基于空间技术流域非点源污染监测的的研究项目建议书

1、公益性行业科研专项经费项目建议书项目编号：2010467*项目名称：基于空间技术的流域非点源污染监测研究行业主管部门:项目建议单位:联系人：联系电话：E-mail:二O一 O年九月三日填写说明1. 本建议书为申请国家公益性行业科研专项项目的主要文件。各项内容必须认真填写，表内栏目不能空缺，无此项内容时填“/2. 项目编号说明编号位数1 4位5 7位8 10 位编号含义年度行业主管部门编号流水号示例2008332001释义2008水利流水号为1行业主管部门编号:361卫生部432国家林业局416中国气象局419中国地震局334国土资源部332水利部326农业部418国家海洋局468国家中医药管理

2、局467国家环境保护总局424国家质量监督检验检疫总局3. 项目名称”要简洁、明确，字数不超过20个汉字。4. 项目基本信息表”的内容摘要”包括项目的目标、工作内容 及预期成果。5. 建议书总篇幅建议控制在5000字以内。6 .书面申报材料一式五份，A4纸打印。项目基本信息表项目编号2010467*项目名称基于空间技术的流域非点源污染监测研究所属行业经费概算万元实施周期2年所属领域能源 资源 "环境 农业 材料 制造业 交通运输 信息产业与现代服务业 人口与健康 城镇化与城市发展 公共安全与其他社会事业项目与纲要 的衔接性明确列入纲要领域优先主题p基本属于纲要水体污染控制与治理领域优

3、先主题的范畴其他（请说明）项目定位应急性培育性P基础性创新类型原始创新日集成创新引进消化吸收再创新项目完成时的 应用类型形成自主研发能力形成规模生产能力局部试点示范日较大范围推广应用内容摘要（500字以内）本项目基于遥感与GIS空间技术，充分借鉴非点源污染研究模型的优 点，结合我国在非点源污染调查工作的实际情况，研究构建一种快速、 简便、实用的流域非点源污染负荷估算模型，固化全国不同区域模型 参数，形成规范的遥感监测与分析标准，摸清非点源污染源的空间分 布与强度，计算我国各流域非点源污染负荷总量，并通过分析评估系 统的研发，建立流域长期的非点源污染监控体系与模式，指导政府非 点源污染防治工作，

4、为流域非点源污染综合治理和控制提供科技支撑， 确保流域生态安全。项目承担单位 的建议牵头承担单位建议：其他承担单位建议：*一、项目立项的必要性及需求分析1项目立项的必要性水体污染控制与治理是国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020年)重大专项内容，也是国家环境保护“ 一五”科技发 展规划的重点发展领域及优先主题。在解决水体自身污染监测与治理的同 时，该专项明确指出需要对水体周边和流域的污染源进行防控。 当前水体 污染主要来自于点源和非点源产生的污染物，各地环保部门均将不同类型 的污染源监察列为每年环境污染防治的重点工作之一。其中非点源污染作 为影响水体环境质量的一种重要污染源，由

5、于分布范围广、起源广泛、随 机性和危害较大等特点，给该类污染物监测、控制与管理带来很大的难度， 特别是在广大的农村范围内，如何进行非点源污染监控已经成为环境保护 工作的重要内容。环保部张力军副部长指出“必须把农业源污染防治纳入 环境保护的重要议程，从根本上解决我国的水污染问题”。面对非点源污 染的严峻形势，作为污染综合防治的环保部门，有必要做好污染源的监测 以及污染量和污染强度的评估等工作。非点源污染一般指在较大范围内，由于降雨径流的淋溶和冲刷，大气、 地面和土壤中的污染物通过地表径流进入地表水和地下水，并在水体大量 富集而导致的水环境污染和水质恶化现象，研究表明非点源污染是影响水 环境的重要

6、因素之一。据不完全统计，仅农业非点源污染已影响到全球陆 地面积的30%-50%在全球12X 108 hrm的退化耕地中，约12%是由农业非 点源污染引起。在多数发达国家，非点源污染已成为水体污染的主要因素。在我国，近年来由于经济的发展、人口的增加、农药化肥的过度使用 等原因，非点源污染问题也日益严重。据文献资料显示，我国一半以上的 河流、湖泊呈现富营养化；在太湖、巢湖和滇池流域，由于人口密集，农 业生产集约化程度较高，20世纪90年代统计中，流域超过50%勺污染负 荷来自农业非点源污染；2009年，我国湖泊（水库）达到中、重富营养 化状态的个数占到61.5%严重威胁用水安全和人群身体健康，非点

7、源污 染已成为威胁生态环境的主要原因。同时，我国幅员辽阔、地区间地理特征迥异、水文过程复杂，非点源 污染产生、迁移和转化过程具有明显的不确定性，加之全国系统性的基础 数据有限等原因，使得现有基于单个区域、污染机理等因素的非点源污染 负荷模型难以完全满足全国非点源污染监控的要求。因此，针对当前我国 非点源污染的形式和特征，如何科学准确的监测流域非点源污染源空间分 布；如何建立一种简单、实用、快速、普适的流域非点源污染负荷估算模 型；如何实现全国范围内流域非点源污染信息的综合展示，已成为当前我 国非点源污染监控、治理和管理的一项重要工作。为此，本项目基于遥感与GIS空间技术，充分借鉴非点源污染研究

8、模 型的优点，结合我国在非点源污染调查工作的实际情况，研究构建一种快 速、简单、实用的流域非点源污染负荷估算模型，固化全国不同区域模型 参数，形成规范的遥感监测与分析标准，摸清非点源污染源的空间分布与 强度，计算我国各流域非点源污染负荷总量，并通过分析评估系统的研发， 建立流域长期的非点源污染监控体系与模式，指导政府非点源污染防治工 作，为流域非点源污染综合治理和控制提供科技支撑，确保流域生态安全。2.分析说明项目实施能够产生的重大经济、社会效益。通过本项目利用遥感和GIS手段，从空间角度建立不同流域非点源污 染负荷监测体系和模式，以及通过建立规范化的技术标准以及产品化的软 件系统，可以缩短非

9、点源污染监测时间、形成污染负荷量与分布的快速响 应能力；可以减少大范围开展非点源污染监测与管理中投入的人力、物力; 可以提供科学合理的现实数据与建议，辅助因地制宜开展非点源污染防 治，减少因非点源污染引起的水污染治理投入、水产养殖损失、居民健康 保护等衍生经济投入。同时，项目通过非点源污染空间强度和污染负荷深 入分析，为各地区合理使用农药化肥、加强生活和家畜污染防治、优化布 局污水处理设施和流域河道拦蓄等管理措施提供科学性指导，对全国在水 污染防治、水环境保护和规划中起到积极的作用，并在科技转化、机制创 新等方面具有非常重要的意义。二、项目目标及主要任务1主要目标(1) 构建一套流域非点源污染

10、负荷估算模型。在研究分析全国流域差异性和非点源污染特征的基础上，构建一套简 便、科学、普适的非点源污染负荷估算模型，能够获取全国范围不同流域 的非点源污染负荷和危害等级，支撑水体污染防治和非点源污染治理。(2) 建立一套规范化的非点源污染遥感监测流程。利用遥感宏观、快速获取地表数据的技术优势，针对非点源污染源类 型与分布、污染影响因子等指标，建立一套规范化的监测流程，提供规范、 标准、可对比的模型基础数据，保障模型在全国不同流域的普适性。(3) 开发一套流域非点源污染分析与展示系统。通过信息化技术，整合项目研究的技术体系和规范标准，开发一套流 域非点源污染定性分析、定量估算及成果展示系统，固化

11、项目在不同流域 分区、污染影响因子获取、污染强度空间分析、污染负荷估算等研究内容， 并利用人性化展示方式，为非点源污染监测长效实施提供产品化保障。(4) 形成一套基于空间技术的非点源污染监测模式。*通过对流域非点源污染监测的研究及示范应用的推广，形成一套基于 空间技术的从通用性模型、规范化流程、标准化体系到产品化系统四方面 的非点源污染监测模式，可用于全国不同流域长效推广使用，并提供科学 依据和合理支持。2. 研究与开发任务与内容2.1研究内容本项目立足于国内非点源污染现状，以全国流域为研究单元，充分利 用遥感技术，结合地区可获取的统计数据和常规监测数据，获取地表非点 源污染因素，对流域内非点

12、源污染进行监测与分析研究，研究思路如图 1 所示。图1非点源污染监测研究思路(1) 研究全国范围内非点源污染分区分级方法本项目从非点源污染产生和迁移的水文过程机理出发，以全国水资源 分区为基础，研究全国范围内非点源污染分区分级方法，在数据资料缺乏 全国系统性建设的条件下，为全国流域非点源污染负荷估算提供依据。该部分研究将依托全国流域划分标准，参照中国水文区划分区标 准，参照影响产汇流的地形特征、地貌类型，保证流域在较大的等级和尺 度上分区的完整性，并依据影响非点源污染产生的气候、水文基本特征， 根据农村生活、农业生产、畜禽养殖、城市径流等非点源污染类型，形成 全国非点源污染分区分级体系。（2）

13、研究非点源污染负荷量估算模型基于对流域非点源污染基本情况调查，通过对国内外非点源污染负荷 量估算模型的研究，充分利用遥感技术，结合地区可获取的统计数据和常 规监测数据，构建一个简便、科学、普适的流域非点源污染估算模型，并 基于水文水质资料，结合现场监测及查阅文献等方法确定合理的模型参数 值，实现对全国各流域主要非点源污染物（总氮、总磷）负荷量的评估。首先，研究中国不同区域非点源污染的特征，根据污染机理分析和过 程分析，分析遥感获取因素、统计数据、常规监测数据，从实用角度出发， 研究确定非点源污染产生的影响因素；其次，研究非点源污染负荷输出系数模型结构，利用半分布式途径来 计算流域尺度上年均污染

14、（总氮、总磷）负荷的数学加权公式，研究基于 半分布式的集总模型，利用遥感宏观、快速监测的流域土地利用类型等数 据，通过构建多元线性相关分析模型，建立流域土地利用类型与非点源污 染输出量的关系，得到区域污染负荷，结果多采用单位时间单位面积的负 荷量来表示（kg hm-2 a-1）;最后，研究确定不同流域的模型参数，采用基于水文水质资料的非点 源输出系数模型参数确定方法，形成固定的技术方法，确定流域不同非点源污染源的输出系数。（3）研究基于遥感的非点源污染获取技术非点源污染的主要影响因素主要包括土地利用方式、地形因子、植被 覆盖度、土壤侵蚀等，利用遥感技术研究体系化、规范化的数据提取流程 技术，为

15、流域非点源污染评估提供基础监测数据。例如： 土地利用数据获取。研究中高分辨率遥感影像提取土地利用数据 流程化技术体系，包括遥感数据预处理、土地利用分类体系的确定、解译 标志的建立、计算机自动分类、人机交互修订、野外验证、分类精度评价、 专题制图等。 植被覆盖度数据获取。利用植被覆盖度与遥感NDVI指数的相关关 系，通过使用遥感影像红光波段和近红外波段获取 NDVI数据，并研究植 被区NDVI与裸地区NDVI与植被覆盖度之间的关系，研究不同区域、时相 的像元二分法植被覆盖计算模型。 土壤数据、地形数据获取。利用土壤类型图、DEM高程数据，在 GIS软件的支持下，制定模型所需因子类型和形式的数据，

16、比如土壤质地 分析、容重分析、坡度生成、流域水系自动获取等。 土壤侵蚀强度获取。按照水利部土壤侵蚀分类分级标准（SL190-96）,结合坡度数据、土壤数据、土地利用数据和植被覆盖度数 据，建立土壤侵蚀计算模型，进行土壤侵蚀强度分级。（4）研发流域非点源污染分析与展示系统利用信息化技术将项目研究中的流程和体系进行固化，研究非点源污 染监测因子数据快速获取、污染负荷估算、成果展示以及报表自动生成等 功能，建立一套宏观、便捷、实用的全国流域非点源污染监测、评估与展 示业务化系统，实现矢量数据、遥感数据、属性数据以及计算结果的管理、 查询、显示等辅助功能，满足研究技术人员、环境保护部门等人员宏观把 握

17、流域非点源污染状况的需求，保障流域长期的非点源污染监测。主要实现的基本功能有： 提供丰富的非点源污染监测因子接口，可录入不同格式的遥感数 据、GIS数据、统计数据等； 实现全国不同流域非点源污染模型参数动态维护，可根据不同流 域的特点进行参数设置； 非点源污染强度空间分析，引入GIS空间分析功能，更加清晰和 直观的了解与分析流域非点源污染强度等级； 非点源污染负荷估算，通过输入模型所涉及的指标及参数数据， 实现流域非点源污染负荷的自动计算； 成果分析与展示，通过GIS功能实现对非点源污染空间信息成果 数据的操作及展示。（5）研建基于空间技术的非点源污染监测模式课题研究的非点源污染监测分区方法、

18、估算模型、关键因子遥感监测 技术体系、分析展示系统，为全国开展流域非点源污染监测提供从方法体 系、流程规范到产品应用的一整套解决方案，通过项目中选择一两个流域 开展的示范应用，进一步补充和完善方案细节，并深入与环保业务单位配 合，固化该流程体系，形成一套快速且普遍适用的基于空间技术的非点源 污染监测模式，并在全国不同流域可进行推广应用，以掌握全国各流域非 点源污染负荷的动态变化，为全国流域非点源污染防治提供科学指导。2.2考核指标（1）形成基于空间技术的流域非点源污染源监测技术研究报告一套， 包括全国非点源污染分区分级技术研究报告、流域非点源污染负荷评估模型研究报告、遥感非点源污染源获取技术研

19、究报告等；（2）形成流域非点源污染源监测实施技术规则和标准一套，包括全 国非点源污染分区分级成果与说明、流域非点源污染负荷评估模型说明、 流域非点源污染模型参数确定技术细则、遥感非点源污染监测技术规范、 软件使用说明书等（3）制作示范流域非点源污染强度分级及污染负荷量成果一套，包 括示范区关键因子和污染强度与负荷量矢量成果、专题图件、统计数据等;（4）制作示范流域非点源污染负荷时空格局分析报告一套；（5）形成流域非点源污染分析与展示系统一套，包括一个空间数据 库、非点源分析子系统、污染强度及污染负荷展示子系统；（6）项目拟发表学术论文2-4篇；（7）培养专业技术人才、博士硕士研究生2-4人。3

20、. 项目的技术关键、技术难点、创新点3.1关键技术（1）GIS的支持下的全国非点源污染分区分级技术。（2）快速的流域非点源污染负荷估算模型的建立技术。（3）基于遥感的非点源污染指标参数的获取技术。3.2技术难点由于影响流域非点源污染物的因素很多，且全国范围内不同流域有不 同的特点，使得确定不同分区下的模型参数值的获取成为本研究的技术难 点。3.3创新点参考国内外非点源污染研究现状，根据本项目的研究内容和关键技术，项目的创新点主要体现在以下两方面：（1）项目拟在全国范围内开展基于空间技术的非点源污染监测，针 对全国不同流域不同特点，基于非点源污染产生和迁移的水文过程机理， 结合全国水资源分区以及

21、影响产汇流的地形特征，进行全国大尺度的非点 源污染分区分级，并建立全国流域非点源污染分析与展示系统，为环保部 门水环境保护提供科学的、真实的、宏观的、现势的数据和信息。（2）将先进的遥感对地观测技术、非点源污染监测这一当前热点研 究内容有机结合，利用遥感大尺度同步监测的技术优势和 GIS强大的空间 分析能力，建立一套全国范围内普适的非点源污染监测模式，并可用于推 广应用，以掌握全国各流域非点源污染负荷的动态变化。三、相关领域国内外技术现状、发展趋势及国内现有工作基础1. 国内外技术发展趋势与现状、专利等知识产权及相关技术标准情况 分析。国外对非点源污染模型的研究，依照其研究思路、研究内容与研究

22、方 法的不同，大体上可以分为以下三个阶段：（1）统计模型阶段20世纪60-70年代之前，非点源污染模型的研究主要以统计模型阶 段为主，这一阶段研究的主要思路是分析土地利用方式与非点源污染之间 的相互关系。70年代初期，美加联合研发了一个以土地利用与非点源污 染负荷相互关系为基础的早期系数模型。该模型可以有效的估算非点源污 染负荷，经许多学者多次进行改进与深入研发，至今仍有一定应用。但这 类模型结构简单、功能少、无法模拟和估算整个非点源污染过程。(2)物理模型阶段随着对非点源污染机理研究的不断深入，研发了一批机理复杂的非点 源污染模型，并显现将非点源污染研究与3S技术综合起来的趋势。这一 阶段是

23、非点源污染模型发展的重要阶段，在此期间，模型研究有很大进步: 从简单经验模型发展为复杂机理模型，从长期平均污染负荷计算或单场次 暴雨计算上升到长时间序列模拟分析，并针对非点源污染的管理研发了大 量适用性强的模型。尤其在美国，由环保署和农业部等政府部门引导，针 对非点源污染研究，进行了实用非点源污染模型开发。开发出了大量沿用至今的模型,如：CREAM模型、GLEAM模型、ANSWER、AGNP模型、SWRR模型以及SWAT模型等。但这类模型比较复杂，有较大的区域性, 很难适用于大中尺度流域的负荷模拟，而且对参数的要求很高，率定困难, 不便于推广和应用。(3) 物理模型与GIS、RS耦合阶段20世

24、纪90年代至今，计算机技术的广泛应用，使非点源污染模型与GIS、RS等新技术更加紧密的结合起来，非点源污染模型的功能和运行效 率得到更大提高，模型在非点源污染研究中的应用更为广泛。将 GIS、RS 等技术应用于非点源污染模拟的研究是这一阶段的研究重点。目前在非点 源污染模型研究中，主要进行机理模型与各种技术部分耦合，如比较将非 点源污染模型SWAT AnnAGNP等与GIS软件、地下水模拟软件等进行耦 合。我国开始非点源污染的研究较晚，20世纪80年代初期，非点源污染 模型的研究主要集中在水体富营养化与非点源污染之间关系；土地利用方 式与非点源污染负荷之间关系方面。90年代，由于国内外对非点源

25、污染 研究的不断深入，国内非点源污染定量计算模型的研发也取得了一些成 果。对非点源污染的产污机理及其影响因素也进行一定探讨。但是由于国内自主研发的模型在不同区域的应用有较大局限性， 而国 外成熟的非点源模型适用性强且易于应用与改进，目前我国对非点源污染 的研究主要以引进的国外模型为主。针对具体研究个例引入合理模型并结 合GIS、遥感等技术进行适用化改进以取得合理应用效果是国内非点源污 染研究的一个主要方式。2. 国内现有工作基础近些年来，非点源污染受到部分省市相关部门的重视。1999年，广 东省生态环境与土壤研究所承担“珠海非点源污染及其控制研究”项目， 历时三年，对珠海市进行环境监测，科技人

26、员实地调查与进行水质水量同 步监测，运用RS与GIS技术，建立了小流域、城区非点源污染负荷估算 模型，估算出农业区、城区、土壤流失和畜禽养殖等相应区域及全市非点 源污染总负荷量，并进行了非点源污染控制分区，提出了治理珠海非点源 污染的管理对策与控制措施。中国环境与发展国际合作委员会从 2003年 下半年开始到2005年上半年开展了 “中国粮食生产的面源污染控制对策” 项目，确定一系列可选择的政策用来控制粮食生产中非点源污染问题。 2005年，天津市启动了 “天津市水资源与水环境综合管理规划”项目中 的“城市和农村非点源污染控制研究”课题，对天津市的（农村）非点源 污染进行了全面调查研究。200

27、6年，山东省环保局“山东省水质改善项 目”，对南四湖流域的点源和非点源污染特征进行分析，优化流域水质治 理方案。2008年，上海市政府与世行/GEF通过开展了上海农业和非点源 污染减少项目，目的是减少陆地农业面源污染对河流、河口、海岸与海洋 的影响，保护长江口和东海的生态环境。2008年，北京市环保局开展了“北京市水环境非点源污染调查与评估”项目，调查和研究了全市非点源 水污染物排放特征和排放规律，建立了非点源污染评估技术平台，确定了 全市非点源污染物的产生量和污染源排放清单。四、技术、经济效益及成果共享方式（1）技术、经济、社会效益分析 技术效益本项目将实现利用遥感、GIS等技术对全国范围内

28、流域非点源污染进 行监测，研发流域非点源污染监测评估系统平台以高新技术推动我国水污 染防治创新。一方面有利于我过遥感信息提取技术的发展，另一方面通过 非点源污染信息的采集、传输、存储、处理，全面服务于我国水环境监测 业务，为环保部门提咼业务技术含量，提咼业务数据精度，提升业务管理 水平。* 经济效益通过本项目利用遥感和GIS手段，从空间角度建立不同流域非点源污 染负荷监测体系和模式，以及通过建立规范化的技术标准以及产品化的软 件系统，可以缩短非点源污染监测时间、形成污染负荷量与分布的快速响 应能力；可以减少大范围开展非点源污染监测与管理中投入的人力、物力; 可以提供科学合理的现实数据与建议，辅助因地制宜开展非点源污染防 治，减少因非点源污染引起的水污染治理投入、水产养殖损失、居民健康 保护等衍生经济投入。 社会效益项目通过非点源污染空间强度和污染负荷深入分析，为各地区合理使 用农药化肥、加强生活和家畜污染防治、优化布局污水处理设施和流域河 道拦蓄等管理措施提供科学性指导，对全国在水污染防治、水环境保护和 规划中起到积极的作用，并在科技转化、机制创新等方面具有非常重要的 意义。（2）成果社会共享方式和范围本项目形成的全国不同流域非点源污染负荷估算结果直接