湖北三峡库区农业面源污染负荷、评价及预警系统

赵尧尧+夏颖+范先鹏+陈勇+吴茂前+张富林+刘冬碧+熊桂云

摘要：三峡库区（湖北）农业面源污染负荷、评价及预警系统是对全国第一次污染普查数据研究结果的应用。在明确该区域农业生产和农业面源污染现状的基础上，使用C#语言进行系统编程的实现，通过计算机将种植业源、畜禽养殖业源和农村生活源的有关参数进行污染负荷估算，并对各个县及乡镇的重点污染源和重点污染区域进行风险预测及预警，为政府宏观调控及各级乡镇单元制定农业面源污染防控对策提供支撑。该系统结合Mysql数据库，通过Winform界面将研究结果中的数据以图表、文字的形式显示出来，直观明了的突出农业生产及污染现状，准确地显示出各地区污染预警值，并且通过污染负荷估算为下一步农业生产调整做出指导。

关键词：面源污染；三峡库区；污染预警；污染负荷

中图分类号：X506 文献标识码：A 文章编号：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

三峽库区是指受长江三峡工程淹没的地区，并有移民任务的20个县（市）。库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合部，跨越鄂中山区峡谷及川东岭谷地带，北屏大巴山、南依川鄂高原[1]。它包含了长江流域因三峡水电站的修建从而被淹没的湖北省所辖的宜昌县、秭归县、兴山县，恩施州所辖的巴东县等地。

三峡工程湖北库区涉及湖北省宜昌市的兴山县、夷陵区、秭归县和恩施自治州的巴东县。该地区条件较优，是发达地区产业向中西部梯次转移的重要支撑点[2]，资源丰富，产业转移互补性较强，具有丰富的水电、矿产、旅游、农副土特产品和劳动力资源。湖北三峡库区致力于发展特色农业，已形成茶叶、柑橘、蔬菜、水产、中药材、烟叶等支柱产业[3]。三峡库区湖北段属中亚热带湿润季风气候，受地形地势影响，气候类型复杂多样且垂直变化大，具有冬微冷、夏热、冬干夏雨、伏秋多旱等气候特点[4]。

长江三峡工程建成后，库区长660 km以上的干流将变成人工湖，流速大大减缓，水环境将由典型的河流水体转变为缓流水体，水的更新周期将大大延长，各支流的河水流速也将减慢，将导致水中物质的降解减弱、溶解氧减少，形成新的缓流水体水生生态系统，水体的自净能力将大大降低。目前，三峡库区富营养化水质污染现象已显现。如湖北境内的香溪河开始出现大面积水华，香溪干流湖北兴山县平邑口至秭归县长江河口布满蓝藻，长度超过25 km，沿河数万居民被禁止饮用河水、禁食河中鱼类，如果不采取有效措施，污染问题将更加突出[5]。

因此，三峡库区（湖北）农业面源污染负荷、评价及预警系统以三峡库区湖北段4个县区兴山县、夷陵区、秭归县和巴东县内的各个乡镇为研究范围，在明确本区域农业生产和农业面源污染现状的基础上，根据种植业源、畜禽养殖业源和农村生活源的有关参数进行污染负荷估算，并对各个县及乡镇的重点污染源和重点污染区域进行风险预测及预警，为政府宏观调控及各级乡镇单元制定农业面源污染防控技术提供技术支撑。利用软件技术将研究所得的数据进行相关分析，使研究成果可视化，取得效益的最大化。本研究系统运用.NET技术和农业相关理论，在已有研究数据的基础上，对三峡库区湖北段的面源污染进行数据可视化展示，根据相关农业面源污染标准对现状做出评价，在数据支撑的条件下，可对面源污染做出科学的预警。

1 系统结构设计

三峡库区（湖北）农业面源污染负荷、评价及预警系统结构设计如图1所示。

2 系统功能

2.1 系统概述

三峡库区（湖北）农业面源污染负荷、评价及预警系统是利用现代先进的计算机技术、数据库技术，在利用全国第一次污染普查数据的基础上，开发的单机版三峡库区（湖北）农业面源污染负荷、评价及预警系统平台，对三峡库区湖北段的面源污染进行数据可视化展示，根据相关农业面源污染标准对现状做出评价，在数据支撑的条件下，可对面源污染做出科学预警。系统充分体现了信息技术服务于农业，服务于社会的理念，将农业研究更好地运用到实际中去。

2.2 系统功能

系统主要用来对三峡库区（湖北）有关农业面源污染信息进行展示以及管理。系统功能划分为五大模块，首页、农业生产现状、农业污染现状、污染负荷预警、农业污染负荷估算。系统功能具体描述如下：

2.2.1 首页模块 首页分为四个模块：研究背景、自然地理、三峡大坝、科普知识。其中，研究背景主要阐述研究三峡库区湖北段面源污染的意义和价值；自然地理主要介绍三峡库区湖北段涉及到的4个县的地理环境；三峡大坝主要介绍三峡大坝的位置功能、组成、效益以及生态环境；科普知识主要介绍相关农业面源污染和防控技术的知识。

2.2.2 农业生产现状模块 农业生产现状模块主要介绍三峡库区（湖北段）4个县区巴东县、夷陵区、秭归县、兴山县以及下属乡镇各自的人口、畜禽养殖业、种植业的情况。该模块以县市、乡镇为单元，分别用图表、文字的形式展现该县市、乡镇的位置、国土/耕地面积、人口等基本情况以及种植业、畜禽养殖、化肥使用等农业相关情况，突出该镇的农业优势和特色。

2.2.3 农业污染现状模块 农业污染现状模块分为种植业污染、农村生活源、养殖业污染、固体垃圾以及面源污染五部分，通过文字、条形图、饼状图和表的形式，展现了各地区各种模式下污染物产生、排放情况，并作出了分析。

1）种植业污染：分别从化肥施用、化肥流失、农药施用、农药流失、秸秆产量、地膜使用六方面展现各县区乡镇现状以及占总体的百分比。

2）养殖业污染：包括畜禽养殖三峡及各县区总体情况，污染物的产生、排放和分析四部分。主要采用图表方式，展现各地区的现状及所占总体的百分比。

3）农村生活源：包括污水处理设施建设使用情况、污水产生排放情况和垃圾及污染物产生情况，通过图表文字分别展现了4个县区及各个乡镇的情况。

4）固体垃圾：介绍了兴山县、夷陵区、巴东县和秭归县四个县区及各乡镇秸秆产生情况、垃圾产生量、粪便产生量。

5）面源污染：包括三峡库区（湖北段）总体情况，各县区及下属乡镇氮负荷比、磷负荷比、COD负荷比四部分。

2.2.4 污染物负荷预警模块 污染物负荷预警模块主要由环境容量R值预警、容量指数与水体污染指数三部分组成。

1）R值预警：根据国家环保部生态司建议，因为农户对于猪粪的农田施用量更为容易掌握，所以将畜禽粪便换算为猪粪当量，计算出耕地负荷，然后将该值除以农田有机肥的理论最大适宜施肥量，得出的值就是该区域畜禽粪便负荷量的承载程度警报值R。R值越大，表示环境对于畜禽粪便负荷量的承载能力越低，即畜禽粪便的污染威胁性越大[6]。

2）容量指数：包括环境容量、养殖容量、实际养殖量[6]。利用耕地总面积和对氮磷的承载力以及单位猪的总氮磷排放量，同时将其他畜禽换算成猪粪当量可以得出畜禽养殖的环境容量和实际养殖量。假设氮磷养分的50%来源于畜禽粪便，可以估算出养殖容量。50%的比例与实际管理的需求十分接近，这是为了满足种植业高产的需求。

3）水体污染指数：当该区每年单位面积耕地上施用化肥量超过225 kg/hm2时，则会对水体造成污染风险。

2.2.5 农业污染负荷估算模块 农业污染负荷估算模块主要包括畜禽养殖业源、种植业源、农村生活源、污染物总负荷四大部分。

农业污染负荷估算模块主要是根据农业污染源流失系数或者排污系数，以及典型区域的农业生产规模或者生态环境的现状基数来估算典型区域的不同来源主要污染物的负荷量[7]。各类计算均采用下拉框的形式来选择不同类型/模式，每种类型/模式下都有1个流失系数或排污系数参考值，然后由用户手动录入当前畜禽养殖量、种植业施肥量、农村生活人口。同时在污染物总负荷部分，利用了分类汇总的方法对各类主要污染物负荷量进行求和，并且在不同来源贡献部分计算出每种污染物中各类不同来源对污染总负荷的贡献。每个版块都具体有结果保存的功能，污染负荷估算流程如图2所示。

3 数据库设计

根据需求分析建立的数据模型和实际数据以及功能需要，从数据之间的关系和数据量大的特点，遵循数据库相应的规范，充分考虑后续数据处理的功能要求，进行合理的数据库设计，避免数据冗余，为提高后续数据处理的效率奠定良好的基础。三峡库区（湖北）农业面源污染现状、负荷及预警系统采用Mysql数据库。

3.1 数据库完整性设计

在关系数据库中，关系模型有三种完整性约束：实体完整性、参照完整性以及用户定义完整性。具体数据库设计中，实体完整性可以保证表中所有行的唯一（即数据库中所有的行都具有一个非空主键值，并且没有重复主键值），这样就确保了数据库中所代表的事物不存在重复条目。在输入或删除记录的时候，参照完整性可以保持参照表与被参照表之间已定义的关系。

本系统的数据库设计过程中，每张表都用各地区惟一的行政编号作为主键，确保了实体和参照完整性。

3.2 数据库概念结构、逻辑结构设计

根据需求分析、数据特点、功能需要设计数据库。关于农业生产的表有农业生产信息表。农业污染涉及种植业源、畜禽养殖业源和农村生活源三方面数据，每一个方面包含的数据项较多，所以分别根据种植业源、畜禽养殖业源和农村生活源包含数据项的相关关系，将其分别分解为若干表。农业污染数据库的表有农田基本信息表、化肥使用情况表、地膜使用情況表、农药使用情况表、秸秆处理情况表、污水及污染物情况表、垃圾及污染物表、抽查数据表、生活污水产生排放情况表、生活垃圾产生排放情况表、调查对象表、畜禽总污染物表、养殖种类年出存栏量表、猪的产污情况表、奶牛的产污情况表、蛋鸡的产污情况表、肉鸡的产污情况表，各表的概念定义如表1所示。

4 系统的实现与测试

4.1 系统实现技术以及开发环境

本系统使用了ADO.NET等技术，使用C#语言进行整个系统的开发。

4.2 开发环境搭建

1）系统采用了C#的WinForm进行开发。WinForm是.Net开发平台中对Windows Form的简称。WinForm具有简单易操作、功能强大的特点，Windows窗体上面可用于设计窗体和可视控件；也可以为数据提供程序管理，而且充分利用了公共语言运行库的安全性，这一切都可以通过Windows窗体来实现。Windows窗体设计还提供了一套丰富的控件，可以直接进行拖拽设计窗体界面，并且开发人员还可以定义自己的控件。

2）客户机上需要安装.Net Framework 4.0环境。

3）本系统使用ADO.NET数据访问技术，需要安装MySql。

4.3 系统各模块实现

4.3.1 系统欢迎界面设计 欢迎界面主要通过Panel，以图片文字的形式展现，在运行程序之前首先打开Mysql数据库，然后运行程序进入欢迎界面。点击进入系统，进入程序主页面，如图3所示。

4.3.2 系统主界面的设计 整个窗体面板主要由ToolBar、SideBar、SplitContainer三个主要控件构成。ToolBar上主要是该系统的各个功能模块。SideBar上则是每个功能模块下属的子模块，SplitContainer上则是需要显示的内容。SideBar与SplitContainer上的内容都是动态生成的，转换功能模块时，其内容随之改变。具体如图4所示，系统主页面上方是各个功能模块，主要包括首页、农业生产现状、农业污染现状、污染物负荷预警、农业污染负荷估算。左侧为功能子模块，右侧是显示区域，显示数据图表文字。

4.3.3 系统内容展示的设计 通过TextBox进行文字展示，如图5所示，主要介绍本系统的研究背景、三峡库区（湖北）的自然地理、三峡大坝相关知识以及关于农业面源污染基本知识和防控技术的科普。通过Data Grid View进行表格数据展示，如图6所示。通过Char进行饼状图、条形图的数据展示，如图7所示。

4.3.4 系统污染负荷估算模块的设计 污染负荷估算是唯一需要输入参数的功能模块，输入参数时分两种情况：一是选择参数；二是手动输入参数。所以采用ComboBox控件和TextBox控件，同时还有Label等控件进行操作，如图8所示。

当选择参数时，上一个参数的选择会影响下一个参数的值，比如图8中选择的养殖污染来源是猪，那么下一个值养殖阶段就是保育猪、育成育肥猪、繁殖母猪。如果养殖污染来源选择值改为牛，那么养殖阶段的值就会变为育成奶牛、成乳母牛、肉牛。该模块还需要实现估算结果保存的功能，这一功能是通过使用Label的Click响应函数实现的。

污染负荷估算包括种植业源、养殖业源、农村生活源三部分污染来源，并且最终汇总为污染总负荷，同时需要显示计算出各个来源的比重。因为种植业源、养殖业源以及农村生活源参数选择输入一致，所以只截取养殖业源进行估算，具体如图9所示。污染总负荷汇总情况如图10所示，结果保存情况如图11所示，不同来源贡献情况如图12所示。

5 小结

本系统是在全国第一次污染普查数据的基础上，开发的单机版三峡库区（湖北）农业面源污染负荷、评价及预警系统平台，对三峡库区湖北段的面源污染进行数据可视化展示，根据相关农业面源污染标准对现状做出评价，在数据支撑的条件下，可对面源污染做出科学地预警。

系统虽然已经实现基本功能，但是由于受各种条件的限制，还在初步建设阶段，下一步还需与GIS结合，更形象地展示该区域的污染现状。

参考文献：

[1] 程 辉，吴胜军，王小晓，等.三峡库区生态环境效应研究进展[J].中国生态农业学报，2015，23（2）：127-140.

[2] 胡江霞，文传浩.西部连片贫困山区经济发展空间分布特征研究—基于三峡库区的地统计分析[J].吉首大学学报（社会科学版），2015，36（1）：109-117.

[3] 于 慧，邓 伟，刘邵权.地势起伏度对三峡库区人口及经济发展水平的影响[J].长江流域资源与环境，2013，22（6）：686-690.

[4] 吴昌广.气候变化背景下三峡库区植被覆盖动态及其土壤侵蚀风险研究[D].武汉：华中农业大学，2011.

[5] 陈 广.基于DPSIR模型的三峡库区水生态安全评价[D].武汉：华中农业大学，2015.

[6] 朱建春.中国畜禽粪便的能源潜力与氮磷耕地负荷及总量控制[J].西北农林科技大学，2014，33（3）：435-445.

[7] 楊彦兰，申丽娟，谢德体，等.基于输出系数模型的三峡库区（重庆段）农业面源污染负荷估算[J].西南大学学报（自然科学版），2015，37（3）：112-119.