基于SWAT+的流域尺度点源污染物生成-衰减-输移一体化建模研究

针对地表水体化学污染治理需求，研究团队开发了集成SWAT+水文模型与Python库pySWATPlus的新型建模框架，实现了流域尺度点源污染物（如环丙沙星和文拉法辛）从生成、污水处理厂去除到河道输移的全过程动态模拟。该研究通过地中海三流域案例验证，为水质管理提供了可评估减排策略的工具，推动SWAT+模型在点源污染物研究中的创新应用。

　　

随着全球地表水化学污染问题日益严峻，抗生素和抗抑郁药物等新兴污染物对水生生态系统和公共健康的威胁引发广泛关注。尽管欧美通过《清洁水法案》《水框架指令》等法规强化水质管理，但受气候变化、人口老龄化等因素影响，许多河流仍面临污染物超标困境。传统监测手段成本高昂且时空覆盖有限，而现有水质模型多存在水文过程简化、污染物适用性窄等缺陷。

针对这一挑战，ICRA（加泰罗尼亚水资源研究所）的研究团队在《Environmental Modelling 》发表创新成果，首次将SWAT+水文模型与点源污染物动态模拟深度整合。该研究构建了包含污染生成模型、基于SWAT+的衰减输移模型及pySWATPlus校准工具的三位一体框架，并以地中海流域典型药物环丙沙星(ciprofloxacin)和文拉法辛(venlafaxine)为对象进行验证。

研究采用多学科交叉技术方法：1) 通过文献挖掘建立污染物人均排放量估算模型；2) 改造SWAT+农药模块开发点源专属衰减算法；3) 利用Python库实现外部模型与SWAT+的耦合及参数同步优化。数据源自加泰罗尼亚河流域管理局的河道监测网络，校准过程采用多核并行计算提升效率。

【主要发现】

1. 模型架构创新
   通过重构SWAT+的农药输移模块，首次实现点源污染物在河道-水库系统中的动态衰减模拟，解决了传统模型依赖稳态水文输入的局限。

2. 跨污染物普适性
   框架成功应用于性质迥异的两种药物（亲水性venlafaxine与疏水性ciprofloxacin），验证了模型对不同理化特性污染物的适应能力。

3. 校准效能突破
   pySWATPlus库实现生成模型与输移模型的联合校准，在Besòs-Tordera流域仅用23小时即完成venlafaxine参数优化，纳什系数达0.82。

4. 管理应用价值
   案例显示污水处理厂二级处理对ciprofloxacin去除率约65%，为欧盟《环境质量标准指令》的达标策略制定提供量化依据。

讨论部分指出，当前框架仍受监测数据不足制约，未来需扩展验证数据集。但相比GREAT-ER、WASP等传统模型，其突出优势在于：1) 耦合分布式水文过程；2) 模块化设计支持快速扩展新污染物；3) 开源特性降低使用门槛。该研究为实施欧盟《观察清单》污染物监管提供了关键技术支撑，其开发的pySWATPlus库已被整合至SWAT官方生态模型体系。

这项工作的科学价值在于突破了点源污染"源-汇"过程割裂模拟的瓶颈，通过SWAT+的生态系统服务评估功能，首次实现从污染排放到河道生态效应的全链条分析。正如通讯作者Vicen? Acu?a强调的，该框架特别适用于快速城市化流域的药物污染管控，为落实联合国可持续发展目标(SDG)6.3的水质管理目标提供了创新工具。