【導(dǎo)讀】水環(huán)境污染成為制約中國乃至全球社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大問題。從水污染的成因來看，由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水土流失以及大氣沉降等引起的非。點源污染已經(jīng)成為水環(huán)境的首要污染源和第一大污染源(Miller,1992;Yangetal.,染問題一直是美國及其他西方國家水體污染研究所關(guān)注的焦點(Ongleyetal.,根據(jù)美國、日本以及歐洲等國幾十年來的相關(guān)研究，即使點源污染完全。點源污染則是導(dǎo)致這一問題的關(guān)鍵所在。而在美國，非點源污染約占總污染量的2/3，其中農(nóng)業(yè)非點源污染占非點。源污染總量的68％－83％。就國內(nèi)而言，非點源污染同樣成為了一。由此可見，如何有效控制。目前已有大量研究表明，不合理的農(nóng)業(yè)活動(例如，過量施用化。時又確保糧食安全，是我國正面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。農(nóng)業(yè)在帶來高產(chǎn)量的同時，嚴重的農(nóng)業(yè)非點源污染也隨之而來。識到非點源污染的嚴重危害，但更多的研究集中在地表徑流的非點源污染問題，很少有研究專門考慮基流或者地下水對非點源污染的貢獻或影響。貢獻率可達30%－50%。

　　

【正文】 資源化的最佳生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益，被認為是控制農(nóng)業(yè)非點源污染的重要工程措施之一 (倉恒瑾 等 , 20xx)。與 傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)相比，由于人工濕地系統(tǒng)污水處理操作簡單、出水水質(zhì)穩(wěn)定、投資低、耗能低、運行費用低、抗沖擊力強等特點 (宋志文 等 , 20xx)，在農(nóng)業(yè)非點源污染的控制與管理方面得到了廣泛的應(yīng)用 (Raisin amp。 Mitchel, 1995。 Braskerud, 20xx。 D237。az amp。 Dahlgren, 20xx。 徐華山等 , 20xx。 王沛芳 等 , 20xx)， 但同樣存在一系列問題，例如，容易產(chǎn)生基質(zhì)易堵塞和積水，處理效果易受溫度、植物、水力負荷、運行方式等的影響，缺乏合理的管理方式和規(guī)范的設(shè)計以及生態(tài) 服務(wù)功能較為單一等 (黃錦樓 等 , 20xx)。 HSPF 模型在非點源污染研究中的應(yīng)用 HSPF 模型是以斯坦福模型 ( Stanford Watershed Model) (Crawford amp。 Linsley, 1966)為基礎(chǔ)，由美國環(huán)保局 (USEPA)開發(fā)，適用于流域尺度水文水質(zhì)過程的連續(xù)模擬 以及非點源污染和點源污染的演進過程 的半分布式水文模型 (Johanson amp。 Davis, 1980)。之后又經(jīng)多次的修訂和改進， HSPF 模型成功集成了美國環(huán)保署雅典實驗室多項非點源污染模型研究成果 (如 HSP、 ARM、 NPS 等模塊 )，并將一些常見污染物和毒性有機物的水解、氧化、光解、生物降解、揮發(fā)和吸收等 6種沉積化學(xué)作用模式納入該模型之中，在結(jié)合水動力學(xué)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了沙、粉沙和粘土三種沉積物以及 BOD、 DO、氮、磷、農(nóng)藥等多種污染物的地表、壤中徑流過程和蓄積、遷移、轉(zhuǎn)化的綜合模擬。 模型的版本 現(xiàn) 已更新至 ，模型的結(jié)構(gòu)和功能 也 日臻完善 (現(xiàn)已集成于 BASINS )?；?BASINS 模型系統(tǒng)，HSPF 模型 成功地實現(xiàn)了與 地理信息系統(tǒng)軟件 (Arcview 和 Mapgis)的結(jié)合。模型中地理信息統(tǒng)計技 術(shù)的引入，一方面為 HSPF 模型 所需的土壤、地形地貌、土地利用等數(shù)據(jù)的自動生成和疊加處理提供了 更為 精準、便捷的手段 ，同時對于延長模型數(shù)據(jù)處理和模擬預(yù)測的時間序列、模型驗證以及最佳管理措施 或土地利用方式改變對非點源污染 的影響評價模擬具有重要作用。 HSPF 模型的結(jié)構(gòu)和功能 HSPF模型 將模擬地段分為透水單元、不透水單元、河流或完全混合型湖泊水庫 3種類型，分別對其水文和水質(zhì)過程進行模擬，是一個綜合了徑流、水溫、泥沙、土壤流失、污染物運移及其相互反應(yīng)以及河道水力過程等模擬的流域非點源污染模型。透水地 段水文水質(zhì)模擬模塊 (PERLND)、不透水地段水文水質(zhì)模擬模塊 (IMPLND)和地表水體模擬模塊 (RCHRES)是 HSPF模型的三大主要模塊；其輔助模塊則包括了序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊 (COPY)、序列數(shù)據(jù)寫入模塊 (PLTGEN)、序列數(shù)據(jù)運行模塊 (GENER)以及優(yōu)化管理模塊 (BMP)。 HSPF模型的主要結(jié)構(gòu)如圖 1所示。 PERLND 模塊的適用于流域中透水地段水文水質(zhì)模擬，其水文過程的模擬 16 涵蓋了降水 (雨、雪 )、降水截留、洼地儲蓄、蒸發(fā)、蒸騰、入滲、地表徑流、壤中流和地下水流的模擬，水質(zhì)方面的模擬則包括了顆 粒沉積物、化學(xué)污染物、有機物質(zhì)的運移及其衰減和污染物之間的相互反應(yīng)等。然而，對于一些滲透能力較差甚至不透水的地區(qū)，由于降水或者冰雪融水基本上都是儲存于地面，最終以蒸發(fā)的形式回到大氣中，又或者以坡面徑流的形式流出該地段，使得其中的一些沉積物、化學(xué)物和有機物則或最終殘留于地面，或隨坡面徑流沉積于地勢更低的區(qū)域。對于這類問題，則可以用模型中的 MPLND 模擬模塊進行模擬解決。 RCHRES模擬模塊則主要用于單一開放式河流、封閉式渠道或湖泊、水庫等水體水文水質(zhì)模擬。 圖 1. HSPF水文水質(zhì)模型主要結(jié)構(gòu)示意圖 (Johanson amp。 Davis, 1980。 李兆富 等 , 20xx) Structure and function chart of HSPF model HSPF 模型所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù) HSPF 模型所需輸入的數(shù)據(jù)主要包括以下 7 個方面： 1)流域的數(shù)字高程模型(DEM)，主要用于子流域的劃分和出流路徑的確定； 2)土地利用數(shù)據(jù)，主要用于植被生長、耗水和地表產(chǎn)匯流的計算； 3)土壤數(shù)據(jù)，以此進行壤中流和淺層地下水量的計算； 4)氣象數(shù)據(jù) . 包括日 降雨資料、日最高最低氣溫、風(fēng)速、日輻射量、相對濕度、氣溫站位置高程、雨量站位置高程等，用來計算流量和蒸散發(fā)量； 5)農(nóng)業(yè)管理措施和水庫和湖泊位置、出流點等； 6)監(jiān)測站數(shù)據(jù)，包括各水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，例如總氮、總磷、 BOD 等； 7)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，主要包括人口普查數(shù)據(jù)、人口密度數(shù)據(jù)等。 HSPF 模型應(yīng)用研究現(xiàn)狀 1)水文過程模擬 降雨徑流污染是典型的非點源污染發(fā)生方式，降雨產(chǎn)生的徑流則是非點源污染物進入水體的主要載體，因此降雨的水文過程是影響和控制非點源污染的主要因子。一定區(qū)域內(nèi)地面降水 徑流的變化過程的模擬 — 水文過程模擬，成為了非點源污染研究的一個重要內(nèi)容。 HSPF 模型 PERLND 透水單元 水文水質(zhì)模擬模塊 IMPLND 不 透水單元 水文水質(zhì)模擬模塊 RCHRES 河流與水庫水文水質(zhì)模擬模塊 ATEMP 根據(jù)海拔修正溫度 SNOW 模擬冰雪蓄積與消融 PWATER 模擬透水單元水量收支 PSTEMP 估算土壤溫度 SEDMNT 模擬沉積物的產(chǎn)生、運移 PQUAL 估算水溫及溶解氣體 PWTGAS 根據(jù)沉淀物與產(chǎn)沙量的簡單關(guān)系模擬水質(zhì) MSTLAY 模擬土壤濕度和溶質(zhì)運移 PEST 模擬 殘留農(nóng)藥的遷移轉(zhuǎn)化 NITR 模擬氮化物的遷移 PHOS 模擬磷 TRACER 模擬穩(wěn)定物質(zhì)（示蹤劑）的遷移 AGCHEM 農(nóng)業(yè)化學(xué)模擬模塊 ATEMP 根據(jù)海拔修正溫度 SNOW 模擬冰雪蓄積與消融 IWATER 模擬不透水單元水量收支 SOLIDS 模擬固體顆粒 的積累與遷移 IWTGAS 模擬水溫以及溶 解氣體濃度 IQUAL 根據(jù)沉淀物與產(chǎn)沙量的簡單關(guān)系模擬水質(zhì) IPTOT：將輸出點數(shù)據(jù)放入 INPAD IBAROT：將輸出平均數(shù)據(jù)放入 INPAD IPRINT：數(shù)據(jù)的打印輸出 輸出模塊 HYDR 模擬水力學(xué)特性 ADCALC 估算各成分的水平對流 CONS 模擬穩(wěn)定物質(zhì)遷移沉淀 HTRCH 模擬熱交換與水體溫度 SEDTRN 模擬無機沉積物的遷移沉淀 GQUAL 模擬普通組分的水力學(xué)行為 RQUAL 模擬生 化反應(yīng) 17 以著名斯坦福流域水文模型為基礎(chǔ)發(fā)展而來的 HSPF 模型具有強大的水文過程模擬功能，較好地實現(xiàn)了不同地區(qū)、不同地質(zhì)乃至不同情景下 (如氣候變化和土地利用變化等 )河流或者完全混合型水庫湖泊的水文過程模擬。例如，DiazRamirez et al.(20xx)以美國 阿拉巴馬 州和 密西西比 州一個山地流域 (1856 km2)、一個濕潤亞熱帶濱海流域 (140 km2)以及波多黎各一個陡坡熱帶流域 (99 km2)為研究對象，對 HSPF 模型在水文 過程內(nèi)在原因及機理方面的模擬進行了評估，發(fā)現(xiàn)該模型對不同環(huán)境條件 (如不同流域尺度、不同坡度、不同徑流潛力以及不同氣候條件 )下水文過程的模擬具有較好的適用性和較強的穩(wěn)定性。 Alarcon et al.(20xx)利用 HSPF 模型對墨西哥灣北部 Mobile Bay流域的水文過程進行了模擬，同樣得到了較好的模擬結(jié)果。 Praskievicz amp。 Chang(20xx)以 HSPF 模型為研究手段，成功模擬了氣候變化與土地利用變化對美國俄勒岡州 Tualatin 河流域的水文過程的影響。 Bum amp。 Band(20xx)利用 HSPF 模型較好地預(yù)測了城市化對美國upper Gwynns Falls 流域水文過程的影響。 Tzoraki et al.(20xx)、 Kourgialas et al.(20xx)的研究結(jié)果表明 HSPF 模型適用于喀斯特流域水文過程的模擬；而 Zhang amp。 Ross(20xx)則成功地運用 HSPF 模型模擬了粘土沉降區(qū)的水文過程。 薛亦峰等(20xx)基于大閣水文站 1972~1975 年逐日流量觀測數(shù)據(jù)，以 HSPF 模型為主要工具成功實現(xiàn)了地處內(nèi)蒙古高原與燕山地槽的地質(zhì)過渡帶的大閣河流域的徑流量的模擬，多年出流量的相對 誤差為 ，而效率系數(shù)高達 。 2)水質(zhì)及非點源污染模擬 HSPF 模型作為少數(shù)幾個綜合了流域水文和水質(zhì)模擬的模型之一，不僅在區(qū)域水文過程模擬研究方面有著廣泛的應(yīng)用，而且在水質(zhì)過程（例如， BOD、 DO、氮、磷、農(nóng)藥等多種污染物的地表、壤中徑流過程和蓄積、遷移、轉(zhuǎn)化等）研究以及非點源污染研究和評價方面有著重要貢獻，較好地實現(xiàn)了城市、農(nóng)業(yè)、林地等單一及復(fù)合的土地利用小流域中水質(zhì)及非點源污染過程的模擬 (Mishra et al., 20xx。 Lee et al., 20xx)。 Hunter amp。 Walton(20xx)利用 HSPF 模型成功模擬和評價了澳大利亞 Great Barrier Reef 河流域土地利用對懸浮物、氮、磷輸出通量的影響。 Ribarova et al.(20xx)關(guān)于保加利亞 Iskar 河在洪水期間水體污染物的研究同樣表明， HSPF 模型能夠很好地模擬預(yù)測首次洪水營養(yǎng)鹽的濃度。 Duan et al.(20xx)使用 HSPF 模擬了美國圣路易斯灣土地利用變化對水文和水質(zhì)參數(shù)的影響，表明林地面積減少將導(dǎo)致泥沙輸出增加和水質(zhì)惡化。 Cryer et al.(20xx)在結(jié)合 GIS的基礎(chǔ)上 ，利用 HSPF模型模擬分析研究了美國加利福尼亞州中部圣華金河沿岸農(nóng)地非點源污染狀況，并以此提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。 Liu amp。 Tong (20xx)就濱岸帶植被緩沖區(qū)對控制和減少小流域硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮以及總磷的排放方面的效益進行了研究，指出 HSPF模型是模擬濱岸帶土地利用變化非點源的有效工具。 邢可霞等 (20xx)則采用HSPF 模型成功定量出滇池流域水體中 4 種污染物 ( SS、 BOD、 TN、 TP)負荷量，發(fā)現(xiàn)來自非點源的 SS 是該流域非點源污染的首要污染物。 Sun et al.(20xx)利用HSPF 模型對滇池地區(qū) Chaida 河流域非點源污染進行了定量研究，對不同管理措施 (如減少施肥、退耕還林等 )在控制和削減 TN、 TP、 SS 負荷方面的效果進行了分析和評價。 張恒 等 (20xx)應(yīng)用分布式水文模型 HSPF 結(jié)合回歸模型，對廣東省東江流域中淡水河流域的非點源負荷進行了定量研究，模型較好地再現(xiàn)了懸浮泥沙 (SS)、 CODCr、 NO3－ N 及 TP 在 20xx 年內(nèi)的通量隨時間的變化過程。 3)水質(zhì)及非點源污染模擬 在利用 HSPF 模型進行流域水文水質(zhì)模擬時通常需要用到大量的空間數(shù)據(jù) 18 和屬性數(shù)據(jù) (如土地利用數(shù)、氣象數(shù)據(jù)等 )，不同來源地 數(shù)據(jù)在時空分辨率或尺度上的差異又往往會導(dǎo)致模型模擬結(jié)果的不同。因此，研究和評估模型輸入數(shù)據(jù)時空分辨率或尺度的差異對模擬結(jié)果可能產(chǎn)生的影響，對于檢驗?zāi)Ｐ偷倪m用性、評價由模型輸入數(shù)據(jù)所帶來的不確定性具有重要意義。目前的研究表明， HSPF 模型估算的河道徑流對土地利用和 DEM 的尺度和空間分辨率不敏感 (Alarcon amp。 O’Hara, 20xx)；比較而言，泥沙預(yù)測較徑流預(yù)測對土地利用數(shù)據(jù)集的尺度和分辨率更敏感，不同土地利用數(shù)據(jù)集也將潛在影響其它與農(nóng)業(yè)活動相關(guān)的水質(zhì)要素(DiazRamirez et al., 20xx)。 NLDAS 高空間和時間分辨率的氣象數(shù)據(jù)在對Chesapeake Bay 地區(qū)的 7 個流域模擬效果改進實驗結(jié)果表明，當(dāng)流域的氣象站很遠或不屬于類似的氣候區(qū)域時，使用 NLDAS 數(shù)據(jù)的改進更明顯； HSPF 模型關(guān)于河道流量模擬的改進主要來自于 NLDAS 的降雨數(shù)據(jù)，而蒸散發(fā)數(shù)據(jù)的改進效果主要體現(xiàn)在基流預(yù)測方面 (Lee et al., 20xx。 Joseph et al., 20xx)。 Mohamoud amp。 Prieto(20xx)研究和評估了降雨資料的時間和空間分辨率對 HSPF 模型模擬預(yù)測效率及參數(shù)估計的影響 ，發(fā)現(xiàn)當(dāng)用單個雨量站的降水資料時，模型的模擬效率在～ 之間，而當(dāng)用四個雨量站構(gòu)成的平均空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)時，模型的模擬效率高達 ～ ，認為 HSPF 模型的模擬效率對降雨資料的空間分辨率的敏感性要高于對時間分辨率的敏感性。 Xu et al.(20xx)的研究表明不同類型的降雨資料(單個雨量站資料、根據(jù)實測值插值得到的降雨資料、 NEXRAD 雷達估計得到的降雨資料 (RPE))對模型輸出結(jié)果具有顯著影響，其中 RPE 數(shù)據(jù)對 HSPF 模型的模擬較為有利。 4)HSPF 模型的不確定性分析 模型是 以數(shù)學(xué)的方法為基礎(chǔ)的簡化的易于確定和處理的相似表現(xiàn)型式，僅是現(xiàn)實世界的逼近和簡化，任何模型都不是完美的，其模