流域農(nóng)業(yè)面源污染控制模擬優(yōu)化系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

張婉營 郁亞娟 孫秀秀

摘要：針對當(dāng)前國內(nèi)治理流域農(nóng)業(yè)面源污染信息約束的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種更加適應(yīng)我國國情的流域農(nóng)業(yè)面源污染控制模擬優(yōu)化系統(tǒng)，由于涉及數(shù)據(jù)量大、模擬與優(yōu)化過程復(fù)雜且模型參數(shù)率定與驗(yàn)證需要多次循環(huán)，所以手動計(jì)算是一個(gè)龐大而繁雜的工作且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，為使整個(gè)模擬與優(yōu)化過程更為精確和簡易快捷，將整個(gè)數(shù)據(jù)庫、模擬和優(yōu)化過程通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)流域農(nóng)業(yè)面源污染控制模擬優(yōu)化系統(tǒng)的軟件，并選取阿什河流域?yàn)榘咐唧w講述軟件的操作流程。該軟件能夠成功模擬國內(nèi)流域農(nóng)業(yè)面源污染實(shí)際情況，為制定流域農(nóng)業(yè)面源污染的優(yōu)化策略提供軟件支持，對流域農(nóng)業(yè)面源污染的控制具有重要意義。

關(guān)鍵詞：流域；農(nóng)業(yè)面源污染；系統(tǒng)；優(yōu)化管理

中圖分類號： X506文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0451-03

面源污染由于涉及范圍廣、控制難度大，在環(huán)境污染中的比重逐漸增大，是導(dǎo)致地表水污染的主要原因，其中又以農(nóng)業(yè)面源污染貢獻(xiàn)最大[1]。農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，農(nóng)田中的泥沙、氮磷等營養(yǎng)物、農(nóng)藥及其他有機(jī)或無機(jī)污染物在降水或灌溉過程中，通過農(nóng)田地表徑流、壤中流、農(nóng)田排水或地下滲漏進(jìn)入水體而形成的地表水與地下水的污染[2-3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生的各種污染物（沉淀物、營養(yǎng)物、農(nóng)藥、鹽分、病菌等）以低濃度、大范圍的形式緩慢地在土壤圈內(nèi)運(yùn)動和從土壤圈向水圈擴(kuò)散，其基本特征表現(xiàn)為：污染發(fā)生的隨機(jī)性；機(jī)理過程的復(fù)雜性；排放途徑及方式的不確定性；氣候氣象條件的不確定性以及土地利用的動態(tài)變化，對水系徑流量產(chǎn)生一定影響[4]；污染負(fù)荷的時(shí)空差異性而導(dǎo)致對其監(jiān)測、模擬與控制的困難性等[5]。農(nóng)業(yè)面源污染源主要包括化肥污染、農(nóng)藥污染、集約化養(yǎng)殖廠污染等[6]。國內(nèi)外多項(xiàng)研究結(jié)果已證實(shí)，面源污染已成為世界范圍內(nèi)地表水與地下水污染的主要來源[7-9]。農(nóng)業(yè)面源污染對河流、湖泊的負(fù)荷在60%～70%[8，10-11]。《第一次全國污染源普查公報(bào)》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國主要水污染物排放量有40%以上來自農(nóng)業(yè)污染源，其中總氮、總磷排放量分別占全國總氮、總磷排放總量的57.2%、67.3%[12]。農(nóng)業(yè)面源污染已成為太湖、巢湖、滇池等重要湖泊水質(zhì)惡化的主要原因[13-14]。近年來，隨著我國地表水源農(nóng)業(yè)面源污染的嚴(yán)重程度的增加[15]，我國研究工作者對農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行了很多方面的研究。目前，面源污染研究很多，但多是單純地控制技術(shù)研究或污染負(fù)荷計(jì)算，鮮有與流域、區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)及規(guī)劃緊密結(jié)合的[16]。由于面源污染是伴隨著降水和徑流過程產(chǎn)生的，而且小流域作為一個(gè)相對獨(dú)立的匯水單元，是污染物產(chǎn)生和面源污染發(fā)展的源頭，因此選擇小流域作為研究對象能夠更客觀地反映面源污染的發(fā)生發(fā)展規(guī)律。國外已有很多成熟的流域尺度進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染研究的模擬優(yōu)化模型，如SWAT模型，該模型為治理農(nóng)業(yè)面源污染起到很大作用，國內(nèi)有些地方也成功利用SWAT模型治理當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)面源污染，然而，成熟的技術(shù)并非適用于所有情況。美國作為發(fā)達(dá)國家，其污染狀況出現(xiàn)較早，為治理污染早期進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，而這些是SWAT成功運(yùn)用的必要條件，國內(nèi)很多地方?jīng)]有充足的記錄資料使用SWAT模型進(jìn)行流域農(nóng)業(yè)面源污染模擬與優(yōu)化方案研究。根據(jù)國內(nèi)當(dāng)前信息約束的實(shí)際情況，本研究設(shè)計(jì)了一種更加適應(yīng)我國國情的流域農(nóng)業(yè)面源污染控制模擬優(yōu)化系統(tǒng)，由于涉及數(shù)據(jù)量大、模擬與優(yōu)化過程復(fù)雜且模型參數(shù)的率定及驗(yàn)證需要多次循環(huán)，而手動計(jì)算是一個(gè)龐大而繁雜的工作，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。為使整個(gè)模擬與優(yōu)化過程更為精確和簡易快捷，本研究將整個(gè)數(shù)據(jù)庫、模擬和優(yōu)化過程通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)流域農(nóng)業(yè)面源污染控制模擬優(yōu)化系統(tǒng)的軟件，并選取阿什河流域?yàn)樵囼?yàn)點(diǎn)具體講解該軟件的操作流程。阿什河流域?yàn)榈湫土饔蜣r(nóng)業(yè)面源污染案例，本研究選其作為示范，經(jīng)多次驗(yàn)證，該軟件能夠成功模擬阿什河流域農(nóng)業(yè)面源污染狀況，能夠?yàn)槠渌恿鞯闹卫硖峁┙梃b，對于治理國內(nèi)流域農(nóng)業(yè)面源污染有一定的推廣意義，為制定流域農(nóng)業(yè)面源污染的優(yōu)化方案提供軟件支撐。

1模擬優(yōu)化系統(tǒng)介紹

1.1模擬方法

分析流域農(nóng)業(yè)面源污染來源及其影響因素，收集統(tǒng)計(jì)資料，作為軟件輸入值及運(yùn)行機(jī)理，將模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測值進(jìn)行比較，若不相符，調(diào)整參數(shù)，直到模擬值與監(jiān)測值相吻合，證明該模擬系統(tǒng)能夠成功模擬實(shí)際流域農(nóng)業(yè)面源污染狀況。

1.1.1數(shù)據(jù)輸入-流域入口污染負(fù)荷分析種植業(yè)、集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村居民生活是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源。采用單位負(fù)荷法推算土地利用面源污染。其中，總氮、總磷的入河負(fù)荷量按照單位面積的排污系數(shù)與面積的乘積來計(jì)算，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的總氮、總磷面源污染入河負(fù)荷量按畜禽數(shù)量與排污系數(shù)的乘積來計(jì)算，農(nóng)村居民生活產(chǎn)生的總氮、總磷面源污染入河負(fù)荷量按人口數(shù)與人均排污系數(shù)的乘積來計(jì)算。

1.1.2數(shù)據(jù)運(yùn)行-流域污染遷移模擬流域水質(zhì)運(yùn)輸過程的影響因素主要有自然環(huán)境要素、社會經(jīng)濟(jì)要素、系統(tǒng)參數(shù)3個(gè)方面。各種影響因素導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染在流域中的形成受綜合降解及時(shí)間的遷移拖尾效應(yīng)的影響。流域總氮遷移模擬模型經(jīng)過多個(gè)備選模型的篩選，最終選定為多階段遷移轉(zhuǎn)化拖尾模型?？偭走w移模擬模型與之相似。

1.1.3數(shù)據(jù)輸出-流域出口污染負(fù)荷分析將模擬的流域出口農(nóng)業(yè)面源污染狀況的各種數(shù)據(jù)通過編程得到模擬污染狀況，與實(shí)際流域農(nóng)業(yè)面源污染狀況進(jìn)行對比，能夠很好地吻合，說明該軟件能夠成功模擬流域?qū)嶋H污染狀況，為治理流域農(nóng)業(yè)面源污染制定優(yōu)化方案提供技術(shù)支撐。

1.2優(yōu)化方法

在建立模擬模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活方式，改善各種人為影響因素，制定多種優(yōu)化方案，依據(jù)模擬方法計(jì)算各輸入數(shù)據(jù)，適當(dāng)改變系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，1種優(yōu)化方案對應(yīng)1組模擬數(shù)據(jù)，分別將其輸入軟件系統(tǒng)，模擬輸出優(yōu)化結(jié)果。將優(yōu)化方案對應(yīng)的模擬結(jié)果與實(shí)際流域農(nóng)業(yè)面源污染狀況進(jìn)行對比，選取優(yōu)化效果較好的幾套方案。在選定的優(yōu)化方案間進(jìn)行經(jīng)濟(jì)參數(shù)社會參數(shù)考量，利用環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)合當(dāng)?shù)卣咧贫ㄗ罴褍?yōu)化方案。流域農(nóng)業(yè)面源污染模擬優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)見圖1。

[FK（W20][TPZWY1.tif][FK）]

2系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.1案例概況

阿什河流域?yàn)樗苫ń习兜囊患壷Я?，干流全長 213 km，發(fā)源于黑龍江省尚志市帽兒山，流經(jīng)尚志市、五常市、阿城區(qū)、哈爾濱市區(qū)（香坊區(qū)、道外區(qū)），在哈爾濱市區(qū)東北角匯入松花江，全段蛇曲發(fā)育，河槽寬25～ 60 m，比降約 [JP3]1/2 500。阿什河流域處于45°05′～45°49′N、126°40′～127°42′E，流域面積3 545 km2。近年來，由于東北粗放型的經(jīng)濟(jì)增長、工業(yè)廢水、沿岸村鎮(zhèn)生活污水處理率低下及農(nóng)業(yè)面源污染強(qiáng)度大等因素的影響，使得阿什河沿岸面目全非，遭受嚴(yán)重污染的河水散發(fā)著難聞的氣味，昔日草肥水美的河灘現(xiàn)在已是遍地的黃沙和死樹。阿什河流域主要污染特征呈有機(jī)污染與氮磷污染，流域水質(zhì)呈V類甚至劣V類，屬于哈爾濱地區(qū)水質(zhì)較差的河流斷面。由于流域內(nèi)農(nóng)田廣布，水質(zhì)受農(nóng)田退水的影響較大，面源污染具有代表性。相關(guān)研究結(jié)果表明，生活污水、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田施肥、農(nóng)藥使用是造成阿什河面源污染的主要污染源。阿什河哈爾濱市區(qū)段面源污染貢獻(xiàn)從大到小依次為生活污水、化肥流失、畜禽糞污、生產(chǎn)生活垃圾。阿什河為典型的流域農(nóng)業(yè)面源污染案例，本研究選取阿什河流域作為示范，為解決當(dāng)前國內(nèi)流域農(nóng)業(yè)面源污染有一定推廣意義。

2.2軟件實(shí)現(xiàn)

在選取的阿什河流域上，分析流域周邊居民生產(chǎn)生活方式，收集多年環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合模擬輸入、運(yùn)行及輸出流程，計(jì)算相應(yīng)模擬值作為輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)來源，按軟件操作流程具體操作，最終得到阿什河流域農(nóng)業(yè)面源污染狀況模擬值，將其與實(shí)際流域農(nóng)業(yè)面源污染狀況進(jìn)行對比，適當(dāng)改善模型參數(shù)，直到模擬值與實(shí)際監(jiān)測值能很好地吻合，說明該軟件能夠成功模擬阿什河流域農(nóng)業(yè)面源污染狀況。在模擬軟件的基礎(chǔ)上，制定多種優(yōu)化方案，經(jīng)模型模擬運(yùn)行后得到其模擬結(jié)果，選出較有效的方案，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展最終選擇最佳優(yōu)化方案。

2.2.1軟件實(shí)現(xiàn)需要的設(shè)備與工具硬件設(shè)備有服務(wù)器1臺；系統(tǒng)研發(fā)用機(jī)若干臺；搭建局域網(wǎng)系統(tǒng)硬件設(shè)備若干。軟件工具有Java Development Kit開發(fā)工具包1套、Apache+Tomcat服務(wù)系統(tǒng)1套、MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)1套、Eclipse 開發(fā)平臺1套、MicroSoft Office系統(tǒng)1套、PhotoShop系統(tǒng)1套、Java代碼簽名系統(tǒng)1套。

2.2.2軟件實(shí)現(xiàn)方法與過程采用Browser（瀏覽器）/Server（服務(wù)器）結(jié)構(gòu)。用戶通過客戶機(jī)瀏覽器向WEB服務(wù)器提出請求，利用HTTP協(xié)議將所需的信息傳送給客戶機(jī)，客戶機(jī)接受并把它顯示在客戶機(jī)瀏覽器上。WEB服務(wù)器接受用戶的請求，首先將需要執(zhí)行的應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)服務(wù)器鏈接，向數(shù)據(jù)服務(wù)器提出數(shù)據(jù)處理申請，數(shù)據(jù)服務(wù)器將數(shù)據(jù)處理結(jié)果提交給WEB服務(wù)器，再由WEB服務(wù)器傳送回客戶機(jī)，瀏覽器端和服務(wù)器端的核心代碼選用Java 語言開發(fā)完成。信息系統(tǒng)的架構(gòu)實(shí)施過程中會依據(jù)需要不斷完善和調(diào)整。

2.2.3系統(tǒng)功能與操作演示以阿什河流域農(nóng)業(yè)面源氮污染模擬系統(tǒng)為例介紹系統(tǒng)使用說明，分別安裝jdk.exe、tomcat等軟件工具后，將系統(tǒng)安裝包解壓到計(jì)算機(jī)C盤（位置自定義，也可以是其他盤，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)安裝在C盤運(yùn)行更穩(wěn)定），按路徑C：文件，右擊-編輯操作用記事本打開，將第2行set JAVA_HOME=c

雙擊打開javaweb.bat，Tomcat運(yùn)行窗口，使系統(tǒng)開始運(yùn)行。然后打開瀏覽器，在地址欄輸入http：//10.62.5.22/ashTN/（其中10.62.5.22為當(dāng)前計(jì)算機(jī)IP地址 ）回車，打開模擬系統(tǒng)界面。系統(tǒng)初始化完畢，界面會提示可以使用。界面有檢索分析、列表信息、系統(tǒng)簡介、使用說明、安裝Java等5個(gè)模塊，其中檢索分析和列表信息是本系統(tǒng)主要功能模塊。

鼠標(biāo)單擊列表信息按鈕，打開列表信息界面，列表信息模塊與數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，主要用于數(shù)據(jù)庫的查詢與管理。根據(jù)需要選擇時(shí)間指標(biāo)和主體指標(biāo)，然后單擊信息列表按鈕，就可查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，以查詢?nèi)咳丝谛畔槔▓D2-a）。鼠標(biāo)單擊檢索分析按鈕，打開分析處理界面，檢索分析模塊與數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，主要用于對數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析處理。根據(jù)需要選擇時(shí)間指標(biāo)和主體指標(biāo)，然后單擊分析處理按鈕，就可分析出主體指標(biāo)隨時(shí)間的變化趨勢圖。以多年水田施肥量為例（圖2-b）。

以上檢索分析及列表信息的結(jié)果都會呈現(xiàn)在一個(gè)Java控制臺窗口，即為打開模擬系統(tǒng)首頁的同時(shí)彈出的Java控制臺窗口（圖3-a）。所有的數(shù)據(jù)檢索、計(jì)算和分析結(jié)果都會在這個(gè)窗口輸出，包括模型計(jì)算結(jié)果（圖3-b）。窗口中的輸出數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)部分復(fù)制到Excel、Word等文檔中進(jìn)行更深入的分析和研究。

通過多次循環(huán)模型優(yōu)化和參數(shù)率定，最終使模型穩(wěn)定，計(jì)算值與監(jiān)測值趨于吻合，可以用于阿什河流域農(nóng)業(yè)面源總氮污染的優(yōu)化與控制。通過改善農(nóng)業(yè)管理措施等優(yōu)化影響污染輸出量的參數(shù)來使流域出口污染物輸出總量得到控制。數(shù)據(jù)的輸入與優(yōu)化可按本系統(tǒng)C：打開相應(yīng)的Excel文檔進(jìn)行操作，對于普通用戶簡單易懂，操作簡便。3結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了流域農(nóng)業(yè)面源污染模擬優(yōu)化系統(tǒng)的軟件編寫和操作過程，闡明該軟件的設(shè)計(jì)思路以及需要的輔助設(shè)備，并展示系統(tǒng)部分功能和操作方法。該軟件在功能上實(shí)現(xiàn)了流域農(nóng)業(yè)面源污染信息管理系統(tǒng)、污染過程模擬模型和優(yōu)化模塊的結(jié)合與同步，使整個(gè)模擬優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用和操作更為簡易快捷。該軟件為制定流域農(nóng)業(yè)面源污染最佳流域優(yōu)化方案提供了技術(shù)支持，對治理面源污染、解決當(dāng)前國內(nèi)水污染問題具有重要意義。

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