本發(fā)明涉及環(huán)境科學領域，具體為一種流域農(nóng)業(yè)非點源污染的治理方法。

背景技術：

隨著十八屆三中全會的閉幕，環(huán)境、土地、農(nóng)業(yè)相關政策的出臺無疑將在未來改變著中國的農(nóng)業(yè)發(fā)展步伐，推行更深層次的農(nóng)村改革。在這一過程中，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化所帶來的環(huán)境問題不容忽視。隨著城市生活污水和工業(yè)廢水逐步得到控制，農(nóng)業(yè)非點源污染問題開始突出，成為威脅水環(huán)境安全的重要因素，當今世界各國已經(jīng)逐漸意識到農(nóng)業(yè)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(Delgado and Scalenghe 2008)。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(nóng)業(yè)非點源污染研究，其中系統(tǒng)的非點源污染控制技術的提出和創(chuàng)新將是水環(huán)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(Shen et al.2012)，農(nóng)業(yè)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(tǒng)耕種、坡地的大量墾殖，畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，面蝕與溝蝕不斷加劇，大量營養(yǎng)鹽隨徑流與泥沙匯入受納水體，造成了河流水環(huán)境質量下降、湖泊富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題。使得這些區(qū)域水環(huán)境面臨來自農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的非點源污染的壓力日益加大，如何有效協(xié)調經(jīng)濟增長與水環(huán)境安全的矛盾已經(jīng)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(Rao et al.2009)。對其監(jiān)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(jīng)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”(Best Management Practices,BMPs)是進行農(nóng)業(yè)非點源污染源控制的有效手段。就流域整體而言，少數(shù)區(qū)域的非點源污染物輸出量通常占據(jù)全流域負荷總量的絕大比例。非點源污染關鍵源區(qū)(CSAs，Critical Source Areas)是指對流域內水環(huán)境整體狀況有決定性影響的污染敏感區(qū)域(Tripathi et al.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(qū)，這已經(jīng)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(Maringanti et al.2009)。BMPs實施往往需要緊密結合研究區(qū)的污染物產(chǎn)生規(guī)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(yōu)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)，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(qū)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(Cuttle et al.2007)，為進一步研究提供了選擇依據(jù)和數(shù)據(jù)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(Schoumans et al.2013,Konrad et al.2014)或是隨機搭配的組合方案(Hsieh and Yang 2007)。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(qū)域環(huán)境背景、耕作措施及污染物類型等因素影響較大(Jha et al.2009)，在污染類型多變或區(qū)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(Allan 2004)。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(xié)同作用，或存在反作用也不明確?；诓煌貐^(qū)及不同污染物來源的BMPs效率綜合數(shù)據(jù)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(qū)域特征進行BMPs組合優(yōu)選，對其成本與效益進行經(jīng)濟分析和評價，是十分必要的。早期研究多在小區(qū)或農(nóng)田地塊尺度利用實地監(jiān)測的方法探討B(tài)MPs實施的成本效益問題(Dillaha et al.1988,Chaubey et al.1995,Arheimer and Wittgren 2002)，但實地監(jiān)測往往需要大量的人力、物力，而且其成果帶有明顯的區(qū)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(Srivastava et al.2002,Hsieh and Yang 2007)。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(jīng)濟學方法進行成本效益評價。然而，由于非點源污染的發(fā)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(qū)域、不同尺度存在較大差異(Rao et al.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(yōu)化配置成為復雜的多目標問題，應考慮社會、經(jīng)濟、環(huán)境與生態(tài)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(Rao et al.2009)。加拿大農(nóng)業(yè)部自2004年開展了最佳管理措施流域評價項目(The Watershed Evaluation of BMPs，WEBs)，對全國范圍內9個小流域實施BMPs的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益進行評價。研究發(fā)現(xiàn)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(nóng)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(nóng)田等小尺度的研究結果難以在大尺度流域進行應用(Gitau et al.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(Panagopoulos et al.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(qū)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(yōu)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(xiàn)要素：

為了克服我國現(xiàn)有的流域農(nóng)業(yè)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,本發(fā)明提供一種流域農(nóng)業(yè)非點源污染控制措施的優(yōu)化配置方法，以實現(xiàn)流域水環(huán)境整體改善的目的，這將對水保措施實施方案科學選擇提供強有力的科技支撐。

為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是：

一種流域農(nóng)業(yè)非點源污染控制措施的優(yōu)化配置方法，其步驟為：

1)構建一目標研究區(qū)非點源污染的空間及屬性數(shù)據(jù)庫以及一BMPs削減效率評估工具箱；

2)根據(jù)該目標研究區(qū)流域出口的實測水文、水質數(shù)據(jù)對SWAT模型和IFSM模型進行參數(shù)率定，然后對參數(shù)率定后的SWAT模型和IFSM模型進行參數(shù)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(qū)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(jù)步驟4)得到的下墊面因子識別該目標研究區(qū)中田間地塊尺度的具有相同下墊面特征的CSAs區(qū)域；然后通過IFSM模型對該CSAs區(qū)域所采取的措施進行模擬，得到不同高風險區(qū)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(jù)，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(jù)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(shù)據(jù)庫構建方法將該目標研究區(qū)的地塊尺度高風險區(qū)、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(yōu)化算法基礎數(shù)據(jù)庫，然后對不同情境方案進行優(yōu)化模擬，獲取該目標研究區(qū)的流域農(nóng)業(yè)非點源污染控制最優(yōu)BMPs空間配置組合。

進一步的，首先將該空間及屬性數(shù)據(jù)庫中的土地利用、土壤類型以及氣象數(shù)據(jù)輸入IFSM模型，然后將IFSM模型模擬結果輸入SWAT模型中運行，輸出流域非點源污染定量化分析閉合式反饋回路模擬系統(tǒng)。

進一步的，結合SWAT-CUP 2012進行參數(shù)敏感性分析和模型率定及驗證。

進一步的，通過多因素方差分析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。

進一步的，采用非支配排序遺傳算法對不同情境方案進行優(yōu)化模擬，獲取流域農(nóng)業(yè)非點源污染控制最優(yōu)BMPs空間配置組合。

進一步的，以該目標研究區(qū)的流域各水系月尺度連續(xù)監(jiān)測水質數(shù)據(jù)為基礎結合非參數(shù)檢驗方法，定量分析不同負荷削減比例下，水質發(fā)生統(tǒng)計學意義變化的概率，然后運用回歸擬合的方法，揭示水質顯著改善概率與流域污染負荷削減比例間的非線性響應關系，從而設定該非支配排序遺傳算法的環(huán)境效益指標。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的積極效果為：

本發(fā)明的有益效果是，從提升BMPs實施效率的角度出發(fā)，識別流域農(nóng)業(yè)非點源污染負荷分布特征，為不同尺度BMPs的配置提供依據(jù)；構建BMPs評估工具箱為BMPs削減效率的而確定提供規(guī)范化的評估技術；建立基于NSGA-II的流域農(nóng)業(yè)非點源污染BMPs優(yōu)化配置方案模擬情景，篩選流域農(nóng)業(yè)非點源污染控制的BMPs最優(yōu)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。

附圖說明

圖1為流域農(nóng)業(yè)非點源污染控制措施優(yōu)化配置技術體系圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進行進一步詳細描述。

本發(fā)明的流域農(nóng)業(yè)非點源污染控制措施的優(yōu)化配置方法如圖1所示，其包括如下步驟：

(1)非點源污染特征分析

1)以RS、GIS技術為支持，構建研究區(qū)非點源污染空間及屬性數(shù)據(jù)庫(表1)，作為下一步模型應用過程中各類數(shù)據(jù)調用的基礎；

2)采用SWAT模型(Arnold J G,Moriasi D N,Gassman P W,et al.SWAT:Model use,calibration,and validation[J].Transactions of the ASABE,2012,55(4):1491-1508.)和IFSM模型(Rotz C A,Coiner C U.Integrated Farm System Model(IFSM):Reference Manual Version 2.0[J].Agricultural Research Service,USDA.http://www.ars.usda.gov/Main/docs.htm,2006)結合的多尺度模型相結合的方法，將步驟1)所構建的空間數(shù)據(jù)庫及屬性數(shù)據(jù)庫中的土地利用、土壤類型以及氣象數(shù)據(jù)等輸入到模型中，構建流域非點源污染定量化分析綜合模擬技術方案，SWAT模型作為實現(xiàn)非點源污染關鍵源區(qū)識別的工具，IFSM模型作為地塊尺度BMPs經(jīng)濟效益分析的工具；

3)應用流域出口的實測水文、水質數(shù)據(jù)對SWAT模型和IFSM模型進行參數(shù)率定，并結合SWAT-CUP 2012(Abbaspour K C.SWAT-CUP 2012[J].SWAT Calibration and Uncertainty program—A User Manual.Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology,Dübendorf,2012)對SWAT模型的參數(shù)進行敏感性分析、模型率定及驗證，以保證SWAT和IFSM模型模擬結果的準確性和合理性；

4)在此基礎上利用SWAT模型綜合分析待研究區(qū)中流域各下墊面條件下的非點源污染情況，并通過多因素方差分析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，以此作為識別田間地塊尺度的具有相同下墊面特征的非點源污染關鍵源區(qū)(CSAs，Critical Source Areas)并且通過IFSM模型對CSAs區(qū)域所采取的措施進行模擬。

(2)BMPs削減效率評估

5)通過收集國內外BMPs效率研究相關的280篇文獻，提取有關BMPs削減效率信息，采用SQL和VBA技術，基于Microsoft ACCESS 2010平臺構建BMPs削減效率評估工具箱，通過步驟4)獲取非點源污染特征分析結果，進而獲取的不同高風險區(qū)下墊面地塊的土壤類型、坡度等屬性信息作為評價依據(jù)，采用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，根據(jù)目標地塊不同措施的削減效率高低，按照水環(huán)境質量的達標要求和BMPs配置方案的經(jīng)驗污染物削減效率，提出BMPs配置的情景方案；

6)采用SWAT模型和IFSM模型相結合的方法來對步驟5)所提出的BMPs配置的情景方案對應的田間地塊尺度擬實施的BMPs削減效率進行評估，以獲取地塊尺度擬實施BMPs的效率值；

7)在此基礎上將地塊尺度BMPs評估相關參數(shù)(步驟6)的結果)在流域尺度模型SWAT中進行反饋模擬，以解決多尺度條件下BMPs削減效率評估問題；

(3)地塊尺度BMPs空間配置方案優(yōu)選

9)以流域各水系月尺度連續(xù)監(jiān)測水質數(shù)據(jù)為基礎結合非參數(shù)檢驗方法，定量分析不同負荷削減比例下，水質發(fā)生統(tǒng)計學意義變化的概率，在此基礎上，運用回歸擬合的方法，揭示水質顯著改善概率與流域污染負荷削減比例間的非線性響應關系，從而設定非支配排序遺傳算法的環(huán)境效益指標；

10)運用數(shù)據(jù)庫構建方法將地塊尺度高風險區(qū)、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(yōu)化算法基礎數(shù)據(jù)庫，以此為基礎結合非支配排序遺傳算法(NSGA-II)對不同情境方案進行優(yōu)化模擬，獲取流域農(nóng)業(yè)非點源污染控制最優(yōu)化的BMPs空間配置組合。