一種流域農業非點源污染控制措施的優化配置方法技術

本發明專利技術公開了一種流域農業非點源污染控制措施的優化配置方法。本方法從提升BMPs實施效率的角度出發，識別流域農業非點源污染負荷分布特征，為不同尺度BMPs的配置提供依據；構建BMPs評估工具箱為BMPs削減效率的而確定提供規范化的評估技術；建立基于NSGA?II的流域農業非點源污染BMPs優化配置方案模擬情景，篩選流域農業非點源污染控制的BMPs最優配置方案，建立適合流域特點的BMPs組合空間層次配置體系。從流域整體的角度對其成本效益進行分析，從而為有效控制非點源污染，促進水源地保護和流域健康，奠定可靠的基礎。同時為有效控制非點源污染，促進水源地保護和流域健康，奠定可靠的基礎。

Optimal allocation method of agricultural non-point source pollution control measures in River Basin

The invention discloses an optimized allocation method for agricultural non-point source pollution control measures in a river basin. This method is implemented to improve BMPs efficiency from the perspective of identification of agricultural non-point source pollution load distribution characteristics, provide the basis for the different scale BMPs configuration; construction of BMPs toolbox for BMPs reduction efficiency evaluation and determined to provide standardized assessment techniques; the establishment of NSGA II Watershed Agricultural Non-point Source Pollution BMPs optimization scheme the simulation scenarios based on the selection scheme of BMPs optimal allocation of agricultural non point source pollution control basin, to establish the BMPs combination of hierarchical spatial allocation system of watershed characteristics. From the perspective of the whole watershed, the cost-benefit analysis is carried out, so as to lay a solid foundation for effectively controlling non-point source pollution, promoting water source protection and watershed health. At the same time, it lays a reliable foundation for effectively controlling non-point source pollution, promoting water source protection and watershed health.

【技術實現步驟摘要】
一種流域農業非點源污染控制措施的優化配置方法
本專利技術涉及環境科學領域，具體為一種流域農業非點源污染的治理方法。
技術介紹
隨著十八屆三中全會的閉幕，環境、土地、農業相關政策的出臺無疑將在未來改變著中國的農業發展步伐，推行更深層次的農村改革。在這一過程中，農業現代化所帶來的環境問題不容忽視。隨著城市生活污水和工業廢水逐步得到控制，農業非點源污染問題開始突出，成為威脅水環境安全的重要因素，當今世界各國已經逐漸意識到農業非點源污染問題的嚴重性和控制形式的緊迫性，所采取的的污染防治研究工作也紛至沓來(DelgadoandScalenghe2008)。2015年4月“水污染防治行動計劃”的頒布，要求今后更長一段時間內開展農業非點源污染研究，其中系統的非點源污染控制技術的提出和創新將是水環境保護工作的重點。但目前，我國在非點源污染控制理論及技術應用方面還處于儲備階段，相關實踐工作還剛剛起步(Shenetal.2012)，農業非點源污染的理論研究和控制措施實踐亟待加強。在我國七大流域內，由于長期頻繁傳統耕種、坡地的大量墾殖，畜禽養殖規模的不斷擴大，面蝕與溝蝕不斷加劇，大量營養鹽隨徑流與泥沙匯入受納水體，造成了河流水環境質量下降、湖泊富營養化等一系列環境問題。使得這些區域水環境面臨來自農業活動產生的非點源污染的壓力日益加大，如何有效協調經濟增長與水環境安全的矛盾已經成為亟待解決的問題。與點源污染相比，非點源污染具有隨機性、廣泛性、滯后性、模糊性和潛伏性等特征(賀纏生等.1998,王曉燕等.2003)，通常受到流域氣候、水文、地形、土壤、土地利用以及管理方式等眾多因素的影響，空間變異性強，不同景觀單元的污染負荷差異顯著(Raoetal.2009)。對其監測和治理相對都比較困難，需要耗費大量的人力、物力和財力。因此，如何從流域整體開展非點源污染的管理與控制已經成為國內外關注的熱點和難點(陳磊2013)。推廣實施“最佳管理措施”(BestManagementPractices,BMPs)是進行農業非點源污染源控制的有效手段。就流域整體而言，少數區域的非點源污染物輸出量通常占據全流域負荷總量的絕大比例。非點源污染關鍵源區(CSAs，CriticalSourceAreas)是指對流域內水環境整體狀況有決定性影響的污染敏感區域(Tripathietal.2005)。流域尺度的非點源污染控制，應首先明確污染源的時空分布特征，并在此基礎上識別出非點源污染的關鍵源區，這已經成為當前流域非點源污染的核心理念和關鍵所在。BMPs是國內外較常采用的非點源污染控制方法，主要有工程型和非工程型兩大類(Maringantietal.2009)。BMPs實施往往需要緊密結合研究區的污染物產生規律和下墊面特性，在此基礎上對眾多工程和管理措施進行準確評估和優選。從流域整體層面上來看，如何在不同的空間尺度及有限的資金條件下實現BMPs的合理、高效的配置，對非點源污染的傳輸遷移轉化等各個階段實現有效的控制，從而為決策者提供更為全面、客觀、細致、準確的決策參考依據，是保證流域非點源污染控制科學性、高效性的最終落腳點。在非點源污染的控制中，選擇適合區域特點的BMPs是提升非點源污染控制成效的關鍵。國外一些學者從部分國家的BMPs的綜述研究中，初步總結了不同措施的適用條件和成本效益等(Cuttleetal.2007)，為進一步研究提供了選擇依據和數據支持。有關BMPs應用的實證研究多是采用工程措施或管理措施的一種(Schoumansetal.2013,Konradetal.2014)或是隨機搭配的組合方案(HsiehandYang2007)。此類研究雖能證明BMPs對非點源污染的控制作用，但由于BMPs的實施效果受研究區域環境背景、耕作措施及污染物類型等因素影響較大(Jhaetal.2009)，在污染類型多變或區域水文條件復雜的情況下，單一BMP的實施往往并不能滿足水質治理目標的需求(Allan2004)。關于BMPs組合對非點源污染的綜合效應研究尚不多見，不同BMP之間是否存在協同作用，或存在反作用也不明確。基于不同地區及不同污染物來源的BMPs效率綜合數據庫的建立，認識各種BMPs的應用效果和適用條件，探尋不同BMPs的組合手段及措施間的相互關系，將有助于能夠因地制宜的選擇最佳管理措施。針對適合區域特征進行BMPs組合優選，對其成本與效益進行經濟分析和評價，是十分必要的。早期研究多在小區或農田地塊尺度利用實地監測的方法探討BMPs實施的成本效益問題(Dillahaetal.1988,Chaubeyetal.1995,ArheimerandWittgren2002)，但實地監測往往需要大量的人力、物力，而且其成果帶有明顯的區域特征，可移植性受到限制。近年來，模型模擬由于費用低、評價周期短，被廣泛用于量化流域尺度BMPs的遠期效益(Srivastavaetal.2002,HsiehandYang2007)。此類研究多是利用機理模型模擬各種BMPs情景下的污染負荷削減效果，并結合一定的經濟學方法進行成本效益評價。然而，由于非點源污染的發生受土壤、地形、氣候、水文、土地利用和管理方式等眾多因素的影響，污染負荷的輸出存在顯著的空間差異性(Marsh,1998)，使得BMPs的實施效果具有“點位特異性(site-specific)”，其對污染物負荷的削減效率在不同區域、不同尺度存在較大差異(Raoetal.2009)。另外，BMPs的實施效果也在一定程度上取決于污染物類型的影響。這使得流域BMPs的優化配置成為復雜的多目標問題，應考慮社會、經濟、環境與生態效益等多目標間的權衡。非點源污染過程具有高度的時空異質性，使得BMPs的實施效果亦受到尺度效應的影響(Raoetal.2009)。加拿大農業部自2004年開展了最佳管理措施流域評價項目(TheWatershedEvaluationofBMPs，WEBs)，對全國范圍內9個小流域實施BMPs的環境效益和經濟效益進行評價。研究發現在地塊尺度上單個BMP對污染物削減的效果往往比較明顯，而在流域尺度上多種BMPs對水質的綜合影響卻難以確定。國外一些學者就不同尺度下BMPs的實施效率進行了研究。Gitau等將SWAT模型和GA算法應用于農田尺度和流域尺度對BMPs進行費用效益評價，研究認為由于受尺度效應的影響，使得農田等小尺度的研究結果難以在大尺度流域進行應用(Gitauetal.2006)。Panagopoulos等(2011)指出以往模型對流域尺度BMPs的評價研究，忽視了地塊間的差異性，難以評價BMPs對地塊尺度污染負荷的削減效果(Panagopoulosetal.2011)。上述研究，雖然指出了BMPs實施效果的尺度效應，但缺乏對結果比較的深入探討。因此，應結合研究區域實際，開展水文響應單元(HRUs)、子流域、流域不同空間尺度下的BMPs框架體系研究，構建BMPs組合優化、費用效益評價以及空間配置于一體的非點源污染控制措施體系。
技術實現思路
為了克服我國現有的流域農業非點源污染控制技術體系單一、方法不確定性較高且的不足,本專利技術提供一種流域農業非點源污染控制措施的優化配置方法，以實現流域水環境整體改善的目的，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種流域農業非點源污染控制措施的優化配置方法，其步驟為：1)構建一目標研究區非點源污染的空間及屬性數據庫以及一BMPs削減效率評估工具箱；2)根據該目標研究區流域出口的實測水文、水質數據對SWAT模型和IFSM模型進行參數率定，然后對參數率定后的SWAT模型和IFSM模型進行參數敏感性分析和模型率定及驗證；3)利用非點源污染模型綜合分析該待研究區中流域各下墊面條件下的非點源污染情況，并對各下墊面因子進行評判，篩選出影響最為顯著的下墊面因子；4)根據步驟4)得到的下墊面因子識別該目標研究區中田間地塊尺度的具有相同下墊面特征的CSAs區域；然后通過IFSM模型對該CSAs區域所采取的措施進行模擬，得到不同高風險區下墊面地塊的土壤類型和坡度信息；5)以所述土壤類型、坡度信息作為評價依據，采用所述BMPs削減效率評估工具箱對各項擬實施BMPs的污染物削減效率進行預評估，然后根據目標地塊不同措施的削減效率高低，得到對應的BMPs配置的情景方案；6)采用SWAT模型和IFSM模型對所述情景方案的BMPs削減效率進行評估，獲取地塊尺度擬實施BMPs的效率值；7)運用數據庫構建方法將該目標研究區的地塊尺度高風險區、不同BMPs配置的情景方案中的擬實施BMPs、BMPs實施成本構建不同情境方案下的優化算法基礎數據庫，然后對不同情境方案進行優化模擬，獲取該目標研究區的流域農業非點源污染控制最優BMPs空間配置組合。...

【技術特征摘要】
1.一種流域農業非點源污染控制措施的優化配置方法，其步驟為：1)構建一目標研究區非點源污染的空間及屬性數據庫以及一BMPs削減效率評估工具箱；2)根據該目標研究區流域出口的實測水文、水質數據對SWAT模型和IFSM模型進行參數率定，然后對參數率定后的SWAT模型和IFSM模型進行參數敏感性分析和模型率定及驗證；3)利用非點源污染模型綜合分析該待研究區中流域各下墊面條件下的非點源污染情況，并對各下墊面因子進行評判，篩選出影響最為顯著的下墊面因子；4)根據步驟4)得到的下墊面因子識別該目標研究區中田間地塊尺度的具有相同下墊面特征的CSAs區域；然后通過IFSM模型對該CSAs區域所采取的措施進行模擬，得到不同高風險區下墊面地塊的土壤類型和坡度信息；5)以所述土壤類型、坡度信息作為評價依據，采用所述BMPs削減效率評估工具箱對各項擬實施BMPs的污染物削減效率進行預評估，然后根據目標地塊不同措施的削減效率高低，得到對應的BMPs配置的情景方案；6)采用SWAT模型和IFSM模型對所述情景方案的BMPs削減效率進行評估，獲取地塊尺度擬實施BMPs的效率值；7)運用數據庫構建方法將該目標研究區的地塊尺度高風險區、不同BMPs配置的情景方案中的擬實施BMP...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王曉燕，耿潤哲，龐樹江，李澤琪，
申請(專利權)人：首都師范大學，
類型：發明
國別省市：北京,11