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摘要

模型是模拟和预测非点源污染的重要手段，对非点源模型进行梳理总结归纳，有助于后续对非点源污染的研究。

流域非点源污染的主要过程和涉及的学科 (不同学科字体大小代表其在非点源模型研究中的相对发展；实线直箭头表示非点源排放过程、水文循环和人类社会取水过程，曲线箭头表示生物地球化学过程，虚线箭头表示解释，双箭头表示不同学科之间的相互关系)。

本篇发表在Water 期刊的文章，(1) 对非点源模型框架进行了系统描述，并对一些常用模型进行了归纳；(2) 总结了模型结构和应用中面临的挑战；(3) 总结了非点源模型的未来发展方向。

非点源模型研究发文量年度分布。

模型结构和应用面临以下挑战：(1) 对特定非点源污染过程的认识存在局限性；(2) 模拟尺度问题；(3) 数据稀缺性及其对模型的影响；(4) 模型输入、参数和模型结构造成的预测不确定性；(5) 模型结果对决策的支撑不足。

非点源模型面临的挑战。

基于以上分析，本文提出了模型开发的未来方向：(1) “源-流-汇”非点源模型框架；(2) 模型输入和参数标准化；(3) 环境管理的可靠决策支持。

非点源模型研究中的结构问题

1. 对特定非点源污染过程的认识存在局限性

非点源污染涉及很多概念和过程，不同学科角度不同导致对某些特定过程的理解有一定的障碍。随着研究的深入，目前模型中一些缺失或简化的模块已经限制了进一步的非点源污染机理的揭示，如沟塘传输模块、大气沉降模块、微生物作用模块等。

2. 模拟尺度问题

由于地形、植被和土壤特征的相互作用，水文过程以及污染物的迁移表现出显著的空间异质性；不同尺度的非点源模型对非点源污染过程的关注点不同，也给模型耦合和研究尺度扩展造成困难。

3. 数据稀缺性及其对模型的影响

非点源污染受到水文、气象、地形地貌等复杂的自然环境以及农业、工业、人类生活等多样的人类活动影响，准确刻画非点源污染过程需要大量高精度数据。虽然借助卫星遥感等技术，我们已积累大量数据，但由于监测技术与监测策略不同，导致不同源数据之间的匹配度很低，数据融合成为非点源研究中的一大挑战。

4. 模型输入、参数和模型结构造成的预测不确定性

非点源模型是对于污染物在环境中迁移转化的数学模拟，建模的依据主要来源于建模者对于物质输移的理解和认知。流域环境本就是一个不断变化的过程，建模的目的是基于研究者的理解来确定这种不确定的关系，因此，在对实际污染物迁移过程的概化中产生了很多的不确定性，表现为输入数据不确定性、结构不确定性、参数不确定性。

5. 模型结果对决策的支撑不足

流域是水环境治理的重要空间单元，也是污染物运移研究的重点尺度。BMP或LID是流域非点源管理的重要手段，许多非点源模型都将BMP/LID模块集成到流域模拟中。但是，流域模拟单元 (如HRU) 与BMP模拟单元并不完全匹配，水文响应单元 (HRU) 可以代表BMP的田间水平条件，但HRU的水文尺度与BMP实施的实际田间之间存在明显脱节。此外，BMP削减污染物的效率受到污染物累积、自然环境变化、人类活动等影响，其效率并非简单的随时间线性降低，因此，准确评估BMP效率是非点源模型面对的一个重要挑战。

非点源模型发展的未来展望

1. “源-流-汇”非点源模型框架

本文从污染物传输的“源-流-汇”角度提出了非点源模型的框架，在此基础上识别NPS污染物输送的各种路径和过程，使其有利于多过程发展与融合。这可能是模型开发的一个前景方向。

非点源模型的“源-流汇”框架。

2. 模型标准化

随着非点源模型的发展，很多具有独特功能的非点源模型被提出，这些模型通常在某一过程或地区的模拟表现很好，但由于缺乏统一的标准难以与其它模型耦合，因此模型标准化不仅有助于耦合不同模型，提高非点源污染模拟的准确性，同时能降低模型的使用门槛，促进模型的推广和应用。

3. 环境管理的可靠决策支持

在模型标准化的基础上，开发模型比较平台，开展多模型比较，有助于完善模型结构，促进模型的发展；同时，方便模型用户选择合适的模型，提出合理的环境管理策略，可以有效提高模型模拟对流域管理决策的支撑能力。

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阅读英文原文

Wang, M.; Chen, L.; Wu, L.; Zhang, L.; Xie, H.; Shen, Z. Review of Nonpoint Source Pollution Models: Current Status and Future Direction. Water 2022, 14, 3217.

通讯作者

陈磊 教授

博士生导师，第五批中组部“万人计划”青年拔尖人才获得者，流域非点源污染过程学科团队负责人 (2017~2020)。中国水利学会、中国环境科学学会水环境分会、国际水学会 (IWA)、中国地理学会理事。主要从事流域非点源污染模拟与控制、水环境模拟与修复、海绵城市机理及设计、流域综合管理等领域研究，在非点源污染过程机理、核算模型和防控模式等方面取得多项关键突破。发表学术论文130余篇，其中在Water Research、Water Resources Research、Journal of Hydrology 等权威期刊发表第一/通讯作者SCI检索论文64篇，出版学术专著3部，授权软著/专利10项，获省部级奖励3项。担任Journal of Hydrology 等多个国际期刊副主编/客座主编，组织首届大江大河生态保护与修复研讨会、SWAT2016等重要会议，为30余个本领域顶级期刊提供审稿服务，取得了一定的国际影响力。

  Water 期刊介绍

主编：Jean-Luc PROBST, University of Toulouse, France

期刊涵盖所有水资源领域相关的科学技术，主要包括全球和区域水循环的可持续管理，水资源及其与粮食、能源、生物多样性、生态系统功能和人类健康的互联。期刊鼓励领域内研究人员发表实验、理论、建模和大数据等相关研究成果。

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*本文由原文作者王明净撰写，如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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