非點(diǎn)源污染模型

城市非點(diǎn)源污染模型城市非點(diǎn)源污染是指城市屋面，路面和其它地面污染物在降雨徑流的淋溶沖刷作用下以廣域，分散的形式進(jìn)入河湖引發(fā)的水體污染。目前，隨著城市點(diǎn)源逐漸得到有效控制，非點(diǎn)源污染逐漸成為城市水環(huán)境保護(hù)面臨的首要問(wèn)題。隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市非點(diǎn)源污染也逐漸成為影響河流湖泊水質(zhì)的主要因素之一。城市非點(diǎn)源污染模型的發(fā)展目前，城市非點(diǎn)源污染模型經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)制模型與GIS耦合應(yīng)用3個(gè)發(fā)展階段。隨著計(jì)算機(jī)和GIS技術(shù)的快速發(fā)展，GIS被廣泛應(yīng)用于城市非點(diǎn)源污染的模擬和預(yù)測(cè)，初期GIS只是被用于提取城市非點(diǎn)源污染模型所需要的地形河網(wǎng)土地利用等輸入數(shù)據(jù)，屬于GIS與城市非點(diǎn)源污染模型的松散耦合。到20世紀(jì)90年代后期，BASINS(betterassessmentscienceintegratingpointandnonpointsource等一些大型非點(diǎn)源污染模型系統(tǒng)集成了GIS，形成操作系統(tǒng)平臺(tái)，可提取模型輸入?yún)?shù)，并具有數(shù)據(jù)查詢空間分析和地圖輸出功能，實(shí)現(xiàn)了GIS與城市非點(diǎn)源污染模型的緊密耦合.與GIS的耦合應(yīng)用，使城市非點(diǎn)源污染模型的參數(shù)提取更加準(zhǔn)確和方便，也使模型的模擬預(yù)測(cè)效果有很大的改進(jìn)，對(duì)機(jī)制型模型的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。國(guó)外城市非點(diǎn)源污染模型簡(jiǎn)介國(guó)外歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)暴雨徑流引起的城市非點(diǎn)源污染重視較早，開發(fā)推出了SWMMSTORMSLAMMHSPFDR3M-QUALQQSFHWAMOUSEHydroWorks等城市非點(diǎn)源污染模型，其中影響較大應(yīng)用廣泛的主要有美國(guó)的SWMMSTORMSLAMMHSPF和DR3M-QUAL模型以及歐洲的MOUSE和HydroWorks模型。7個(gè)常用城市非點(diǎn)源污染模型特點(diǎn)適用性和局限性項(xiàng)目SWMMSTORMSLAMMHSPFDR3M-QUALMOUSEHydroWorks時(shí)間尺度場(chǎng)次、連續(xù)場(chǎng)次場(chǎng)次場(chǎng)次、連續(xù)場(chǎng)次場(chǎng)次、連續(xù)場(chǎng)次、連續(xù)空間尺度城市城市城市城市、流域城市城市管網(wǎng)城市污染物累積模型幕函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、飽和浸潤(rùn)方程線性函數(shù)指數(shù)函數(shù)線性函數(shù)指數(shù)函數(shù)線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)線性函數(shù)污染物沖刷模型指數(shù)函數(shù)、關(guān)系曲線、場(chǎng)次平均濃度指數(shù)函數(shù)指數(shù)函數(shù)徑流比例指數(shù)函數(shù)雨滴濺蝕雨強(qiáng)和污染物累積量的函數(shù)泥沙、污染物運(yùn)動(dòng)模型地表、管道地表地表地表地表地表、管道地表、管道污染物不可以不可以不可以可以不可以可以不可以相互作用和轉(zhuǎn)化模擬污染物負(fù)荷圖輸出可以不可以不可以不可以不可以可以可以模型復(fù)雜性較高一般一般較高一般高高模型不確定性較大較小較小較大較小大大GIS耦合應(yīng)用松散松散松散緊密松散松散緊密BMPs模可以不可以可以可以不可以可以可以擬評(píng)價(jià)通過(guò)以上對(duì)各個(gè)模型特點(diǎn)的介紹和分析，可以看出在具體應(yīng)用時(shí)，各個(gè)模型均有其局限性和適用性，對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行了分析。SWMM模型的應(yīng)用最為廣泛，不僅適用于小型或大型城市區(qū)域的暴雨徑流水量和水質(zhì)模擬，也適用于城市管網(wǎng)的輔助設(shè)計(jì).Tsihrintzis等證明了SWMMGIS和優(yōu)化方法的耦合應(yīng)用是大型城市區(qū)域非點(diǎn)源污染模擬的有效工具。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模型近年來(lái)，隨著點(diǎn)源污染的逐步有效控制，農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水環(huán)境的污染貢獻(xiàn)逐年提高，嚴(yán)重影響了地表水環(huán)境質(zhì)量由于肥料不合理施用，氮肥當(dāng)季利用率只有30%-35%，同時(shí)農(nóng)藥過(guò)量施用在水稻中達(dá)40%，許多被禁止的農(nóng)藥依然還在使用，其中高毒農(nóng)藥品種仍然占有相當(dāng)高的比例，農(nóng)業(yè)面源污染具有隨機(jī)性、廣泛性、滯后性、模糊性和潛伏性的特點(diǎn)，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的監(jiān)測(cè)和治理相對(duì)都比較困難，如何有效控制農(nóng)業(yè)面源污染，成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。類似于點(diǎn)源污染的控制，農(nóng)業(yè)面源污染控制也可以從源頭控制和末端治理兩方面加以考慮源頭控制即是從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)入手，采取一系列的耕作技術(shù)，養(yǎng)分管理技術(shù)，農(nóng)藥管理技術(shù)以及灌溉排水管理技術(shù)等，從源頭減少來(lái)自農(nóng)業(yè)活動(dòng)的污染物產(chǎn)生量。末端治理，即如何采取有效措施，降低農(nóng)田徑流污染物濃度，減少?gòu)搅魑廴疚锶牒恿?，是控制農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵。有關(guān)研究表明濱岸緩沖帶技術(shù)是削減農(nóng)業(yè)面源污染入河量的有效手段，合理布置的濱岸植被緩沖帶能通過(guò)物理攔截植物吸收土壤吸附以及微生物作用等綜合的物理、化學(xué)及生物過(guò)程截除農(nóng)田徑流中的污染物質(zhì)。在農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究中，通過(guò)數(shù)學(xué)模擬的方式進(jìn)行污染負(fù)荷定量化研究，并運(yùn)用模型對(duì)非點(diǎn)源污染物在河流中的遷移運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬是一種常用方法，已成為當(dāng)前開展農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究的重要途徑之一。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染預(yù)測(cè)的模型大致分為3類：經(jīng)驗(yàn)性模型、隨機(jī)模型和確定性（機(jī)理）模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)數(shù)據(jù)的需求比較低，有較強(qiáng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，但難以敘述污染物的運(yùn)移路徑與機(jī)理。其進(jìn)一步應(yīng)用受到了較大的限制。隨機(jī)模型以對(duì)流彌散方程為基礎(chǔ)，考慮模型中的參數(shù)或變量存在較大的空間變異性和時(shí)間變異性，將參數(shù)或邊界條件處理為隨機(jī)變量，模型的運(yùn)行結(jié)果得到輸出變量的一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布或范圍。隨機(jī)模型近幾年來(lái)才逐漸發(fā)展起來(lái)，國(guó)內(nèi)應(yīng)用該方法進(jìn)行建模和預(yù)報(bào)的研究才剛起步。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染機(jī)理模型通常包括降雨徑流、土壤侵蝕和泥沙輸移、污染物遷移轉(zhuǎn)化3類子模型，還可根據(jù)應(yīng)用空間尺度分為農(nóng)田模型和流域模型。農(nóng)田尺度模型僅用于單一的土地利用和相對(duì)均一的土壤質(zhì)地，降雨空間分布均勻且管理措施簡(jiǎn)單，是大尺度分布式參數(shù)模型建模的基礎(chǔ)。流域尺度模型考慮了流域內(nèi)氣候條件、農(nóng)田土地利用、土壤質(zhì)地、水土管理措施等的空間異質(zhì)性，將集水面積分成性質(zhì)（如透水性、作物、坡度等）相同的獨(dú)立單元分別進(jìn)行模擬后，疊加輸出結(jié)果，最后得到整個(gè)流域的污染物輸出量。流域模型能夠提供一個(gè)單元的變量信息，且能識(shí)別出流域的關(guān)鍵地區(qū)，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)需求繁多且參數(shù)間相互影響，而使模擬結(jié)果通常具有顯著的不確定性。因此，對(duì)非點(diǎn)源模型進(jìn)行系統(tǒng)的不確定性分析，能有效支撐非點(diǎn)源污染的研究和管理工作，對(duì)于制定合理的污染防治措施具有重要意義。表I鶯見(jiàn)瞿業(yè)非點(diǎn)源后染模圭Table1Cnhim011klisciJ^rkruHuralTUnrpWutsourcemodels空同尺.度耳主乓途祟圣軍梅水文污％初遷粹程津E細(xì)5玉隧點(diǎn)由恒元程沉，t5包及此手新正與咨；可際利單次暴雨事作或黃習(xí)掘的平均做果集總式土C&水丈票型、GiKHrAmpL入事票型房發(fā)當(dāng)己麓迎、神坡'河.道宜耳?可沉積京承.養(yǎng)蟲刑-簡(jiǎn)單污染物干宦tTE瓦遷行農(nóng)田畔昔垣巧與?■勤的所行祟報(bào):皆俳夜任作梅生產(chǎn)方卻水土灸污遷玨策型的動(dòng)態(tài)萱臭江矣出文點(diǎn)呈”A等、藻技、融建汝亡的通用土芝況失方程〔n孕正）氮事員苛如瑩頭污卷場(chǎng)平虞GIKAMF砰許農(nóng)小曾委吊造對(duì)農(nóng)髡、營(yíng)非牧壬及埃'水岳的春金誑態(tài)瑩忸王間壇況飪流W土湛流史集總式水丈嗅虱GrewrAinpLA漆嚓宣、蔬度博目土系流我方程（1SIJ：）竟璋、農(nóng)豹及其地下遷移T程研充哀昆非證卻區(qū)域求和溶*彩遠(yuǎn)此一皓輸.粒視晅收和比季集總式由LXACtm：■用干誨妾的轉(zhuǎn)化和M移耳投j,IKACIPi^干衣轉(zhuǎn)至尊和扉帔孝ftlj由IKAi3ICi^^Str化李再于M勒的里扣廣熊分流域M堂AGNPS研W污染曉對(duì)■理表，地下水Jffi的潛在彩屈評(píng)忻小流域|：D.QI-23OknP2P）內(nèi)愁農(nóng)業(yè)斤她并導(dǎo)找最住堂查僧意：攻苴成Air航、PS生模擬黃時(shí)間予列RlSIF蒙薄和mn員荷.不苦電污舞初平虞研F旦擊或蓮續(xù)隆配耳J丑生養(yǎng)非點(diǎn)澹污染影定為山小以成內(nèi)堂志乖題在埠椅牛局導(dǎo)方而分布式GjuejrAitipilA待堅(jiān)型、考慮逑皆切至、K淳芨而沈卻蒸發(fā)上壬蠢性，?沖理河沉積芝卵親污霓平HLAFhS快速分析大量點(diǎn)菠為聿點(diǎn)源污染枚：懾?cái)M河g大尺熨云頃的水忒拇兄停布式集芻猙稅嗪乳包括流域員苛和ft帖模型5卻R和A.皿污染叔鼠PI.O-AI3）Pft^水質(zhì)模型等HSPF檀推中中流域內(nèi)壬的間中列巷水、不道衣土池為河流月的水丈水底變化,密.用于農(nóng)業(yè)』險(xiǎn)市匡言就誠(chéng)律臣式鏟壇電丈玄悝型善密巨滴裁飩.程流?沖祖和砌作用囂弟.農(nóng)藥.5!斗的污染物平度即AT預(yù)