浙江大学陈丁江教授团队在Earth Critical Zone（ECZ，《地球关键带》）期刊发表题为“推进地下水流通道建模以量化滞后时间及遗留养分动态—从而改善扩散源污染问题 (Advancing Groundwater Flowpath Modeling to Quantify Lag Times and Legacy Nutrient Dynamics for Improved Diffuse Source Pollution Mitigation)”的综述论文。
地下水流通道过程是理解营养物质从陆地景观输送到地表受纳水体的基础。本篇综述系统性地探讨了地下水流通道过程的形成机理、定量模型及其对水质的影响。氮磷在土壤-地下水-河流连续体中的输移、转化与交互作用由水文与生物地球化学过程耦合驱动，并受自然因素（如降雨强度、地形地貌）和人为活动（如施肥灌溉、排水措施）的共同调控。传统流域模型受限于固有结构与算法（如单一退水系数、空间单元集总概化），对地下水流通道过程的模拟能力相对薄弱。改进型和近期开发的流域模型通过内部优化/重建（如SWAT-2R、ELEMeNT）和外部耦合（如SWAT-MODFLOW、Agro-IBIS-THMB）的提升方式具备增强的模拟效能，但是其仍在地下磷流失量化、生物地球化学反应解析以及时空异质性模拟等方面存在局限。总体而言，目前对流域地下水流通道过程的原理机制尚未完全明确，相关流域模型尚难以精细刻画地下氮磷流失的完整动态。未来研究应致力于构建高频-多指标-多维度的协同监测体系，深化对关键界面复杂生物地球化学过程与水文耦合机制的理解，并发展整合微生物群落功能、动态反馈调节机制以及多重强化验证的机理-统计混合模型，为突破非点源氮磷污染治理困境提供关键科学依据。
地下水流通道过程机制
水文过程机制：水文过程控制地下水流路径、速率及向地表水的排泄量，显著影响氮磷地下入河过程的动态与通量。在丰水期、地势低洼易涝、沙壤土/龟裂黏土、地下水位较浅的农业流域，采取免耕/垄耕、人工回灌/排水泄洪、传统/不合理灌溉等管理措施情况下，地下入河途径可能贡献较大的氮磷污染负荷。
生物地球化学过程机制：生物地球化学过程控制氮磷地下入河过程中的化学形态、溶解度和固持状态，进而影响最终排入河流的氮磷类别和浓度。在温度较高、季节性冻融、未利用地/裸地较多、中性土壤广布的农业流域，采取过量/高强度施肥、频繁深耕/翻耕、湿地抽干等管理措施情况下，地下入河途径可能贡献较大的氮磷污染负荷。
水文和生物地球化学过程交互机制：水文输移控制生物地球化学反应发生的地点、时间和环境条件，而长期强烈的生物地球化学反应会改变介质（如潜流带、河岸带）的物理结构/性质，进而影响后续水文过程并形成动态反馈循环。在洪水频发、丘陵陡坡、喀斯特地貌、河网密集的农业流域，采取明沟排水、暗管排水、河道裁弯取直等管理措施情况下，地下入河途径可能贡献较大的氮磷污染负荷。
图1 地块尺度下地下水流通道过程概念图
传统模型的局限性
模拟水文滞后的挑战：传统分布式/半分布式模型（SWAT、HSPF和AnnAGNPS）基于线性水库、活动蓄水层和时滞-响应框架，通过参数化入渗和排泄过程可一定程度模拟地下水流动滞后；但是其普遍存在结构性简化（如单一入渗/退水系数、集总式空间单元处理以及瞬时径流释放），导致难以准确模拟长时滞基流组分、量化空间异质影响以及独立解析地下水滞后时长。
模拟地下磷流失的挑战：传统分布式/半分布式模型（SWAT、HSPF和AnnAGNPS）基于各自地下水流动框架，通过磷库追踪、转化模拟以及浓度预设可一定程度模拟地下磷流失过程；但是其普遍存在结构性简化（如固定/月变磷浓度、瓦管作用考虑不足以及输移路径物理缺失），导致难以准确刻画地下磷浓度的复杂动态、捕捉水文事件响应以及估算真实地下磷贡献。
其它限制：未能充分刻画动态的地表水与地下水交互作用；缺乏对地下水分布的空间显式物理模拟；忽视优先流和大孔隙流；未能充分呈现反硝化作用的空间异质性等。
改进型流域模型
水文滞后的模拟改进：自主改进型模型（SWAT-2R和SWAT-MG）通过引入多层地下水库结构并区分不同响应时间，显著提升模型在含水层活跃季节/流域应用时的模拟精度；不足之处在于依靠经验参数/传统理论、物理过程/空间异质刻画粗糙、参数组合繁杂以及适用区域受限。耦合改进型模型（SWAT-MODFLOW、SWAT-LAG和SWAT-SAS）通过集成三维物理地下水模型、旅行时间分布理论和存储-选择函数机制，显著提升模型评估地下水文动态、解析地下水流路径以及量化传输时间/水龄分布的能力；不足之处在于接口耦合与参数传递依靠简化/经验方法、含水层结构和特定流路滞后刻画不充分、传输时间参数缺乏时变性以及模型校验依赖特定监测数据。
地下磷流失的模拟改进：自主/耦合改进型模型（SWAT-P、SWAT-Apostel、SWAT-DrainP和SWAT-MODFLOW-RT3D）通过引入磷浓度参数、强化磷输移机制和集成物理水流与反应模块，显著提升模型估算地下磷贡献、解析河道磷来源以及模拟土壤-含水层磷输移转化的能力；不足之处在于磷浓度设定缺乏动态反馈、关键参数获取与验证困难、对颗粒态磷和孔隙优先流刻画不充分以及生物地球化学反应过度简化。
近期开发的模型
耦合模型（IMAGE-GNM、Agro-IBIS-THMB）
通过整合全球水文模型、陆地生态模型和河网路由演算机制，显著提升模型长期情景分析以及量化遗留养分累积和贡献的能力；两者分别在宏观格局评估和微观机理模拟方面具有优势，但存在时空分辨率较低、氮磷部分形态模拟缺失、深层地下入河过程简化以及模拟体系/基础数据复杂的局限。
概念模型（NMBR、MONERIS、ELEMeNT）
通过融合多路径核算、水龄加权平均和源区-传输区双模块框架，显著提升模型精确识别氮磷贡献路径以及预测改善措施滞后程度的能力；它们分别在水文滞后量化、多源贡献快速评估和滞后/遗留效应解耦方面具有优势，但存在磷养分或地表过程模拟缺失、简化时空异质和生物地球化学过程以及依赖外部模型或长序列数据的局限。
未来发展
虽然氮磷的地下水流通道过程研究已取得一定进展，但是其影响因素众多、过程高度复杂且多学科交叉融合的特性决定其未来研究仍有较大提升空间。未来研究需在监测、机理和模型层面协同推进，在构建覆盖关键交互界面的三维-高频监测网络的基础上，深入探究深厚包气带及潜流带界面氮磷输移转化机制，改进现行模型模块以准确反映水文-生物地球化学过程的动态反馈耦合，为突破非点源氮磷污染治理困境提供关键科学依据。
图2 理想流域模型中地下水流通道过程概念建模框架
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ecz.2025.100042