[发明专利]一种基于人工降雨实验的北方平原农田区非点源污染负荷估算方法

摘要

本发明是一种基于人工降雨实验的北方平原农田区非点源污染负荷估算的方法，属于农业非点源污染负荷量估算领域。该估算方法主要包括：1)田间尺度：进行人工降雨模拟实验，对降雨量、降雨历时、径流系数进行监测，对收集的径流水样进行污染物的监测，掌握研究区农田地表径流及污染物输出特征，确定本土化的输出系数，建立本地化的非点源输出特征数据库；2)流域尺度：结合相关资料，构建完善的输出模型数据库，进行非点源污染负荷的模型估算。采用公式计算农田区非点源污染负荷量，包括面上产生、入河及进入受纳水体负荷量，并分析其空间分布。本方法提高了农田区非点源污染负荷的估算的准确度，为非点源污染识别和污染控制提供决策支持。

主权项

一种基于人工降雨实验的北方平原农田区非点源污染负荷估算的方法，包括如下步骤：1) 田间尺度数据库建立a) 人工降雨实验：结合地区降雨量空间分布和土地利用类型种类，选定具有代表性实验点，进行人工降雨模拟实验。实验过程中，记录降雨径流量、径流总量、采样间隔时间。根据收集水样，采用国家标准方法测定径流中污染物质含量，分析测定农田土壤水分及理化性质，掌握研究区当地农田在不同降雨强度、施肥及植被覆盖自然条件下地表径流特征及其氮磷污染物输出状况。b) 确定输出系数，建立输出特征数据库：根据步骤a)结合实验数据，确定本地化输出系数，包括产流时间、径流量、污染物次降雨径流平均浓度(EMC)、污染物多场降雨径流平均浓度(SMC)；建立本地化的非点源输出特征数据库，所述数据库包括径流系数(a)及输出系数(E)。2) 流域尺度非点源负荷估算c) 建立模型数据库：基于雨量站降雨数据，通过克里格空间插值方法获得流域降水量分布图；利用降水量等值线图与径流深图叠加的方式获取地表径流系数图；利用遥感影像数据获取流域内土地利用类型的种类、数量极其空间分布。在此基础上，为流域尺度模拟建立数据库。d) 非点源污染负荷模型估算：按照产生‑入河‑受纳水体的关系建立本地化的输出系数模型，进行流域尺度非点源污染的模拟，得到该区域农田区非点源污染物的负荷量，并结合GIS确定污染的空间分布情况。本发明中，步骤a)中的人工降雨模拟实验根据该地区气象站点历年实测降雨监测统计资料，设置大、中、小三个梯度的降雨强度及不同降雨历时。本发明中，步骤b)中污染物次降雨径流平均浓度EMC的计算公式为： EMC = M 0 V 0 = ∫ 0 t C t Q t dt ∫ 0 t Q t dt = Σ C t Q t Δt Σ Q t Δt 式中：M0表示整个径流过程中污染物的总量，单位为g；V0表示总径流量，单位为m3；Ct表示t时刻污染物的浓度，单位为mg/L；Qt表示t时刻径流流量，单位为m3/min；△t表示采样时间间隔，单位为min。SMC的公式为： SMC = Σ j = 1 n V j × EMC j / Σ j = 1 n V j 式中：SMC表示多场降雨径流平均浓度，单位为mg/L；Vj表示第j场降雨径流量，单位 为m3；EMCj表示第j场降雨的次降雨径流平均浓度，单位为mg/L；n表示降雨场次。本发明中，步骤b)中径流系数a的公式为：a＝V0/V式中：a表示径流系数，为无量纲常数；V0表示总径流量，单位为m3；V表示总降雨量，单位为m3。污染物输出系数Ej的公式为： E j = Σ j 10 - 2 a · W · SMC j 式中：j为不同农田类型种类；a表示当地多年平均地表径流系数，为无量纲常数；W表示当地实测年降雨量，单位为mm；SMCj表示当地某类农田类型多场降雨径流污染物平均浓度，单位为mg/L；10‑2为单位转换系数。本发明中，步骤d)中根据下面的公式进行该区域农田区非点源污染物的荷量估算，并确定污染物的空间分布情况。其中，农田非点源污染产生负荷：按公式 L 0 = Σ j E j · A j 计算式中：L0表示不同农田类型非点源污染物输出负荷，单位为kg/a；j为农田类型种类；Ej表示不同农田类型的非点源污染物输出系数，单位为kg/(ha·a)；Aj表示第j类农田类型面积。农田污染物入河负荷：按公式L1＝μA·L0计算式中：L1表示该农田非点源污染入河负荷(kg)；μA为某类型农田非点源污染入河系数，为无量纲参数，范围0～1。农田污染物进入受纳水体：按公式L2＝ζA·L1计算式中：L2表示农田非点源污染进入受纳水体负荷(kg)；ζA为河道迁移系数，为无量纲参数，范围0～1。