第五章+污染源信息管理GIS.ppt

第五章污染源信息管理GIS 污染源信息管理GIS 污染源信息管理GIS环境统计GIS设计排污申报登记GIS开发排污收费GIS开发建设项目管理GIS开发流域环境管理GIS开发 我国污染源及污染管理 20世纪70年代 我国工业污染源管理防治集中在点源治理上 以企业治理 三废 为主 20世纪80年代 对工业污染源进行综合防治 但只局限于小范围的区域环境治理 20世纪90年代 着手开展农村面源污染防治 大规模开展重点城市 流域区域环境综合整治 污染源管理主要的数据库类型 排污申报登记数据库和环境统计数据库 国家确定和实施 33211工程 5 1污染源信息管理GIS总体功能结构 排污申报数据 环境统计数据 污染控制区数据 流域管理数据 污染源信息数据库 污染源数据库 污染源信息管理 环境统计GIS 排污申报GIS 排污收费GIS 建设项目管理GIS 烟尘控制区管理GIS 一厂一档管理GIS 流域管理GIS 5 2环境统计GIS开发 环境统计的任务 对环境状况和环境保护工作情况进行统计调查 统计分析 提供统计信息和咨询 实行统计监督 总体上分为环境统计综合年报和专业年报两大类 环境信息系统的数据源 基层报表数据综合报表数据代码数据等 环境统计GIS功能设计 数据管理 数据查询 数据统计 分析报告 系统维护 GIS应用 功能模块设计 数据录入 数据导入 检查校验 基表信息查询 服务器统计数据库 导出 查询 汇总 GIS应用 分析 打印 基表组合查询 按单位查询 综表信息查询 等标负荷分析 总量控制分析 排行榜分析 数据管理 数据查询 分析报告 数据统计 系统维护 报表输出 系统结构设计 5 3排污申报登记GIS开发 数据分析排污申报登记GIS功能设计排污申报登记GIS结构设计信息查询数据分析 排污申报登记数据分析 排污申报系统的数据源 单位基本情况数据废水排放数据废气排放数据固废排放数据固定噪声源和建筑施工噪声数据 数据管理 数据查询 数据汇总 重点源分析 系统维护 功能模块设计 排污申报登记GIS功能设计 数据管理功能 数据查询功能 单位查询单表查询组合查询汇总查询 数据录入数据修改数据转换 数据汇总功能 数据查询功能 重点源生成筛查申报重点源查询行业重点源查询单项重点源查询 基础数据汇总上报数据汇总汇总数据图形表示 系统维护功能 批量删除 用户管理 代码表维护 地区设置 系统设置 用户信息管理 河流流域污染源信息查询与发布系统 流域水体的污染源系统结构组成数据库设计系统主要功能河流流域污染源信息系统组成 河流流域污染源信息系统组成 数据库设计 空间数据库包括地理空间数据库和污染源专题空间数据库 属性数据库主要是污染源数据库 系统主要功能 污染源显示 查询污染源状况分析与处理水污染突发事故处理污染源信息的网络发布 5 3 1农业环境污染评价信息系统 农业环境污染概况农业环境污染评价现状农业环境污染评价建模技术农业环境污染评价信息系统实例 一 农业环境污染概况农业环境污染源任何物质 以不适当的浓度 数量 速率 形态和途径进入环境系统 并对环境系统生产污染或破坏的物质 称为污染物 污染源是指污染物的发生源 农业污染源主要有农药 化肥 水土流失 农业废弃物等 农业非点源污染非点源污染物也称面源污染物已成为世界范围内地表水与地下水污染的主要来源 Duda 1993 而农业是最主要的非点源污染来源 Humenik等1987 农业非点源污染 AgriculturalNonpointSourcePollution 是指农业生产活动中 氮磷等植物营养 农药 重金属等有机和无机污染物 以及土壤颗粒等沉积物 通过地表径流和地下渗漏 造成环境尤其是水域环境的污染 全球范围30 50 的地球表面已受非点源污染的影响 Pimental 1993 美国80 的河流与湖泊已受非点源污染 USEPA 1994 欧共体国家农业所造成的地表水和地下水硝酸盐污染增加我国肥料和农药的污染 地面水富营养化已较为普遍 造成水体富营养化的大量氮磷营养 不仅有市政污水 工业废水的点源输入 同时有大量包括地表径流 水土流失等非点源输入 随着我国畜牧业的发展 动物排泄物引起的非点源污染也应引起高度重视 二 农业环境污染评价现状及其发展趋势 常规评价方法在实地监测降雨及排水径流水质 水量的基础上 应用流域水文模型或与水文模型紧密相关的模型来模拟和估测农业污染负荷 已成为农业污染研究的基本方法之一 首先 在研究区域内选择一块面积不大 能代表研究区域各类特征的封闭性或半封闭性小流域 同步监测降雨径流的水质 水量 然后据此确定污染物的单位负荷量 最后通过单位负荷量乘研究区域面积来估算农业污染负荷量 该方法的优点 可以减少工作量 费用较低 不足之处 农业污染由于其自然及人为管理所造成的时空差异很强 仅以小区研究代替大区域 显然污染负荷的计算精度不高 也不利于污染地域分异规律的真实把握 不便于确定优先控制区及制定针对性的控制对策 遥感技术主要用于获取土壤物理 化学及生物学性质 以及建立现时 经济上可承受的大面积环境监测 遥感数据特别是高分辨力数字式遥感图像在环境评价中有很大应用潜力 遥感技术已能直接监测土壤湿度 植被覆盖等地球物理和生物性质 由于它能周期性地获取数据 对监测有关环境质量 土壤和植被等参数的变化是十分有用的 三 AEPEIS应用现状与发展趋势 农业环境污染评价信息系统 AgriculturalEnvironmentPollutionEvaluationInformationSystem 简称AEPEIS 尚处于发展和完善阶段 目前主要是利用农业环境污染评价模型与GIS结合 发挥各自的优势 研究和管理农业环境污染 GIS运行环境下的建模已成为研究热点并取得了初步成功 可实际运行的AEPEIS已逐步完善 可望有专门的商业性系统上市 今后发展的最终目标是建立流域性或区域性的农业环境污染评价与管理技术体系 它是一个集合 3S 技术 建模及模拟分析 模糊决策技术 评价信息可靠性的不确定性分析技术 估测参数的神经网络及地理统计技术等多学科技术的综合技术系统 一 农业环境污染评价建模技术概述 4 3 2农业环境污染评价建模技术 一 模型与建模概述1 模型 为了描述和预测污染物在环境介质中的移动和变化规律 各种数学模型及相应计算机软件应运而生 定量评价受纳水体农业污染现状及发展趋势 是农业污染研究的重要内容 要定量估算一定时段内农业污染发生负荷量 必须了解该时段每场降雨径流所带来的污染负荷量 然而受客观条件的限制 监测所有降水过程的径流水质 显然是不可能的 为解决农业污染长期负荷的估算及其暴雨径流污染负荷的预测问题 以及地理要素和污染物发生及迁移的时空变异 建立污染负荷估算模型及地理数据建模 是农业污染评价与管理的核心内容 2 建模技术建模是对自然界认识的更好表达 是创造性的工作 它以简洁的方式总结现有认识和经验 引导今后工作与研究 以直截了当的方式表达复杂现象和过程 模型的发展与建立应该遵循以下几点 简明 不要太复杂 模型参数尽可能可以从有关数据中获取 实在 不要扩大模型的应用范围与功能 精确 力争高精度 但不要指望模拟与预测结果精度能高于实测的结果或高于可以达到的精度 可检验 结果应经得起目的测试检验 同时掌握影响模型精度的因子 Moore等 1993 建立计算机模型的几个步骤 Jakeman等 1991 确定目标 确定感兴趣的系统或区域 所需数据及优先考虑的信息 选择模型类型 经验模型还是物理模型 确定模型结构 算法实现 模型参数的估计及校正 检查与证实 敏感分析及误差分析 用同一区域或不同区域数据检验模型精度 3 应用与发展趋势除径流试验场法 田间试验 典型区域实地采样调查等常规方法外 利用通过土壤流失方程 USLE 水文 水质模型等模型进行流域或区域内受纳水体农业污染的现状和发展趋势评价是农业污染评价与管理的一种重要方法 国内外现有的模型可以分为两大类 一类是通过对农业污染物输出的三个重要环节 降雨径流 水土流失 污染物迁移的模拟 建立污染物输出量估算的机理性模型 另一类不考虑污染物在区域地表的实际迁移过程 立足于受纳水体水质分析 建立计算集水区域污染物输出量的经验性模型 第一类模型具有较高的精度 但对基础数据 技术手段要求较高 计算比较复杂 一般适用于小流域 第二类模型应用较多 但缺乏机理基础 精度较低 从模拟对象 过程和模型结构上还可将第一类模型分为三部分 流域水文特征模型 泥沙流失模型 污染物输出模型 水土流失与农业环境污染是一对密不可分的共生现象 水土流失是农业环境污染的主要发生形式 所以土壤侵蚀研究是非占源污染等农业环境污染研究的重要组成部分 美国通用土壤流失方法 USLE 因较好地解决了估算特定条件下的长期平均土壤流失量问题而广泛地应用于非点源污染模拟模型中 USLE是美国科学家花了四十多年时间现场观测调查得出的经验方程 其表述为 A R K LS C PA 一场暴雨的土壤流失量 t ha R 降雨能量因子 K 土壤可蚀性因子 t ha LS 坡长 坡度因子 C 覆盖和作物经营因子 t ha P 土壤保持措施因子 确定各个因子的经验公式请参见文献 庄源益等 1994 为了更好地研究与管理可溶性污染物 从80年开始 对可溶性污染产生及其传输作了大量研究 并发展与建立了许多模型 美国农业局开发的农业管理系统的化学品 径流 侵蚀模型 CREAMS 较为成功 Knigel1980 CREAMS是一个连续模拟模型 它估计了农田单元的泥沙 水和污染物流失 并能从不同农田管理措施中选出最经济有效的方案 CREAMS包括水文 侵蚀 化学品种三个部分 水文部分可输入两类数据 日产量 其径流量由SCS法确定 渗透率通过权重技术确定 断点数据输入 即雨量的实际时间模式 采用了Green Ampt的渗滤模型估计出水量 侵蚀和泥沙流失部分使用运输能力和USLE方程 氮 磷 农药损失分为溶解态和沉积态 在沉积态中考虑了富集因子 CREAMS中上层子模型的输出即为下层子模型的输入 利用水文 水质模型进行流域内受纳水体非点源等农业污染的现状和发展趋势的评价是一种重要而较为实用的方法 常用的模拟模型有 暴雨水质管理模型 SWMM 储存 处理和地面漫流模型 STORM 农田径流管理模型 ARM 区域性非点源对集水区的环境响应模型 ANSWERS 以及农业非点源模型 AGNPS 等 Tim等 1994 其中AGNPS应用最广泛并较为成功 GIS和模型的结合是解决模型应用困难的有效途径 GIS不仅能处理大量空间数据 同时能通过计算生成模型运行所需的参数 GIS为基础的环境建模已成为研究热点 并已取得很大成功 GIS为基础的环境建模包括三部分相联系的内容 建模 主要用于有关环境物理 化学过程的描述 数据采集 提供模型参数与变量 GIS 提供组织结构 可用于自动生成数据及其输入 并可显示结果 目前已有三维立体动态模型的研究 5 3 3常用的农业环境污染评价模型 重点讨论污染物随地表径流和泥沙的输出模型和综合描述农业环境污染的AGNPS模型 一 污染物输出模型1 泥沙污染物输出模型地表径流和泥沙可作为污染物迁移的载体 污染物可分为溶解态和吸附态两类 为了描述污染物输出与泥沙流失关系 有人提出了能力因子 P 的概念 即母土中污物浓度CS与富集因子ER的乘积 于是污染负荷Y与泥沙负荷YS的关系可表述为 Y PYS 对ER值 国外一些学者经过研究给出了一些估计值和经验式 McElroy报道有机质的富集因子ERor取值范围1 5 对细 粒 组织土壤其值较低 而对沙质土值较高 Massey和Jackson发现ERor随径流中泥沙浓度和侵蚀率提高而增加 Young和Onstad在研究了Indiana和Minnesota的土壤情况后 得出如下回归式 2 溶解态污染物输出模型对于溶解态污物的传输和负荷 其过程较为复杂 这不仅因为它可被地表径流 内流 地下水等运输 还因为它在传输过程中发生的各种物理化学和生物过程 如吸附 解吸 降解 挥发 植物吸收等 这就很难从机理上找到一个简单的模型 对于氮 磷损失 国内外经过研究 给出了不少 黑箱模型 Sharpley给出了径流运输溶解态磷的经验式 式中Pr PO分别为径流和土壤中磷的浓度 mg kg EDI 表土和径流在溶解态磷传输中相互作用有效深度 mm BD 土壤松紧度 mg m3 V 径流量 mm W 水 土 cm3 g k a 为与给定土壤有关的常数 Sharpley和Menzel还给出了颗粒态磷和总氮损失的关系式 它们也是基于能力因子方法 并得出氮 磷富集因子经验式 LnERP 2 48 0 27InSLLnERN 2 00 0 20LnSL式中SL 土壤损失量 kg ha T Prairie和Kalff从流域面积出发 得到不同土地利用下磷输出与流域面积的关系式 LogTP输出 a blog Area 式中Area为流域面积 二 农业非点源污染模型农业非点源污染模型 AgricultureNon point sourcePollutionModel 是美国密尼苏达州环境保护局推出的面源控制模型 1 模型特点 AGNPS既是一个水质模型 又是一个计算机软件 还具有自身独特的特点 1 作为一个水质模型 它需要大量而详细的资料 以确定模型的输入参数 它是通过一定的水质模型方程和水土流失方程来进行计算机处理的 这是模型的核心 2 作为一个软件 它是一个完全的操作平台 有固定的输入输出格式 它的模型计算过程也即核心处理部分完全系统化 无须自己进行 3 自身独特的特点 它不象其它模型那样计算污染物在水体中的分布 而是针对一次暴雨过程计算可能对河流水体产生的水质影响 前者着重于污染体进入水体后的情况 后者着重于污染体进入水体前的情况 所以后者在预测和控制上更有效 该模型是一个非点源模型 所以在小流域进行污染预测 总量控制和综合治理上比较有效 该模型主要关心两个方面 一是一次暴雨过程中计算域内可能对水体造成污染的污染物在进入水体前的分布情况 另一是计算域出口处的水质情况 其解决的两个问题就是怎么控制和控制失败后将对水体造成多大的影响 2 模型的输入在了解了模型的特点之后 对于模型的参数要求也有了初步的认识 大致有以下三大步骤 1 前期准备 2 基本数据输入 3 单元数据输入 3 模型的输出在完成了模型的输入之后 就可以运行模型 模型将对上述的数据库作检测 若检测有错误 将作出错误显示 若检测无误 模型开始运算 并自动生成两个文件 NPS 用于列表输出模拟结果的数据库文件 和 GIS 用于图形输出模拟结果的数据库文件 接着就可以根据需要对模型作出输出 4 模型的缺点长江流域水资源保护科研所曾利用AGNPS对蛮河南嶂段小流域进行研究 在计算过程中 发现模型有以下几个方面问题 1 模型的经验性 2 模型的精度问题 3 模型的单位 4 模型的适用性 5 评价与建议AGNPS模型虽有某些地方不尽人意 但总体来说它是一个很好的模型 它是作宏观研究 同时又兼顾了点源的影响为面源控制提供了一种思路与方法 为提高该模型的实用性 至少可开展以下研究 以充实AGNPS模型 1 收集适量的农业土壤资料 参照美国的经验数据表 确定我们相应的参数表 并将其建成数据库 随时调出查阅 2 对模型资料所附的基本计算部分 即核心部分 进行研究 了解它的水质模型方程 水文模型方程 泥砂方程等的计算及其参数的确定 这既有利提高模型应用精度 还有助于开发出更符合我国国情的农业非点源污染模型 三 AEPEIS的建立 一 GIS在农业环境污染评价中的作用GIS越来越广泛地用于自然环境的调查 分析 建模 评价和管理 Goodchild等1993 GIS的支持大大提高了应用模型的模拟精度 实际应用价值也大为提高 二 模型与GIS的结合1 松散结合方式GIS和模型基本上是各自独立开发 这种结合对模型和GIS没有专门要求 GIS 或地理统计分析软件 用于获取和处理空间数据 并转变成能满足模型结构所需的数据格式 为模型运行提供输入数据 模型的运行结果 以点状数据或面状数据的格式返回到GIS 并可由GIS显示结果 甚至能进行数据内插 早期ANSWERS和栅格GIS的联结就是松散结合的一个例子 DeRoo等1989 当尝试模型与GIS结合时 松散结合是一种适宜方式 2 部分结合方式GIS和模型的部分结合有两种途径 在一个已有的水文 水质模型基础上开发能够辅助模拟的GIS数据库 在一个已有的GIS数据库基础上开发模型 并根据GIS的数据结构输入数据 无论是哪种途径 GIS的作用都是为模型提供输入数据 并接受模型模拟结果以进一步处理和演示 3 紧密结合GIS和应用模型紧密结合 两者处于一个统一的操作环境中 贮存在GIS中的数据根据模型的需要来构建 反之亦然 数据交换是全自动的 紧密结合需要在编程与数据管理中投资较大 技术和版权的原因 也会给紧密结合带来困难 应用GIS和各种应用模型评价与管理农业环境污染还需重视以下几方面工作 充分利用遥感和非接触性测定方法获取的瞬间或同步的数据 这对解决模型应用面临的数据不足将是十分关键的 加强地理统计学的研究与应用 这样就可能在保证描述土壤空间变异精度的前提下 减少实地采样与常规分析的数量 科技 经济 政府等部门紧密结合 建立基于信息技术的决策与管理体系 而不只是作为研究手段或仅停留于科学研究 5 4建设项目管理GIS 建设项目管理包括建设项目环境保护申报情况 建设项目环境保护审批登记情况 建设项目环境保护 三同时 竣工验收登记情况等 建设项目管理GIS功能设计 数据输入 数据输出 数据汇总 数据查询 系统维护与代码维护 GIS功能 功能设计 GIS应用功能 主要包括空间位置查询 空间量算 空间数据的汇总 专题图的制作 专题图有基本信息专题图 河流预测污染排放专题图 区域范围三废排放分布情况 区域范围污染物累计负荷情况等专题图 实例1崂山区工程建设项目管理信息系统 根据青岛市崂山区工程建设项目管理要求 引用先进的GIS技术对道路 管线工程进行管理并可以将工程定位到具体的实际空间位置上 查看时更加方便直观 提供精确数据 指导各项施工 以减少实际工作中的失误和防止重大事故的发生 系统以计算机及网络为支持 以青岛市崂山区建设项目管理中心现有的管理业务为信息源 采用C S和B S结合的GIS结构模式 实现各部门联网运行的管理系统 崂山区工程建设项目管理信息系统