非点源污染定量化方法研究[*]

中国环境学会  2011年 03月31日


  谈俊益1,2,邵孝候1,2,吴俊峰3,陈丽娜3,李圆圆1,2,文涛1,2
  (1.河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室,江苏南京,210098;2.河海大学水利水电学院,江苏南京,210098;3江苏省环境科学研究院,南京,210036)


  摘要:非点源污染是导致水环境恶化的重要原因之一,非点源污染控制技术和措施已经成为环境保护工作的重要内容。本文着重阐述了非点源污染定量化研究方法,并从理论与应用角度分析了非点源污染定量化研究的发展趋势。
  关键词:非点源;定量化;环境保护


  The study of Non-point source pollution Quantitative Methods
  Tan junyi1, 2, Shao xiaohou1,2, Wu junfeng3, Chen Lina3, Li yuanyuan1,2, Wen tao1,2
  (1. Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China(Hohai University),Ministry of Education, Nanjing, 210098, China; 2. The College of Water Conservancy and Hydropower, Hohai University, Nanjing,210098,China 3.Jiangsu Academy of Environmental Sciences, Nanjing 210036,China.)
  Abstract: Nonpoint source pollution is one of the most important courses that make water environment much more badly. The nonpoint source pollution control technology and method has been the important content of environmental protection work. The nonpoint source pollution quantification methods are illustrated in this paper, and the development trend of the nonpoint source pollution quantification study is analyzed from the aspect of theory and application.
  Key words: Nonpoint Source;Quantification;Environmental Protection


  非点源污染可以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[1]。也可以表述为溶解性或固体污染物,从非特定的地点随暴雨生成的径流进入受纳水体所造成的污染[2]。综合各种非点源污染的定义,非点源污染可以较为精确的表述为在降雨径流的冲刷和淋溶作用下,大气、地面和土壤中的溶解性或固体污染物质(如大气悬浮物,城市垃圾,农田、土壤中的化肥、农药、重金属,以及其他有毒、有害物质等),进入江河、湖泊、水库和海洋等水体而造成的水环境污染[3]。污染的发生具有随机性、排放途径及污染物排放的不确定性、污染负荷的时空差异性以及监测、控制、管理难度大等特点[4],也有研究者称其为面源污染。
  大量研究表明,非点源污染是导致水环境恶化的重要原因之一。目前,农业非点源污染影响了全球陆地面积的30%~50%,在全球12×108hm2退化耕地中,约有12%由农业非点源污染引起[5]。在我国的滇池、巢湖、太湖,以及黄河、淮河、汉江等水域,非点源污染的比例均已超过点源污染,成为威胁生态环境的主要原因[6]。近来,在点源控制技术和措施相对成熟之后,非点源污染控制技术和措施已经成为环境保护工作的重要内容。而有效的非点源污染控制技术有赖于科学可靠的非点源污染定量化计算和评价体系[7]。


  1 非点源污染研究方法


  非点源污染模型是实现非点源污染定量评价的有效工具之一。它通过对整个流域系统及其内部复杂污染过程的定量描述, 帮助我们分析非点源污染产生的时间和空间分布特征, 识别其主要来源和迁移途径, 预报污染负荷量及其对水体的影响, 并评价土地利用变化以及不同管理措施对非点源污染和水质的影响, 为流域规划和管理提供决策支持。[8]
  20世纪70年代以来,国内外学者针对非点源污染估算开发了大量的数学模型,主要分为两大类,一类是统计性经验模型,另一类是机理性过程模型。统计性经验模型通过对典型样区的监测实验提取数据,在水质参数、水文参数和景观参数间建立经验关系式, 如输出系数法、水质水量相关法和平均浓度法。机理性过程模型综合了水文模型、土壤侵蚀模型和污染物迁移转化模型的机理,形成相对完整的系统模型,定量描述非点源污染发生的连续过程, 如 CREAMS、GLEAMS、STORM、ANSWERS、AGNPS 、SWRRB 和SWAT模型,以及李怀恩、沈晋建立的流域非点源污染模型等。[9]


  1.1 统计性经验模型
  1.1.1 输出系数法[10]
  上世纪70年代,美国、加拿大在研究土地利用-营养负荷-湖泊富营养化关系的过程中就提出并应用了早期的输出系数模型,其表达式为:
  1.1.2 水质水量相关法[11]
  由降雨径流污染形成的过程可知,在降雨过程中,只有形成径流,才有可能产生非点源污染。因此降雨径流污染负荷量与降雨径流量有密切的关系。另一方面,可知年径流量可以分为地表径流和地下径流,如果能够得到地表径流和地下径流的平均浓度。

  1.1.3 平均浓度法[12]
  以上水质水量相关法的介绍可知,年污染负荷量可以由地表和地下径流的平均浓度和相应的径流量的乘积求得,对于径流量可以由长系列实测水文径流资料查出,对于水文资料不足的也可以采用当地水文手册中的等值线图推求。
  对于地表径流的平均浓度,可以先计算每次暴雨各种污染物非点源污染的平均浓度,以各次暴雨产生的径流量为权重,求出其加权的平均浓度即为地表径流的平均浓度。


  1.2 机理性过程模型
  为了能更加精确的研究非点源污染,从机理过程出发,逐日的模拟非点源污染物在渗透性和非渗透性的    土壤、河网、水库和湖泊的等介质中迁移转化的复杂综合过程,从统计性模型发展而来的机理性过程模型迅速发展,并得到广泛的运用。机理性过程模型又可以分为集总式模型和分布式模型:集总式参数模型考虑系统内部相关的土壤、气候、地形等地理要素采用空间平均的处理;分布式参数模型考虑了流域内部的地理要素和地理过程在时间和空间上的差异,并以格网或子流域的空间单元划分方法将大流域或流域离散化成更小的地理单元。在这些地理单元中,地理要素被看作是均匀的,因而有更强的物理基础[13]。


  1.2.1 CREAMS 模型[14]
  CREAMS (Chemical Runoff and erosion from Agricultural Management Systems) 模型是由美国农业部开发的,属于集总式模型,主要用于研究土地管理对水、泥沙、营养物和杀虫剂的影响,适用范围为40~400hm2。模型由3个功能模块组成:水文模块、侵蚀或泥沙模块和化学污染物模块。水文模块采用SCS曲线法和Green-Ampt入渗方程:侵蚀模块引用了USLE方程,污染物负荷采用概念模型。CREAMS广泛应用于计算农田污染物的流失。但由于模型的参数比较单一,而且没有考虑流域土壤、地形和土地利用状况的差异性,所以它只能用作粗略的计算和预测预报。


  1.2.2 AGNPS模型[15]
    AGNPS (Agricultural Nonpoint Source Pollution) 模型于1986年由美国农业部农业研究署和土壤保护署以及明尼苏达州的污染控制处联合开发。
         AGNPS模拟一次降雨过程时,可以模拟集水区内径流、侵蚀和营养物质迁移等内容。主要有3个模型组件:推求径流和水量的水文组件;推求侵蚀和泥沙输移的组件;推求营养盐输移和浓度的化学组件。水文组件采用美国农业部土壤保护署的CN方法,以格网离散单元为计算单元;泥沙输移组件采用通用的土壤流失方程USLE;而营养盐的输移主要基于富集率和提取系数的概念估测氮(N)、磷(P)和COD。


  1.2.3 ANSWERS模型[16]
  ANSWERS (Areal Nonpoint source Watershed Environment Response Simulation ) 模型是一个基于降水事件的分布式参数模型,用于评估和预测农业流域的水文和侵蚀过程,氮、磷等营养物质用化学浓度、产沙量和径流三者之间的关系来模拟。模型才用格网方法对研究区进行空间离散化。改进后的该模型能够模拟侵蚀过程中的泥沙分布;并且增加了基于事件的氮磷输移模型,同时还考虑了可溶性、吸附性硝酸盐、铵和TKN的输移过程。


  1.2.4 SWAT模型[13]
  SWAT (Soil and Water Assessment Tools) 是由美国农业部农业研究署研究开发的一个连续时间的分布式模型,适用于包含各种土壤类型、土地利用和农业管理制度的大流域。主要用来模拟和评估人类活动对水、沙、农业污染物的长期影响。SWAT模型在离散化的空间单元中,应用传统的概念性模型来推求水文、污染物输移和转化等过程。其由8个组件组成,包括:水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养盐、农药和农业管理。可以模拟地表径流、入渗、侧流、地下水流、回流、融雪径流、土壤温度、土壤湿度、蒸散量、产沙、输沙、作物生长、氮、磷等营养盐流失、流域水质、农药等多种过程以及耕作、灌溉、施肥等多种农业管理措施对这些过程的影响。模型可以模拟5中形态的氮和磷,包括矿物态和有机态的氮磷,不但考虑了氮磷在上层土壤和泥沙中的集聚,同时利用供求方法计算了作物生长的吸收。
  统计性经验模型和机理性过程模型各有其优缺点。对于统计性经验模型,它较少考虑中间过程和内在机制,以“黑箱”研究方法为主导;模型应用的优势是基础数据需求较低, 计算简便,但难以描述污染物迁移的路径与机理,而区域特征的经验性也限制了模型的广泛应用。而机理性过程模型考虑了中间过程的内在机制,以“白箱”研究方法为主导,模型应用的优势是计算时间序列性强、空间分布特征清晰,但模型变量较多,基础数据量大,精度要求高,往往由于资料有限,参数率定困难,限制了这类模型在大尺度非点源污染负荷估算中的推广和应用[9]。


  2非点源定量化研究趋势


     非点源的污染过程与流域土地利用、土壤性质、地形特征等下垫面情况有着密切的关系,而对这些具有空间特性参数的表达正需要地理信息系统(GIS)的空间支持,参数以及基本数据的输入都可以在GIS的环境下生成。GIS能够收集、管理、分析、模拟和显示与空间相关的非点源污染信息。用GIS处理非点源时,动态数据更新快,易于实现数据共享,结果显示形象直观;能对海量数据进行分析;能够通过空间分析与统计,方便的确定各参数的空间分布及参数间的空间相关性[17]。与GIS相结合的非点源污染模型能够更好的对非点源污染进行模拟。
   随着以GIS为核心的遥感技术(RS)、全球定位系统(GPS)的发展,3S技术与非点源污染模型的结合成为了未来非点源污染研究的必然趋势[18]。GIS的发展使其空间信息管理的综合分析能力得到不断增强。RS以多时段、多光谱、大范围监测和灵活的空间统计能力,为数据资料的获得提供了一种经济有效的方法。GPS具有高精度、速度快、全天候、自动化程度高等优点。对数据采集点、污染物监测点和遥感信息中心的特征点进行实时的、快速的精确定位并提供地面高程模型,以便形成信息进入GIS,3S技术与非点源模型的结合必然为非点源污染的定量化研究提供了广阔的前景。


  参考文献:
  [1] Lee S I Nonpoint source pollution [J]. Fisheries, 1979, (2)
  [2] 李怀恩, 沈晋. 非点源污染数学模型[M]. 西安:西北工业大学出版社,1996
  [3] 王飞儿,陈英旭,吕唤春. 基于GIS的非点源污染模型的类型、组成及其发展方向,水土保持科技情报,2002年第3期
  [4] 张瑜英,孙丽云,李占斌.2006.城市非点源污染研究进展与展望,人民黄河,第28卷第3期
  [5] Dennis L, Gorwin et al 1998. Nonpoint pollution modeling based on GIS [J]. Soil and Water Conservation, 1:75-88
  [6] 郝芳华,杨胜天,程红光,等. 2006. 大尺度区域非点源污染负荷估算方法研究的意义、难点和关键技术[J]. 环境科学学报,26(3):362-365
  [7] 李怀恩,沈晋,刘玉生.流域非点源污染模型的建立与应用实例.环境科学学报,1997,17(2) :141~147
  [8] 邢可霞,郭怀成,等.2005.流域非点源污染模拟研究.地理研究,第24卷第4期
  [9] 郝芳华,杨胜天,程红光等.2006.大尺度区域非点源污染负荷估计方法研究的意义、难点和关键技术,第26卷第3期
  [10 ] 李怀恩,庄咏涛.2003.预测非点源营养负荷的输出系数法研究进展与应用,西安理工大学学报,第19卷第4期
  [11] 洪小康,李怀恩.2000.水质水量相关法在非点源污染负荷估算中的应用,西安理工大学学报,第16卷第4期
  [12] 李怀恩.2000.估算非点源污染负荷平均浓度法及应用,环境科学学报,第20卷第4期
  [13] 赖格英,于革.2005.流域尺度的营养物质转移模型研究综述,长江流域资源与环境,第14卷第5期
  [14] 金鑫.2005.农业非点源污染模型研究进展及发展方向,山西水利科技,第1期
  [15] David P, Darrew S. towards integrating GIS and catchments models [J]. Environment Modeling & Software, 2000, 15; 451~459
  [16] Beasley D B, Huggins L F, Monck E J. ANSWERS; A model for watershed planning[J]. Trans of the ASAE, 1980, 23(4):938~944
  [17] 代晋国,王淑莹,李利生等.2003. 基于GIS的非点源污染的研究及应用,安全与环境学报,第3卷第6期
  [18] 王伟武,朱利中,王人潮.2002.基于3S技术的流域非点源污染定量模型及其研究展望,水土保持学报,第16卷第6期
  
  [*] 基金项目:河海大学中央高校基本科研业务费项目“南方低丘区WRSIS系统的水土保持效应研究”和
  水利部2008~2010年行政事业项目“WRSIS 在我国旱地灌溉农业水环境修复中的应用研究”部分研究内容。

 
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