国际发展水平-水资源保护理论与实践

国外的农业非点源模型的发展经历了以下几个阶段。

第一阶段：20世纪60年代末～70年代初，非点源污染研究始于土地利用对于河流、湖泊水质产生影响的认识，仅是在非点源污染特征、影响因素、单场暴雨和长期负荷输出等方面的研究，其方法往往以简单的经验统计分析和长期平均负荷的粗略估计为特征，建立经验统计回归模型，并以此建立污染负荷与流域土地利用或径流之间的统计关系，这类统计模型对数据的需求比较低，能够简便地计算出流域出口的污染负荷，表现了较强的实用性和准确性，因而在早期得到了较为广泛的应用。但是由于它们难以描述污染物迁移的路径与机理，使得这类模型的进一步应用受到了较大的限制。

水土流失作为农业非点源污染发生的主要形式，在70年代以前就取得了长足的进展，定量计算方法已比较成熟，只是当时的研究角度不是从非点源污染问题出发的，当然这方面的研究成果为开展非点源污染研究打下了良好的基础。

这时期提出了USLE通用土壤侵蚀量方程，农药输移和径流模型PTR以及城市暴雨水管理模型SWMM等。其中USLE通用土壤侵蚀量方程，后来被广泛的应用于农业非点源污染模型中。

第二阶段：20世纪70年代中期，随着对非点源污染较为深入的研究，对其迁移和转化机制有了初步的认识，影响因素和宏观特征性就由相关因素分析和空间分异分析转向与非点源污染控制密切相关的主控因子和源区（危险区）空间分析。有关非点源污染迁移和转化的研究也有了初步的进展。非点源污染模型开始以复杂的机理为基础，出现了一系列的机理模型和连续响应模型如农业化学品运输模型ACTMO，城市地表径流模型STOM（Storm Treatment Overflow Runoff Model），以及统一运输模型UTM（Unite Transportation Model）等。这一发展主要是因为农业非点源污染是一个复杂的过程，是多个子过程的综合，水文学、土壤学等学科理论的引入，使农业非点源污染模型理论大大丰富。

从20世纪70年代初期到中期，非点源污染研究取得了两个方面的重要进展：一是从经验统计分析提高到复杂的机理模型；二是从长期平均负荷输出或单场暴雨分析上升到连续的时间序列响应分析。这些模型虽然经过了一些实测数据的检验并得到有限的应用，但它们往往对各种资源的要求很高，大多数模型只能适用于很小的集水面积，从而限制了这些模型的推广和应用。(www.xing528.com)

第三阶段：20世纪70年代后期至80年代以来，随着对非点源污染物理化学过程研究的深入和对非点源过程的广泛的监测，非点源污染模型向实用方向发展，其特点是与非点源污染控制措施密切联系，并注重效益分析。开发了含有经济评价和优化内容的非点源管理模型。有美国农业部开发的著名的农业管理系统中的化学污染物径流负荷和流失模型CREAMS（Chemicals，Runoff，and Erosion from Agriculture Management System）模型奠定了非点源模型的发展的“里程碑”，它首次对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行了系统的综合。CREAMS提出后，在此基础上发展出了一系列的结构类似的模型，如农田小区模型EPIC（Erosion Productivity Impact Calculato），用于模拟农业活动对地下水影响的GLEAMS（Groundwater Loading Effect of Agricultural Management System）模型，用于农业非点源管理和政策制定的农业非点源污染源模型AGNPS（Agriculture Non-point Source），农田尺度的水侵蚀预测模型（WEPP），用于模拟大型流域非点源污染负荷的SWRRB（Simulator for Water Resource in Rural Basins），Abbott等开发了欧洲水文系统模型SHE均在这一时期提出。并应用于非点源污染的负荷定量计算、非点源的管理控制措施效果评价、政策制定。这些模型极大地丰富了机理性的非点源模型，并且得到了不同程度的应用。此外，传统的土壤流失方程（USLE）也经过改进形成RUSLE。在80年代后期，重点加强“3S”技术在非点源污染模型中的应用，使得模型能与各种管理措施相结合，用于非点源的预测预报及不同管理措施改变对农业非点源污染的影响研究。“3S”技术的应用，不仅有助于获得模型所需要的参数，对污染的模拟结果的可视化输出也有了质的改变。

值得提出的是AGNPS模型，它较为广泛的应用在非点源污染研究方面。

AGNPS模型是由美国农业局和明尼苏达污染控制局于20世纪80年代共同开发的农业非点源计算机模型。它是一个基于事件分布参数模型，用于模拟流域土壤侵蚀、氮磷营养盐流失和预测评价农业非点源空间污染状况。

由于AGNPS模型是事件模型，在应用中有许多局限性，到AGNPS模型5.0版以后就停止了开发。美国农业部自然资源保护局和农业局联合开发了连续模拟模型AGNPS98，目前的最新版本为AGNPS2001。

第四阶段：20世纪90年代至今，非点源模型主要是对现有模型的进一步完善，借鉴“3S”技术对传统模型进行改造，而且这一阶段模型研究进一步由纯数学问题转向一种系统决策工具、以帮助预测非点源污染的程度并对各种水域管理措施进行评价，同时，把传统的非点源污染与专家系统或各种人工智能工具相结合，开发非点源模型信息平台，为非点源污染研究和防治提供有利工具。如美国Grunwald对AGNPS5.0模型做了以下修改：用Lutz方法取代了SCS—CN曲线法，用具有水动力学理论的Moor计算法取代了USLE方程中的LS因子，用基于网格的降雨输入取代了流域的均匀降雨等；Rode等用具有物理含义的水文学模型WaSi—ETH取代了AGNPS中的SCS—CN等；AGNPS由事件改进为模型AGNPS98（连续）和目前的AGNPS2001（连续），扩大了模型的使用范围；1991年WEPP模型从坡面侵蚀模型扩展为流域的侵蚀模型，并使得模型的每一个过程都具有明确的物理意义；GRASS（Geographic Resource Analysis Support System）和美国ISRI公司开发的arc/info系统软件与WEEP、AGNPS、USLE结合进一步用于非点源污染危险区域识别、显示多种非点源输出结果、绘制水源防护范围和实际地表水监测网等众多方面，为消减和控制提供了前所未有的方便。一些功能强大的超大型流域模型也相继被开发出来。这些模型已经不再是单纯的数学运算程序，而是集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能于一身的大型专业软件，其中比较著名的有美国国家环保局EPA开发的BASINS（Whittemore R C，1998）、AGNPS2001和Arnold等开发的SWAT（Soil and Water Assessment Tool）等。