农业流域非点源污染治理的最佳管理措施空间多目标优化研究

针对农业流域非点源污染治理中物理模型计算效率低、优化难度大的问题，研究人员提出基于替代模型的多目标优化方法，耦合SWAT模型与优化算法，实现了福州河流域BMPs的空间优化配置。结果表明，不同水质目标下BMPs组合差异显著，TN/TP控制依赖保护性耕作与草沟，NO3控制需减少施肥与植被过滤带，为精细化分区治理提供了技术支撑。

　　

农业非点源污染是威胁流域水环境的核心问题，其分散性、异质性特征使得传统治理手段难以精准施策。尽管最佳管理措施（Best Management Practices, BMPs）被证明有效，但如何平衡成本与效益、协调不同BMPs间的协同/拮抗作用，仍是困扰管理者的难题。现有研究多依赖SWAT等物理模型进行模拟，但因其计算耗时，难以与优化模型高效耦合，导致流域尺度的BMPs空间优化进展缓慢。

针对这一瓶颈，大连市某研究团队在《Journal of Hydrology》发表论文，提出基于改进响应矩阵的替代模型方法，构建了福州河流域BMPs多目标优化框架。该研究通过建立SWAT模拟输出与矩阵方程的响应关系，将复杂物理过程简化为可快速计算的替代模型，实现了TN、TP、NO₃等多目标下的BMPs空间优化配置。

关键技术包括：1）开发改进响应矩阵模型替代SWAT，提升计算效率；2）基于福州河流域1,638 km²的SWAT校准数据（R²>0.7，NSE>0.6）构建替代模型；3）采用多目标优化算法分析BMPs组合效果与成本权衡；4）通过亚流域尺度验证优化方案的时空异质性。

验证结果
替代模型与SWAT的TN、TP、NO₃模拟结果误差均<15%，计算速度提升两个数量级，满足优化迭代需求。

案例研究
福州河流域分析显示：TN/TP控制首选保护性耕作（如秸秆覆盖）和草沟，可减少颗粒态污染物；而NO₃控制更依赖施肥量削减（30%-50%）与植被过滤带，针对溶解态污染物。优化方案在关键污染区采用高成本高效措施（如BMP17组合），其他区域选择低成本措施，实现治理效益最大化。

讨论
研究发现BMPs组合存在显著亚加和效应，如BMP17的TN/TP去除率仅为理论值的50%-70%，表明措施间可能存在竞争关系。此外，流域上游（坡度>15°）实施保护性耕作的TP去除效率是下游的2.3倍，凸显地形对BMPs效果的调控作用。

结论
该研究提出的替代模型优化框架，为流域精细化治理提供了方法论支持。通过分区施策（关键区高投入、一般区低成本），在总成本降低18%的同时，实现TN、TP、NO₃平均削减率分别达34%、29%、41%。研究成果对农业面源污染治理与可持续发展具有重要实践意义。

（注：全文解读严格基于原文，未添加非原文信息；专业术语如SWAT、BMPs等首次出现时标注英文全称；上下标格式依原文保留；作者单位按要求隐去英文名称）