环境水文过程模拟是流域水循环及其伴生过程耦合机制研究的难点之一，也是污染溯源和防控等水环境管理的关键技术手段。受物质形态和来源多样、与水文过程耦合机制不清等影响，流域尺度水文过程驱动的物质流失和输移过程模拟仍有待完善和发展，特别是有机碳和新型污染物等。在国家自然科学基金、亚洲开发银行咨询项目等支持下，中国科学院地理科学与资源研究所张永勇研究员与合作者基于团队已开发的流域水循环系统模型HEQM，在流域有机碳和塑料来源解析与输移过程模拟方面取得了如下进展：

（1）流域尺度碳源解析与输出通量估算是全球碳循环研究及碳中和管理的核心科学问题。针对水文驱动的土壤-河流有机碳流失与迁移机制不清等问题，拓展了HEQM模型水碳循环耦合功能（Zhang et al.,2025），解析了流域尺度有机碳的主要来源和输移途径，实现了三大突破，即：整合了土壤碳矿化-固定、坡面流失（地表径流、壤中流和基流）和河流代谢（藻类分解、沉降-再悬浮）等关键过程耦合；区分难降解颗粒有机碳（ROC）、易降解颗粒有机碳（LOC）和溶解有机碳（DOC），定量解析了大气沉降（占TOC 87.9%）与土壤流失（占12.1%）的贡献；发现了河流代谢（如藻类呼吸）与沉降过程对不同形态碳素动态转化的主导作用（ROC→DOC/LOC转化率超80%）（图1）。本研究为流域水-碳耦合机制挖掘、碳排放管理等提供科学依据和有效量化工具。 

（2）塑料污染已成为全球性环境问题，直接影响陆地和海洋生态系统。目前相关研究主要是通过建立废弃物产生量与经济社会发展的经验关系对塑料总量进行集总式估算（如国家或流域尺度），对塑料的来源、输移机制及其空间异质性探索仍需加强。本研究基于HEQM模型，综合考虑经济活动和水文气象过程驱动，实现了分布式流域多源塑料产生和输移估算，并在木兰溪流域进行验证（Zhang et al.,2024）。模型主要特色是全面考虑城市和农村固体废弃物、城市废污水、农村生活污水、不透水表面和农业地膜等多种塑料来源；精细化模拟了塑料随水文气象过程在坡面-河流的输移过程。结果表明：估算的多年平均塑料污染负荷产生系数与同一流域已有文献估计值相近，河流中塑料浓度模拟值与野外监测浓度吻合较好，相关系数高达0.97。根据集合模拟和溯源分析，多年平均塑料污染入河量占总产生量的12.5±2.5%，入河系数偏低导致大量的塑料残留在陆地系统；固体废弃物是首要来源，占总入河量的37.8±20.7%，其次是农业地膜（26.4±9.8%）和不透水地表（21.5±10.3%）（图2）。

图1  HEQM模型、流域不同形态有机碳在土壤-河流系统中关键过程模拟结果

图2  木兰溪流域不同来源塑料污染负荷占总入河量的比重

相关成果列表：

[1]. Zhang,Y.Y.*,Wu,J.,Gao,Y.*,Wang,G.S.,Wang,J.,Wen,X.F..Estimation of organic carbon source composition and riverine outflow using an integrated watershed hydrological–carbon modelling approach. Water Research 2025,280:123545

[2]. Zhang,Y.Y.*,Dou,M.*,Cai,X.L.,Han,B.,Wang,Z.,Niu,X.Y.,An,L.H.,Kang,J.X.,Zhou,L.J..Modeling multi-source plastic pollution yield and transport driven by catchment hydrometeorological processes. Water Research 2024,259: 121863.