流域任意空间尺度面源污染负荷智能化估算技术研究

倪天华等

摘 要：随着流域尺度的水污染防治思想日益得到科研工作者和环境管理部门的认同，传统的面源污染负荷估算和表征手段已难以适应新的流域治污思想的需求。该文研发了流域任意空间尺度面源污染负荷智能化估算技术，并以江苏省太湖流域三级生态分区控制单元为例进行了应用验证，结果表明该技术能较好地实现对跨行政区域的任意空间面源污染负荷的科学快速估算，为流域治污新模式提供切实可靠的技术支持和决策依据。

关键词：流域 任意空间 尺度面源 污染 负荷 智能化估算 技术研究

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0031-01

1 研究背景

近年来，我国关于点源污染物总量分配方法减排核算体系、污染源监控技术等研究日益趋于成熟和完善（吴悦颖等，2006），但在农业面源污染总量控制方面尚缺少足够的研究基础与有效的总量减排管理决策支撑手段。由于面源污染的发生的随机性、间歇性等特点，决定了点源总量控制技术与管理模式难以适用于面源污染控制和管理（杨占红等，2010），应用数学模型对农业面源污染进行模拟和估算是面源污染总量控制的重要手段。国内外学者已建立了多种农业面源污染的评价和估算模型，并对不同区域进行了污染负荷的估算和分析（Young et al.，1989； Chung et al.，1999；Neitschet al.，2001；Baginska et al.，2003；刘瑞民等，2006；龙天渝等，2008）。但是，已报道的面源污染模型大部分需要大量的数据为基础，且其建模过程长，计算量大，地域差异适应性差，估算结果科学性和有效性有待提高，对于现实面源污染防控与总量减排管理的实用性较差。

该文描述和研究了以江苏省太湖流域三级生态分区为控制单元，开展流域任意空间面源污染负荷总量快速估算关键技术，以期实现在相对较少资料支撑下对任意空间面源污染负荷总量的有效估算。

2 研究目标与方法

该文针对江苏太湖流域面源污染特征问题，基于流域畜禽养殖、农业种植以及农村生活污染现状系统调查及水污染空间特征分析，以专业GIS和统计分析软件为基础支撑，运用二次集成开发工具，应用多源多尺度时空数据融合和面源污染负荷合算与特征识别等关键技术，通过社会经济统计数据进行空间化、流域面源污染空间实体化和任意空间单元面源污染负荷合算过程对象化，从地区农业生产重点组成部分农村生活（人口）、种植（含粮油、蔬菜、林果、茶叶）、养殖（含猪、牛、蛋禽、肉禽）入手，制定面源污染空间实体化规则，根据水环境信息与社会经济信息融合处理、标准化入库后的数据条件，编制面源污染符合试算模型系统

3 研究结果与讨论

从实证分析的角度，该文对江苏省太湖流域按镇级行政单元及三级生态分区各控制单元两种空间模式下的COD、氨氮、总氮、总磷的污染负荷分别进行了计算。

计算结果表明，传统按行政区域（镇域）进行面源污染负荷估算，能直接利用农业面源污染统计较为清楚的表征各镇域面源污染的负荷高低，能大致体现出各镇面源污染负荷大小的空间差异。这种传统的统计和估算方法是目前我国农业面源污染特征研究与控制管理最主要的方式。但是，由于行政区域与流域边界的不重合性、流域水系、水文条件差异性等原因，传统方法往往难以真实地反映非行政区域的面源污染空间特征和差异。通过该文研发的任意空间面源污染负荷估算技术，则实现了对跨越行政区划的三级生态分区各控制单元面源污染负荷及分异规律的科学表征。从排放负荷强度空间特征看，10个非湖体三级生态分区的面源污染负荷表现出不同的分异特征。对COD而言，太湖北部的6个生态分区的COD排放负荷强度较大，而太湖西部的两个生态分区和东部的2个生态分区COD排放负荷强度较低；类似地，研究发现氨氮、总氮（TN）和总磷（TP）在各三级生态分区控制单元所表现出不同的分异特征，此项结果可直接为以生态分区为控制单元的水污染控制与治理实践提供科学有效的决策支撑。

4 结语

近年来，随着以流域尺度在整体上进行水污染控制与治理思想日益得到科研工作者和环境管理部门的认同，传统的面源污染负荷估算和表征手段已难以适应新的流域治污思想的需求。该文通过社会经济数据的空间实体化，将社会经济统计数据和水污染负荷在空间上建立联系，从而对全流域面源污染负荷的空间分布特征、空间过程分析提供数据支持，实现任意空间尺度（包括小流域尺度）面源污染负荷的估算和表征，为新的流域治污理论和面源污染防控管理实践提供切实有用、有效的技术支撑和决策依据。当然，为使相应的估算结果更为科学可靠，该文在基础数据采集和归一化处理、各类面源污染物产物系数科学化、与管理实践需求结合等方面还需进一步完善和提升。

参考文献

[1] 吴悦颖，李云生，刘伟江.基于公平性的水污染物总量分配评估方法研究[J].环境科学研究，2006，19（2）：66-70.

[2] 杨占红，罗宏，吕连宏，等.城市工业COD总量优化分配研究[J].中国人口·资源与环境，2010，20（3）：124-129.

[3] 龙天渝，梁常德，李继承，等.基于SLURP模型和输出系数法的三峡库区非点源氮磷负荷预测[J].环境科学学报，2008，28（3）：574-581.

[4] 刘瑞民，杨志峰，丁晓雯，等.土地利用/覆盖变化对长江上游非点源污染影响研究[J].环境科学，2006，27（12）.

[5] Neitsch S L，Arnold J G， Kiniry J R，et al.Soil andwater assessment tool user's manual： Version 2000[R].Temple，Texas： Blackland Research Center， Texas Agricultural Experiment Station，2001.

[6] Chung S W，Gassman P W，Kramer L A，et al.Validation of EPIC for two watersheds in southwest Iowa[J].Journal of Environmental Quality，1999，28（3）：971-979.

[7] Baginska B，Milne-Home W，Cornish P S.Modeling nutrient transport in Currency Greek，NSW with AnnAGNPS and PEST[J].Environmental Modelling and Software，2003，18（819）：801-808.endprint

摘 要：随着流域尺度的水污染防治思想日益得到科研工作者和环境管理部门的认同，传统的面源污染负荷估算和表征手段已难以适应新的流域治污思想的需求。该文研发了流域任意空间尺度面源污染负荷智能化估算技术，并以江苏省太湖流域三级生态分区控制单元为例进行了应用验证，结果表明该技术能较好地实现对跨行政区域的任意空间面源污染负荷的科学快速估算，为流域治污新模式提供切实可靠的技术支持和决策依据。

关键词：流域 任意空间 尺度面源 污染 负荷 智能化估算 技术研究

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0031-01

1 研究背景

近年来，我国关于点源污染物总量分配方法减排核算体系、污染源监控技术等研究日益趋于成熟和完善（吴悦颖等，2006），但在农业面源污染总量控制方面尚缺少足够的研究基础与有效的总量减排管理决策支撑手段。由于面源污染的发生的随机性、间歇性等特点，决定了点源总量控制技术与管理模式难以适用于面源污染控制和管理（杨占红等，2010），应用数学模型对农业面源污染进行模拟和估算是面源污染总量控制的重要手段。国内外学者已建立了多种农业面源污染的评价和估算模型，并对不同区域进行了污染负荷的估算和分析（Young et al.，1989； Chung et al.，1999；Neitschet al.，2001；Baginska et al.，2003；刘瑞民等，2006；龙天渝等，2008）。但是，已报道的面源污染模型大部分需要大量的数据为基础，且其建模过程长，计算量大，地域差异适应性差，估算结果科学性和有效性有待提高，对于现实面源污染防控与总量减排管理的实用性较差。

该文描述和研究了以江苏省太湖流域三级生态分区为控制单元，开展流域任意空间面源污染负荷总量快速估算关键技术，以期实现在相对较少资料支撑下对任意空间面源污染负荷总量的有效估算。

2 研究目标与方法

该文针对江苏太湖流域面源污染特征问题，基于流域畜禽养殖、农业种植以及农村生活污染现状系统调查及水污染空间特征分析，以专业GIS和统计分析软件为基础支撑，运用二次集成开发工具，应用多源多尺度时空数据融合和面源污染负荷合算与特征识别等关键技术，通过社会经济统计数据进行空间化、流域面源污染空间实体化和任意空间单元面源污染负荷合算过程对象化，从地区农业生产重点组成部分农村生活（人口）、种植（含粮油、蔬菜、林果、茶叶）、养殖（含猪、牛、蛋禽、肉禽）入手，制定面源污染空间实体化规则，根据水环境信息与社会经济信息融合处理、标准化入库后的数据条件，编制面源污染符合试算模型系统

3 研究结果与讨论

从实证分析的角度，该文对江苏省太湖流域按镇级行政单元及三级生态分区各控制单元两种空间模式下的COD、氨氮、总氮、总磷的污染负荷分别进行了计算。

计算结果表明，传统按行政区域（镇域）进行面源污染负荷估算，能直接利用农业面源污染统计较为清楚的表征各镇域面源污染的负荷高低，能大致体现出各镇面源污染负荷大小的空间差异。这种传统的统计和估算方法是目前我国农业面源污染特征研究与控制管理最主要的方式。但是，由于行政区域与流域边界的不重合性、流域水系、水文条件差异性等原因，传统方法往往难以真实地反映非行政区域的面源污染空间特征和差异。通过该文研发的任意空间面源污染负荷估算技术，则实现了对跨越行政区划的三级生态分区各控制单元面源污染负荷及分异规律的科学表征。从排放负荷强度空间特征看，10个非湖体三级生态分区的面源污染负荷表现出不同的分异特征。对COD而言，太湖北部的6个生态分区的COD排放负荷强度较大，而太湖西部的两个生态分区和东部的2个生态分区COD排放负荷强度较低；类似地，研究发现氨氮、总氮（TN）和总磷（TP）在各三级生态分区控制单元所表现出不同的分异特征，此项结果可直接为以生态分区为控制单元的水污染控制与治理实践提供科学有效的决策支撑。

4 结语

近年来，随着以流域尺度在整体上进行水污染控制与治理思想日益得到科研工作者和环境管理部门的认同，传统的面源污染负荷估算和表征手段已难以适应新的流域治污思想的需求。该文通过社会经济数据的空间实体化，将社会经济统计数据和水污染负荷在空间上建立联系，从而对全流域面源污染负荷的空间分布特征、空间过程分析提供数据支持，实现任意空间尺度（包括小流域尺度）面源污染负荷的估算和表征，为新的流域治污理论和面源污染防控管理实践提供切实有用、有效的技术支撑和决策依据。当然，为使相应的估算结果更为科学可靠，该文在基础数据采集和归一化处理、各类面源污染物产物系数科学化、与管理实践需求结合等方面还需进一步完善和提升。

参考文献

[1] 吴悦颖，李云生，刘伟江.基于公平性的水污染物总量分配评估方法研究[J].环境科学研究，2006，19（2）：66-70.

[2] 杨占红，罗宏，吕连宏，等.城市工业COD总量优化分配研究[J].中国人口·资源与环境，2010，20（3）：124-129.

[3] 龙天渝，梁常德，李继承，等.基于SLURP模型和输出系数法的三峡库区非点源氮磷负荷预测[J].环境科学学报，2008，28（3）：574-581.

[4] 刘瑞民，杨志峰，丁晓雯，等.土地利用/覆盖变化对长江上游非点源污染影响研究[J].环境科学，2006，27（12）.

[5] Neitsch S L，Arnold J G， Kiniry J R，et al.Soil andwater assessment tool user's manual： Version 2000[R].Temple，Texas： Blackland Research Center， Texas Agricultural Experiment Station，2001.

[6] Chung S W，Gassman P W，Kramer L A，et al.Validation of EPIC for two watersheds in southwest Iowa[J].Journal of Environmental Quality，1999，28（3）：971-979.

[7] Baginska B，Milne-Home W，Cornish P S.Modeling nutrient transport in Currency Greek，NSW with AnnAGNPS and PEST[J].Environmental Modelling and Software，2003，18（819）：801-808.endprint

摘 要：随着流域尺度的水污染防治思想日益得到科研工作者和环境管理部门的认同，传统的面源污染负荷估算和表征手段已难以适应新的流域治污思想的需求。该文研发了流域任意空间尺度面源污染负荷智能化估算技术，并以江苏省太湖流域三级生态分区控制单元为例进行了应用验证，结果表明该技术能较好地实现对跨行政区域的任意空间面源污染负荷的科学快速估算，为流域治污新模式提供切实可靠的技术支持和决策依据。

关键词：流域 任意空间 尺度面源 污染 负荷 智能化估算 技术研究

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0031-01

1 研究背景

近年来，我国关于点源污染物总量分配方法减排核算体系、污染源监控技术等研究日益趋于成熟和完善（吴悦颖等，2006），但在农业面源污染总量控制方面尚缺少足够的研究基础与有效的总量减排管理决策支撑手段。由于面源污染的发生的随机性、间歇性等特点，决定了点源总量控制技术与管理模式难以适用于面源污染控制和管理（杨占红等，2010），应用数学模型对农业面源污染进行模拟和估算是面源污染总量控制的重要手段。国内外学者已建立了多种农业面源污染的评价和估算模型，并对不同区域进行了污染负荷的估算和分析（Young et al.，1989； Chung et al.，1999；Neitschet al.，2001；Baginska et al.，2003；刘瑞民等，2006；龙天渝等，2008）。但是，已报道的面源污染模型大部分需要大量的数据为基础，且其建模过程长，计算量大，地域差异适应性差，估算结果科学性和有效性有待提高，对于现实面源污染防控与总量减排管理的实用性较差。

该文描述和研究了以江苏省太湖流域三级生态分区为控制单元，开展流域任意空间面源污染负荷总量快速估算关键技术，以期实现在相对较少资料支撑下对任意空间面源污染负荷总量的有效估算。

2 研究目标与方法

该文针对江苏太湖流域面源污染特征问题，基于流域畜禽养殖、农业种植以及农村生活污染现状系统调查及水污染空间特征分析，以专业GIS和统计分析软件为基础支撑，运用二次集成开发工具，应用多源多尺度时空数据融合和面源污染负荷合算与特征识别等关键技术，通过社会经济统计数据进行空间化、流域面源污染空间实体化和任意空间单元面源污染负荷合算过程对象化，从地区农业生产重点组成部分农村生活（人口）、种植（含粮油、蔬菜、林果、茶叶）、养殖（含猪、牛、蛋禽、肉禽）入手，制定面源污染空间实体化规则，根据水环境信息与社会经济信息融合处理、标准化入库后的数据条件，编制面源污染符合试算模型系统

3 研究结果与讨论

从实证分析的角度，该文对江苏省太湖流域按镇级行政单元及三级生态分区各控制单元两种空间模式下的COD、氨氮、总氮、总磷的污染负荷分别进行了计算。

计算结果表明，传统按行政区域（镇域）进行面源污染负荷估算，能直接利用农业面源污染统计较为清楚的表征各镇域面源污染的负荷高低，能大致体现出各镇面源污染负荷大小的空间差异。这种传统的统计和估算方法是目前我国农业面源污染特征研究与控制管理最主要的方式。但是，由于行政区域与流域边界的不重合性、流域水系、水文条件差异性等原因，传统方法往往难以真实地反映非行政区域的面源污染空间特征和差异。通过该文研发的任意空间面源污染负荷估算技术，则实现了对跨越行政区划的三级生态分区各控制单元面源污染负荷及分异规律的科学表征。从排放负荷强度空间特征看，10个非湖体三级生态分区的面源污染负荷表现出不同的分异特征。对COD而言，太湖北部的6个生态分区的COD排放负荷强度较大，而太湖西部的两个生态分区和东部的2个生态分区COD排放负荷强度较低；类似地，研究发现氨氮、总氮（TN）和总磷（TP）在各三级生态分区控制单元所表现出不同的分异特征，此项结果可直接为以生态分区为控制单元的水污染控制与治理实践提供科学有效的决策支撑。

4 结语

近年来，随着以流域尺度在整体上进行水污染控制与治理思想日益得到科研工作者和环境管理部门的认同，传统的面源污染负荷估算和表征手段已难以适应新的流域治污思想的需求。该文通过社会经济数据的空间实体化，将社会经济统计数据和水污染负荷在空间上建立联系，从而对全流域面源污染负荷的空间分布特征、空间过程分析提供数据支持，实现任意空间尺度（包括小流域尺度）面源污染负荷的估算和表征，为新的流域治污理论和面源污染防控管理实践提供切实有用、有效的技术支撑和决策依据。当然，为使相应的估算结果更为科学可靠，该文在基础数据采集和归一化处理、各类面源污染物产物系数科学化、与管理实践需求结合等方面还需进一步完善和提升。

参考文献

[1] 吴悦颖，李云生，刘伟江.基于公平性的水污染物总量分配评估方法研究[J].环境科学研究，2006，19（2）：66-70.

[2] 杨占红，罗宏，吕连宏，等.城市工业COD总量优化分配研究[J].中国人口·资源与环境，2010，20（3）：124-129.

[3] 龙天渝，梁常德，李继承，等.基于SLURP模型和输出系数法的三峡库区非点源氮磷负荷预测[J].环境科学学报，2008，28（3）：574-581.

[4] 刘瑞民，杨志峰，丁晓雯，等.土地利用/覆盖变化对长江上游非点源污染影响研究[J].环境科学，2006，27（12）.

[5] Neitsch S L，Arnold J G， Kiniry J R，et al.Soil andwater assessment tool user's manual： Version 2000[R].Temple，Texas： Blackland Research Center， Texas Agricultural Experiment Station，2001.

[6] Chung S W，Gassman P W，Kramer L A，et al.Validation of EPIC for two watersheds in southwest Iowa[J].Journal of Environmental Quality，1999，28（3）：971-979.

[7] Baginska B，Milne-Home W，Cornish P S.Modeling nutrient transport in Currency Greek，NSW with AnnAGNPS and PEST[J].Environmental Modelling and Software，2003，18（819）：801-808.endprint