胡光偉,梁業(yè)偉,莊少奇,許瀅,馮海麗,馬逸嵐
(1.大理大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院,云南 大理 671003;2.湖南工業(yè)大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,湖南 株洲 412007)
地理信息系統(tǒng)(Geographic information system,GIS)是集屬性信息、空間信息存儲管理、數(shù)據(jù)分析和處理于一體的技術(shù)系統(tǒng),可實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的交互與共享[1,2]。由于GIS 具有地圖可視化、地理分析和強大的空間數(shù)據(jù)處理功能,覆蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理分析、提供決策支持、實際應(yīng)用的全過程[1,3],使得GIS被廣泛運用到不同的領(lǐng)域,涉及地理學(xué)[4]、水文學(xué)[5]、環(huán)境科學(xué)、城市規(guī)劃、土地資源管理[6]和交通等領(lǐng)域[7,8]。GIS 技術(shù)在流域的農(nóng)業(yè)面源污染治理中也得到廣泛應(yīng)用,為政府進行農(nóng)業(yè)面源污染的精準防控提供決策依據(jù)。
農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥、生活和生產(chǎn)等廢棄物和污水沒有經(jīng)過處理直接排入環(huán)境中,使得農(nóng)村環(huán)境遭受嚴重污染,危害人類健康,為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展也帶來不確定性[9-11],同時也引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染。農(nóng)業(yè)面源污染是因為N、P 等營養(yǎng)元素、農(nóng)藥和其他有機物通過農(nóng)田徑流和土壤滲透作用進入水源,是導(dǎo)致流域水質(zhì)惡化的重要原因,最終造成水體營養(yǎng)元素超標[12]。中國63.6%的河流和湖泊呈富營養(yǎng)化狀態(tài)[13],其中關(guān)鍵因素就是面源污染。但是,農(nóng)業(yè)面源污染具有分散性、隱蔽性等特點,其產(chǎn)生和擴散受地形、氣候、土壤、水文等多種自然因素制約,所以面源污染的防控治理與監(jiān)測難度很大[10,11]。因此,研究面源污染需要借助于現(xiàn)代信息技術(shù),開發(fā)一套可以及時、精準處理污染數(shù)據(jù),為農(nóng)業(yè)面源污染管理和防治服務(wù)的信息系統(tǒng)[11]。
GIS 具有強大的數(shù)據(jù)管理和處理能力,在農(nóng)業(yè)面源污染研究中,GIS 能實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的互聯(lián)和共享,建立符合使用者要求的農(nóng)業(yè)面源污染GIS 數(shù)據(jù)庫[14]。農(nóng)業(yè)面源污染需要處理大量的數(shù)據(jù),包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),具體為行政區(qū)劃、位置、土壤類型、DEM、土地利用、植被覆蓋等空間數(shù)據(jù)以及化肥、農(nóng)藥、氣象、水文等屬性數(shù)據(jù)[15-18],將這些數(shù)據(jù)進行批量計算、分類編碼和預(yù)處理,確立數(shù)據(jù)空間拓撲關(guān)系,建立農(nóng)業(yè)面源污染GIS 數(shù)據(jù)庫并進行存儲[14,19]。GIS 還能實現(xiàn)污染數(shù)據(jù)的動態(tài)存儲和實時更新,提供實時查詢服務(wù)。
GIS 在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、柵格與矢量數(shù)據(jù)的計算、空間分析等方面應(yīng)用廣泛。獲取數(shù)據(jù)方面,金苗等[20]使用ArcGIS Explorer 軟件獲取太湖流域遙感圖像,并計算太湖流域耕地面積;郭昳等[21]以小流域農(nóng)業(yè)面源污染為研究對象,建立GIS 數(shù)據(jù)庫,揭示空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間的關(guān)系;黃金良等[22]以五川小流域為研究區(qū)域,借助ArcView3.2 軟件建立農(nóng)業(yè)非點源污染模擬數(shù)據(jù)平臺。數(shù)據(jù)計算方面,史健鵬等[23]以GIS 為技術(shù)手段,估算耕地面積和化肥的科學(xué)施用量;成杰民等[24]利用GIS 軟件的空間分析功能,以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為統(tǒng)計單元,建立USLE 模型估算南四湖沿岸農(nóng)業(yè)面源氮磷負荷;姜世英等[25]建立PSR 評價體系和GIS 空間分析模型,分析丹江口庫區(qū)面源污染的特征。
GIS 最初主要用于空間數(shù)據(jù)分析與計算機制圖等,隨著GIS 理論研究和計算機軟硬件技術(shù)的進步,GIS 技術(shù)取得迅速發(fā)展。GIS 從空間分析的基本問題研究逐步發(fā)展到關(guān)注地理要素與周圍環(huán)境之間的關(guān)系。如購房者關(guān)心房屋的采光、噪聲、交通和生活基本服務(wù)設(shè)施等;農(nóng)民關(guān)心農(nóng)作物的產(chǎn)量、生產(chǎn)效率、退耕政策等;規(guī)劃學(xué)者更多地考慮城市的布局是否合理,垃圾處理廠、商場、學(xué)校、交通等設(shè)施的區(qū)位選擇問題;水利、環(huán)保等部門關(guān)注洪旱災(zāi)害、灌溉、泥石流等災(zāi)害事件[1]。
由此可見,GIS 空間分析在規(guī)劃、環(huán)保、災(zāi)害、資源評價、交通、軍事和醫(yī)療衛(wèi)生等各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,受到政府管理者和學(xué)者們的重視。
1.2.1 空間分析 GIS 具有良好的空間解析能力,能夠?qū)Ω鲄?shù)的空間分布和相互關(guān)系進行動態(tài)解析與判定,農(nóng)業(yè)面源污染空間數(shù)據(jù)的獲取、計算、空間分析等方面都需要GIS 技術(shù)作支撐,在農(nóng)業(yè)面源污染評價等方面取得豐碩成果。黃金良等[26]借助GIS空間分析功能,基于九龍江流域柵格數(shù)據(jù)構(gòu)建農(nóng)業(yè)面源污染分布式模型,識別農(nóng)業(yè)面源污染來源;帥紅[27]基于南海區(qū)的遙感影像土地利用解譯圖,應(yīng)用GIS 進行空間解析和圖象重疊,并由此得到土地利用圖;GIS 空間分析手段在N、P 污染負荷的時空分異方面應(yīng)用廣泛[28];此外,通過空間分布圖的繪制,可以實現(xiàn)面源污染的分級[29,30]。胡遠安等[31]利用GIS 進行空間插值、劃分子流域及信息提取,建立子流域面源污染模擬SWAT 模型,模擬精度達到要求。
1.2.2 空間可視化表達 農(nóng)業(yè)面源污染空間可視化包括風(fēng)險源分布、污染程度等的空間可視化表達,有利于數(shù)據(jù)深層次信息的深入發(fā)掘[32,33]。有研究者利用GIS 空間分析功能,繪制N、P 污染指數(shù)圖[34],也有研究者通過統(tǒng)計農(nóng)藥、化肥投入密度,實現(xiàn)農(nóng)藥化肥污染程度分布空間表達[35]。朱亮等[36]以南京市溧水區(qū)方便水庫為研究對象,運用GIS 和RS 技術(shù)相結(jié)合的方法,解析流域污染源,模擬流域內(nèi)污染排放量分布狀況,進而生成水庫保護區(qū)污染物年排放量分布圖。此外,通過GIS 軟件還可以制作各類風(fēng)險圖,如DRASTIC 風(fēng)險圖、LDRASTIC 風(fēng)險圖、地下水風(fēng)險分級圖和土壤侵蝕的風(fēng)險分布圖等[17,37];通過對DEM 進行3D 分析,進而提取坡度坡長圖[38]。GIS技術(shù)的空間可視化表達能更有效、便捷地分析農(nóng)業(yè)面源污染的動態(tài)變化,同時也便于決策者在后期分析中快速查看和提高決策效率。
1.3.1 農(nóng)業(yè)面源污染模型的集成 具有強大數(shù)據(jù)處理能力的GIS 技術(shù)與面源污染模型相結(jié)合是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點領(lǐng)域,可以解決面源污染的復(fù)雜問題[39]。GIS 與面源污染模型的集成能實現(xiàn)不同模塊之間進行數(shù)據(jù)交換、共享與反饋,也能通過圖形的方式表達結(jié)果,直觀地展示給環(huán)境管理人員,并利用模型對流域水質(zhì)進行多情景預(yù)測和模擬分析[2]。
國內(nèi)外面源污染研究的熱點之一就是GIS 技術(shù)與面源污染模型的集成。國外開發(fā)出很多模型,常用的有GIS 與NLEAP 模型[40]、ARC/INFO 與CMLS模型[41]、GIS 與DRASTIC 模型[42]、ARC/INFO 與AGNPS 模型[43]、GIS 與USLE 模型[44]、流量模型(ANSWERS、SWACROP、RORB)、以地形為基礎(chǔ)的水文模型(TOPMODEL)等[9],除此之外還有GIS 與SWAT模型[45]、AnnAGNPS、HSPF、ARM、CREAMS-GLEAMS等模型也得到廣泛應(yīng)用,不同模型適用于不同的時空尺度,有各自的優(yōu)勢和劣勢[46]。
國內(nèi)農(nóng)業(yè)面源模型起步于21 世紀初,AGNRS 模型、AnnAGNPS 模型和SWAT 模型應(yīng)用較廣泛。趙剛等[47]將AGNPS 模型運用于模擬云南省撈魚河小流域土壤侵蝕防治效果;洪華生等[48]驗證AnnAGNPS 模型在中國東南丘陵山區(qū)九龍江流域的適用性問題;蘇保林等[49]集成流域數(shù)字高程模型(DEM)、水文與水質(zhì)、土壤、農(nóng)業(yè)管理措施等數(shù)據(jù),將SWAT模型應(yīng)用到密云水庫面源污染模型中,應(yīng)用于該流域的污染負荷模擬和預(yù)測;黃金良等[22]利用GIS 和相關(guān)資料率定模型參數(shù),并檢驗了連續(xù)分布式參數(shù)模型AnnAGNPS 的適用性。HSPF 模型、CREAMS 模型、ULES 模型和GLEAMS 模型也被引入國內(nèi),廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域[2]。
1.3.2 兩種主要的GIS 農(nóng)業(yè)面源污染模型 國內(nèi)外使用較廣泛的兩種農(nóng)業(yè)面源污染模型為AnnAGNPS模型和SWAT 模型,二者都屬于每日時間步長、流域尺度和污染物負荷模型,可用于模擬農(nóng)業(yè)流域的長期徑流、泥沙、養(yǎng)分和污染物輸移。
1)AnnAGNPS(Annualized agricultural non-point source pollutant loading model)模型。該模型是美國農(nóng)業(yè)部聯(lián)合自然資源保護局在AGNPS 基礎(chǔ)上開發(fā)的一種分布式農(nóng)業(yè)面源污染模型[50],最初是用于評價流域農(nóng)業(yè)管理措施的影響,適用于流域尺度。該模型與GIS 融合之后,模型的輸入數(shù)據(jù)得到簡化,而且能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行存儲和管理,還能實現(xiàn)空間分析和可視化輸出[51,52]。
AnnAGNPS 模型能較好地反映整個區(qū)域的污染負荷和侵蝕產(chǎn)沙量,并能分析每個分室單元的徑流、侵蝕產(chǎn)沙和污染物負荷分布,同時也能評價不同的農(nóng)業(yè)管理措施(如耕作制度、施肥方式、施用農(nóng)藥、點源污染負荷和養(yǎng)殖場管理等)對水文和水質(zhì)的影響,以便制定多種最優(yōu)的管理方案(BMPs),然后再進行BMPs 的風(fēng)險評估和費用的效益分析[53,54],在流域侵蝕產(chǎn)沙、污染物負荷測算、農(nóng)業(yè)管理措施的影響等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。婁永才等[55]采用了AnnAGNPS 模型對流域的N、P 流失負荷進行定量計算和模擬,并取得較好的模擬效果。
2)SWAT(Soil and water assessment tool)模型。該模型是由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的分布式流域水文物理模型[56],適用于較大流域尺度,通過模擬流域的水量與水質(zhì)狀況,分析不同地理尺度下農(nóng)業(yè)面源污染物的輸出特征,進而研究農(nóng)業(yè)面源污染的輸出效應(yīng)[57],在農(nóng)業(yè)面源污染負荷的計算中應(yīng)用廣泛。模型在模擬水質(zhì)和水量、土地利用方式、氣候變化的影響等領(lǐng)域得到較多的應(yīng)用[57,58],在國內(nèi)的不同區(qū)域有較多的研究成果。吳春蕾等[59]構(gòu)建了巢湖流域農(nóng)業(yè)面源污染SWAT 模型;翟玥等[60]運用SWAT 模型定量分析云南洱海流域污染源結(jié)構(gòu),篩選出該流域重點農(nóng)業(yè)污染源;李爽等[61]利用SWAT 模型模擬了南四湖流域氮磷污染情況,結(jié)果表明在起伏較大的地區(qū)能取得更高的精度;胡文慧等[62]采用SWAT模型定量模擬汾河灌區(qū)汛期氮和磷的流失情況,結(jié)果表明灌區(qū)TN、TP 發(fā)生在汛期的流失量分別占全年負荷量的58.5%和76.0%;喬衛(wèi)芳等[63]利用SWAT模型模擬了流域內(nèi)不同土地利用類型的農(nóng)業(yè)面源污染負荷量。
利用GIS 技術(shù)的二次開發(fā)功能開發(fā)的模塊集中在污染模擬、污染負荷計算和污染源實時監(jiān)測等,將面源污染數(shù)據(jù)在信息系統(tǒng)中進行存儲、顯示和分析,形成一套環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng),更好地滿足各方個性化需求[64]。施加春等[14]利用GIS 二次開發(fā)的優(yōu)勢,以杭嘉湖平原為研究區(qū),構(gòu)建了基于WebGIS 的農(nóng)業(yè)面源污染信息系統(tǒng),可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染的各種信息數(shù)據(jù)的查詢與檢索;史志華等[65]基于GIS 和RS 技術(shù),構(gòu)建一套面源污染實時動態(tài)監(jiān)測、綜合治理規(guī)劃決策的信息系統(tǒng);王玉坤等[18]建立了基于GIS 的化肥農(nóng)藥實時監(jiān)測和管理系統(tǒng)。GIS 的可視化彌補了傳統(tǒng)研究的缺陷,將復(fù)雜的大數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)展示出來,能夠直觀地為污染防治提供決策服務(wù)。
隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的不斷成熟,將其與GIS 系統(tǒng)相結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)耕地各項實時數(shù)據(jù)的采集與存儲,定點采集面源污染數(shù)據(jù),實時進行數(shù)據(jù)分析,系統(tǒng)中同步展示耕地污染狀態(tài)分布,應(yīng)用于精準施肥[66]、農(nóng)業(yè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測[67]和污染擴散模擬[68]等領(lǐng)域;朱亮等[36]以溧水區(qū)方便水庫為研究對象,運用GIS 模擬污染排放空間分布,并繪制污染物年排放量空間分布圖;周理等[69]利用GIS 繪制污染源空間分布圖。
1.5.1 預(yù)警預(yù)測 農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害頻發(fā),為政府等機構(gòu)提供專業(yè)的環(huán)境應(yīng)急預(yù)警方案是保障農(nóng)村經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的前提。GIS 技術(shù)能夠為防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù),得益于GIS 具有預(yù)測預(yù)警的強大功能。GIS 能夠?qū)ξ廴緮?shù)據(jù)的位置、屬性等數(shù)據(jù)進行存儲管理,建立面源污染環(huán)境預(yù)警系統(tǒng),為農(nóng)業(yè)面源污染的模擬與預(yù)警提供解決方案。通過構(gòu)建區(qū)域面源污染預(yù)警體系,可以對污染源的位置、屬性、敏感區(qū)及其屬性等進行高效的監(jiān)管,模擬面源污染物的擴散過程,以便管理者及時提出應(yīng)對預(yù)案[70]。在發(fā)生農(nóng)業(yè)災(zāi)害時,GIS 的空間分析和計算功能可以提供受災(zāi)面積數(shù)據(jù)并估算經(jīng)濟損失[71]。對掌握了大量歷史數(shù)據(jù)的地區(qū),GIS 可以對災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律、空間分布和時間序列規(guī)律進行模擬和預(yù)測,為防災(zāi)、減災(zāi)提供預(yù)測和預(yù)警,提出有針對性的對策[72,73]。
1.5.2 環(huán)境風(fēng)險評估 在農(nóng)業(yè)面源污染控制中,識別關(guān)鍵源區(qū)并加以重點控制是治理流域面源污染的有效手段,因此實施污染風(fēng)險評估是必要的。GIS具備集成氣候、水文、土壤、人類活動與地理信息數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,能夠客觀和全面評價農(nóng)業(yè)面源污染環(huán)境質(zhì)量,反映區(qū)域面源污染程度和空間分異特征,因此,GIS 成為評價農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量的科學(xué)工具,為各級政府和相關(guān)部門提供及時、準確、可靠的決策。GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險評價方面的應(yīng)用主要集中在水土流失風(fēng)險區(qū)、污染物空間分布和關(guān)鍵源區(qū)識別等方面[2]。Cooke 等[74]以美國密歇根州農(nóng)業(yè)流域為例,引入GIS 技術(shù)模擬災(zāi)害發(fā)生基本規(guī)律。雷能忠等[75]建立了杭埠河流域GIS 空間分析模型,制作完成多尺度面源污染風(fēng)險程度分布圖。楊悅所等[76]基于DRASTIC 和GIS 開發(fā)動態(tài)風(fēng)險評價方法,對北愛爾蘭Upper Bann 流域地下水的硝酸鹽污染風(fēng)險進行評估,GIS 技術(shù)有效解決了DRASTIC 方法沒有涵蓋風(fēng)險性的缺點。宋月君等[77]利用GIS 的空間分析功能和養(yǎng)分平衡計算的方法,對黃河流域主要農(nóng)用地進行農(nóng)業(yè)面源磷污染風(fēng)險評價,結(jié)果表明該流域?qū)儆谵r(nóng)用地磷流失風(fēng)險指數(shù)中等流域。丁恩俊等[78]應(yīng)用GIS 方法繪制出三峽庫區(qū)王家溝小流域土壤養(yǎng)分空間分布圖,對養(yǎng)分狀況進行風(fēng)險評估。陳梅[79]構(gòu)建了農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險評估模型,定量計算了長江丘陵地帶農(nóng)業(yè)面源污染負荷空間特征,并對潛在的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險進行分級,識別污染源,再制定科學(xué)的監(jiān)管體系;李飛等[80]通過構(gòu)建農(nóng)業(yè)污染風(fēng)險評價指標體系,對化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜污染及畜禽養(yǎng)殖污染的風(fēng)險進行綜合評價,運用聚類分析法將中國東部沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)污染風(fēng)險區(qū)劃分為高、中、低風(fēng)險區(qū)不同類型。還有學(xué)者利用GIS 的空間信息計算出發(fā)生農(nóng)業(yè)災(zāi)害區(qū)域的面積大小,以此評估所受到的經(jīng)濟損失[71]。
將GIS 技術(shù)引入農(nóng)業(yè)面源污染研究領(lǐng)域,使其成為提高相關(guān)部門和企業(yè)服務(wù)水平的重要工具,GIS在農(nóng)業(yè)面源污染方面的應(yīng)用也深得相關(guān)部門的認可,并且使用范圍越來越廣泛和深入。
3S 是遙感技術(shù)全球定位系統(tǒng)和GIS 技術(shù)的簡稱,其概念由中國學(xué)者提出,3S 技術(shù)集信息獲取、處理、應(yīng)用于一體,其特點是信息獲取與處理速度快、實時性高、應(yīng)用精度高、可量化[81]。在利用GIS 進行面源污染模擬過程中,海量的數(shù)據(jù)資料除了可以用參數(shù)估算法和已有的數(shù)據(jù)庫外,還可以利用遙感技術(shù)提取信息提高其運用潛力。具有多光譜、大范圍和多時段監(jiān)測特點的遙感技術(shù)不僅可以靈活且經(jīng)濟有效地獲取數(shù)據(jù)資料,而且在解決農(nóng)業(yè)面源污染模型構(gòu)建中使輸入的參數(shù)具有時空連續(xù)性。全球定位系統(tǒng)能為GIS 的空間定位提供高、精、準的地理位置,擴大了GIS 的使用范圍。遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)與GIS 技術(shù)的結(jié)合將有助于面源污染研究的進一步發(fā)展。3S 相互結(jié)合使三者之間的相互作用形成了“大腦和雙眼”的關(guān)系,也就是遙感和全球定位系統(tǒng)提供GIS 所需的位置信息,然后使用GIS 技術(shù)進行空間分析,從遙感和全球定位系統(tǒng)提供的海量數(shù)據(jù)中選取有用信息,并進行綜合集成,使之成為決策的科學(xué)依據(jù)。
智能GIS 是以知識專家系統(tǒng)模擬人腦進行啟發(fā)式推理為基礎(chǔ),將知識專家系統(tǒng)與遙感、GIS 相融合,可以有效解決面源污染中某些不確定的問題,同時在制定空間決策支持系統(tǒng)時可以發(fā)揮重要作用[82]。
農(nóng)業(yè)面源污染精準防控是通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)、GIS 和自動化控制技術(shù)等實現(xiàn)污染防控的科學(xué)性,從源頭對面源污染進行防控,如利用大型的機械設(shè)備進行田間管理,能夠做到精確配方施肥、定點施藥,在減少投入的情況下增加或維持產(chǎn)量、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少環(huán)境污染、節(jié)約資源及保護生態(tài)環(huán)境?;?S 技術(shù),利用計算機可以精確計算出每一塊地所需的投入,從而達到減少不必要的投入、避免資源浪費及提高效益的目的,以確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,防止農(nóng)業(yè)生產(chǎn)通過地表徑流形成面源污染。綜上,3S 技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)面源污染防控的實現(xiàn)和操作上起到至關(guān)重要的作用,大大提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)效率,促進了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,有效遏制了農(nóng)業(yè)面源污染的蔓延。