流域農業面源污染控制模擬優化系統的軟件實現

張婉營 郁亞娟 孫秀秀

摘要：針對當前國內治理流域農業面源污染信息約束的實際情況，設計一種更加適應我國國情的流域農業面源污染控制模擬優化系統，由于涉及數據量大、模擬與優化過程復雜且模型參數率定與驗證需要多次循環，所以手動計算是一個龐大而繁雜的工作且容易出現錯誤，為使整個模擬與優化過程更為精確和簡易快捷，將整個數據庫、模擬和優化過程通過計算機實現流域農業面源污染控制模擬優化系統的軟件，并選取阿什河流域為案例具體講述軟件的操作流程。該軟件能夠成功模擬國內流域農業面源污染實際情況，為制定流域農業面源污染的優化策略提供軟件支持，對流域農業面源污染的控制具有重要意義。

關鍵詞：流域；農業面源污染；系統；優化管理

中圖分類號： X506文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0451-03

面源污染由于涉及范圍廣、控制難度大，在環境污染中的比重逐漸增大，是導致地表水污染的主要原因，其中又以農業面源污染貢獻最大[1]。農業面源污染是指在農業生產活動中，農田中的泥沙、氮磷等營養物、農藥及其他有機或無機污染物在降水或灌溉過程中，通過農田地表徑流、壤中流、農田排水或地下滲漏進入水體而形成的地表水與地下水的污染[2-3]。農業生產活動產生的各種污染物（沉淀物、營養物、農藥、鹽分、病菌等）以低濃度、大范圍的形式緩慢地在土壤圈內運動和從土壤圈向水圈擴散，其基本特征表現為：污染發生的隨機性；機理過程的復雜性；排放途徑及方式的不確定性；氣候氣象條件的不確定性以及土地利用的動態變化，對水系徑流量產生一定影響[4]；污染負荷的時空差異性而導致對其監測、模擬與控制的困難性等[5]。農業面源污染源主要包括化肥污染、農藥污染、集約化養殖廠污染等[6]。國內外多項研究結果已證實，面源污染已成為世界范圍內地表水與地下水污染的主要來源[7-9]。農業面源污染對河流、湖泊的負荷在60%～70%[8，10-11]。《第一次全國污染源普查公報》統計數據顯示，我國主要水污染物排放量有40%以上來自農業污染源，其中總氮、總磷排放量分別占全國總氮、總磷排放總量的57.2%、67.3%[12]。農業面源污染已成為太湖、巢湖、滇池等重要湖泊水質惡化的主要原因[13-14]。近年來，隨著我國地表水源農業面源污染的嚴重程度的增加[15]，我國研究工作者對農業面源污染進行了很多方面的研究。目前，面源污染研究很多，但多是單純地控制技術研究或污染負荷計算，鮮有與流域、區域生態環境保護及規劃緊密結合的[16]。由于面源污染是伴隨著降水和徑流過程產生的，而且小流域作為一個相對獨立的匯水單元，是污染物產生和面源污染發展的源頭，因此選擇小流域作為研究對象能夠更客觀地反映面源污染的發生發展規律。國外已有很多成熟的流域尺度進行農業面源污染研究的模擬優化模型，如SWAT模型，該模型為治理農業面源污染起到很大作用，國內有些地方也成功利用SWAT模型治理當地農業面源污染，然而，成熟的技術并非適用于所有情況。美國作為發達國家，其污染狀況出現較早，為治理污染早期進行了大量的數據統計，而這些是SWAT成功運用的必要條件，國內很多地方沒有充足的記錄資料使用SWAT模型進行流域農業面源污染模擬與優化方案研究。根據國內當前信息約束的實際情況，本研究設計了一種更加適應我國國情的流域農業面源污染控制模擬優化系統，由于涉及數據量大、模擬與優化過程復雜且模型參數的率定及驗證需要多次循環，而手動計算是一個龐大而繁雜的工作，容易出現錯誤。為使整個模擬與優化過程更為精確和簡易快捷，本研究將整個數據庫、模擬和優化過程通過計算機實現流域農業面源污染控制模擬優化系統的軟件，并選取阿什河流域為試驗點具體講解該軟件的操作流程。阿什河流域為典型流域農業面源污染案例，本研究選其作為示范，經多次驗證，該軟件能夠成功模擬阿什河流域農業面源污染狀況，能夠為其他河流的治理提供借鑒，對于治理國內流域農業面源污染有一定的推廣意義，為制定流域農業面源污染的優化方案提供軟件支撐。

1模擬優化系統介紹

1.1模擬方法

分析流域農業面源污染來源及其影響因素，收集統計資料，作為軟件輸入值及運行機理，將模擬結果與實際監測值進行比較，若不相符，調整參數，直到模擬值與監測值相吻合，證明該模擬系統能夠成功模擬實際流域農業面源污染狀況。

1.1.1數據輸入-流域入口污染負荷分析種植業、集約化畜禽養殖業和農村居民生活是農業面源污染的主要來源。采用單位負荷法推算土地利用面源污染。其中，總氮、總磷的入河負荷量按照單位面積的排污系數與面積的乘積來計算，畜禽養殖產生的總氮、總磷面源污染入河負荷量按畜禽數量與排污系數的乘積來計算，農村居民生活產生的總氮、總磷面源污染入河負荷量按人口數與人均排污系數的乘積來計算。

1.1.2數據運行-流域污染遷移模擬流域水質運輸過程的影響因素主要有自然環境要素、社會經濟要素、系統參數3個方面。各種影響因素導致農業面源污染在流域中的形成受綜合降解及時間的遷移拖尾效應的影響。流域總氮遷移模擬模型經過多個備選模型的篩選，最終選定為多階段遷移轉化拖尾模型。總磷遷移模擬模型與之相似。

1.1.3數據輸出-流域出口污染負荷分析將模擬的流域出口農業面源污染狀況的各種數據通過編程得到模擬污染狀況，與實際流域農業面源污染狀況進行對比，能夠很好地吻合，說明該軟件能夠成功模擬流域實際污染狀況，為治理流域農業面源污染制定優化方案提供技術支撐。

1.2優化方法

在建立模擬模型的基礎上，結合當地居民生產生活方式，改善各種人為影響因素，制定多種優化方案，依據模擬方法計算各輸入數據，適當改變系統運行參數，1種優化方案對應1組模擬數據，分別將其輸入軟件系統，模擬輸出優化結果。將優化方案對應的模擬結果與實際流域農業面源污染狀況進行對比，選取優化效果較好的幾套方案。在選定的優化方案間進行經濟參數社會參數考量，利用環境經濟學結合當地政府政策制定最佳優化方案。流域農業面源污染模擬優化模型的設計見圖1。

[FK（W20][TPZWY1.tif][FK）]

2系統軟件實現

2.1案例概況

阿什河流域為松花江南岸的一級支流，干流全長 213 km，發源于黑龍江省尚志市帽兒山，流經尚志市、五常市、阿城區、哈爾濱市區（香坊區、道外區），在哈爾濱市區東北角匯入松花江，全段蛇曲發育，河槽寬25～ 60 m，比降約 [JP3]1/2 500。阿什河流域處于45°05′～45°49′N、126°40′～127°42′E，流域面積3 545 km2。近年來，由于東北粗放型的經濟增長、工業廢水、沿岸村鎮生活污水處理率低下及農業面源污染強度大等因素的影響，使得阿什河沿岸面目全非，遭受嚴重污染的河水散發著難聞的氣味，昔日草肥水美的河灘現在已是遍地的黃沙和死樹。阿什河流域主要污染特征呈有機污染與氮磷污染，流域水質呈V類甚至劣V類，屬于哈爾濱地區水質較差的河流斷面。由于流域內農田廣布，水質受農田退水的影響較大，面源污染具有代表性。相關研究結果表明，生活污水、畜禽養殖、農田施肥、農藥使用是造成阿什河面源污染的主要污染源。阿什河哈爾濱市區段面源污染貢獻從大到小依次為生活污水、化肥流失、畜禽糞污、生產生活垃圾。阿什河為典型的流域農業面源污染案例，本研究選取阿什河流域作為示范，為解決當前國內流域農業面源污染有一定推廣意義。

2.2軟件實現

在選取的阿什河流域上，分析流域周邊居民生產生活方式，收集多年環境監測數據，結合模擬輸入、運行及輸出流程，計算相應模擬值作為輸入參數數據來源，按軟件操作流程具體操作，最終得到阿什河流域農業面源污染狀況模擬值，將其與實際流域農業面源污染狀況進行對比，適當改善模型參數，直到模擬值與實際監測值能很好地吻合，說明該軟件能夠成功模擬阿什河流域農業面源污染狀況。在模擬軟件的基礎上，制定多種優化方案，經模型模擬運行后得到其模擬結果，選出較有效的方案，根據當地經濟發展最終選擇最佳優化方案。

2.2.1軟件實現需要的設備與工具硬件設備有服務器1臺；系統研發用機若干臺；搭建局域網系統硬件設備若干。軟件工具有Java Development Kit開發工具包1套、Apache+Tomcat服務系統1套、MySQL數據庫管理系統1套、Eclipse 開發平臺1套、MicroSoft Office系統1套、PhotoShop系統1套、Java代碼簽名系統1套。

2.2.2軟件實現方法與過程采用Browser（瀏覽器）/Server（服務器）結構。用戶通過客戶機瀏覽器向WEB服務器提出請求，利用HTTP協議將所需的信息傳送給客戶機，客戶機接受并把它顯示在客戶機瀏覽器上。WEB服務器接受用戶的請求，首先將需要執行的應用程序與數據服務器鏈接，向數據服務器提出數據處理申請，數據服務器將數據處理結果提交給WEB服務器，再由WEB服務器傳送回客戶機，瀏覽器端和服務器端的核心代碼選用Java 語言開發完成。信息系統的架構實施過程中會依據需要不斷完善和調整。

2.2.3系統功能與操作演示以阿什河流域農業面源氮污染模擬系統為例介紹系統使用說明，分別安裝jdk.exe、tomcat等軟件工具后，將系統安裝包解壓到計算機C盤（位置自定義，也可以是其他盤，根據經驗安裝在C盤運行更穩定），按路徑C：文件，右擊-編輯操作用記事本打開，將第2行set JAVA_HOME=c

雙擊打開javaweb.bat，Tomcat運行窗口，使系統開始運行。然后打開瀏覽器，在地址欄輸入http：//10.62.5.22/ashTN/（其中10.62.5.22為當前計算機IP地址 ）回車，打開模擬系統界面。系統初始化完畢，界面會提示可以使用。界面有檢索分析、列表信息、系統簡介、使用說明、安裝Java等5個模塊，其中檢索分析和列表信息是本系統主要功能模塊。

鼠標單擊列表信息按鈕，打開列表信息界面，列表信息模塊與數據庫關聯，主要用于數據庫的查詢與管理。根據需要選擇時間指標和主體指標，然后單擊信息列表按鈕，就可查詢相關數據，以查詢全部人口信息為例（圖2-a）。鼠標單擊檢索分析按鈕，打開分析處理界面，檢索分析模塊與數據庫關聯，主要用于對數據的計算和分析處理。根據需要選擇時間指標和主體指標，然后單擊分析處理按鈕，就可分析出主體指標隨時間的變化趨勢圖。以多年水田施肥量為例（圖2-b）。

以上檢索分析及列表信息的結果都會呈現在一個Java控制臺窗口，即為打開模擬系統首頁的同時彈出的Java控制臺窗口（圖3-a）。所有的數據檢索、計算和分析結果都會在這個窗口輸出，包括模型計算結果（圖3-b）。窗口中的輸出數據可以根據需要選擇相應部分復制到Excel、Word等文檔中進行更深入的分析和研究。

通過多次循環模型優化和參數率定，最終使模型穩定，計算值與監測值趨于吻合，可以用于阿什河流域農業面源總氮污染的優化與控制。通過改善農業管理措施等優化影響污染輸出量的參數來使流域出口污染物輸出總量得到控制。數據的輸入與優化可按本系統C：打開相應的Excel文檔進行操作，對于普通用戶簡單易懂，操作簡便。3結論

本研究設計并實現了流域農業面源污染模擬優化系統的軟件編寫和操作過程，闡明該軟件的設計思路以及需要的輔助設備，并展示系統部分功能和操作方法。該軟件在功能上實現了流域農業面源污染信息管理系統、污染過程模擬模型和優化模塊的結合與同步，使整個模擬優化系統的應用和操作更為簡易快捷。該軟件為制定流域農業面源污染最佳流域優化方案提供了技術支持，對治理面源污染、解決當前國內水污染問題具有重要意義。

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