一種丘陵區非點源氮磷流失形態構成分布式模擬方法與流程
2023-04-25 16:59:31
本發明屬於環境工程技術領域，涉及一種丘陵區非點源氮磷流失形態構成分布式模擬方法，具體地說，涉及一種基於gis的丘陵區非點源氮磷流失形態構成分布式模擬方法。
背景技術：
形態構成比例是評估非點源汙染形成過程的重要手段，也是制定非點源汙染控制對策的理論依據。我國黃土丘陵區水沙過程的典型性使非點源氮磷負荷形態構成比例的研究顯得很有必要，而氮磷形態構成比例的分布式模擬研究對汙染控制決策的制定有重要參考作用，具體可根據非點源汙染形態構成比例特徵設置相應的流域綜合治理措施，為政府制定氮磷非點源汙染的防控決策提供依據。
在流域尺度上，模型是非點源氮磷汙染負荷研究中從多點監測擴展到整個流域的必要手段，且流域降水和下墊面特徵的空間不均勻性是分布式模型研究的必然要求。目前應用最廣泛的是scs-cn、usle/rulse與非點源汙染監測的結合，對於把降雨徑流、土壤侵蝕與非點源汙染物運移相耦合的研究報導較少。國外眾多的流域非點源汙染綜合模型如agnps、swat等的徑流模擬部分基本上採用徑流曲線數法(scs-cn)，scs法是否完全適合我國的實際情況，還需進行本地化修正；此外，scs法不包含對壤中流的單獨模擬，而壤中流對侵蝕泥沙搬運和農業非點源汙染形成也有重要貢獻，考慮到上述原因，很難根據現有集成模型估算流域氮磷流失量。
從上述分析可知，過去國內外對非點源汙染形成的子過程進行了大量的研究，取得了顯著的成果，但到目前為止，大多數研究是把分布式水文模型、土壤侵蝕模型和非點源汙染模型分開進行的，或者是水文模型與土壤侵蝕模型結合，或者是土壤侵蝕模型與非點源汙染模型結合，或者是國外開發的有局地特點的綜合模型，沒有把三者有機結合起來研究非點源汙染形態構成，更沒有與我國黃土丘陵區水沙過程的典型性和氮磷流失的特殊性相結合。因此，借鑑國內外非點源汙染的研究成果，構建溶解態與吸附態非點源汙染分布式模擬方法，定量估算吸附態與溶解態非點源汙染負荷量，分析評估非點源汙染形態構成時空分布特徵。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種丘陵區非點源氮磷流失形態構成分布式模擬方法，該方法採用野外監測與模型模擬相結合的技術途徑。在野外監測分析的基礎上，構建溶解態與吸附態非點源汙染分布式模擬方法，模擬與分析研究區非點源汙染形態構成比例特徵，形成一套丘陵區非點源汙染形態構成模擬與分析方法框架。
其具體技術方案為：
一種丘陵區非點源氮磷流失形態構成分布式模擬方法，根據收集整理的氣象、徑流、泥沙、數字高程、土壤、土地利用、植被覆蓋、行政區劃、社會經濟等相關數據與資料，通過gis技術對各種空間數據和屬性數據進行處理，製作專題圖層，進而構建具有物理機制、考慮溶解態與吸附態非點源汙染負荷的綜合模擬方法，定量模擬非點源氮磷時空分布規律與形態構成特徵。
包括以下步驟：
步驟1、觀測試驗設計與參數測定
野外觀測試驗設計：選取野外不同土地利用類型徑流測試小區和典型子流域出口：第一，改造徑流測試平臺，在人工降雨條件下監測土壤參數，人工降雨採用側噴式自動模擬降雨系統；第二，在自然降雨條件下監測水質參數；
步驟2、模型模擬
①構建基於分布式水文過程的溶解態非點源汙染模型；
②構建黃土區流域基於分布式水文過程的吸附態非點源汙染模型；
③模擬與分析黃土區小流域非點源氮磷汙染負荷形態構成特徵。
進一步，所述土壤參數測定：參照標準測試方法，對常規施肥和降雨前后土壤樣品進行採集與分析，分析指標包括總氮、硝態氮、銨態氮、總磷、土壤有機質和土壤機械組成。
進一步，所述水質參數測定：監測項目包括地表徑流量、壤中流量、總氮、水溶性氮、泥沙結合態氮、nh3-n、no2-n、no3-n，總磷、水溶性磷和泥沙結合態磷，其中自然降雨條件下試驗時間安排在研究區多雨季節，合理確定降雨前、降雨期間和降雨後的採樣時間和頻率。
再進一步，採樣點與採樣頻率：通過不同土地利用類型暴雨產生地表徑流和壤中流集流槽對徑流氮磷濃度進行監測。降雨開始，記錄開始降雨時間、初始產流時間、停水時間、徑流停止時間；坡面產流後，產流前10min內，每間隔一分鐘用塑料小桶收集徑流樣，此外每隔10min取一次樣；壤中流出現後，取樣過程與坡面徑流相同。在自然降雨條件下，子流域出口每次進行24h連續採樣，每次採樣間隔3～4h。
進一步，具體測定方法：1)水樣氮磷含量①tp：過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法；②tn：過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；③nh3-n：納氏試劑光度法，dr4000/5000分光光度儀；④no3-n：酚二磺酸光度法；⑤no2-n：n-(1-萘基)-乙二胺光度法。其中，水樣經0.45μm微孔濾膜過濾後，濾液與總氮、總磷同法測得水溶性氮與水溶性磷；泥沙結合態氮和泥沙結合態磷為總氮、總磷與水溶性氮、水溶性磷之差。2)土壤氮磷含量①全磷採用hclo4-h2so4消煮-鉬銻抗比色法測定；②全氮採用半微量凱氏法測定；③有機質採用重鉻酸鉀紅外加熱氧化法測定。
進一步，步驟2中所述構建基於分布式水文過程的溶解態非點源汙染模型具體為：
引入具有物理機制的slurp分布式水文模型，以流域土地利用類型為研究單元，模擬典型流域不同土地利用類型從降雨到徑流的整個水文循環過程；該過程易於與同樣基於不同土地利用類型來模擬溶解態非點源氮磷負荷的汙染模型耦合，從而構建與分布式水文模型耦合的溶解態非點源汙染分布式模型。
進一步，步驟2中所述構建黃土區流域基於分布式水文過程的吸附態非點源汙染模型具體為：
提出降雨徑流影響因子，把分布式水文模型的徑流模擬與土壤流失模型的徑流作用耦合，建立基於陣性降雨事件的分布式土壤侵蝕動態模型，進而構建月、年土壤侵蝕模型；藉助改進的流域空間泥沙輸移比因子，把分布式土壤侵蝕模型與吸附態非點源汙染模型連結，實現分布式水文模型和吸附態非點源汙染模型的耦合，構建基於分布式水文過程的吸附態非點源汙染模型。
進一步，步驟2中所述模擬與分析黃土區小流域非點源氮磷汙染負荷形態構成特徵具體為：
根據野外監測結果，對所建模型進行驗證；利用驗證後的流域溶解態與吸附態非點源汙染模型，估算不同降雨徑流、不同土地利用方式等條件下非點源氮、磷流失量，分析與評估研究區氮、磷非點源汙染的時空分布特徵、形態構成比例、關鍵源區等。
與現有技術相比，本發明的有益效果：
本發明為丘陵區非點源氮磷流失形態模擬提供了一條新的技術途徑，克服了溶解態與吸附態非點源負荷因發生範圍的廣泛性而無法準確定量的難題。本方法簡便易行，提高了非點源流失形態負荷的估算精度，可為非點源汙染控制決策提供技術支持。
附圖說明
圖1是丘陵區非點源氮磷流失形態構成分布式模擬與分析方法技術路線；
圖2是黃綿土坡地水文路徑：地表徑流和壤中流觀測小區示意圖；
圖3是水文模型與溶解態非點源汙染模型的分布式耦合；
圖4是水文模型與吸附態非點源汙染模型的分布式耦合；
圖5是延河流域地理位置、dem、子流域、氣象站點及甘谷驛水文站；
圖6延河流域降雨量、徑流量(a)、侵蝕產沙量模擬值與實測值對比(b)；
圖7是延河流域1999-2012降雨侵蝕力、非點源總氮、總磷及趨勢線；
圖8是延河流域1999-2012溶解態、吸附態總氮(a)與總磷(b)及變化趨勢；
圖9是延河流域1999-2012年溶解態與吸附態總氮總磷構成比例；
圖10是延河流域1995和2010年吸附態總氮負荷模數(t/hm2·a)空間分布圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方案對本發明的技術方案作進一步詳細地說明。
本發明的技術方案總體採用野外監測與模型模擬相結合的技術途徑。在野外監測分析的基礎上，構建溶解態與吸附態非點源汙染分布式模擬方法，模擬與分析研究區非點源汙染形態構成比例特徵，形成一套丘陵區非點源汙染形態構成模擬與分析方法框架(圖1)。具體方案如下：
1)觀測試驗設計與參數測定
野外觀測試驗設計：選取野外不同土地利用類型徑流測試小區和典型子流域出口：第一，改造徑流測試平臺(如圖2)，在人工降雨條件下監測地表徑流、壤中流、泥沙和土壤氮磷參數，人工降雨採用側噴式自動模擬降雨系統；第二，在自然降雨條件下監測子流域出口徑流、泥沙、土壤及其氮磷參數。
土壤參數測定：參照標準測試方法，對常規施肥和降雨前后土壤樣品進行採集與分析，分析指標包括總氮、硝態氮、銨態氮、總磷、土壤有機質和土壤機械組成等。
水質參數測定：監測項目包括地表徑流量、壤中流量、總氮、水溶性氮、泥沙結合態氮、nh3-n、no2-n、no3-n，總磷、水溶性磷和泥沙結合態磷，其中自然降雨條件下試驗時間安排在研究區多雨季節，合理確定降雨前、降雨期間和降雨後的採樣時間和頻率。
採樣點與採樣頻率：通過不同土地利用類型暴雨產生地表徑流和壤中流集流槽對徑流氮磷濃度進行監測。降雨開始，記錄開始降雨時間、初始產流時間、停水時間、徑流停止時間；坡面產流後，產流前10min內，每間隔一分鐘用塑料小桶收集徑流樣，此外每隔10min取一次樣；壤中流出現後，取樣過程與坡面徑流相同。在自然降雨條件下，子流域出口每次進行24h連續採樣，每次採樣間隔3～4h。
分析測試方法：1)水樣氮磷含量①tp：過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法；②tn：過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；③nh3-n：納氏試劑光度法，dr4000/5000分光光度儀；④no3-n：酚二磺酸光度法；⑤no2-n：n-(1-萘基)-乙二胺光度法。其中，水樣經0.45μm微孔濾膜過濾後，濾液與總氮、總磷同法測得水溶性氮與水溶性磷；泥沙結合態氮和泥沙結合態磷為總氮、總磷與水溶性氮、水溶性磷之差。2)土壤氮磷含量①全磷採用hclo4-h2so4消煮-鉬銻抗比色法測定；②全氮採用半微量凱氏法測定；③有機質採用重鉻酸鉀紅外加熱氧化法測定。
2)模型模擬
①構建基於分布式水文過程的溶解態非點源汙染模型
引入具有物理機制的slurp分布式水文模型，以流域土地利用類型為研究單元，模擬典型流域不同土地利用類型從降雨到徑流的整個水文循環過程；該過程易於與同樣基於不同土地利用類型來模擬溶解態非點源氮磷負荷的汙染模型耦合(如圖3)，從而構建與分布式水文模型耦合的溶解態非點源汙染分布式模型。
②構建黃土區流域基於分布式水文過程的吸附態非點源汙染模型
提出降雨徑流影響因子，把分布式水文模型的徑流模擬與土壤流失模型的徑流作用耦合，建立基於陣性降雨事件的分布式土壤侵蝕動態模型，進而構建月、年土壤侵蝕模型；藉助改進的流域空間泥沙輸移比因子，把分布式土壤侵蝕模型與吸附態非點源汙染模型連結，實現分布式水文模型和吸附態非點源汙染模型的耦合(如圖4)，構建基於分布式水文過程的吸附態非點源汙染模型。
③模擬與分析黃土區小流域非點源氮磷汙染負荷形態構成特徵
根據野外監測結果，對所建模型進行驗證；利用驗證後的流域溶解態與吸附態非點源汙染模型，估算不同降雨徑流、不同土地利用方式等條件下非點源氮、磷流失量，分析與評估研究區氮、磷非點源汙染的時空分布特徵、形態構成比例、關鍵源區等。
以黃土丘陵區延河流域為研究對象，根據構建的溶解態與吸附態非點源氮磷流失分布式模擬方法，模擬與分析典型流域溶解態與吸附態非點源氮磷負荷時空分布特徵。主要模擬結果如圖5-圖10所示。
黃土區典型流域非點源氮磷汙染負荷形態構成特徵如下。
(1)非點源氮磷年負荷模擬結果與驗證
由於非點源汙染負荷監測難度較大，因此非點源汙染實測值較為缺乏。為解決這個問題，本研究採用延河流域甘谷驛水文站實測泥沙數據對構建的動態產沙模型進行驗證(圖6)。從模擬值與實測值的對比情況看，多年平均產沙值的相對誤差為14.5％，雖然1996年產生了較大的計算誤差，但對流域面積較大的延河流域來說，模擬誤差在較為合理範圍內，表明本研究所建模型對1999～2012年侵蝕產沙的模擬，在多數年份取得了良好的模擬效果，模擬效果較為理想，產沙結果可用來估算吸附態非點源汙染負荷。
(2)非點源氮磷汙染負荷年際變化分析
從時間序列上看，流域降雨侵蝕力沒有一定的變化規律，其值在平均水平上下隨機波動，水文豐、枯年份出現頻率較為穩定(圖7)。非點源總氮負荷略有下降趨勢，非點源總磷負荷下降趨勢較為明顯。在個別年份隨著水文豐枯條件的變化，非點源氮磷負荷發生反彈或回落。在2002年大暴雨的情況下，氮磷負荷都產生急劇上升態勢，且總磷汙染負荷增加略高於總氮。在1999、2000年等降雨量較小的年份，氮磷負荷也較少，說明非點源氮磷汙染負荷受水文因素的影響相當顯著。總磷負荷下降趨勢明顯的原因可歸結為1999年以來的退耕還林/草工程的減水減沙效益，植被固土作用尤為突出。
(3)非點源氮磷汙染負荷形態構成分析
由圖8可以看出，非點源溶解態和吸附態總氮負荷的變化趨勢分別與降雨侵蝕力和輸沙量年際變化基本一致，說明了溶解態總氮負荷與降雨徑流量、吸附態總氮負荷與輸沙量的線性相關性。溶解態總氮負荷的趨勢規律不是十分明顯，在受水文影響隨機上下波動的同時略微有上升趨勢，原因是隨著農田化肥施用量的增多、畜禽養殖規模的擴大，伴隨降雨徑流流失的溶解態總氮量呈上升趨勢。吸附態總氮負荷由於流域出口輸沙量的逐年降低整體呈現下降趨勢，究其原因主要是流域內1999年以來水土流失治理工程的實施。另外，溶解態和吸附態非點源總磷負荷的變化趨勢同總氮汙染負荷呈現出相似的規律，都表現出溶解態負荷與徑流量、吸附態負荷與輸沙量的相關性。
由圖9可知，溶解態與吸附態非點源總氮負荷的構成比例逐年發生變化，溶解態總氮負荷所佔的比例越來越高，由1999年的53.5％上升到2012年的65.7％；吸附態總氮負荷比例有逐年降低的趨勢，原因是泥沙輸出量的顯著減少導致了吸附態總氮負荷的降低，突顯了流域水土流失治理的成效。吸附態非點源總磷的負荷整體雖有下降趨勢，但與溶解態非點源總磷相比，吸附態總磷始終佔據絕對比例。一方面說明了流域水土流失治理的成效，泥沙輸出量的減少導致了吸附態總磷汙染負荷的降低，使得吸附態總磷汙染負荷比例略微降低，另一方面說明由水土流失導致的吸附態總磷流失比例仍然較高，非點源總磷汙染的控制仍需從防治水土流失的方面來開展。
(4)非點源氮磷汙染關鍵源區識別
由於吸附態氮磷負荷空間分布大體相似，僅列出1995年和2010年延河流域非點源總氮負荷來源空間分布圖，見圖10。就非點源總氮負荷而言，退耕前延河上遊流域總氮負荷模數較大；退耕後延河上遊流域總氮負荷模數明顯減小，關鍵源區集中分布在延河中下遊流域。與總磷負荷空間分布類似，1995、2010兩典型年延河流域吸附態總氮負荷模數空間分布圖與產沙模數空間分布格局相似，總氮負荷流失峰值區域均主要發生在從流域西北部向東南部貫穿整個流域的河流沿岸兩側，而後分別向河流兩岸逐漸遞減；距離河道越近，吸附態總氮非點源汙染負荷越大，隨著距離的增大，總氮流失模數逐漸減小。1995、2010兩典型年總氮流失模數空間分布情況的變化，主要取決於相應年份土壤流失模數分布格局的狀況，這說明了吸附態總氮流失是以水土流失為基礎並隨侵蝕輸沙的變化而變化。因此，加強對土壤侵蝕過程機理的研究及持續開展水土保持項目建設對減緩流域水土流失，消減吸附態非點源汙染、調控改善水環境質量意義重大。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，本發明的保護範圍不限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可顯而易見地得到的技術方案的簡單變化或等效替換均落入本發明的保護範圍內。