水环境非点源污染模型的研究进展和展望

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2006年10月

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

土󰀁壤󰀁通󰀁报

󰀁

ChineseJournalofSoilScience

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

Vo.l37,No.5Oct.,2006

水环境非点源污染模型的研究进展和展望

金树权,吕󰀁军

(浙江大学环境与资源学院,浙江杭州󰀁310029)

󰀁󰀁摘󰀁要:随着非点源污染负荷在水体污染中所占比例的增加,非点源污染的定量化研究越来越受到全球的关注。本文介绍了几个广泛应用的经典的非点源污染模型:SWMM、STORM、HSPF、AGNPS、AnnAGNPS、ANSWERS、ANSWERS-Continuous、SWAT。针对非点源污染模型研究中存在的问题,讨论了非点源污染模型未来的研究方向和发展趋势。

关󰀁键󰀁词:非点源污染;水体污染;模型中图分类号:X52󰀁

󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:05󰀁3945(2006)05󰀁01022󰀁05

󰀁󰀁水体污染有点源污染和非点源污染之分。与点源污染相对,非点源污染是指溶解的或是固体污染物(地面的各种污染物质如城市生活垃圾、农村家畜粪

便、农药化肥、重金属和其它有害有机物等),从非特定的点随降水生成的径流进入受纳水体所造成的污染。美国清洁水法修正案(1977)定义非点源污染为󰀁污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表水及地下水体󰀁。

我国在过去的几十年中把工作的重点放在点源污染上,通过制定和执行法律法规以及集中处理,点源污染已得到有效控制。但是水质污染并没有得到控制,特别是因氮、磷引起的水体富营养化现象日益严重。据报道,富营养化已成为我国大型淡水湖泊中最主要的水环境问题,如由非点源污染产生的TN、TP占到进

[3]

入滇池水中的59%和30%。2004年7月,钱塘江出现首次大规模蓝藻,使原本水量丰富的钱塘江流域发生了水质性缺水危机。由此可见,对非点源污染的研究和治理迫在眉睫。

在进行环境容量计算时,非点源污染占到了很大的一部分,所以对非点源污染的定量化研究是十分重要的。但是非点源污染与点源污染相比,具有不同的污染特性,非点源污染的时空范围广,不确定性大,形成机理复杂,并且具有滞后性与潜伏性

[4]

[2]

[1]

1󰀁国外非点源污染模型的研究进展

大多数现在普遍使用的非点源污染模型是在20世纪70年代和80年代建立起来的,之后得到了不断的修正和改进。非点源污染模型按模拟区域可分为城市非点源污染模型和农业非点源污染模型。1.1󰀁城市非点源污染模型

城市非点源污染模型中用到的方法及其机理按其复杂程度有以下几种

[8]

:(1)常量浓度法;(2)电子表

格法;(3)统计方法;(4)回归特征曲线方法;(5)堆积/冲洗(buildup/washoff)。

常量浓度法是最简单的方法,它假设所有径流中某一特定的污染物有相同的常量浓度;年径流量通过降水量和径流系数得到,年负荷通过年径流和常量浓度相乘得到。常量浓度法往往用于单一土地类型的年均负荷求算,可以用手工计算得到。电子表格法实质上是常量浓度法的计算机化。径流量也通过降水量和径流系数得到。电子表格法与常量浓度法比较优势在于可以混合计算复杂土地类型的径流量,然后得到一个径流量总值。统计方法认为在整个暴雨事件中污染物浓度呈对数正态频率分布,而不是一个常量。同时认为径流量也呈对数正态频率分布。显而易见,这个对数分布假说优于前面两种常量浓度假说,使得结果误差相对较小,更为可信。回归方法将某一区域的污染物浓度和流量与流速进行回归分析,得到一系列特征曲线。但是与统计方法相比,回归方法只提供平均浓度而没有浓度的频率分布。在所有的方法与机理中最复杂的是堆积/冲洗(buildup/washoff)。堆积/冲洗是指在干燥天气期间结合污染物的灰尘被沉积、风侵蚀和街道清理,这些过程导致了固体的累积,然后在暴雨事件中被径流冲洗掉。这一机理或多或少被结合到

。由于对非

点源污染进行大面积的监测需要大量的人力、物力、财

力,而采用模型进行定量化研究则具有费用低、评价周期短、简便易行等优点。20世纪70年代以来,国外研究发展了许多的非点源污染模型,目前已经发展到相当高的水平。而在国内,虽然从上个世纪80年始对非点源污染陆续开始研究,但是只限于一些比较简单模型的应用,对于复杂的非点源污染模型的应用和研究在国内才刚刚起步

[5~7]

。

收稿日期:2005󰀁08󰀁01;修订日期:2005󰀁10󰀁17

基金项目:国家󰀁973󰀁计划项目(2002CB410807)和国家自然科学基金项目(40571070)

作者简介:金树权(1981-),男,浙江嵊州市人,在读博士,主要从事环境与水土资源研究。

5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁金树权等:水环境非点源污染模型的研究进展和展望1023

如今最广泛应用的城市非点源污染模型中,如SWMM、STORM、HSPF。1.2󰀁农业非点源污染模型

农业非点源污染模型根据模型的复杂性和模拟技术可以分为两类:简单负荷估算模型和机制性模拟模型。

简单负荷估算模型往往是流域地形特征与污染物输出负荷之间的简单经验关系,通常通过手工计算就可以得到结果。简单负荷估算模型主要用来对污染负荷进行年均计算,其预测功能有限,但对于模拟稳定的水体,如湖泊和水库的营养物负荷和富营养化问题是足够的。当资料缺乏、经费和时间受到而不能用机制性模拟模型时,可以应用这类模型。在过去几十年中提出了许多的简单负荷计算模型,其中用的最多的是美国环保局的ScreeningProcedures,另外这类模型还有WRENS,FHWA,WMM等。

机制性模拟模型能较好地反映流域径流过程中非点源污染负荷的产生、变化及其环境影响。机制性模拟模型中径流过程以连续方式随时间变化,而不是基于简化的速率变化概念。时间步长随数值解法的稳定性和系统的响应时间而改变。机制性模拟模型中的算法能更好地模拟渗透的物理过程、径流、污染物积聚、内源影响、地下水与地表水相互作用,而且物理特征和过程随空间的特征可与控制方程结合,连续模拟模型可与生物模拟链接。如果合理应用并校准,机制性负荷模型能对流域内大量节点的水量和水质提供较准确的预测。但是这类模型所提供的精度是以大量的时间和资源为代价的。1.3󰀁现有主要模型介绍

1.3.1󰀁SWMM模型(StormWaterManagementModel)󰀁SWMM(StormWaterManagementModel)模型系美国环保署(EPA)于1971年提出,是最为广泛用于城市排水系统水量水质模拟的模型之一。它已连续得到维护和更新,目前已发放了SWMM5版本。SWMM对雨水管、合流制管道、自然排水系统都可以进行水量水质的模拟,它包括径流、输送、扩充输送、贮水处理、受纳水体五大计算模块以及执行、联合、绘图、统计运行等服务模块,各大模块之间相对。SWMM不仅数据输入可以是任意整数时间步长,输出结果也可以是任意的整数步长(但是扩充输送模块的步长受到条件的),而且对计算区域的面积大小也没有,所以是一个通用性很好的模型。SWMM不但适用于市区,而且也适用于非市区;不但可以对单个降雨时间模拟,而且可以对连续事件进行模拟;不但可以模拟真实

[9]

暴雨,而且可以根据预报雨量和方案数据进行预测模拟,所以SWMM不仅是设计模型,而且也是规划模型

[10]

和运行模型。1.3.2󰀁

STORM模型(StorageTreatmentOverflow

STORM(StorageTreatmentOverflow

[11]

RunoffModel)󰀁

RunoffModel)模型系美国水文工程中心为了综合治理合流制污染问题而开发的,该模型能预测市区的降雨、径流、水质变化过程,并能绘制径流中简单的水量图和污染图(浓度-时间)。STORM是对市区连续暴雨进行模拟的。它利用单位径流系数计算每小时径流深度,并恢复每次暴雨之间的贮存能力。当径流通过一个处理装置并达到它的负荷时,就会被输送到贮存单元。如果处理和贮存的能力都达到饱和,就会产生溢流,并流入受纳水体中,STORM就是对这种合流制溢出问题的模拟。该模型一次可以模拟6种污染物(悬浮固体、沉淀物、BOD、总大肠杆菌、磷和氮),若对某些参数进行调整还可以模拟其它常规污染物的浓度变化。该模型还利用了通用土壤流失方程来模拟冲蚀。

STORM仅仅是对水量水质的简单模拟,需要的数据少,所以模拟结果不是很精确。因此STORM只是应用于设计,尤其应用于评价合流制排水系统,以选择最佳措施。

1.3.3󰀁HSPF模型(HydrologicSimulationProgramFortran)󰀁HSPF(HydrologicSimulationProgramFortran)模型

[12]

是美国环保局于1980年发布的开发

用来模拟流域水文、水质(包括常见的污染物和有毒有机物)的综合包。HSPF模型是以前许多模型的综合与发展,包括:斯坦福流域模型(SWM)(CrawfordandLinsley,1966),水文模型程序(HSP)(Hydrocomp,1977),农业径流管理模型(ARM)(DonigianandDavis,1978),非点源径流模型(NPS)(DonigianandCrawford,1979),沉积物和放射物转移模型(SERATRA)(Onishiandwise,1979)。HSPF以降雨、温度、日照强度、土地利用状态、土壤特性和农业耕作方式作为基本输入资料。模型的结果可产生径流量、沉积物负荷、营养物和杀虫剂浓度的时间变化,另外,还可以产生流域任意点的水量和水质时间变化。根据这些结果结合河道特征,可模拟河道中水量及水质变化情况。HSPF广泛应用于水文和水质研究、水资源规划和农业最佳管理措施的分析。

HSPF模型将模拟地段分为透水地面、不透水地面、河流或完全混合型湖泊水库3部分,分别对3种不同性质的地表水文和水质过程进行模拟。3个大模块

1024土󰀁壤󰀁通󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁37卷

下面又可以分为若干子模块,实现对泥沙、BOD、DO、氮、磷、农药等污染物的迁移转化和负荷的连续模拟。水文模块采用斯坦福󰀁模型计算径流量。侵蚀模块采用具有机理性的土壤侵蚀模型,将土壤侵蚀分为雨滴溅蚀、径流冲蚀和径流运移等若干子过程。而污染物的迁移转化模块则考虑了氮、磷、农药等污染物的复杂平衡过程。HSPF模型目前已发展了windows界面。并被USEPA(美国环保局)所开发的整合式集水管理系统(BASINS)整合到其系统下。根据BASINS提供的GIS图层资料对所切割的子集水区执行HSPF模型。

1.3.4󰀁AGNPS模型(AgriculturalNon-pointSourcePollution)󰀁AGNPS(AgriculturalNon-pointSource

[13]

Pollution)模型(Youngeta,l1986)是由美国农业部农业研究署,明尼苏达州的污染控制处(MPCA)以及土壤保护署联合开发的。该模型是一种基于单次事件的分布式参数模型,应用时将研究流域均等地划分为若干单元。模型模拟径流、泥沙的转移和营养物质(N、P)的输移。模型由四大模块(水文、侵蚀、沉积、化学转移)组成。径流通过SCS法(美国农业部土壤保持曲线法)预测,泥沙的侵蚀和沉积量采用修正的USLE(通用土壤流失方程)预测,营养物质的输移则参考CREAMS模型。模型的缺点就是不能模拟杀虫剂,而且营养物质的输移和河道内过程不在模型模拟的范围之内。AGNPS模型主要用来评价小流域内的农业管理措施,寻找出最佳农业管理措施(BestManagementPractices,BMPs)。AGNPS与GIS的结合是当今这一

[14]

模型的研究热点。Bhuyan等利用GIS强大的数据处理功能,将ARC/info与AGNPS相结合对Kanscs流域进行模拟,得到了非常满意的结果。AnnAGNPS(AnnAgriculturalNonpointSource)模型(BingnerandTheurer,2001)是AGNPS模型的最近升级版本,可以用来连续模拟水文、泥沙侵蚀和沉积物、营养物、杀虫剂的转移。该模型主要用来评价以农业占主导的流域的最佳管理措施。1.3.5󰀁ANSWERS模型(ArealNonpointSourceWatershedEnvironmentResponseSimulation)

ANSWERS(ArealNonpointSourceWatershed

[16]

EnvironmentResponseSimulation)模型是由普度大学农业工程系的Beasley和Huggins于1981年提出的。模型可以用来计算建筑区域和农业流域的径流量和泥沙流失。ANSWERS是一个基于降水事件的分布式参数模型。在研究时,这个模型模拟计算时必须将所研究流域分为若干方形网格。所分网格越小结果越

[15]

精确,但计算工作量增加,最佳的网格大小为0.4~1hm,同一个网格的重要参数一致,一个单元输出的数据要作为相邻单元的输入参数。模型的缺点是不能模拟融雪过程也不能模拟杀虫剂。营养物在输移过程中的转移和损失也不在模型考虑的范围之内。ANSWERS模型被Beasley(1986)在印第安纳州成功地应用于评价农业流域和建筑区域的最佳管理措施。模型最近的版本为ANSWERS-2000,是20世纪90年代中期由Bouraoui和Dillaha开发的,它是基于GIS的,数据处理能力更为强大,结果更为精确。这个模型包含三个组件:径流和渗透过程、土壤水分蒸发蒸腾损失总量、泥沙分散-输送。Bouraoui和Dillaha运用这一模型长时间持续地模拟了流域的径流、渗透、泥沙输送和营养物质(N、P)的转移与转化。与AnnAGNPS模型相似,ANSWERS-Continuous模型

[17]

2

是从

ANSWERS模型发展而来的,是一个连续模拟的模型。该模型增加了基于GLEAMS,EPIC等模型的模拟营养物转移和损失的组件。

1.3.6󰀁SWAT模型(SoilandWaterAssessmentTool)󰀁SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型系Arnold等为美国农业部开发的用于模拟计算河流盆地或某一流域范围的非点源污染的模型。SWAT是以日为步长基于过程的连续模拟模型。为了提高模拟的精度,通常SWAT首先将研究流域分为若干个子流域。SWAT模拟可以分为陆地过程与受纳水体过程两部分进行。前者控制每个水文响应单元内主河道的水、沉积物、营养物质和杀虫剂的输入量;后者决定水、沉积物等物质从河网向流域出口的输移运动。该模型可以用来描述较大范围复杂的流域,当在土壤、土地利用与管理长期变化下产生对水、沉积物、农业化学量的影响。

SWAT模型是由CREAMS模型发展而来的。1977年美国农业部通过农业研究署组织一部分科学家对当时现有的模型进行总结和提高,将它们集成到一个集成包中来模拟农业流域的径流、侵蚀沉积、营养物质和杀虫剂,最终的CREAMS模型在1980年发布。非点源污染模型的在80年代晚期开始注重于对水质的评价。当时在CREAMS模型的基础上,结合一些专业的模型如GLEAMS,EPIC模型发展了SWRRB模型。虽然SWRRB模型可以模拟几百平方公里的流域,但是由于SWRRB模型最多只能分为十个子流域,所以模型在模拟大面积流域时受到了。这一导致了ROTO模型的开发。ROTO模型可以根据需要将流域分成任意多个子流域,克服了SWRRB模型这一。

[18]

5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁金树权等:水环境非点源污染模型的研究进展和展望1025

但是一开始这两个模型要分开使用,十分麻烦。后来将这两个模型结合在一起组成了SWAT模型。目前模型已经发展到SWAT2002版本,模型开发出了windows界面软件。模型被大量应用于不同条件的流域从而得到了大量的验证。

1.3.7󰀁小󰀁结󰀁对于特定的情况,选择模型是一件十分关键的事情。一些模型基于简单的经验关系,计算简单方便,而另一些模型则基于过程,数学要求十分高。简单的模型往往得不到想要的详细和精确的结果,而复杂的模型则在计算大面积流域时效率不高并且由于对数据和使用者要求过高而受到

[19]

所以在今后模型的发展过程中,模糊理论,不确定分析,风险评价和风险管理将是令人感兴趣的研究方向。2.3󰀁模型与GIS、RS技术的结合研究

非点源污染模型的发展需要大量实测资料进行验证并确定参数,但目前所能得到的资料无论数量上还是质量上都还不能满足,大量的资料依靠野外考察测量是非常困难的。RS(遥感)技术的出现为此提出了解决问题的有效途径,遥感的宏观性、短周期性以及人力、物力、财力和时间上的节约性为模型的发展创造了有利条件。GIS(地理信息系统)具有强大的数据处理功能,使人们能够对RS技术采集来的地理空间数据进行分析处理,推动了模型研究的发展。研究非点源污染模型与RS、GIS技术的结合成为当今国际上的重点。参考文献:

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http://www.epa.gov/ceampubl/swater/

[21,22]

。在

选择模型时要考虑到期望得到什么样的结果和模型对

数据和用户自身的具体要求。

STORM对水量和水质的模拟比较简单,主要用于城市排水系统设计,尤其应用于评价合流控制方法贮存、处理、溢流等之间关系,以选择最佳措施。SWMM则是一个模拟城市径流非点源污染较好的模型,可以为正确评价排水系统和排水能力提供详细可靠的依据,是所有城市非点源污染模型中应用最广泛的模型。AGNPS,ANSWERS是单次降雨事件模型,可以用来分析单次降雨事件产生的影响和流域管理措施(主要指结构布局管理上)。AnnAGNPS,ANSWERS-Continuous,HSPF,SWAT是连续事件模型,可以用来分析因水文和流域管理措施(主要指农业措施上)变化而引起的长期变化。其中SWAT是一个模拟以农业流域占主导地位流域的比较有前途的连续模拟模型,HSPF则是一个在模拟农业和城市混合流域的比较有前途的连续模拟模型。SWAT与HSPF都被整合到USEPA的BASINS下,所以在美国和全世界气候地形等不同的许多国家得到了广泛的应用,模型比较成熟。

2󰀁非点源污染模型未来的研究方向和发展趋势

2.1󰀁模型模拟范围的扩大

模型研究范围将不断扩大,考虑因素将不断全面,使模拟结果能越来越接近实际情况。例如非点源污染负荷中大气干湿沉降占一定的比例,大部分模型尚未考虑这一因素,空气淋洗负荷量的计算也会成为非点源污染模型的一部分。2.2󰀁模型模拟的不确定分析

不管是哪种模型都不可能与实际情况完全符合。模型模拟中存在多种误差,模拟结果常常是不确定的,

[20]

1026

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ResearchProgressandProspectonNon-pointSource

PollutionModelsinWaterEnvironment

JINShu-quan,LUJun

(CollegeofEnvironment&ResourceSciences,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China)

Abstract:Withtheincreaseofnon-pointsourcepollutionchargeinwaterpollution,theresearchesonquantifyingnon-pointsourcepollutionhadbeenpaidmoreandmoreattentionworldwide.

Inthispaper,somewidelyusedand

classicalmodelswereintroducedsuchasSWMM,STORM,HSPF,AGNPS,AnnAGNPS,ANSWERS,ANSWERS-ContinuousandSWAT。Basedontheanalysisofcurrentproblemsoftheresearchinthisfield,thefutureresearch

orientationsanddevelopmenttrendswerealsodiscussed.Keywords:Non-pointsourcepollution;Waterpollution;Model