基于GIS的汉江中下游农业面源氮磷负荷研究

主要系数来源,重点参考文献

第22卷第4期2002年7月

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

文章编号：（0253-24682002）-04-0473-05

中图分类号：X522

文献标识码：A

环境科学学报

ACTASCIENTIAECIRCuMSTANTIAE

Vol.22，No.4

Jul.，2002

基于GIS的汉江中下游农业面源氮磷负荷研究

史志华1，蔡崇法1，丁树文1，李朝霞1，王天巍1，张

农业大学资源与环境系，武汉430070；2.湖北省环境科学研究院）

摘要：根据汉江中下游农业面源污染治理决策的需求，在大量实地观测资料及区域地理与农业环境数据基础上，开发并建立运用数学模型及其与G研究了汉江中下游农了汉江中下游农业面源动态监测信息系统.以此为技术支持，IS相结合的技术，业面源污染的负荷及分布规律.

关键词：农业面源污染；氮磷负荷；地理信息系统.

斌2，沈晓鲤2

（1.华中

Researchonnitrogenandphosphorusloadofagriculturalnon-point

sourcesinmiddleandlowerreachesofhanjiangRiverbesedonGIS

S~IZhihua1，CAIChongfa1，DINGShuwen1，LIZhaoxia1，WANGTianwei1，Z~ANGBin2，S~ENGXiaoli2

（1.DepatmentofResourceandEnvironment~uaZhongAgriculturaluniversity，Wuhan，430070；2.~ubeiResearchA-cademyofEnvironmentalScience）

Abstract：AccordingthereCuirementsofagriculturalnon-pointsource（AGNPS）iddleandlowerreachesof~anRiver，pollutioninmtheagriculturalnon-pointsourcepollutioninformationsystemwasdesignedanddevelopedbasedonobservingdatainthefieldandthebasicgeographicalandagriculturalenvironmentaldata.Bythissystem，theloadandspatialdistributionofagriculturalnon-pointsourceithintegratingGISandmathematicalmodelinmiddleandlowerreachesof~anjingRiverwereresearched.pollutionwKeywords：agriculturalnon-pointsourcepollution；loadofnitrogenandphosphorus；geographicinformationsystem

近年来，汉江水质污染加剧，不到10年内先后3次大面积出现”水华”现象，为此湖北省已颁布了《湖北省汉江流域水污染防治条例》不可避免地对汉江中.南水北调中线工程的实施，定量研究，为下游的水生态环境和水质造成负面影响.因此对汉江中下游地区的污染源定位、有效地保护汉江流域水资源环境，对区域环境综合治理的合理决策具有十分重要的意义.

由于汉江流域农业活动的广泛性和普遍性，因此农业面源是最主要同时又最易构成汉江随机性、不确定性很强的复杂过程，水体环境隐患的污染源.农业面源污染是一种间歇发生的，

［1］地理信息系统估算其发生负荷的难度大（G具有强大的空间数据管理、分析和制图能.IS）

力，已被广泛应用于具有空间特征的农业面源污染研究，尤其是将GIS与数学模型研究相结

［1，2］本文介绍应用地理信息系统进行的汉江中下游农业合的实用价值及重要意义日益显现.

面源氮磷负荷研究，把各种环境因子图及其属性输入计算机，形成环境要素空间数据库，通过建立基于G决策者很快就能得到中下游农业面源负荷的情况，有助于提高对IS的计算模型，农业面源的规划和管理决策水平.

收稿日期：修订日期：2001-07-30；2001-09-12

基金项目：国家973（G1999011801）项目资助作者简介：史志华（，男，博士，讲师1970—）

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474环境科学学报

22卷

!研究区域概况及其环境数据库的建立1.1

区域概况

汉江是长江最大支流，干流流经陕西、湖北两省，全长1570km，总落差1964m，流域面积

位于北纬30 到34 ，东经100 至114 之间.湖北丹江口以下为中下游，河长61615.9万km2，

流经24个县（市），该省境内流域面积达6.24万km2.中下游的地貌类型复杂，土壤以黄km，

棕壤、水稻土及石灰土为常见.气候具亚热带季风气候的特征，年均温15—降雨量800—17C，但时空分配极不均匀，1250mm，5—10月占全年的70%—80%.汉江及其支流的年流量变化与降雨密切相关，7—10月径流量占全年径流量的40%以上.1.2

环境数据库的建立

在IDRISI32地理信息系统软件和ACCESS数据库管理系统支持下建立了研究区的环境数据库，数据库内容见表2.输入输出设备采用CalcompA0幅面数字化仪、扫描仪和绘图仪.空间与属性数据通过统一设计的地理编码实现相互连结.

表!研究区环境数据库及结构

Table1

数据层名称行政区划图土地利用图土壤图气象站点位图DEM

水系道路图土壤属性数据社会经济数据降雨

数据类型多边形多边形多边形离散点网格线DBF数据库DBF数据库DBF数据库

Environmentaldatabaseanditsstructureinstudiedarea数据层内容

十堰、襄樊、荆门、孝感、武汉市等所属的24个县（市）

旱地、水田、菜地、园地、林地、灌木地、草地、荒地、城镇用地、水体研究区内所涉及的土壤类型研究区内的气象站点位

由数字化等高线内插得到，网格中记录该点高程区域内的水系与道路线状图记录多项土壤性质，如养分，有机质

按行政区纪录从1990至1999年的人口、畜牧业、农业种植制度、肥料使用量、作物面积、产量等记录从1990至1999年的日降雨量

衍生坡度、

坡向图说明

"模型及其参数选择2.1

年径流量———SCS曲线方程

美国土壤保持局（SCS）根据3000多份试验资料制定了计算降雨过程径流深度@的经验

［3，4］公式为：公式，全年日径流深的和就是年径流深.

2（）@=P>0.2S

（P+0.8S1）

@=0P<0.2S

表"研究区土地利用方式的#$值式中：（mm）；@为地表日径流深P为降雨量TheCNvalueofdifferentlanduseinstudiedarea

（mm）；可由一个无量纲参数S为滞留参数，

Table2利用类型村镇荒地旱地水田菜地

A7472697761

BCD

利用类型园地林地灌木地苗圃草地

ABCD

8482798874

9087859182

9291899385

6636416249

7560577669

8373688379

8979778884

即：CN求得，

（CN-254）（S=25400／2）

植被覆盖以及土壤湿CN是土壤性质、

度等参数的函数.根据区域土壤和土地覆盖类型，参照SCS曲线计算方法提供的取值条

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475

件，确定了不同土地利用方式的CN值（表1），其中A、较透水、较不透B、C、D分别代表透水、水和接近不透水等4种土壤类型.表2的数值是中等含水量时的CN值，当土壤处于干旱或饱

和含水量时，则需按式（和式（进行校正.3）4）（）（!）CN="10-0.058CN

（）（#）湿：CN="10+0.13CN

土壤湿度由前5日累计降水量确定，水田蓄水期均视为“湿”.

——通用土壤流失方程（USLE）2.2泥沙流失模型—干：

方程结构为：

（3）（4）

（X=R K LS C P5）

式中：X为年土壤流失量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；LS为坡度坡长因子；

［C为植被与经营管理因子；P为水土保持措施因子.模型中参数取值和确定见文献5］.2.32.3.1

污染物输出模型

泥沙结合态污染物的负荷模型

负荷模型为：

（6）

i

LS=Sd!EniCSiXi

式中LS为泥沙结合态污染物负荷量（；t／a）Sd为流域泥沙输移比；Eni为i种土壤污染物富集

比；（CSi为i种土壤污染物含量；Xi为流域第i种土壤流失量t／a）.（1）Sd值的计算长江水利委员会在长江流域的长期定位研究结果表明长江流域的Sd大约在0.1—因此我们采用ROehl在经验和统计基础上给出的Sd统计方程，即公式70.4间，计算：

（P／（lOgSd=3.59253-0.23043lOgW+0.51022lOgL）7）-2.78594lOgRB将各次级流域的面积（W）、起伏长度比（P／和分枝比（RB）代入经验公式（求得各次级流L）7）（粘土%）（En=（粘土%）e／m8）式中：（粘土%）（粘粒%）m为地表土壤粘粒含量；e为受侵蚀进入径流的土壤粘粒含量.土壤

（SS）和粘土比（RC）有一定的相关关系（ACTMO模型）：e和m的比表面域的Sd值.

（2）En的计算

SS，e=14.6+0.84SS，m

RC，e=0.021+1.08Rc，m通过解方程，可以求得En值.CSi根据汉江流域内的第二次土壤普查结果；Xi由2.2得到.2.3.2溶解态污染物负荷模型模型为：

（9）（10）

（Ld=CdOA11）

式中：（kg）；（mg／；Ld为溶解态污染物负荷量Cd为相应时段径流中溶解态污染物浓度L）O为该区域相应时段径流深（mm）；（km2）A为计算区域面积.Cd值范围见表3.式中O由公式（得到；根据我们在本地区径流小区的不同1）Cd与利用及施肥水平相关，

［6］施肥水平与径流中氮磷浓度关系的研究结果基础上，按湖北农业统计数据确定的各县得到各县不同利用情况下径流中氮磷浓度值.1990—1999年的肥料使用量，

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476环境科学学报

22卷

表!溶解态污染物浓度!"值范围

Table3

利用类型

村镇荒地旱地水田菜地

总氮，mg／L1.10—1.35

—0.250.452.80—3.80

—3.506.50—Dissolvedpollutantconcentrationinrunoff

!!!!!

总磷，mg／L

0.040—0.070

—0.0200.0250.150—0.250

—0.3000.400—利用类型

园地林地灌木地苗圃草地

总氮，mg／L2.00—4.50

—1.001.500.80—1.20

—3.004.00—总磷，mg／L

0.200—0.300

—0.0400.0850.040—0.080

—0.1500.250—!计算结果

上述模型在V／isualBasic环境中遵循Microsoft的COMActiveX规范进行开发并与

［7］在系统支持下通过对典型建立了汉江中下游农业面源动态监测信息系统IDRISI32集成，.

年的计算得到以下结果.3.1

不同流域农业面源污染的氮磷负荷

由表4可见，除直接入江的区域外，唐白河是汉江氮、磷的主要贡献者，它的总量都很高.其次是汉北河的溶解态氮磷和南河的固态氮磷.从单位负荷看竹皮河的溶解态氮（1.82、唐白河的溶解态磷（、北河的泥沙结合态氮（1.23kg／和磷（0.64kg／hm2）0.13kg／hm2）hm2）

都是较高的.hm2）kg／

表#汉江中下游不同流域氮磷负荷情况表

Table4

流域名称泥沙结合态，直接入江

小清河唐白河北河南河蛮河竹皮河汉北河总计

t7414.2140.45224.61919.64878.11069.6174.9679.6Loadofnitrogenandphosphorusindifferentwatersheds

磷负荷

分担率，%29.231.9737.491.464.566.042.1717.08泥沙结合态，t3335.764.12207.3736.81726.6457.674.0291.3分担率，%37.510.7224.828.2819.415.150.833.28溶解态，t1365.493.41548.362.7179.0273.2102.3804.0分担率，%30.832.1134.961.424.046.172.3118.16氮负荷

分担率，%34.480.6524.308.9322.694.970.813.16溶解态，t19194.91293.824625.8957.92997.23970.11422.111216.43.2

不同土地利用类型的氮磷负荷

由表5可以看出，水田是汉江的氮磷农业面源污染的最大贡献者，一是它的单位负荷大，

二是面积大，在中下游地区就有12034km2；其次是旱地，它的单位面积负荷虽然比水田低，但

表$汉江中下游不同土地利用类型氮磷负荷

Table5

利用类型村镇荒地旱地水田菜地

Loadofnitrogenandphosphorusindifferentlanduseages

!!!!!!!

单位面积负荷量，（k／hm2 a）

泥沙结合泥沙结合

溶解氮溶解磷

态氮态磷0.0512.267.640.226.760.8811.2126.150.025.683.290.100.140.010.791.90利用类型园地林地灌木地苗圃草地

单位面积负荷量，（hm2 k／a）

泥沙结合泥沙结合

溶解氮溶解磷

态氮态磷1.713.7410.083.4710.213.052.656.011.381.375.351.491.080.160.150.48

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477

它的分布有特点，南河、北河等流域的泥沙结合态负荷较大，而在汉北河、东荆河等流域的溶解态的负荷较大；总的看来，林地的氮磷负荷是比较小的；由于流域内其它利用面积与水田、旱地和林地相比要小得多，因此，它们的贡献率也要小得多.3.3

各县市氮磷负荷

2表6汉江中下游不同县市氮磷单位面积负荷情况表（k／（ ））hmag

Table6

县市武汉

襄阳保康南漳枣阳谷城荆门钟祥京山

氮负荷

泥沙结合态1.471.428.263.331.536.404.632.322.71

溶解态19.5511.084.699.6013.647.7013.9314.3016.61

Loadofnitrogenandphosphorusinunitareaindifferentcounties

!!!!!!!!!

磷负荷

泥沙结合态0.81

0.673.051.440.902.461.962.661.09

溶解态1.380.800.280.640.950.501.001.010.67

县市老河口宜城仙桃天门潜江汉川房县丹江口神农架

氮负荷

泥沙结合态2.325.981.041.832.141.879.686.414.35

溶解态10.4515.6317.8717.1115.0820.054.8212.363.46

1.192.360.561.021.041.024.643.292.25

磷负荷

泥沙结合态

溶解态0.761.131.231.231.151.500.290.320.19

从表6中可以看出，在空间上沿汉江的县市，尤其是下游平原地区的县市氮、磷负荷都是比较高的，如汉川、钟祥、天门、枣阳等，氮的负荷大多在15—（hm2 20kg／a）.而在山区和丘陵地区，如房县、保康，它们的泥沙结合态负荷相对较高，主要是这些地区的土壤侵蚀严重所造成.因此，在下游平原箕区重点应在施肥技术的改进及水田的回水管理，对于水土流失严重的山区和丘陵区应加强水土保持工作.

4结语

在进行大面积农业面源污染负荷的研究时，本研究采用的方法可以较好地估算径流带入的污染物的负荷，结果是比较可靠的.就汉江中下游而言，氮磷的负荷以水田最高，旱地次之，林地较低，特别是汉江流域的中下游水田面积大，施肥水平高，因此，应重视农化物质投入最小化的技术研究，重点应该是改进施肥技术，提高肥料利用率.对一些水土流失较严重的支流应加强坡耕地的改造、管理，减少水土与肥料的流失.从长远看，在现代农业的中长期规划中，应强调农业自身的生态环境效应.

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发表

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基于GIS的汉江中下游农业面源氮磷负荷研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

史志华， 蔡崇法， 丁树文， 李朝霞， 王天巍， 张斌， 沈晓鲤

史志华,蔡崇法,丁树文,李朝霞,王天巍(华中农业大学资源与环境系,武汉,430070)， 张斌,沈晓鲤(湖北省环境科学研究院)环境科学学报

ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE2002,22(4)56次

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35.杨胜天.程红光.步青松.张建永.史晓新 全国土壤侵蚀量估算及其在吸附态氮磷流失量匡算中的应用[期刊论文]-环境科学学报 2006(3)

36.杨胜天.程红光.步青松.张建永.史晓新 全国土壤侵蚀量估算及其在吸附态氮磷流失量匡算中的应用[期刊论文]-环境科学学报 2006(3)

37.王晓辉 巢湖流域非点源N、P污染排放负荷估算及控制研究[学位论文]硕士 2006

38.胥彦玲.李怀恩.贾海娟.倪永明 陕西省黑河流域水土流失型非点源污染估算[期刊论文]-水土保持通报 2005(5)

39.赖格英.于革 流域尺度的营养物质输移模型研究综述[期刊论文]-长江流域资源与环境 2005(5)40.李瑞雪.余长明.倪九派.谢德体 三峡库区农业非点源污染的思考[期刊论文]-中国农学通报2005(9)

主要系数来源,重点参考文献

41.GIS与农业非点源污染定性模型完全集成的探讨[期刊论文]-人民黄河 2005(10)

42.雷能忠.马众模.蒋旭东 杭埠河流域土地利用数据库系统的研究与开发[期刊论文]-中国农学通报2005(5)

43.赖格英 太湖流域1960s～1990s营养物质输移的评估研究——基于分布式环境水文模型SWAT的数值模拟[学位论文]博士 2005

44.郑玲芳 黄河流域农业非点源磷污染危险性评价[学位论文]硕士 200545.叶芝菡 北京山区养分流失机理与模拟[学位论文]博士 2005

46.陈君 南水北调中线工程对汉江中下游的水质影响[学位论文]硕士 200547.曾群 汉江中下游水环境与可持续发展研究[学位论文]博士 2005

48.张海林 安徽杭埠河流域土地利用变化及其环境效应研究[学位论文]博士 200549.王素娜 曹娥江支流水质评价与河流水系环境容量分析[学位论文]硕士 200550.曾德付 基于GIS下太湖流域典型圩区农业非点源污染研究[学位论文]硕士 2005

51.孙艳玲.谢德体.郭鹏.刘洪斌 基于面向对象思想GIS地理数据库设计方法研究[期刊论文]-水土保持学报 2004(5)

52.黄金良.洪华生.张珞平.杜鹏飞 基于 GIS的九龙江流域农业非点源氮磷负荷估算研究[期刊论文]-农业环境科学学报 2004(5)

53.郭鹏.刘洪斌.谢德体.孙艳玲.武伟 基于Geodatabase数据模型三峡库区面源污染空间数据库的设计方法研究[期刊论文]-计算机与现代化 2004(8)

54.苑韶峰 曹娥江水质变异规律分析及人工神经网络模拟[学位论文]博士 200455.张雪松 洛河下游流域非点源污染模拟研究[学位论文]硕士 200456.任希岩 黑河流域牧区非点源污染研究[学位论文]硕士 2004

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