1 引言
水污染是制約中國乃至全球社會經濟可持續發展的重大問題，非點源污染是其中最不易控制的難點問題。非點源污染指時空上無法定點監測的，與大氣、水文、土壤、植被、地質、地貌、地形等環境條件和人類活動密切相關的，可隨時隨地發生，直接對大氣、土壤、水構成污染物的來源[1]，包括大氣環境的非點源、土壤環境的非點源和水環境的非點源。水環境的非點源包括大氣干濕沉降、暴雨徑流、底泥二次污染和生物污染等方面。狹義的非點源污染指降雨\\(尤其是暴雨\\)產生的徑流，沖刷地表的污染物，通過地表漫流等水文循環過程進入各種水體，引起含水層、湖泊、河流、水庫、海灣及濱岸生態系統等的污染[2-3]。非點源污染成分復雜、類型多樣，污染源強有地表徑流污染、土壤侵蝕和流失、施用化肥農藥、污水灌溉、農村生活污水、畜禽糞便、水體人工養殖、大氣干濕沉降、底泥二次污染、旅游污染等[4-9]。危害較大的污染物有氮、磷、泥沙、鹽分、重金屬、有機物、酸雨、農藥、細菌等。非點源污染具有隨機性、廣泛性、滯后性、模糊性、難監測性、潛伏性、研究和控制難度大等特點。
農業面源污染是最為重要且分布最廣泛的面源污染。城市化被認為是僅次于農業造成地表水污染的主要原因。城市地表徑流被美國環保局列為導致全美河流和湖泊污染的第三大污染源。全球30%～50%的地表已受到非點源污染的影響[10]。
美國江河中73%的BOD、92%的懸浮物和83%的細菌均來自非點源；墨西哥灣年氮入流量89%來自非點源造成嚴重的水體富營養化；歐洲因農業活動輸入北海河口的總氮、總磷分別占60%、25%；丹麥大部分河流、荷蘭農業中來自非點源污染的氮磷負荷分別占94%、52%和60%、40%～50%[6,11-13]。中國水土流失面積占國土面積的37.2%，非點源污染已成為江河湖泊，尤其是巢湖、太湖、滇池等湖泊水質惡化的主要原因；北京市地下飲用水硝態氮含量半數以上超過國際標準；重慶市單位面積氮磷、農藥施用量分別達314 kg/hm2、9.55 kg/hm2。暴雨因子是非點源污染發生的主要驅動力，在全球氣候變化背景下，多數陸地地區的強降水事件頻率呈現增加趨勢[14]，中國降水強度和頻率普遍也趨于增加[15-17]，非點源污染情勢亦將日趨嚴重。非點源污染主要集中在水土流失嚴重的地區和農業區，然而長期以來中國重點控制點源污染，側重城市環境管理，至今尚未把非點源污染納入水污染總量控制中去，導致中國非點源研究相對滯后。
非點源污染已引起了嚴重的生態環境問題，成為繼點源污染后的國際研究熱點問題之一，非點源科學研究及控制包括對非點源污染過程的動態監測、采用非點源污染模型進行非點源污染量化、影響評價和污染治理等，是當今水文、環境等交叉學科研究的重點。
2 非點源污染模型研究
基于陸地水文學、水土保持學、環境化學等相關學科的水環境非點源污染的主要研究領域包括非點源污染的特征、負荷、地域范圍、機理及相關影響因子等。通過采用野外實地考察和監測、人工模擬試驗、遙感、地理信息系統等技術手段定量識別非點源污染時空分布規律，與非點源污染機理模型研究相結合，構建以實用性為目標的污染模型，進行影響評價和污染治理，從而促進非點源污染的控制與管理。
非點源污染模型可模擬非點源的形成、遷移轉化等，預測規劃措施對污染負荷和水質的影響，為非點源控制和管理的定量化提供有效的技術手段。完整的模型系統主要包括4部分：降雨徑流模型、侵蝕和泥沙輸移模型、污染物遷移轉化模型、受納水體水質模型[18]。非點源污染模型有多種分類方法，通?？煞譃楣δ苄院蜋C制性模型[19-20]，前者依據輸入輸出構建經驗模型，多用于流域非點源年均污染負荷計算，不涉及污染的具體過程和機理，不適合短期計算，在與試驗區自然、社會因素差別較大的區域較難外推使用；后者以非點源污染的發生、遷移轉化和影響的具體過程為框架，考慮中間過程或內在機制，數據精度要求高，模型外推受時空制約較少。實際上由各子模型構成的非點源污染模型往往兼有以上兩種形式[21]。本文將著重討論國內外非點源污染數學模型研究的發展。
2.1 國外非點源污染模型研究
土壤侵蝕是規模大、危害程度嚴重的一種農業非點源污染，目前普遍采用美國的通用土壤侵蝕方程\\(The Universal Soil Loss Equation, USLE\\)和修正的土壤侵蝕方程\\(RUSLE\\)估算農田長期土壤流失量。USLE是美國水土保持局經40多年的現場觀測調查得到的經驗方程[22]，假設決定土壤侵蝕的6個因子為降雨能量、土壤可蝕性、坡長、坡度、作物覆蓋及管理、水土保持措施。該公式結構合理、參數代表性普遍、應用范圍廣，與之結合的各種實用商業化軟件的開發與使用發展迅速。但模型資料主要來自美國落基山山脈以東地區，僅適于平緩坡地，不太適于壟作等高耕作及帶狀耕作措施等，限制了其推廣應用。作為經驗模型，不能描述土壤侵蝕的物理過程，如僅考慮了降雨侵蝕力因子，未考慮與侵蝕密切相關的徑流因子，坡長與降雨、坡度與降雨等有關因子交互作用也被忽略等。
20 世紀 80 年代中期，提出應用現代化的試驗測試手段和計算機模擬技術，根據細溝間侵蝕和細溝侵蝕的原理及泥沙輸移的動力機制，建立修正的通用土壤流失預報方程[23]，即RUSLE，其基本原理與USLE相同，都是六參數乘法算式。模型有良好的適應性，可模擬多種流域管理措施下的水土流失狀況；應用范圍由二維領域擴展到三維，可模擬地貌景觀的空間演變特性，預報可靠性大大加強。
RUSLE 是緩坡地模型，主要針對平原區和緩坡地形區，而中國地貌類型復雜多樣，模型基于年降雨的侵蝕產沙模型，不符合中國黃土高原等許多地區高強度次降雨居于侵蝕產沙主導地位的情況，使RUSLE 在中國的應用也受到很大的約束；RUSLE各侵蝕因子的測算，有嚴格的實驗條件，其測算在中國尚未有統一的方法。
1985 年美國農業部研究了新一代連續日尺度水蝕預報模型WEPP\\(Water Erosion Prediction Proj-ect\\)模型[24]。模型主要由7部分組成：對降雨、溫度、風等氣候因子的模擬，地表水和地下水的水文運動，水平衡和滲透，土壤組成和變化，植物生長和殘留物分解及管理，地表水力學運動，侵蝕的形成和預測預報等。作為連續的物理模型，WEPP可以模擬非規則坡形的陡坡、土壤、耕作、作物及管理措施對侵蝕的影響，可以模擬土壤侵蝕的時空變異規律；預測泥沙在坡地及流域中的運移狀態；但其本身只能模擬片蝕、細溝侵蝕和臨時性溝道中的水力侵蝕過程，無法模擬較大規模的溝蝕和流水溝道的侵蝕；模型在它的發源地未得到很好的推廣，限制了其發展。
20 世紀 70 年代初提出的輸出系數法是利用污染物輸出系數估算流域輸出的面源污染負荷，主要用于評價土地利用和湖泊富營養之間的關系，由此建立的半分布式輸出系數模型[25]。該模型允許田間試驗的研究結果應用到適合尺度的集水區管理，已被成功地用于確定英格蘭和威爾士的湖泊養分負荷量、北加拿大河流的面源污染負荷估算等。與3S 技術結合，流域污染負荷估測精度大大加強，且在流域內污染負荷的時空分布模式及其驅動因素分析、流域污染主要來源及其污染關鍵源區的識別、污染控制的最佳管理措施方面等均得到了廣泛的應用。
20 世紀 70 年代由美國農業部農業研究局\\(US-DA-ARS\\) 開發的 CREAMS\\(Chemicals, Runoff andErosion from Agricultural Management Systems\\)，可在估算田塊徑流、泥沙和農田化合物流失量的基礎上，評價不同耕作措施對非點源污染負荷的影響，適于田塊尺度過程的計算[26]。模型適于 40～400hm2的流域，包括水文模塊，侵蝕或泥沙模塊，化學污染物模塊。模型已廣泛用于計算農田污染物的流失，也可單獨用于暴雨過程中徑流計算。由于模型參數較單一，且未考慮流域土壤、地形和土地利用狀況的差異，只能用作粗略的計算和預測預報。
GLEAMS\\(Groundwater Loading Effects on Ag-ricultural Management Systems\\)模型由美國喬治亞大學與USDA-ARS共同研發，其前身為CREAMS，主要用于小區域模擬，可模擬的水質項目包括沉積物、硝酸氮、氨氮、硝酸磷、氨氮、總氮、總磷等[27]。模型采用修正的SCS曲線數法模擬降雨徑流，使用Priestly-Taylor 或 Penman-Monteith 方法模擬蒸發。
通過模擬氨化、硝化、脫硝、揮發、吸收、固定等作用，以經驗或半經驗公式與模型結合來模擬氮因子。主要采用Sharpley等[28]發展的一長期估算土壤侵蝕的模型模擬磷，農藥成分的模擬主要針對農藥特性、土壤質地、氣候影響、管理策略、表面徑流滲漏與附著等交互作用而進行，模型中也模擬了施藥后農藥在根際的傳輸。
20 世紀 70 年代針對歐洲平原地區研發的分布式事件模型ANSWERS\\(Areal Nonpoint Source Wa-tershed Environment Response Simulation\\)[29]，可模擬的水質能分僅為氮和磷，不能模擬各化學物質的相互轉換、殺蟲劑、深層下滲、壤中流、河道基流、融雪過程。20世紀90年代，Bouraoui等[30]基于原模型開發了連續模擬版本ANSWERS 2000，以方格劃分流域，網格內所有的水文參數\\(土壤特性、地表狀況、植被、地形等\\)一致。雨期和無雨期的模擬步長分別為30 s、24 h。模型包括水文、泥沙輸移、營養物質3大模塊。由于該模型采用經驗性的侵蝕模塊，僅可以模擬總泥沙遷移過程，而不能模擬如地表徑流的飽和度、地下水等許多子過程；因未考慮不穩定水流運動、土壤中污染物運移、土壤與地表水之間的交換等，導致非點源污染模擬具有不確定性，不能很好的用于BMPs規劃；江河中水流和泥沙輸移運動與耕地上坡地流的特性不同，需修改輸移方程；不適于壤中流為主的流域。
1986 年由 USDA-ARS 與明尼蘇達污染物防治局研制的流域分布式事件模型AGNPS \\(Agricultur-al Non-Point Source\\)[31]，步長為暴雨歷時，適于1～20000 hm2的流域，以方格劃分流域，包括水文、侵蝕、泥沙和化學物質傳輸模塊。模型可連續模擬土壤水和地下水中氮平衡，在流域景觀特征、水文和土地利用規劃等領域有良好的適應性；大量經驗公式的采用使其在數據短缺地區適應性較強，但無法模擬各營養物組分及其在河道中的轉化過程，不適于流域物理過程的長期演變及土壤侵蝕時空分布規律等研究。1998年研發的以日為步長的批處理過程、連續模擬、地表徑流污染物負荷模型AnnAG-NPS\\(Annualized AGNPS\\)適合 1～3000 hm2的流域，按集水區劃分單元，由數據輸入和編輯模塊、年污染負荷計算模塊、數據輸出及顯示模塊3部分組成，由水文、侵蝕和泥沙輸移、化學物質\\(養分和農藥\\)模塊組成，還可計算點源、畜牧養殖場產生的污染物、土壩、水庫和集水坑的影響。但模型忽略河道沉積泥沙吸附營養物及農藥的后續影響，假定模擬期間點源流量及營養鹽為常數，忽略地下水的影響，總磷模擬存在較大的不確定性等。
20 世紀 90 年代初 USDA-ARS 開發的以日為步長的具有物理機制的適于大、中尺度的流域管理模型SWAT\\(Soil and Water Assessment Tool\\)是在農業和森林為主的流域具有連續模擬能力的最有前途的非點源模型[32-33]。以子流域劃分法離散流域，并進一步劃為水文響應單元\\(HRU\\)，包括水文、非點源污染負荷模擬、河道污染物遷移轉化和湖泊水體水質模塊。模型不能模擬詳細的基于事件的洪水和泥沙，日模擬存在系統誤差，豐水期模擬效果較好；各HRU可有不同的地形特征，且設定土地利用和土壤閾值會忽略產沙量較大的小面積土地；在地表層增加營養物模擬化肥施用與實際不符；水質模擬結果以負荷總量的形式輸出，而中國水質檢測和管理主要采取污染物濃度控制，需進行換算；DEM分辨率對提取坡度值影響較大，模擬流域產流、產沙時，應訂正坡度；天氣發生器只能產生一點處的天氣序列，不適于尺度水文模擬；增加了模擬河道下切和邊坡穩定性的算法，允許河道范圍和大小連續更新，但河床描述過于簡單；基于完全混合假設的水庫演算的出流計算過于簡化，為模擬大型水庫，這些方面有待改進。
1981 年 Robert 提出的 HSPF\\(Hydrological Sim-ulation Program -Fortran\\)模型[34]，起源于SWM\\(Stan-ford Watershed Model\\)模型，適于大流域長期連續模擬。模擬地段分透水地面、不透水地面、河流或完全混合型湖泊水庫。模型包含3個應用模塊和5個效用模塊，前者模擬流域的水文/水力和水質要素，后者可分析時間序列數據。應用模塊包括透水和不透水區水文水質模塊，透水區模擬包括融雪、水文、地表土壤侵蝕沉積物、多種水質變化模擬及農業化學子模塊等；地表水體水文水質模塊模型可模擬河道和混合水庫的徑流和水質。由斯坦福IV計算徑流，采用機理性的土壤侵蝕模型模擬土壤侵蝕，模型可提供水解、氧化、光解、生物降解、揮發和吸收6種沉積化學作用模式，并結合水動力學實現沙、粉沙和黏土及BOD、DO、氮、磷、農藥等的地表、壤中流過程和蓄積、遷移、轉化的綜合模擬，可進行小時尺度的產匯流分析，是國際上模擬流域非點源污染效果最好的模型之一。最大的缺陷是假設模擬區對斯坦福流域水文模型是適用的，且污染物在受納水體的寬度和深度上充分混合，限制模型的實用性，只能模擬到各子流域不同土地利用類型污染負荷產生量，空間分辨率較低。
1969 年由 Abbott 等提出的 SHE \\(Systeme Hy-drologique Europeen\\)模型以矩形網格劃分流域[35]。20 世紀 90 年代初在 SHE 的基礎上研發的 MIKESHE 是一個綜合、確定的靈活而功能強大的模型，是世界上第一個嚴格意義上的有物理意義的連續分布式水文系統模型。主要組件有 WM\\(水流運動\\)、AD\\(溶解質的平移和擴散\\)、GC\\(地球化學和生物反應\\)、CN\\(作物生長和根系區氮的運移過程\\)、SE\\(土壤侵蝕\\)、DP\\(雙相介質中的孔隙率\\)、IR\\(灌溉\\)。MIKE SHE能綜合模擬對流-彌散運移、吸咐、生物降解、地球化學過程和大孔隙流問題以及大多數水文、水資源和污染物運移的一般應用。大部分子模型具有物理意義，適合尺度很廣，從單一的土壤剖面到大范圍的區域尺度；完全與GIS數據庫耦合，并有用戶友好輸入-輸出界面；采用整合式的模塊化結構，每一組件描述水文循環中一個獨立的物理過程；Richards方程使用有效或有代表性的參數值無法驗證模擬的土壤含水條件；模型代碼未公開，用戶無法根據實際需要修改模塊；對蒸散量與河流含水層相互作用的模擬能力有待提高。
國外非點源污染模型研究經歷了萌芽期\\(20世紀60年代初-70年代初\\)、快速發展期\\(20世紀70年代中期-80年代末\\)、完善應用期\\(20世紀90年代初至今\\)[36]，由簡單的統計分析向機理模型、由平均負荷輸出或單場暴雨分析向連續時間響應分析、由集總模型向分布式模型發展，耦合GIS和RS等實現最佳管理、標識關鍵源區，今后模糊理論、不確定性分析、風險評價和管理的引入將促進相關研究的開展；但多數非點源污染模型的水文模塊較為薄弱，如采用經驗的SCS曲線數法，需加強非點源污染模型與水循環系統的耦合研究，非點源污染機理模型參數較多，缺少詳盡的實測資料率定參數，綜合研究大暴雨產流產污、污染物遷移轉化過程、非點源污染規劃管理、資料缺乏流域的非點源污染模型較少，人類活動、氣候變化等的效應模擬也是非點源污染模型今后開發和改進的方向。
2.2 國內非點源污染模型研究
20 世紀 60 年代，中國開展了化學侵蝕與徑流研究[37]，主要分析與河流、湖泊等礦化度有關的鹽類物質，類似于今天的非點源污染研究，可認為是中國水環境非點源污染研究的先導。70年代末提出在該領域發展RS和GIS技術的建議，80年代在理論研究、軟件開發、系統建立等方面取得了一定的進展。80年代中后期，開始了控制研究，主要是其宏觀特征與污染負荷定量計算模型的初步研究。90年代以來主要通過GIS技術與一些簡單模型結合的模擬來輔助決策或應用綜合分析和統計法評估與地理因素密切相關的事件。
溫灼如等[38]建立了包括雨水淋洗與沖刷作用的確定性集總的蘇州暴雨徑流污染的概念模型，由遙感技術得到土地利用衛星影像分類圖，由典型試區徑流系數及土地利用建立降雨徑流關系，選擇降雨時段較少的實測BOD5或氨氮污染負荷過程，扣除旱流本底影響，推出徑流污染負荷單位線，根據參與徑流污染計算的雨量及時段數，由水量和污染負荷單位線計算流量和污染負荷，外城采用典型區徑流與污染模數，由此建立月水質污染量經驗方程，可以計算缺乏水質監測資料的污染量；劉曼蓉等[39]建立了南京城北地區的暴雨徑流污染概念模型和統計相關模型，研究了輸入徑流模數與輸出污染徑流模數的相關關系；肖青等[40]以ArcView為軟件平臺，開發了蘇州河環境綜合整治管理信息系統的原型；朱萱等[41]采用統計技術建立農田區域徑流-污染負荷經驗模型；陳西平等[42]建立的涪陵地區各次降雨沖刷污染物預測方程，可通過氣象預報降雨量預測污染物流失量；李定強等[43]分析了楊子坑小流域氮磷負荷隨降雨徑流過程的動態變化規律，建立了降雨-徑流、徑流-污染物負荷輸出之間的數學統計模型。
王昕皓[44]將研究流域劃分為若干坡面，提出了單元坡面模型，包括劃分基本單元、確定凈雨過程、計算坡面漫流和污染物流失4個子模型。小流域或匯水區可建立污染物流失率與徑流率的統計關系反映非點源污染的形成過程；夏青等[45]提出了包含降雨產流、匯流出流、水流和水質相關3個子模型的非點源污染負荷流域模型，適于濕潤與半濕潤地區；吳禮福[46]以數字地形模型上最小的溝谷單元為侵蝕基本單元建立了黃土高原土壤侵蝕模型；馬超飛等[47]依據USLE模型結合RS、GIS技術對岷江上游進行侵蝕強度分級和填圖、坡耕地提取，分析了坡耕地和侵蝕強度的關系；劉海濤[48]基于Web-GIS 與 USLE 建立網絡土壤侵蝕模型，可基于 DEM計算土壤侵蝕程度；鄒亞榮等[49]用USLE為選取的水土流失因子打分，應用Arc/Info的主成分分析法確定各因子的權重，在ArcView下定出風險等級。
李懷恩等[50-52]進行了一系列研究，如建立了逆高斯分布瞬時輸沙單位線模型，將徑流及懸移質在流域中的匯集概化為在河網中的匯集，以逆高斯分布概率密度函數為瞬時輸沙單位線線型研究流域匯沙，由步長加速法自動率定模型參數，具有物理基礎、彈性好、匯流與輸沙過程計算采用統一模式的特點，但峰值模擬偏低，應加強研究參數的單站及地區綜合問題，促進模型推廣，構建的流域非點源污染模型系統優選綜合產流模型，建立逆高斯分布分布瞬時單位線流域匯流模型及考慮污染物遷移轉化機理的宏觀概念性模型，由流域出口斷面的標準負荷率過程可推求出口斷面濃度過程線，模型精度高、彈性好，應進一步研究次暴雨平均濃度的推求及參數的綜合與預測檢驗問題。
王宏等[53]建立了適于中小流域的綜合水質模型，可模擬分級落差的臺階形河流，河流水質模塊采用QUALIIEU模型，增加了模擬COD和底泥泛起功能；水庫水質模塊包括峽山水庫和墻夼水庫子模型，前者采用經驗統計法，后者為輸入響應模型；非點源污染模塊根據土地利用和人口、牲畜當量制定；王少平等[54]基于 VB6.0、MapX4.0、Surfer7.0 和Access2000 建立了無縫集成的蘇州河流域面源管理信息系統，為面源模型與3S技術的結合開發提供了參考，模型包括用戶界面、數據庫模塊和功能模塊，后者包括面源負荷估算、面源污染評價和面源總量控制。由面降水量、徑流系數、不同土地利用的污染物濃度等估算單位多邊形的污染負荷，通過上中下游河段水環境容量計算單位負荷削減量；朱學愚等[55]表明用數學模擬方法定量研究地下水污染是可行的。李家科等[56-58]建立了一系列模型預測渭河流域非點源污染負荷，如對資料要求少、精度較高的非點源污染負荷多變量灰色神經網絡預測模型，包括GM\\(1,N\\)模型、殘差序列{l\\(0\\)\\(k\\)}的 BP、RBF 網絡模型和灰色人工神經網絡模型。模型簡單、不需要確定非線性函數和計算方法，但網絡參數選擇和網絡結構的確定需進一步研究；利用支持向量機進行有限資料下非點源污染負荷預測，確定預測因子后選擇非點源污染負荷構成樣本數據集，采用RBF核函數利用SVM 進行學習訓練，由訓練后的參數預測，精度較高，預測結果優于最小二乘支持向量機、人工神經網絡和最小二乘回歸法預測模型，但核函數類型的選擇研究應進一步深入；將待預測時段的非點源污染影響因子以加權和形式引入自記憶模型估算資料缺乏地區非點源污染負荷，將現有觀測資料看做描述實際非線性動力系統動力模式，反演描寫系統的非線性動力模式，得到非點源污染負荷非線性常微分方程，即可建立自記憶模型。該模型在缺乏連續非點源污染負荷資料的地域適用性較差，模型的回溯階數問題需進一步研究，非點源負荷的動力微分方程模式應加強物理機制研究；渭河流域分別建立了基于多變量灰色神經網絡、支持向量機技術、自記憶原理的非點源污染負荷模型，為有限資料條件下非點源污染負荷的預測提供了有效的方法\\(表1\\)。（表1略）
齊苑儒等[59]在有限資料條件下，由Erdas 生成研究區土地利用圖，采用SCS 徑流曲線模型推求暴雨地表徑流量，以土壤前期降水水分調整了CN值，估算了COD、總氮、懸浮固體及總磷等的負荷量；張超[60]建立了能描述土地覆被、土壤水力特性的坡面單元產流計算子模型和河網匯流計算子模型，提出了自動建立子流域拓撲關系的新算法，建立蓄滿-超滲混合產流模型，增加動力波計算模塊；將分布式水文模型與土壤侵蝕、污染物淋洗模型嵌套形成分布式非點源污染機理模型，坡面產輸沙考慮了雨滴濺蝕、片流侵蝕和細溝侵蝕，僅計算泥沙D50，假定土壤污染物為保守型，總磷分為溶解態磷和顆粒態磷，總氮分為溶解態氮和吸附在泥沙顆粒上的氮，忽略生物攝取量和吸附/解吸作用，由非恒定懸移質不平衡輸沙方程模擬溝道泥沙輸移，最后建立綜合計算平臺DWHEMT，并成功用于香溪河流域氮磷負荷變化規律的研究。
中國非點源污染研究起步較晚，長系列的非點源監測數據較少，非點源污染模型研究目前尚屬應用研究，大多采用國外比較成熟的非點源污染模型，應加強建立適合中國不同區域特征不同時空變異特征的非點源污染機理模型，國外模型在中國監測資料缺乏區域很難適應，應改進有限資料條件下非點源污染負荷的模擬問題；中國已建立的模型大多形式簡單、功能單一，應用簡單統計模型應對日益嚴重的非點源問題具有較高的可行性；機理性模型研究較少，且缺乏研究深度，較少考慮氣象、農業管理等因素的影響，限制了模型的適用范圍；模型大多為確定性模型，但由于水質、水文監測數據、模型參數、模型結構等均存在誤差，應加強分析模擬的影響因素，減少模擬結果的不確定性；3S技術與非點源污染模型的結合尚處于嘗試階段，應加強地理信息庫的建立、模型要素的集成研究等；目前建立的非點源污染模型大多適于小流域，而不同尺度估算的非點源污染負荷差異較大，應專門研究基于不同尺度的非點源污染模型及參數轉換；非點源污染機理復雜，涉及氣象、水文、土壤、環境、生態等多學科，應加強各學科之間的聯系，完善非點源污染研究的理論體系。
2.3 現有研究的不足
\\(1\\) 國內外非點源污染機理模型缺乏研究深度，水文模塊較多采用經驗公式，需加強非點源污染過程的水循環基礎研究，流域產污、運移機理較為簡單，污染物在壤中流和地下水中的遷移轉化機制研究較少，尤其是不同形態的氮磷等污染物，今后需加強研究深度，為非點源污染控制提供堅實的理論基礎。
\\(2\\) 非點源污染物復雜多樣、污染控制技術有限，加強非點源污染物的毒理學研究，模擬污染物對水生生物及人體的影響，篩選出主控污染物，以便采取相應的監測、管理和控制措施。
\\(3\\) 基于不同流域尺度非點源污染模型的產匯流過程、吸附、滲濾機制不同[61]，導致估算的污染負荷差異較大，現大多針對較小流域進行模擬與驗證，應拓展研究尺度、建立微觀與宏觀模型及參數轉換的關系，加強非點源污染模型與大型流域管理模型的集成研究。
\\(4\\) 中國目前基本沒有較為連續的非點源水質水量同步監測資料，現有模型很難在無資料及資料缺乏地區運用，開展有限資料條件下非點源污染機理研究，將逐漸能滿足非點源控制與治理的實際需要，模擬中存在多種誤差，模型的不確定性主要取決于參數的不確定性[62]，基于大量的觀測與模擬實驗，可獲得有效的數據支持，以充分揭示不同條件下非點源污染物的發生和遷移轉化規律。
3 非點源污染機理模型探索
3.1 非點源污染機理模型構建
非點源污染過程涉及水文、土壤、化學等多個學科，降雨在不同下墊面下產生徑流，并對土壤產生侵蝕，在降雨-徑流驅動因子作用下，大量的泥沙與附著態、可溶態污染物進入水體，同時土體內污染物隨降水入滲產生垂直遷移，水中吸附態和溶解態污染物存在吸附-解吸、植物吸收、微生物降解等作用，因此非點源污染機理非常復雜。通常非點源污染機理模擬主要分陸地過程和河道演算2個階段。陸地過程主要應用坡面模型，包括降水徑流、水土流失和非點源污染水質模型；河道演算主要應用河道水動力、河網輸沙和河道水質模型。
非點源污染機理研究是污染輸出控制和模擬估算研究的基礎，重點是闡明在多種污染因子綜合影響下目標污染物的遷移轉化，包括降雨量、降雨強度、流域下滲和蓄水特征等水文參數、土壤結構、農作物類型、氣候、地質地貌等因子。已有不少學者[63-65]進行野外監測或室內人工降水實驗研究非點源污染負荷遷移轉化機理，包括分析流域下墊面、降雨等對污染負荷的影響，采用田間小區試驗研究不同耕作、施肥方式下農田排水的營養鹽輸出，由典型小流域出口監測研究流域產匯流過程污染物輸出量與流域下墊面的聯系等。受野外復雜條件和觀測手段的局限，目前主要通過室內人工模擬降雨試驗?；诓煌恋乩?、不同土壤類型、不同固定雨強下多次室內人工降雨平行實驗，測定各土層徑流水樣的流量及其中顆粒物和氨氮、硝氮、亞硝氮、總氮磷、溶解態氮磷等的濃度，研究污染負荷與降雨、徑流、植被覆蓋、土壤之間的相關關系，分析污染負荷在土壤中遷移轉化規律\\(圖1\\)。
在室內實驗的基礎上，借助數學模型，以分布式水文模型的產匯流理論為基礎，污染物的輸移過程分地表匯集和河道遷移轉化兩部分，借鑒當前比較成熟、物理機制比較完善的非點源污染模型，構建集產匯流、侵蝕和泥沙輸移、污染物負荷遷移轉化模塊于一體的具有物理成因機制的分布式非點源污染模型，實現流域水文\\(產匯流\\)、泥沙\\(產輸沙\\)、污染物遷移轉化模型之間的耦合。分布式時變增益模型\\(DTVGM\\)結合分布式水文模擬與流域降雨-徑流非線性系統理論，非線性產流機制簡單，采用分級網格運動波法匯流，已成功運用在黃河、黑河、潮白河、淮河等多個流域，可以對人工調控流域進行水質、水量聯合模擬，滿足水資源管理的要求[66-69]。此處降雨徑流模塊采用基于水文非線性系統方法的分布式時變增益模型，在流域單元網格上計算非線性地表水產流，基于水量平衡方程和蓄泄方程計算土壤水和地下水產流，由DEM提取的匯流網絡分級演算網格匯流；侵蝕和泥沙輸移模塊采用MUSLE計算，顆粒污染物隨地表徑流遷移，溶解污染物隨地表或土壤水、地下水運動，劃分顆粒等級按亞林公式沿網格演算到流域出口；坡地土壤養分流失表現為可溶性氮磷隨徑流流失，無機態和有機質態氮磷吸附和結合于泥沙顆粒表面流失，銨態氮基本吸附于土壤顆粒表面，硝態氮主要存在于土壤液相中，氮流失的主要形式為顆粒態氮，將總氮劃分為硝態氮\\(溶解態氮\\)、有機氮\\(吸附態氮\\)，將總磷分為溶解態磷和吸附態磷\\(有機磷和礦物態磷\\)，溶解態污染物可采用土壤污染物與徑流的相互作用模型計算，分別計算地表水、壤中流和滲流流失的硝態氮，由于溶解態磷不很活躍，僅計算土壤表層\\(10 mm\\)地表徑流輸移的溶解態磷，吸附態污染物多采用富集率概念計算，富集率定義為泥沙顆粒中的污染物濃度與泥沙源區土壤中的污染物濃度之比，分別建立硝態氮、有機氮、溶解磷、有機磷和礦物質磷污染負荷模型；河道水質模擬采用QUAL-II 模型，模擬河道中溶解氧、泥沙、不同存在形式的氮磷等營養元素、有機污染物及農藥等多種不同水質指標的變化過程。以此研究流域污染負荷空間分布，識別流域非點源污染來源和擴散途徑，提出相應的控制措施，為評價非點源污染對水環境的影響程度提供科學依據和技術支撐。
3.2 建模存在的難點
\\(1\\) 如何將非點源污染中復雜模糊的機理過程通過簡單有效的數學公式表達，反映氮磷等物質各個形態之間的相互轉化、以及在不同的降水條件、土地利用條件下，其在土壤中縱向和垂向的遷移轉化規律等；\\(2\\) 不同尺度的非點源污染模型估算的污染負荷存在較大的差異性，通過實驗室和田間尺度模擬實驗獲得的監測數據，難以全面反映流域尺度非點源污染負荷遷移轉化規律；\\(3\\) 構建的非點源污染模型難以完全反映實際情況，正確分析模型的不確定性有利于模型的合理應用，模擬結果缺乏有效的驗證，需要詳盡的實測監測資料的支持。\\(4\\) 非點源污染模型的構建還必須與農業生產活動聯系，考慮農作物生長機理、耕作方式、施肥、灌溉、收割等，涉及農業生產的方方面面。這也是非點源污染模型構建的一大難點。
4 結論
非點源污染研究的兩個主要發展趨勢是實驗室和田間尺度的觀測和模擬試驗，即基于流域尺度的非點源污染模型的模擬和評價。首先，通過人工控制和田間試驗獲得大量監測數據，建立小尺度反映不同降水條件、土地利用類型等自然狀況下各負荷的流失過程、變化規律的機理模型。由點到面，從實驗室、農田等小尺度推廣到流域尺度，由單次暴雨擴大到長期連續模擬，根據流域內不同土地利用類型、不同降水條件等將整個流域分為多種產流產污計算單元，采用不同的機理模型計算各單元非點源污染負荷，從而形成流域尺度非點源污模型。目前機理模型在流域尺度上推廣仍存在很多薄弱環節。此外，目前國內外非點源污染模型偏向應用型，模型具有明顯的區域性，不利于推廣，由于受缺乏實測的詳盡的非點源污染負荷各環節監測資料，模型存在的不確定性等的影響，模擬結果缺乏有效的驗證、缺乏可靠性。為了有效控制非點源，在加強科學調查的同時，非點源污染研究還有待進一步完善和擴展：
\\(1\\) 加強與遙感等先進觀測技術的結合
利用遙感衛星技術對研究區內非點源污染的時空分布進行反演估算，為非點源污染模型率定和驗證提供新的途徑，提高模型的可靠性。
\\(2\\) 進一步加強非點源污染形成各個環節的機理研究，增強人工模擬試驗與非點源污染模型結合
研究不同降水條件、不同土地利用條件下產污機制、不同非點源污染物質在土壤中的縱向和垂向的運移規律、可溶性物質和不可溶性物質隨地表徑流、壤中流、地下徑流、泥沙等的運移規律、不同形態污染物質的相互轉化規律等等。以人工控制和田間試驗的定量分析結果，指導流域尺度非點源污染模型各模塊的建模、參數調試、模擬結果驗證等，以非點源污染模型的模擬分析驗證人工模擬試驗的合理性等。
\\(3\\) 加強與氣候變化、社會經濟、水循環等系統的綜合集成研究
加強非點源污染與氣候變化模式、土地利用變化等的集成研究；氣候變化可改變降水模式、雨強、土壤水含量和徑流，并影響水質，惡化營養物、泥沙和病菌等污染物對生態系統和人類健康的影響等，土地利用方式取決于氣候、水文、土壤、地貌、經濟水平等自然和社會因素，其變化會導致下墊面水力學特征、化學物質輸入輸出、耕作方式、土壤等發生變化，對非點源污染負荷有較大影響；水污染調控應以水功能區水質水量達標為基礎控制排污，應加強流域水質水量聯合調控研究，基于分布式時變增益模型已在淮河流域構建了閘壩調控流域水質水量聯合模擬系統，但仍需鞏固非點源污染模塊，加強水系統的綜合模擬研究。
\\(4\\) 加強模型的不確定性和風險分析。
非點源污染模型涉及水文、環境、人類活動等多個環境，因此模型中存在許多不確定性。在模型研究中必須引入不確定性分析、灰色理論、人工神經網絡等，量化輸入不確定性、模型結構不確定性、參數不確定性等等對模型結果可能導致的影響，進行風險評價和管理。
參考文獻
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