基于空间技术流域非点源污染监测的的研究项目建议书.docx
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基于空间技术流域非点源污染监测的的研究项目建议书
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
2008
332
001
释义
2008
水利
流水号为1
行业主管部门编号:
332——水利部361——卫生部
326——农业部432——国家林业局
418——国家海洋局416——中国气象局
468——国家中医药管理局419——中国地震局
467——国家环境保护总局334——国土资源部
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
√基本属于《纲要》水体污染控制与治理领域优先主题的范畴
□其他(请说明)
项目定位
□应急性
□培育性
√基础性
创新类型
□原始创新 √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 √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,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“十一五”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12×108hm2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%的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)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(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,为流域非点源污染评估提供基础监测数据。
例如:
1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。
②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。
③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,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。
④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:
1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;
2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;
3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;
4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;
5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、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.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:
CREAMS模型、GLEAMS模型、ANSWERS模型、AGNPS模型、SWRRB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、AnnAGNPS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。
2006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
1技术效益
本项目将实现利用遥感、GIS等技术对全国范围内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,为环保部门提高业务技术含量,提高业务数据精度,提升业务管理水平。
2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。
3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服务于国家环保部门的管理和科学研究,这套非点源污染监测模式可以推广到各省市环保部门及流域重要水源地管理机构。
五、实施年限、经费概算与资金筹措
(1)年度计划、阶段目标
本项目计划2011年1月启动,2012年12月结束。
实施阶段
目标内容
时间
第一阶段
拟定工作计划,开始着手项目实施方案的编写
第一年度
(2011.1-2011.12)
第二阶段
完成项目实施方案的编写,完成项目的分工,成立项目专家顾问组和项目工作组
第三阶段
1、国内外资料调研,编写调研报告
2、完成项目的需求调研,对需求进行梳理、分析和确认
3、完成监测和软件开发关键技术研究
第四阶段
1、开展全国范围内非点源污染分区分级技术研究及报告编写
2、开展非点源污染负荷量估算模型参数获取技术研究及报告编写
3、开展基于遥感的非点源污染源获取技术研究及报告编写
4、流域非点源污染分析与展示系统研发
5、流域非点源污染监测示范应用、报告编写、专题图制作
第二年度
(2012.1-2012.12)
第五阶段
1、研究报告汇总,组织内部评审
2、在评审意见上修改报告,并组织验收
(2)经费概算(概要说明项目经费概算情况)
本项目共需国拨经费约万元,具体概算如下表。
项目预算安排(单位:
万元)
经费来源预算
经费支出预算
科目
预算数
科目
预算数
总投资
支出预算合计
国拨
一、设备费
自筹
1.购置费
其他
2.试制费
二、相关业务费
1.材料费
2.燃料动力费
3.测试及化验费
4.会议费
5.野外考察差旅费
6.国际合作与交流
7.劳务费
8.专家咨询
9.出版费等
三、其他经费
四、课题管理费
六、必要的支撑条件、组织措施及实施方案
(1)必要外部支撑条件
本项目具备了主要的研究条件,可以直接开展研究工作。
在外部条件上,本项目依托的环保部卫星环境应用中心能够在卫星数据资料、技术力量、软硬件实验环境和对外联络方面提供面提供支持,项目参加单位可以协助提供技术力量及一些观测数据资料,国内外相关研究机构可以提供咨询和指导。
(2)项目承担单位建议
(3)组织实施方案
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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- 基于 空间技术 流域 非点源 污染监测 研究 项目 建议书
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