李 航，柏建雯

（1.松遼水利委員會(huì)流域規(guī)劃與政策研究中心，吉林長(zhǎng)春130021；2.吉林師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林四平136000）

0 引言

1 模型描述

根據(jù)世界衛(wèi)生組織近年的報(bào)告，不安全的飲用水及缺乏衛(wèi)生設(shè)施仍是人類生存的最大威脅之一[1,2]。從1988年的上海甲肝大爆發(fā)到1991年席卷拉丁美洲的霍亂，病原微生物污染的水體嚴(yán)重威脅了人類的健康。因此，對(duì)河流水質(zhì)狀況的監(jiān)測(cè)評(píng)估關(guān)系到公眾的健康。為了更好地評(píng)估流域中細(xì)菌的變化情況，很多水文模型被用于模擬流域中細(xì)菌污染水體的水文過(guò)程。常見的模型有SWAT（Soil and Water Assessment Tool）、HSPF（Hydrological Simulation Program-Fortran）等。水文模型可較好地反映流域中細(xì)菌污染的變化過(guò)程，且在流域管理方面有良好的應(yīng)用前景。

SWAT模型可用于對(duì)流域中徑流、泥沙、氮磷等物質(zhì)及管理措施的模擬研究，在我國(guó)各大流域均有較好的應(yīng)用。但是，應(yīng)用SWAT模型對(duì)細(xì)菌污染進(jìn)行的模擬研究在國(guó)內(nèi)還并不多，雖有部分研究者開展了此類研究，但與國(guó)外的同類研究相比，還處于初級(jí)階段。此次研究基于2002年以來(lái)公開發(fā)表的文獻(xiàn)，對(duì)應(yīng)用SWAT模型的流域中細(xì)菌類污染物進(jìn)行模擬研究的文章進(jìn)行了歸納總結(jié)，希望為后續(xù)研究者提供幫助。

最初由Sadeghi和Arnold[3]在美國(guó)進(jìn)行了SWAT模型細(xì)菌模塊方程的構(gòu)建工作。從SWAT2005到SWAT2012版，細(xì)菌模塊處于不斷地完善中。與其他模型相比，SWAT模型存在一定的優(yōu)勢(shì)：首先，模型構(gòu)建于GIS基礎(chǔ)上，有利于空間數(shù)據(jù)的計(jì)算。其次，除SWAT模型，模型HSPF也常被用于細(xì)菌污染的模擬研究，但HSPF模型經(jīng)常用于模擬中小流域，比如33.3 km2[4]和1 015.0 km2[5]，而SWAT模型更適合大中型流域，如417.6 km2[6]和6 155 km2[7]。第三，由于SWAT模型及其源代碼可免費(fèi)獲得，很多研究者對(duì)模型進(jìn)行了修改，使模擬得以不斷地完善，拓展了模型應(yīng)用的范圍。

2 模擬的細(xì)菌種類

通常，指示菌在自然水體中不能繁殖也不能長(zhǎng)時(shí)間存活，因此可表征水體被糞便污染的程度[8]。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，SWAT模型的主要研究對(duì)象為指示菌，比如糞大腸菌群和大腸埃希氏菌[9,10]。但僅針對(duì)指示菌的研究并不能滿足流域保護(hù)的需要，很多研究者開展了對(duì)非指示菌的模擬工作。目前研究最多的是隱孢子蟲。Coffey等[11]對(duì)愛爾蘭的流域進(jìn)行了隱孢子蟲濃度變化分析；Bergion等[12]對(duì)瑞典的流域進(jìn)行隱孢子蟲管理控制措施的分析。在應(yīng)用其他水文模型進(jìn)行細(xì)菌模擬研究時(shí)，考慮了很多其他種類的細(xì)菌，比如有研究將水動(dòng)力學(xué)模型和水質(zhì)模型相結(jié)合用于沙門氏菌、隱孢子蟲的模擬研究[13]。在今后的研究中，可適當(dāng)擴(kuò)展模擬的細(xì)菌種類，或根據(jù)流域的實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)菌種類的選擇。

3 模型的率定與修改

3.1 模型參數(shù)的調(diào)整

應(yīng)用模型進(jìn)行模擬研究時(shí)，首先需要進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。表1中總結(jié)了部分調(diào)整頻率較高參數(shù)的調(diào)整結(jié)果。其中BACTKDDB（細(xì)菌分配系數(shù)）、BACTKDQ（細(xì)菌的土壤分配系數(shù)）、BACTMIX（細(xì)菌的滲流系數(shù)）、THBACT（細(xì)菌的溫度調(diào)整因子）和BACT_SWF（包含活性菌落形成單位的糞肥所占分?jǐn)?shù)）是比較敏感的幾個(gè)參數(shù)。參數(shù)值的不同反應(yīng)了不同流域的土壤結(jié)構(gòu)的差異及細(xì)菌通過(guò)徑流轉(zhuǎn)移到土壤表面的能力[14-16]。

在表1中，BACTKDQ一般在90.00～225.00之間，默認(rèn)值為175.00，一般認(rèn)為當(dāng)參數(shù)值為175.00時(shí)可得到很好的模擬效率[17-19]。THBACT的默認(rèn)值為1.07，很多學(xué)者認(rèn)為這個(gè)值是合理的[17-19]。BACT_SWF代表包含活性菌落形成單位的糞肥所占的分?jǐn)?shù)，默認(rèn)值為0.15，表1中的范圍為0.20～1.00；該值關(guān)系到肥料中釋放的菌落數(shù)，所以很多研究會(huì)根據(jù)流域?qū)嶋H情況或相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行參數(shù)值的設(shè)定[19]。BACTKDDB的范圍為0～1.00，當(dāng)值接近0時(shí)，細(xì)菌主要吸附到土壤顆粒上；當(dāng)值接近1.00時(shí)，細(xì)菌主要處于溶液中，因此，該參數(shù)值的設(shè)定會(huì)影響流域中生物的數(shù)量。表1中，BACTKDDB的范圍是0.36～0.90，很多研究者會(huì)針對(duì)不同類型的肥料進(jìn)行設(shè)定[19]。作為細(xì)菌的滲流系數(shù)，BACTMIX一般為表層10 mm土壤溶液中細(xì)菌濃度與滲流中細(xì)菌濃度的比值，調(diào)整范圍為7.00～20.00；在現(xiàn)有研究中，調(diào)整范圍集中在7.65～18.31。

表1 不同流域中細(xì)菌參數(shù)值總結(jié)

在進(jìn)行細(xì)菌模擬時(shí)，大部分參數(shù)的設(shè)置是根據(jù)流域?qū)嶋H情況及文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)定的。在未來(lái)研究中，如能對(duì)流域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，將有助于提高模擬的準(zhǔn)確性。

3.2 模型的率定效果

模型的率定與驗(yàn)證是應(yīng)用模型進(jìn)行研究的重要步驟。常見的模型效果評(píng)估參數(shù)有納什效率系數(shù)（NSE）、R2等。通常，當(dāng)NSE＞0.50時(shí)，率定效果是滿意的[24]，但該結(jié)論主要針對(duì)徑流、泥沙和營(yíng)養(yǎng)物的模擬效果。表2總結(jié)了部分應(yīng)用SWAT模型進(jìn)行細(xì)菌模擬研究文章的率定效果。從表2可看出，總體率定效果偏低。近期有研究者針對(duì)SWAT模型細(xì)菌的模擬效果進(jìn)行了率定結(jié)果評(píng)價(jià)，該研究認(rèn)為：0.200＜NSE＜0.300時(shí),模擬效果為滿意，0.300≤NSE≤0.400為好，NSE＞0.400為非常好，NSE≤0.200表現(xiàn)為不滿意[25]。如果以此標(biāo)準(zhǔn)作為參考，表2中的大部分模擬效果是可接受的。影響率定效果的因素很多，如模型的不確定性，為了得到更好的細(xì)菌率定效果，很多研究者對(duì)模型進(jìn)行了修改，比如，Jeong等[10]對(duì)SWAT模型進(jìn)行改進(jìn)后，模擬效果R2從0.590提高到0.900。

表2 不同流域應(yīng)用SWAT模型細(xì)菌率定效果的總結(jié)

3.3 SWAT模型的改進(jìn)

為了得到更加符合實(shí)際情況的模擬結(jié)果，很多研究者致力于模型的修改。表3總結(jié)了對(duì)SWAT模型細(xì)菌模塊進(jìn)行的各種修改。這些修改可分為對(duì)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的修改、模型率定與驗(yàn)證方法的修改和對(duì)模型輸入數(shù)據(jù)的修改三方面。

表3 現(xiàn)有SWAT模型細(xì)菌模塊修改總結(jié)

對(duì)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的修改主要考慮沉積物中細(xì)菌的再懸浮釋放、太陽(yáng)輻射及溫度對(duì)細(xì)菌變化的影響這三方面。很多研究中均報(bào)道暴雨過(guò)后，流域中細(xì)菌的數(shù)量會(huì)驟然上升幾個(gè)數(shù)量級(jí)[30]。因此，有研究考慮了沉積物的再懸浮釋放后，模型的模擬效果有明顯提高。太陽(yáng)輻射和溫度是細(xì)菌生長(zhǎng)變化不可忽略的因素，不論是增加太陽(yáng)輻射還是修改溫度方程，都使模型更加符合流域的實(shí)際情況，均取得了不錯(cuò)的模擬效果。

由于水質(zhì)樣品在采集、測(cè)定、保存及參數(shù)的率定等過(guò)程會(huì)產(chǎn)生不確定性，進(jìn)而影響水文模型的模擬效果。為提高率定效果，有研究提出了區(qū)間對(duì)區(qū)間的率定方法，該方法主要應(yīng)用了細(xì)菌樣品在測(cè)定和率定過(guò)程中都可產(chǎn)生95置信區(qū)間的原理，將兩種置信區(qū)間結(jié)合在一起進(jìn)行率定，該方法可有效提高率定效果[7]。

細(xì)菌污染源的輸入一直是影響模擬效果的重要因素。輸入源一般分為點(diǎn)源、施肥、放牧、野生動(dòng)物、失敗的化糞池等，當(dāng)然由于國(guó)家和地區(qū)的不同，輸入的分類有一定的差異。有研究認(rèn)為野生動(dòng)物可成為自然河流中細(xì)菌的主要來(lái)源[10]；也有研究表明人類與畜禽養(yǎng)殖糞便及施肥都可成為細(xì)菌的主要來(lái)源[15]。為了讓輸入的細(xì)菌源更符合流域的實(shí)際情況，研究者將細(xì)菌源追蹤技術(shù)納入SWAT模型中[10]。加入該技術(shù)后，模型的模擬效果有明顯提高[10]。

4 細(xì)菌污染變化的影響因素研究

4.1 氣候變化的影響

近年來(lái)對(duì)氣候變化影響下流域變化的研究有很多，但針對(duì)流域中細(xì)菌污染物的變化研究較少。Mohammed等[16]分析了在挪威的流域中氣候變化對(duì)河流流量和大腸桿菌濃度的影響，研究表明：在未來(lái)流量的峰值會(huì)發(fā)生季節(jié)的遷移變化，河流的大腸桿菌濃度也受到影響，比如高濃度區(qū)域的延后出現(xiàn)等。Jeon等[6]應(yīng)用改進(jìn)的SWAT模型與GCM-RCM模型研究未來(lái)氣候變化對(duì)流域糞便細(xì)菌進(jìn)行的影響，研究結(jié)果認(rèn)為，到21世紀(jì)末，土壤與河流中的糞便細(xì)菌水平都會(huì)升高。以上研究都表明氣候變化可對(duì)細(xì)菌的濃度產(chǎn)生重要影響。研究中也發(fā)現(xiàn)，SWAT模型日趨成熟，可和氣候變化模型很好地結(jié)合，對(duì)很多污染物質(zhì)都可進(jìn)行良好的模擬。

4.2 土地利用變化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響

除氣候外，人類活動(dòng)對(duì)土地利用類型的改變和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化也是影響細(xì)菌濃度變化的重要因素。Coffey等[31]對(duì)氣候變化與土地利用管理變化下愛爾蘭流域中徑流和微生物的變化進(jìn)行了評(píng)估，研究結(jié)果認(rèn)為冬季降雨的增加可能會(huì)對(duì)微生物的遷移運(yùn)輸產(chǎn)生巨大的影響，有較高的污染風(fēng)險(xiǎn)。Iqbal等[15]是首個(gè)將社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與氣候變化相結(jié)合起來(lái)對(duì)流域中細(xì)菌變化進(jìn)行分析的，研究結(jié)果認(rèn)為未來(lái)氣候與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)微生物變化起重要的作用。

5 結(jié)論

1）在現(xiàn)階段應(yīng)用SWAT模型對(duì)細(xì)菌類污染物進(jìn)行的模擬研究中，主要的研究對(duì)象還是指示菌，在今后的研究中可以根據(jù)流域的實(shí)際情況，模擬其他種類的細(xì)菌。

2）很多研究者對(duì)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)、率定與驗(yàn)證方法及模型輸入等方面進(jìn)行了修改，使得模型更符合流域?qū)嶋H情況，模擬效果明顯提高。

3）氣候變化、土地利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都對(duì)流域中細(xì)菌的濃度變化及時(shí)空變化產(chǎn)生影響；SWAT模型可和氣候變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化等模型進(jìn)行很好地結(jié)合，為流域的模擬提供幫助。