基于空间信息技术的新农村建设面源污染动态监控

陈蓓青，汪朝辉，申邵洪

（长江科学院空间信息技术应用研究所，武汉 430010）

基于空间信息技术的新农村建设面源污染动态监控

陈蓓青，汪朝辉，申邵洪

（长江科学院空间信息技术应用研究所，武汉 430010）

面源污染的调控与治理是关系到新农村建设和社会可持续发展的重要问题。将RS，GIS和GPS技术引入农业面源污染研究领域，通过建立完善的农业面源污染监测系统，可以有效地实施对环境污染的动态监测，科学管理具有空间属性的各种农业环境面源污染信息。以空间信息技术为基础的监测信息系统能够为农业面源污染及农村环境治理提供可靠有效的辅助决策信息，并为政府及有关部门正确决策提供科学依据。

空间信息技术；面源污染；动态监测

1 概 述

农业面源污染主要是指在农业生产活动过程中，固体的或溶解的污染物（农田中的土粒、氮素、磷素、农药、重金属及其农村家畜粪便与生活垃圾等有机或无机污染物质）从非特定的地域，在降水和径流冲刷作用下，通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏，使大量污染物质进入受纳水体（如河流、湖泊、水库、海湾等）所引起的主要水体污染。农业面源污染具有形成过程随机性大、影响因素复杂、污染分布范围广、潜伏周期长和危害性大等特点，面源污染由于没有固定的污染源，在监测、治理和控制上难度较大。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，而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，也缺乏整治的相关理论和实践经验。

党的十六届五中全会提出建设社会主义新农村的历史任务，而新农村建设的基本特点就包含“两新”：新技术环境（信息化建设）和新自然环境（良好的生态环境）。因此，研究农业面源污染的特点，利用高新技术对农业面源污染进行动态监测，可快速获取面源污染状况，以指导减少农业面源污染排放政策的制定和污水防治措施的实施，确保农村水源安全和农民身体健康，特别是在新农村建设中，利用面源污染监测成果，提前做好水资源规划，使排污设施合理分布，保障农村污水生态处理技术的有效实施，也是新农村建设中实现资源、环境和农业协调发展的重要任务之一。

2 基于空间信息技术的研究路线

空间信息技术（Spatial Information technology）作为近年来得到快速发展的一门新兴技术，主要包括全球定位系统（GPS）、遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS）三项技术的融合与应用。是目前对地观测系统中空间信息获取、存贮、管理、更新、分析和应用的支撑技术。通过遥感数据可以快速获取大面积的区域信息，其多谱段、多实相、多传感器和多分辨率的特点，可以较好地获得土地利用现状信息、水体污染范围信息等；GPS作为GIS的快速定位和更新的手段，主要用于细化局部区域的信息、地物特征点的测量以及污染源的快速定位。

GIS和面源污染分属2个不同的领域，但他们之间具有共同的空间概念，由于面源污染是一种间歇发生、随机性强、具有很多不确定因素的复杂过程；而GIS具有强大的空间数据管理、分析能力，因此可以将GIS技术广泛深入地应用于具有空间特征的农业面源污染研究中。利用空间信息技术监测农业面源污染有以下几个优点：

（1）数据动态更新快，易实现共享；

（2）能对海量的空间数据进行快速分析；

（3）能够通过空间分析与统计，确定各参数的空间分布以及参数的空间相关性；

（4）分析显示结果形象直观。

将全球定位系统（GPS）、遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS）三者有机结合，形成一个多功能综合的技术系统，才能在新农村建设面源污染动态监测与防治中发挥更大的作用。其应用流程图如图1所示。

图1 3S技术在农村面源污染动态监测信息系统中的应用流程图Fig.1 Flow chart of 3S-technology used for dynam ically monitoring information system of rural non-point source pollution

3 示范区应用研究

3.1 示范区概况

清江是湖北省境内最大的一条长江支流，干流全长423 km，流域面积1.67万km2，是土家族的母亲河，横贯鄂西南7个县市。隔河岩、高坝洲、水布垭等水电站的梯级开发，使清江干流失去了自然均匀和可持续流动的天性。流域内农村面源污染、城镇生产生活污水和垃圾污染，对清江水质已经形成了严重影响，农业面源污染问题急需有效的治理。长阳土家族自治县位于湖北省西南部的清江中下游，是全国首批100个农村电气化试点县之一，政府对于西部农村的投入支持力度逐年增加，大力发展社会主义新农村建设，大力发展西部旅游业，对农村地区的环境治理与保护也日益加强。

3.2 面源污染信息采集与处理

遥感技术是获取农业面源污染对河流污染的数据的关键技术。通过卫星图片，对不同波段的反射光谱分析，可以获得研究区域地表水污染情况。研究中用到的数据包括长阳县1∶10 000DEM图，长阳县行政区划图，Landsat TM，SPOT5遥感影像图（图2），重点地区1∶5 000LIDAR航空影像（图3），以及土地调查详查数据、水质测量点监测数据等。通过对影像的校正及解译，获得长阳县土地利用图和农业面源污染对河流污染的数据。同时利用GPS定位的高精度和应用的灵活性的特点，对于遥感影像边界地区和水体污染速度快的地区，采取GPS定位观测的方式，快速获得实时数据。

图2 长阳县部分区域SPOT卫星影像Fig.2 SPOT satellite images of part region at Changyang County

图3 隔河岩水电站附近水域航空影像Fig.3 Aerial photo of Geheyan Hydropower Station

一般来说，农业面源污染动态监测中易变的因素主要有土地利用、农业种植结构与施用化肥情况，以及区域降雨情况等，它们的快速获取是区域农业面源污染动态监测的关键，其中土地变化及种植结构变化均可用遥感的手段获取。土地利用坡度分布可通过GIS计算分析得到，见表1。

表1 长阳县土地利用坡度分布Table 1 Distribution on land use gradient of Changyang County

3.3 面源污染研究数据建库

翔实而完备的数据库是实现信息系统各项功能的关键和核心。为实现新农村建设农业面源污染的动态监测，建立了不同数据结构和模型的空间和属性数据库，以构成完备的农业环境数据库。空间数据库与属性数据库之间则通过统一设计的地理编码实现相互连结。

（1）土地利用分析。土地利用类型对于确定面源污染负荷是非常重要的，利用遥感手段获取研究区域的土地利用信息，根据面源污染的特征，采用分层分类方法获取以下信息：①耕地、居民点：根据污染负荷情况提取耕地类型，居民地空间分布等数据；②林地：研究区域内最主要的土地利用类型，林地的信息提取包括植被的类型及覆盖度等级等直接影响林地污染负荷的信息；③主要的水库：可能对污染物的迁移产生显著影响。长阳县土地利用现状见图4。

图4 长阳县土地利用现状图Fig.4 Land use chart of Changyang County

（2）地形数据建库与分析。用于地形数据建库与分析的数据源包括等高线图和水系分布图。主要处理流程为：①利用等高线图和辅助信息生成栅格式DEM，如图5所示；②利用栅格式DEM进行水文、地形分析，主要内容包括流域边界提取和流域面积计算、水系提取、河流比降和河长测量、坡长坡度计算等。

图5 长阳县1∶50 000 DEMFig.5 1∶50 000 DEM of Changyang County

（3）其它面源数据的建库。主要数据包括气象、土壤类型、农村居民点、水质监测点、农作物生长参数等。按以下3类划分：①以栅格格式存贮的空间数据，如土壤类型；②以Coverage格式存贮的空间数据，如农村居民点分布、水质监测点分布；③以关系型数据库形式存放，如近年来的气象、环境、水质监测数据和统计数据等。

3.4 基于GIS的面源污染负荷计算与评价

根据流域的自然产、汇流特征，将研究区域划分为若干个子流域，并进一步将每个子流域划分为2～5个HRU（Hydrologic Response Unit）单元。在面源污染计算模型中。同一子流域具有相同气象因子，如降雨量、气温、日照等，地形因素（坡度、坡长）、河流河道特征、地下水特征等。同一HRU单元除具有相同的土地利用类型与土壤类型外，也具有相同的作物类型和管理措施。

在GIS的辅助下，提取各子流域、HRU单元、河流、水体的有关参数，作为面源污染计算模型的输入。在输出系数模型中，确定合理的输出系数是关键所在。影响流域面源源污染物输出系数的因素很多，包括流域内地形地貌、水文、气候、土地利用、土壤类型和结构、植被、管理措施以及人类活动等，不同土地利用方式的输出系数差别非常明显。

从图6和图7可以看出，从2000年到2006年，长阳县面源污染发生了明显的变化，其中2000年面源污染高负荷区主要分布在东部地区，因为长阳县地势是西高东低，东部集中了绝大部分的农业耕作区，西部以中高山草地和林地为主，因此西部的面源负荷相对较低。随着大力发展高山蔬菜，低山粮林，高山林、畜、药等工程，面源污染负荷逐步向纵深发展，其中清江以南发展比清江以北发展迅猛，面源污染负荷也加重得更加迅速。

图6 2000年和2006年长阳县面源污染负荷总氮空间分布图Fig.6 Spatial distribution of NPS pollution load for TN in 2000 and 2006

3.5 信息查询与网络发布

（1）信息查询：在后台数据库的支持下，用户可以通过网络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：基于网络的地理信息发布系统，能够让管理员方便地在服务器端实时更新地图及专题图信息，用户也可以交互式地获取直观的基于空间分布的土地类型及污染主要分布范围等感兴趣的地图资料。

（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，任意查询某一具体位置或区域的污染治理情况，也可以通过属性数据来反查空间数据，检索出相应的位置信息。

（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，为农业面源污染的管理、规划和决策提供依据。

（5）提供资料和污染分布图浏览：可提供农业面源污染在不同比例尺的研究区域下的详细调查成果。

图7 2000年和2006年长阳县面源污染负荷总磷空间分布图Fig.7 Spatial distribution of NPS pollution load for TP in 2000 and 2006

4 结 论

对长阳县面源污染的监测和分析可以看出，将RS，GIS和GPS技术引入农业面源污染研究领域，通过建立完善的农业面源污染监测系统，可以有效地实施对环境污染的动态监测，科学管理具有空间属性的各种农业环境面源污染信息。以空间信息技术为基础的监测信息系统能够为农业面源污染及农村环境治理提供可靠有效的辅助决策信息，并为政府及有关部门正确决策提供科学依据。

因此，我们应该充分利用发展社会主义新农村建设之机，大力推广空间信息技术，以科学先进的手段提升农业面源污染监测水平、完善农村环境影响评价体系，使我国的农业资源得到更合理的保护和利用。

［1］ 湖北农村统计年鉴编辑部.湖北农村统计年鉴2007［M］.北京：中国统计出版社，2007（HubeiRural Statistical Yearbook 2007［M］.Beijing：China Statistical Publishing House，2007.（in Chinese））

［2］ 刘 平，程 炯，刘晓南.广州流溪河流域典型农业集水区降雨径流污染物输出特征分析［J］.生态与农村环境学报，2008，24（1）：92－95.（LIU Ping，CHENG Jiong，LIU Xiao-nan.Characteristics of output of nonpoint source pollution with rainfall runoff in typical agricultural watershed of Liuxi River Valley［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2008，24（1）：92－95.（in Chinese））

［3］ NING S k，JENG K Y，CHANG N B.Evaluation of nonpoint source pollution impacts by integrated 3S information technology and GMLF modeling［J］.Water Science and Technology，2002，（4－6）：225－230.

［4］ CHEN Xiao-ling，YUAN Zhong-zhi，LIYok.Water environmentalmanagementwith the aid of remote sensing and GIS technology［C］∥Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，Multispectral and Hyperspectral Remote Sensing Instrument and Applications II－2005.

［5］ 李伟华，袁 仲，张慎举.农业面源污染现状与控制措施［J］.安徽农业科学，2007，35（33）：10784－10786.（LIWei-hua，Yuan Zhong，ZHANG Shen-ju.Current situation of agricultural pollution in many aspects and controllingmeasures［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2007，35（33）：10784－10786.（in Chinese））

［6］ 张秋玲，陈英旭，俞巧钢，等.非点源污染模型研究进展［J］.应用生态学报，2007，18（8）：1886－1890（ZHANG Qiu-ling，CHEN Ying-xu，YU Qiao-gang，et al.A review on non-point source pollution models［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2007，18（8）：1886－1890.（in Chinese））

［7］ 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）：2407－2414（LIU Rui-min，YANG Zhi-feng，DING Xiao-wen，et al.Effect of land use／cover change on pollution load of non－point source in upper reach of Changjiang River Basin［J］.Environmental Science，2006，27（12）：2407－2414.（in Chinese））

［8］ 李兆华，黄 薇，李长安.湖北省农村地区面源污染现状分析［J］.长江科学院院报，2007，24（6）：6－11（LI Zhao-hua，HUANGWei，LIChang-an.Analyses on nonpoint source pollution in rural places of Hubei Province［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2007，24（6）：6－11.（in Chinese））

［9］ 易志刚.农业面源污染及其防治策略研究［J］.安徽农业科学，2007，35（24）：7589－7590（YIZhi-gang.Study on the control and preventionmeasure ofmultiple area-pol-lution in agriculture［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2007，35（24）：7589－7590.（in Chinese））

［10］蔡 明，李怀恩，庄咏涛.改进的输出系数法在流域非点源污染负荷估算中的应用［J］.水利学报，2004，（7）：40－45（CAIMing，Li Huai-en，ZHUANG Yongtao.Application ofmodified export coefficientmethod in polluting load estimation of non－point source pollution［J］.Journalof Hydraulic Engineering，2004，（7）：40－45.（in Chinese））

［11］叶 春，王云鹏.GIS支持的珠江三角洲农业面源污染时空分析［J］.农机化研究，2007，（2）：40－43.（YE Chun，WANG Yun-peng.Spatio-temporal analysis of agriculture non-point pollution in pearl river delta based on GIS［J］.Journal of Agricultural Mechanization Research，2007，（2）：40－43.（in Chinese））

［12］袁 辉，王里奥，黄 川.三峡库区消落带保护利用模式及生态健康评价［J］.中国软科学，2006，（5）：120－127.（YUAN Hui，WANG Li-ao，HUANG Chuan.The utilization／protectionmodels and ecological health evaluation for the water-level-fluctuating-zone in Three Gorges Area［J］.China Soft Science，2006，（5）：120－127.（in Chinese））

［13］程 波，常玉海，陈 凌.农业规划环境影响评价指标体系研究［J］.环境保护，2004，（4）：40－44（CHENG Bo，CHANG Yu-hai，CHEN Ling.EIA index system on agriculture planning［J］.Environmental Protection，2004，（4）：40－44.（in Chinese））

［14］史志华，蔡崇法，丁树文.基于GIS的汉江中下游农业非点源氮磷负荷研究［J］.环境科学学报，2002，22（4）：473－477.（SHI Zhi-hua，CAI Chong-fa，DING Shu-wen.Research on nitrogen and phosphorus load of agricultural non-point sources inmiddle and lower reaches of Hanjiang River based on GIS［J］.Journal of Environmental Sciences，2002，22（4）：473－477.（in Chinese））

（编辑：王 慰）

Dynam ic M onitoring of Non-Point Source Pollution in New Rural Construction on Spatial Information Technology

CHEN Bei-qing，WANG Zhao-hui，SHEN Shao-hong
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The treatment and control of non-point source（NPS）pollution is a key factor which affects new countryside construction and society sustainable development.Introducing RS，GISand GPS into research field of agriculture NPS pollution can prompt the development of agriculture NPS pollution monitoring system.Using this system，environment pollution can be dynamically effectively monitored and the spatial attribute information of agriculture NPS pollution can bemanaged scientifically.This informationmonitoring system，based on spatial information technology，can provide effectively assistant decision information for treatment of agriculture NPS pollution and environment.It can also help governmentmake a correct and scientific decision.

spatial information technology；non-point source pollution；dynamic monitor

TP79

A

1001－5485（2010）06－0074－05

2009-06-03；

2009-10-23

国家软科学研究计划项目（2007GXS3B044）

陈蓓青（1971-），女，浙江慈溪人，高级工程师，主要从事空间信息技术在水利行业中的应用研究，（电话）027-82926551（电子信箱）chenbq＠mail.crsri.cn。