水质响应。S W MM 模型不具有分析来水水质的功能，但它可以与其他由C EAM （ Center for Exposure Assessm ent M odeling ， USEPA ）提供的模型相整合，以完成上述功能，如可以将W

ASP5 与 SW MM 的输运模块进行整合。相对而言，城市水文模型较多，而水质模型较少，

除了S W MM 外，主要的还有U

SACE 的 STORM 、U SGS 的D

R3 M- Qual （ Distributed Rainfall Runoff Routing M odel- Quality ）、丹麦D

HI 的 MOUSE 模型等。U SGS 还开发了一个空间相关的统计模型S PARROW （ SPAtially Referenced Regressions on Wa-t ershedA ttributes ），它显示了河流氮负荷与上游源

和土地利用特征的关系。该模型曾在国家尺度上成功地估算了美国大陆主要河流的总氮和总磷负荷，

也被应用于C

BP 项目中［22

］。其他较为著名的模型还有：U SGS 的 PRMS （P

re-c ipitation- Runoff Modeling System ）、S M HI （ Swedish M eteorological and Hydrological Institute ）等开发的

H BV- N等。1.3　模型系统

近年来，非点源污染模型呈现出向集成系统发展的趋势。模型系统描述多种水文过程和污染物、泥沙的迁移转化，并结合图形编辑、可视化及动态显

示等多项功能。M

IKE- SHE （ System e Hydrologique E uropean ，欧洲水文系统模型）就是其中的一个典型，它的基本思想由水文研究所（英国）、

S OGREAH

603　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地球科学进展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第18卷

表1　目前常用的非点源污染模型①

Fig.1　 Nonpointsource modelsincom mon use

模型名称

CREAMS

主持开发者

USDA ，ARS

模拟的主要过程模拟的主要变量模型的主要特征

农田径流、渗滤、蒸发、蒸腾、土壤农田径流量、泥沙、营养元素、农田尺度的模型，模拟连续侵蚀、化学物质的迁移转化

农药

同上，农药垂直通量

或离散的暴雨过程同上

GLEAMS HSPF

USDA ，ARS

USEPA ，1984 ，1993

基本同上，叠加了农药垂直通量模块

综合性的水文、水质过程

径流率、泥沙负荷、氮，农药以流域模型，模拟连续或一次及用户定义的污染物浓度的时的暴雨过程；既可以模拟一间序列

般的污染物，又可以模拟有毒有机污染物

SW MM USEPA

径流过程、储水及水处理过程、污水量（水文过程线和径流量）、主要适合于城市区域的综合染物输运过程

COD 、水质参数（包括总氮、正性水量、水质模拟程序，可以

SW RRB

Williams 等，1985 ；Arnold 1989 ，1991 等，

磷酸盐、总悬浮固体等）郊区（乡村地区）的水文过程、作水量、泥沙、氮、磷、农药物生长、泥沙沉积、污染物的迁移运动

模拟化学污染物在非饱和带及其相邻的下层土壤、植物根系区的

模拟连续或一次降雨过程

模拟以“日”为时间步长的连续过程，适用于大的、复杂的乡村流域

PRZM USEPA

径流量、农药在土壤中的各种模拟植物根系区农药的迁移存在形态（溶解态、吸附态等）转化，还可以模拟农田的灌

溉状况

采用均匀网格系统的分布参量模型，模拟一次暴雨过程对流域采用划分子流域的方法，子流域又被划分为许多

矩形工作单元

水量、泥沙和用户自定义的污是一个多介质模型，将水文染物

过程、大气输送和泥沙过程综合于一体

ANSW ERS

Purdue 大学农业工程系

迁移的浓度

模拟农业流域的截留、渗透、地表水量、泥沙、氮储水、地表径流、壤中流、土壤侵蚀、泥沙输运，沉积等过程

AGNPS

USDA ，ARS 流域径流过程、土壤侵蚀、化学物径流量、泥沙、农药、氮、磷质的迁移转化

UTM- TOX

USEPA 橡树岭国立实验水文过程、大气输送过程、泥沙过程

小集水区（尤其是城市）的水文过程和污染物的迁移转化

室

STORM

USACE

BOD 5、水量、总悬浮物、总氮、主要适合于模拟城市化地区

正磷酸盐的离散降雨过程；但也可用于非城市化地区和模拟1年以上的较长时间序列

1617　　注：资料来源于文献［］、［］

DHI 提出。 MIKE- SHE 是一个咨询公司（法国）和

确定性、分布式并具有物理基础的综合性模型系统，它模拟土地系统各相中的所有水文循环过程，可以模拟水量、水质和泥沙输运。该模型系统是一个用户友好的，包含有综合性前处理、后处理的集成软件MIKE- SHE 的其他可选组件还包括：MIKE- 过程。

SHEAD （污染物迁移转化MIKE- SHEGC （地球化）、

MIKE- SHE CN （作物生长，根系区氮过学过程）、

［17］

MIKE- SHESE 程）、（土壤侵蚀）等。MIKE-11 是又一个模型系统的实例，它的主要

系统（包括数字化、图形编辑、可视化及动态显示）。

①适用笔者认为该系统在以下2个方面有其特色：

尺度很广，从单一的土壤剖面到大范围的区域尺度，可用于大范围与地表及地下水管理有关的水资源问题研究；②采用整合式的模块化结构，其核心模块是

MIKE- SHEWM ，该模块有6个面向水文过程的组

特点是将降雨径流模型与水动力和水质模型统一于

一个系统中。文献［17］阐述了该系统的结构并给出了实证研究。

2　与遥感、地理信息系统的结合

2.1　结合的必要性、重要性

件，每一组件描述整个水文循环中一个独立的物理

①

国内外学者对于环境数学模型与地理信息系统

USGS. Water Quality Modelingand GIS.Preparedof Shanghai International Urban Tox ic Water Quality Modeling Workshop ，Shanghai May 3～，4（＆，2000 ）

（G IS ）的结合已有较多的论述与实例研究［23～28

］。近几年来，水文学家、

G IS 的开发商和用户都已经充分认识到G

IS 与水文模型结合的重要意义［29］

。遥

感信息一方面作为G IS 的重要信息源，另一方面在水文模型、非点源污染模型中具有重要的应用。两

者（RS和G IS ）与水文模型、非点源污染模型相结合

已成为一种发展趋势。

（1）两者结合使得G

IS 用户可以超越单纯数据处理和管理的阶段，而通过模型化的技术来对复杂

的水文过程、非点源污染的发生机制进行描述和模

拟；

G IS 尤其是它强大的处理 DEM 数据的功能可以给模型的使用者提供一个新的数据管理与可视化的平台

［29］

。

（2）遥感（RS）技术在收集自然地理数据方面具有速度快、宏观性强、精度高、可重复等优势，这些数据和信息都可以用于水文过程和非点源污染过程的分析、计算［30］

。来自不同数据源的信息集成于统

一的G

IS 平台，将为非点源污染模型的运行、率定、检验提供有力的数据支持。

（3）非点源污染具有分散性的特点，它随着流域内土地利用状况、地形等的不同而具有时空上的

不均匀性［31］

。模型的许多输入参数，

如降雨等也具有空间不均匀性。因此，

G IS 的运用提供了一种有效运行模型，并以地理空间概念对模拟结果进行分

析和解释的方式。

（4）RS、

G IS 与模型的结合对于无资料地区的水文模拟、非点源污染的模拟，具有重要的实际意义。一般来说，流域水文模型的应用往往需要一定长度时间序列的观测资料去识别模型参数，显然，在无资料或缺乏资料的地区，模型的应用受到很大的限制。因此，无资料（或缺乏资料）地区的径流模拟是水文学研究中的一个重要课题。G

IS 的应用可以使利用计算机信息系统的平台获取流域的地貌、地形、土壤分布、植被覆盖等地理信息，用于分析和确定模型参数，从而使无资料地区的水文模拟成为可能。2.2　结合的层次性

RS、G IS 应用于非点源污染的研究体现出一定

的层次性。

应用G

IS 建立流域非点源污染数据库是最基础的层次，也是实现G IS 与模型集成的基础性工作。我国学者董亮等［32］

采用A

rc / Info 建立西湖流域非点源污染信息数据库，并生成了西湖流域的数字地面模型，为非点源污染专题模型库的建立奠定了基

础。遥感信息一方面可以作为G

IS 的重要信息源，同时也可以直接应用于水文模拟。C orral 等［33］

提出

一个考虑降雨空间变化的准分布型水文模型S D-T OP ，该模型采用1k m ×1 km 水文单元，使用天气

雷达所获得的降雨场资料，模拟径流的产生过程。

并将模拟结果与传统的集中参量模型T

OPMODEL 进行了比较。B ruen 等［34］

分析研究了水文模型的输

出结果对于高精度、具有空间分布的降雨输入的响

应敏感度。

将RS或G

IS 与模型实现集成是RS、G IS 与非点源模型结合的第二层次。目前主要包括以下一些

工作：①将来自于RS和G

IS 的空间信息和属性信息用于模型的参数估计、率定及模型的检验；②以

G IS 为主要技术平台，实现模拟结果的可视化；③采用G

IS 技术来定义表达模型研究的区域单元。B haskar 等

［35］

与S

mith 等［36］

将G

IS 用于水文模型的数据预处理和参数估计，H essling 等［37］

将水文

模型P HASE 与 GIS 相结合，将遥感数据用于模型区

域参数的率定，应用于瑞典C

yprus ， Mediterranean 岛的5个流域，同时研究了水文过程与植被覆盖之间的动态反馈机制。B even 等［38］

将G

IS 用于分布式水文模型的检验，

S ham s［i 39］

将 GIS 作为水文模型的可视化手段。我国学者许有鹏等［40］

以浙江省曹娥江流域为试验区，重点讨论了利用L

andsat TM 影像资料直接或辅助确定萨克拉门托模型参数的途径和

方法。G

arnier 等［41

］将 GLEAMS 与 IDRISI 和G RASS 相结合，以意大利基亚纳（C hiana ）河流域为例，研究畜牧业污染对地下水的影响。S rinivasan 等［42］

将G IS 与分布参量连续过程的非点源污染模型（N PS ）和土壤与水评价工具（S W AT ）相结合，作者的工作证明，这样的集成在数据收集、可视化、对输入输出文件的分析等方面起到了有效作用。

我国学者沈晓东等［43］

针对降雨和下垫面自然参数空间分布不均匀的特点，研究了基于栅格数据

的流域降雨径流模型。梁天刚等［44

］利用A

rc / Info 系统的地表水文模拟方法，以甘肃省环县为典型样区，模拟了水流方向、汇流能力，进行子集水区边界的划分、水道的自动提取和水道级序的划分。在此基础上，模拟了不同降雨量时可产生的地表径流。在非点源污染模拟中，往往采用一系列技术来定义、表达所研究的区域单元，这些技术在应用上的微小差别可能会导致对径流、侵蚀、沉积的估算产生相当

大的差异。E ngel ［45］

以模型与G IS 集成为主要方法，研究了地形、土地利用、土壤等输入对非点源模

型输出结果的影响，也讨论了模型网格分辨率对计

Engel 还将非点源算结果的影响。与水文模型类似，

HRU ）和基于栅格的模型分为基于水文响应单元（ FESHM （ Finite Elem ent Storm Hy-两类。前者包括

drograph Model Wolfe 和 Neale 、Shanholtz 等将该模）， DSS ， SDSS ）。目前，国内外在这一领域的研究已有SDSS 的概一定的基础。国外学者较早提出了

念

50］［49，

Negahban 。

［51］

LOADSS 等开发了一个名为

Lake Okeechobee Agricultural Decision Suppo rt Sys-（

型与G IS 结合，根据G IS 所提供的土壤类型和土地利用类型确定H RU 。后者包括 ANSW ERS 、A GNPS 、S W AT 模型等。 Rewerts 和 Engel 将 ANSW ERS 与G RASS 模型相结合，模拟流域的径流、侵蚀与沉积过程。S rinivasan 和 Engel ［45］

将 AGNPS 与一个栅格型G

IS 相结合，，模拟流域径流、侵蚀和氮的输移。在第二层次应用的基础上，以G IS 为平台，以RS为重要的数据源建立综合性的集成系统是RS、G IS 与模型结合的第三层次。这是政府部门日益重

视对非点源污染管理与控制的要求，也为人们研究非点源污染的产生机理提供了综合性的技术手段。

意味着RS、

G IS 与非点源模型的联系从一般结合向综合集成方向发展。U

SGS 开发了一种 GIS 集成环境（G

ISWeasel ），它是一个图形化的用户界面，帮助水文学家或其他模型研究者对所感兴趣的地理区域、排水系统和基本模型响应单元（M RUs ）进行概

化、参数化并准确描述其特征。从而为各类水文模

型提供技术支持［46］

。E

PA 越来越强调流域点源与非点源的综合评价与分析。B ASIPNS （B etter Assess-m ent Science Integrating Pointand Nonpoint S ources ）

正是为适应这一要求而开发的系统。它的目的包括：①对环境信息进行有效的检验；②提供一个统一

的流域集成模型框架；③对不同的点源、非点源管理

方案进行分析与评估，包括对T

MDLs （最大日负荷量）的估算。B ASINS 的组件包括：基础信息及数据

库、评价工具、流域非点源模型（H

SPF ）和水质模型Q UAL2 E）、后处理系统。这些组件构成了一个统

一的软件系统［47］

。D e Pinto 等［48］

开发了一套名为G EO- WAMS （G eographicallyb asedW atershed Analy-s isand Modeling System ）的系统，该系统的特点是在

其框架内除了实现流域非点源负荷模型与A

rc / Info 的结合外，还包括一个地下水输运模型和一个改进的W ASP4.0 水质模型。系统的设计、可行性及应用

效果通过其原型系统在布法（B uffalo ）河流域的应用

而得到验证。

近年来，将以数据库、模型库、知识库三库集成为主体，以方案选优为主要特征的计算机决策支持

系统（D ecision Support System ， DSS ）技术引入非点

源污染的管理与控制成为一种新的发展趋势，这里

所指的是基于G I S的空间型决策支持系统（S patia l

t em ）的奥基乔比（O

keechobee ）湖农业决策支持系统，它是一个面向决策者和规划者的区域环境规划

系统，主要针对由雨水冲刷引起的磷负荷对湖泊造成的环境问题。它考虑了非点源控制、点源控制及

综合性的流域控制。系统基于A

rc / Info 6.01 版本，运行于S

um Sparc 工作站。 Lam 等［52］

开发了R A-S ION （ Regional Analysis Information System ），该系统与传统的G IS 有相似之处，但更强调决策支持和专家系统。L

eon 等［53］

将A

GNPS 模型与 RASION 相结合，建立S DSS 以实现对非点源污染的模拟，并对计

算结果进行可视化的统计分析，整个模拟过程可由”实现与控制。

可以说，引入S

DSS 是RS、G IS 与非点源模型结合新的发展阶段和趋势。2.3　结合的主要方式

许多学者讨论了水文模型、非点源污染模型与

G IS 结合的方式［

29，54］

。概括地讲，从结合的理念上

主要有以下2种：①将G I S的某些功能整合进非点

源污染的模型系统；②将非点源污染模型整合进

G IS 系统。具体的技术主要有松散结合与紧密集合。对于前者，模型与G

IS 实际是两个独立的系统，通过数据文件来实现两者之间的通讯；后者又称为

”结合，目前可以考虑的技术包括宏语言编程

和D LL 。宏语言编程是采用 GIS 所提供的宏语言，如A rc / Info 的 AML 、A rc View GIS 的 Avenue 和 Map-I nf o的 Map Basic 等，编写非点源污染的模拟程序，这

里模型与G IS 实现了完全融合，但是一般来说，宏语言的计算功能不强，并且所编写的程序只能在相应

G IS 系统环境中运行。 DLL 方式主要是将模型程序

编译成动态连接库，在需要时由G

IS 系统调用运行。3　发展前景

（1）由单纯模拟流域水文循环、非点源污染过

程、负荷转向大气、水文、水质综合系统的模拟。S RBEX （ Susquehanna River Basin Experiment ）模拟不同时间尺度下流域水文特征对大气强迫的响应。研

究人员通过M

M5 模拟一次暴雨系统过境时的降雨，将高分辨率的降雨数据与H MS （H

ydrological Model-i ng System ）模型耦合

［55］

。A rhonditsis 等［56］

采用一

个综合的模型系统来评价沿海滨岸带生态系统来自

“工具条（“无缝

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