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

關鍵詞：Web GIS 農業面源污染信息系統 ANPSPIS 小流域 模型預測

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

 隨著點源污染控制的逐漸加強，面源污染對環境的影響日漸突出。 目前 ，許多發達國家已證實農業面源污染是導致水污染的主要原因之一。農業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 %的耕地由農業面源污染引起。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化。因此，開展面源污染負荷定量化研究不僅對我國水環境污染的全面治理與系統研究具有重要意義，而且具有明顯的環境效益和 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。常見的流域農業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的小流域生態系統進行農業面源污染的發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進行計算。可溶性P和泥沙結合態 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;Q為總徑流量;Nutsed—泥沙結合態 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業非點源污染發生的計算機模型，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和一些優化模型如多目標線性規劃模型 (IMGLP)結合應用，將能對小流域內不同的農業管理措施進行評價，尋找出最佳農業管理措施(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，美國農業部 自然 資源保護局與農業研究局轉向開發連續模擬模型—AnnAGNPS模型。AnnAGNPS模型是一種連續模擬模型，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)，即按集水區來劃分單元，使模型更符合實際;并以日為基礎連續模擬一個時段內各分室每天及累計的徑流、泥沙、養分、農藥等的輸出結果，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、畜牧養殖場產生的污染物、土壩、水庫和集水坑對徑流、泥沙的影響。AnnAGNPS模型主要由數據輸入和編輯模塊、年污染物負荷計算模塊、數據輸出和顯示模塊 3部分組成。在模型應用中，最主要是數據準備，數據準備模型由 4部分組成：流網生成模塊(Flow net Generator)、數據錄入模塊 (Input Editor)、氣象因子生成模塊 (Generation of weather elements for multiple application)和數據文件轉換模塊(AGNPS to AnnAGNPS Converter)。

2.2　預測模型工作流程及參數選擇

預測模型的工作流程框圖如圖2所示。

圖2　農業面源污染負荷預測流程

 AnnAGNPS模型在農業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 (GIS)具有強大的空間數據管理、 分析 和制圖能力，已被廣泛應用于具有空間特征的農業面源污染研究，尤其是將GIS與數學模型研究相結合的實用價值及重要意義日益顯現。

3. 基于Web GIS的農業面源污染信息系統 (ANPSPIS)簡介

 農業面源污染負荷占水污染負荷的比例很高，我國污染湖泊中，農業面源污染負荷占總負荷的比例均在50 %以上，國外報道農業面源污染對河流、湖泊的負荷在60 %～70 %之間。現階段我們對農業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 和實踐經驗，減少污染物尤其是氮、磷營養的排放具有相當大的難度。因此，研究農業面源污染的特點，減少農業面源污染排放，改善和優化環境質量，保持我國農業的可持續發展，實現資源、環境和農業協調發展已成為新世紀刻不容緩的任務。

 新技術地理信息系統 (Geo-graphic Information System，簡稱GIS)的應用推進了農業面源污染的定量化研究工作。同時隨著 網絡 技術不斷發展，也推動著GIS技術的快速更新和發展，一種GIS與 INTERNET/INTRANET相融合的WEBGIS技術應運而生，GIS通過互聯網使功能得以擴展，而真正成為一種大眾使用的工具。從互聯網的任意一個節點，Internet用戶都可以瀏覽萬維網GIS站點中的空間數據、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、系統成本較低、操作簡單方便等優點，目前已在各行各業被相當廣泛地應用。至于在環境保護上的應用，國內已有不少報道，已成為當前研究的熱點。但在農業面源污染系統中采用這種模式相對較少。同時由于環境Web GIS在局域網內應用，具有適應性強、使用簡單、地理信息與環境數據更新、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、區域環境狀況等點源、面源信息，鑒此，本文首次研制和開發了基于Web GIS的農業面源污染信息系統 (ANPSPIS)，以期為農業面源污染的管理、規劃和決策提供服務。

3.1　系統組成與功能

3.1.1　系統組成

 系統主頁面由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　系統功能

(1)信息查詢功能：

 由于后臺數據庫的支持，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業面源污染的相關新聞、信息和資料。

(2)地圖發布功能：

 本系統應用了 ESRI公司的Arc IMS地圖發布軟件，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據的信息。

(3)屬性和空間數據的查詢檢索功能：

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

(4)決策咨詢功能：

 利用數學模型系統和輔助決策系統可以實現農業面源污染的分析、預測和評價，可以為農業面源污染的管理、規劃和決策提供依據 (圖3 )。

(5)提供資料和污染分布圖瀏覽：

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

圖3　工作流程圖

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

 系統開發了針對數據庫的WEB界面，對各種圖形、文本和屬性數據，如專業圖件、統計報表、文檔資料、圖像等，以局域網、廣域網的方式基于瀏覽器發布。通過WWW可以允許公眾以圖形和數字的方式了解農業面源污染信息。增強公眾對農業面源污染情況的關注及參與決策的過程。同時由于ANPSPIS在網絡平臺上運行，具有適應性強、使用簡單、地理信息與環境數據更新、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業面源污染信息，因此本系統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。常見的流域農業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的農業面源污染信息系統 (ANPSPIS)簡介。并對它們的優缺點作出簡單的評價。

[ 參考 文獻 ]

 [1] Young R A. AGNPS:A nonpoint-source pollution model for evaluating agricultural watershed. Journal of Soil and Water Conservation, 1 989, 44(2 ):1 68～173

 [2] 王萬忠等. 中國 土壤侵蝕因子定量評價 研究 . 水土保持通報, 1996, 16(5):1～2 0

 [3] LoKFA. Quantifying soil erosion for the Shih men reservoir water shed , Taiwan. Agricultural System,1994, 45, 105～106

 [4] Vaichiyanathan P, and Conell, DL, The Rhode River watershed phosphorous distribution and export in forest and agricultural soils J. Environ. Qual. 1992 , 21:280～288

 [5] Dennis L Corwin, KEith Loague. Application of GIS to the Modeling of N on-Point Source Pollutants in the Va-dose Zone[M]. SSSA Special Publication. 1996.

 [6] Tim U S, Jolly R. Evaluating Agricultural Non-point Source Pollution Using Integrated Geographic Information Systems and Hydrologic/ Water Quality Model[J].Environ. Qual. 1994, 23:25-35.

 [7] Liao H, Tim U S. Interactive water quality modeling within GIS environment[J]. Comp. Environ. Urban system, 1994, 18:343-344.

 [8] Bohler Trond, Karatzas Kostas. Providing multi-modal access to environmental data-customizable information services for disseminating urban air quality information in APNEE: Computers[J], Environment and Urban Systems, 2002 , 26(1):39-61.

 [9] Zhang W, Wang X J. Modeling for point-non-point source effluent trading: perspective of non-point sources regulation in China[J]. The Science of the Total Environment, 2002, 292(3):167-176.

 [10] Plewe B. So You Want to Build an Online GIS[J]. GIS World, 1997, 10 (11):90-91.

 [11] Liu Renyi, Zhu Yan(劉仁義 ,朱焱 ). Development and realizing of information search system with WEB GIS technique[J]. Computer Application Research( 計算 機 應用 研究), 2001, 18(3):102-104. (in Chinese)

 [12] XU Jian-min, SHIJia-chun(徐建民 ,施加春). Agricultural Non-point Source Pollution in China: a Review[J]. Environmental Pollution &Control(環境污染與防治 ), 2001, 23 (增):52-53. (in Chinese)

 [13] He Chan-sheng(賀纏生). Non-point Source Pollution Control and Management[J]. Environmental Science(環境 科學 ), 1998, 19(5):87-91. (in Chinese)

 [14] Wang Shao-ping(王紹平). Application of GIS in Researches on Agricultural Non-point Source Pollution[J]. Agro-environmental Protection(農業環境保護 ).2000, 19(5):2 89-292. (in Chinese)

 [15] Peng Ming-jun(彭明軍 ). The Research on the Implementation and Development of Web GIS[J]. Application of Computer(計算機應用 ). 2001, (1):41-44(in Chinese)

 [16]史志華, 張斌, 蔡崇法等. 漢江中下游農業面源污染動態監測信息系統的建立與初步應用[J]. 遙感學報, 2002

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”

相關文章