第二节 流域面源污染的基本研究理论和方法
1.面源污染的概念
面源污染（Diffused Pollution），又称非点源污染（Non-Point Pollution），是指在降雨、径流的淋溶和冲刷作用下，大气、地面和土壤中的污染物进入江河、湖泊、水库和海洋等水体而造成的水环境污染，广义的面源污染包括城市面源污染与农业面源污染。农业面源污染主要来自于四个方面：一是种植业中肥料的流失；二是畜禽养殖业污染物的流失；三是农村生活污染物的流失；四是水土流失。据统计，美国的面源污染负荷占到了总污染负荷的2/3，而面源污染中有57%～75%来源于农业活动；在欧洲，超过50%的TN由农业面源污染导致，丹麦的270条河流中，农业面源污染贡献了92%的TN和52%的TP，英国水体中70%以上的硝酸盐来自农业。中国的氮肥当季利用率只有30%，剩余的氮大部分通过径流或淋溶的方式进入周边水体或地下水，进入大气的活性氮（NH3、NOx和HNOx）也会通过沉降的方式进入水体。因此，狭义的面源污染也指农业面源污染。
2.面源污染的基本特征
控制面源污染的关键首先在于需要对污染源进行源解析、污染负荷的估算并分析其空间分布特征。但在实际操作中，面源污染的研究是一个非常复杂的综合性难题，其原因在于面源污染具有以下特点：
（1）从空间上来说，面源污染源较为分散，它可以发生在流域内的任何地方，随流域内土地利用状况、地形地貌、水文特征、气候、天气等的不同而具有空间异质性和时间上的不均匀性。排放的分散性导致其地理边界和空间位置的不易识别。此外，由于非点源污染涉及多个污染者，在给定的区域内它们的排放是相互交叉的。
（2）从时间上来说，大多数面源污染问题发生的时间也是不确定的。例如，农作物的生产会受到天气的影响，因为降雨量的强度、空气温度、空气湿度的变化会直接影响化肥、农药等对水体的污染程度。若施用化肥即遇到降雨，造成的面源污染将会十分严重。由于化肥和农药在农田存在的时间较长，通常一次化肥或农药的使用所造成的面源污染将是长期的。
3.流域尺度面源污染负荷的估算方法
由于面源污染存在着随时、随地发生且来源难以界定的特征，因此很难具体地定点监测，流域尺度面源污染负荷大多采用估算的方法。目前，区域尺度的农业面源污染负荷估算的方法主要有四种：平衡法、排放清单法、统计模型法和机理模型法。
（1）平衡法。平衡法用于早期的农业面源污染研究，对于已知污染物总负荷的流域来说，减去点源污染的负荷量、流域的污染物沉降量，即为面源污染的负荷。计算所得的负荷被看作是农业面源污染负荷量的最小估计值。中国早期滇池、太湖和鄱阳湖等湖泊的水体富营养化中农业面源污染贡献率估算和评价就采用此方法。
（2）排放清单法。首先选择基本研究单元，采用研究单元内的活动数据，如肥料施用量、家畜年末出栏量、乡村人口数与对应产污系数相乘的方式计算各个污染源的排放负荷。排放清单法数据搜集较为简单，适用于年均污染负荷量的计算，不考虑中间过程或内在机制，为“黑箱”研究。
（3）统计模型。20世纪60年代，国外学者对面源污染的定量化研究一般采用统计模型的方法。统计模型法是通过建立流域受纳水体中污染物负荷与土地利用、径流量等的线性或非线性方程来计算污染物贡献率和负荷。这种方法不需要较多的数据来源，方程的拟合也较为简单，是农业面源污染研究早期常用的手段。但这种方法与排放清单法一样，难以描绘面源污染的过程与机理，其局限性也是明显存在的。
（4）机理模型。20世纪80年代以后模型发展迅速，从统计模型转入机理模型，机理模型能够反映农业面源污染产生与迁移过程及环境影响，研究领域也由之前对贡献率和总负荷的关注，拓宽至对面源污染特征、机理、空间分布以及相关的影响因子等的研究。目前国内外应用范围较广、认可度较高的模型有4个：AGNPS（Agricutural Non-Point Source）模型、AnnAGNPS模型（Annualized Agricutural Non-Point Source）、HSPF（Hydrological Simulation Program-Fortra）模型、SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型。
AGNPS模型用于研究面源污染物对地表水和地下水质的潜在影响，适用于集水面积在200km2以下的流域，定量估计来自农业区域的污染负荷，评价不同管理措施的效果。在用AGNPS模型模拟美国堪萨斯州Cheney水库流域的不同亚流域营养物负荷时，采用AGNPS-ARC INFo界面来提取GIS中的信息，并用测量值进行校正。结果显示模型在有充足降雨数据的较小型流域中的模拟过程效果较好。AGNPS模型在应用于农用小流域氮磷负荷的评估中，发现顶峰阶段流量，总氮、总磷的模拟值和观测值相似系数均达到显著水平。AGNPS模型对于拟合热带流域的径流、泥沙含量，总氮和总磷浓度方面都能取得较好成效，但在流量高峰期还不能准确地进行模拟。此外，AGNPS模型是场次降雨模型，无法对流域内面源污染进行长期预测，在应用中具有局限性。
AnnAGNPS模型是以AGNPS模型为基础的改进模型，其以日为基础连续模拟一个时段内每天累计的径流、泥沙、养分、农药等输出结果，模型按照流域水文特征将流域划分为一定的单元，即按集水区来划分单元，可用于评价流域内非点源污染的长期影响；根据地形水文特征进行流域集水单元的划分，模拟的流域尺度更大。AnnAGNPS模型对于流域中氮负荷的模拟值与测量值在置信度为95%的范围内无差别。应用AnnAGNPS模型也可以用于对土地利用方案进行评价。AnnAGNPS模型在九龙江、千岛湖、柴河上游等小流域均有应用，模型预测结果与实测结果在一定误差范围内基本一致，表明该模型应用于农业面源污染负荷估算及评价是可行的。
HSPF模型是美国环保署开发的一个确定性集总参量的连续性流域水文模型。模型可以自动提取模拟区域所需要的地形、地貌、土地利用、土壤、植被、河流等数据进行非点源污染负荷的长时间连续模拟，并把模拟结果与所存储的实测数据进行比较，以验证模型。自1980年以来，HSPF模型在国外被广泛地用于模拟径流中泥沙，营养物，农药等负荷的模拟，并取得了精确的结果。HSPF模型与GIS技术结合，利用PRZM3模型划分子流域，被用于美国加利福尼亚州中部圣华金河沿岸农地面源污染状况研究，并提出优化方案。
对美国塞巴斯蒂安河流域South Prong地区总泥沙、总磷和总氮含量进行模拟时采用了暴雨采样的方法，在涨水期，顶峰期和落水期分别采集了水样并用HSPF模型同时进行了模拟，结果显示模拟得到的暴雨径流负荷和测量值吻合良好。应用HSPF模型模拟20271km2的大型流域的污染物负荷（包括大坝运行），并用最佳管理措施BMPs对其进行评价，得到的模拟结果对大型流域的大坝运行措施及混合土地利用等方面都是有显著作用的。用HSPF模型模拟混合型小流域的径流和泥沙产量，得到的结果和测量值基本符合，研究还显示了HSPF模型能够预测营养物季节性最大流失。这个研究也证实HSPF模型非常适合于复杂的多植被小流域。在国内HSPF模型被用于滇池流域的水文、水质模拟，定量地计算出四种污染物（SS、BOD、TN、TP）的面源污染负荷，为流域面源控制方案的实施提供了科学的评估依据。借助HSPF模型，对深圳西丽水库流域的水量水质进行了动态模拟，发现面源污染是造成水库水质污染的主要原因，果树施肥是水库氮、磷污染的主要来源，减少化肥使用量可以使非点源污染负荷明显降低。
SWAT模型，由美国农业部（USDA）的农业研究中心（Agricultural Research Service，ARS）Jeff Arnonld博士研发。由水文过程子模型、土壤侵蚀子模型和污染负荷子模型三个子模型组成，采用日为时间步长连续计算，是一个具有很强物理机制的长时段分布式流域水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间数据信息，预测复杂大流域中不同土壤、土地利用和管理措施对流域径流、泥沙负荷、农业化学物质运移等的长期影响，适宜较长周期、大流域的水土预测、非点源污染模拟研究。近几年SWAT模型已在世界大部分国家和地区推广和使用。应用SWAT模型对北非Medjerda流域不同管理措施对地表水的潜在影响进行研究，结果表明流域氮、磷负荷的增加主要来源于化肥施用量的增加。使用SWAT模型模拟美国爱荷华州得梅因河流域硝态氮的负荷，并评价减少氮负荷的管理措施，通过长达11年对模型的校准和验证，取得了一系列较好的结论。显示了SWAT模型在贯彻有效减少污染物负荷的措施上具有指导意义。在国内，SWAT模型的应用也很广泛，对西北寒区、黑河高海拔山区以及长江上游的水量水质模拟效果良好，用于研究这些区域的水温过程、水量平衡以及气象环境的影响。
研究流域尺度面源污染的方法众多，也各有优缺点。目前其应用范围多依赖于数据的丰富程度，未来通过多方法或多模型融合手段对面源污染进行研究可以减小误差，提高结论的准确性。