摘要：農(nóng)業(yè)面源污染 研究 是當前國內外環(huán)境 科學 與工程領域的研究熱點，但研究大多側重于農(nóng)業(yè)面源污染的成因、機理、模型和控制對策等，而農(nóng)業(yè)面源定量化評價 方法 研究較少。本文綜合介紹了農(nóng)業(yè)面源定量化評價的常用方法及其研究現(xiàn)狀，重點介紹AGNPS模型，AnnAGNPS模型和基于Web GIS的農(nóng)面源污染信息系統(tǒng) (ANPSPIS)。

關鍵詞：Web GIS 農(nóng)業(yè)面源污染信息系統(tǒng) ANPSPIS 小流域 模型預測

農(nóng)業(yè)面源污染是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不合理施用化肥、農(nóng)藥以及灌溉水、工農(nóng)業(yè)廢棄物、生活垃圾等對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境所造成的大面積污染。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高，化肥、農(nóng)藥等大量施用，雖對農(nóng)業(yè) 發(fā)展 起到促進作用，但也導致土壤理化性狀失衡、地下水質惡化、農(nóng)田大氣質量下降等一系列環(huán)境 問題 。近年來，農(nóng)業(yè)面源污染問題日益突出，不僅造成資源浪費，而且破壞農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境， 影響 人們身心健康。防治農(nóng)業(yè)面源污染已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟需解決的問題。

隨著點源污染控制的逐漸加強，面源污染對環(huán)境的影響日漸突出。 目前 ，許多發(fā)達國家已證實農(nóng)業(yè)面源污染是導致水污染的主要原因之一。農(nóng)業(yè)面源污染影響了全世界陸地面積的 3 0 %～50 %，并且在全世界不同程度退化的12億hm2 耕地中，約12 %的耕地由農(nóng)業(yè)面源污染引起。我國也存在著嚴重的面源污染問題，面源污染加劇了各類水體的污染，加速了湖泊的富營養(yǎng)化。因此，開展面源污染負荷定量化研究不僅對我國水環(huán)境污染的全面治理與系統(tǒng)研究具有重要意義，而且具有明顯的環(huán)境效益和 社會 效益。進行面源污染的量化研究用以評價污染治理措施，最為有效和直接的研究方法是建立模擬模型，進行時間和空間序列上的模擬。常見的流域農(nóng)業(yè)面源污染模型主要有ANSWERS、CREAMS、WEPP、AGNPS等模型，但不同模型的模擬范圍和機理不同，其中AGNPS模型在美國、歐洲、澳洲、我國 臺灣 省等地均取得了較好的模擬結果，但 應用 中仍有一些局限性。AnnAGNPS模型是在AGNPS模型的基礎上發(fā)展而來的，它克服了AGNPS模型應用中的一些局限性，可用于評價流域內面源污染的長期作用效果。

1. AGNPS模型簡介

AGNPS(Agricultural Non-point Source)模型是由USDA' s Agricultural Research Service和明尼蘇達Pollution Control Agency共同研制出的 計算 機模擬模型，適于對面積為1～50000 hm2的小流域生態(tài)系統(tǒng)進行農(nóng)業(yè)面源污染的發(fā)生進行評價和流域內土壤侵蝕及N、P元素的流失進行預測。該模型是一種分室(cell)模型，應用時將流域均等地劃分為若干分室(cell)，流域徑流、污染物、泥沙沿分室匯集于集水口(圖1 )。

圖1　小流域分室示意圖

模型可對整個流域或流域內任何一個分室的狀況進行描述、模擬和評價，反映流域特征的輸入輸出狀況均在分室水平上表達，輸出的結果可以是單個分室的也可以是整個流域的結果。AGNPS是事件(event-based)模型，可以對每一次降雨事件進行模擬。模型由四大模塊(水文、侵蝕、沉積和化學傳輸)組成。徑流量、徑流高峰主要通過水文模塊計算;坡地侵蝕由侵蝕模塊計算;沉積物的傳輸通過沉積模塊計算;N、P在流域的遷移傳輸通過化學傳輸模塊，分為可溶性部分和泥沙結合態(tài)進行計算�？扇苄訮和泥沙結合態(tài) P的計算公式分別為：

Nutsol =Cnut ·Nutext·Q (1 )

Nutsed =N utf ·Qs(x)·ER (2 )

式中：Nutsol—徑流中可溶性P的濃度;Cnut—徑流過程中表層土壤中可溶性P的平均濃度;Nutext—土壤可溶性P的提取系數(shù);Q為總徑流量;Nutsed—泥沙結合態(tài) P的濃度; N utf—土壤中磷的含量;ER—磷素富集率，用下式計算：

ER=7.4Qs(x) – 0.2 t Tf

式中：Qs(x)—徑流泥沙量 (由其它模塊計算 );Tf—一個與土壤質地有關的因子。

AGNPS模型是特別適于評價和預測小流域農(nóng)業(yè)非點源污染發(fā)生的計算機模型，雖然AGNPS模型已對美國十幾個小流域進行過模擬并已被驗證，在我國臺灣地區(qū)也曾應用。但國內的應用尚鮮見報導。本簡介只限于一個小流域內，如果將AGNPS模型與GIS和一些優(yōu)化模型如多目標線性規(guī)劃模型 (IMGLP)結合應用，將能對小流域內不同的農(nóng)業(yè)管理措施進行評價，尋找出最佳農(nóng)業(yè)管理措施(Best Management Practices，BMPs)，以后還需進一步的研究和探討。

2. AnnAGNPS模型簡介

2.1 原理及組成

AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-point Source)模型是在AGNPS模型基礎上發(fā)展而來的。AGNPS在應用中雖取得較好的效果，但由于它是單事件模型，在應用中有許多局限性，因此20世紀90年代初，美國農(nóng)業(yè)部 自然 資源保護局與農(nóng)業(yè)研究局轉向開發(fā)連續(xù)模擬模型—AnnAGNPS模型。AnnAGNPS模型是一種連續(xù)模擬模型，它不是沿襲AGNPS模型均等劃分分室的方法，而是按流域水文特征將流域劃分成一定的分室(Cell)，即按集水區(qū)來劃分單元，使模型更符合實際;并以日為基礎連續(xù)模擬一個時段內各分室每天及累計的徑流、泥沙、養(yǎng)分、農(nóng)藥等的輸出結果，可用于評價流域內面源污染的長期作用效果。而AGNPS模型是一種場次降雨模型，無法對流域內面源污染進行長期預測。AnnAGNPS模型另一改進是采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE) 預測各分室的土壤侵蝕。此外AnnAGNPS模型還包括一些特殊的模型計算點源、畜牧養(yǎng)殖場產(chǎn)生的污染物、土壩、水庫和集水坑對徑流、泥沙的影響。AnnAGNPS模型主要由數(shù)據(jù)輸入和編輯模塊、年污染物負荷計算模塊、數(shù)據(jù)輸出和顯示模塊 3部分組成。在模型應用中，最主要是數(shù)據(jù)準備，數(shù)據(jù)準備模型由 4部分組成：流網(wǎng)生成模塊(Flow net Generator)、數(shù)據(jù)錄入模塊 (Input Editor)、氣象因子生成模塊 (Generation of weather elements for multiple application)和數(shù)據(jù)文件轉換模塊(AGNPS to AnnAGNPS Converter)。

2.2　預測模型工作流程及參數(shù)選擇

預測模型的工作流程框圖如圖2所示。

圖2　農(nóng)業(yè)面源污染負荷預測流程

AnnAGNPS模型在農(nóng)業(yè)面源污染物負荷估算及評價中的應用潛力。由于本研究中許多參數(shù)采用默認值，對模型的精度有一定的影響，因此未來該模型的研究應用中可結合遙感技術和進一步的實地調查，對參數(shù)進行進一步的修正，使該模型能更好地反映流域的特征，提高模擬精度。地理信息系統(tǒng) (GIS)具有強大的空間數(shù)據(jù)管理、 分析 和制圖能力，已被廣泛應用于具有空間特征的農(nóng)業(yè)面源污染研究，尤其是將GIS與數(shù)學模型研究相結合的實用價值及重要意義日益顯現(xiàn)。

3. 基于Web GIS的農(nóng)業(yè)面源污染信息系統(tǒng) (ANPSPIS)簡介

農(nóng)業(yè)面源污染負荷占水污染負荷的比例很高，我國污染湖泊中，農(nóng)業(yè)面源污染負荷占總負荷的比例均在50 %以上，國外報道農(nóng)業(yè)面源污染對河流、湖泊的負荷在60 %～70 %之間。現(xiàn)階段我們對農(nóng)業(yè)面源污染情況的了解程度遠遠不如點源污染，還缺乏整治的相關 理論 和實踐經(jīng)驗，減少污染物尤其是氮、磷營養(yǎng)的排放具有相當大的難度。因此，研究農(nóng)業(yè)面源污染的特點，減少農(nóng)業(yè)面源污染排放，改善和優(yōu)化環(huán)境質量，保持我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)資源、環(huán)境和農(nóng)業(yè)協(xié)調發(fā)展已成為新世紀刻不容緩的任務。

新技術地理信息系統(tǒng) (Geo-graphic Information System，簡稱GIS)的應用推進了農(nóng)業(yè)面源污染的定量化研究工作。同時隨著 網(wǎng)絡 技術不斷發(fā)展，也推動著GIS技術的快速更新和發(fā)展，一種GIS與 INTERNET/INTRANET相融合的WEBGIS技術應運而生，GIS通過互聯(lián)網(wǎng)使功能得以擴展，而真正成為一種大眾使用的工具。從互聯(lián)網(wǎng)的任意一個節(jié)點，Internet用戶都可以瀏覽萬維網(wǎng)GIS站點中的空間數(shù)據(jù)、制作專題圖，以及進行各種空間檢索和空間分析。同時，由于Web GIS具有開放性、訪問的范圍更廣泛、平臺的獨立性、系統(tǒng)成本較低、操作簡單方便等優(yōu)點，目前已在各行各業(yè)被相當廣泛地應用。至于在環(huán)境保護上的應用，國內已有不少報道，已成為當前研究的熱點。但在農(nóng)業(yè)面源污染系統(tǒng)中采用這種模式相對較少。同時由于環(huán)境Web GIS在局域網(wǎng)內應用，具有適應性強、使用簡單、地理信息與環(huán)境數(shù)據(jù)更新、交互方便等特點，能較直觀地表達與空間地理信息有關的污染源、區(qū)域環(huán)境狀況等點源、面源信息，鑒此，本文首次研制和開發(fā)了基于Web GIS的農(nóng)業(yè)面源污染信息系統(tǒng) (ANPSPIS)，以期為農(nóng)業(yè)面源污染的管理、規(guī)劃和決策提供服務。

3.1　系統(tǒng)組成與功能

3.1.1　系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主頁面由7個一級模塊組成，每個模塊又由若干二級模塊構成。一級模塊包括項目概況、污染現(xiàn)狀、綜合評價、成果圖件、控制對策、決策咨詢、示范樣板。

3.1.2　系統(tǒng)功能

(1)信息查詢功能：

由于后臺數(shù)據(jù)庫的支持，管理員可以方便地更新頁面，并可以使用戶既方便又快捷地獲取有關農(nóng)業(yè)面源污染的相關新聞、信息和資料。

(2)地圖發(fā)布功能：

本系統(tǒng)應用了 ESRI公司的Arc IMS地圖發(fā)布軟件，地圖管理十分方便，并能及時更新地圖信息，用戶也可以交互式方便快捷地獲取空間數(shù)據(jù)的信息。

(3)屬性和空間數(shù)據(jù)的查詢檢索功能：

系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求，任意查詢某一樣點或圖斑的屬性。也可以通過屬性數(shù)據(jù)來反查空間數(shù)據(jù)，檢索出相應的圖形信息

(4)決策咨詢功能：

利用數(shù)學模型系統(tǒng)和輔助決策系統(tǒng)可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染的分析、預測和評價，可以為農(nóng)業(yè)面源污染的管理、規(guī)劃和決策提供依據(jù) (圖3 )。

(5)提供資料和污染分布圖瀏覽：

本系統(tǒng)還提供了農(nóng)業(yè)面源污染在3個不同比例尺 (1:25萬、1:5萬、1 :2000)的研究區(qū)域下的詳細調查資料匯總、統(tǒng)計分析結果、污染負荷情況與污染現(xiàn)狀分布圖等。

圖3　工作流程圖

利用ANPSPIS能實現(xiàn)相關農(nóng)業(yè)面源污染的資料、信息和新聞發(fā)布，特別是該系統(tǒng)提供了地圖的發(fā)布及查詢檢索服務，明確了農(nóng)業(yè)面源污染的污染現(xiàn)狀分布與污染負荷情況，建立了農(nóng)業(yè)面源污染的決策咨詢系統(tǒng)，并提出了相應的控制對策和解決方案。

系統(tǒng)開發(fā)了針對數(shù)據(jù)庫的WEB界面，對各種圖形、文本和屬性數(shù)據(jù)，如專業(yè)圖件、統(tǒng)計報表、文檔資料、圖像等，以局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的方式基于瀏覽器發(fā)布。通過WWW可以允許公眾以圖形和數(shù)字的方式了解農(nóng)業(yè)面源污染信息。增強公眾對農(nóng)業(yè)面源污染情況的關注及參與決策的過程。同時由于ANPSPIS在網(wǎng)絡平臺上運行，具有適應性強、使用簡單、地理信息與環(huán)境數(shù)據(jù)更新、交互方便等特點，能較直觀地表達與空間地理信息有關的農(nóng)業(yè)面源污染信息，因此本系統(tǒng)有較好的推廣應用價值。

4. 結語

進行面源污染的量化研究用以評價污染治理措施，最為有效和直接的研究方法是建立模擬模型，進行時間和空間序列上的模擬。常見的流域農(nóng)業(yè)面源污染模型主要有ANSWERS、CREAMS、WEPP、AGNPS等模型，本文對當前流行的AGNPS模型、AnnAGNPS模型和基于Web GIS的農(nóng)業(yè)面源污染信息系統(tǒng) (ANPSPIS)簡介。并對它們的優(yōu)缺點作出簡單的評價。

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