本文關(guān)鍵詞：水環(huán)境非點源污染數(shù)學(xué)模型研究進展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第18卷第3期2003 年6月

地球科學(xué)進展

ADVANCE IN EARTH SCIENCES Vol.18　 No.3

J un.，2003

1001-8166 文章編號：（2003）03-0358-09

水環(huán)境非點源污染數(shù)學(xué)模型研究進展

馬蔚純，陳立民，李建忠，高效江，林衛(wèi)青

1

1

1

1

2

；2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，， ）（1.復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上�！�200433上海　200233

摘　要：水環(huán)境非點源污染正日益受到人們的重視，成為國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注的熱點領(lǐng)域。對水文模

GIS 的集成進行了探討，型、非點源模型的研究現(xiàn)狀做了歸納分析，尤其是對模型與RS、論述了兩

者結(jié)合的意義和重要性，提出了結(jié)合的層次性，歸納了結(jié)合的多種方式。最后對非點源污染模型的

發(fā)展前景進行了分析和預(yù)測。

關(guān)　鍵　詞：非點源污染；數(shù)學(xué)模型；地理信息系統(tǒng)

X52 ；P33　　　文獻標(biāo)識碼： A中圖分類號：

Nonpoint Source ， NPS ）污染是　　水環(huán)境非點源（

管理的定量化提供有效的技術(shù)手段。本文將著重討論國內(nèi)外非點源污染研究的數(shù)學(xué)模型方法，希望對

我國非點源污染的研究有所啟發(fā)。

指降雨（尤其是暴雨）產(chǎn)生的徑流，沖刷地表的污染物，通過地表漫流等水文循環(huán)過程進入各種水體，引起含水層、湖泊、河流、水庫、海灣及濱岸生態(tài)系統(tǒng)等的污染。20世紀(jì)70年代以后，人們在污染控制的實踐中，逐漸認(rèn)識到非點源污染的嚴(yán)重性和重要性。根據(jù)美國、日本和我國學(xué)者的研究，非點源已

5］［4，

。經(jīng)成為水環(huán)境的重要污染源，甚至首要污染源

非點源污染的成分復(fù)雜、類型多樣，又具有不同于點源的特征，排放的分散性導(dǎo)致其地理邊界

和空間位置不易識別，加上它還與一系列水文氣象條件密切相關(guān)，因此非點源污染的研究和控制具有較大的難度。國際上對非點源污染的研究大體上開

80年代以后進展迅速，研究始于20世紀(jì)60年代，

的主要領(lǐng)域包括非點源污染的特征、負(fù)荷、地域范

圍、機理以及相關(guān)的影響因子等。采用的研究手段包括野外調(diào)查與監(jiān)測、土地利用方式分析、數(shù)學(xué)模型、遙感與地理信息系統(tǒng)等。近年來也開始趨向于

［3］

控制方法和管理政策的研究。由于非點源污染涉及多學(xué)科的理論和方法，因此，綜合采用多學(xué)科的最新成果，開展對非點源污染的研究成為目前非常活躍的領(lǐng)域。數(shù)學(xué)模型方法不僅可以模擬各類非點源的形成、遷移轉(zhuǎn)化和負(fù)荷，還可以為非點源控制和

2002-03-11 ；2002-11-04．　收稿日期：修回日期：

*基金項目：教育部高等學(xué)校骨干教師資助計劃資助．

7］［6，

］［1～3

1　非點源污染數(shù)學(xué)模型

1.1　水文模型

非點源污染與水文循環(huán)過程、氣象條件密切相關(guān)。“大部分用來模擬非點源污染負(fù)荷的模型，基本上都是水文模型，或者是與水文模型緊密相關(guān)的模型”。這是非點源污染的特性所決定的。因

此，對水文循環(huán)過程的研究在非點源污染的數(shù)值模擬中占有重要地位，猶如水動力模型對于水質(zhì)模型、水文模型來說是非點源模型的重要基礎(chǔ)。目前，各

多種，比較研究機構(gòu)開發(fā)的流域水文模型多達(dá)200

CBM ）、著名的有澳大利亞氣象局模型（ 日本國家防

IITANK- I，II災(zāi)研究中心的水箱模型I、（ ）、美國陸軍

SSARR ）、美工程兵團的徑流綜合與水庫調(diào)節(jié)模型（

國國家天氣局河流預(yù)報中心的薩克拉門托水文模型SRFCH ）、（ 原蘇聯(lián)水文氣象中心降雨徑流模型

8

HMC ）、（ 我國的新安江系列模型等［］。這些模型研

［1］

究的主要水文過程包括：①土壤滲入；②土壤水分運動特征的參數(shù)化；③蒸散發(fā)；④水量平衡過程；⑤流域產(chǎn)流；⑥流域匯流。

1969-）GIS 和環(huán)境評價研究．E- mail wcma fudan. edu. cn 　作者簡介：馬蔚純（，男，上海市人，副教授，主要從事環(huán)境數(shù)學(xué)模型、：＠

第3期　　　　　　　　　　　　　馬蔚純等：水環(huán)境非點源污染數(shù)學(xué)模型研究進展　　　　　　　　　　　 593

近年來，流域水文模型有了較大的發(fā)展。高峰等

［9］

在北京市城區(qū)洪水預(yù)報系統(tǒng)中采用了三水源新安江模型加上綜合匯流模型，構(gòu)成“三水源綜合匯流新安江模型”，該模型包括蒸散發(fā)模型、產(chǎn)流模型、分水源模型和匯流模型4個部分。熊立華等［10，

11］吸取系統(tǒng)模型、概念模型和物理模型的精華，開發(fā)新一代流域水文模型———三層耦合流域水文模型，并選用世界上不同地區(qū)12個流域的降雨徑流資料，對模型進行率定和檢驗，并與著名的新安江

模型和S M A R模型進行比較。

由于流域水文特征具有空間分布的特點，分布式模型日益引起人們的重視。有學(xué)者認(rèn)為：分布式水文數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用將有助于定量地描述人類活動引起的流域水沙產(chǎn)生和遷移過程及面污染物的產(chǎn)生和遷移過程

［12］

。從目前的發(fā)展趨勢看，我們可以把分布式模型分為基于“水文響應(yīng)單元”（H RU ，H ydrologic Response Unit ）和基于“柵格”（G rid-B ased ）兩類。前者將流域根據(jù)雨量站及流域特征劃

分成若干個單元面積，當(dāng)單元面積小到一定程度時，即可認(rèn)為具有水文要素上的均一性，將其作為模擬

輸入輸出的基本單元，如農(nóng)業(yè)流域模型F ESHM （ Fi-n ite Elem ent Storm Hydrograph Model ）［13］

，

M otovilov 等提出的基于明確物理概念的E COMAG 模型等；后者的基本單元是矩形網(wǎng)格，如B even 等［14］

提出的

T OPMODEL ，我國學(xué)者郭方等［15］

對該模型進行了研

究，應(yīng)用于淮河流域，并與新安江模型作了比較分析。

1.2　非點源污染模型

非點源污染模型是采用以方程為主要形式的數(shù)學(xué)手段，模擬各種不同類型的非點源在水文循環(huán)的作用下，對水體所造成的污染負(fù)荷，以及污染物在水文循環(huán)的各個環(huán)節(jié)遷移、轉(zhuǎn)化的過程。一般地，在水文模型的基礎(chǔ)上疊加上模擬污染物負(fù)荷的組件，即構(gòu)成了非點源污染模型的基本框架。近幾十年來，許多研究機構(gòu)和大學(xué)在研究水文循環(huán)過程的基礎(chǔ)上，開發(fā)了數(shù)量眾多的非點源污染模型。

表1簡要概括了目前較常用的具有一定代表性

的非點源污染模型。C

REAMS （ Chem icals ， Runoff a nd Erosion from Agricultural Managem ent Sys tem s）模

型由美國聯(lián)邦農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究機構(gòu)（A

gricultural R esesrch Service ，A RS ）開發(fā)，主要用于農(nóng)業(yè)污染控

制最佳管理實踐的分析；在C

REAMS 的基礎(chǔ)上，A RS 疊加了農(nóng)藥垂直通量模擬程序，構(gòu)成了G LEAMS 模型，它主要包括3個組件：水文、侵蝕/泥沙和農(nóng)藥。A

DAPT （ Agricultural Drainage And Pesti- cide Transport ）模型則是G LEAMS 的延伸和擴展：它

補充了一個改進的蒸散發(fā)計算方法；根據(jù)每日土壤

含水量，采用一個修正的S CS 水文曲線指數(shù)的徑流模型；包含G reen 和 Ampt 滲濾模型；根據(jù)徑流過程

說明大空隙流。唐萬龍等

［18］

以美國俄亥俄（O hio ）

州達(dá)比（D arby ）河流域為例，研究和比較了該模型

在使用不同空間分辨率的土壤數(shù)據(jù)庫時的預(yù)報精

度。H

SPF ［19

］實際上是專用模型 HSP 的簡化版本之一，它的其他簡化版本還有面源模擬模型（N PS ）和

農(nóng)業(yè)徑流模型（A R M）。U SEPA 的切薩皮克（C hesa-p eake ）灣研究計劃（C BP ）的流域模型就是基于H SPF ，C BP 采用這一模型模擬計算不同土地覆蓋和

土地管理方案的氮負(fù)荷，進而評估對流域造成的環(huán)境影響，幫助決策者制定相應(yīng)的管理策略

［20］

。

S W MM （ Storm Water Managem ent Model ）是城市

暴雨徑流模型，

A picella 等［21］

采用該模型模擬合流

污水系統(tǒng)溢流對紐敦（N ewtown ）河的污染負(fù)荷（主

要考慮T

SS 和 BOD ），并與R MA- 6水動力模型和R MA 水質(zhì)模型相結(jié)合，研究紐敦河的水質(zhì)響應(yīng)。S W MM 模型不具有分析來水水質(zhì)的功能，但它可以與其他由C EAM （ Center for Exposure Assessm ent M odeling ， USEPA ）提供的模型相整合，以完成上述功能，如可以將W

ASP5 與 SW MM 的輸運模塊進行整合。相對而言，城市水文模型較多，而水質(zhì)模型較少，

除了S W MM 外，主要的還有U

SACE 的 STORM 、U SGS 的D

R3 M- Qual （ Distributed Rainfall Runoff Routing M odel- Quality ）、丹麥D

HI 的 MOUSE 模型等。U SGS 還開發(fā)了一個空間相關(guān)的統(tǒng)計模型S PARROW （ SPAtially Referenced Regressions on Wa-t ershedA ttributes ），它顯示了河流氮負(fù)荷與上游源

和土地利用特征的關(guān)系。該模型曾在國家尺度上成功地估算了美國大陸主要河流的總氮和總磷負(fù)荷，

也被應(yīng)用于C

BP 項目中［22

］。其他較為著名的模型還有：U SGS 的 PRMS （P

re-c ipitation- Runoff Modeling System ）、S M HI （ Swedish M eteorological and Hydrological Institute ）等開發(fā)的

H BV- N等。1.3　模型系統(tǒng)

近年來，非點源污染模型呈現(xiàn)出向集成系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。模型系統(tǒng)描述多種水文過程和污染物、泥沙的遷移轉(zhuǎn)化，并結(jié)合圖形編輯、可視化及動態(tài)顯

示等多項功能。M

IKE- SHE （ System e Hydrologique E uropean ，歐洲水文系統(tǒng)模型）就是其中的一個典型，它的基本思想由水文研究所（英國）、

S OGREAH

603　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地球科學(xué)進展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第18卷

表1　目前常用的非點源污染模型①

Fig.1　 Nonpointsource modelsincom mon use

模型名稱

CREAMS

主持開發(fā)者

USDA ，ARS

模擬的主要過程模擬的主要變量模型的主要特征

農(nóng)田徑流、滲濾、蒸發(fā)、蒸騰、土壤農(nóng)田徑流量、泥沙、營養(yǎng)元素、農(nóng)田尺度的模型，模擬連續(xù)侵蝕、化學(xué)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化

農(nóng)藥

同上，農(nóng)藥垂直通量

或離散的暴雨過程同上

GLEAMS HSPF

USDA ，ARS

USEPA ，1984 ，1993

基本同上，疊加了農(nóng)藥垂直通量模塊

綜合性的水文、水質(zhì)過程

徑流率、泥沙負(fù)荷、氮，農(nóng)藥以流域模型，模擬連續(xù)或一次及用戶定義的污染物濃度的時的暴雨過程；既可以模擬一間序列

般的污染物，又可以模擬有毒有機污染物

SW MM USEPA

徑流過程、儲水及水處理過程、污水量（水文過程線和徑流量）、主要適合于城市區(qū)域的綜合染物輸運過程

COD 、水質(zhì)參數(shù)（包括總氮、正性水量、水質(zhì)模擬程序，可以

SW RRB

Williams 等，1985 ；Arnold 1989 ，1991 等，

磷酸鹽、總懸浮固體等）郊區(qū)（鄉(xiāng)村地區(qū)）的水文過程、作水量、泥沙、氮、磷、農(nóng)藥物生長、泥沙沉積、污染物的遷移運動

模擬化學(xué)污染物在非飽和帶及其相鄰的下層土壤、植物根系區(qū)的

模擬連續(xù)或一次降雨過程

模擬以“日”為時間步長的連續(xù)過程，適用于大的、復(fù)雜的鄉(xiāng)村流域

PRZM USEPA

徑流量、農(nóng)藥在土壤中的各種模擬植物根系區(qū)農(nóng)藥的遷移存在形態(tài)（溶解態(tài)、吸附態(tài)等）轉(zhuǎn)化，還可以模擬農(nóng)田的灌

溉狀況

采用均勻網(wǎng)格系統(tǒng)的分布參量模型，模擬一次暴雨過程對流域采用劃分子流域的方法，子流域又被劃分為許多

矩形工作單元

水量、泥沙和用戶自定義的污是一個多介質(zhì)模型，將水文染物

過程、大氣輸送和泥沙過程綜合于一體

ANSW ERS

Purdue 大學(xué)農(nóng)業(yè)工程系

遷移的濃度

模擬農(nóng)業(yè)流域的截留、滲透、地表水量、泥沙、氮儲水、地表徑流、壤中流、土壤侵蝕、泥沙輸運，沉積等過程

AGNPS

USDA ，ARS 流域徑流過程、土壤侵蝕、化學(xué)物徑流量、泥沙、農(nóng)藥、氮、磷質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化

UTM- TOX

USEPA 橡樹嶺國立實驗水文過程、大氣輸送過程、泥沙過程

小集水區(qū)（尤其是城市）的水文過程和污染物的遷移轉(zhuǎn)化

室

STORM

USACE

BOD 5、水量、總懸浮物、總氮、主要適合于模擬城市化地區(qū)

正磷酸鹽的離散降雨過程；但也可用于非城市化地區(qū)和模擬1年以上的較長時間序列

1617　　注：資料來源于文獻［］、［］

DHI 提出。 MIKE- SHE 是一個咨詢公司（法國）和

確定性、分布式并具有物理基礎(chǔ)的綜合性模型系統(tǒng)，它模擬土地系統(tǒng)各相中的所有水文循環(huán)過程，可以模擬水量、水質(zhì)和泥沙輸運。該模型系統(tǒng)是一個用戶友好的，包含有綜合性前處理、后處理的集成軟件MIKE- SHE 的其他可選組件還包括：MIKE- 過程。

SHEAD （污染物遷移轉(zhuǎn)化MIKE- SHEGC （地球化）、

MIKE- SHE CN （作物生長，根系區(qū)氮過學(xué)過程）、

［17］

MIKE- SHESE 程）、（土壤侵蝕）等。MIKE-11 是又一個模型系統(tǒng)的實例，它的主要

系統(tǒng)（包括數(shù)字化、圖形編輯、可視化及動態(tài)顯示）。

①適用筆者認(rèn)為該系統(tǒng)在以下2個方面有其特色：

尺度很廣，從單一的土壤剖面到大范圍的區(qū)域尺度，可用于大范圍與地表及地下水管理有關(guān)的水資源問題研究；②采用整合式的模塊化結(jié)構(gòu)，其核心模塊是

MIKE- SHEWM ，該模塊有6個面向水文過程的組

特點是將降雨徑流模型與水動力和水質(zhì)模型統(tǒng)一于

一個系統(tǒng)中。文獻［17］闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并給出了實證研究。

2　與遙感、地理信息系統(tǒng)的結(jié)合

2.1　結(jié)合的必要性、重要性

件，每一組件描述整個水文循環(huán)中一個獨立的物理

①

國內(nèi)外學(xué)者對于環(huán)境數(shù)學(xué)模型與地理信息系統(tǒng)

USGS. Water Quality Modelingand GIS.Preparedof Shanghai International Urban Tox ic Water Quality Modeling Workshop ，Shanghai May 3～ ，4（ ＆ ，2000 ）

（G IS ）的結(jié)合已有較多的論述與實例研究［23～28

］。近幾年來，水文學(xué)家、

G IS 的開發(fā)商和用戶都已經(jīng)充分認(rèn)識到G

IS 與水文模型結(jié)合的重要意義［29］

。遙

感信息一方面作為G IS 的重要信息源，另一方面在水文模型、非點源污染模型中具有重要的應(yīng)用。兩

者（RS和G IS ）與水文模型、非點源污染模型相結(jié)合

已成為一種發(fā)展趨勢。

（1）兩者結(jié)合使得G

IS 用戶可以超越單純數(shù)據(jù)處理和管理的階段，而通過模型化的技術(shù)來對復(fù)雜

的水文過程、非點源污染的發(fā)生機制進行描述和模

擬；

G IS 尤其是它強大的處理 DEM 數(shù)據(jù)的功能可以給模型的使用者提供一個新的數(shù)據(jù)管理與可視化的平臺

［29］

。

（2）遙感（RS）技術(shù)在收集自然地理數(shù)據(jù)方面具有速度快、宏觀性強、精度高、可重復(fù)等優(yōu)勢，這些數(shù)據(jù)和信息都可以用于水文過程和非點源污染過程的分析、計算［30］

。來自不同數(shù)據(jù)源的信息集成于統(tǒng)

一的G

IS 平臺，將為非點源污染模型的運行、率定、檢驗提供有力的數(shù)據(jù)支持。

（3）非點源污染具有分散性的特點，它隨著流域內(nèi)土地利用狀況、地形等的不同而具有時空上的

不均勻性［31］

。模型的許多輸入?yún)?shù)，

如降雨等也具有空間不均勻性。因此，

G IS 的運用提供了一種有效運行模型，并以地理空間概念對模擬結(jié)果進行分

析和解釋的方式。

（4）RS、

G IS 與模型的結(jié)合對于無資料地區(qū)的水文模擬、非點源污染的模擬，具有重要的實際意義。一般來說，流域水文模型的應(yīng)用往往需要一定長度時間序列的觀測資料去識別模型參數(shù)，顯然，在無資料或缺乏資料的地區(qū)，模型的應(yīng)用受到很大的限制。因此，無資料（或缺乏資料）地區(qū)的徑流模擬是水文學(xué)研究中的一個重要課題。G

IS 的應(yīng)用可以使利用計算機信息系統(tǒng)的平臺獲取流域的地貌、地形、土壤分布、植被覆蓋等地理信息，用于分析和確定模型參數(shù)，從而使無資料地區(qū)的水文模擬成為可能。2.2　結(jié)合的層次性

RS、G IS 應(yīng)用于非點源污染的研究體現(xiàn)出一定

的層次性。

應(yīng)用G

IS 建立流域非點源污染數(shù)據(jù)庫是最基礎(chǔ)的層次，也是實現(xiàn)G IS 與模型集成的基礎(chǔ)性工作。我國學(xué)者董亮等［32］

采用A

rc / Info 建立西湖流域非點源污染信息數(shù)據(jù)庫，并生成了西湖流域的數(shù)字地面模型，為非點源污染專題模型庫的建立奠定了基

礎(chǔ)。遙感信息一方面可以作為G

IS 的重要信息源，同時也可以直接應(yīng)用于水文模擬。C orral 等［33］

提出

一個考慮降雨空間變化的準(zhǔn)分布型水文模型S D-T OP ，該模型采用1k m ×1 km 水文單元，使用天氣

雷達(dá)所獲得的降雨場資料，模擬徑流的產(chǎn)生過程。

并將模擬結(jié)果與傳統(tǒng)的集中參量模型T

OPMODEL 進行了比較。B ruen 等［34］

分析研究了水文模型的輸

出結(jié)果對于高精度、具有空間分布的降雨輸入的響

應(yīng)敏感度。

將RS或G

IS 與模型實現(xiàn)集成是RS、G IS 與非點源模型結(jié)合的第二層次。目前主要包括以下一些

工作：①將來自于RS和G

IS 的空間信息和屬性信息用于模型的參數(shù)估計、率定及模型的檢驗；②以

G IS 為主要技術(shù)平臺，實現(xiàn)模擬結(jié)果的可視化；③采用G

IS 技術(shù)來定義表達(dá)模型研究的區(qū)域單元。B haskar 等

［35］

與S

mith 等［36］

將G

IS 用于水文模型的數(shù)據(jù)預(yù)處理和參數(shù)估計，H essling 等［37］

將水文

模型P HASE 與 GIS 相結(jié)合，將遙感數(shù)據(jù)用于模型區(qū)

域參數(shù)的率定，應(yīng)用于瑞典C

yprus ， Mediterranean 島的5個流域，同時研究了水文過程與植被覆蓋之間的動態(tài)反饋機制。B even 等［38］

將G

IS 用于分布式水文模型的檢驗，

S ham s［i 39］

將 GIS 作為水文模型的可視化手段。我國學(xué)者許有鵬等［40］

以浙江省曹娥江流域為試驗區(qū)，重點討論了利用L

andsat TM 影像資料直接或輔助確定薩克拉門托模型參數(shù)的途徑和

方法。G

arnier 等［41

］將 GLEAMS 與 IDRISI 和G RASS 相結(jié)合，以意大利基亞納（C hiana ）河流域為例，研究畜牧業(yè)污染對地下水的影響。S rinivasan 等［42］

將G IS 與分布參量連續(xù)過程的非點源污染模型（N PS ）和土壤與水評價工具（S W AT ）相結(jié)合，作者的工作證明，這樣的集成在數(shù)據(jù)收集、可視化、對輸入輸出文件的分析等方面起到了有效作用。

我國學(xué)者沈曉東等［43］

針對降雨和下墊面自然參數(shù)空間分布不均勻的特點，研究了基于柵格數(shù)據(jù)

的流域降雨徑流模型。梁天剛等［44

］利用A

rc / Info 系統(tǒng)的地表水文模擬方法，以甘肅省環(huán)縣為典型樣區(qū)，模擬了水流方向、匯流能力，進行子集水區(qū)邊界的劃分、水道的自動提取和水道級序的劃分。在此基礎(chǔ)上，模擬了不同降雨量時可產(chǎn)生的地表徑流。在非點源污染模擬中，往往采用一系列技術(shù)來定義、表達(dá)所研究的區(qū)域單元，這些技術(shù)在應(yīng)用上的微小差別可能會導(dǎo)致對徑流、侵蝕、沉積的估算產(chǎn)生相當(dāng)

大的差異。E ngel ［45］

以模型與G IS 集成為主要方法，研究了地形、土地利用、土壤等輸入對非點源模

型輸出結(jié)果的影響，也討論了模型網(wǎng)格分辨率對計

Engel 還將非點源算結(jié)果的影響。與水文模型類似，

HRU ）和基于柵格的模型分為基于水文響應(yīng)單元（ FESHM （ Finite Elem ent Storm Hy-兩類。前者包括

drograph Model Wolfe 和 Neale 、Shanholtz 等將該模）， DSS ， SDSS ）。目前，國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的研究已有SDSS 的概一定的基礎(chǔ)。國外學(xué)者較早提出了

念

50］［49，

Negahban 。

［51］

LOADSS 等開發(fā)了一個名為

Lake Okeechobee Agricultural Decision Suppo rt Sys-（

型與G IS 結(jié)合，根據(jù)G IS 所提供的土壤類型和土地利用類型確定H RU 。后者包括 ANSW ERS 、A GNPS 、S W AT 模型等。 Rewerts 和 Engel 將 ANSW ERS 與G RASS 模型相結(jié)合，模擬流域的徑流、侵蝕與沉積過程。S rinivasan 和 Engel ［45］

將 AGNPS 與一個柵格型G

IS 相結(jié)合，模擬流域徑流、侵蝕和氮的輸移。在第二層次應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以G IS 為平臺，以RS為重要的數(shù)據(jù)源建立綜合性的集成系統(tǒng)是RS、G IS 與模型結(jié)合的第三層次。這是政府部門日益重

視對非點源污染管理與控制的要求，也為人們研究非點源污染的產(chǎn)生機理提供了綜合性的技術(shù)手段。

意味著RS、

G IS 與非點源模型的聯(lián)系從一般結(jié)合向綜合集成方向發(fā)展。U

SGS 開發(fā)了一種 GIS 集成環(huán)境（G

ISWeasel ），它是一個圖形化的用戶界面，幫助水文學(xué)家或其他模型研究者對所感興趣的地理區(qū)域、排水系統(tǒng)和基本模型響應(yīng)單元（M RUs ）進行概

化、參數(shù)化并準(zhǔn)確描述其特征。從而為各類水文模

型提供技術(shù)支持［46］

。E

PA 越來越強調(diào)流域點源與非點源的綜合評價與分析。B ASIPNS （B etter Assess-m ent Science Integrating Pointand Nonpoint S ources ）

正是為適應(yīng)這一要求而開發(fā)的系統(tǒng)。它的目的包括：①對環(huán)境信息進行有效的檢驗；②提供一個統(tǒng)一

的流域集成模型框架；③對不同的點源、非點源管理

方案進行分析與評估，包括對T

MDLs （最大日負(fù)荷量）的估算。B ASINS 的組件包括：基礎(chǔ)信息及數(shù)據(jù)

庫、評價工具、流域非點源模型（H

SPF ）和水質(zhì)模型Q UAL2 E）、后處理系統(tǒng)。這些組件構(gòu)成了一個統(tǒng)

一的軟件系統(tǒng)［47］

。D e Pinto 等［48］

開發(fā)了一套名為G EO- WAMS （G eographicallyb asedW atershed Analy-s isand Modeling System ）的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點是在

其框架內(nèi)除了實現(xiàn)流域非點源負(fù)荷模型與A

rc / Info 的結(jié)合外，還包括一個地下水輸運模型和一個改進的W ASP4.0 水質(zhì)模型。系統(tǒng)的設(shè)計、可行性及應(yīng)用

效果通過其原型系統(tǒng)在布法（B uffalo ）河流域的應(yīng)用

而得到驗證。

近年來，將以數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識庫三庫集成為主體，以方案選優(yōu)為主要特征的計算機決策支持

系統(tǒng)（D ecision Support System ， DSS ）技術(shù)引入非點

源污染的管理與控制成為一種新的發(fā)展趨勢，這里

所指的是基于G I S的空間型決策支持系統(tǒng)（S patia l

t em ）的奧基喬比（O

keechobee ）湖農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)，它是一個面向決策者和規(guī)劃者的區(qū)域環(huán)境規(guī)劃

系統(tǒng)，主要針對由雨水沖刷引起的磷負(fù)荷對湖泊造成的環(huán)境問題。它考慮了非點源控制、點源控制及

綜合性的流域控制。系統(tǒng)基于A

rc / Info 6.01 版本，運行于S

um Sparc 工作站。 Lam 等［52］

開發(fā)了R A-S ION （ Regional Analysis Information System ），該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的G IS 有相似之處，但更強調(diào)決策支持和專家系統(tǒng)。L

eon 等［53］

將A

GNPS 模型與 RASION 相結(jié)合，建立S DSS 以實現(xiàn)對非點源污染的模擬，并對計

算結(jié)果進行可視化的統(tǒng)計分析，整個模擬過程可由”實現(xiàn)與控制。

可以說，引入S

DSS 是RS、G IS 與非點源模型結(jié)合新的發(fā)展階段和趨勢。2.3　結(jié)合的主要方式

許多學(xué)者討論了水文模型、非點源污染模型與

G IS 結(jié)合的方式［

29，54］

。概括地講，從結(jié)合的理念上

主要有以下2種：①將G I S的某些功能整合進非點

源污染的模型系統(tǒng)；②將非點源污染模型整合進

G IS 系統(tǒng)。具體的技術(shù)主要有松散結(jié)合與緊密集合。對于前者，模型與G

IS 實際是兩個獨立的系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)文件來實現(xiàn)兩者之間的通訊；后者又稱為

”結(jié)合，目前可以考慮的技術(shù)包括宏語言編程

和D LL 。宏語言編程是采用 GIS 所提供的宏語言，如A rc / Info 的 AML 、A rc View GIS 的 Avenue 和 Map-I nf o的 Map Basic 等，編寫非點源污染的模擬程序，這

里模型與G IS 實現(xiàn)了完全融合，但是一般來說，宏語言的計算功能不強，并且所編寫的程序只能在相應(yīng)

G IS 系統(tǒng)環(huán)境中運行。 DLL 方式主要是將模型程序

編譯成動態(tài)連接庫，在需要時由G

IS 系統(tǒng)調(diào)用運行。3　發(fā)展前景

（1）由單純模擬流域水文循環(huán)、非點源污染過

程、負(fù)荷轉(zhuǎn)向大氣、水文、水質(zhì)綜合系統(tǒng)的模擬。S RBEX （ Susquehanna River Basin Experiment ）模擬不同時間尺度下流域水文特征對大氣強迫的響應(yīng)。研

究人員通過M

M5 模擬一次暴雨系統(tǒng)過境時的降雨，將高分辨率的降雨數(shù)據(jù)與H MS （H

ydrological Model-i ng System ）模型耦合

［55］

。A rhonditsis 等［56］

采用一

個綜合的模型系統(tǒng)來評價沿海濱岸帶生態(tài)系統(tǒng)來自

“工具條（“無縫

博泰典藏網(wǎng)btdcw.com包含總結(jié)匯報、計劃方案、表格模板、自然科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、行業(yè)論文、黨團工作、外語學(xué)習(xí)、經(jīng)管營銷、工程科技以及水環(huán)境非點源污染數(shù)學(xué)模型研究進展等內(nèi)容。

本文共2頁12

  本文關(guān)鍵詞：水環(huán)境非點源污染數(shù)學(xué)模型研究進展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：102084