流域水环境模拟研究发展趋势

1.4　流域水环境模拟研究发展趋势

水污染已成为不亚于洪灾、旱灾甚至更为严重的灾害，随着城市污水处理率的提高，我国的点源污染将逐步得到控制。但同时，非点源污染的影响也将日益突出，河流生态环境恶化及其引起的湖泊富营养化是当今频繁发生的环境灾害之一，如2007年太湖蓝藻在短期内提前积聚爆发造成了太湖水源地水质恶化，直接影响到自来水的供给，在许多地区尤其是河网水系密集区域，河流生态环境恶化及农田排水直接影响着饮用水安全和经济发展。

国内外研究表明，非点源污染已成为影响水体的重要污染源，在不确定的水文、气象、气候变化情况，尤其是极值外界水文条件下，非点源污染甚至已严重威胁到水源地（主要针对水库湖泊）的供给和安全，而点源污染控制和湖体内源治理并未能有效缓解湖泊富营养化现象，如何进行流域面上非点源污染的综合分析管理已是目前水环境治理过程中所提出的紧迫要求。

非点源污染特征及负荷定量化研究涉及多学科，因此综合应用水文学、气象、生态等交叉学科的知识，以及成熟的随机理论、统计分析方法，将是今后研究中的一个发展趋势^［18］。此外地统计学中的克里金原理能很好地解释数据的各向异性，它是唯一能进行统计意义上估计插值不确定性的一种标准空间插值技术，可为空间随机过程未观测值的确定提供参考，且协同克里金法利用某些相关的区域化变量去改变对全部变量的估计，可填补某些数量很少或不够充分的样品信息。因此这就使得该方法成为选点、输入参数、输出估值变异性分析的理想方式，由于它具有独特的技术优势，已受到水科学研究领域的关注^{［71～74］}。农业非点源污染理论模型的发展日益丰富，为其防治奠定了良好的理论基础，然而由于受农业非点源污染自身特点的限制，其空间分布及转化的不确定性大，导致信息监测更为复杂和困难，从而限制了模型的输入和参数确定。而且在模拟尺度的扩展问题上，现在的模型仍主要局限于特定的小尺度流域。因此基于分析样点数据的变异性来指导采样监测及探讨参数外延方法，既是农业非点源污染监测信息采样中的一个研究难点，也是实现分布式模型在不同尺度上推广应用的重要前提条件之一。

目前，国内外在非点源污染的理论研究上已做了大量工作，模型研究已逐步由简单的实验室模型向野外区域模型、单纯的统计模拟模型向机理模型、集中参数模型向分布式模型转变，物理分布式模型研究及其在流域不同尺度上的推广应用已成为众多研究者所关注的热点^{［75～77］}。非点源污染理论模型的发展日益丰富，为非点源污染防治奠定了良好的理论基础，基于物理基础的分布式模型在流域的模拟计算中，把流域分为小的区域和离散的单元来反映流域的空间变异性^［78］。但分布式模型在其模拟运用中仍面临输入及参数确定所需资料繁杂、监测样本是否具有区域代表性、模型在污染负荷计算模拟效果的可靠性以及数据变异性等众多问题，这在很大程度上限制了模型在不同尺度流域上的应用。在有关流域非点源污染的研究中，利用分析样点数据的变异性方法来指导采样监测及对参数外延方法的研究，尤其是对非点源污染监测方法的研究也是今后研究热点之一。

与此同时，由于流域非点源污染具有受土地利用、土壤特性、地形、植被以及气候、水文要素等空间不确定性影响大的特殊复杂性，实施全流域实时监测、模拟及控制非常困难。流域水文敏感区产流机制对受纳水系非点源污染产生效应影响巨大，水文敏感区的存在是流域水质的主导因素。近年来已发展的众多分布式非点源污染模型缺乏正确的污染物迁移过程的水文支撑，尤其是对水文敏感区的定位及其引发可溶性磷源区的控制认识不足，模型结构上却认为流域内各景观的水文响应相互独立，选取的水文产流机制仍是集总式的，这显然与实际严重不符，由此造成模型应用局限和水质保护措施的失败^{［79，80］}。如何通过大量易获取的水文、气象、地形等资料，进行水文敏感区识别，针对可变源区水文敏感性，以径流生成潜能为驱动，结合产流机理改理论模型成为应用性模型，把全流域大范围监测和水质模拟问题定位在一定的区域范围，利用已有的点源监测资料以及面源尽可能少的资料，借助于水环境数学模型分析不确定条件下的面源产出及其影响因素，也是面源污染研究中一个亟待解决的难点问题，建立快速有效的监测和模拟分析方法可为有效预测并控制面源污染，实现流域最佳管理提供参考依据和技术支持，是面源污染研究中模型研究的重要方向，更是面向我国流域治理具有创新意义的科学问题^{［81～85］}。对少资料区域污染定量化预测及监控管理和面源污染预测，尤其是对制定科学实用的水质保护策略，实施流域水系非点源污染的危险源区监测、控制及流域水环境保护和管理具有重要意义。