農(nóng)業(yè)面源定量化評(píng)價(jià)方法及其研究進(jìn)展
摘要：農(nóng)業(yè)面源污染 研究 是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外環(huán)境 科學(xué) 與工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但研究大多側(cè)重于農(nóng)業(yè)面源污染的成因、機(jī)理、模型和控制對(duì)策等，而農(nóng)業(yè)面源定量化評(píng)價(jià) 方法 研究較少。本文綜合介紹了農(nóng)業(yè)面源定量化評(píng)價(jià)的常用方法及其研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)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(guān)鍵詞：Web GIS 農(nóng)業(yè)面源污染信息系統(tǒng) ANPSPIS 小流域 模型預(yù)測(cè)
農(nóng)業(yè)面源污染是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(duì)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(duì)農(nóng)業(yè) 發(fā)展 起到促進(jìn)作用，但也導(dǎo)致土壤理化性狀失衡、地下水質(zhì)惡化、農(nóng)田大氣質(zhì)量下降等一系列環(huán)境 問(wèn)題 。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題日益突出，不僅造成資源浪費(fèi)，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(wèn)題。
隨著點(diǎn)源污染控制的逐漸加強(qiáng)，面源污染對(duì)環(huán)境的影響日漸突出。 目前 ，許多發(fā)達(dá)國(guó)家已證實(shí)農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)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(guó)也存在著嚴(yán)重的面源污染問(wèn)題，面源污染加劇了各類水體的污染，加速了湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化。因此，開展面源污染負(fù)荷定量化研究不僅對(duì)我國(guó)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(huì) 效益。進(jìn)行面源污染的量化研究用以評(píng)價(jià)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(jìn)行時(shí)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(jī)理不同，其中AGNPS模型在美國(guó)、歐洲、澳洲、我國(guó) 臺(tái)灣 省等地均取得了較好的模擬結(jié)果，但 應(yīng)用 中仍有一些局限性。AnnAGNPS模型是在AGNPS模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它克服了AGNPS模型應(yīng)用中的一些局限性，可用于評(píng)價(jià)流域內(nèi)面源污染的長(zhǎng)期作用效果。
1. AGNPS模型簡(jiǎn)介
AGNPS(Agricultural Non-point Source)模型是由USDA' s Agricultural Research Service和明尼蘇達(dá)Pollution Control Agency共同研制出的 計(jì)算 機(jī)模擬模型，適于對(duì)面積為1～50000 hm2的小流域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染的發(fā)生進(jìn)行評(píng)價(jià)和流域內(nèi)土壤侵蝕及N、P元素的流失進(jìn)行預(yù)測(cè)。該模型是一種分室(cell)模型，應(yīng)用時(shí)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(duì)整個(gè)流域或流域內(nèi)任何一個(gè)分室的狀況進(jìn)行描述、模擬和評(píng)價(jià)，反映流域特征的輸入輸出狀況均在分室水平上表達(dá)，輸出的結(jié)果可以是單個(gè)分室的也可以是整個(gè)流域的結(jié)果。AGNPS是事件(event-based)模型，可以對(duì)每一次降雨事件進(jìn)行模擬。模型由四大模塊(水文、侵蝕、沉積和化學(xué)傳輸)組成。徑流量、徑流高峰主要通過(guò)水文模塊計(jì)算;坡地侵蝕由侵蝕模塊計(jì)算;沉積物的傳輸通過(guò)沉積模塊計(jì)算;N、P在流域的遷移傳輸通過(guò)化學(xué)傳輸模塊，分為可溶性部分和泥沙結(jié)合態(tài)進(jìn)行計(jì)算。可溶性P和泥沙結(jié)合態(tài) P的計(jì)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(guò)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(jié)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(jì)算：
ER=7.4Qs(x) – 0.2 t Tf
式中：Qs(x)—徑流泥沙量 (由其它模塊計(jì)算 );Tf—一個(gè)與土壤質(zhì)地有關(guān)的因子。
AGNPS模型是特別適于評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)小流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染發(fā)生的計(jì)算機(jī)模型，雖然AGNPS模型已對(duì)美國(guó)十幾個(gè)小流域進(jìn)行過(guò)模擬并已被驗(yàn)證，在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)也曾應(yīng)用。但國(guó)內(nèi)的應(yīng)用尚鮮見報(bào)導(dǎo)。本簡(jiǎn)介只限于一個(gè)小流域內(nèi)，如果將AGNPS模型與GIS和一些優(yōu)化模型如多目標(biāo)線性規(guī)劃模型 (IMGLP)結(jié)合應(yīng)用，將能對(duì)小流域內(nèi)不同的農(nóng)業(yè)管理措施進(jìn)行評(píng)價(jià)，尋找出最佳農(nóng)業(yè)管理措施(Best Management Practices，BMPs)，以后還需進(jìn)一步的研究和探討。
2. AnnAGNPS模型簡(jiǎn)介
2.1 原理及組成
AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-point Source)模型是在AGNPS模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。AGNPS在應(yīng)用中雖取得較好的效果，但由于它是單事件模型，在應(yīng)用中有許多局限性，因此20世紀(jì)90年代初，美國(guó)農(nóng)業(yè)部 自然 資源保護(hù)局與農(nóng)業(yè)研究局轉(zhuǎn)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(lái)劃分單元，使模型更符合實(shí)際;并以日為基礎(chǔ)連續(xù)模擬一個(gè)時(shí)段內(nèi)各分室每天及累計(jì)的徑流、泥沙、養(yǎng)分、農(nóng)藥等的輸出結(jié)果，可用于評(píng)價(jià)流域內(nèi)面源污染的長(zhǎng)期作用效果。而AGNPS模型是一種場(chǎng)次降雨模型，無(wú)法對(duì)流域內(nèi)面源污染進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。AnnAGNPS模型另一改進(jìn)是采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE) 預(yù)測(cè)各分室的土壤侵蝕。此外AnnAGNPS模型還包括一些特殊的模型計(jì)算點(diǎn)源、畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生的污染物、土壩、水庫(kù)和集水坑對(duì)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(fù)荷計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)輸出和顯示模塊 3部分組成。在模型應(yīng)用中，最主要是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(zhuǎn)換模塊(AGNPS to AnnAGNPS Converter)。
2.2 預(yù)測(cè)模型工作流程及參數(shù)選擇
預(yù)測(cè)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(fù)荷預(yù)測(cè)流程
AnnAGNPS模型在農(nóng)業(yè)面源污染物負(fù)荷估算及評(píng)價(jià)中的應(yīng)用潛力。由于本研究中許多參數(shù)采用默認(rèn)值，對(duì)模型的精度有一定的影響，因此未來(lái)該模型的研究應(yīng)用中可結(jié)合遙感技術(shù)和進(jìn)一步的實(shí)地調(diào)查，對(duì)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)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(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理、 分析 和制圖能力，已被廣泛應(yīng)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(xué)模型研究相結(jié)合的實(shí)用價(jià)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(jiǎn)介
農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷占水污染負(fù)荷的比例很高，我國(guó)污染湖泊中，農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷占總負(fù)荷的比例均在50 %以上，國(guó)外報(bào)道農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)河流、湖泊的負(fù)荷在60 %～70 %之間。現(xiàn)階段我們對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染情況的了解程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如點(diǎn)源污染，還缺乏整治的相關(guān) 理論 和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，減少污染物尤其是氮、磷營(yíng)養(yǎng)的排放具有相當(dāng)大的難度。因此，研究農(nóng)業(yè)面源污染的特點(diǎn)，減少農(nóng)業(yè)面源污染排放，改善和優(yōu)化環(huán)境質(zhì)量，保持我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境和農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展已成為新世紀(jì)刻不容緩的任務(wù)。
新技術(shù)地理信息系統(tǒng) (Geo-graphic Information System，簡(jiǎn)稱GIS)的應(yīng)用推進(jìn)了農(nóng)業(yè)面源污染的定量化研究工作。同時(shí)隨著 網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)不斷發(fā)展，也推動(dòng)著GIS技術(shù)的快速更新和發(fā)展，一種GIS與 INTERNET/INTRANET相融合的WEBGIS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，GIS通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)使功能得以擴(kuò)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(gè)節(jié)點(diǎn)，Internet用戶都可以瀏覽萬(wàn)維網(wǎng)GIS站點(diǎn)中的空間數(shù)據(jù)、制作專題圖，以及進(jìn)行各種空間檢索和空間分析。同時(shí)，由于Web GIS具有開放性、訪問(wèn)的范圍更廣泛、平臺(tái)的獨(dú)立性、系統(tǒng)成本較低、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已在各行各業(yè)被相當(dāng)廣泛地應(yīng)用。至于在環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已有不少報(bào)道，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。但在農(nóng)業(yè)面源污染系統(tǒng)中采用這種模式相對(duì)較少。同時(shí)由于環(huán)境Web GIS在局域網(wǎng)內(nèi)應(yīng)用，具有適應(yīng)性強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單、地理信息與環(huán)境數(shù)據(jù)更新、交互方便等特點(diǎn)，能較直觀地表達(dá)與空間地理信息有關(guān)的污染源、區(qū)域環(huán)境狀況等點(diǎn)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(wù)。
3.1 系統(tǒng)組成與功能
3.1.1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)主頁(yè)面由7個(gè)一級(jí)模塊組成，每個(gè)模塊又由若干二級(jí)模塊構(gòu)成。一級(jí)模塊包括項(xiàng)目概況、污染現(xiàn)狀、綜合評(píng)價(jià)、成果圖件、控制對(duì)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(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，管理員可以方便地更新頁(yè)面，并可以使用戶既方便又快捷地獲取有關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染的相關(guān)新聞、信息和資料。
(2)地圖發(fā)布功能：
本系統(tǒng)應(yīng)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(shí)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(diǎn)或圖斑的屬性。也可以通過(guò)屬性數(shù)據(jù)來(lái)反查空間數(shù)據(jù)，檢索出相應(yīng)的圖形信息
(4)決策咨詢功能：
利用數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)和輔助決策系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染的分析、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，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(gè)不同比例尺 (1:25萬(wàn)、1:5萬(wàn)、1 :2000)的研究區(qū)域下的詳細(xì)調(diào)查資料匯總、統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果、污染負(fù)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(shí)現(xiàn)相關(guān)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(wù)，明確了農(nóng)業(yè)面源污染的污染現(xiàn)狀分布與污染負(fù)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(yīng)的控制對(duì)策和解決方案。
系統(tǒng)開發(fā)了針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的WEB界面，對(duì)各種圖形、文本和屬性數(shù)據(jù)，如專業(yè)圖件、統(tǒng)計(jì)報(bào)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(guò)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(qiáng)公眾對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染情況的關(guān)注及參與決策的過(guò)程。同時(shí)由于ANPSPIS在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上運(yùn)行，具有適應(yīng)性強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單、地理信息與環(huán)境數(shù)據(jù)更新、交互方便等特點(diǎn)，能較直觀地表達(dá)與空間地理信息有關(guān)的農(nóng)業(yè)面源污染信息，因此本系統(tǒng)有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
4. 結(jié)語(yǔ)
進(jìn)行面源污染的量化研究用以評(píng)價(jià)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(jìn)行時(shí)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(duì)當(dāng)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(jiǎn)介。并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)作出簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)。
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