GIS在农业面源污染研究中的作用

1数据的管理与处理

GIS数据管理和处理的功能十分强大袁能够对多种地理空间实体数据及其关系渊包括空间位置数据尧地形数据尧感影像数据尧属性数据等各种数据冤进行处理和分析袁实现空间处理和可视化。

1.1数据库技术

农业面源污染涉及到大量的空间数据袁主要包括行政区划数据尧农户基本情况尧化肥农药采样数据尧流域降雨量尧统计年鉴尧土壤类型数据尧数据高程数据digitalelevationmodel袁DEM冤尧土地利用数据尧河网数据等以及各个数据相关描述性材料由于利用传统的机理环境模型无法自动完成这些数据的前期处理袁也无法完成后期的可视化工作袁致使传统的模型的应用得到限制而GIS具有强大的空间数据管理功能袁不仅能够分类尧存储尧修改尧查询尧管理和显示这些数据袁还能够建立空间信息与属性信息相互关联袁最重要的是GIS能将不同来源的空间信息及其相互关系方便地显示出来。

1.2数据处理

GIS具有强大的空间分析功能袁在基础数据的获取尧属性数据和栅格数据的数值计算尧空间数据的分析等方面应用很广泛在数据获取上袁金 苗等使用ArcGISExplorer软件获取太湖流域感图像袁并计算太湖流域耕地面积曰在数值计算上袁史健鹏等以GIS为平台估算其耕地面积和化肥的科学施用量袁成杰民等用GIS软件的空间分析野区类统计冶命令袁按照南四湖沿岸不同的乡镇为区类进行统计袁整理确定USLE模型下南四湖沿岸的氮磷流失情况曰姜世英等以GIS为手段进行农业面源污染PSR评价在空间数据处理上袁刘建昌等对流域DEM进行3D分析袁提取坡度坡长图袁求出地面表面积袁WANG et al利用SWAT模型根据土壤特征进行土壤分类袁根据其空间分布特征得到关键风险区域分布曰万 超等通过ArcView的AvSWAT扩展模块袁利用DEM进行汇流分析可以生成河网袁进而划分子流域GIS的空间分析功能能直观地解析出研究区农业面源污染的时空动态变化情况袁从而为面源污染的时空分异研究提供依据。

2模型集成与信息系统开发

2.1模型集成

GIS技术具有高效尧灵活尧直观等优点袁有着强大的空间数据处理能力袁适合于像面源污染这种复杂现象的研究将GIS与各类面源污染模型相结合袁一直是国外面源研究的热点如GIS与NLEAP模型尧GIS与DRASTIC模型尧GIS与SWAT模型尧GIS与USLE模型尧ARC/INFO与CMLS模型尧ARC/INFO与AGNPS模型等国内农业面源模型研究起步相对较晚袁但自21世纪初以来袁AGNPS模型尧AnnAGNPS模型尧SWAT模型等与GIS的结合发展迅速袁并得到广泛的应用如赵 刚等将AGNPS模型与GIS技术结合袁运用于云南省捞鱼河小流域试验区袁并模拟评价几种常用的土壤侵蚀控制措施的应用效果黄金良等在中国东南丘陵山区九龙江流域借助GIS和相关资料确定模型参数袁检验了连续要分布式参数模型AnnAGNPS模型的适用性苏保林等以密云水库流域为研究背景袁建立了基于SWAT模型的密云水库流域面源模型系统袁并采用长系列实测数据对模型系统进行了参数确定和模型验证此外袁近年国内新引进了一些面源污染的综合模型袁如HSPF模型尧CREAMS模型尧ULES模型尧GLEAMS模型也得到了应用GIS与面源模型的集成不仅可以在模型的不同模块之间方便地完成数据交换尧信息共享与反馈袁还可以将模拟结果以生动形象的图形方式呈现给环境管理人员袁并且以这些信息为基础袁完成相关流域水质多情景的预测尧判断和分析。

2.2面源信息系统开发

随着面源污染研究模型的演进与发展袁以及信息化普及的要求袁农业面源信息管理系统的开发与应用势在必行袁结合数据库技术尧空间信息技术尧虚拟可视化等技术也是形势所趋系统开发的模块主要是针对污染过程的模拟尧污染负荷的核算尧污染源的监管等几个方面王云鹏利用感和GIS技术建立面源信息系统并以深圳为例介绍了基于感和GIS的NPSIS的建立方法袁建立了基于面源信息系统的分析计算模块袁并进行了初步的面源计算与分析施加春等通过利用GIS及其相关技术袁特别是网络地理信息系统渊WebGIS冤技术渊ArcIMS尧ArcSDE冤的应用袁建立了一个基于WebGIS的农业面源污染信息系统渊ANPSPIS冤王玉坤等借助GIS实现对上海农田化肥农药使用的监测和管理系统的设计王依贺等对北京市大兴区的农业面源污染普査数据及业务进行了详细分析袁对县域农业面源污染普查系统设计思想及实现方案进行论述面源信息系统的自行开发不仅可以改进面源模型尧修改污染负荷核算方法袁还可以自行定制数据分析和满足特殊业务需求。

3其他应用

3.1可视化表达

农业面源污染研究中的可视化主要是指对风险源分布尧污染程度尧流域河网等的空间可视化表达GIS技术的可视化表达主要有2个方面袁一方面是通过与模型的集成袁在GIS软件中直接绘图显示曰另一方面是独立开发面源信息系统袁再进行袁编程实现矢量图形的电子形式表达和图片的输出董亮借助GIS软件GRASS绘制了DRASTIC风险图尧LDRASTIC风险图尧地下水风险分级图万 超等利用ArcView软件的一个扩展模块AvSWAT划分区域子流域和河网叶 春等利用GIS空间分析功能袁将N尧P分布密度标准化处理袁通过GIS软件显示制图袁绘制了N尧P污染指数图曰刘建昌等利用ArcGIS对DEM进行3D分析袁提取坡度坡长图WANG et al基于SWAT模型绘制了土壤侵蚀的关键风险分布图徐丽萍等通过统计新疆地区农药尧化肥投入密度袁利用GIS软件渲染功能袁分级划定实现农药化肥污染程度分布空间表达。

3.2风险评估

识别流域内关键源区并加以重点控制是流域面源污染治理的最有效手段目前袁基于GIS的农业面源污染风险评估主要集中在污染物的分布确定尧水土分布流失风险区确定尧关键源区识别方法制定等几个方面雷能忠等在GIS支持下袁实现模型所需数据的提取及分析运算袁获得多尺度农业面源污染风险程度分布图袁为农业面源污染控制提供工作目标区WANG et al根据观测数据对SWAT模型进行验证和率定袁并利用SWAT模型进行模拟袁揭示了清江流域面源污染的时空分布特征袁确定了清江流域水土流失风险区宋月君等以GIS的空间分析功能和养分平衡计算等方法为依托袁参照国际常用的磷指数法袁对黄河流域主要农用地进行农业面源磷污染风险评价张汪寿结合面源污染和水系污染野外监测袁最终提出平原区关键源区的识别方法和技术流程。

4结语

GIS凭借在空间信息处理尧数据库技术尧数学计算尧可视化表达等多方面的优势袁广泛地被应用到农业面源污染研究中数据库技术为农业面源污染提供了最底层的数据管理袁数据处理为模型的参数和必备图层提供了初始条件袁可视化表达为结果的输出提供了形象的表达袁GIS与面源模型的结合充分地利用了其强大的空间分析功能袁同时也完善了面源模型的发展自GIS被引入到农业面源污染研究中以来袁污染负荷核算和模型集成一直是研究的热点袁近年来袁面源污染的时空分布特征和空间分异性研究逐渐成为热点袁但随着WebGIS和组件式地理信息系统渊ComGIS冤的兴起和发展袁为农业面源污染研究提供了新的契机和活力袁使得农业污染信息的发布和与农业面源污染模型结合变得更加方便但目前基于WebGIS和ComGIS的研究尚不多见袁这2个方面的研究将是基于GIS技术农业面源研究的方向。

作者：毛鹍 周美春 胡国仲 单位：江苏省常州市环境科学研究院