第五章污染源信息管理GIS第五章污染源信息管理GIS

污染源信息管理GIS

環境統計GIS設計排污申報登記GIS開發

排污收費GIS開發

建設項目管理GIS開發

流域環境管理GIS開發污染源信息管理GIS污染源信息管理GIS我國污染源及污染管理★20世紀70年代，我國工業污染源管理防治集中在點源治理上，以企業治理“三廢”為主。★20世紀80年代，對工業污染源進行綜合防治，但只局限于小范圍的區域環境治理。★20世紀90年代，著手開展農村面源污染防治，大規模開展重點城市、流域區域環境綜合整治。★污染源管理主要的數據庫類型：排污申報登記數據庫和環境統計數據庫。★國家確定和實施“33211工程”。我國污染源及污染管理★20世紀70年代，我國工業污染源管理5.1污染源信息管理GIS總體功能結構

排污申報數據環境統計數據污染控制區數據流域管理數據污染源信息數據庫污染源數據庫污染源信息管理環境統計GIS排污申報GIS排污收費GIS建設項目管理GIS煙塵控制區管理GIS一廠一檔管理GIS流域管理GIS5.1污染源信息管理GIS總體功能結構排污申報數據環境統5.2環境統計GIS開發環境統計的任務：對環境狀況和環境保護工作情況進行統計調查、統計分析，提供統計信息和咨詢，實行統計監督。總體上分為環境統計綜合年報和專業年報兩大類。環境信息系統的數據源：基層報表數據綜合報表數據代碼數據等

5.2環境統計GIS開發環境統計GIS功能設計數據管理數據查詢數據統計分析報告系統維護GIS應用功能模塊設計環境統計GIS功能設計數據管理數據查詢數據統計分析報告系統維數據錄入數據導入檢查校驗基表信息查詢服務器統計數據庫導出查詢匯總GIS應用分析打印基表組合查詢按單位查詢綜表信息查詢等標負荷分析總量控制分析排行榜分析數據錄入數據導入檢查校驗基表信息查詢服務器統計數據庫導出查詢數據管理數據查詢分析報告數據統計系統維護報表輸出系統結構設計數據管理數據查詢分析報告系統維護報表輸出系統結構設計污染源信息管理GIS課件5.3排污申報登記GIS開發數據分析排污申報登記GIS功能設計排污申報登記GIS結構設計信息查詢數據分析5.3排污申報登記GIS開發數據分析排污申報登記數據分析排污申報系統的數據源：單位基本情況數據廢水排放數據廢氣排放數據固廢排放數據固定噪聲源和建筑施工噪聲數據

排污申報登記數據分析排污申報系統的數據源：數據管理數據查詢數據匯總重點源分析系統維護功能模塊設計排污申報登記GIS功能設計數據管理數據查詢數據匯總重點源分析系統維護功能模塊設計排污申數據

管理功能數據

查詢功能單位查詢單表查詢組合查詢匯總查詢

數據錄入數據修改數據轉換數據

管理功能數據

查詢功能單位查詢數據錄入數據

匯總功能數據

查詢功能重點源生成篩查申報重點源查詢行業重點源查詢單項重點源查詢基礎數據匯總上報數據匯總匯總數據圖形表示數據

匯總功能數據

查詢功能重點源生成篩查基礎數據匯總系統維護功能批量刪除用戶管理代碼表維護地區設置系統設置用戶信息管理系統維護功能批量刪除用戶管理代碼表維護地區設置系統設置用戶信污染源信息管理GIS課件河流流域污染源信息查詢與發布系統流域水體的污染源系統結構組成數據庫設計系統主要功能河流流域污染源信息系統組成河流流域污染源信息查詢與發布系統流域水體的污染源河流流域污染源信息系統組成河流流域污染源信息系統組成數據庫設計空間數據庫包括地理空間數據庫和污染源專題空間數據庫。屬性數據庫主要是污染源數據庫數據庫設計空間數據庫包括地理空間數據庫和污染源專題空間數據庫系統主要功能污染源顯示、查詢污染源狀況分析與處理水污染突發事故處理污染源信息的網絡發布系統主要功能污染源顯示、查詢5.3.1農業環境污染評價信息系統農業環境污染概況農業環境污染評價現狀農業環境污染評價建模技術農業環境污染評價信息系統實例5.3.1農業環境污染評價信息系統農業環境污染概況一、農業環境污染概況

農業環境污染源任何物質，以不適當的濃度、數量、速率、形態和途徑進入環境系統，并對環境系統生產污染或破壞的物質，稱為污染物。污染源是指污染物的發生源。農業污染源主要有農藥、化肥、水土流失、農業廢棄物等。一、農業環境污染概況農業非點源污染非點源污染物也稱面源污染物已成為世界范圍內地表水與地下水污染的主要來源（Duda,1993），而農業是最主要的非點源污染來源（Humenik等1987）。農業非點源污染（AgriculturalNonpointSourcePollution）是指農業生產活動中，氮磷等植物營養、農藥、重金屬等有機和無機污染物，以及土壤顆粒等沉積物，通過地表徑流和地下滲漏，造成環境尤其是水域環境的污染。農業非點源污染全球范圍30-50%的地球表面已受非點源污染的影響（Pimental,1993）美國80%的河流與湖泊已受非點源污染（USEPA,1994）歐共體國家農業所造成的地表水和地下水硝酸鹽污染增加我國肥料和農藥的污染。地面水富營養化已較為普遍。造成水體富營養化的大量氮磷營養，不僅有市政污水、工業廢水的點源輸入，同時有大量包括地表徑流、水土流失等非點源輸入。隨著我國畜牧業的發展，動物排泄物引起的非點源污染也應引起高度重視。全球范圍30-50%的地球表面已受非點源污染的影響（Pime二、農業環境污染評價現狀及其發展趨勢

常規評價方法

在實地監測降雨及排水徑流水質、水量的基礎上，應用流域水文模型或與水文模型緊密相關的模型來模擬和估測農業污染負荷，已成為農業污染研究的基本方法之一。二、農業環境污染評價現狀及其發展趨勢

常規評價方法首先，在研究區域內選擇一塊面積不大，能代表研究區域各類特征的封閉性或半封閉性小流域，同步監測降雨徑流的水質、水量。然后據此確定污染物的單位負荷量，最后通過單位負荷量乘研究區域面積來估算農業污染負荷量。該方法的優點:可以減少工作量，費用較低。不足之處:農業污染由于其自然及人為管理所造成的時空差異很強，僅以小區研究代替大區域，顯然污染負荷的計算精度不高，也不利于污染地域分異規律的真實把握，不便于確定優先控制區及制定針對性的控制對策。首先，在研究區域內選擇一塊面積不大，能代表研究區域各類特征的遙感技術主要用于獲取土壤物理、化學及生物學性質，以及建立現時、經濟上可承受的大面積環境監測。遙感數據特別是高分辨力數字式遙感圖像在環境評價中有很大應用潛力。遙感技術已能直接監測土壤濕度、植被覆蓋等地球物理和生物性質。由于它能周期性地獲取數據，對監測有關環境質量、土壤和植被等參數的變化是十分有用的。遙感技術主要用于獲取土壤物理、化學及生物學性質，以及建立現時三、AEPEIS應用現狀與發展趨勢

農業環境污染評價信息系統（AgriculturalEnvironmentPollutionEvaluationInformationSystem,簡稱AEPEIS）尚處于發展和完善階段，目前主要是利用農業環境污染評價模型與GIS結合，發揮各自的優勢，研究和管理農業環境污染。GIS運行環境下的建模已成為研究熱點并取得了初步成功。可實際運行的AEPEIS已逐步完善，可望有專門的商業性系統上市。今后發展的最終目標是建立流域性或區域性的農業環境污染評價與管理技術體系，它是一個集合“3S”技術、建模及模擬分析、模糊決策技術、評價信息可靠性的不確定性分析技術、估測參數的神經網絡及地理統計技術等多學科技術的綜合技術系統。三、AEPEIS應用現狀與發展趨勢農業環境污染評價信息系統一、農業環境污染評價建模技術概述

4.3.2農業環境污染評價建模技術

（一）模型與建模概述1、模型：為了描述和預測污染物在環境介質中的移動和變化規律，各種數學模型及相應計算機軟件應運而生。一、農業環境污染評價建模技術概述4.3.2農業環境污染評價定量評價受納水體農業污染現狀及發展趨勢，是農業污染研究的重要內容。要定量估算一定時段內農業污染發生負荷量，必須了解該時段每場降雨徑流所帶來的污染負荷量。然而受客觀條件的限制，監測所有降水過程的徑流水質，顯然是不可能的。為解決農業污染長期負荷的估算及其暴雨徑流污染負荷的預測問題，以及地理要素和污染物發生及遷移的時空變異，建立污染負荷估算模型及地理數據建模，是農業污染評價與管理的核心內容。定量評價受納水體農業污染現狀及發展趨勢，是農業污染研究的2、建模技術建模是對自然界認識的更好表達，是創造性的工作，它以簡潔的方式總結現有認識和經驗，引導今后工作與研究，以直截了當的方式表達復雜現象和過程。模型的發展與建立應該遵循以下幾點：①簡明，不要太復雜，模型參數盡可能可以從有關數據中獲取；②實在，不要擴大模型的應用范圍與功能；③精確，力爭高精度，但不要指望模擬與預測結果精度能高于實測的結果或高于可以達到的精度；④可檢驗，結果應經得起目的測試檢驗，同時掌握影響模型精度的因子（Moore等，1993）。2、建模技術建立計算機模型的幾個步驟（Jakeman等，1991）①確定目標；②確定感興趣的系統或區域、所需數據及優先考慮的信息；③選擇模型類型（經驗模型還是物理模型）；④確定模型結構；⑤算法實現；⑥模型參數的估計及校正；⑦檢查與證實；⑧敏感分析及誤差分析；⑨用同一區域或不同區域數據檢驗模型精度。建立計算機模型的幾個步驟（Jakeman等，1991）3、應用與發展趨勢除徑流試驗場法、田間試驗、典型區域實地采樣調查等常規方法外，利用通過土壤流失方程（USLE）、水文/水質模型等模型進行流域或區域內受納水體農業污染的現狀和發展趨勢評價是農業污染評價與管理的一種重要方法。3、應用與發展趨勢國內外現有的模型可以分為兩大類：一類是通過對農業污染物輸出的三個重要環節--降雨徑流、水土流失、污染物遷移的模擬，建立污染物輸出量估算的機理性模型；另一類不考慮污染物在區域地表的實際遷移過程，立足于受納水體水質分析，建立計算集水區域污染物輸出量的經驗性模型。國內外現有的模型可以分為兩大類：第一類模型具有較高的精度，但對基礎數據、技術手段要求較高，計算比較復雜，一般適用于小流域。第二類模型應用較多，但缺乏機理基礎，精度較低。從模擬對象、過程和模型結構上還可將第一類模型分為三部分：流域水文特征模型，泥沙流失模型，污染物輸出模型。第一類模型具有較高的精度，但對基礎數據、技術手段要求較高，計水土流失與農業環境污染是一對密不可分的共生現象，水土流失是農業環境污染的主要發生形式，所以土壤侵蝕研究是非占源污染等農業環境污染研究的重要組成部分。美國通用土壤流失方法（USLE），因較好地解決了估算特定條件下的長期平均土壤流失量問題而廣泛地應用于非點源污染模擬模型中。USLE是美國科學家花了四十多年時間現場觀測調查得出的經驗方程。其表述為：A=RKLSCPA:一場暴雨的土壤流失量（t/ha）；R：降雨能量因子：K：土壤可蝕性因子（t/ha）；LS：坡長—坡度因子；C：覆蓋和作物經營因子(t/ha)；P：土壤保持措施因子。確定各個因子的經驗公式請參見文獻（莊源益等，1994）。水土流失與農業環境污染是一對密不可分的共生現象，水土流失是農為了更好地研究與管理可溶性污染物，從80年開始，對可溶性污染產生及其傳輸作了大量研究，并發展與建立了許多模型。美國農業局開發的農業管理系統的化學品、徑流、侵蝕模型（CREAMS）較為成功（Knigel1980）。為了更好地研究與管理可溶性污染物，從80年開始，對可溶性污染CREAMS是一個連續模擬模型，它估計了農田單元的泥沙、水和污染物流失，并能從不同農田管理措施中選出最經濟有效的方案。CREAMS包括水文、侵蝕、化學品種三個部分。水文部分可輸入兩類數據：①日產量，其徑流量由SCS法確定，滲透率通過權重技術確定。②斷點數據輸入，即雨量的實際時間模式，采用了Green-Ampt的滲濾模型估計出水量。侵蝕和泥沙流失部分使用運輸能力和USLE方程，氮、磷、農藥損失分為溶解態和沉積態，在沉積態中考慮了富集因子。CREAMS中上層子模型的輸出即為下層子模型的輸入。。CREAMS是一個連續模擬模型，它估計了農田單元的泥沙、水和利用水文/水質模型進行流域內受納水體非點源等農業污染的現狀和發展趨勢的評價是一種重要而較為實用的方法。常用的模擬模型有：暴雨水質管理模型（SWMM）；儲存、處理和地面漫流模型（STORM）；農田徑流管理模型（ARM）；區域性非點源對集水區的環境響應模型（ANSWERS）以及農業非點源模型（AGNPS）等（Tim等，1994）,其中AGNPS應用最廣泛并較為成功。利用水文/水質模型進行流域內受納水體非點源等農業污染的現狀和GIS和模型的結合是解決模型應用困難的有效途徑。GIS不僅能處理大量空間數據，同時能通過計算生成模型運行所需的參數。GIS為基礎的環境建模已成為研究熱點，并已取得很大成功。GIS為基礎的環境建模包括三部分相聯系的內容：①建模，主要用于有關環境物理、化學過程的描述；②數據采集，提供模型參數與變量；③GIS，提供組織結構，可用于自動生成數據及其輸入，并可顯示結果。目前已有三維立體動態模型的研究。GIS和模型的結合是解決模型應用困難的有效途徑。GIS不僅能

5.3.3常用的農業環境污染評價模型

重點討論污染物隨地表徑流和泥沙的輸出模型和綜合描述農業環境污染的AGNPS模型。（一）污染物輸出模型

1、泥沙污染物輸出模型

地表徑流和泥沙可作為污染物遷移的載體。污染物可分為溶解態和吸附態兩類，為了描述污染物輸出與泥沙流失關系，有人提出了能力因子（P）的概念，即母土中污物濃度CS與富集因子ER的乘積：于是污染負荷Y與泥沙負荷YS的關系可表述為:Y=PYS5.3.3常用的農業環境污染評價模型重點討論污染物隨地表

對ER值，國外一些學者經過研究給出了一些估計值和經驗式。McElroy報道有機質的富集因子ERor取值范圍1-5，對細（粒）組織土壤其值較低，而對沙質土值較高；Massey和Jackson發現ERor隨徑流中泥沙濃度和侵蝕率提高而增加；Young和Onstad在研究了Indiana和Minnesota的土壤情況后，得出如下回歸式：

對ER值，國外一些學者經過研究給出了一些估計值和經2、溶解態污染物輸出模型對于溶解態污物的傳輸和負荷，其過程較為復雜。這不僅因為它可被地表徑流、內流、地下水等運輸，還因為它在傳輸過程中發生的各種物理化學和生物過程，如吸附/解吸、降解、揮發、植物吸收等，這就很難從機理上找到一個簡單的模型。2、溶解態污染物輸出模型對于氮、磷損失，國內外經過研究，給出了不少“黑箱模型”。Sharpley給出了徑流運輸溶解態磷的經驗式：式中Pr、PO分別為徑流和土壤中磷的濃度（mg/kg）；EDI：表土和徑流在溶解態磷傳輸中相互作用有效深度(mm)，BD：土壤松緊度（mg/m3）；V：徑流量（mm）；W：水/土（cm3/g）；k、a、為與給定土壤有關的常數。對于氮、磷損失，國內外經過研究，給出了不少“黑箱模型”。ShSharpley和Menzel還給出了顆粒態磷和總氮損失的關系式----它們也是基于能力因子方法----并得出氮、磷富集因子經驗式：LnERP=2.48-0.27InSLLnERN=2.00-0.20LnSL式中SL:土壤損失量（kg/ha）。T.Prairie和Kalff從流域面積出發，得到不同土地利用下磷輸出與流域面積的關系式：LogTP輸出=a+blog(Area)式中Area為流域面積。Sharpley和Menzel還給出了顆粒態磷和總氮損失的關（二）農業非點源污染模型農業非點源污染模型（AgricultureNon-point-sourcePollutionModel）是美國密尼蘇達州環境保護局推出的面源控制模型。1、模型特點:AGNPS既是一個水質模型，又是一個計算機軟件，還具有自身獨特的特點。（1）作為一個水質模型：①它需要大量而詳細的資料，以確定模型的輸入參數。②它是通過一定的水質模型方程和水土流失方程來進行計算機處理的，這是模型的核心。（二）農業非點源污染模型（2）作為一個軟件：①它是一個完全的操作平臺，有固定的輸入輸出格式。②它的模型計算過程也即核心處理部分完全系統化，無須自己進行。（3）自身獨特的特點：①它不象其它模型那樣計算污染物在水體中的分布，而是針對一次暴雨過程計算可能對河流水體產生的水質影響，前者著重于污染體進入水體后的情況，后者著重于污染體進入水體前的情況，所以后者在預測和控制上更有效。②該模型是一個非點源模型，所以在小流域進行污染預測、總量控制和綜合治理上比較有效。③該模型主要關心兩個方面，一是一次暴雨過程中計算域內可能對水體造成污染的污染物在進入水體前的分布情況；另一是計算域出口處的水質情況，其解決的兩個問題就是怎么控制和控制失敗后將對水體造成多大的影響。（2）作為一個軟件：2、模型的輸入

在了解了模型的特點之后，對于模型的參數要求也有了初步的認識，大致有以下三大步驟：（1）前期準備

（2）基本數據輸入（3）單元數據輸入2、模型的輸入3、模型的輸出在完成了模型的輸入之后，就可以運行模型，模型將對上述的數據庫作檢測，若檢測有錯誤，將作出錯誤顯示；若檢測無誤，模型開始運算，并自動生成兩個文件.NPS(用于列表輸出模擬結果的數據庫文件)和.GIS（用于圖形輸出模擬結果的數據庫文件）。接著就可以根據需要對模型作出輸出。3、模型的輸出4、模型的缺點長江流域水資源保護科研所曾利用AGNPS對蠻河南嶂段小流域進行研究，在計算過程中，發現模型有以下幾個方面問題。（1）模型的經驗性（2）模型的精度問題（3）模型的單位（4）模型的適用性4、模型的缺點5、評價與建議AGNPS模型雖有某些地方不盡人意，但總體來說它是一個很好的模型。它是作宏觀研究，同時又兼顧了點源的影響為面源控制提供了一種思路與方法，為提高該模型的實用性，至少可開展以下研究，以充實AGNPS模型。（1）收集適量的農業土壤資料，參照美國的經驗數據表，確定我們相應的參數表，并將其建成數據庫，隨時調出查閱。（2）對模型資料所附的基本計算部分（即核心部分）進行研究，了解它的水質模型方程、水文模型方程、泥砂方程等的計算及其參數的確定，這既有利提高模型應用精度，還有助于開發出更符合我國國情的農業非點源污染模型。5、評價與建議三、AEPEIS的建立（一）GIS在農業環境污染評價中的作用GIS越來越廣泛地用于自然環境的調查、分析、建模、評價和管理（Goodchild等1993）。GIS的支持大大提高了應用模型的模擬精度，實際應用價值也大為提高。三、AEPEIS的建立（一）GIS在農業環境污染評價中的作用（二）模型與GIS的結合1、松散結合方式GIS和模型基本上是各自獨立開發，這種結合對模型和GIS沒有專門要求。GIS（或地理統計分析軟件）用于獲取和處理空間數據，并轉變成能滿足模型結構所需的數據格式，為模型運行提供輸入數據。模型的運行結果，以點狀數據或面狀數據的格式返回到GIS，并可由GIS顯示結果，甚至能進行數據內插。早期ANSWERS和柵格GIS的聯結就是松散結合的一個例子（DeRoo等1989）。當嘗試模型與GIS結合時，松散結合是一種適宜方式。（二）模型與GIS的結合2、部分結合方式GIS和模型的部分結合有兩種途徑：①在一個已有的水文/水質模型基礎上開發能夠輔助模擬的GIS數據庫；②在一個已有的GIS數據庫基礎上開發模型，并根據GIS的數據結構輸入數據。無論是哪種途徑，GIS的作用都是為模型提供輸入數據，并接受模型模擬結果以進一步處理和演示。2、部分結合方式3、緊密結合GIS和應用模型緊密結合，兩者處于一個統一的操作環境中。貯存在GIS中的數據根據模型的需要來構建，反之亦然，數據交換是全自動的。緊密結合需要在編程與數據管理中投資較大。技術和版權的原因，也會給緊密結合帶來困難。污染源信息管理GIS課件

應用GIS和各種應用模型評價與管理農業環境污染還需重視以下幾方面工作：①充分利用遙感和非接觸性測定方法獲取的瞬間或同步的數據，這對解決模型應用面臨的數據不足將是十分關鍵的；②加強地理統計學的研究與應用，這樣就可能在保證描述土壤空間變異精度的前提下，減少實地采樣與常規分析的數量；③科技、經濟、政府等部門緊密結合，建立基于信息技術的決策與管理體系，而不只是作為研究手段或僅停留于科學研究。應用GIS和各種應用模型評價與管理農業環境污染還需重視以下5.4建設項目管理GIS★建設項目管理包括建設項目環境保護申報情況、建設項目環境保護審批登記情況、建設項目環境保護“三同時”竣工驗收登記情況等。5.4建設項目管理GIS★建設項目管理包括建設項目環境保建設項目管理GIS功能設計數據輸入數據輸出數據匯總數據查詢系統維護與代碼維護GIS功能功能設計建設項目管理GIS功能設計數據輸入數據輸出數據匯總數據查詢GIS應用功能主要包括空間位置查詢、空間量算、空間數據的匯總、專題圖的制作。專題圖有基本信息專題圖、河流預測污染排放專題圖、區域范圍三廢排放分布情況、區域范圍污染物累計負荷情況等專題圖。GIS應用功能主要包括空間位置查詢、空間量算、空間數據的匯總實例1嶗山區工程建設項目管理信息系統根據青島市嶗山區工程建設項目管理要求，引用先進的GIS技術對道路、管線工程進行管理并可以將工程定位到具體的實際空間位置上，查看時更加方便直觀，提供精確數據，指導各項施工，以減少實際工作中的失誤和防止重大事故的發生。系統以計算機及網絡為支持，以青島市嶗山區建設項目管理中心現有的管理業務為信息源，采用C/S和B/S結合的GIS結構模式，實現各部門聯網運行的管理系統。實例1嶗山區工程建設項目管理信息系統根據青島市嶗山區工程建嶗山區工程建設項目管理信息系統

主界面該系統解決工程建設項目管理中各種信息的輸入、設計、貯存、查詢、統計、輸出以及辦公自動化等功能。系統不僅負責人可方便地添加、刪除和修改信息，其他有權限的人員也可通過網絡查看相關信息，實現了信息共享。通過網絡相關人員在自己的辦公室既可找到所需數據，不須再請專門負責人員查找，節約了大量的人力和物力。查詢統計橫斷面嶗山區工程建設項目管理信息系統主界面該系統解決工程建設項5.5流域環境管理GIS

流域環境管理流域環境管理GIS功能設計流域環境管理GIS結構設計實例介紹5.5流域環境管理GIS（1）流域環境管理流域環境管理是指國家以重要江河、湖泊的流域為單位、對水資源的開發、利用、治理、配置等活動所涉及的水環境問題進行同意的管理。包括主要河段沿程水質管理、監測斷面污染物分析、水質評價、企業排污管理、治理設施、排污單位信息管理、污染源排污狀況分析、飲用水源管理等。（1）流域環境管理流域環境管理是指國家以重要江河、湖泊的流域（2）流域環境管理GIS功能設計流域水質管理：河流沿程分布狀況信息管理、監測斷面污染物分布率、監測斷面水質類別、監測斷面主要污染物信息查詢顯示、水質狀況報告、評價指標設置。流域污染源管理：治理設施運行情況、排污區域分布、排污行業分布、廢水排放方向等信息顯示、排污狀況對比、污染源緩沖區分析、污染源排污狀況報告以及評價指標設置。（2）流域環境管理GIS功能設計流域水質管理：河流沿程分布狀（3）流域環境管理GIS體系結構環境標準數據庫流域污染源數據庫流域環境質量數據庫流域環境背景數據庫環境法規數據庫污染物濃度模型與評價圖件環境評價模型環境預測模型參數確定模型污染緩沖區分析與趨勢分析數據庫管理模塊應用模型可視化技術空間查詢與分析圖形數據與屬性管理數據輸入與預處理形態量算與擬合分析數據庫管理模塊應用模型與GIS集成流域環境管理模塊決策支持模塊水質管理企業管理（3）流域環境管理GIS體系結構環境標準數據庫流域污染源數據實例—滇池水環境信息系統滇池是我國水體富營養化最嚴重的湖泊之一。水體污染已經制約著昆明及周邊地區的社會經濟發展。通過建立滇池水環境信息系統，以期對滇池的富營養化治理決策提供依據。滇池水環境系統的目標與技術框架滇池水環境系統的功能實現實例—滇池水環境信息系統滇池是我國水體富營養化最嚴重的湖泊之滇池水環境系統的目標與技術框架系統的目標是實現基礎數據的全面管理，數據的動態更新，統計分析結果和圖形圖件定期輸出，為滇池富營養化的研究治理和滇池及周邊地區生態環境可持續發展提供科學的依據。整個系統分成3個子系統，即基礎屬性數據子系統、環境信息管理子系統、應用模型子系統。滇池水環境系統的目標與技術框架系統的目標是實現基礎數據的全面水污染排放評價模型基礎數據子系統環境信息子系統應用模型子系統基礎空間數據庫基礎數字化地圖庫水體污染調查數據庫沉積物污染調查數據水環境監測數據庫工農業-社會經濟統計調查數據庫空間分析模型水質評價模型滇池基本資料庫滇池水環境信息系統水環境信息顯示輸出查詢功能空間分析功能水環境質量監測結果分析和評價專題地圖和圖件的編輯生成輸出系統結構與功能水污染排放評價模型基礎數據子系統環境信息子系統應用模型子系統系統具體功能介紹信息查詢功能水環境質量監測結果分析和評價空間分析功能專題地圖和專題統計圖表的編輯結果輸出功能系統具體功能介紹信息查詢功能ThankYou.ThankYou.

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環境統計GIS設計排污申報登記GIS開發

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流域環境管理GIS開發污染源信息管理GIS污染源信息管理GIS我國污染源及污染管理★20世紀70年代，我國工業污染源管理防治集中在點源治理上，以企業治理“三廢”為主。★20世紀80年代，對工業污染源進行綜合防治，但只局限于小范圍的區域環境治理。★20世紀90年代，著手開展農村面源污染防治，大規模開展重點城市、流域區域環境綜合整治。★污染源管理主要的數據庫類型：排污申報登記數據庫和環境統計數據庫。★國家確定和實施“33211工程”。我國污染源及污染管理★20世紀70年代，我國工業污染源管理5.1污染源信息管理GIS總體功能結構

排污申報數據環境統計數據污染控制區數據流域管理數據污染源信息數據庫污染源數據庫污染源信息管理環境統計GIS排污申報GIS排污收費GIS建設項目管理GIS煙塵控制區管理GIS一廠一檔管理GIS流域管理GIS5.1污染源信息管理GIS總體功能結構排污申報數據環境統5.2環境統計GIS開發環境統計的任務：對環境狀況和環境保護工作情況進行統計調查、統計分析，提供統計信息和咨詢，實行統計監督。總體上分為環境統計綜合年報和專業年報兩大類。環境信息系統的數據源：基層報表數據綜合報表數據代碼數據等

5.2環境統計GIS開發環境統計GIS功能設計數據管理數據查詢數據統計分析報告系統維護GIS應用功能模塊設計環境統計GIS功能設計數據管理數據查詢數據統計分析報告系統維數據錄入數據導入檢查校驗基表信息查詢服務器統計數據庫導出查詢匯總GIS應用分析打印基表組合查詢按單位查詢綜表信息查詢等標負荷分析總量控制分析排行榜分析數據錄入數據導入檢查校驗基表信息查詢服務器統計數據庫導出查詢數據管理數據查詢分析報告數據統計系統維護報表輸出系統結構設計數據管理數據查詢分析報告系統維護報表輸出系統結構設計污染源信息管理GIS課件5.3排污申報登記GIS開發數據分析排污申報登記GIS功能設計排污申報登記GIS結構設計信息查詢數據分析5.3排污申報登記GIS開發數據分析排污申報登記數據分析排污申報系統的數據源：單位基本情況數據廢水排放數據廢氣排放數據固廢排放數據固定噪聲源和建筑施工噪聲數據

排污申報登記數據分析排污申報系統的數據源：數據管理數據查詢數據匯總重點源分析系統維護功能模塊設計排污申報登記GIS功能設計數據管理數據查詢數據匯總重點源分析系統維護功能模塊設計排污申數據

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查詢功能重點源生成篩查申報重點源查詢行業重點源查詢單項重點源查詢基礎數據匯總上報數據匯總匯總數據圖形表示數據

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查詢功能重點源生成篩查基礎數據匯總系統維護功能批量刪除用戶管理代碼表維護地區設置系統設置用戶信息管理系統維護功能批量刪除用戶管理代碼表維護地區設置系統設置用戶信污染源信息管理GIS課件河流流域污染源信息查詢與發布系統流域水體的污染源系統結構組成數據庫設計系統主要功能河流流域污染源信息系統組成河流流域污染源信息查詢與發布系統流域水體的污染源河流流域污染源信息系統組成河流流域污染源信息系統組成數據庫設計空間數據庫包括地理空間數據庫和污染源專題空間數據庫。屬性數據庫主要是污染源數據庫數據庫設計空間數據庫包括地理空間數據庫和污染源專題空間數據庫系統主要功能污染源顯示、查詢污染源狀況分析與處理水污染突發事故處理污染源信息的網絡發布系統主要功能污染源顯示、查詢5.3.1農業環境污染評價信息系統農業環境污染概況農業環境污染評價現狀農業環境污染評價建模技術農業環境污染評價信息系統實例5.3.1農業環境污染評價信息系統農業環境污染概況一、農業環境污染概況

農業環境污染源任何物質，以不適當的濃度、數量、速率、形態和途徑進入環境系統，并對環境系統生產污染或破壞的物質，稱為污染物。污染源是指污染物的發生源。農業污染源主要有農藥、化肥、水土流失、農業廢棄物等。一、農業環境污染概況農業非點源污染非點源污染物也稱面源污染物已成為世界范圍內地表水與地下水污染的主要來源（Duda,1993），而農業是最主要的非點源污染來源（Humenik等1987）。農業非點源污染（AgriculturalNonpointSourcePollution）是指農業生產活動中，氮磷等植物營養、農藥、重金屬等有機和無機污染物，以及土壤顆粒等沉積物，通過地表徑流和地下滲漏，造成環境尤其是水域環境的污染。農業非點源污染全球范圍30-50%的地球表面已受非點源污染的影響（Pimental,1993）美國80%的河流與湖泊已受非點源污染（USEPA,1994）歐共體國家農業所造成的地表水和地下水硝酸鹽污染增加我國肥料和農藥的污染。地面水富營養化已較為普遍。造成水體富營養化的大量氮磷營養，不僅有市政污水、工業廢水的點源輸入，同時有大量包括地表徑流、水土流失等非點源輸入。隨著我國畜牧業的發展，動物排泄物引起的非點源污染也應引起高度重視。全球范圍30-50%的地球表面已受非點源污染的影響（Pime二、農業環境污染評價現狀及其發展趨勢

常規評價方法

在實地監測降雨及排水徑流水質、水量的基礎上，應用流域水文模型或與水文模型緊密相關的模型來模擬和估測農業污染負荷，已成為農業污染研究的基本方法之一。二、農業環境污染評價現狀及其發展趨勢

常規評價方法首先，在研究區域內選擇一塊面積不大，能代表研究區域各類特征的封閉性或半封閉性小流域，同步監測降雨徑流的水質、水量。然后據此確定污染物的單位負荷量，最后通過單位負荷量乘研究區域面積來估算農業污染負荷量。該方法的優點:可以減少工作量，費用較低。不足之處:農業污染由于其自然及人為管理所造成的時空差異很強，僅以小區研究代替大區域，顯然污染負荷的計算精度不高，也不利于污染地域分異規律的真實把握，不便于確定優先控制區及制定針對性的控制對策。首先，在研究區域內選擇一塊面積不大，能代表研究區域各類特征的遙感技術主要用于獲取土壤物理、化學及生物學性質，以及建立現時、經濟上可承受的大面積環境監測。遙感數據特別是高分辨力數字式遙感圖像在環境評價中有很大應用潛力。遙感技術已能直接監測土壤濕度、植被覆蓋等地球物理和生物性質。由于它能周期性地獲取數據，對監測有關環境質量、土壤和植被等參數的變化是十分有用的。遙感技術主要用于獲取土壤物理、化學及生物學性質，以及建立現時三、AEPEIS應用現狀與發展趨勢

農業環境污染評價信息系統（AgriculturalEnvironmentPollutionEvaluationInformationSystem,簡稱AEPEIS）尚處于發展和完善階段，目前主要是利用農業環境污染評價模型與GIS結合，發揮各自的優勢，研究和管理農業環境污染。GIS運行環境下的建模已成為研究熱點并取得了初步成功。可實際運行的AEPEIS已逐步完善，可望有專門的商業性系統上市。今后發展的最終目標是建立流域性或區域性的農業環境污染評價與管理技術體系，它是一個集合“3S”技術、建模及模擬分析、模糊決策技術、評價信息可靠性的不確定性分析技術、估測參數的神經網絡及地理統計技術等多學科技術的綜合技術系統。三、AEPEIS應用現狀與發展趨勢農業環境污染評價信息系統一、農業環境污染評價建模技術概述

4.3.2農業環境污染評價建模技術

（一）模型與建模概述1、模型：為了描述和預測污染物在環境介質中的移動和變化規律，各種數學模型及相應計算機軟件應運而生。一、農業環境污染評價建模技術概述4.3.2農業環境污染評價定量評價受納水體農業污染現狀及發展趨勢，是農業污染研究的重要內容。要定量估算一定時段內農業污染發生負荷量，必須了解該時段每場降雨徑流所帶來的污染負荷量。然而受客觀條件的限制，監測所有降水過程的徑流水質，顯然是不可能的。為解決農業污染長期負荷的估算及其暴雨徑流污染負荷的預測問題，以及地理要素和污染物發生及遷移的時空變異，建立污染負荷估算模型及地理數據建模，是農業污染評價與管理的核心內容。定量評價受納水體農業污染現狀及發展趨勢，是農業污染研究的2、建模技術建模是對自然界認識的更好表達，是創造性的工作，它以簡潔的方式總結現有認識和經驗，引導今后工作與研究，以直截了當的方式表達復雜現象和過程。模型的發展與建立應該遵循以下幾點：①簡明，不要太復雜，模型參數盡可能可以從有關數據中獲取；②實在，不要擴大模型的應用范圍與功能；③精確，力爭高精度，但不要指望模擬與預測結果精度能高于實測的結果或高于可以達到的精度；④可檢驗，結果應經得起目的測試檢驗，同時掌握影響模型精度的因子（Moore等，1993）。2、建模技術建立計算機模型的幾個步驟（Jakeman等，1991）①確定目標；②確定感興趣的系統或區域、所需數據及優先考慮的信息；③選擇模型類型（經驗模型還是物理模型）；④確定模型結構；⑤算法實現；⑥模型參數的估計及校正；⑦檢查與證實；⑧敏感分析及誤差分析；⑨用同一區域或不同區域數據檢驗模型精度。建立計算機模型的幾個步驟（Jakeman等，1991）3、應用與發展趨勢除徑流試驗場法、田間試驗、典型區域實地采樣調查等常規方法外，利用通過土壤流失方程（USLE）、水文/水質模型等模型進行流域或區域內受納水體農業污染的現狀和發展趨勢評價是農業污染評價與管理的一種重要方法。3、應用與發展趨勢國內外現有的模型可以分為兩大類：一類是通過對農業污染物輸出的三個重要環節--降雨徑流、水土流失、污染物遷移的模擬，建立污染物輸出量估算的機理性模型；另一類不考慮污染物在區域地表的實際遷移過程，立足于受納水體水質分析，建立計算集水區域污染物輸出量的經驗性模型。國內外現有的模型可以分為兩大類：第一類模型具有較高的精度，但對基礎數據、技術手段要求較高，計算比較復雜，一般適用于小流域。第二類模型應用較多，但缺乏機理基礎，精度較低。從模擬對象、過程和模型結構上還可將第一類模型分為三部分：流域水文特征模型，泥沙流失模型，污染物輸出模型。第一類模型具有較高的精度，但對基礎數據、技術手段要求較高，計水土流失與農業環境污染是一對密不可分的共生現象，水土流失是農業環境污染的主要發生形式，所以土壤侵蝕研究是非占源污染等農業環境污染研究的重要組成部分。美國通用土壤流失方法（USLE），因較好地解決了估算特定條件下的長期平均土壤流失量問題而廣泛地應用于非點源污染模擬模型中。USLE是美國科學家花了四十多年時間現場觀測調查得出的經驗方程。其表述為：A=RKLSCPA:一場暴雨的土壤流失量（t/ha）；R：降雨能量因子：K：土壤可蝕性因子（t/ha）；LS：坡長—坡度因子；C：覆蓋和作物經營因子(t/ha)；P：土壤保持措施因子。確定各個因子的經驗公式請參見文獻（莊源益等，1994）。水土流失與農業環境污染是一對密不可分的共生現象，水土流失是農為了更好地研究與管理可溶性污染物，從80年開始，對可溶性污染產生及其傳輸作了大量研究，并發展與建立了許多模型。美國農業局開發的農業管理系統的化學品、徑流、侵蝕模型（CREAMS）較為成功（Knigel1980）。為了更好地研究與管理可溶性污染物，從80年開始，對可溶性污染CREAMS是一個連續模擬模型，它估計了農田單元的泥沙、水和污染物流失，并能從不同農田管理措施中選出最經濟有效的方案。CREAMS包括水文、侵蝕、化學品種三個部分。水文部分可輸入兩類數據：①日產量，其徑流量由SCS法確定，滲透率通過權重技術確定。②斷點數據輸入，即雨量的實際時間模式，采用了Green-Ampt的滲濾模型估計出水量。侵蝕和泥沙流失部分使用運輸能力和USLE方程，氮、磷、農藥損失分為溶解態和沉積態，在沉積態中考慮了富集因子。CREAMS中上層子模型的輸出即為下層子模型的輸入。。CREAMS是一個連續模擬模型，它估計了農田單元的泥沙、水和利用水文/水質模型進行流域內受納水體非點源等農業污染的現狀和發展趨勢的評價是一種重要而較為實用的方法。常用的模擬模型有：暴雨水質管理模型（SWMM）；儲存、處理和地面漫流模型（STORM）；農田徑流管理模型（ARM）；區域性非點源對集水區的環境響應模型（ANSWERS）以及農業非點源模型（AGNPS）等（Tim等，1994）,其中AGNPS應用最廣泛并較為成功。利用水文/水質模型進行流域內受納水體非點源等農業污染的現狀和GIS和模型的結合是解決模型應用困難的有效途徑。GIS不僅能處理大量空間數據，同時能通過計算生成模型運行所需的參數。GIS為基礎的環境建模已成為研究熱點，并已取得很大成功。GIS為基礎的環境建模包括三部分相聯系的內容：①建模，主要用于有關環境物理、化學過程的描述；②數據采集，提供模型參數與變量；③GIS，提供組織結構，可用于自動生成數據及其輸入，并可顯示結果。目前已有三維立體動態模型的研究。GIS和模型的結合是解決模型應用困難的有效途徑。GIS不僅能

5.3.3常用的農業環境污染評價模型

重點討論污染物隨地表徑流和泥沙的輸出模型和綜合描述農業環境污染的AGNPS模型。（一）污染物輸出模型

1、泥沙污染物輸出模型

地表徑流和泥沙可作為污染物遷移的載體。污染物可分為溶解態和吸附態兩類，為了描述污染物輸出與泥沙流失關系，有人提出了能力因子（P）的概念，即母土中污物濃度CS與富集因子ER的乘積：于是污染負荷Y與泥沙負荷YS的關系可表述為:Y=PYS5.3.3常用的農業環境污染評價模型重點討論污染物隨地表

對ER值，國外一些學者經過研究給出了一些估計值和經驗式。McElroy報道有機質的富集因子ERor取值范圍1-5，對細（粒）組織土壤其值較低，而對沙質土值較高；Massey和Jackson發現ERor隨徑流中泥沙濃度和侵蝕率提高而增加；Young和Onstad在研究了Indiana和Minnesota的土壤情況后，得出如下回歸式：

對ER值，國外一些學者經過研究給出了一些估計值和經2、溶解態污染物輸出模型對于溶解態污物的傳輸和負荷，其過程較為復雜。這不僅因為它可被地表徑流、內流、地下水等運輸，還因為它在傳輸過程中發生的各種物理化學和生物過程，如吸附/解吸、降解、揮發、植物吸收等，這就很難從機理上找到一個簡單的模型。2、溶解態污染物輸出模型對于氮、磷損失，國內外經過研究，給出了不少“黑箱模型”。Sharpley給出了徑流運輸溶解態磷的經驗式：式中Pr、PO分別為徑流和土壤中磷的濃度（mg/kg）；EDI：表土和徑流在溶解態磷傳輸中相互作用有效深度(mm)，BD：土壤松緊度（mg/m3）；V：徑流量（mm）；W：水/土（cm3/g）；k、a、為與給定土壤有關的常數。對于氮、磷損失，國內外經過研究，給出了不少“黑箱模型”。ShSharpley和Menzel還給出了顆粒態磷和總氮損失的關系式----它們也是基于能力因子方法----并得出氮、磷富集因子經驗式：LnERP=2.48-0.27InSLLnERN=2.00-0.20LnSL式中SL:土壤損失量（kg/ha）。T.Prairie和Kalff從流域面積出發，得到不同土地利用下磷輸出與流域面積的關系式：LogTP輸出=a+blog(Area)式中Area為流域面積。Sharpley和Menzel還給出了顆粒態磷和總氮損失的關（二）農業非點源污染模型農業非點源污染模型（AgricultureNon-point-sourcePollutionModel）是美國密尼蘇達州環境保護局推出的面源控制模型。1、模型特點:AGNPS既是一個水質模型，又是一個計算機軟件，還具有自身獨特的特點。（1）作為一個水質模型：①它需要大量而詳細的資料，以確定模型的輸入參數。②它是通過一定的水質模型方程和水土流失方程來進行計算機處理的，這是模型的核心。（二）農業非點源污染模型（2）作為一個軟件：①它是一個完全的操作平臺，有固定的輸入輸出格式。②它的模型計算過程也即核心處理部分完全系統化，無須自己進行。（3）自身獨特的特點：①它不象其它模型那樣計算污染物在水體中的分布，而是針對一次暴雨過程計算可能對河流水體產生的水質影響，前者著重于污染體進入水體后的情況，后者著重于污染體進入水體前的情況，所以后者在預測和控制上更有效。②該模型是一個非點源模型，所以在小流域進行污染預測、總量控制和綜合治理上比較有效。③該模型主要關心兩個方面，一是一次暴雨過程中計算域內可能對水體造成污染的污染物在進入水體前的分布情況；另一是計算域出口處的水質情況，其解決的兩個問題就是怎么控制和控制失敗后將對水體造成多大的影響。（2）作為一個軟件：2、模型的輸入

在了解了模型的特點之后，對于模型的參數要求也有了初步的認識，大致有以下三大步驟：（1）前期準備

（2）基本數據輸入（3）單元數據輸入2、模型的輸入3、模型的輸出在完成了模型的輸入之后，就可以運行模型，模型將對上述的數據庫作檢測，若檢測有錯誤，將作出錯誤顯示；若檢測無誤，模型開始運算，并自動生成兩個文件.NPS(用于列表輸出模擬結果的數據庫文件)和.GIS（用于圖形輸出模擬結果的數據庫文件）。接著就可以根據需要對模型作出輸出。3、模型的輸出4、模型的缺點長江流域水資源保護科研所曾利用AGNPS對蠻河南嶂段小流域進行研究，在計算過程中，發現模型有以下幾個方面問題。（1）模型的經驗性（2）模型的精度問題（3）模型的單位（4）模型的適用性4、模型的缺點5、評價與建議AGNPS模型雖有某些地方不盡人意，但總體來說它是一個很好的模型。它是作宏觀研究，同時又兼顧了點源的影響為面源控制提供了一種思路與方法，為提高該模型的實用性，至少可開展以下研究，以充實AGNPS模型。（1）收集適量的農業土壤資料，參照美國的經驗數據表，確定我們相應的參數表，并將其建成數據庫，隨時調出查閱。（2）對模型資料所附的基本計算部分（即核心部分）進行研究，了解它的水質模型方程、水文模型方程、泥砂方程等的計算及其參數的確定，這既有利提高模型應用精度，還有助于開發出更符合我國國情的農業非點源污染模型。5、評價與建議三、AEPEIS的建立（一）GIS在農業環境污染評價中的作用GIS越來越廣泛地用于自然環境的調查、分析、建模、評價和管理（Goodchild等1993）。GIS的支持大大提高了應用模型的模擬精度，實際應用價值也大為提高。三、AEPEIS的建立（一）GIS在農業環境污染評價中的作用（二）模型與GIS的結合1、松散結合方式GIS和模型基本上是各自獨立開發，這種結合對模型和GIS沒有專門要求。GIS（或地理統計分析軟件）用于獲取和處理空間數據，并轉變成能滿足模型結構所需的數據格式，為模型運行提供輸入數據。模型的運行結果，以點狀數據或面狀數據的格式返回到GIS，并可由GIS顯示結果，甚至能進行數據內插。早期ANSWERS和柵格GIS的聯結就是松散結合的一個例子（DeRoo等1989）。當嘗試模型與GIS結合時，松散結合是一種適宜方式。（二）模型與GIS的結合2、部分結合方式GIS和模型的部分結合有兩種途徑：①在一個已有的水文/水質模型基礎上開發能夠輔助模擬的GIS數據庫；②在一個已有的GIS數據庫基礎上開發模型，并根據GIS的數據結構輸入數據。無論是哪種途徑，GIS的作用都是為模型提供輸入數據，并接受模型模擬結果以進一步處理和演示。2、部分結合方式3、緊密結合GIS和應用模型緊密結合，兩者處于一個統一的操作環境中。貯存在GIS中的數據根據模型的需要來構建，反之亦然，數據交換是全自動的。緊密結合需要在編程與數據管理中投資較大。技術和版權的原因，也會給緊密結合帶來困難。污染源信息管理GIS課件

應用GIS和各種應用模型評價與管理農業環境污染還需重視以下幾方面工作：①充分利用遙感和非接觸性測定方法獲取的瞬間或同步的數據，這對解決模型應用面臨的數據不足將是十分關鍵的；②加強地理統計學的研究與應用，