基于空間信息技術(shù)的新農(nóng)村建設(shè)面源污染動態(tài)監(jiān)控

陳蓓青，汪朝輝，申邵洪

（長江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010）

基于空間信息技術(shù)的新農(nóng)村建設(shè)面源污染動態(tài)監(jiān)控

陳蓓青，汪朝輝，申邵洪

（長江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010）

面源污染的調(diào)控與治理是關(guān)系到新農(nóng)村建設(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展的重要問題。將RS，GIS和GPS技術(shù)引入農(nóng)業(yè)面源污染研究領(lǐng)域，通過建立完善的農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效地實(shí)施對環(huán)境污染的動態(tài)監(jiān)測，科學(xué)管理具有空間屬性的各種農(nóng)業(yè)環(huán)境面源污染信息。以空間信息技術(shù)為基礎(chǔ)的監(jiān)測信息系統(tǒng)能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源污染及農(nóng)村環(huán)境治理提供可靠有效的輔助決策信息，并為政府及有關(guān)部門正確決策提供科學(xué)依據(jù)。

空間信息技術(shù)；面源污染；動態(tài)監(jiān)測

1 概 述

農(nóng)業(yè)面源污染主要是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動過程中，固體的或溶解的污染物（農(nóng)田中的土粒、氮素、磷素、農(nóng)藥、重金屬及其農(nóng)村家畜糞便與生活垃圾等有機(jī)或無機(jī)污染物質(zhì)）從非特定的地域，在降水和徑流沖刷作用下，通過農(nóng)田地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏，使大量污染物質(zhì)進(jìn)入受納水體（如河流、湖泊、水庫、海灣等）所引起的主要水體污染。農(nóng)業(yè)面源污染具有形成過程隨機(jī)性大、影響因素復(fù)雜、污染分布范圍廣、潛伏周期長和危害性大等特點(diǎn)，面源污染由于沒有固定的污染源，在監(jiān)測、治理和控制上難度較大。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，而現(xiàn)階段我們對農(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，也缺乏整治的相關(guān)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

黨的十六屆五中全會提出建設(shè)社會主義新農(nóng)村的歷史任務(wù)，而新農(nóng)村建設(shè)的基本特點(diǎn)就包含“兩新”：新技術(shù)環(huán)境（信息化建設(shè)）和新自然環(huán)境（良好的生態(tài)環(huán)境）。因此，研究農(nóng)業(yè)面源污染的特點(diǎn)，利用高新技術(shù)對農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，可快速獲取面源污染狀況，以指導(dǎo)減少農(nóng)業(yè)面源污染排放政策的制定和污水防治措施的實(shí)施，確保農(nóng)村水源安全和農(nóng)民身體健康，特別是在新農(nóng)村建設(shè)中，利用面源污染監(jiān)測成果，提前做好水資源規(guī)劃，使排污設(shè)施合理分布，保障農(nóng)村污水生態(tài)處理技術(shù)的有效實(shí)施，也是新農(nóng)村建設(shè)中實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境和農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要任務(wù)之一。

2 基于空間信息技術(shù)的研究路線

空間信息技術(shù)（Spatial Information technology）作為近年來得到快速發(fā)展的一門新興技術(shù)，主要包括全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）三項(xiàng)技術(shù)的融合與應(yīng)用。是目前對地觀測系統(tǒng)中空間信息獲取、存貯、管理、更新、分析和應(yīng)用的支撐技術(shù)。通過遙感數(shù)據(jù)可以快速獲取大面積的區(qū)域信息，其多譜段、多實(shí)相、多傳感器和多分辨率的特點(diǎn)，可以較好地獲得土地利用現(xiàn)狀信息、水體污染范圍信息等；GPS作為GIS的快速定位和更新的手段，主要用于細(xì)化局部區(qū)域的信息、地物特征點(diǎn)的測量以及污染源的快速定位。

GIS和面源污染分屬2個(gè)不同的領(lǐng)域，但他們之間具有共同的空間概念，由于面源污染是一種間歇發(fā)生、隨機(jī)性強(qiáng)、具有很多不確定因素的復(fù)雜過程；而GIS具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理、分析能力，因此可以將GIS技術(shù)廣泛深入地應(yīng)用于具有空間特征的農(nóng)業(yè)面源污染研究中。利用空間信息技術(shù)監(jiān)測農(nóng)業(yè)面源污染有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)動態(tài)更新快，易實(shí)現(xiàn)共享；

（2）能對海量的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析；

（3）能夠通過空間分析與統(tǒng)計(jì)，確定各參數(shù)的空間分布以及參數(shù)的空間相關(guān)性；

（4）分析顯示結(jié)果形象直觀。

將全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）三者有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)多功能綜合的技術(shù)系統(tǒng)，才能在新農(nóng)村建設(shè)面源污染動態(tài)監(jiān)測與防治中發(fā)揮更大的作用。其應(yīng)用流程圖如圖1所示。

圖1 3S技術(shù)在農(nóng)村面源污染動態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)中的應(yīng)用流程圖Fig.1 Flow chart of 3S-technology used for dynam ically monitoring information system of rural non-point source pollution

3 示范區(qū)應(yīng)用研究

3.1 示范區(qū)概況

清江是湖北省境內(nèi)最大的一條長江支流，干流全長423 km，流域面積1.67萬km2，是土家族的母親河，橫貫鄂西南7個(gè)縣市。隔河巖、高壩洲、水布埡等水電站的梯級開發(fā)，使清江干流失去了自然均勻和可持續(xù)流動的天性。流域內(nèi)農(nóng)村面源污染、城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活污水和垃圾污染，對清江水質(zhì)已經(jīng)形成了嚴(yán)重影響，農(nóng)業(yè)面源污染問題急需有效的治理。長陽土家族自治縣位于湖北省西南部的清江中下游，是全國首批100個(gè)農(nóng)村電氣化試點(diǎn)縣之一，政府對于西部農(nóng)村的投入支持力度逐年增加，大力發(fā)展社會主義新農(nóng)村建設(shè)，大力發(fā)展西部旅游業(yè)，對農(nóng)村地區(qū)的環(huán)境治理與保護(hù)也日益加強(qiáng)。

3.2 面源污染信息采集與處理

遙感技術(shù)是獲取農(nóng)業(yè)面源污染對河流污染的數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)。通過衛(wèi)星圖片，對不同波段的反射光譜分析，可以獲得研究區(qū)域地表水污染情況。研究中用到的數(shù)據(jù)包括長陽縣1∶10 000DEM圖，長陽縣行政區(qū)劃圖，Landsat TM，SPOT5遙感影像圖（圖2），重點(diǎn)地區(qū)1∶5 000LIDAR航空影像（圖3），以及土地調(diào)查詳查數(shù)據(jù)、水質(zhì)測量點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。通過對影像的校正及解譯，獲得長陽縣土地利用圖和農(nóng)業(yè)面源污染對河流污染的數(shù)據(jù)。同時(shí)利用GPS定位的高精度和應(yīng)用的靈活性的特點(diǎn)，對于遙感影像邊界地區(qū)和水體污染速度快的地區(qū)，采取GPS定位觀測的方式，快速獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖2 長陽縣部分區(qū)域SPOT衛(wèi)星影像Fig.2 SPOT satellite images of part region at Changyang County

圖3 隔河巖水電站附近水域航空影像Fig.3 Aerial photo of Geheyan Hydropower Station

一般來說，農(nóng)業(yè)面源污染動態(tài)監(jiān)測中易變的因素主要有土地利用、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)與施用化肥情況，以及區(qū)域降雨情況等，它們的快速獲取是區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染動態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵，其中土地變化及種植結(jié)構(gòu)變化均可用遙感的手段獲取。土地利用坡度分布可通過GIS計(jì)算分析得到，見表1。

表1 長陽縣土地利用坡度分布Table 1 Distribution on land use gradient of Changyang County

3.3 面源污染研究數(shù)據(jù)建庫

翔實(shí)而完備的數(shù)據(jù)庫是實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)各項(xiàng)功能的關(guān)鍵和核心。為實(shí)現(xiàn)新農(nóng)村建設(shè)農(nóng)業(yè)面源污染的動態(tài)監(jiān)測，建立了不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模型的空間和屬性數(shù)據(jù)庫，以構(gòu)成完備的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫之間則通過統(tǒng)一設(shè)計(jì)的地理編碼實(shí)現(xiàn)相互連結(jié)。

（1）土地利用分析。土地利用類型對于確定面源污染負(fù)荷是非常重要的，利用遙感手段獲取研究區(qū)域的土地利用信息，根據(jù)面源污染的特征，采用分層分類方法獲取以下信息：①耕地、居民點(diǎn)：根據(jù)污染負(fù)荷情況提取耕地類型，居民地空間分布等數(shù)據(jù)；②林地：研究區(qū)域內(nèi)最主要的土地利用類型，林地的信息提取包括植被的類型及覆蓋度等級等直接影響林地污染負(fù)荷的信息；③主要的水庫：可能對污染物的遷移產(chǎn)生顯著影響。長陽縣土地利用現(xiàn)狀見圖4。

圖4 長陽縣土地利用現(xiàn)狀圖Fig.4 Land use chart of Changyang County

（2）地形數(shù)據(jù)建庫與分析。用于地形數(shù)據(jù)建庫與分析的數(shù)據(jù)源包括等高線圖和水系分布圖。主要處理流程為：①利用等高線圖和輔助信息生成柵格式DEM，如圖5所示；②利用柵格式DEM進(jìn)行水文、地形分析，主要內(nèi)容包括流域邊界提取和流域面積計(jì)算、水系提取、河流比降和河長測量、坡長坡度計(jì)算等。

圖5 長陽縣1∶50 000 DEMFig.5 1∶50 000 DEM of Changyang County

（3）其它面源數(shù)據(jù)的建庫。主要數(shù)據(jù)包括氣象、土壤類型、農(nóng)村居民點(diǎn)、水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)、農(nóng)作物生長參數(shù)等。按以下3類劃分：①以柵格格式存貯的空間數(shù)據(jù)，如土壤類型；②以Coverage格式存貯的空間數(shù)據(jù)，如農(nóng)村居民點(diǎn)分布、水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)分布；③以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫形式存放，如近年來的氣象、環(huán)境、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

3.4 基于GIS的面源污染負(fù)荷計(jì)算與評價(jià)

根據(jù)流域的自然產(chǎn)、匯流特征，將研究區(qū)域劃分為若干個(gè)子流域，并進(jìn)一步將每個(gè)子流域劃分為2～5個(gè)HRU（Hydrologic Response Unit）單元。在面源污染計(jì)算模型中。同一子流域具有相同氣象因子，如降雨量、氣溫、日照等，地形因素（坡度、坡長）、河流河道特征、地下水特征等。同一HRU單元除具有相同的土地利用類型與土壤類型外，也具有相同的作物類型和管理措施。

在GIS的輔助下，提取各子流域、HRU單元、河流、水體的有關(guān)參數(shù)，作為面源污染計(jì)算模型的輸入。在輸出系數(shù)模型中，確定合理的輸出系數(shù)是關(guān)鍵所在。影響流域面源源污染物輸出系數(shù)的因素很多，包括流域內(nèi)地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型和結(jié)構(gòu)、植被、管理措施以及人類活動等，不同土地利用方式的輸出系數(shù)差別非常明顯。

從圖6和圖7可以看出，從2000年到2006年，長陽縣面源污染發(fā)生了明顯的變化，其中2000年面源污染高負(fù)荷區(qū)主要分布在東部地區(qū)，因?yàn)殚L陽縣地勢是西高東低，東部集中了絕大部分的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，西部以中高山草地和林地為主，因此西部的面源負(fù)荷相對較低。隨著大力發(fā)展高山蔬菜，低山糧林，高山林、畜、藥等工程，面源污染負(fù)荷逐步向縱深發(fā)展，其中清江以南發(fā)展比清江以北發(fā)展迅猛，面源污染負(fù)荷也加重得更加迅速。

圖6 2000年和2006年長陽縣面源污染負(fù)荷總氮空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of NPS pollution load for TN in 2000 and 2006

3.5 信息查詢與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

（1）信息查詢：在后臺數(shù)據(jù)庫的支持下，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)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：基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息發(fā)布系統(tǒng)，能夠讓管理員方便地在服務(wù)器端實(shí)時(shí)更新地圖及專題圖信息，用戶也可以交互式地獲取直觀的基于空間分布的土地類型及污染主要分布范圍等感興趣的地圖資料。

（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，任意查詢某一具體位置或區(qū)域的污染治理情況，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(yīng)的位置信息。

（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)測和評價(jià)，為農(nóng)業(yè)面源污染的管理、規(guī)劃和決策提供依據(jù)。

（5）提供資料和污染分布圖瀏覽：可提供農(nóng)業(yè)面源污染在不同比例尺的研究區(qū)域下的詳細(xì)調(diào)查成果。

圖7 2000年和2006年長陽縣面源污染負(fù)荷總磷空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of NPS pollution load for TP in 2000 and 2006

4 結(jié) 論

對長陽縣面源污染的監(jiān)測和分析可以看出，將RS，GIS和GPS技術(shù)引入農(nóng)業(yè)面源污染研究領(lǐng)域，通過建立完善的農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效地實(shí)施對環(huán)境污染的動態(tài)監(jiān)測，科學(xué)管理具有空間屬性的各種農(nóng)業(yè)環(huán)境面源污染信息。以空間信息技術(shù)為基礎(chǔ)的監(jiān)測信息系統(tǒng)能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源污染及農(nóng)村環(huán)境治理提供可靠有效的輔助決策信息，并為政府及有關(guān)部門正確決策提供科學(xué)依據(jù)。

因此，我們應(yīng)該充分利用發(fā)展社會主義新農(nóng)村建設(shè)之機(jī)，大力推廣空間信息技術(shù)，以科學(xué)先進(jìn)的手段提升農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測水平、完善農(nóng)村環(huán)境影響評價(jià)體系，使我國的農(nóng)業(yè)資源得到更合理的保護(hù)和利用。

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（編輯：王 慰）

Dynam ic M onitoring of Non-Point Source Pollution in New Rural Construction on Spatial Information Technology

CHEN Bei-qing，WANG Zhao-hui，SHEN Shao-hong
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The treatment and control of non-point source（NPS）pollution is a key factor which affects new countryside construction and society sustainable development.Introducing RS，GISand GPS into research field of agriculture NPS pollution can prompt the development of agriculture NPS pollution monitoring system.Using this system，environment pollution can be dynamically effectively monitored and the spatial attribute information of agriculture NPS pollution can bemanaged scientifically.This informationmonitoring system，based on spatial information technology，can provide effectively assistant decision information for treatment of agriculture NPS pollution and environment.It can also help governmentmake a correct and scientific decision.

spatial information technology；non-point source pollution；dynamic monitor

TP79

A

1001－5485（2010）06－0074－05

2009-06-03；

2009-10-23

國家軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2007GXS3B044）

陳蓓青（1971-），女，浙江慈溪人，高級工程師，主要從事空間信息技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用研究，（電話）027-82926551（電子信箱）chenbq＠m(xù)ail.crsri.cn。