由于土地不合理利用、过量施用化肥以及农村大规模畜禽养殖等原因，农业面源污染问题日益严重。污染物通过地表径流和地下水渗透等途径进入水体，对水环境造成了显著威胁。为评估和控制农业面源污染对水质的影响，研究人员开发了多种流域水文水质模拟软件。Inteliway Watershed Simulator（简称IWS）软件是其中一款重要的国产化工具。相比其前身LSPC（Loading Simulation Program in C++），IWS对农业面源模拟模块进行了优化和升级，显著提升了对农业面源污染过程的模拟精度。本文将深入解析这些改进，帮助读者更好地了解该工具在农业面源污染模拟中的基本原理和应用潜力。
图1：农田区域示意图
农田面源污染的关键过程和LSPC模型的表达机制
农田面源污染的关键过程包括了地表污染物的累积、冲刷、降解，以及壤中流和地下水的污染物等，LSPC模型对这些过程都进行了不同程度的表达。
地表污染物的累积
农田地表污染物的累积主要来自人类活动和自然过程。人类活动主要包括施肥、畜禽粪便和土地使用等行为，而自然因素主要是大气沉降（包括干沉降和湿沉降）。LSPC模型允许用户根据水文响应单元的类别，输入每月平均的施肥量、大气沉降量等数据，用于表达地表污染物的累积过程。地表蓄积的污染物将成为后续冲刷和降解过程的对象。
地表污染物的冲刷
当地表有蓄积的污染物并且发生地表径流时，部分污染物会随径流被冲刷走。LSPC模型根据地表径流量来计算污染物的冲刷量。径流量越大，冲刷的污染物量就越多。这个过程取决于地表污染物的存储量、地表径流的强度以及流域特性等因素。
地表污染物的降解
地表蓄积的污染物不仅会因为径流冲刷而减少，还会存在自然降解过程。该过程受到大气条件、土壤性质、微生物活动等多方面因素的影响。LSPC模型并不直接模拟自然降解过程，而是通过设定污染物的累积上限（最大累积量）来近似表达污染物的降解去除过程。该上限表示在污染物蓄积量达到最大值后，即使没有径流冲刷，污染物也不会继续增加，从而近似表达降解过程。
地表污染物的蓄积量更新
地表污染物的蓄积量会随着时间的推移不断变化。LSPC模型会根据施肥、大气沉降、自然去除和冲刷的结果，动态更新地表污染物的存量。
壤中流和地下水污染物的模拟
对于壤中流和地下水污染物，LSPC模型通过用户设定的壤中流或地下水污染物出流恒定浓度进行模拟，或通过用户提供的月输入值来插值计算浓度。这些浓度值可被视为地下水背景污染物浓度，代表地下污染物的输移与出流过程。
LSPC模型原有面源污染过程表达机制的局限性
由以上介绍可以知道，LSPC模型中针对农业面源的“累积-冲刷”（buildup-washoff）的计算方式，其基本思想是污染物在地表随着时间累积，当降雨发生时，由径流将这些累积的污染物冲刷至水体。这种适当简化了的表达机制，在实际应用过程中体现了一系列的局限性，具体包括：
施肥行为模拟精度不足
在LSPC模型中，地表污染物只能通过恒定值或月均值的方式进行设置。然而，在实际的耕种过程中，施肥等污染物的输入通常集中在某一时刻或特定时间段，而不是每月均匀分布。如果在施肥后不久就发生了降雨，以LSPC模型的均值输入方式，就无法准确捕捉因施肥导致的地表污染冲刷量的剧烈变化，这种在精细时间尺度上的表达能力不足，可能导致模型模拟结果与实际负荷流失情况产生偏差。
忽略表层土的背景负荷
LSPC模型假设新增污染物完全累积于地表，地表现存污染物量在径流发生时具备被完全冲刷的可能性。当地表现存污染物被完全冲刷后，模型可能将冲刷浓度降低为0。然而，这种机制忽略了地表以下土壤中存在的背景污染负荷，而这些负荷在实际情况下也会随径流部分流失。由于未能考虑背景污染负荷的贡献，模型可能低估径流过程中污染物浓度的实际值。
忽略地下水动力学
当表层土壤接受施肥或者其他污染物输入时，这些污染物会随着土壤中水分的流动进入壤中流或地下水，导致地下污染物浓度增加。此外，随着时间推移，地下污染物通过自然降解、作物吸收等方式逐渐减少。目前在LSPC模型中，不包括模拟污染物在土壤和地下水系统中的迁移，以及随时间降解的表达机制，因此可能导致壤中流和地下水相关模拟结果与实际情况产生偏差。
IWS模型对于农田面源污染过程表达机制的升级改进
针对LSPC模型在农业面源过程方面存在的局限性，IWS模型从更真实地表达机理过程的层面进行了全面升级改进（如图2所示），具体改进内容如下：
图2 IWS累积-冲刷模块
地表污染物累积时间序列
允许用户根据实际情况为不同的水文响应单元设置施肥的时间序列。通过该模块，用户可以精确到小时级别地输入施肥的时间和量值，动态模拟污染物随时间的累积过程。这一改进大幅提升了模型在处理短期施肥行为时的精度，使得模拟更贴近实际情况，从而更准确地表达施肥行为对水质影响的时空变化。
土壤厚度与可冲刷量的动态计算
考虑到地表污染物累积过程中，污染物会均匀分布在一定深度的土壤层中（如施肥导致的新污染物进入土壤）。当冲刷发生时，只有表层的一部分污染物会随径流被带走，因此，在IWS模型中，设置可动态调整的可冲刷土壤厚度，根据径流量大小，实时调整表层土的冲刷量，进而灵活表达对应的污染负荷量。
背景负荷的模拟
为更好地反映农田土壤中的污染物背景负荷，IWS模型假设地表土壤具有一定厚度的可冲刷层，其中存在的背景污染物负荷可随径流被冲刷。这一假设使得即使没有新增污染物，表层土壤中的背景污染物在径流过程中仍能被冲刷。
污染物的降解过程
针对作物吸收、微生物降解等因素导致的污染物蓄积量随时间减少的情况，IWS采用一阶降解模型直接模拟这一动态过程，精确表达污染物随着时间逐渐减少的变化。
壤中流/地下水污染物动态交互模拟（见图3）
为了模拟壤中流/地下水中的污染物浓度变化，IWS假设壤中流/地下水的污染物浓度会受到下渗水所带来的污染物影响，即壤中流/地下水中污染物浓度会随着下渗水量所带来的污染物增加而逐步增加。因此在计算壤中流/地下水中污染物浓度变化时，会根据下渗到壤中流/地下水中的水量以及壤中流/地下水中的污染物浓度与土壤中污染物浓度差异来计算；同时，采用一阶降解的方式表达污染物量减少的过程。
图3 IWS软件对壤中流/地下水污染物动态交互过程模拟示意
结语
IWS软件是由英特-智水团队基于十余年的实际应用经验，针对原有LSPC模型局限性不断改进和开发的新一代国产化软件。目前，IWS软件正处于公开测试阶段，计划于2024年12月正式发布。IWS的推出将为我国流域水文水质研究和实践提供更加精准且高效的技术工具。我们也期待这些研发成果能够在未来的环境管理和保护工作中发挥更大的作用。
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