[发明专利]一种农业区水资源环境诊断方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及生态水文和遥感技术领域，具体地，涉及一种农业区水资源环境的诊断方法及其系统。

背景技术

农业区指以种植业为主，既生产粮食作物与经济作物，同时兼营林、牧、渔各业的地区。是粮食和经济作物产品的最大提供者，也是轻工业原料、畜禽产品、水产品等各种农副产品的主要产地。

我国干旱和半干旱地区面积占到了国土面积的近60％，而农业用水仍延续粗放式管理，据统计，我国农田单位用水的粮食产量不足2.4斤/立方米，而世界先进水平为4斤/立方米左右。随着近些年地表与地下水资源持续超采导致生态环境恶化、地下水位下降等问题十分突出。与此同时，农业区农田、居民点、畜禽养殖区等农药、化肥过量施用、废弃与排泄物无序排放产生的大量非点源污染物严重污染着水环境，直接威胁者农村饮用水、灌溉和生态环境用水安全，实行严格的水环境管理制度，推进农业灌溉用水总量控制和定额管理势在必行。

农业区的种植用水主要来自大气降水和灌溉用水，其中，大气降水到地面后分流成冠层截留、补充土壤水和径流三个部分，而土壤水又以土壤蒸发和植被蒸腾(ET)的形式耗散到大气中；灌溉用水主要用于补充土壤水，同样以土壤蒸发和植被蒸腾的形式耗散到大气中。

传统的地表蒸散估算方法局限于单点尺度，而且大范围密集观测成本较高。对于区域而言，下垫面情况复杂且非均一，土地类型和小气候环境差异大，传统地表蒸散单点监测和计算方法局限性日益突出。遥感技术的出现和发展为这个问题的解决带来了新的希望，可见光、近红外和热红外等波段能够提供与水分和能量平衡过程密切相关的一些参数。蒸散的测定可分为直接测量与间接估算，直接测定地表蒸散发主要采用的是蒸发皿和蒸发池、蒸渗仪、波文比-能量平衡观测系统、涡动相关仪(EC)、大孔径闪烁仪(LAS)等。间接测定或估算方法有水量平衡法、Penman-Montieth公式、Priestley-Taylor模型、互补相关方法、作物缺水指数法等。目前，利用遥感监测地表蒸散量的方法，概括起来可分为：(1)经验统计方法；(2)与传统计算方法相结合模型；(3)基于能量平衡方程模型；(4)数值模拟以及数据同化方法。

非点源污染是相对点源污染而言，是指溶解的和固体的污染物从非特定的地点，在降水(或融雪)冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体(包括河流、湖泊、水库和海湾等)并引起水体的富营养化或其它形式的污染(Novotny和Olem，1993)。美国清洁水法修正案(1997)对非点源污染的定义为：污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水体。

非点源污染根据污染物产生和迁移转化过程可分为溶解态非点源污染和吸附态非点源污染。溶解态非点源污染具有水溶性，污染物伴随水文产汇流过程聚集；吸附态非点源污染是指污染物吸附在土壤颗粒上，污染物汇集多受土壤侵蚀过程控制。基于上述两种污染物产生机理，将非点源污染负荷分为溶解态非点源污染负荷和吸附态非点源污染负荷分别进行计算。相关非点源污染模型包括SWAT、AWIMM、新安江等国内外模型，近些年我国郝芳华等(2006)针对我国的大尺度区域特征，结合自然因子和社会因子建立了二元结构溶解态非点源污染模型。该模型综合了物理模型和统计模型的优势，比较适合我国地形地貌特征的非点源污染负荷估算。杨胜天等(2006)以USLE土壤侵蚀方程为基础，建立了吸附态氮和磷流失量的估算模型，并进行了全国境内水土流失影响下吸附态氮磷流失量估算。

上述的蒸散发模型(ET)和非点源污染估算模型分别以能量或水平衡过程和以径流过程为非点源污染负荷产生的基本动力过程进行蒸散发和非点源污染估算的，结合遥感和GIS空间技术可以对下垫面进行农业种植用水和农业区所产生的非点源污染进行估算。然而，系统的针对农业区种植结构进行种植用水，尤其是灌溉用水估算存在明显不足，很难揭示超采地下或过量使用河流湖泊水量。同时，对于非点源污染除则更多的是污染负荷量的估算，因为缺乏径流量分析而难以得出单位径流量中所含的污染物量(即评估单元非污染排放强度＝非点源污染负荷/径流量)的诊断依据。

故存在，针对不同农业区的种植结构，不能有系统效地解析出农业区不同种植结构的下垫面灌溉用水量和评估单元非污染排放强度的空间格局，面向农业区精细化水资源环境管理具有较大的局限性。

发明内容

本发明针对上述情况，提供一种农业区水资源环境诊断方法及系统，该方法既考虑不同种植结构的下垫面非均一性带来的总的用水和灌溉用水差异，又考虑了不同下垫面非点源污染排放强度，能够有效地诊断水资源环境问题。