农业面源定量化评价方法及其研究进展
摘要：农业面源污染 研究 是当前国内外环境 科学 与工程领域的研究热点，但研究大多侧重于农业面源污染的成因、机理、模型和控制对策等，而农业面源定量化评价 方法 研究较少。本文综合介绍了农业面源定量化评价的常用方法及其研究现状，重点介绍AGNPS模型，AnnAGNPS模型和基于Web GIS的农面源污染信息系统 (ANPSPIS)。
关键词：Web GIS 农业面源污染信息系统 ANPSPIS 小流域 模型预测
农业面源污染是在农业生产过程中不合理施用化肥、农药以及灌溉水、工农业废弃物、生活垃圾等对农田生态环境所造成的大面积污染。随着农业生产水平的提高，化肥、农药等大量施用，虽对农业 发展 起到促进作用，但也导致土壤理化性状失衡、地下水质恶化、农田大气质量下降等一系列环境 问题 。近年来，农业面源污染问题日益突出，不仅造成资源浪费，而且破坏农业生态环境， 影响 人们身心健康。防治农业面源污染已成为农业可持续发展亟需解决的问题。
随着点源污染控制的逐渐加强，面源污染对环境的影响日渐突出。 目前 ，许多发达国家已证实农业面源污染是导致水污染的主要原因之一。农业面源污染影响了全世界陆地面积的 3 0 %～50 %，并且在全世界不同程度退化的12亿hm2 耕地中，约12 %的耕地由农业面源污染引起。我国也存在着严重的面源污染问题，面源污染加剧了各类水体的污染，加速了湖泊的富营养化。因此，开展面源污染负荷定量化研究不仅对我国水环境污染的全面治理与系统研究具有重要意义，而且具有明显的环境效益和 社会 效益。进行面源污染的量化研究用以评价污染治理措施，最为有效和直接的研究方法是建立模拟模型，进行时间和空间序列上的模拟。常见的流域农业面源污染模型主要有ANSWERS、CREAMS、WEPP、AGNPS等模型，但不同模型的模拟范围和机理不同，其中AGNPS模型在美国、欧洲、澳洲、我国 台湾 省等地均取得了较好的模拟结果，但 应用 中仍有一些局限性。AnnAGNPS模型是在AGNPS模型的基础上发展而来的，它克服了AGNPS模型应用中的一些局限性，可用于评价流域内面源污染的长期作用效果。
1. AGNPS模型简介
AGNPS(Agricultural Non-point Source)模型是由USDA' s Agricultural Research Service和明尼苏达Pollution Control Agency共同研制出的 计算 机模拟模型，适于对面积为1～50000 hm2的小流域生态系统进行农业面源污染的发生进行评价和流域内土壤侵蚀及N、P元素的流失进行预测。该模型是一种分室(cell)模型，应用时将流域均等地划分为若干分室(cell)，流域径流、污染物、泥沙沿分室汇集于集水口(图1 )。
图1 小流域分室示意图
模型可对整个流域或流域内任何一个分室的状况进行描述、模拟和评价，反映流域特征的输入输出状况均在分室水平上表达，输出的结果可以是单个分室的也可以是整个流域的结果。AGNPS是事件(event-based)模型，可以对每一次降雨事件进行模拟。模型由四大模块(水文、侵蚀、沉积和化学传输)组成。径流量、径流高峰主要通过水文模块计算;坡地侵蚀由侵蚀模块计算;沉积物的传输通过沉积模块计算;N、P在流域的迁移传输通过化学传输模块，分为可溶性部分和泥沙结合态进行计算。可溶性P和泥沙结合态 P的计算公式分别为：
Nutsol =Cnut ·Nutext·Q (1 )
Nutsed =N utf ·Qs(x)·ER (2 )
式中：Nutsol—径流中可溶性P的浓度;Cnut—径流过程中表层土壤中可溶性P的平均浓度;Nutext—土壤可溶性P的提取系数;Q为总径流量;Nutsed—泥沙结合态 P的浓度; N utf—土壤中磷的含量;ER—磷素富集率，用下式计算：
ER=7.4Qs(x) – 0.2 t Tf
式中：Qs(x)—径流泥沙量 (由其它模块计算 );Tf—一个与土壤质地有关的因子。
AGNPS模型是特别适于评价和预测小流域农业非点源污染发生的计算机模型，虽然AGNPS模型已对美国十几个小流域进行过模拟并已被验证，在我国台湾地区也曾应用。但国内的应用尚鲜见报导。本简介只限于一个小流域内，如果将AGNPS模型与GIS和一些优化模型如多目标线性规划模型 (IMGLP)结合应用，将能对小流域内不同的农业管理措施进行评价，寻找出最佳农业管理措施(Best Management Practices，BMPs)，以后还需进一步的研究和探讨。
2. AnnAGNPS模型简介
2.1 原理及组成
AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-point Source)模型是在AGNPS模型基础上发展而来的。AGNPS在应用中虽取得较好的效果，但由于它是单事件模型，在应用中有许多局限性，因此20世纪90年代初，美国农业部 自然 资源保护局与农业研究局转向开发连续模拟模型—AnnAGNPS模型。AnnAGNPS模型是一种连续模拟模型，它不是沿袭AGNPS模型均等划分分室的方法，而是按流域水文特征将流域划分成一定的分室(Cell)，即按集水区来划分单元，使模型更符合实际;并以日为基础连续模拟一个时段内各分室每天及累计的径流、泥沙、养分、农药等的输出结果，可用于评价流域内面源污染的长期作用效果。而AGNPS模型是一种场次降雨模型，无法对流域内面源污染进行长期预测。AnnAGNPS模型另一改进是采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE) 预测各分室的土壤侵蚀。此外AnnAGNPS模型还包括一些特殊的模型计算点源、畜牧养殖场产生的污染物、土坝、水库和集水坑对径流、泥沙的影响。AnnAGNPS模型主要由数据输入和编辑模块、年污染物负荷计算模块、数据输出和显示模块 3部分组成。在模型应用中，最主要是数据准备，数据准备模型由 4部分组成：流网生成模块(Flow net Generator)、数据录入模块 (Input Editor)、气象因子生成模块 (Generation of weather elements for multiple application)和数据文件转换模块(AGNPS to AnnAGNPS Converter)。
2.2 预测模型工作流程及参数选择
预测模型的工作流程框图如图2所示。
图2 农业面源污染负荷预测流程
AnnAGNPS模型在农业面源污染物负荷估算及评价中的应用潜力。由于本研究中许多参数采用默认值，对模型的精度有一定的影响，因此未来该模型的研究应用中可结合遥感技术和进一步的实地调查，对参数进行进一步的修正，使该模型能更好地反映流域的特征，提高模拟精度。地理信息系统 (GIS)具有强大的空间数据管理、 分析 和制图能力，已被广泛应用于具有空间特征的农业面源污染研究，尤其是将GIS与数学模型研究相结合的实用价值及重要意义日益显现。
3. 基于Web GIS的农业面源污染信息系统 (ANPSPIS)简介
农业面源污染负荷占水污染负荷的比例很高，我国污染湖泊中，农业面源污染负荷占总负荷的比例均在50 %以上，国外报道农业面源污染对河流、湖泊的负荷在60 %～70 %之间。现阶段我们对农业面源污染情况的了解程度远远不如点源污染，还缺乏整治的相关 理论 和实践经验，减少污染物尤其是氮、磷营养的排放具有相当大的难度。因此，研究农业面源污染的特点，减少农业面源污染排放，改善和优化环境质量，保持我国农业的可持续发展，实现资源、环境和农业协调发展已成为新世纪刻不容缓的任务。
新技术地理信息系统 (Geo-graphic Information System，简称GIS)的应用推进了农业面源污染的定量化研究工作。同时随着 网络 技术不断发展，也推动着GIS技术的快速更新和发展，一种GIS与 INTERNET/INTRANET相融合的WEBGIS技术应运而生，GIS通过互联网使功能得以扩展，而真正成为一种大众使用的工具。从互联网的任意一个节点，Internet用户都可以浏览万维网GIS站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析。同时，由于Web GIS具有开放性、访问的范围更广泛、平台的独立性、系统成本较低、操作简单方便等优点，目前已在各行各业被相当广泛地应用。至于在环境保护上的应用，国内已有不少报道，已成为当前研究的热点。但在农业面源污染系统中采用这种模式相对较少。同时由于环境Web GIS在局域网内应用，具有适应性强、使用简单、地理信息与环境数据更新、交互方便等特点，能较直观地表达与空间地理信息有关的污染源、区域环境状况等点源、面源信息，鉴此，本文首次研制和开发了基于Web GIS的农业面源污染信息系统 (ANPSPIS)，以期为农业面源污染的管理、规划和决策提供服务。
3.1 系统组成与功能
3.1.1 系统组成
系统主页面由7个一级模块组成，每个模块又由若干二级模块构成。一级模块包括项目概况、污染现状、综合评价、成果图件、控制对策、决策咨询、示范样板。
3.1.2 系统功能
(1)信息查询功能：
由于后台数据库的支持，管理员可以方便地更新页面，并可以使用户既方便又快捷地获取有关农业面源污染的相关新闻、信息和资料。
(2)地图发布功能：
本系统应用了 ESRI公司的Arc IMS地图发布软件，地图管理十分方便，并能及时更新地图信息，用户也可以交互式方便快捷地获取空间数据的信息。
(3)属性和空间数据的查询检索功能：
系统可以根据用户需求，任意查询某一样点或图斑的属性。也可以通过属性数据来反查空间数据，检索出相应的图形信息
(4)决策咨询功能：
利用数学模型系统和辅助决策系统可以实现农业面源污染的分析、预测和评价，可以为农业面源污染的管理、规划和决策提供依据 (图3 )。
(5)提供资料和污染分布图浏览：
本系统还提供了农业面源污染在3个不同比例尺 (1:25万、1:5万、1 :2000)的研究区域下的详细调查资料汇总、统计分析结果、污染负荷情况与污染现状分布图等。
图3 工作流程图
利用ANPSPIS能实现相关农业面源污染的资料、信息和新闻发布，特别是该系统提供了地图的发布及查询检索服务，明确了农业面源污染的污染现状分布与污染负荷情况，建立了农业面源污染的决策咨询系统，并提出了相应的控制对策和解决方案。
系统开发了针对数据库的WEB界面，对各种图形、文本和属性数据，如专业图件、统计报表、文档资料、图像等，以局域网、广域网的方式基于浏览器发布。通过WWW可以允许公众以图形和数字的方式了解农业面源污染信息。增强公众对农业面源污染情况的关注及参与决策的过程。同时由于ANPSPIS在网络平台上运行，具有适应性强、使用简单、地理信息与环境数据更新、交互方便等特点，能较直观地表达与空间地理信息有关的农业面源污染信息，因此本系统有较好的推广应用价值。
4. 结语
进行面源污染的量化研究用以评价污染治理措施，最为有效和直接的研究方法是建立模拟模型，进行时间和空间序列上的模拟。常见的流域农业面源污染模型主要有ANSWERS、CREAMS、WEPP、AGNPS等模型，本文对当前流行的AGNPS模型、AnnAGNPS模型和基于Web GIS的农业面源污染信息系统 (ANPSPIS)简介。并对它们的优缺点作出简单的评价。
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