面源团队成果 | JEM：结合多介质环境行为与水文过程的流域尺度农药归趋新框架
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团队成果
2022.7.25
结合多介质环境行为与水文过程的流域尺度农药归趋新框架
题目：Pesticide fate at watershed scale: A new framework integrating multimedia
behavior with hydrological processes
杂志：Journal of Environmental Management
第一作者：颜小曼
通讯作者：陈 磊
通讯单位：北京师范大学环境学院、水环境模拟重点实验室
文章简介
农药具有应用广泛、毒性大、环境行为复杂等特点，并引发了严重的生态环境问题。经典逸度模型因其结构简单、数据易获取等特点而被广泛应用于农药多介质归趋定量研究。然而，由于逸度模型缺乏详细的水文过程，则不适合在大尺度且不均匀流域中应用。本文将SWAT模型水文过程与逸度模型多介质归趋相结合，提出了一种新的模型框架，并将其应用于三峡库区小江流域。结果表明在逸度模型中考虑农药随地表水文过程传输变量的时空异质性具有重要意义，与经典模型相比，新框架为水文条件不均匀的流域尺度农药评价提供了技术支持，且该框架可推广到其他流域，并与其他模型耦合以应用到农业综合管理。
图1 研究区域地理位置
主要方法
基于SWAT模型和逸度模型的结合框架步骤如下（图2）：
1. 流域划分。 首先在ArcSWAT中将目标流域划分为一定数量的子流域，作为后续逸度模型模拟单元。
2. 模型的结合。 将SWAT模型中地表径流、产沙量和渗流等水文过程应用到逸度模型中，例如，在逸度模型的土壤相中加入了SWAT模型的下渗过程。
3. 模型框架运行。 将SWAT模型的水文结果转化为Level III逸度模型所需的农药传输参数，在此基础上建立各子流域不同水文季节和水文条件的多介质归趋模型，主要公式如下：
式中，U ww ，U sw 和U perc 为逸度模型土壤相所需的传输变量，分别为土壤水分径流速率、土壤固体径流速率和土壤下渗速率（m/h）；T 为设定的时间步长，即一季度（h）；SURQ，SYLD和PERC为SWAT模拟的水文结果，分别为相应季度内的地表径流量（mm）、泥沙负荷（t/ha）和下渗量（mm）；ρ ps 表示土壤固体密度（kg/m 3 ）；A SUB 和A s 分别表示子流域总面积和子流域土壤面积（m 2 ）。
图2 模型框架技术路线
主要结论
1. 基于SWAT模型得到的地表径流、土壤侵蚀量以及下渗量等水文结果存在显著的时空变化（表1），在水文过程的驱动下，逸度模型得到农药不同流失方式同样也存在显著时空分布差异（图3）。相比经典逸度模型采用固定经验传输系数的方式，本框架则突出考虑了农药多介质归趋过程中受不均匀水文条件的影响。
表1 不同季节水文结果以及各区域夏季平均水文结果
图3 在25个子流域内农药敌敌畏（DDV）和毒死蜱（CHP）在不同季度的不同方式流失强度分布。PSRI、PSEI和PPI分别代表单位耕地面积农药通过地表径流、土壤侵蚀和下渗流失的量（g/km 2 ）。
2. DDV和CHP两种农药均主要通过土壤降解去除，且土壤是最大的农药储存库，农药在土壤中的迁移方式直接决定了其他介质特别是附近水体污染严重程度。DDV从土壤流失的主要形式为下渗（70.8%），其次为向地表水体（28.4%）和空气（0.8%）迁移，CHP从土壤流失的主要形式为下渗（47.0%），其次是通过地表径流和土壤侵蚀进入水体（28.4%）和挥发到空气（9.7%）。这表明流域尺度农药归趋过程中，水文传输过程占主导地位，因此将逸度模型中的水文过程细化是十分必要的。
3. 基于框架中的逸度方法，农药通过一系列环境行为归趋到水、土、沉积物和大气四种环境介质，根据多介质空间分布可识别出小江流域西南和中部区域为农药污染的热点区域，尤其是在夏秋季（图4），从而为流域农药管理、使用和污染治理提供针对性策略。
图4 农药多介质预测浓度时空分布
主要突破
本研究提出了一个农药归趋模拟新框架，将SWAT模型水文过程结合到逸度模型多介质归趋过程中，考虑农药随地表水文过程传输变量的时空异质性，与经典逸度模型相比，新框架为水文条件不均匀的流域尺度农药评价提供了技术支持。
论文背后的故事
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本篇论文起源于我的本科毕业论文，早在大四陈老师就对我的研究方向进行了提点，让我这个模型小白渐渐能够熟练地运行一些模型并能从原理上去对比不同类型模型的差异，进而结合科学问题去对模型进行耦合。在论文撰写上，陈老师也给了我极大的帮助，耐心地指出大大小小的问题并引导修改，自知论文写作水平的不足，研一上学期经常熬夜改论文，前前后后也有十几稿，回头再看初稿简直惨不忍睹。投稿期间也被拒了多次稿，想要放弃的时候陈老师鼓励我“所有神枪手都是子弹喂出来的”，于是吸取了许多优秀审稿人的意见，最终幸运地发表了人生中第一篇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.
分享人介绍
颜小曼，2021级硕士生
研究方向：农业非点源污染模拟与控制
邮箱：202121180016@mail.bnu.edu.cn
颜小曼 | 供稿
张宇涵 | 编辑
陈磊 | 审核
【 往期回顾 】
流域面源污染控制与水环境修复
陈磊
团队负责人
本公众号由北京师范大学面源污染团队运营，重点分享水利工程、环境科学与工程、生态工程、环境系统工程等领域的学术前沿、科普知识，特别是创建了科学家分享系列《失败集》和文献俱乐部；荣获2020年全国百强学术公众号。
团队负责人陈磊，北京师范大学博士生导师，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）。主要从事流域非点源污染模拟与控制、水环境模拟与修复等领域研究，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。在Water Research、Water Resources Research、Journal of Hydrology等权威期刊发表学术论文100余篇，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4个国际期刊的SCI的栏目/客座主编，组织首届大江大河生态保护与修复研讨会，并担任多项重要学术会议秘书长、组委会副主席等职务，为30余个本领域顶级刊物提供审稿服务。
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