CN104933300B - 流域农业面源污染物河道削减系数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流域农业面源污染物河道削减系数计算方法，包括：获取目标流域中典型小流域数据；根据典型小流域数据构造典型小流域的水土评价模型SWAT；根据SWAT获取典型小流域中各子流域内进入河道氮磷负荷Load_Lr以及典型小流域中各子流域对流域出水口的贡献率Load_Lo；根据水系数据获取典型小流域内河道总长度Length_Lr；根据Load_Lr、Load_Lo和Length_Lr，获取目标流域农业面源污染物河道削减系数。上述方法能简单、准确、快速地获取流域农业面源污染物河道削减系数，成本低，可以大尺度全面铺开。

Description

流域农业面源污染物河道削减系数计算方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种流域农业面源污染物河道削减系数计算方法。

背景技术

随着农业的快速发展，化肥农药用量、畜禽养殖数量以及农村生活水平高速增长，农业面源污染逐渐成为影响水环境质量的主要因素之一。由于目前农业面源污染具有随机性、间歇性及广域性等特点，且污染物从污染源排放到沟渠、河道的传输过程中存在复杂的物理、化学及生物过程，决定了流域农业面源污染入湖负荷定量化估算的难度。

流域河道是农业面源排放氮、磷等污染物流经沟渠后，进入目标水体前的最终通道,其中的氮、磷在迁移转化过程中会被截留,从而最终减少进入水体的污染负荷,因此,河道对流失氮、磷的控制起着重要作用。

目前，我国农业面源污染负荷的测算主要以小尺度的样地原位监测获得的排污系数估算为主，如2007年开展的“第一次全国污染源普查”工作，在全国范围内依据主要种植模式特征，布设了全国农业面源污染国控监测网，估算出了农业面源的氮、磷排放量。但该类方法忽视了污染物迁移过程中，发生的一系列复杂过程对污染负荷估算的影响，没有估算农业面源污染产生的实际入湖(河)量。入湖(河)口的断面监测虽然可以较为准确地得到污染物进入目标水体的量，但人工、时间、花费等投入成本较大，不利于大尺度全面铺开；且由于这种终端估算式的方法得到的污染负荷为上游汇水区各个景观单元点源、面源的混合量，难以量化某一具体组成单元的入湖(河)量。

现有技术的基于污染物产生、传输过程的面源污染机理模型，如非点源污染模型(ArealNon-pointSource WatershedEnvironment ResponseSimulation，简称ANSWERS)、来自农田管理系统的化学物质、径流和侵蚀模型(Chemicals Runoff and Erosion forAgricultural Management Systems，简称CREAM)、水蚀预测模型(WaterErosionPredictionProject，简称WEPP)、农业非点源模型(AgriculturalNon-pointSource，简称AGNPS)和水土评价模型(Soil and Water Assessment Tool，简称SWAT)等，一方面解决了污染物迁移过程难以量化的问题，另一方面解决了不同具体单元污染物入湖(河)量难以区分的问题。但由于模型结构复杂，基础数据、参数数据需求量大，在一定程度上制约了其在较大尺度上的应用效果。

鉴于此，如何简单、准确、快速地获取流域农业面源污染物河道削减系数成为当前需要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种流域农业面源污染物河道削减系数计算方法，能够简单、准确、快速地获取流域农业面源污染物河道削减系数，成本低，可以大尺度全面铺开。

本发明提供一种流域农业面源污染物河道削减系数计算方法，包括：

获取目标流域中典型小流域数据，所述典型小流域数据包括：典型小流域的基本信息调查数据、典型小流域及其子流域出水口定期采样的水文水质数据、气象数据、数字高程模型DEM数据、水系数据以及土地数据，所述水文水质数据包括：典型小流域及其子流域的径流量、泥沙量、总氮量、总磷量；

根据所述典型小流域数据构造所述典型小流域的水土评价模型SWAT；

根据所述SWAT获取所述典型小流域中各子流域内进入河道氮磷负荷Load_Lr以及所述典型小流域中各子流域对流域出水口的贡献率Load_Lo；

根据所述水系数据获取所述典型小流域内河道总长度Length_Lr；

根据Load_Lr、Load_Lo和Length_Lr，获取所述目标流域农业面源污染物河道削减系数。

可选地，所述气象数据，包括：目标小流域的降雨、温度、太阳辐射、风速和相对湿度。

可选地，获取目标流域中典型小流域的数据中的土地数据，包括：

收集目标流域中典型小流域的土地利用图，分析土地利用类型与分布，建立土地利用数据库；

收集目标流域中典型小流域的土壤类型图，以土壤类型图为基础，通过土壤类型转制，结合二次土壤普查数据库及土壤空间采样，建立土壤空间、属性数据库。

可选地，在所述根据所述典型小流域数据构造所述典型小流域的水土评价模型SWAT之后，在所述根据所述SWAT获取所述典型小流域中各子流域内进入河道氮磷负荷Load_Lr以及所述典型小流域中各子流域对流域出水口的贡献率Load_Lo之前，还包括：

运转SWAT模型，并根据所获取的水文水质数据对所述SWAT模型进行参数校准和验证；

相应地，所述根据所述SWAT获取所述典型小流域中各子流域内进入河道氮磷负荷Load_Lr以及所述典型小流域中各子流域对流域出水口的贡献率Load_Lo，具体为：

根据参数校准和验证后的SWAT，获取所述典型小流域中各子流域内进入河道氮磷负荷Load_Lr以及所述典型小流域中各子流域对流域出水口的贡献率Load_Lo。

可选地，所述运转SWAT模型，并根据所获取的水文水质数据对所述SWAT模型进行参数校准和验证，包括：

通过水系提取、子流域划分、水文响应单元生成、气象过程，运转SWAT模型，并根据所获取的水文水质数据对所述SWAT模型进行参数校准和验证。

可选地，所述根据Load_Lr、Load_Lo和Length_Lr，获取所述目标流域农业面源污染物河道削减系数，包括：

根据Load_Lr、Load_Lo和Length_Lr，通过第一公式计算得到所述目标流域农业面源污染物河道削减系数Factor_rr；

所述第一公式为：

由上述技术方案可知，本发明的流域农业面源污染物河道削减系数计算方法，能够简单、准确、快速地获取流域农业面源污染物河道削减系数，成本低，可以大尺度全面铺开。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的流域农业面源污染排放入湖途径示意图；

图2为本发明一实施例提供的流域农业面源污染物河道削减系数计算方法的流程示意图；

图3为本发明一实施例提供的凤羽河小流域位置图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了流域农业面源污染排放入湖途径示意图，其中，1是农业种植业源氮磷排放途径，2是农业畜禽养殖业源氮磷排放途径，3是农业水产养殖业源氮磷排放途径，4是农业农村生活源氮磷排放途径，5是流域农业面源氮磷沟渠迁移过程，6是流域农业面源氮磷河道迁移过程，7是流域农业面源氮磷入湖界面。

图2示出了本发明一实施例提供的流域农业面源污染物河道削减系数计算方法的流程示意图，如图2所示，本实施例的流域农业面源污染物河道削减系数计算方法如下所述。

101、获取目标流域中典型小流域数据，所述典型小流域数据包括：典型小流域的基本信息调查数据、典型小流域及其子流域出水口定期采样的水文水质数据、气象数据、数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)数据、水系数据以及土地数据，所述水文水质数据包括：典型小流域及其子流域的径流量、泥沙量、总氮量、总磷量等。

在具体应用中，在获取目标流域中典型小流域的基本信息调查数据时，可通过查阅当地统计资料及农户调查，获取所述典型小流域内耕作、施肥、灌溉等农田管理及人口、养殖等社会产业数据，为模型提供背景资料；应在所述典型小流域出水口以及其子流域出水口设定长期定位采样点，定期采集水样，观测所述典型小流域及子流域的径流量、泥沙量、总氮、总磷等数据；所述气象数据可包括：典型小流域的降雨、温度、太阳辐射、风速和相对湿度等。

在具体应用中，获取目标流域中典型小流域的数据中的土地数据，可包括：收集目标流域中典型小流域的土地利用图，分析土地利用类型与分布，建立土地利用数据库；收集目标流域中典型小流域的土壤类型图，以土壤类型图为基础，通过土壤类型转制，结合二次土壤普查数据库及土壤空间采样，建立土壤空间、属性数据库。

可理解的是，本步骤获取数字高程模型DEM数据，可以为模型提供基本的地理空间数据。本实施例的水系数据为水系图，举例来说，可以通过DEM数据提取水系图，也可以通过目标流域中典型小流域的卫星遥感图像提取水系图等。

应说明的是，在本步骤101之前，应先在目标流域中选择典型小流域。典型研究区一般应满足以下几个特点：(1)典型性，与目标的大区域的气象、水文、地形等自然及种植模式、农田管理措施等人为特征一致，涵盖大区域所有的土壤类型及土地利用方式；(2)数据完整，模型模拟所需要的高程、土壤、土地利用图等空间数据及土壤属性、气象、水文、水质等属性数据完备；(3)便利性，流域所处位置便于交通，且为封闭流域，出口较为单一，便于水文、水质监测。

102、根据所述典型小流域数据构造所述典型小流域的水土评价模型SWAT。

103、根据所述SWAT获取所述典型小流域中各子流域内进入河道氮磷负荷Load_Lr以及所述典型小流域中各子流域对流域出水口的贡献率Load_Lo；

104、根据所述水系数据获取所述典型小流域内河道总长度Length_Lr。

105、根据Load_Lr、Load_Lo和Length_Lr，获取所述目标流域农业面源污染物河道削减系数。

在具体应用中，本步骤105可以包括：

根据Load_Lr、Load_Lo和Length_Lr，通过第一公式计算得到所述目标流域农业面源污染物河道削减系数Factor_rr；

所述第一公式为：

本实施例的流域农业面源污染物河道削减系数计算方法，通过获取目标流域中典型小流域数据(典型小流域的数据包括：典型小流域的基本信息调查数据、典型小流域及其子流域出水口定期采样的水文水质数据、气象数据、数字高程模型DEM数据、水系数据以及土地数据，水文水质数据包括：典型小流域及其子流域的径流量、泥沙量、总氮量、总磷量等)，根据典型小流域数据构造典型小流域的水土评价模型SWAT，根据SWAT获取典型小流域中各子流域内进入河道氮磷负荷Load_Lr以及典型小流域中各子流域对流域出水口的贡献率Load_Lo，根据水系数据获取典型小流域内河道总长度Length_Lr，根据Load_Lr、Load_Lo和Length_Lr，获取目标流域农业面源污染物河道削减系数，能简单、准确、快速地获取流域农业面源污染物河道削减系数，成本低，可以大尺度全面铺开。

在上述步骤102之后，在上述步骤103之前，还可以包括图中未示出的步骤103’：

103’、运转SWAT模型，并根据所获取的水文水质数据对所述SWAT模型进行参数校准和验证；

相应地，上述步骤103具体为：

根据参数校准和验证后的SWAT，获取所述典型小流域中各子流域内进入河道氮磷负荷Load_Lr以及所述典型小流域中各子流域对流域出水口的贡献率Load_Lo。

在具体应用中，在上述步骤103’中，可通过水系提取、子流域划分、水文响应单元(Hydrologic Research Unit，简称HRU)生成、气象过程，运转SWAT模型，并根据所获取的水文水质数据对所述SWAT模型进行参数校准和验证。

通过对SWAT模型进行参数校准和验证，本实施例所获取的目标流域农业面源污染物河道削减系数更加准确。

举例来说，本实施例可以选择高原湖泊典型小流域——云南省大理市凤羽河小流域为例，计算高原湖泊流域的河道削减系数。

凤羽河流域地处东经99°51′31〞－100°01′46〞，北纬25°52′48〞－26°05′52〞，位于云南西部大理州洱源县城西南，是洱海流域一个典型子流域。地形为山地丘陵，海拔2072-3621m，流域面积219km2。气候属北亚热带高原季风气候，四季温差不大，年均温度13.9℃；年平均降水量745mm，冬春干旱，夏秋多雨，雨旱两季分明，5-10月为雨季，雨天多，降雨量大且集中；11月至次年4月为旱季，天气晴朗干燥，雨量稀少。土地利用方式以水田、旱地、林地和荒草地为主，主要作物有水稻、玉米、大蒜、蚕豆和油菜。土壤类型以麻黑汤土、麻灰汤土、棕红土和水稻土为主。

图3示出了本发明一实施例提供的凤羽河小流域位置图，本实施例的流域农业面源污染物河道削减系数计算方法如下所述。

201、获取高原湖泊流域中凤羽河小流域数据，所述凤羽河小流域数据包括：凤羽河小流域的基本信息调查数据、凤羽河小流域及其子流域出水口定期采样的水文水质数据、气象数据、数字高程模型DEM数据、水系数据以及土地数据，所述水文水质数据包括：凤羽河小流域及其子流域的径流量、泥沙量、总氮量、总磷量等。

在具体应用中，在获取凤羽河小流域的基本信息调查数据时，可通过查阅凤羽河小流域统计资料及农户调查，获取流域内耕作、施肥、灌溉等农田管理及人口、养殖等社会产业数据，为模型提供背景资料；应在凤羽河小流域出水口以及其子流域出水口设定长期定位采样点，连续3年在汛期、非汛期定期采集水样，观测凤羽河小流域及子流域的径流量、泥沙量、总氮、总磷等数据；可通过气象网站下载或自建小型气象站监测，收集汇总模型所需要的降雨、温度、太阳辐射、风速和相对湿度等气象数据；从国家基础信息中心下载数字高程模型DEM数据，为模型提供基本的地理空间数据；所述水系数据为水系图，举例来说，可以通过DEM数据提取水系图，也可以通过凤羽河小流域的卫星遥感图像提取水系图等；从当地国土资源部门收集土地利用图，分析土地利用类型与分布，建立土地利用数据库；以中科院南土所1:100万的土壤类型图为基础，通过土壤类型转制，查阅二次土壤普查数据库及土壤空间采样，建立土壤空间、属性数据库。

202、根据凤羽河小流域数据构造所述典型小流域的水土评价模型SWAT。

203、通过水系提取、子流域划分、水文响应单元生成、气象过程，运转SWAT模型，并根据所获取的水文水质数据对所述SWAT模型进行参数校准和验证。

204、根据参数校准和验证后的SWAT，获取凤羽河小流域中各子流域内进入河道氮磷负荷Load_Lr为179.4吨/年以及凤羽河小流域中各子流域对流域出水口的贡献率Load_Lo为79.4吨/年。

205、根据所述水系数据获取凤羽河小流域内河道总长度Length_Lr。

206、根据Load_Lr、Load_Lo和Length_Lr，通过第一公式计算得到高原湖泊流域的农业面源污染物河道削减系数Factor_rr为0.56t/km；

所述第一公式为：

本实施例的流域农业面源污染物河道削减系数计算方法，能够简单、准确、快速地获取高原湖泊流域农业面源污染物河道削减系数，成本低，可以大尺度全面铺开。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种流域农业面源污染物河道削减系数计算方法，其特征在于，包括：

获取目标流域中典型小流域数据，所述典型小流域数据包括：典型小流域的基本信息调查数据、典型小流域及其子流域出水口定期采样的水文水质数据、气象数据、数字高程模型DEM数据、水系数据以及土地数据，所述水文水质数据包括：典型小流域及其子流域的径流量、泥沙量、总氮量、总磷量；

根据所述典型小流域数据构造所述典型小流域的水土评价模型SWAT；

运转SWAT模型，并根据所获取的水文水质数据对所述SWAT模型进行参数校准和验证；

根据参数校准和验证后的SWAT，获取所述典型小流域中各子流域内进入河道氮磷负荷Load_Lr以及所述典型小流域中各子流域对流域出水口的贡献率Load_Lo；

根据所述水系数据获取所述典型小流域内河道总长度Length_Lr；

根据Load_Lr、Load_Lo和Length_Lr，通过第一公式计算得到所述目标流域农业面源污染物河道削减系数Factor_rr；

所述第一公式为：

<mrow> <msub> <mi>Factor</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Load</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Load</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>Length</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气象数据，包括：目标小流域的降雨、温度、太阳辐射、风速和相对湿度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取目标流域中典型小流域的数据中的土地数据，包括：

收集目标流域中典型小流域的土地利用图，分析土地利用类型与分布，建立土地利用数据库；

收集目标流域中典型小流域的土壤类型图，以土壤类型图为基础，通过土壤类型转制，结合二次土壤普查数据库及土壤空间采样，建立土壤空间、属性数据库。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运转SWAT模型，并根据所获取的水文水质数据对所述SWAT模型进行参数校准和验证，包括：

通过水系提取、子流域划分、水文响应单元生成、气象过程，运转SWAT模型，并根据所获取的水文水质数据对所述SWAT模型进行参数校准和验证。