湖北三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷、評價及預(yù)警系統(tǒng)

趙堯堯+夏穎+范先鵬+陳勇+吳茂前+張富林+劉冬碧+熊桂云

摘要：三峽庫區(qū)（湖北）農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷、評價及預(yù)警系統(tǒng)是對全國第一次污染普查數(shù)據(jù)研究結(jié)果的應(yīng)用。在明確該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，使用C#語言進(jìn)行系統(tǒng)編程的實現(xiàn)，通過計算機(jī)將種植業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖業(yè)源和農(nóng)村生活源的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行污染負(fù)荷估算，并對各個縣及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的重點污染源和重點污染區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測及預(yù)警，為政府宏觀調(diào)控及各級鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元制定農(nóng)業(yè)面源污染防控對策提供支撐。該系統(tǒng)結(jié)合Mysql數(shù)據(jù)庫，通過Winform界面將研究結(jié)果中的數(shù)據(jù)以圖表、文字的形式顯示出來，直觀明了的突出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及污染現(xiàn)狀，準(zhǔn)確地顯示出各地區(qū)污染預(yù)警值，并且通過污染負(fù)荷估算為下一步農(nóng)業(yè)生產(chǎn)調(diào)整做出指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：面源污染；三峽庫區(qū)；污染預(yù)警；污染負(fù)荷

中圖分類號：X506 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）23-6244-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.23.061

Abstract： "Three Gorges Reservoir Area（Hubei） agricultural non-point source pollution load， evaluation and early warning system" is an application of the first national pollution census data results. On the basis of clarifying the status of agricultural production and agricultural non-point source pollution in the region， using C # Language to realize the system programming， estimating the pollution loads by the parameters of the planting source， livestock and poultry source and the rural life source by computer， and then making the risk prediction and early warning of the key pollution sources and key pollution areas in the counties and rural townships， aims to provide support for the government macro-regulation and make agricultural non-point source pollution prevention and control countermeasures. This system combines Mysql database， the research data are displayed in graphical and text forms by Winform interface， which can highlight the status of agricultural production， pollution， and pollution warning values visually and clearly， and to guide the adjustment of agricultural production through pollution load estimation.

Key words： non-point source pollution； the Three Gorges Reservoir Area； pollution warning； pollution load

三峽庫區(qū)是指受長江三峽工程淹沒的地區(qū)，并有移民任務(wù)的20個縣（市）。庫區(qū)地處四川盆地與長江中下游平原的結(jié)合部，跨越鄂中山區(qū)峽谷及川東嶺谷地帶，北屏大巴山、南依川鄂高原[1]。它包含了長江流域因三峽水電站的修建從而被淹沒的湖北省所轄的宜昌縣、秭歸縣、興山縣，恩施州所轄的巴東縣等地。

三峽工程湖北庫區(qū)涉及湖北省宜昌市的興山縣、夷陵區(qū)、秭歸縣和恩施自治州的巴東縣。該地區(qū)條件較優(yōu)，是發(fā)達(dá)地區(qū)產(chǎn)業(yè)向中西部梯次轉(zhuǎn)移的重要支撐點[2]，資源豐富，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移互補性較強，具有豐富的水電、礦產(chǎn)、旅游、農(nóng)副土特產(chǎn)品和勞動力資源。湖北三峽庫區(qū)致力于發(fā)展特色農(nóng)業(yè)，已形成茶葉、柑橘、蔬菜、水產(chǎn)、中藥材、煙葉等支柱產(chǎn)業(yè)[3]。三峽庫區(qū)湖北段屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，受地形地勢影響，氣候類型復(fù)雜多樣且垂直變化大，具有冬微冷、夏熱、冬干夏雨、伏秋多旱等氣候特點[4]。

長江三峽工程建成后，庫區(qū)長660 km以上的干流將變成人工湖，流速大大減緩，水環(huán)境將由典型的河流水體轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚魉w，水的更新周期將大大延長，各支流的河水流速也將減慢，將導(dǎo)致水中物質(zhì)的降解減弱、溶解氧減少，形成新的緩流水體水生生態(tài)系統(tǒng)，水體的自凈能力將大大降低。目前，三峽庫區(qū)富營養(yǎng)化水質(zhì)污染現(xiàn)象已顯現(xiàn)。如湖北境內(nèi)的香溪河開始出現(xiàn)大面積水華，香溪干流湖北興山縣平邑口至秭歸縣長江河口布滿藍(lán)藻，長度超過25 km，沿河數(shù)萬居民被禁止飲用河水、禁食河中魚類，如果不采取有效措施，污染問題將更加突出[5]。

因此，三峽庫區(qū)（湖北）農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷、評價及預(yù)警系統(tǒng)以三峽庫區(qū)湖北段4個縣區(qū)興山縣、夷陵區(qū)、秭歸縣和巴東縣內(nèi)的各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究范圍，在明確本區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)種植業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖業(yè)源和農(nóng)村生活源的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行污染負(fù)荷估算，并對各個縣及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的重點污染源和重點污染區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測及預(yù)警，為政府宏觀調(diào)控及各級鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元制定農(nóng)業(yè)面源污染防控技術(shù)提供技術(shù)支撐。利用軟件技術(shù)將研究所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，使研究成果可視化，取得效益的最大化。本研究系統(tǒng)運用.NET技術(shù)和農(nóng)業(yè)相關(guān)理論，在已有研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對三峽庫區(qū)湖北段的面源污染進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化展示，根據(jù)相關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染標(biāo)準(zhǔn)對現(xiàn)狀做出評價，在數(shù)據(jù)支撐的條件下，可對面源污染做出科學(xué)的預(yù)警。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

三峽庫區(qū)（湖北）農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷、評價及預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能

2.1 系統(tǒng)概述

三峽庫區(qū)（湖北）農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷、評價及預(yù)警系統(tǒng)是利用現(xiàn)代先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，在利用全國第一次污染普查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)的單機(jī)版三峽庫區(qū)（湖北）農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷、評價及預(yù)警系統(tǒng)平臺，對三峽庫區(qū)湖北段的面源污染進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化展示，根據(jù)相關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染標(biāo)準(zhǔn)對現(xiàn)狀做出評價，在數(shù)據(jù)支撐的條件下，可對面源污染做出科學(xué)預(yù)警。系統(tǒng)充分體現(xiàn)了信息技術(shù)服務(wù)于農(nóng)業(yè)，服務(wù)于社會的理念，將農(nóng)業(yè)研究更好地運用到實際中去。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要用來對三峽庫區(qū)（湖北）有關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染信息進(jìn)行展示以及管理。系統(tǒng)功能劃分為五大模塊，首頁、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀、農(nóng)業(yè)污染現(xiàn)狀、污染負(fù)荷預(yù)警、農(nóng)業(yè)污染負(fù)荷估算。系統(tǒng)功能具體描述如下：

2.2.1 首頁模塊 首頁分為四個模塊：研究背景、自然地理、三峽大壩、科普知識。其中，研究背景主要闡述研究三峽庫區(qū)湖北段面源污染的意義和價值；自然地理主要介紹三峽庫區(qū)湖北段涉及到的4個縣的地理環(huán)境；三峽大壩主要介紹三峽大壩的位置功能、組成、效益以及生態(tài)環(huán)境；科普知識主要介紹相關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染和防控技術(shù)的知識。

2.2.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀模塊 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀模塊主要介紹三峽庫區(qū)（湖北段）4個縣區(qū)巴東縣、夷陵區(qū)、秭歸縣、興山縣以及下屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)各自的人口、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)的情況。該模塊以縣市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元，分別用圖表、文字的形式展現(xiàn)該縣市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的位置、國土/耕地面積、人口等基本情況以及種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖、化肥使用等農(nóng)業(yè)相關(guān)情況，突出該鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)優(yōu)勢和特色。

2.2.3 農(nóng)業(yè)污染現(xiàn)狀模塊 農(nóng)業(yè)污染現(xiàn)狀模塊分為種植業(yè)污染、農(nóng)村生活源、養(yǎng)殖業(yè)污染、固體垃圾以及面源污染五部分，通過文字、條形圖、餅狀圖和表的形式，展現(xiàn)了各地區(qū)各種模式下污染物產(chǎn)生、排放情況，并作出了分析。

1）種植業(yè)污染：分別從化肥施用、化肥流失、農(nóng)藥施用、農(nóng)藥流失、秸稈產(chǎn)量、地膜使用六方面展現(xiàn)各縣區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)現(xiàn)狀以及占總體的百分比。

2）養(yǎng)殖業(yè)污染：包括畜禽養(yǎng)殖三峽及各縣區(qū)總體情況，污染物的產(chǎn)生、排放和分析四部分。主要采用圖表方式，展現(xiàn)各地區(qū)的現(xiàn)狀及所占總體的百分比。

3）農(nóng)村生活源：包括污水處理設(shè)施建設(shè)使用情況、污水產(chǎn)生排放情況和垃圾及污染物產(chǎn)生情況，通過圖表文字分別展現(xiàn)了4個縣區(qū)及各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的情況。

4）固體垃圾：介紹了興山縣、夷陵區(qū)、巴東縣和秭歸縣四個縣區(qū)及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)秸稈產(chǎn)生情況、垃圾產(chǎn)生量、糞便產(chǎn)生量。

5）面源污染：包括三峽庫區(qū)（湖北段）總體情況，各縣區(qū)及下屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)氮負(fù)荷比、磷負(fù)荷比、COD負(fù)荷比四部分。

2.2.4 污染物負(fù)荷預(yù)警模塊 污染物負(fù)荷預(yù)警模塊主要由環(huán)境容量R值預(yù)警、容量指數(shù)與水體污染指數(shù)三部分組成。

1）R值預(yù)警：根據(jù)國家環(huán)保部生態(tài)司建議，因為農(nóng)戶對于豬糞的農(nóng)田施用量更為容易掌握，所以將畜禽糞便換算為豬糞當(dāng)量，計算出耕地負(fù)荷，然后將該值除以農(nóng)田有機(jī)肥的理論最大適宜施肥量，得出的值就是該區(qū)域畜禽糞便負(fù)荷量的承載程度警報值R。R值越大，表示環(huán)境對于畜禽糞便負(fù)荷量的承載能力越低，即畜禽糞便的污染威脅性越大[6]。

2）容量指數(shù)：包括環(huán)境容量、養(yǎng)殖容量、實際養(yǎng)殖量[6]。利用耕地總面積和對氮磷的承載力以及單位豬的總氮磷排放量，同時將其他畜禽換算成豬糞當(dāng)量可以得出畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境容量和實際養(yǎng)殖量。假設(shè)氮磷養(yǎng)分的50%來源于畜禽糞便，可以估算出養(yǎng)殖容量。50%的比例與實際管理的需求十分接近，這是為了滿足種植業(yè)高產(chǎn)的需求。

3）水體污染指數(shù)：當(dāng)該區(qū)每年單位面積耕地上施用化肥量超過225 kg/hm2時，則會對水體造成污染風(fēng)險。

2.2.5 農(nóng)業(yè)污染負(fù)荷估算模塊 農(nóng)業(yè)污染負(fù)荷估算模塊主要包括畜禽養(yǎng)殖業(yè)源、種植業(yè)源、農(nóng)村生活源、污染物總負(fù)荷四大部分。

農(nóng)業(yè)污染負(fù)荷估算模塊主要是根據(jù)農(nóng)業(yè)污染源流失系數(shù)或者排污系數(shù)，以及典型區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；蛘呱鷳B(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀基數(shù)來估算典型區(qū)域的不同來源主要污染物的負(fù)荷量[7]。各類計算均采用下拉框的形式來選擇不同類型/模式，每種類型/模式下都有1個流失系數(shù)或排污系數(shù)參考值，然后由用戶手動錄入當(dāng)前畜禽養(yǎng)殖量、種植業(yè)施肥量、農(nóng)村生活人口。同時在污染物總負(fù)荷部分，利用了分類匯總的方法對各類主要污染物負(fù)荷量進(jìn)行求和，并且在不同來源貢獻(xiàn)部分計算出每種污染物中各類不同來源對污染總負(fù)荷的貢獻(xiàn)。每個版塊都具體有結(jié)果保存的功能，污染負(fù)荷估算流程如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)需求分析建立的數(shù)據(jù)模型和實際數(shù)據(jù)以及功能需要，從數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和數(shù)據(jù)量大的特點，遵循數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的規(guī)范，充分考慮后續(xù)數(shù)據(jù)處理的功能要求，進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)庫設(shè)計，避免數(shù)據(jù)冗余，為提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理的效率奠定良好的基礎(chǔ)。三峽庫區(qū)（湖北）農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀、負(fù)荷及預(yù)警系統(tǒng)采用Mysql數(shù)據(jù)庫。

3.1 數(shù)據(jù)庫完整性設(shè)計

在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，關(guān)系模型有三種完整性約束：實體完整性、參照完整性以及用戶定義完整性。具體數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，實體完整性可以保證表中所有行的唯一（即數(shù)據(jù)庫中所有的行都具有一個非空主鍵值，并且沒有重復(fù)主鍵值），這樣就確保了數(shù)據(jù)庫中所代表的事物不存在重復(fù)條目。在輸入或刪除記錄的時候，參照完整性可以保持參照表與被參照表之間已定義的關(guān)系。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中，每張表都用各地區(qū)惟一的行政編號作為主鍵，確保了實體和參照完整性。

3.2 數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)需求分析、數(shù)據(jù)特點、功能需要設(shè)計數(shù)據(jù)庫。關(guān)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的表有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息表。農(nóng)業(yè)污染涉及種植業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖業(yè)源和農(nóng)村生活源三方面數(shù)據(jù)，每一個方面包含的數(shù)據(jù)項較多，所以分別根據(jù)種植業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖業(yè)源和農(nóng)村生活源包含數(shù)據(jù)項的相關(guān)關(guān)系，將其分別分解為若干表。農(nóng)業(yè)污染數(shù)據(jù)庫的表有農(nóng)田基本信息表、化肥使用情況表、地膜使用情況表、農(nóng)藥使用情況表、秸稈處理情況表、污水及污染物情況表、垃圾及污染物表、抽查數(shù)據(jù)表、生活污水產(chǎn)生排放情況表、生活垃圾產(chǎn)生排放情況表、調(diào)查對象表、畜禽總污染物表、養(yǎng)殖種類年出存欄量表、豬的產(chǎn)污情況表、奶牛的產(chǎn)污情況表、蛋雞的產(chǎn)污情況表、肉雞的產(chǎn)污情況表，各表的概念定義如表1所示。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)以及開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)使用了ADO.NET等技術(shù)，使用C#語言進(jìn)行整個系統(tǒng)的開發(fā)。

4.2 開發(fā)環(huán)境搭建

1）系統(tǒng)采用了C#的WinForm進(jìn)行開發(fā)。WinForm是.Net開發(fā)平臺中對Windows Form的簡稱。WinForm具有簡單易操作、功能強大的特點，Windows窗體上面可用于設(shè)計窗體和可視控件；也可以為數(shù)據(jù)提供程序管理，而且充分利用了公共語言運行庫的安全性，這一切都可以通過Windows窗體來實現(xiàn)。Windows窗體設(shè)計還提供了一套豐富的控件，可以直接進(jìn)行拖拽設(shè)計窗體界面，并且開發(fā)人員還可以定義自己的控件。

2）客戶機(jī)上需要安裝.Net Framework 4.0環(huán)境。

3）本系統(tǒng)使用ADO.NET數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，需要安裝MySql。

4.3 系統(tǒng)各模塊實現(xiàn)

4.3.1 系統(tǒng)歡迎界面設(shè)計 歡迎界面主要通過Panel，以圖片文字的形式展現(xiàn)，在運行程序之前首先打開Mysql數(shù)據(jù)庫，然后運行程序進(jìn)入歡迎界面。點擊進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)入程序主頁面，如圖3所示。

4.3.2 系統(tǒng)主界面的設(shè)計 整個窗體面板主要由ToolBar、SideBar、SplitContainer三個主要控件構(gòu)成。ToolBar上主要是該系統(tǒng)的各個功能模塊。SideBar上則是每個功能模塊下屬的子模塊，SplitContainer上則是需要顯示的內(nèi)容。SideBar與SplitContainer上的內(nèi)容都是動態(tài)生成的，轉(zhuǎn)換功能模塊時，其內(nèi)容隨之改變。具體如圖4所示，系統(tǒng)主頁面上方是各個功能模塊，主要包括首頁、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀、農(nóng)業(yè)污染現(xiàn)狀、污染物負(fù)荷預(yù)警、農(nóng)業(yè)污染負(fù)荷估算。左側(cè)為功能子模塊，右側(cè)是顯示區(qū)域，顯示數(shù)據(jù)圖表文字。

4.3.3 系統(tǒng)內(nèi)容展示的設(shè)計 通過TextBox進(jìn)行文字展示，如圖5所示，主要介紹本系統(tǒng)的研究背景、三峽庫區(qū)（湖北）的自然地理、三峽大壩相關(guān)知識以及關(guān)于農(nóng)業(yè)面源污染基本知識和防控技術(shù)的科普。通過Data Grid View進(jìn)行表格數(shù)據(jù)展示，如圖6所示。通過Char進(jìn)行餅狀圖、條形圖的數(shù)據(jù)展示，如圖7所示。

4.3.4 系統(tǒng)污染負(fù)荷估算模塊的設(shè)計 污染負(fù)荷估算是唯一需要輸入?yún)?shù)的功能模塊，輸入?yún)?shù)時分兩種情況：一是選擇參數(shù)；二是手動輸入?yún)?shù)。所以采用ComboBox控件和TextBox控件，同時還有Label等控件進(jìn)行操作，如圖8所示。

當(dāng)選擇參數(shù)時，上一個參數(shù)的選擇會影響下一個參數(shù)的值，比如圖8中選擇的養(yǎng)殖污染來源是豬，那么下一個值養(yǎng)殖階段就是保育豬、育成育肥豬、繁殖母豬。如果養(yǎng)殖污染來源選擇值改為牛，那么養(yǎng)殖階段的值就會變?yōu)橛赡膛?、成乳母牛、肉牛。該模塊還需要實現(xiàn)估算結(jié)果保存的功能，這一功能是通過使用Label的Click響應(yīng)函數(shù)實現(xiàn)的。

污染負(fù)荷估算包括種植業(yè)源、養(yǎng)殖業(yè)源、農(nóng)村生活源三部分污染來源，并且最終匯總為污染總負(fù)荷，同時需要顯示計算出各個來源的比重。因為種植業(yè)源、養(yǎng)殖業(yè)源以及農(nóng)村生活源參數(shù)選擇輸入一致，所以只截取養(yǎng)殖業(yè)源進(jìn)行估算，具體如圖9所示。污染總負(fù)荷匯總情況如圖10所示，結(jié)果保存情況如圖11所示，不同來源貢獻(xiàn)情況如圖12所示。

5 小結(jié)

本系統(tǒng)是在全國第一次污染普查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)的單機(jī)版三峽庫區(qū)（湖北）農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷、評價及預(yù)警系統(tǒng)平臺，對三峽庫區(qū)湖北段的面源污染進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化展示，根據(jù)相關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染標(biāo)準(zhǔn)對現(xiàn)狀做出評價，在數(shù)據(jù)支撐的條件下，可對面源污染做出科學(xué)地預(yù)警。

系統(tǒng)雖然已經(jīng)實現(xiàn)基本功能，但是由于受各種條件的限制，還在初步建設(shè)階段，下一步還需與GIS結(jié)合，更形象地展示該區(qū)域的污染現(xiàn)狀。

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