城市非点源污染模型研究进展
第31卷第10期2010年10月
环境科学ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol.31，No.10
Oct.，
2010城市非点源污染模型研究进展
王龙，黄跃飞，王光谦
（清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京
100084）
摘要：回顾了城市非点源污染模型的发展历史，分析了能够模拟城市非点源污染的7个国外模型（SWMM 、STORM 、SLAMM 、HSPF 、DR3M-QUAL 、MOUSE 和HydroWorks ）的特点、适用性和局限性，介绍了国外城市非点源污染模型不确定性研究方法和成果以及城市非点源污染分析概率模型，总结了国内城市非点源污染模型的研究成果.指出国外城市非点源污染模型在污染物累积和冲刷、
泥沙和污染物运移、污染物的生化反应等方面模拟能力不足，而国内城市非点源污染模型多是经验模型，模拟面积较小，模拟精度较差.提出未来城市非点源污染模型研究应提高泥沙和污染物的模拟能力，探索无资料和不完全信息下城市非点源污染的模拟和预测，
加强城市非点源污染随机性模型的研究，发展城市非点源污染模型与GIS 的耦合应用.关键词：城市非点源污染；累积；冲刷；生化反应；不确定性；研究进展
中图分类号：X52
文献标识码：A
文章编号：0250-
3301（2010）10-2532-09收稿日期：2009-12-15；修订日期：2010-04-01基金项目：国家重点基础研究发展规划（973）项目（2005CB724202）；
优秀重点实验室基金项目（50823005）作者简介：王龙（1983 ），男，博士研究生，主要研究方向为城市非
点源污染模型，
E-mail ：wanglong08@https://www.sodocs.net/doc/5d17558499.html, Review of Urban Nonpoint Source Pollution Models
WANG Long ，HUANG Yue-fei ，WANG Guang-qian
（State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ）
Abstract ：The development history of urban nonpoint source pollution models is reviewed.Features ，applicability and limitations of
seven popular urban nonpoint source pollution models （SWMM ，STORM ，SLAMM ，HSPF ，DR3M-QUAL ，MOUSE ，and HydroWorks ）are discussed.The methodology and research findings of uncertainty in urban nonpoint source pollution modeling are presented.Analytical probabilistic models for estimation of urban nonpoint sources are also presented.The research achievements of urban nonpoint source pollution models in China are summarized.The shortcomings and gaps of approaches on urban nonpoint source pollution models are pointed out.Improvements in modeling of pollutants buildup and washoff ，sediments and pollutants transport ，and pollutants biochemical reactions are desired for those seven popular models.Most of the models developed by researchers in China are empirical models ，so that they can only applied for specific small areas and have inadequate accuracy.Future approaches include improving capability in fate and transport simulation of sediments and pollutants ，exploring methodologies of modeling urban nonpoint source pollution in regions with little data or incomplete information ，developing stochastic models for urban nonpoint source pollution simulation ，and applying GIS to facilitate urban nonpoint source pollution simulation.
Key words ：urban nonpoint source pollution ；buildup ；washoff ；biochemical reaction ；uncertainty ；research advance
城市非点源污染是指城市屋面、路面和其它地面污染物在降雨径流的淋溶冲刷作用下以广域、分散的形式进入河湖引发的水体污染.目前，随着城市点源逐渐得到有效控制，非点源污染逐渐成为城市水环境保护面临的首要问题.美国环境保护署（USEPA ）的调查报告指出，
1988年城市暴雨径流引起的污染是河流水质恶化的第四大因素和湖泊水质恶化的第三大因素，
1992年则分别是第三大因素和第二大因素.欧洲和其它国家也得到了大致相同的结论［1］
.在我国，随
着城市化进程的快速发展，
城市非点源污染也逐渐成为影响河流湖泊水质的主要因素之一.
国内外众多学者对城市非点源污染的研究主要包括2个方面：定量化研究和控制管理研究.城市非点源污染的控制管理研究主要是在美国学者提出的最佳管理措施（best management practices ，BMPs ）的基础上，结合实际情况制定各种非点源污染控制管理措施，削减和控制非点源污染.制定城市非点源污
染控制管理措施的前提是准确把握城市非点源污染的时空分布特征及负荷大小，而城市非点源污染模型是城市非点源污染特征研究的重要工具和手段，因此成为目前城市非点源污染的研究热点之一.利用城市非点源污染模型，可以进行不同时间、空间尺度污染物的模拟，量化非点源污染负荷，识别非点源污染风险，
确定非点源污染重点治理区域，合理规划城市排水管网，分析土地利用变化对城市水环境的影响，制定科学合理的非点源污染治理措施，并评价各种措施的治理效果.1
城市非点源污染模型的发展
目前，城市非点源污染模型经历了经验模型、机
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制模型、与GIS耦合应用3个发展阶段.
20世纪60 70年代，一些学者通过因果分析和统计分析的方法建立了非点源污染负荷与土地利用或径流量之间的经验关系［2，3］.这些经验模型输入数据少，能够简便地模拟计算流域出口的非点源污染负荷，具有一定的实用性.但这些模型难以描述污染物迁移转化的过程和时空分布，使其进一步应用受到较大的限制［4］.
20世纪70 80年代，一些有影响的非点源污染模型不断推出，其中包括SWMM、STORM、HSPF、DR3M-QUAL等可用于城市的非点源污染模型.这些模型基于对城市降雨径流、污染物累积和冲刷、土壤侵蚀、排水管网中泥沙和污染物运动过程的描述，属于经验与机制相结合的模型，能够模拟降雨过程中非点源污染的迁移转化，具有较好的模拟效果.
20世纪90年代以来，随着计算机和GIS技术的快速发展，GIS被广泛应用于城市非点源污染的模拟和预测.初期GIS只是被用于提取城市非点源污染模型所需要的地形、河网、土地利用等输入数据，属于GIS与城市非点源污染模型的松散耦合.到20世纪90年代后期，BASINS［5］（better assessment science integrating point and nonpoint source）、InfoWorks CS［6］等一些大型非点源污染模型系统集成了GIS，形成操作系统平台，可提取模型输入参数，并具有数据查询、空间分析和地图输出功能，实现了GIS与城市非点源污染模型的紧密耦合.与GIS的耦合应用，使城市非点源污染模型的参数提取更加准确和方便，也使模型的模拟预测效果有很大的改进，对机制型模型的发展起到了巨大的推动作用.
2城市非点源污染模型研究
2.1国外城市非点源污染模型研究
2.1.1国外城市非点源污染模型简介
国外欧美发达国家对暴雨径流引起的城市非点源污染重视较早，开发推出了SWMM、STORM、SLAMM、HSPF、DR3M-QUAL、QQS、FHWA、MOUSE、HydroWorks等城市非点源污染模型，其中影响较大、应用广泛的主要有美国的SWMM、STORM、SLAMM、HSPF和DR3M-QUAL模型以及欧洲的MOUSE和HydroWorks模型.
（1）SWMM模型
SWMM（storm water management model）［7］是1971年USEPA为解决日益严重的城市非点源污染而推出的城市暴雨水量水质预测和管理模型.模型历经几次改进后，最新版本为SWMM Version 5. SWMM主要由径流模块（Runoff）、输送模块（Transport）、扩充输送模块（Extran）、存储处理模块（Stroage/Treatment）4个计算模块和用于统计分析和绘图的一个服务模块组成，可以模拟完整的城市降雨径流过程，包括不透水区地表径流，透水区土壤侵蚀和下渗过程，排水管网中的溢流以及受纳水体的水质变化.SWMM可以模拟生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、大肠杆菌、总氮（TN）、总磷（TP）、总固体悬浮物（TSS）、沉淀物质、油类等10种污染物及用户自定义污染物，考虑大气污染物的沉降，但不考虑污染物之间的相互作用和转化［8］.在不透水区，系统提供线幂函数、指数函数和饱和函数3种污染物累积模型，以及指数函数、关系曲线和场次平均浓度3种污染物冲刷模型，基本以统计经验模型为主.在透水区，采用通用修正土壤流失方程（RUSLE）计算土壤侵蚀，入渗过程提供霍顿公式、Green-Ampt入渗模型和曲线数值法3种计算方法.输入信息包括水文气象、土地利用、累积和冲刷系数、地形、排水管网等，输出信息包括模拟区域任何地点的污染负荷、管道溢流等.模型能够对BMPs效果进行模拟评价.缺点和局限是对污染物的生化反应的模拟能力很差，对与水质密切相关的管道泥沙运动也不能进行较好的模拟［9］.
（2）STORM模型
STORM（storage，treatment，overflow，runoff model）［10］是美国陆军工程兵团工程水文中心（HEC）1973年推出的城市暴雨径流模型，用于模拟城区降雨径流及水质过程.STORM能模拟TSS、沉淀物质、BOD、TN、正磷酸盐和大肠杆菌6种污染物，不考虑污染物之间的相互作用和转化.在不透水区，STORM提供线性函数和污染物占泥沙一定比例2种累积模型，冲刷模型采用一阶指数衰减模型，皆为经验模型.在透水区，采用土壤流失方程（USLE）计算土壤侵蚀.模型输入信息包括水文气象、土地利用、累积和冲刷系数等参数，输出信息包括地表径流过程线和场次污染物负荷量.缺点和局限是模型结构比较简单，不能模拟泥沙运动过程和污染物的迁移转化过程，不适合连续时间尺度的模拟.
（3）SLAMM模型
SLAMM（source loading and management model）［11］是20世纪70年代中期美国学者Pitt等开发的用于城市非点源污染物识别和控制模拟的非点源污染模型.SLAMM可以模拟TP、TN、溶解氧
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（DO）、TSS、泥沙和金属等污染物.在透水区和不透水区，模型采用降雨量减去截留量和入渗量计算径流量，污染物的累积和冲刷均采用指数型模型.模型输入信息包括降雨量、土壤类型、土地利用类型、排水系统特征和控制装置和措施等，输出内容包括径流量、污染物浓度、污染物负荷等.SLAMM模型有2个突出特点：一是可以模拟多种控制管理装置和措施（包括污染源、排水系统和出口）的污染物截留和去除效果，二是模型引入了随机分析，可以进行输入参数的不确定性分析.缺点和局限是不能进行雨水和污染物在管道和沟道中的模拟计算，因而不能输出径流过程和污染物浓度过程.
（4）HSPF模型
HSPF（hydrologic simulation program-fortran）［12］是20世纪70年代USEPA联合美国地质调查局（USGS）推出的用于模拟农村和城市地区水文水质过程的非点源污染模型.HSPF模型借鉴集成了早期SWM（stanford watershed model）、HSP（hydrologic simulation program）、ARM（agricultural runoff management）、NPS（nonpoint source runoff）等模型，经过不断改进，现已发展到WinHSPF Version12，并作为一个子模型嵌入USEPA1998年开发的BASINS系统.模型可以模拟TSS、BOD、大肠杆菌、TP、硝酸盐和亚硝酸盐等污染物，考虑污染物之间的相互作用和转化.在不透水区，模型采用线性函数累积模型，冲刷率直接取径流的比例，不同污染物可以取不同的比例.在透水区，采用Meyer等［13］提出的土壤表面降雨侵蚀模型计算土壤侵蚀，污染物作为泥沙产量的一部分.考虑街道清扫对污染物累积的影响.模型输入信息包括水文气象、土地利用、累积和冲刷系数、地形、受纳水体特征和污染物衰减系数等，输出信息包括地表径流量和污染物负荷过程线、污染物对受纳水体的影响以及BMPs等控制措施的效果评价.缺点和局限是不能进行管道水流的复杂计算，不适合场次暴雨尺度的模拟［14］，在城区应用局限性较大，且模型校正时参数不唯一［15，16］.
（5）DR3M-QUAL模型
DR3M-QUAL（distributed routing rainfall-runoff model）［17］是USGS1982年推出的可以模拟城区降雨径流水量和水质的基于物理概念的分布式模型.模型将地面、各级管道看作一个系统，逐日计算场次暴雨之间的土壤湿度，采用运动波演算地面径流，最小时间步长为1min，适合于小城市区域的应用. DR3M-QUAL可以模拟TN、TP、TSS和金属4种污染物，不考虑污染物之间的相互作用.在不透水区，模型采用指数函数累积、冲刷模型，考虑街道清扫.在透水区，采用RUSLE计算土壤侵蚀.模型输入信息包括水文气象、土地利用、累积和冲刷系数等参数，可以输出降雨径流过程线和场次污染物负荷.缺点和局限是不能模拟污染物之间的相互作用，对地表和管道中的泥沙运动模拟能力差［9］.
（6）MOUSE模型
MOUSE（model for urban sewers）［18，19］是丹麦水力学研究所（DHI）1984年推出的用于模拟城市径流、管道水流的城市暴雨径流模型.1994年，增加了污染物模拟模块的MOUSETRAP［20］发布.MOUSETRAP能够模拟泥沙和溶解态、颗粒态污染物的运动，以及管道中水质变化过程和微生物的降解过程.MOUSE能模拟DO、BOD、COD、溶解态氨、溶解态磷、泥沙、温度、3种细菌以及用户自定义金属等水质参数.在不透水区，模型提供线性函数和指数函数2种污染物累积模型，污染物冲刷通过雨滴溅蚀引起的物理分离进行模拟.在透水区，模型提供4种经验或机制模型模拟土壤侵蚀、沉积和泥沙运动.模型输入信息包括水文气象、土地利用、累积冲刷系数、泥沙运动参数、微生物降解的模拟参数等，可以输出流域内任何地点的污染负荷分布.缺点和局限是模型复杂，参数率定繁琐，基础数据获取困难，有较大的不确定性［8］.
（7）HydroWorks模型
HydroWorks［21］是英国Wallingford软件公司1997年开发推出的可以模拟城市雨水水质及污染负荷的水文水质模型.HydroWorks现被纳入Wallingford软件公司的排水网络模拟软件InfoWorks CS中，作为该软件的一个城市水量水质模拟组件，不再是独立的模型.模型采用分布式模型模拟降雨径流过程，并进行汇流计算，采用完全求解的圣维南方程模拟管道流动.HydroWorks能模拟TSS、BOD、COD、铵态氮、TKN、TP以及4种用户自定义污染物.在不透水区，污染物累积模型是线性函数，冲刷模型是雨强和累积泥沙质量的函数.在透水区，模型提供3个模型计算土壤侵蚀和泥沙沉积.模型输入信息包括水文气象、土地利用、累积和冲刷系数以及管网布置和尺寸等参数，可以输出流域内任何地点的污染负荷.缺点和局限性是管道中污染物运动仅考虑水平对流，没有考虑离散；模型比较复杂，参数率定繁琐，基础数据获取困难，有较大的不确定性［8］.
以上7个常用城市非点源污染模型的特点、适用性和局限性总结比较如表1所示.
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表17个常用城市非点源污染模型特点、适用性和局限性
Table1Features，applicability and limitations of seven popular urban nonpoint source pollution models
项目SWMM STORM SLAMM HSPF DR3M-QUAL MOUSE HydroWorks 时间尺度场次、连续场次场次场次、连续场次场次、连续场次、连续空间尺度城市城市城市城市、流域城市城市管网城市
污染物累积模型幂函数、指数函数、
饱和浸润方程
线性函数指数函数线性函数指数函数
线性函数、
指数函数
线性函数
污染物冲刷模型指数函数、关系曲
线、场次平均浓度
指数函数指数函数径流比例指数函数雨滴溅蚀
雨强和污染物
累积量的函数
泥沙、污染物运动
模拟
地表、管道地表地表地表地表地表、管道地表、管道污染物相互作用
和转化模拟
不可以不可以不可以可以不可以可以不可以
污染负荷图输出可以不可以不可以不可以不可以可以可以
模型复杂性较高一般一般较高一般高高
模型不确定性较大较小较小较大较小大大
GIS耦合应用松散松散松散紧密松散松散紧密BMPs模拟评价可以不可以可以可以不可以可以可以
2.1.2国外城市非点源污染模型应用研究
通过以上对各个模型特点的介绍和分析，可以看出在具体应用时，各个模型均有其局限性和适用性，国外众多学者通过实例应用对各个模型进行了验证分析.
SWMM模型的应用最为广泛，不仅适用于小型或大型城市区域的暴雨径流水量和水质模拟，也适用于城市管网的辅助设计.Tsihrintzis等［22］将SWMM应用于南佛罗里达4个面积较小（5.97 23.56hm2）的城市区域，并用16场独立的降雨事件进行了验证，结果流量过程和污染物负荷与实测数据均吻合很好. Barco等［23］将SWMM应用于南加利福利亚某大型城市区域（217km2），得到了较好的模拟预测效果，证明了SWMM、GIS和优化方法的耦合应用是大型城市区域非点源污染模拟的有效工具.Lowe［24］将SWMM应用于城市生活污水管网的设计，指出只要参数设置合理，SWMM能方便地应用于生活污水管网的设计，而且便于修改和动态显示.
STORM模型多用于20世纪90年代，受其模拟精度和效果的影响，该模型应用越来越少.Warwick 等［25］将STORM应用于德克萨斯州达拉斯一个居民区，进行了径流和水质的模拟和验证，结果并不理想.Najjar等［26］将STORM应用于新泽西，进行了TSS和大肠杆菌的模拟和验证，但没有给出具体的误差结果.
HSPF模型通常用于流域水量和水质的模拟，但也适用于快速城市化的地区.Bergman等［27］应用HSPF模拟佛罗里达一个快速城市化的地区，TSS、TN和TP的模拟和验证结果比较理想.In等［28］应用HSPF模拟城市化对水环境的影响，结果表明，城市化将导致径流量、洪峰流量和泥沙量增大，而由于农田大量减少，TKN和TP负荷将减小.Ackerman 等［29］将HSPF应用于佛罗里达南部一个干旱的城市化地区，结果表明，模型在汛期模拟效果较好，而干旱期模拟效果较差.
SLAMM模型最初开发用于弄清城市非点源污染源与径流水质的关系，后来主要用于城市降雨非点源污染控制和管理措施的效果模拟和评价. Myllyoja等［30］应用SLAMM模型模拟评价了各种BMPs对污染物截留和去除的效果.Pitt等［31］应用WinSLAMM模型研究评价了低冲击开发（low impact development，LID）对城市暴雨径流引起的非点源污染的控制效果.应用结果表明，SLAMM模型能准确客观地模拟评价各种雨洪和污染物控制管理措施的效果，是城市非点源污染控制管理的一种有效工具.
DR3M-QUAL模型一般用于小型城市地区或集水区水量和水质模拟，但模拟效果一般，20世纪90年代以后鲜有应用成果发表.Linder-Lundsford等［32］将DR3M-QUAL应用到丹佛一个半干旱城市流域，并与一个线性回归方法进行了比较，结果表明，两者对场次降雨污染负荷的预测效果均较差.Thomas［33］将DR3M-QUAL应用于新墨西哥阿尔布开克一个32hm2的城市区域，进行了径流量和洪峰流量的模拟和验证，结果表明，径流量和洪峰流量的模拟值和实测值分别相差29%和37%.
MOUSE和HydroWorks模型通常用于城市排水
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管道和管网模拟.Garsdal等［34］将MOUSE应用到丹麦一个5km的重力排水管道中，进行了DO和COD 的模拟和验证，结果表明，模拟值与实测值拟合较好.Vasiliades等［35］将HydroWorks和MOUSE应用到英格兰Gateshead的管网模拟，结果表明，HydroWorks比MOUSE降雨径流过程模拟效果稍好，因为前者在计算降雨径流时采用了一个基于实测数据的经验回归公式.Masse等［36］将HydroWorks 应用到法国一个239hm2的集水区，进行了排水管网中污染物的长系列模拟，结果表明，TSS、COD、TKN和氨氮的模拟效果都很好.Zug等［37］将HydroWorks应用到法国一个620hm2的城市区域，进行了排水管网中TSS的模拟，得到了较好的模拟效果.
2.1.3城市非点源污染模型不确定性研究
为解释和描述城市降雨径流非点源污染的迁移转化过程，城市非点源污染模型往往将高度复杂的城市水文和水质过程概念化和抽象化，采用相对简单的数学模型和公式进行描述.这些模型在具体应用时，往往会出现“异参同效”的“失真”现象，体现了确定性模型的不确定性.
城市非点源污染模型不确定性的来源包括以下4类：输入误差、模型结构误差、模型参数不确定性和输出不确定性.McCarthy等［38］研究了城市暴雨径流中大肠杆菌观测数据的不确定性，分析了观测数据被应用之前进行不确定性分析的重要性，提出了提高城市暴雨径流大肠杆菌观测的准确性和减小观测数据的不确定性的建议.Freni等［39］研究了一个城市水量水质综合模型输入数据的不确定性，证明了当缺少输入数据时，模型的验证和有效性评估往往会导致模型使用者过分相信模型输出结果，同时指出输入数据的缺少将增加模型的不确定性. Gaume等［40］研究了SWMM模型参数输入的不确定性，指出输入数据过少和过多都会导致参数之间有很大的相互影响作用，从而影响模型的验证.Freni 等［41］研究评价了一个综合城市排水模型的参数和结构的不确定性，并提出了减小模型不确定性的方法和建议.
分析和评价城市非点源污染模型的不确定性，国内外使用比较广泛的是普适似然不确定性估计方法（generalized likelihood uncertainty estimation，GLUE）.Jia等［42］应用GLUE研究了HSPF模型参数输入的不确定性，Thorndahl等［43］应用GLUE研究了MOUSE模型的不确定性，证明了GLUE是分析和评价城市非点源污染模型不确定性的有效方法.Freni 等［44，45］研究了在应用GLUE时，可接受阈值和似然函数对城市暴雨径流水质模型的不确定性的影响，指出可接受阈值的确定和似然函数的选择以及模型使用者的经验对模型不确定性的分析非常重要.
2.1.4城市非点源污染分析概率模型研究
由于确定性模型往往结构复杂，数据广度和精度要求高，而且不确定性较大，一些学者研究建立了输入数据相对较少、不确定性较小的城市非点源污染分析概率模型.Behera等［46］应用概率分布理论和指数型污染物累积冲刷模型，建立了城市暴雨径流水质分析概率模型，应用该模型，能得到场次降雨污染物冲刷量、年平均污染物冲刷量、场次降雨污染物冲刷量概率分布函数以及多年平均污染物浓度（event mean concentration，EMC），经验证，该模型计算简便，适用于城市非点源污染的规划分析.Chen 等［47 49］应用不同的降雨径流模型，结合污染物累积冲刷模型，建立了2种城市暴雨径流水质分析概率模型，并与SWMM模型进行了对比分析，证明了该模型是城市暴雨污染物控制和水质管理的有效工具.
2.2国内城市非点源污染模型研究
我国城市非点源污染模型的研究起步较晚，最早的非点源污染研究始于20世纪80年代的湖泊富营养化调查，真正意义上的城市非点源污染研究始于北京城市径流污染的研究，之后相继在上海、杭州、苏州、长沙、南京、成都等城市开展了城市非点源污染规律的研究［50］.随着我国城市非点源污染问题逐渐突出，国内学者对城市非点源污染的研究给予了足够的关注，在城市非点源污染模型方面也取得了一定的研究成果.
（1）城市降雨径流与污染负荷的相关性分析研究
此类研究主要根据实测流域出口降雨径流量和污染物平均浓度，建立污染物负荷与降雨径流或土地利用的经验模型.温灼如等［51］建立了以降雨为输入、水量单位线和污染负荷单位线为响应函数、径流和污染量为输出的苏州暴雨径流污染模型；吴祖林［52］基于对杭州市不同功能区的暴雨径流污染的研究，得到了多场暴雨径流量和污染负荷的相关关系以及累积径流量和累计污染负荷的相关关系；刘曼蓉等［53］对南京市城北地区的径流量和污染物负荷量进行了研究，建立了暴雨径流的概化模型和统计模型；卓慕宁等［54］在监测珠海城区暴雨径流污染
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的基础上，引用SCS模型对城区暴雨径流污染负荷进行了估算和分析评价.这类研究成果和经验模型往往只在研究区域内适用，不具有外推性，预测性较差.
（2）国外城市非点源污染模型的应用研究
此类研究主要是对国外应用广泛、影响较大的城市非点源污染模型进行参数识别和验证，使其适用于国内城市非点源污染的模拟和预测.施为光［55］用修正的STORM模型应用于成都市降雨径流污染负荷研究；王志标等［56］建立了基于SWMM的重庆市棕榈泉小区非点源污染模型，对非点源污染负荷进行了量化研究；祁继英等［57］应用SWMM对苏州古城区南园水系排水区的单场降雨产生的非点源污染负荷量及其变化过程进行了研究，比较了不同非点源污染管理措施的效果；杨勇等［58］应用SWMM 对天津市汉沽区主城区的非点源污染进行了研究，模拟计算了不同设计雨型下TSS、COD、TN和TP这4种污染物的负荷量.
（3）基于概率统计的城市非点源污染模型研究
此类研究主要通过概率分布和统计分析的方法建立城市非点源污染的概率模型，并应用于城市非点源污染的模拟预测.许仕荣等［59］把以物理过程为基础的模拟特征融入到概率模型中，建立了城市雨水径流污染负荷的概率模型，并用Monte Carlo随机抽样法，对长期径流污染负荷进行了模拟研究，得出了流域径流污染负荷的分布特征及其特征值；方红远等［60］通过建立苏州某小区降雨径流量和径流中TP负荷的密度分布函数，估算了该小区径流TP负荷的平均值.
此外，国内一些学者还研究建立了有各自特色的城市非点源污染模型.贺锡泉［61］建立了包括运动水流模式、污染传输方程和地表径流冲刷的城市径流非点源污染运动波模型，并应用到成都市一次典型降雨径流过程；车伍等［62］建立了计算城市径流面污染负荷的数学模型，具有参数少、因果关系清楚和简便直接等特点，可对城市径流非点源污染进行量化分析并确定合理的初期雨水径流控制量；叶闽等［63］结合武汉市汉阳地区城市非点源污染特性，将城市地表径流产汇流联系在一起，基于单元网格产流、产污和汇流模型，以及排水管网的水动力学模型和污染物迁移模型，建立了分布式城市非点源污染模型，可以模拟城市暴雨径流非点源污染特性及其变化规律.3存在不足及发展趋势
3.1存在不足
城市非点源污染模型在欧美等国家起步较早，取得了丰富的研究成果，开发推出了一些比较成熟的城市非点源污染模型，但存在以下几方面的不足：（1）污染物累积和冲刷模型需要改进和修正. Kanso等［64］应用贝叶斯方法检验了一个常用的污染物累积冲刷模型，发现模型的参数输入不唯一，而且对不同地区模型公式需要修正，否则不能进行准确的模拟；Robien等［65］研究发现实际污染物冲刷过程比现有常用污染物冲刷模型复杂，现有模型不能区分径流携带泥沙量和径流冲刷泥沙量.
（2）大多数模型不能对暴雨径流挟带的泥沙的运动进行准确模拟.污染物大多以吸附态随泥沙一起运动，因此泥沙运动对污染物的迁移转化有非常重要的影响.暴雨径流挟带泥沙的运动的准确模拟需要泥沙级配、泥沙黏聚性和管道形状的详细资料，需要对非恒定流理论有深刻的认识和了解，而现有许多模型将冲淤水动力学误用于管网泥沙运动的模拟计算［66，67］.
（3）大多数模型不能模拟污染物的生化反应过程.污染物在地表和排水管道中运动时会发生一定的化学和生物变化，直接影响径流中各种污染物的浓度和含量.泥沙颗粒上吸附的微生物会影响暴雨径流中的BOD、COD和DO［34］；Delleur［68］，Ashley 等［69］强调了模拟泥沙和微生物相互作用的必要性；Zoppou［70］和Rauch等［71］指出现有城市非点源污染模型的主要缺点之一就是不能充分模拟污染物的生化反应过程.
国内非点源污染模型起步较晚，取得了一定的研究成果，但主要存在以下不足：经验型模型居多，有水文过程和污染物迁移转化机制的模型很少，经实际应用检验效果理想的模型几乎没有；大多数模型只适用于小城市，对面积较大的城市非点源污染模拟能力较差，且只适用于某一特定的城市区域，不便于推广应用；模型不够完善，不能准确模拟城市暴雨径流和非点源污染过程，模拟结果不理想.
3.2发展趋势
城市非点源污染模型在城市水环境管理中具有不可替代的作用.随着研究的不断深入和新技术手段的引入，未来研究展望如下：
（1）提高暴雨径流中泥沙和污染物的模拟能力.包括地表侵蚀冲刷和管道中泥沙和污染物运动、
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污染物与泥沙相互作用以及污染物在地表和管道中生化反应过程的模拟.管道中泥沙和污染物运动相对复杂，需要考虑有压、无压、泥沙粒径和污染物种类等.污染物与泥沙的相互作用和污染物的生化反应过程是研究的难点，同时也是准确模拟污染物负荷的关键之一.
（2）探索无资料或不完全信息下城市非点源污染的模拟预测.城市非点源污染模型往往需要大量的参数信息.然而，许多城市往往没有相应的基础数据，如何在无资料或不完全信息下模拟预测该地区的非点源污染负荷，是未来非点源污染模型研究的另一热点.
（3）加强随机模型的研究，结合常用的确定性模型，建立城市非点源污染综合模型.目前，国内外应用广泛的城市非点源污染模型多为确定性模型，而整个城市非点源污染模拟系统具有很强的复杂性和不确定性，大量的参数和过程具有不确定性.综合模型能发挥随机性模型和确定性模型的优点，减小不确定性，提高模拟预测效果，因此有很好的应用前景，也是未来的发展方向.
（4）发展城市非点源污染模型与GIS的耦合应用.目前，GIS已越来越多应用到城市非点源污染的模拟预测中.在GIS的支持下，实现模型所需流域参数提取的计算机化，开发用于城市非点源污染模拟、预测、分析和评价的综合系统，也将成为未来城市非点源污染模型研究的发展趋势.
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农业非点源污染预测模型
第23卷第5期2007年5月农业工程学报 T r ansactions of the CSA E V ol.23 N o.5M ay 2007 农业非点源污染预测模型研究进展 王少丽1,2,王兴奎1,许 迪2 (1.清华大学水沙科学教育部重点实验室,北京100084; 2.中国水利水电科学研究院水利研究所,北京100044)摘 要:农业非点源污染是一种间歇发生、随机性、突发性、不确定性很强的复杂过程,因此,模型化研究一直是非点源污染研究领域的一个核心内容。该文回顾了农业非点源污染预测模型的发展,简要阐述了国外农田尺度和流域规模尺度农业非点源污染模拟模型的功能和研究进展,对中国非点源污染预测、模型发展及存在问题进行了论述,提出从农业生产和水环境保护的角度去探讨污染物运移特征和定量预测模型,结合3S 技术,并考虑非点源污染的不确定性将是今后非点源污染模型研究的主要内容之一。 关键词:农业非点源;污染;预测模型;地理信息系统 中图分类号:X 592 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2007)5-0265-07 王少丽,王兴奎,许 迪.农业非点源污染预测模型研究进展[J ].农业工程学报,2007,23(5):265-271. Wang Shaoli,W ang Xing kui,Xu Di.A dv ances in the predictio n mo dels of ag ricultural non-point so urce pollution [J ].T r ansa ct ions of t he CSA E,2007,23(5):265-271.(in Chinese with English abst ract) 收稿日期:2006-08-15 修订日期:2007-02-12 基金项目:国家自然科学基金重点项目(50639040);水利部“948”计划技术创新与转化项目(C T200404) 作者简介:王少丽(1963-),女,江苏无锡人,教授级高工,博士生,主要从事农田灌排理论与技术、农业水环境保护方面的研究。北京中国水利水电科学研究院水利研究所,100044。Email:s haoliw @iw h https://www.sodocs.net/doc/5d17558499.html, 0 引 言 近年来,随着工业点源污染控制水平的提高,非点源污染已经成为水环境污染的主要来源。在各种非点源污染引起的水环境污染问题中农业非点源污染最为普遍,并构成当今世界水质恶化的第一大威胁,农业非点源污染具有影响因素多、发生的随机性大、危害范围广、污染物排放种类和数量不确定、污染负荷时空差异性显著等特点,使得农业非点源污染的研究与防治工作比点源污染更为困难。 农业非点源污染是由化肥、农药、畜禽粪便,以及水土流失经降雨径流、淋溶和农田灌溉回归水进入水体而造成的。影响农业非点源污染的因素众多,如土壤质地、土地利用类型、施肥种类及方法和时间、耕作方法、降雨强度和降雨量等。采用常规的监测手段定量估算某一时段内非点源污染负荷量,受客观条件的限制而难以大面积采用,因此,模型化研究一直是非点源污染研究领域一个活跃的分支。目前,利用模型对非点源污染问题进行模拟研究是广泛使用的方法之一,一方面对非点源污染机理的进一步认识促进了非点源污染模型的快速发展;另一方面模型的发展又加强了非点源污染机理的进一步认识。利用数学模型可以有效解决非点源污染的随 机性和观测点的不确定性,可以模拟各类非点源污染的形成、运移、输出等过程,从而为地表水资源的合理开发和利用提供决策依据,并使地表水环境保护措施的实施 更加科学化和定量化。 1 农业非点源污染预测模型的发展 描述农业非点源污染预测的模型可大致分为3大类:经验性模型、确定性(机理)模型和随机模型。经验性模型不考虑溶质运移的机制或动力学特征,如早期的非点源污染模型研究始于土地利用对河流水质产生影响的认识,其方法往往依据因果分析和统计分析来建立统计模型,并以此建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计关系[1],这类模型对数据的需求比较低,表现了较强的实用性和准确性,但是由于它们难以描述污染物运移的路径与机理,使得这类模型的进一步应用受到了较大的限制。自20世纪70年代中后期以来,随着对农业非点源污染物理化学过程研究的深入和对其运移过程的广泛监测,机理模型逐渐成为非点源污染模型开发的主要方向,即依据达西定律和连续原理建立的对流-弥散方程,对整个系统及其内部发生的复杂转化运移过程进行定量描述,评估土地利用的变化及不同的管理技术措施对污染负荷和水质的影响,通常由降雨径流过程(水文过程)、土壤侵蚀过程和化学物质转化运移3个主要过程组成,其中著名的有综合水文、侵蚀和污染物运移过程的农田尺度模型CREAM S ,GLEAMS ,LEACHM ,DRAINMOD-N ,RZWQM ,EPIC 等,这些 模型在美国和加拿大广为应用,对于指导农业生产,减少农业活动对水体的污染起着积极的作用。20世纪90 265
非点源污染产出估算方法研究
非点源污染产出估算方法研究 李丹，郝振纯，薛联青 河海大学水资源环境学院，江苏南京（210098） 摘要：根据非点源难以在其源头处监测的特点，对非点源污染的产出估算方法进行了初步探讨，提出在已有监测资料的基础上，利用成熟的数学模拟技术反演非点源污染负荷，从而分析得到非点源在流域的分布概况，其结果既可作为非点源污染模型应用的基础资料，同时也能指导非点源污染控制。论文以实例论证了该方法的可行性。 关键词：非点源污染，产出估算，反演 1. 引言 随着城市污水处理率的提高，点源污染控制技术已经比较成熟。然而在水体污染中占比重较大的非点源污染却仍是一大难题。至今国内外尚无成熟和标准化的控制和监测技术1。非点源污染发生的随机性、排放的间歇性以及污染负荷的时空变化大等特点决定了其监测、控制和处理都相当困难而复杂2。 国外对非点源污染的研究真正起步于60年代。首先在美、英、日等一些发达国家率先开展，随后在世界各地逐渐受到重视。40多年来，西方国家在这方面的研究工作从概念、研究方法到新技术应用，管理手段逐步发展，已经相对完善。相比而言，我国对非点源污染的研究起步就晚得多。北京城市径流污染及20世纪80年代初全国湖泊、水库富营养化调查和河流水质规划的研究标志着我国开始了真正意义上的非点源污染研究。此后，我国的非点源污染研究开始变得活跃。刘枫3于1988年对流域非点源污染量化识别进行了初步研究，并成功应用于于桥水库流域；李怀恩等4-5以非点源污染物的迁移转化机理为基础，从宏观角度和较大尺度上直接研究野外实际流域的非点源污染发生过程与特点，建立了次暴雨非点源污染负荷数学模型，并在相关流域做了验证；朱萱等6（1985）通过研究农田暴雨径流污染特征及污染物输出规律提出了采用统计技术的区域径流－污染负荷模型。 到目前为止，虽然在非点源污染定量化研究方面已经做了大量工作并有了一定进展，但是真正能在实践中推广应用的成果并不多见。大部分是引进并改造国外已有的非点源污染模型7-10，然后这些模型对资料的要求太高，且需要率定大量的参数，根据我国目前的现状，非点源污染试验与监测条件都达不到国外的先进水平，几乎没有系统的长系列非点源污染监测资料，从而限制了这些模型的应用并造成研究上的困难及计算结果的不精确、不可靠。鉴于此，本文尝试利用已有的水质监测资料和成熟的水质数学模型来反演非点源污染负荷，通过分析确定非点源污染在流域的分布概况，以此作为非点源污染模型运行的基础资料。这不仅对模型的实际应用具有指导作用，同时也有利于区域面源污染的控制和管理，对少资料或无资料区域非点源污染模拟和预测具有重要意义。 2. 思路与方法 2.1思路 传统上按污染的发生类型将水环境污染源分为点源（point source）和非点源（non-point source）。点源通常具有固定的排放位置，集中排放，如工业废水、污水处理厂的出水以及生活废水等。非点源则是向环境中排放不连续且不能由一般的污水处理方法获得水质改善的
城市非点源污染模型研究进展
第31卷第10期2010年10月 环境科学ENVIRONMENTAL SCIENCE Vol.31，No.10 Oct.， 2010城市非点源污染模型研究进展 王龙，黄跃飞，王光谦 （清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084） 摘要：回顾了城市非点源污染模型的发展历史，分析了能够模拟城市非点源污染的7个国外模型（SWMM 、STORM 、SLAMM 、HSPF 、DR3M-QUAL 、MOUSE 和HydroWorks ）的特点、适用性和局限性，介绍了国外城市非点源污染模型不确定性研究方法和成果以及城市非点源污染分析概率模型，总结了国内城市非点源污染模型的研究成果.指出国外城市非点源污染模型在污染物累积和冲刷、 泥沙和污染物运移、污染物的生化反应等方面模拟能力不足，而国内城市非点源污染模型多是经验模型，模拟面积较小，模拟精度较差.提出未来城市非点源污染模型研究应提高泥沙和污染物的模拟能力，探索无资料和不完全信息下城市非点源污染的模拟和预测， 加强城市非点源污染随机性模型的研究，发展城市非点源污染模型与GIS 的耦合应用.关键词：城市非点源污染；累积；冲刷；生化反应；不确定性；研究进展 中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：0250- 3301（2010）10-2532-09收稿日期：2009-12-15；修订日期：2010-04-01基金项目：国家重点基础研究发展规划（973）项目（2005CB724202）； 优秀重点实验室基金项目（50823005）作者简介：王龙（1983 ），男，博士研究生，主要研究方向为城市非 点源污染模型， E-mail ：wanglong08@https://www.sodocs.net/doc/5d17558499.html, Review of Urban Nonpoint Source Pollution Models WANG Long ，HUANG Yue-fei ，WANG Guang-qian （State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ） Abstract ：The development history of urban nonpoint source pollution models is reviewed.Features ，applicability and limitations of seven popular urban nonpoint source pollution models （SWMM ，STORM ，SLAMM ，HSPF ，DR3M-QUAL ，MOUSE ，and HydroWorks ）are discussed.The methodology and research findings of uncertainty in urban nonpoint source pollution modeling are presented.Analytical probabilistic models for estimation of urban nonpoint sources are also presented.The research achievements of urban nonpoint source pollution models in China are summarized.The shortcomings and gaps of approaches on urban nonpoint source pollution models are pointed out.Improvements in modeling of pollutants buildup and washoff ，sediments and pollutants transport ，and pollutants biochemical reactions are desired for those seven popular models.Most of the models developed by researchers in China are empirical models ，so that they can only applied for specific small areas and have inadequate accuracy.Future approaches include improving capability in fate and transport simulation of sediments and pollutants ，exploring methodologies of modeling urban nonpoint source pollution in regions with little data or incomplete information ，developing stochastic models for urban nonpoint source pollution simulation ，and applying GIS to facilitate urban nonpoint source pollution simulation. Key words ：urban nonpoint source pollution ；buildup ；washoff ；biochemical reaction ；uncertainty ；research advance 城市非点源污染是指城市屋面、路面和其它地面污染物在降雨径流的淋溶冲刷作用下以广域、分散的形式进入河湖引发的水体污染.目前，随着城市点源逐渐得到有效控制，非点源污染逐渐成为城市水环境保护面临的首要问题.美国环境保护署（USEPA ）的调查报告指出， 1988年城市暴雨径流引起的污染是河流水质恶化的第四大因素和湖泊水质恶化的第三大因素， 1992年则分别是第三大因素和第二大因素.欧洲和其它国家也得到了大致相同的结论［1］ .在我国，随 着城市化进程的快速发展， 城市非点源污染也逐渐成为影响河流湖泊水质的主要因素之一. 国内外众多学者对城市非点源污染的研究主要包括2个方面：定量化研究和控制管理研究.城市非点源污染的控制管理研究主要是在美国学者提出的最佳管理措施（best management practices ，BMPs ）的基础上，结合实际情况制定各种非点源污染控制管理措施，削减和控制非点源污染.制定城市非点源污 染控制管理措施的前提是准确把握城市非点源污染的时空分布特征及负荷大小，而城市非点源污染模型是城市非点源污染特征研究的重要工具和手段，因此成为目前城市非点源污染的研究热点之一.利用城市非点源污染模型，可以进行不同时间、空间尺度污染物的模拟，量化非点源污染负荷，识别非点源污染风险， 确定非点源污染重点治理区域，合理规划城市排水管网，分析土地利用变化对城市水环境的影响，制定科学合理的非点源污染治理措施，并评价各种措施的治理效果.1 城市非点源污染模型的发展 目前，城市非点源污染模型经历了经验模型、机
非点源污染研究综述
非点源污染研究综述 随着人类经济活动深入发展，水环境污染问题已成为全球性问题。非点源污染造成大量泥沙、氮磷营养物、有毒有害物质进入江河、湖库，引起水体悬浮物浓度升高、有毒有害物质含量增加，溶解氧减少，水体出现富营养化趋势，不仅直接破坏水生生物生存环境，导致水生生态系统失衡，而且还影响人类的生产和生活，威胁人体健康。因此，在点源污染控制水平达到一定程度后，非点源污染的严重性逐渐表现出来，非点源已成为导致水环境污染的重要原因。 1 非点源污染基本介绍 非点源污染亦称面源污染，是相对于点源污染而言的一种水环境污染类型，其定义是指溶解的或固体的污染物从非特定的地点，在降水或降雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体，并引起水体富营养化或其它形式的污染。非点源污染的主要来源包括水土流失、农用化学品过量施用、城市地表累积物、畜禽养殖和农业与农村废弃物等。 非典源污染从其产生机制来看，主要可分为三个过程：径流形成的过程、径流冲刷地面及形成土壤侵蚀的过程和泥沙及氮磷污染物进入水体的过程[4]。各种类型的下垫面在降雨的作用下产生径流并对土壤产生侵蚀作用，大量的泥沙与附着的氮磷污染物及可溶性氮磷污染物进入水体，从而产生非点源污染。 2 非点源污染模型的研究历程 2.1 国外非点源污染模型的研究 2.1.1 初期经验探索阶段 早在20世纪60年代，单纯的依靠点源污染控制无法从根本的改变水质，所以人们开始转向非点源污染的定量研究，能够简便地计算出流经出口的污染负荷，表现了较强的实用性和准确性，因而得到了广泛的应用，但是此类模型对数据的需求能力低，难以描述污染物迁移的路径和机理。 2.1.2 机理模型发展阶段 美国在全国范围内开展了大规模非典源污染调查与研究，提出了一些有影响的非典源污染模型。随着对非点源污染模型的进一步研究，机理模型逐渐成为非点源模型开发的主要方向，其中有城市暴雨径流污染的STORM、SWMM、模拟农业污染的ARM以及流域模型HSPF等。SWMM模型是美国环保局为设计和管
流域非点源模型发展与应用
流域非点源模型发展与应用 摘要：本文首先介绍了非点源污染的特征以及进行非点源模型模拟的必要性，然后介绍了非点源模型的应用目的以及常用的流域非点源模型，最后以SWAT模型为例，详细的讲述了它的原理、数据输入和率定参数和方法，以及黑河（莺落峡）流域的非点源模拟实例。 关键词：非点源模型 SWAT模型黑河流域 引言 非点源污染是指时空上无法定点监测的，与大气、水文、土壤、植被、地质、地貌、地形等环境条件和人类活动密切相关的，可随时随地发生的，直接对大气、土壤、水构成污染的污染物来源。与水环境有关的非点源污染主要包括大气干湿沉降、暴雨径流、底泥二次污染和生物污染等。由于非点源污染的形成过程受区域地理条件、气候条件、土壤结构、土地利用方式、植被覆盖及降水过程等多因素影响，具有随机性大、分布范围广、形成机理复杂、潜伏性强、发生滞后和管理控制难度大等特点，成为地表和地下水质不断恶化的重要因素，是世界各国普遍面临的环境问题。在我国，虽然点源问题还远没有解决，但很多水体，尤其是作为旅游地和水源地的湖泊、水库，非点源的污染已经占到很大的比例。一些研究表明，北京密云水库、天津于桥水库、安微巢湖、云南滇池和洱海、无锡太湖、上海淀山湖等水域，非点源污染的比例已超过点源污染，成为主要的水体污染源。 [1]由此可见，开展非点源污染模拟及防控技术研究已可不容缓。 1.非点源污染的特征 与点源污染相比，非点源污染发生的机理复杂，影响因素众多，具有许多显著不同的特点。 1.1时间上的随机性和间歇性 非点源污染的发生主要受降雨径流过程的影响，而降雨过程受复杂的气象因素控制，具有随机性。这使得非点源污染的发生也具有随机性，不能够认为控制；另外，在不同的年份和季节，非点源污染负荷变化很大。 1.2空间分布上的广泛性 与点源污染不同，非点源污染没有特定的排放口，是在流域尺度上发生的，即流域的任何一块受到人为因素干扰的土地上都有可能产生非点源污染。 1.3发生机理的复杂性 非点源污染的发生与传输机理涉及了多个学科的研究范畴，主要包括水文学、水力学、土壤学等，发生机理的复杂性远远超过了点源污染。这些对非点源污染的监测、模拟模型的建立和非点源污染的控制提出了巨大地挑战。 1.4污染物组成和负荷的不确定性 非点源污染负荷不仅随不同的土地利用类型、土壤性质等改变，和降雨类型、
非点源污染模型
城市非点源污染模型 城市非点源污染是指城市屋面，路面和其它地面污染物在降雨径流的淋溶冲刷作用下以广域，分散的形式进入河湖引发的水体污染。目前，随着城市点源逐渐得到有效控制，非点源污染逐渐成为城市水环境保护面临的首要问题。随着城市化进程的快速发展，城市非点源污染也逐渐成为影响河流湖泊水质的主要因素之一。 城市非点源污染模型的发展 目前，城市非点源污染模型经历了经验模型机制模型与GIS耦合应用3个发展阶段。随着计算机和GIS 技术的快速发展，GIS 被广泛应用于城市非点源污染的模拟和预测，初期GIS只是被用于提取城市非点源污染模型所需要的地形河网土地利用等输入数据，属于GIS与城市非点源污染模型的松散耦合。到20世纪90年代后期，BASINS ( better assessment science integrating point and nonpoint source )等一些大型非点源污染模型系统集成了GIS，形成操作系统平台，可提取模型输入参数，并具有数据查询空间分析和地图输出功能，实现了GIS 与城市非点源污染模型的紧密耦合. 与GIS的耦合应用，使城市非点源污染模型的参数提取更加准确和方便，也使模型的模拟预测效果有很大的改进，对机制型模型的发展起到了巨大的推动作用。 国外城市非点源污染模型简介 国外欧美发达国家对暴雨径流引起的城市非点源污染重视较早，开发推出了SWMM STORM SLAMM HSPF DR3M- QUAL QQS FHWA MOUSE HydroWorks 等城市非点源污染模型，其中影响较大应用广泛的主要有美国的SWMM STORM SLAMM HSPF 和DR3M- QUAL 模型以及欧洲的MOUSE 和HydroWorks 模型。 7 个常用城市非点源污染模型特点适用性和局限性 项目SWMM STORM SLAMM HSPF DR3M-QUA L MOUSE HydroWorks 时间尺度场次、连续场次场次场次、 连续 场次场次、连 续 场次、连续 空间尺度城市城市城市城市、 流域 城市城市管 网 城市 污染物累积模型幂函数、指 数函数、饱 和浸润方 程 线性函 数 指数函 数 线性 函数 指数函数线性函 数、指数 函数 线性函数 污染物冲刷模型指数函数、 关系曲线、 场次平均 浓度 指数函 数 指数函 数 径流 比例 指数函数雨滴溅 蚀 雨强和污染 物累积量的 函数 泥沙、污染物运动模型地表、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
非点源污染负荷估算模型的研究及在北京的应用
非点源污染负荷估算模型的研究及在北京的应用 摘要：本文通过对大量文献资料的研究，对非点源污染负荷估算模型的发展历史进行了全面的分析，探究出了非点源污染负荷估算模型在不同时期不同区域的特点和应用范围。并对现有的各类非点源污染负荷模型进行对比，得出他们各自的优缺点和选用标准，以便应对不同的水域实际情况。虽然各类模型都各自有各自的优势，但是他们都存在着一定的问题，本文对这些存在的问题进行了阐述，并对未来非点源污染负荷模型的发展趋势进行了预测和猜想。最后根据北京当地的实际情况，提出了非点源污染负荷模型在北京应用基本思路和面临的挑战。 关键词：污染负荷;非点源污染模型;地表径流;面源污染abstract: based on the literature research, the non - point source pollution loading estimation model development history undertook comprehensive analysis, explores a non - point source pollution loading estimation model in different times and different regional characteristics and scope of application. the existing various kinds of non point source pollution load model for contrast, derive their respective advantages and disadvantages and selection criteria, in order to deal with different water conditions. although all models have their own advantages, but they all exist the certain problem, based on the existing problems are described, and
非点源污染负荷估算研究
非点源污染模型的研究进展及运用——以 L-THIA 模型为例
摘 要：计算机模型是极其有效的流域非点源污染模拟和污染负荷估算的定量化工具，为非点源污染 评价、管理和控制提供了可靠依据。文章综述了非点源污染模型的发展概况以及 L-THIA 模型的运 用和不足， 并提出未来非点源污染的量化模型研究及其与量化模型有关的相应参数研究、 模型与 GIS 集成研究将成为未来研究的主流。 关键词：非点源污染模型，研究进程，L-THIA 模型 点源污染和非点源污染一直是水环境质量的两大问题。点源污染主要包括工业污水和城市生活 污水,通常在排污口集中排放,而非点源污染则不同,它没有固定的排放点。 《美国清洁水法(修正案)》 (Leeetal.， 1997)对非点源污染的定义为:污染物以广域的、 分散的、 微量的形式进入地表及地下水体。 水环境非点源污染主要是指降雨(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[1]。因此它 与流域降雨过程密切相关，受流域水文循环过程的影响和支配，非点源污染的发生具有随机性。污 染物的来源和排放点不固定，污染负荷的时间和空间变化幅度大，监测、控制和处理困难而复杂的 特点。 目前,非点源污染已经成为水环境的首要的污染源。在奥地利北部地区,非点源污染对环境的负 荷量远远大于点源污染的负荷量。在丹麦的 270 条河流中 94%氮负荷、52%的磷负荷由非点源污染 引入。荷兰农业非点源提供的总氮和总磷分别占水环境污染总量的 60%和 40% ~50%。德国某一流 域也因过量使用化肥导致河流中的磷浓度超过 2mg/L,美国的水体污染物 60%来源于非点源污染。在 中国,非点源污染也很严重。云南洱海、山东南四湖的非点源负荷占总负荷的 60% ~80%;太湖非点 源污染负荷占总负荷的 40% ~60%。同时中国的大部分湖泊都面临着水体富营养化的威胁,这些威胁 的主要来源是非点源污染[2]。
1. 非点源污染研究方法
1.1 野外实测 非点源污染研究的关键是能否获取必要的基本数据（包括背景资料和降雨径流监测数据） 。早期 的研究工作中，几乎所有的资料全部都依赖与野外实地监测。但是，由于非点源是一种间歇发生的， 随机性、突发性、不确定性很强的复杂过程，所以基础数据收集工作的劳动强度大、效率低、周期 长、费用高，而且往往由于数据资料缺乏或可靠性差等原因，影响污染负荷的估算精度。当前，野 外实地监测仍是非点源污染研究中不可缺少的一种手段，但它在多数情况下仅是一种辅助手段，主 要用于各类模型的验证和模型参数的校正。在野外实测中，多数采用综合试验法和源类型划分法。 1.2 人工模拟试验 随着对降雨机理的深入研究，人工布雨器能够模拟出各种类型的自然降雨，因而可以在人为控
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非点源污染模型ANSWERS_2000的水文子模型研究
第15卷第1期水土保持研究Vo l.15 No.1 2008年2月Research of So il and Water Co nserv atio n Feb.,2008非点源污染模型A NSWERS 2000的水文子模型研究* 潘 沛1,2,刘 凌1,2,梁 威1,2 (1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210098; 2.河海大学水资源环境学院,南京 210098) 摘 要:非点源污染的前期过程,是在流域面上污染物质或是营养元素随着降雨径流的产生而产生。利用实验室大型土槽试验,研究AN SWERS 2000模型的水文子模型对于人工降雨事件的模拟精度,探索AN SW ERS 2000在理想坡面上的适用情况,并且尽可能准确地给出其水文模型的部分参数的取值。经过计算发现该水文子模型模拟理想坡面的误差较小,但是存在系统偏大的情况;整个计算单元的M anning糙率取0.03~0.07。存在的问题有参数土表面结皮层厚度只能定性无法准确的定量描述;降雨装置测流装置对于径流模拟产生的影响较大。 关键词:大型土槽;非点源污染;A N SWERS 2000;G reen Am pt入渗方程;结皮层 中图分类号:P343;X171 文献标识码:A 文章编号:1005 3409(2008)01 0103 04 Usage Study of Non point Source Pollution Model ANSWERS 2000 s Hydrology Sub model PAN Pei1,2,LIU Ling1,2,LIAN G Wei1,2 (1.S tate K ey Labor ator y of H y dr ology water Resour ces and H y d raulic Engineer ing,H ohai Univ er s ity,N an j ing 210098,China;2.H y dr ology and W ater Resour ces Colleg e,H ohai Univer sity,N anj ing 210098,China) Abstract:Befo re the non po int po llut ion o ccur s,ther e ar e some pollutant and nutrit ion leached and,tog ether w ith t he r unoff, rushed to dow nstr eam.In an indoo r precipitat ion experiment,A NSW ER S 2000mo del(hydro log y sub mo del)w ere used to find out if it can model the r ainfa ll runo ff pr ocess accurately and if it s suitable fo r Chinese w atershed,and g iving out some suitable value of par ameter in sub model.It s fo und out that giv en hydro lo gy sub model can mo del runo ff pr ocess w ith let ter err or s,the value is systematicly big ger and the value of M anning roug hness coefficient is lo cated in0.03~0.07.T here are also some prob lems t hat cr ust thickness has no suitable v alue and the rainfall and runoff equipment has created so me er ro r in runo ff mo deling. Key words:big earth g ro ove;no n po int po llut ion;A N SWERS 2000;G reen Am pt infiltr ation equatio n;crust thickness 水环境污染问题通常可分为点源污染和非点源污染。由于排放比较集中,点源污染在包括我国在内的许多国家已经得到较好的控制和治理,与此同时,非点源污染(或称面源污染)的严重性也逐渐显现出来。与点源污染相比,非点源污染的时空范围更广,不确定性更大,成分、过程更复杂,因而加深了相应的研究、治理和管理政策制定的难度。尤其是在非点源污染模拟和预测模型研究上也存在许多问题,要研究非点源污染的过程,首先要对坡面产流模拟准确。该文研究的目的就是探索国外较成熟的非点源污染模型(A N SW ER S 2000)来考察其在理想坡面对产流描述的适用性。 1 AN SWERS 2000的水文子模型 A NSW ER S(A real N on point So ur ce W atershed Envi r onment Respo nse Simulation)模型是由Beasley和Hug g ins[1 5]在基于20世纪70年代的原有A N SWERS模型基础上建立的。其基于下面的假设: 在流域中的任何一点,其产流率与给出的水文参数如雨强、下渗、地形和土壤类型等都存在一定关系。而且这些产流率被用来使模型相应各部分串联起来作为模拟流域中运移现象的基础,如泥沙侵蚀和化学物质运移等[1]。A NSW ERS模型的最新版本是AN SWERS 2000,它是于20世纪90年代中期开发的连续性模拟模型[6]。 A N SWERS 2000中的水文过程可由下面过程描述[7]:在降雨产生后,部分降雨被植物的冠层截留,直到满足潜在的截留能力,植物截留过程才结束。在降雨过程中,下渗率持续减少,直到它等于雨强时雨水才在土壤表层以毛细管水的形式聚集。水量一旦超过毛细管蓄水能力,坡面开始填洼,直到满足土层持水能力和表面填洼之后,产生坡面流。当降雨结束,表层土壤开始退水,直到坡面流全部结束。不管怎样,下渗过程直到所有的毛管水全部渗完为止。 现有模型中的径流和入渗模块以Gr een A mpt入渗方程代替了原模型中的H oltan方程进行计算。由于H oltan 方程所需输入的参数并没有什么物理意义,所以很难估计。特别是控制深度[7]这个参数,H oltan认为它是土壤剖面上层,用于控制下渗的一个关键参数。而且Hug gins和M onke 发现控制深度会随着土壤植被状况和上层的下渗能力而改变。另外,下渗和径流量对这个参数很敏感(Dillaha and *收稿日期:2006 10 23 基金项目:国家自然科学基金重点项目(50239030) 作者简介:潘沛(1981-),男,上海人,硕士研究生,主要从事非点源污染及坡面产污研究。
流域非点源污染负荷估算模型的研究
流域非点源污染负荷估算模型的研究
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流域非点源污染负荷估算模型的研究-工程论文 流域非点源污染负荷估算模型的研究 杜娟① DU Juan；赵湘璧① ZHAO Xiang-bi；李怀恩② LI Huai-en （①榆林学院建筑工程系，榆林719000；②西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，西安710048） （①Department of Architectural Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China； ②Key Lab of Northwest Water Resource and Environment Ecology of MOE，Xi′an University of Technology，Xi′an 710048，China） 摘要：非点源污染是目前影响水环境质量的主要污染源之一，本文对国内外水环境非点源污染负荷的估算方法进行了总结和分析，介绍了污染分割法、输出系数法、平均浓度法等经验统计方法和ANSWERS、BASINS、SWAT等分布式模型估算方法的特点。在此基础上，提出了如何选用合适的非点源污染负荷估算方法。 Abstract：Non-point source pollution was a major source that influenced water quality. Based on the comprehensive literature review at home and abroad， a review of recent research advancement in non-point source pollution loads estimation methods was presented. The estimation methods could group into two types of experiential statistical method and model estimation method. The principles and applications of experiential statistical methods，such as Pollution Division，export coefficient model，mean concentration method，were