[发明专利]一种丘陵区非点源氮磷流失形态构成分布式模拟方法

摘要

本发明公开了一种丘陵区非点源氮磷流失形态构成分布式模拟方法，根据收集整理的气象、径流、泥沙、数字高程、土壤、土地利用、植被覆盖、行政区划、社会经济等相关数据与资料，通过GIS技术对各种空间数据和属性数据进行处理，制作专题图层，进而构建具有物理机制、考虑溶解态与吸附态非点源污染负荷的综合模拟方法，定量模拟非点源氮磷流失形态时空分布特征。与现有模拟方法相比，本发明为黄土丘陵区非点源氮磷流失形态模拟提供了一条新的技术途径，克服了溶解态与吸附态非点源负荷因发生范围的广泛性而无法准确定量的难题。本方法简便易行，提高了非点源流失负荷形态构成比例的估算精度，可为非点源污染控制决策提供技术支持。

主权项

一种丘陵区非点源氮磷流失形态构成分布式模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、观测试验设计与参数测定野外观测试验设计：选取野外不同土地利用类型径流测试小区和典型子流域出口：第一，改造径流测试平台，在人工降雨条件下监测土壤参数，人工降雨采用侧喷式自动模拟降雨系统；第二，在自然降雨条件下监测水质参数；步骤2、模型模拟①构建基于分布式水文过程的溶解态非点源污染模型；A.土地利用溶解态氮磷污染输出模型土壤表层的氮磷元素在降雨滴溅下析出，溶入地表径流，在径流携带下流向流域出口，因此不同土地利用类型输出的溶解态氮磷污染因气象条件、土地利用方式、土壤质地以及土壤表层氮含量的不同而随时空变化；参考国内外非点源污染模型中溶解态氮磷污染负荷的算法，采用下式估算流域不同土地利用类型上的溶解态氮磷输出量：P＝cApBr   (2)式中，WL为第i年不同土地利用溶解态总氮、总磷输出量，t；Qi,j为第i年第j类土地利用类型上的地表径流量，亿m3，由分布式水文模型模拟得到；Ci,j为第i年第j类土地利用类型上地表径流中溶解态总氮、总磷的浓度，mg/L；P为降水输入氮磷量；c为降水中营养物质浓度，g/m3；Ap为年降雨量，mm；Br为径流系数；B.农村居民点污染输出模型农村生活污染主要考虑生活污水及畜禽养殖产生的污染，使用排污系数法进行估算；畜禽粪便污染输出量采用排泄系数法，即流域内各种畜禽数量乘以单个畜禽每年排出粪尿量再乘以粪尿中氮磷的含量；考虑污染物在输移到附近河网过程中的损失，引入入河系数，即得到农村生活和畜禽养殖对附近河网的污染输出量，估算式为：式中，WA为第i年流域内农村生活污染和畜禽养殖氮磷污染的输出量，t/a；Pi,j为第i年第j类污染源的个体数目，指区域农业人口数量或畜禽数量，人或头、只；为第j类污染源的排污/泄系数，为kg/人·a或kg/头·a；γj为污染物入河系数；C.溶解态非点源污染综合模型W＝μ(WL+WA)                                 (4)μ＝Ra/R                                      (5)α＝21.586β‑7.1891                                  (8)式中，W为溶解态非点源污染负荷；μ为降雨侵蚀力年变化系数；Ra为年降雨侵蚀力MJ.mm.hm‑2h‑1；R为多年平均降雨侵蚀力；Ri为半月降雨侵蚀力；k为半月周期内的天数；Pj为本月周期内第j天的降雨量；α和β为模型参数；Pd12为日降雨量大于12mm时的日均降雨量；Py12为日降雨量大于12mm时的年均降雨量；②构建黄土区流域基于分布式水文过程的吸附态非点源污染模型；借助中国土壤流失方程，将降雨侵蚀因子与受水文因素影响的泥沙输移因子设计成水文影响因子，把生物措施、工程措施、耕作措施以及受土地管理影响的泥沙输移因子设计成人类活动影响因子，构建流域逐年泥沙输移动态模型，改进后的流域逐年输沙量计算方程如式(9)所示：Qs,i＝A×K×LS×(Ri×λq,i)×(Bi×Ei×Ti×λm,i)            (9)其中：A为年土壤侵蚀模数，t/hm2·a；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/hm2·h·a；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/hm2·MJ·mm；L为坡长因子，无量纲；S为坡度因子，无量纲；B为生物措施因子，无量纲；E为工程措施因子，无量纲；T为耕作措施因子，无量纲；下标i表示第i年的值；λq,i：受水文因素影响的逐年流域泥沙输移因子；λm,i：受人类土地管理活动影响的逐年流域泥沙输移因子；λq,i：水文因素对泥沙输移最突出的影响表现在降雨径流将泥沙从侵蚀发生处向河道的推移搬运作用；借助径流泥沙搬运力TC，λq,i的表达式表示为：式中，TC为径流泥沙搬运力kg·m‑3；q为流量；为了反映人类的土地经营管理活动对泥沙输移的影响，在考虑λm,i、生物措施B因子、工程措施E因子、耕作措施T因子逐年变化的条件下，引入人类活动影响系数αi，其表达式为：将(10)‑(11)式带入(9)式中，最终得到流域泥沙输移逐年动态计算公式如下所示：式中：λ及BET均取流域多年平均值；在参考SWAT模型、AGNPS模型和相关研究的基础上，采用如下公式计算流域出口每年吸附在泥沙中的氮磷非点源污染负荷：LpN,i＝Qs,i·CsN·ηi                                   (13)LpP,i＝Qs,i·CsP·ηi                                  (14)ηi＝7.4·Qs，i‑0.2·Tf        (15)式中，LpN,i，LpP,i分别为流域出口的非点源吸附态氮、磷污染负荷，t/a；CsN、CsP为表层土壤中氮、磷元素的含量，％，由土壤信息空间数据库查询获得；ηi为污染物富集率；Tf为土壤质地综合因子，与土壤机械组成、土壤有机质含量等相；③模拟与分析黄土区典型流域非点源氮磷污染负荷形态构成特征。