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g i s 支持下淮河流域淮南市中段农业非点源污染研究 摘要 农业非点源污染是当今世界普遍存在的环境问题，目前已经成为我国水环境 恶化和湖泊富营养化的重要因素，对农业非点源污染机理和控制对策的研究越来 越受到重视。控制农业非点源污染、保护生态环境对实现我国农业、资源和环境 的协调发展有着重要的理论和现实意义。 本文在分析、总结国内外相关文献的基础上，选择淮河流域淮南中段一典型 区域作为研究区域。通过对研究区域资料的调查、收集和整理，分析研究区域农 业非点源污染的现状；对研究区域降雨径流中氮、磷的流失进行测定及分析，探 讨在研究区域中不同土地利用类型氮、磷流失对环境污染的贡献率；运用g i s 的 相关软件来处理基础图件，提取专题图层，用于支持农业非点源污染模型a g n p s 中的空间参数和属性参数的确定；并提出农业非点源污染的防治措施，包括美国 的最佳管理措施( b m p s ) 以及加强对污染源的防治措施；最后提出防治农业非 点源污染的展望。 通过对以上内容的研究，以期为淮河流域淮南中段的水环境综合整治提供科 学依据。 关键词：g i s 技术；淮河：农业非点源污染 安徽理工大学硕士论文 a b s t r a c t a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sau b i q u i t o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m n o w a d a y s ，a n di ti st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o rw a t e re n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o n a n dl a k ee u t r o p h i c m i o ni nc h i n a i t sv e r ys i g n i f i c a n ti nb o t ht h e o r ya n dr e a l i s mt o c o n t r o la g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na n dp r o t e c = to u r e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t f o rr e a l i z i n gt h eh a r m o n i z e dd e v e l o p m e n to f r e s o u r c e , e n v i r o n m e n ta n da g r i c u l t u r ei n c h i n a i nt h i sp a p e r 9a r e p r e s e n t a t i v er e g i o na r e ao f h u a i h er i v e ri sc h o o s e da st h er e g o n o f s t u d yb a s eo na n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n go f m a n yl i t e r a t u r e s 1 1 a c t u a l i t yo f a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u i v 沱p o l l u t i o ni sa l l a l y 孟n g ，e x i s t e n tp r o b l e m so f n o n - p o i n t s o t l l v 七p o l l u t i o ni sp o i n t e do u tb ys u r v e y , c o l l e c ta n dt i d yo f b a s i cd a t a0 1 1t h e r e p r e s e n t a t i v ea r e a 1 1 地c o n c e n t r a t i o n so f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa r em e n s t r u a t e d a n da n a l y z e di nt h er a i n f a l lr u n o f f o f t h ea r e a p r o b ei n t ot h eo f f e r i n gr a t et o e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o no f n i t r o g e na n d p h o s p h o r u so f d i f f e r e n tl a n du 石l i z a 6 t y p e i nt h er e g i o no f i n t e r e s t , a n db y 嘴o f t h e ( 3 i ss o f t w a r et od i s p o s et h ef o u n d a t i o n d r a w i n g , a b s t r a c tt h et h e m a t i cm a pl a y e r , w h i c ha r cu s e df o rt h ea s s e r t i o no f s p a t i a l p a r a m o e ri nt h ea g r i c i l l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nm o d e l , a n dp u tf o r w a r dt h e p r o p h y l a c t i c - t h e r a p e u t i cm 戍l s i 嗍o f a 面c l m 叫a ln o n - p o i n t $ o u l v ：ep o l l u t i o n , i n c l u d m gt h eb e s tm a n a g e m e n t 弘删c 岱( b m p s ) a sw e l la ss t r e n g t h e nt h e p r o p h y l a c t i c - t h e r a p e u t i cm 戗l q u r c sf o rp o l l u t i o n $ o u l c 七，p u tf o r w a r dt h ep r o s p e c to f p r e v e n t i o na n dc u r et h ea g 删t u r a ln o n - p o i n ts o u r t p o l l u t i o ni nt h ee n d t h r o u g h 船辩孤c h i 】唱t h ef o r e - m e n t i o n e d , i ti s 耐珊c dt h a tt h em o d e la n d m e t h o d sc a np r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ew a t e rr e s o u r c e sa d m i n i s t r a t i o na n d ， d e c i s i o n so f t h eh u a i h er i v e rw h i c hh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：g i s ，h u a i h er i v a 面c l l l t l 砌n o n - p o i n t s o r i v ep o l l u t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞筮垄王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名阻日期蟛j月五日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮堡王太堂有保留，使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于塞堑堡王太堂学校有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽理工大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彬军 签字日期：巾月知日 导师签名：0 以留猕 签字日期：p 7 年6 肚。日 g i s 支持下淮河流域淮南市中段农业非点源污染研究 i 绪论 水是一种既不可替代、又不可缺少的宝贵的自然资源。它不仅是世界上一切 生命赖以生存的源泉，而且是人类远古文明的发展摇篮。古往今来，有多少文人 墨客赞美和讴歌奔流不息的江河，中华民族把黄河喻为华夏民族的发源地，埃及 人把尼罗河比做母亲，就是因为水孕育了生命和人类文明，河流哺育着人类，人 类依水而居，在水源的基础上日益繁荣。 但是，随着人类文明的进步，经济的发展，人类也为高速的经济发展付出了 高昂的环境代价。资源被过渡利用，环境进一步恶化。水资源短缺和水污染状况 越来越严重。 在对待水污染问题上，过去人们更多地把目光投向了点源污染( p o i n t s o u r c e ) ，并对点源污染的防治技术与管理政策进行了较为广泛的研究然而随 着经济可持续发展，农业可持续发展的提出，对非点源污染0 n o n - p o i n t s o u r c e ， 简称n 】嘲进行评价和控制亦成为水污染控制规划的重要内容。 1 1 非点源污染的概念、产生和特征 i i i 概念 j 非点源污染是指溶解的或固体污染物( 地面的各种污染物质如城市垃圾，农业 家禽粪便，农田中的化肥，农药，重金属，及其它有毒或有机物) ，从非特定的地 点随着暴雨产生的地表径流，进入受纳水体造成的污染【。美国清洁水法修正案 ( 1 9 7 7 年) 对非点源污染的定义为，污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地 表及地下水体。 1 1 2 非点源污染的产生 农业污染 农业污染主要是农业生产活动中，农田中的土粒、氮素、磷素、农药或无机 污染物等，在降水过程中通过农田地表径流和地下渗透，使大量污染物质进入地 表水体及地下水体。农业生产活动是造成非点源污染的最主要根源，美国环保局 ( u s e p a ) 调查资料显示，美国约有5 7 的湖泊、“的河道、1 9 0 , 4 的港湾遭受农业 化学物质污染，且部分水流已经丧失其原有水体功能 4 1 。另外，农田污水灌溉也 是一个不容忽视的污染源，虽然污水灌溉也是一种污水处理技术，但是如果污水 安徽理工大学硕士论文 使用量过大或时间不当，许多污水将会未经农作物和土壤净化处理就直接进入水 体，造成水体的污染。美国环保局把农业污染列为非点源污染的第一污染源。 土壤侵蚀 土壤侵蚀属于典型的非点源污染，土壤侵蚀与人类的活动密切相关，人类对 资源过度摄取破坏了原有的土坡结构和植被面貌，使得土壤表层裸露，地表的有 机质层损失，随着时间的推移，大大降低了土壤对污水中的有害物质的自净能力， 最终致使一些污染物质进入水体形成非点源污染。据统计美国每年有1 0 亿吨的泥 沙因为土壤侵蚀而进入河流中嘲，我国近年来随着水土流失的加剧，土壤侵蚀也 日渐严重，仅长江上游每年进入江河的泥沙量就达5 5 亿吨【1 3 1 。 工厂、矿区径流 在一些工厂( 特别是化工厂) ，建筑工地及矿区的地表，经常散布着泥沙、盐 类、有机物、重金属等可能对水体造成污染的物质，遇到降雨季节这些物质将随 着雨水径流进入水体；此外建筑工地和厂矿的残留废渣的随意的堆放或不合理的 处理，也增加了对水体的潜在威胁，资料显示美国约有5 的地表水污染是由建筑 工地的地表径流引起的 6 1 。 1 1 3 非点源污染的特征 非点源污染是由分散造成的，其污染物来源范围大，不能用常规处理方法改 善污染物排放源，与点源污染相比较非点源污染具有如下特征： 随机性 从非点源污染起源和形成过程分析，非点源污染与区域降雨过程密切相关 此外，非点源污染的形成还受其他许多因素的影响，如土壤结构、农作物类型、 气候、地质地貌等。降水的随机性和其它影响因子的不确定性，决定了非点源污 染的形成具有较大的随机性。 广泛性 人工化学物质的使用逐年增多，在地表分布广泛，随径流进入水体的现象随 处可见，非点源污染以稀释方式进入水体，污染源在进入水体前有地表迁移过程 并遍及广大地域。 不确定性和时空性 非点源污染在某个固定点无法监测得到，污染物在某一点的准确来源也无法 2 g i s 支持下淮河流域淮南市中段农业非点源污染研究 确定和跟踪。以农业非点源污染为例，农药和化肥的施用是非点源污染的主要来 源，但农药的施用量与使用方式，农作物生长季节与类型，土壤性质和降水等条 件不同时，所导致的农药和养分的流失将会有巨大的差异，而不同因子之间又相 互影响，因而使得非点源污染形成的机理具有较大的不确定性。 污染负荷时间变化( 降雨径流过程，年内不同季节及年际间) 和空间( 不同地点) 变化幅度大 滞后性和潜在威胁性 农田中农药和化肥的施用造成的污染，在很大程度上是由降雨和径流决定 的，同时也与农药和化肥的施用量有关。污染物质对环境产生的影响的过程是一 个量的积累过程，它决定了其具有滞后性，农药和化肥在农田存在时间决定非点 源污染形成的滞后性的长短，入m i j 冈t j 施完化肥后，若遇到降雨，造成的非点源污 染将会十分严重；污染物主要是对生态环境的破坏作用，往往表现为暂时的不明 显性，长期以来就会有较大的生态风险。 复杂性 非点源污染来源的多重性，机理的不确定性，形成的潜伏性，决定了非点源 污染研究的复杂性，导致监测、控制和处理困难而复杂。 1 2 农业非点源污染物的迁移机理 农业非点源污染物来自于土壤圈中的农业化学物质，因而其形成、迁移过程 实质上是污染物从土壤圈向水圈扩散的过程 农业非点源污染的产污( 迁移转化) 机制是进行治理、模拟和监测的基础，它 本质上是一种扩散污染，其机理包括两个方面：一是污染物在土壤圈中的行为； 二是污染物在外界条件下( 降水、灌溉等) 从土壤向水体扩散的过程。对农业化学 物质在土壤中的行为及作用机理，土壤学家似乎更为重视，并取得了不少的成果。 随着农业的进一步工业化，农业化学物质大量投入使用，化肥、农药及畜禽粪便 等经土壤通过不同途径进入水体对受纳水体造成的污染影响，包括探讨受纳水体 的环境容量和研究农业非点源对水体产的危害，其中国内研究较多的是对地表水 富营养化和地下水硝态氮污染问题，环境学家或从环境角度研究这一问题的土壤 学家，对这一过程进行了大量的调查研究实验，他们的工作大大推动了农业非点 源污染的研究玷1 。 近年来，许多学者从动态过程的角度对农业非点源污染进行了深入研究。作 为一个连续的动态过程，农业非点源污染的形成，主要由以下几个过程组成，即 3 安徽理工大学硕士论文 降雨径流过程、土壤侵蚀过程、土表溶质溶出过程和土壤溶质渗漏过程，这四个 过程相互联系相互作用。对降雨径流过程的研究，大多是以水文学为基础，重点 研究非点源污染动力的径流的产流和汇流特性。在非点源污染研究中，重点考虑 产流条件的空间差异，有助于研究农业非点源污染的形成。 1 3 非点源污染的现状及危害 从世界范围来看，非点源污染已经成为水环境污染的重要方式。联合国教科 文组织1 9 9 8 年公布，近2 0 年来世界饮用水源减少了5 0 。据美国、日本等国家的 报道，即使点源污染得到全面控制之后，江河的水质达标率仅为6 5 ，湖泊的水质 达标率为4 2 ，海域水质达标率为7 8 。在美国6 0 的水体污染起源于非点源污染 嗍；在奥地利北部地区据计算进入水环境的非点源氮量比点源多；丹麦2 7 0 条河 流中9 4 的氮负荷，5 2 磷负荷是由非点源污染造成的川；荷兰农业非点源污染提 供的总氮、总磷分别占水环境总量的6 0 和4 0 , r , 5 0 1 s 1 按照1 9 8 7 年经济合作与 发展组织( 0 e c e ) 的报告，在成员国中，硝酸盐与农药是最大的非点源污染源，欧 洲国家也得到了相似的结论。这些数据都表明非点源污染控制不好，水体就无法 达标 我国也存在着广泛而严重的非点源污染问题，随着点源污染治理水平的逐步 提高，非点源污染的比重和危害已逐步增大【1 3 1 。近年来随着城市化发展迅速，农 用化肥、农药数量急剧增加，所以我国非点源污染问题日益突出，已成为水环境 污染研究中急待深入探讨的课题。云南每年有7 8 5 7xl 矿t 有机物，4 7 7x1 0 5 t 总氮，4 8 8x1 0 5 t 总磷随土壤流失进入水体；在滇池流域，进入滇池的硝态氮为 2 4 7 3 t ，氨氮为9 9 1 t ；天津于桥水库6 0 总磷负荷，5 0 的总氮负荷来自流域非点 源地表径流聊1 ；北京密云水库、安徽巢湖、云南洱海、上海淀山湖等水域，非点 源污染比例都己超过点源污染【l 引。非点源污染在我国水污染中占有相当大的比 重，已经上升为威胁水源的主要原因。 非点源污染负荷的主要危害评价可概括为以下4 个方面：( 1 ) 淤积水体、降 低水体生态功能；( 2 ) 引起水体富营养化，破坏水生生物的生存环境；( 3 ) 污染饮 用水源，危害人体健康；( 4 ) 造成建筑物和财产的直接损失 农业非点源来源面广量大，它夹带着大量的泥沙、营养物、有毒有害物质进 入江河、湖泊，引起水体悬浮物和n 、p 浓度的升高、有毒有害物质含量增加，溶 解氧减少，导致水体富营养化和酸化。农业非点源污染造成的生态冲击效应可谓 是全方位的，涉及到了以人为中心的整个生态环境，其危害十分巨大，以农田的 4 g i s 支持下淮河流域淮南市中段农业非点源污染研究 氮排放说明：农田氮排放会造成水体富营养化，饮用水水质降低和人体健康受损 等多种恶劣的后果。氮是水体富营养化最重要的营养因子之一，水体一旦发生富 营养化，藻类和其它水生生物异常繁殖，使得水体混浊，透明度降低，导致阳光 入射强度和深度降低，溶解氧减少，大量水生生物死亡，从而使水生生态和水功 能受到严重阻碍和破坏。这直接影响工业供水和人畜饮水安全，给人类健康和水 产养殖带来威胁唧。农业非点源污染最直接、最显著的危害对象是水环境，对水 环境的污染主要为以下两个方面： ( 1 ) 以营养污染物污染水体环境 水体富营养化通常是指湖泊、水库海湾等封闭性或半封闭性的水体，以及某 些流速小于l m s 的河流水体内的氮、磷等营养元素的富集，导致水体里含氧量降 低，水生生物随之大批死亡，水味变的腥臭难闻。引起水体富营养化起关键作用 的元素是氮和磷。研究表明，对于湖泊、水库等封闭性水域，当水体内总氮含量 大于0 2 r a g 1 ，p 0 4 3 一态的磷的浓度达到0 0 2 r a g 1 时，就有可能引起水华现象的发 生【1 0 l 。 水体营养物质氮、磷的来源主要有城镇生活污水、含氮、含磷的工业废水和 农田氮磷肥。其中，农田氮、磷的流失是引起水体富营养化的重要原因i 儿】在美 国，对非点源污染进行了鉴别和测定，发现农业是一个主要的非点源污染源，农 田径流使全国6 4 的河流、5 7 的湖泊受到污染；瑞士雨水径流中氮、磷含量相 当于工业废水和城市污水中这类污染物量的总和i l l 】。我国五大淡水湖之一：巢湖， 目前主要受到氮、磷营养盐和有机物的污染，总氮、总磷严重超标，其中7 0 来 自非点源污染。我国第三大淡水湖太湖，目前大部分水体己呈富营养化状态 太湖水富营养化主要由沿湖工农业排污引起。据研究，进入太湖的污染物中，总 氮捧放量最多的是太湖流域的农田非点源污染，总磷排放量最多的是城镇居民区 的生活污水【埘 ( 2 ) 以毒害型污染物污染水体环境 这主要归结农业、除草剂及降解产物、化肥这夹带重金属、有毒有机物等 其直接的毒害是引起水生生物的急性中毒，如有机磷农药、有机氯农药；以及有 毒物在水体食物链中的富集，如磷肥中的重金属镉等。上述毒害型污染物对水体 环境的负作用最终降影响到人类本身。 u s e p a ( 美国环境保护局) 1 9 9 0 年调查显示，全美农村1 公用供水井显示出 n 0 3 一- - n 的存在，5 3 的家庭用水井显示n 0 3 一- - n 的存在，2 饮用水井的n 0 3 一一 n 含量超过安全用水标准规定的n 0 3 一- - n 含量。氮、磷等营养元素是污染河流和 安徽理工大学硕士论文 湖泊的3 大污染物之一。由于家畜粪便中常常包含大量细菌，尤其含有大量的大 肠杆菌，随着径流进入水体会形成大面积的非点源污染，并会造成疾病的广泛传 播。1 9 9 4 年全美有2 0 0 0 多个海滩因水体细菌含量过高而关闭( u s e p a ，1 9 9 6 ) 。 1 4 国内外非点源污染的研究进展 国外农业非点源研究起步于6 0 年代，首先英、美、日等一些发达国家率先开展， 7 0 年代以后在世界各地逐渐受到重视，尤其美国研究历史较长。7 0 年代初主要是 在非点源污染特征、影响因素、单场暴雨和长期平均污染负荷输出方面的研究； 8 0 年代非点源污染基础研究地域范围广，类型多样，因素分析和污染物迁移机 理研究更加深入；进入9 0 年代微生物的迁移成为非点源污染物迁移，转化研究的 新的增长点美国在1 9 8 7 年的国会上首次声明了非点源污染问题转变为行动计划 的意愿，但是这个计划未被很好的执行。 在欧共体，第一个明确提出非点源污染的官方文件是1 9 8 9 年欧盟委员会提出 的一个直接建议，提出水质问题是由农田与城市的硝酸盐的释放引起的。 我国的非点源污染研究开始于8 0 年代，湖泊富营养化调查真正意义上的非点 源污染研究是北京城市径流污染研究，之后相继在上海、杭州，苏州、南京、成 都等城市开展了城市非点源污染研究；与此同时，农业非点源污染先后在于桥水 库，滇池，太湖，巢湖，晋江流域等地方开展了工作1 1 3 2 1 1 自, k 2 0 l 世：纪8 0 年代以来，我国也逐渐认识到非点源污染的存在及其危害性， 开始了非点源污染的控制研究。1 9 8 0 - - 1 9 9 0 年我国的非点源污染研究仅是农业非 点源污染的宏观特征与污染负荷定量计算模型的初步研究。9 0 年代以来，农药， 化肥型模式在农业非点源污染中占据了重要的地位。将农业非点源污染负荷模型 与3 s 即使结合，与水质模型对接用于流域水质管理成为农业非点源污染研究的新 生长点。其中李怀恩等提出的机理性流域暴雨径流响应模型占有重要地位，它要 求参数少，应用范围广，适合我国目前资料短缺的非点源污染研究现状，但该集 总式模型不易解释非点源污染在流域内的空间分布，其推广性还有待检验 研究内容涉及非点源污染负荷评价，模型介绍及模型与g i s 技术结合等1 2 3 - 2 4 1 。 参与人员较少，且研究存在阶段性和孤立性，还未形成体系，更未深入到管理及 政策的研究。 2 0 多年来，人们在探索非点源污染物在地表水，地下水中的程度和影响方面 做了大量的工作，开发了一些模型。近年来趋向于控制方法与管理政策的研究， 基本内容有滨岸流域管理、农田管理、畜禽废物管理、化肥农药管理等，涉及环 6 g i s 支持下淮河流域淮南市中段农业非点源污染研究 境经济、农业经济、水文学、环境化学、土壤学、农学、林学、生物学等多学科， 非点源污染研究成为国际上环境问题研究的活跃的领域f l 1 3 2 2 研究方法基本采用剖析土地利用方式与污染负荷之间的内在联系为出发点。 农村非点源污染研究采用径流试验场法，监测降雨，径流的水质、水量，确定污 染物单位负荷，从而估算非点源污染发生的负荷量。 1 5 非点源污染模型与g i $ 技术结合 非点源污染研究需要综合描述，分析和显示各种空间信息，但以往的非点源 模型在对环境过程空间特性的描述，对空间数据操作及对模拟结果的显示方面都 比较困难，而空间分析和空间数据管理及多种方式显示查询正是地理信息统 ( g i s ) 的优势所在。两者在研究对象及功能上的相似性与互补性，使得它们相 结合的应用研究成为近年来环境模型研究中新的生长点 1 5 1 结合的现状 国外已经较早地开展了g i s 技术在非点源污染负荷定量计算，管理和规划中 的应用研究，并将卫星遥感( r s ) 技术作为全新的获取数据的手段进行了许多尝 试。 我国的非点源污染研究起步较晚，在2 0 世纪8 0 年代，仅是对非点源和区域径 流污染的宏观特征与污染负荷定量计算模型的初步研究，2 0 世纪9 0 年代该项研究 较为活跃，在农业，城区非点源污染，大气沉降，生物污染方面都有一定的进展。 在地理信息技术兴起的今天我国将g i s 技术应用于非点源污染模型的研究甚少， 实际工作中多数采用国外应用较为成熟的模型及应用软件。本文尝试汲取国外在 这方面成功的经验，将非点源污染模型应用于国内的非点源污染管理。 1 5 2 结合的方式 许多学者讨论了水文模型、非点源污染模型与g i s 结合的方式 3 2 3 3 1 。概括地 讲，从结合的理念上主要有以下2 种：将g i s 的某些功能整合进非点源污染的 模型系统；将非点源污染模型整合进g i s 系统。具体的技术主要有：松散结合 和紧密集合，对于前者，模型与g i s 实际是两个独立的系统，通过数据文件来实 现两者之间的通讯；后者又称为“无缝”结合。 7 安徽理工大学硕士论文 1 5 3 结合的要点 g i s 在非点源污染控制领域应用的关键是g i s 与专业模型的有机结合。 b u r r o u g h 提出了基于g i s 技术的模型有三个重要组成部分：数据、g i s 与模型其 中数据是g i s 和模型功能实现的基础；g i s 对空间数据进行分类、组织与编码，通 过空间分析和统计为环境模型提供基础数据与参数，并直观地显示模型分析结 果；模型主要是接收g i s 与数据库的预处理数据。然后进行水质评价与预测，以 辅助水污染控制规划决策。数据、g i s 与模型的关系如图l 所示。 图1g i s 与模型关系示意图 f i g u r el6 i sa n dm o d e l m a p g i s 应用过程中还有两个环节比较关键，即g i s 与数据库间连接、g i s 与非点 源污染评价模型的结合。 ( 1 ) 6 i s 与数据库的连接 国外的一些研究成果表明，如何精确地确定建立模型所必须的参数影响应用 模型建立的主要因素。因为非点源污染与空间变量密切相关，所以必须收集大量 的空间数据，以此来确定评价模型所需的参数。这些参数的空间分布特征，需借 助g i s 的空间分析功能、空间统计功能与空间显示功能来解决。这就要求在g i s 与 数据库之间建立高效的连接方式，以便使得g i s 能够快速准确地从数据库中读取 数据，并把处理结果及时地反馈到数据库中。只有这样才能保证数据的动态共享 与现势性。 ( 2 ) g i s 与非点源污染评价模型的结合 目前尚未出现能够灵活描述非点源污染的时间和空间特征的专业g i s 软件。 单独依靠通用g i s 平台难以对非点源污染进行有效评价。另一方面，非点源污染 模型大都具有明显的空间特性，而目前的模型对空间数据的操作尤其是结果显示 8 g i s 支持下淮河流域淮南市中段农业非点源污染研究 方面仍不尽人意，而g i s 可以辅助解决模型难以实现的空间分析工作。因此，有 必要把g i s 技术和非点源污染模型有机地结合起来使二者相得益彰，能够更有效 地对非点源污染进行评价。目前国外的研究中，g i s 和非点源污染模型的结合水 平可分为以下三个层次： g i s 与模型间的松散结合。在这种结合方式中，g i s 的功能体现是为非点 源污染模型提供一定输入数据，并且对模型结果进行显示其数据的交换停留在 外部文件水平上 g i s 与模型间的紧密结合。这种结合方式中，集成了一个数据管理模块， g i s 和模型共用一个用户界面，二者之间的数据交换可以通过用户界面进行控制， 这使数据的交换更加透明化，降低了数据传输中的出错率。 g i s 与模型问的一体化结合。这种结合方式中，模型作为g i s 分析功能的 一部分并借助g i s 的开发语言运行于系统的内部，g i s 和非点源模型拥有共同的用 户界面，并真正地实现了数据的共享。 1 5 4 发展趋势 非点源污染研究的地理学特征决定其必须依赖g i s 技术，g i s 引入非点源污染 研究领域，最基本的应用是进行信息的空间显示，g i s 为非点源污染研究中的数 据和与地理相关的其他领域如生态、水文等数据的集成提供了技术支持。 3 s 集成的综合应用 基于g i s 的非点源污染模拟中，其大量数据资料的活动除了利用参数估算法 和现有的数据库外，遥感的信息提取法将大有潜力遥感( r s ) 技术中的多时段、 多光谱、大范围的监测和灵活的空间统计能力不仅获得数据资料的一种经济有效 的方法，而且使得其在解决非点源污染模型中的输入参数的时空连续性时具有独 特的优势。全球定位系统( g p s ) 能为g i s 提供高精度，实时的空间定位信息，极大 地拓宽了g i d 技术的应用范畴。l l s 、g i s 、g p s 的综合应用，有望使得非点源污染 的研究取得突破性的进展。 面向对象方法的引进 现实的景观是三维的。面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ，简称0 0 ) 方法与现实 世界存在着自然而直接的对应关系，采用面向对象的方法建立的3 d 模型，能更充 分地描述与表达客观世界，有利于了解未能完全掌握的包括溶质迁移的机理，解 决模型与g i s 技术集成后可视化输出的不确定性。在g i s 软件设计中采用面向对象 技巧中的继承性、多形性、数据的完整封装性有助于提高g i s 软件的开放性和可 9 安徽理工大学硕士论文 重用性刚。 智能( i n t e l l i g e n tg i s ) 的广泛应用 目前，g i s 技术只能提高辅助决策过程中的数据支持，还不能提高实质性的 决策方案。基于知识专家系统( e s ) 能模拟人脑进行启发式推理，其与r s ，g i s 的结合有助于解决非结构化的难以用精确的数学模型来表达的问题。因此，智能 g i s 中分类的知识库必将在解决非点源污染中不确定性问题和制定空间决策支持 系统时发挥重要作用。方便的g i s 桌面软件的引进，使得g i s 与环境模型的结合速 度越来越快毫无疑问，以g i s 为核心的多学科，多技术的应用正推动溶质传输 模拟，资料收集，空间数据库三者有机的结合，用于评价非点源污染问题。 1 6 本文研究主要内容 目前农业非点源污染负荷的定量估算方法主要有两种：一种是通过对非点源 污染物输出的迁移过程模拟，估算污染物的输出量，这种非点源污染负荷模型具 有较高的精度，但是对基础数据、技术手段等的要求较高；另一种是不考虑污染 物迁移过程，提供对受纳水体的水质分析，依据各影响因子，得出非点源污染物 输出量的统计模型，这种模型发展较快，已有广泛的应用【1 3 】由于第二种方法的 精度低，同时区域使用的广泛性也差，本文使用第一种方法，选取淮河流域淮 南中段一典型区域作为研究区域，采用模型对非点源污染的迁移过程进行模拟， 并采用现场监测和g i s 技术解决基础数据少和参数输入的困难等问题。 主要研究有以下三个方面的内容： 1 在分析、总结国内外相关文献的基础上，选择淮河流域淮南中段一典型区 域作为研究区域。通过对研究区域资料的调查、收集和整理，分析研究区域农业 非点源污染的现状；对研究区域降雨径流中氮、磷的流失进行测定及分析，探讨 在研究区域中不同土地利用类型氮、磷流失对环境污染的贡献率；并研究降雨径 流和非点源污染的相关性。 2 通过实地调查、资料收集，运用g i s 软件来处理基础图件，提取专题图层， 用于支持农业非点源污染模型( a 回心s ) 中的空间参数的确定；对研究区域实行 网格概化，输入单位网格的土地利用类型、降雨径流系数、不同污染物的浓度以 及土壤类型等参数，在g i s 软件的支持下，建立网格空间数据库和属性数据库； 将每个网格视为一个非点源污染源，利用a g n p s 模型预算淮河流域淮南中段某一 降雨期间非点源污染负荷。 3 根据研究区域非点源污染现状，降雨期间氮、磷流失的规律以及研究区域 1 0 g i s 支持下淮河流域淮南市中段农业非点源污染研究 中非点源污染负荷总量的情况，提出农业非点源污染的防治措施，利用美国的最 佳管理措旌( b m p s ) 以及加强对污染源的防治措施。最后提出防治农业非点源 污染的展望。 1 7 本文技术路线 图2 本文研究技术路线图 f i g m 2t h er e s e a r c ht e c h n i q u el i n em a po ft h ea r t i c l e 安徽理工大学硕士论文 z 1 自然环境概况 2 1 1 地理位置 2 研究区概况 研究区域为安徽省淮南市田家庵区( 见图3 ) ，地理坐标为北纬 3 2 。3 2 4 5 一3 3 。2 4 一；东径1 1 6 0 2 1 2 1 一1 1 7 0 1 1 ，5 9 一。面积大约为1 6 7 l 锄2 ，东西最 大直线距离为6 。4 k m ，南北最大直线距离为2 8 k m 圈3 研究区地理位置示意图 瑰_ 件3 t h eg e o g r a p h i cp o s i t i o nc a r t o g r 衄f o rr e g i o no fi n t e r e s t 2 1 2 地质地貌 淮南位于江淮丘陵与黄淮平原交界处，属华北地层区隹河地层分区 淮南地层小区，地质构造单元属中朝准地台、淮河台坳、淮南褶皱断带，区内主 要走向为西北偏西向a w w ) 地貌类型：山丘、岗地、平原、湖洼、河流湖库兼 而有之淮河自西向东横穿全市，淮河北岸为淮北平原，淮河南岸为丘陵地区， 淮河两岸为河漫滩与阶地。市区自南向北依次递减为：斜坡地、洪冲积二级阶地、 淮河冲积一级阶地、淮河高位漫滩与滨河床滩 g i s 支持下淮河流域淮南市中段农业非点源污染研究 2 1 3 气象环境 淮南市属暖温带半湿润大陆性季风气候区。基本特征是：春暖、夏热、秋 凉、冬冷，四季分明，气候温和，光照充足，热量丰沛，雨量适中，无霜期长， 季风显著，雨热同季。年内冬季：晴日多、气温低、降水少；春季：气温回升 快、降水量逐渐增多、天气多变、气温不够稳定；夏季：气压偏低、高温多雨； 秋季：晴朗天气偏多，时有秋雨连绵；冬季：晴日多、气温低、降水少。 2 1 a 水文 研究区域内河流处于平原河网地区，河流流向为从西向东，除雨季外，流速 较小，水流缓慢，基本处于静止状态。由于河流水流缓慢，缺氧，水体发黑发臭。 由于研究区域北侧为淮河大堤，以及长期的人类耕作、兴修水利，研究区域 形成网格状水系特征。 2 1 5 土壤 淮南市土壤类型复杂多样，淮河以北的平原地区，基质是古河流沉积物，主 要为砂礓黑土和黄土。淮河沿岸的湾地为潮土类土壤。湾地与丘陵之间的岗地， 基质为黄土，土壤主要为黄棕壤。研究区域土壤为黄棕壤。 2 1 6 植被 研究区内植物种类繁多，粮食品种水稻、小麦为主，一年两熟，有部分菜地 及林地，河流中水生植物较多，主要有芦苇，苦草、黑藻、水葫芦( 凤眼莲) 、 浮萍、马来眼子菜等。 2 1 7 土地利用方式 研究区内的土地利用方式以稻田、水塘、居民区为主，农田多数集中于研究 区域西面，鱼塘集中于东北面。研究区域土地利用情况见表l 表1 研究区域土地利用方式情况 t a b l e lt h el a n du t i l i z a t i o nt y p ei n s t a n c ef o rr e g i o no fi n t e r e s t l 利用方式稻田旱地林地菜地居民区水塘其他 l 面积( k i n 2 ) 7 1o 91 4o 71 63 51 5 安徽理工大学硕士论文 2 2 社会环境概掘 研究区内包括四个自然村，即沿淮村、连岗村、姚南村、姚北村。区域内无 工业设施 2 3 研究区内水环境现状研究 2 0 0 6 年4 月5 月期间，研究期间，在区内设置8 个监测断面，具体监测点位 置及编号详见图4 图4 研究区域水环境状况监测点位置示意图 f i g u r e4t h eo r i e u t a t i o ni n s e to fa q u a t i ce a v i r o m a e n t s t a t u ss o n i t o r i n sp o i n tf o rr e s i o no fi n t e r e s t 本次监测指标为t n 、t p 、n c b - - n 、n i 臣n ，沟渠断面的水质监测的取样位 置设在沟渠的中部，水面下的1 0 2 0 c m 处取样，具体监溯和分析方法参照环境 污染监浏方法) 以及水和废水监测分析方法( 第三版) 的规定：总氮( t n ) 采用碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定；总磷( t p ) 采用铝酸盐分光光度法 测定；氨氮o 哪i 舢采用纳氏试剂比色法测定；硝态氮州哂一一n ) 采用紫外分光 光度法测定 在监测期间内共在8 个采样点进行了3 次采样，采样时间分别为：2 0 0 6 年4 月 1 5 h 、2 0 0 6 年5 月2 1 日、2 0 0 6 年7 月2 日，经过实验测定，监测项目的指标如表2 所 i g i s 支持下淮河流域淮南市中段农业非点源污染研究 刁 表2 研究区域水环境现状监测表( m s i ) t a b l e 2 t h e a q u a t i c e a v i r o a m e a t a e t e a t 缸y m o a i t o r t a b l e f o r r e g i o n o f i n t e r e s t( m 鲫) 总氮( t n )总磷( t p ) 氨氮( n 心+ 一n ) 硝态氮( n 0 3 一一n ) 采样点 范围平均值范围平均值范围平均值 范围 平均值 3 0 6 1 7 2 3 2 2 3 0 4 3 7 l2 8 4 61 5 7 32 1 10 柏5 2 6 81 4 21 9 8 0 3 6 4 3 4 6 2 7 6 3 3 2 0 5 7 8 23 2 2 6 2 1 12 7 60 4 1 2 3 0 51 1 7 1o 2 “ 8 4 0 4 9 4 4 8 0 1 4 3 35 9o 3 93 9 30 1 2 6 4 60 2 4 53 20 1 1 6 1 8 5 0 7 6 1 3 2 o 3 6 4 4 1 6 6o 5 61 1 80 3 7 4 1 3 30 4 21 0 50 2 1 5 2 7 6 1 8 3 5 2 5 2 0 4 5 6 52 5 61 5 1 42 0 80 3 3 5 2 4 31 0 61 7 40 2 3 8 9 8 0 7 9 6 4 0 2 6 4 67 6o 6 5 35 4 6 0 2 3 1 6 1 o 5 65 10 1 1 2 ， 4 8 o 6 3 5 2 0 2 4 5 73 3 6o 5 0 64 2o 2 2 2o 4 33 60 1 8 7 7 9 0 8 7 6 7 o 3 6 4 87 0 30 7 1 9 4 90 3 2 1 5 6o 6 3 3 4 0 2 8 3 由表2 可知，总氮( 1 n ) 的浓度为2 2 3 4 6 m g l ；总磷( t p ) 的浓度为0 2 4 5 2 7 6 m g 1 ；氨氮o m 的浓度3 2 3 3 2 m g l ；硝酸盐氮州q 一一n ) 为0 1 1 2 0 5 7 8 m g ，1 根据g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 质量标准评价，氨氮、总氮和总磷的平均值均处于超v 类水质 由表2 还可以看出，2 。采样点的污染最为严重，其主要原因是可能是由于它 靠近居民区，居民区内的生活污水和禽畜粪便未经收集处理任意摔放所致。 2 4 研究区域农业非点源污染状况 农业非点源污染主要包括农村生活垃圾、当地居民的生活污水、农田排放的 安徽理工大学硕士论文 污水等随降雨地表径流所产生的污染。 目前，研究区域内农村生活垃圾、生活污水的管理基本处于无序状态，环境 卫生意识比较淡薄，缺乏自我保护意识，居民区内污水横流，遇到暴雨时，更是 泛滥成灾，居民们把溪流当成天然垃圾填埋场。生活垃圾成分复杂，数量增多， 日积月累形成“白色污染”，农村生活垃圾处理住要是倾倒入水塘或堆置在沟渠、 水塘岸边，在沟渠枯水期垃圾堆积如山，腐烂后渗出的垃圾渗滤液对水环境造成 了极大破坏，而且草生苍蝇、蚊子等害虫，威胁人们健康，丰水期受洪水冲刷， 大量垃圾最终被冲入区域内的沟渠中，既影响景观，腐烂后形成有机质，影响湖 泊水质。 1 6 g i s 支持下淮河流域淮南市中段农业非点源污染研究 3 研究区域内降雨地表径流氮、磷流失特征研究 我国对非点源污染的研究起步较晚，加上非点源污染自身固有的随机性、广 泛性、滞后性和模糊性等特点【城2 3 1 ，同时由于近几十年来随着耕地资源的不断流 失，为缓解人口不断增长对粮食需求的压力，农药