面源團(tuán)隊(duì)成果 | JEM：結(jié)合多介質(zhì)環(huán)境行為與水文過程的流域尺度農(nóng)藥歸趨新框架
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分享流域面源控制方法與水環(huán)境修復(fù)前沿技術(shù)，助力流域水環(huán)境學(xué)發(fā)展。
團(tuán)隊(duì)成果
2022.7.25
結(jié)合多介質(zhì)環(huán)境行為與水文過程的流域尺度農(nóng)藥歸趨新框架
題目：Pesticide fate at watershed scale: A new framework integrating multimedia
behavior with hydrological processes
雜志：Journal of Environmental Management
第一作者：顏小曼
通訊作者：陳 磊
通訊單位：北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院、水環(huán)境模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
文章簡介
農(nóng)藥具有應(yīng)用廣泛、毒性大、環(huán)境行為復(fù)雜等特點(diǎn)，并引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。經(jīng)典逸度模型因其結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)易獲取等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥多介質(zhì)歸趨定量研究。然而，由于逸度模型缺乏詳細(xì)的水文過程，則不適合在大尺度且不均勻流域中應(yīng)用。本文將SWAT模型水文過程與逸度模型多介質(zhì)歸趨相結(jié)合，提出了一種新的模型框架，并將其應(yīng)用于三峽庫區(qū)小江流域。結(jié)果表明在逸度模型中考慮農(nóng)藥隨地表水文過程傳輸變量的時(shí)空異質(zhì)性具有重要意義，與經(jīng)典模型相比，新框架為水文條件不均勻的流域尺度農(nóng)藥評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支持，且該框架可推廣到其他流域，并與其他模型耦合以應(yīng)用到農(nóng)業(yè)綜合管理。
圖1 研究區(qū)域地理位置
主要方法
基于SWAT模型和逸度模型的結(jié)合框架步驟如下（圖2）：
1. 流域劃分。 首先在ArcSWAT中將目標(biāo)流域劃分為一定數(shù)量的子流域，作為后續(xù)逸度模型模擬單元。
2. 模型的結(jié)合。 將SWAT模型中地表徑流、產(chǎn)沙量和滲流等水文過程應(yīng)用到逸度模型中，例如，在逸度模型的土壤相中加入了SWAT模型的下滲過程。
3. 模型框架運(yùn)行。 將SWAT模型的水文結(jié)果轉(zhuǎn)化為Level III逸度模型所需的農(nóng)藥傳輸參數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立各子流域不同水文季節(jié)和水文條件的多介質(zhì)歸趨模型，主要公式如下：
式中，U ww ，U sw 和U perc 為逸度模型土壤相所需的傳輸變量，分別為土壤水分徑流速率、土壤固體徑流速率和土壤下滲速率（m/h）；T 為設(shè)定的時(shí)間步長，即一季度（h）；SURQ，SYLD和PERC為SWAT模擬的水文結(jié)果，分別為相應(yīng)季度內(nèi)的地表徑流量（mm）、泥沙負(fù)荷（t/ha）和下滲量（mm）；ρ ps 表示土壤固體密度（kg/m 3 ）；A SUB 和A s 分別表示子流域總面積和子流域土壤面積（m 2 ）。
圖2 模型框架技術(shù)路線
主要結(jié)論
1. 基于SWAT模型得到的地表徑流、土壤侵蝕量以及下滲量等水文結(jié)果存在顯著的時(shí)空變化（表1），在水文過程的驅(qū)動(dòng)下，逸度模型得到農(nóng)藥不同流失方式同樣也存在顯著時(shí)空分布差異（圖3）。相比經(jīng)典逸度模型采用固定經(jīng)驗(yàn)傳輸系數(shù)的方式，本框架則突出考慮了農(nóng)藥多介質(zhì)歸趨過程中受不均勻水文條件的影響。
表1 不同季節(jié)水文結(jié)果以及各區(qū)域夏季平均水文結(jié)果
圖3 在25個(gè)子流域內(nèi)農(nóng)藥敵敵畏（DDV）和毒死蜱（CHP）在不同季度的不同方式流失強(qiáng)度分布。PSRI、PSEI和PPI分別代表單位耕地面積農(nóng)藥通過地表徑流、土壤侵蝕和下滲流失的量（g/km 2 ）。
2. DDV和CHP兩種農(nóng)藥均主要通過土壤降解去除，且土壤是最大的農(nóng)藥儲(chǔ)存庫，農(nóng)藥在土壤中的遷移方式直接決定了其他介質(zhì)特別是附近水體污染嚴(yán)重程度。DDV從土壤流失的主要形式為下滲（70.8%），其次為向地表水體（28.4%）和空氣（0.8%）遷移，CHP從土壤流失的主要形式為下滲（47.0%），其次是通過地表徑流和土壤侵蝕進(jìn)入水體（28.4%）和揮發(fā)到空氣（9.7%）。這表明流域尺度農(nóng)藥歸趨過程中，水文傳輸過程占主導(dǎo)地位，因此將逸度模型中的水文過程細(xì)化是十分必要的。
3. 基于框架中的逸度方法，農(nóng)藥通過一系列環(huán)境行為歸趨到水、土、沉積物和大氣四種環(huán)境介質(zhì)，根據(jù)多介質(zhì)空間分布可識(shí)別出小江流域西南和中部區(qū)域?yàn)檗r(nóng)藥污染的熱點(diǎn)區(qū)域，尤其是在夏秋季（圖4），從而為流域農(nóng)藥管理、使用和污染治理提供針對(duì)性策略。
圖4 農(nóng)藥多介質(zhì)預(yù)測(cè)濃度時(shí)空分布
主要突破
本研究提出了一個(gè)農(nóng)藥歸趨模擬新框架，將SWAT模型水文過程結(jié)合到逸度模型多介質(zhì)歸趨過程中，考慮農(nóng)藥隨地表水文過程傳輸變量的時(shí)空異質(zhì)性，與經(jīng)典逸度模型相比，新框架為水文條件不均勻的流域尺度農(nóng)藥評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支持。
論文背后的故事
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本篇論文起源于我的本科畢業(yè)論文，早在大四陳老師就對(duì)我的研究方向進(jìn)行了提點(diǎn)，讓我這個(gè)模型小白漸漸能夠熟練地運(yùn)行一些模型并能從原理上去對(duì)比不同類型模型的差異，進(jìn)而結(jié)合科學(xué)問題去對(duì)模型進(jìn)行耦合。在論文撰寫上，陳老師也給了我極大的幫助，耐心地指出大大小小的問題并引導(dǎo)修改，自知論文寫作水平的不足，研一上學(xué)期經(jīng)常熬夜改論文，前前后后也有十幾稿，回頭再看初稿簡直慘不忍睹。投稿期間也被拒了多次稿，想要放棄的時(shí)候陳老師鼓勵(lì)我“所有神槍手都是子彈喂出來的”，于是吸取了許多優(yōu)秀審稿人的意見，最終幸運(yùn)地發(fā)表了人生中第一篇SCI。
文章信息： Xiaoman Yan, Ziqi Zhang, Lei Chen, et al. Pesticide fate at watershed scale: A new framework integrating multimedia behavior with hydrological processes, Journal of Environmental Management, 2022, 319: 115758.
DOI: 10.1016/j.jenvman.2022.115758.
分享人介紹
顏小曼，2021級(jí)碩士生
研究方向：農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模擬與控制
郵箱：202121180016@mail.bnu.edu.cn
顏小曼 | 供稿
張宇涵 | 編輯
陳磊 | 審核
【 往期回顧 】
流域面源污染控制與水環(huán)境修復(fù)
陳磊
團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人
本公眾號(hào)由北京師范大學(xué)面源污染團(tuán)隊(duì)運(yùn)營，重點(diǎn)分享水利工程、環(huán)境科學(xué)與工程、生態(tài)工程、環(huán)境系統(tǒng)工程等領(lǐng)域的學(xué)術(shù)前沿、科普知識(shí)，特別是創(chuàng)建了科學(xué)家分享系列《失敗集》和文獻(xiàn)俱樂部；榮獲2020年全國百強(qiáng)學(xué)術(shù)公眾號(hào)。
團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人陳磊，北京師范大學(xué)博士生導(dǎo)師，第五批中組部“萬人計(jì)劃”青年拔尖人才獲得者，流域非點(diǎn)源污染過程學(xué)科團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人（2017-2020）。主要從事流域非點(diǎn)源污染模擬與控制、水環(huán)境模擬與修復(fù)等領(lǐng)域研究，在非點(diǎn)源污染過程機(jī)理、核算模型和防控模式等方面取得多項(xiàng)關(guān)鍵突破。在Water Research、Water Resources Research、Journal of Hydrology等權(quán)威期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，出版學(xué)術(shù)專著3部，授權(quán)軟著/專利10項(xiàng)，獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)。擔(dān)任4個(gè)國際期刊的SCI的欄目/客座主編，組織首屆大江大河生態(tài)保護(hù)與修復(fù)研討會(huì)，并擔(dān)任多項(xiàng)重要學(xué)術(shù)會(huì)議秘書長、組委會(huì)副主席等職務(wù)，為30余個(gè)本領(lǐng)域頂級(jí)刊物提供審稿服務(wù)。
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