CN106778025A - 一种农药面源污染的模拟与评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种农药面源污染的模拟与评估方法，涉及水文与环境技术领域。从农药面源污染的产生、发展和运移过程出发，建立适合黄土丘陵区的、考虑作物需水量变化、具有物理机制的不同作物用地农药运移与分布的动态模拟方法，估算降雨和灌溉条件下农药面源污染时空分布、径流和侵蚀输出量，揭示不同参数(农药属性、农药施用方式、农业耕作措施、水文地质、水动力条件、土壤和下渗区的水力传导性能等)对农药在地表径流、土壤和地下水中运移的影响规律。以期为农业用地制定科学合理的农药施用方式、灌溉模式和面源污染控制措施提供科学的理论依据和重要的数据参考。

Description

一种农药面源污染的模拟与评估方法

技术领域

本发明涉及水文与环境技术领域，特别涉及一种农药面源污染的模拟与评估方法。

背景技术

近年来，由于人们越来越关注水环境安全，和水环境相关的农药面源污染也引起了一些学者的重视。农药面源污染是流域非点源污染的重要组成部分，其对人类健康、水环境、土壤和生物的危害最为严重。我国是世界上农药使用量最大的国家。据统计，中国农药年施用量达130多万吨，而利用率仅为30％左右，约70％的农药以大气沉降和雨水冲刷的形式进入到土壤、水体、大气和农作物中，造成地表水、土壤和地下水污染。

一般来说，农药面源污染物在自然水体环境中的产生、迁移及输出过程的研究鲜有报道。目前，酶联免疫法、色谱快速检测法、气相色谱和质谱联用是监测农药残留的重要方法，生物降解、吸附和光降解方法是研究农药在自然界水体中迁移与消亡规律的主要方法。然而，确定水体中农药浓度水平的实验程序总是耗时和昂贵的，且很难准确的区分具有相似物理化学性质属性的农药品种。

国内研究多集中在高残留的有机氯农药和施用量大、毒性强的有机磷农药的检测方法的构建、以及蔬菜水果作物中的农药残留分析方面，在区域范围对农药随降雨径流的流失过程研究甚少；并且对田间尺度的农药径流流失过程进行研究时，很少把整个区域作为一个完整的生态系统(包括大气圈、土壤圈、作物、地表径流和地下水)进行综合考虑。因此，需要寻求快速、高效和低消耗的分析方法来探索和定量分析这些污染物在水环境中的迁移和输出规律。在应用模型对农药在土壤亚表面环境迁移转化的模拟研究过程中，国外的学者已经做出了相当大的努力，并且在过去的三十年中，已经开发出了一些分析和数值模拟农药迁移模型。对于分析模型，模型通常需要较少的数据输入，且能提供连续的和精确的封闭形式的解，这就便利了计算机应用。但是，为了得到解析解，需要设置过多的假定条件以便简化初始和边界条件、水流条件、灌溉方法、以及农药的物理与生物化学过程，且已有的农药迁移分析模型不能够解释这些重要因子相互关联的过程。相比之下，数值模拟模型能够处理复杂的水流运动和污染物迁移问题(如不同的初始和边界条件，非稳态流动，生物化学动力学特性，非均匀介质和时变农药属性参数)。

发明内容

本发明实施例提供了一种农药面源污染的模拟与评估方法，用以解决现有技术中存在的问题。

一种农药面源污染的模拟与评估方法，所述方法包括：

搜集研究地区的气象、地形、土壤、土壤质地、作物、农药施用、灌溉、叶面积指数、水文水力和水质空间属性数据，根据模型需求进行参数估算，使用估算得到的数据构建环境数据库；

利用所述环境数据库中的数据建立农药综合运移模型和作物需水模型，使用农药综合运移模型模拟黄土丘陵区作物地农药面源污染的时空分布、径流与侵蚀输出量，根据所述作物需水模型模拟得到的作物灌溉需水量，分析与评价降雨和灌溉变化条件下农药面源污染物在农业用地土壤亚环境系统中的时空分布与运移规律。

优选地，所述农药综合运移模型的表达式为：

式中：C是溶解项农药污染浓度；θ是体积含水量；K_H是无量纲的亨利定律常数；t是时间；z是土壤深度；E_g是气相扩散系数；E_l是溶解相扩散系数；q是水流量；K_S是一阶降解速率常数；r是农药径流率，农药侵蚀率，植物根部农药吸收率；M是农药负荷相。

本发明的有益效果在于：本发明从农药面源污染的产生、发展和运移过程出发，建立适合黄土丘陵区的、考虑作物需水量变化、具有物理机制的不同作物用地农药运移与分布的动态模拟方法，估算降雨和灌溉条件下农药面源污染时空分布、径流和侵蚀输出量，揭示不同参数(农药属性、农药施用方式、农业耕作措施、水文地质、水动力条件、土壤和下渗区的水力传导性能等)对农药在地表径流、土壤和地下水中运移的影响规律。以期为农业用地制定科学合理的农药施用方式、灌溉模式和面源污染控制措施提供科学的理论依据和重要的数据参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种农药面源污染的模拟与评估方法中冬小麦灌溉制度设计示意图；

图2为研究区日降水量示意图；

图3为第一种农药施用方法示意图；

图4为第二种农药施用方法示意图；

图5为冬小麦农药在0.005-0.035m深土壤中的时空分布；

图6为冬小麦农药在0.035-0.185m深土壤中的时空分布；

图7为冬小麦农药在0.235-0.385m深土壤中的时空分布；

图8为不同农药施用下0.005-0.085m深土壤中的时空分布；

图9为不同农药施用下0.185-0.335m深土壤中的时空分布；

图10为农药施用与灌溉相结合时农药在0.005-0.035m深土壤中的时空分布；

图11为农药施用与灌溉相结合时农药在0.085-0.235m深土壤中的时空分布；

图12为农药施用与灌溉间隔30天时农药在0.005-0.035m深土壤中的时空分布；

图13为农药施用与灌溉间隔30天时农药在0.085-0.235m深土壤中的时空分布；

图14为灌溉时间对不同深度土壤农药浓度的影响示意图；

图15为使用最佳灌溉方法时农药在0.005-0.035m深土壤中的时空分布；

图16为使用最佳灌溉方法时农药在0.085-0.235m深土壤中的时空分布。

具体实施方式

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、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，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实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种农药面源污染的模拟与评估方法，该方法包括：

第一步骤，搜集研究地区的气象、地形、土壤、土壤质地、作物、农药施用(农药种类、施用量、施用时间、施用方式)、灌溉(灌溉量、灌溉时间、灌溉模式)、叶面积指数(LAI)、水文水力、水质等空间和属性数据，根据模型需求进行参数估算，使用估算得到的数据构建环境数据库；

第二步骤，利用所述环境数据库中的数据建立农药综合运移模型和作物需水模型，使用农药综合运移模型模拟黄土丘陵区作物用地农药面源污染的时空分布、径流与侵蚀输出量，根据所述作物需水模型模拟得到的作物灌溉需水量，分析与评价降雨和灌溉变化条件下农药面源污染物在农业用地土壤亚环境系统中的时空分布与运移规律。

下面结合具体实例对本发明的技术方案进行详细说明：

1、研究区概况

研究区位于陕西杨凌渭河三道台塬地区，东经108°248，北纬34°20纬，海拔521m，所处地理位置属于暖湿带季风半湿润气候区，年降水量635.1～663.9毫米，年均气温12.9℃。地下水埋藏较深，其向上补给量可以忽略不计。土壤质地为中壤土，1m土层的平均田间持水量为24％，凋萎含水量为8.5％(以上均为重量含水量)，平均干容重为1.44g.cm^-3。

2、农药运移模型

农药综合运移模型(IPTM-CS)开发是基于时间连续和空间离散(TC-SD)的模型，可以模拟作物-土壤系统一维、三相(溶解的、吸附的和气态的)的农药运移过程。在模拟过程中模型考虑对流、扩散(弥散)、吸附作用、蒸发、气液二相之间的线性平衡分割、降解、植物根系在下渗区的吸收、地表径流和土壤侵蚀、农药施用方法和灌溉模式对农药运移的影响。一维三相农药运移过程方程可表示为：

式中：C是溶解项农药污染浓度(M/L³)；θ是体积含水量(L³/L³)；K_H是无量纲的亨利定律常数；t是时间(T)；z是土壤深度(L)；E_g是气相扩散系数(L²/T)；E_l是溶解相扩散系数(L²/T)；q是水流量(L/T)；K_S是一阶降解速率常数(1/T)；r是农药损失率(1/T)；M是农药负荷相(M/L³/T)。

结合初始和边界条件，应用时间上连续、空间上离散的半离散方法可以将一维三相农药运移过程方程解出。对于间歇和连续的农药输入，其常微分方程可表示为：

间歇式输入：

连续式输入：

3、灌溉需水量计算

由于灌溉用水量一般比较大，对土壤中农药分布影响较为密切，所以对灌溉制度的确定非常重要。作物的灌溉制度是在作物播种前和全生育期内的灌水次数，以及每次灌水的灌水日期、灌水定额和灌溉定额。在一般的农田灌溉设计或管理中，常用到的灌溉制度确定方法有：一，依据群众丰产的灌水经验，确定作物灌溉制度；二，依据灌溉试验资料制定灌溉制度；三，依据水量平衡原理分析制定作物灌溉制度。

在气象资料、土壤资料和作物资料已知的情况下，就可以通过水量平衡原理推求作物的灌溉制度，这里以杨凌地区的相关资料为例，推求冬小麦的灌溉制度。

(1)冬小麦作物蒸发蒸腾量确定

冬小麦一般于当年10月份播种，在来年6月份成熟，气象资料选取西北农林科技大学灌排站气象观测站2010年10月1日至2011年9月30日(365d)的测量数据(见图2)，采用Penman-monteith公式计算各月的ET₀，具体公式如下：

式中：ET₀是参照腾发速率(mm/d)；R_n是作物表面上的净辐射(MJ/m²·d)；G是土壤热通量(MJ/m²·d)；T是2米高处日平均气湿(℃)；u₂是2米高处的风速(m/s)；e_s是饱合水汽压(kPa)；e_a是实际水汽压(kPa)；e_s-e_a是饱和水汽压差(kPa)；Δ是饱和水汽压曲线的倾率；γ是湿度计常数(kPa/℃)

根据气象资料，通过彭曼公式以一个月为步长确定参考作物蒸发蒸腾量。认为灌区内仅种植冬小麦，不考虑复种，实际作物蒸发蒸腾量由作物系数乘以参考作物蒸发蒸腾量得出。具体冬小麦作物系数、生育期划分以及蒸发蒸腾量见表1。

表1冬小麦各生育期划分及所需灌溉水量

(2)灌溉制度

冬小麦的灌溉制度由以下水量平衡方程式确定，具体灌溉制度见图1。

W_t-W_o＝W_T+P_o+K+M-ET

式中：W_t和W_o分别为时段末与时段初的土壤计划湿润层内的储水量(mm)，W_T为由于计划湿润层增加而增加的可利用水量(mm)，P_o为土壤计划湿润层内保存的有效降水量(mm)，K为地下水补给量，由于灌区地下水埋深大于10m,故本次计算忽略地下水补给对土壤计划湿润层内的有效含水量的影响，M为时段内的灌溉水量(mm)，ET为作物各生育阶段的需水量(mm)。

由灌溉制度设计示意图可以得出冬小麦的灌溉制度为灌溉次数：2次，第一次，1月23日，灌水定额187.4mm第二次，4月11日，灌水定额207.2mm。

4、模型参数估算

以杨凌地区冬小麦作为研究作物，进行农药综合模拟运移需要气象、土壤属性、农药参数和施用方式、作物特征、水文、水力等资料，例如图2。选择粉锈宁作为代表性农药进行模拟，其施用时间和施用量，组合选择了两种不同农药施用方案，具体见图3和图4。划分土壤空间结构参数：①假定表面区为一个单元格，其土层厚度为0.01m；②假定冬小麦根区厚度为50cm，等分为10个单元格，每个单元格厚度为0.05cm；③下渗区划分为10个单元格，每个单元格的厚度为20cm，总厚度为2m。由以上分析和相关研究和资料确定模型的各个参数值见表2。

表2杨凌地区土壤、水文水力和粉锈宁属性等参数

5、冬小麦农药的时空分布

由图5-7农药运移模拟结果可以发现：

(1)表层(0.005m)的农药运移直接受农药施用的影响，其农药浓度增长速度快，峰值达到了1.5(mg/L)，并在灌溉的作用下衰减很快。其下层土壤(0.035m)的农药运移由于其深度相对增加，所以农药浓度增长有了明显延时，最后两次间隔时间不长的农药施用产生的效果转化为一个峰值，且相比于0.005m，其峰值为0.026(mg/L)，衰减了近60倍。

(2)从表层(0.085m)开始，农药运移由于深度进一步加深，其浓度基本仅受灌溉影响，并伴随一个缓慢的浓度衰减过程。0.085m深处农药浓度峰值和0.035由灌溉引起的峰值相当，从0.135m开始土壤中农药浓度加倍衰减，到0.285m处已经不足0.002(mg/L)。

(3)由于灌溉水量引起的大量渗透水和深层渗漏的存在，上层的农药迅速向下渗漏，反而导致该层土壤农药浓度急剧上升，其值远超过该土壤本身农药浓度，甚至对于该层土壤，这成为该层土壤农药浓度上升的原因。

6、不同农药施用下农药的时空分布

由图8-9可以看出，0.005m处的农药运移依旧与农药施用时间直接相关，并且农药浓度增速快衰减慢，受灌溉影响显著；0.035m处的农药依旧有延时效应，峰值浓度与0.005m相差大约11倍；0.085m及以下深度农药浓度增长主要受灌溉影响。总体而言，农药运移规律大体一致，并且可以认为相对于降雨，灌溉是影响不同深度土壤农药运移的主要因素。

7、不同灌溉下农药的时空分布

由以上模拟可以看出灌溉对于0.085m及以下深度的土壤浓度影响比较明显，且是该深度下土壤农药浓度增长的核心因素，所以通过研究灌溉时间与农药施用时间的关系，来研究怎样的灌溉时间才能使土壤农药浓度最小，进而提出一个环保性的灌溉时间。对此，采用农药使用量比较高的第一种农药施用方案为例，研究单次农药施用和单次灌溉对农田土壤中农药浓度变化的规律。

8、农药施用与灌溉结合

由图10-11可以看出，对于0.005m深度的土壤，农药浓度到达峰值后由于灌溉冲洗而急剧降低，而对于0.035m深度的土壤，其峰值也迅速到达了0.07(mg/L)，而对于0.085m深度的土壤，受灌溉影响其土壤农药浓度立即迅速达到0.07(mg/L)，这种情况下土壤农药污染严重，应当避免发生。

9、农药施用与灌溉间隔30天

由图12-13可以看出，在灌溉推迟30以后，可以看出0.035m及以上土壤中农药浓度受灌溉影响不大，基本是随时间自行衰减，而0.085m-0.235m土壤中农药基本由灌溉引起，不过因为灌溉时间推迟时间长，所以表层农药浓度含量已经比较低，此时峰值浓度只在0.01mg/L左右。分析不同的灌溉时间对不同深度土壤农药浓度的影响(见图14)，可以发现0.085m-0.1855m深度出土壤农药浓度随灌溉时间推迟近似为指数函数降低的特征(相关系数R²分别为0.998、0.989、0.930)，所以土壤中农药浓度随着灌溉时间的推迟，有着刚开始效果明显，后效果不明显的特征，但由于灌溉推迟对于作物生长可能带来很多不利因素，所以除了从推迟灌溉时间的方法上，还可以从灌溉方式上找到对土壤农药污染影响最小的方法。

10、最佳灌溉方法和时间安排

考虑到灌溉为一次性向农田里灌溉大量的水，致使表层农药迅速向下层扩散，使得该层土壤中农药浓度急剧升高，所以为了减少灌溉对土壤农药污染的影响，除了考虑推迟灌溉时间，还可以将灌溉分散化，即将灌溉分为多次多天灌完。经过对一系列灌溉方法的比较，最终确定将灌水定额分为5次进行，每次间隔1天，可以使土壤农药污染程度最小，见图15-16。

根据图15-16可以看出，将灌水定额分次间隔进行后，因为单次的灌水量少，所以由灌溉带入深层土壤的农药变得不明显，0.085m及以下土壤农药浓度主要由后期的降雨引起，并且峰值不超过0.0025mg/L，与之对应的是表层0.005m处农药被冲刷也不明显。同时，0.035m深度土壤中的农药浓度为0.026mg/L左右，这也是通过推迟灌溉时间而使得该层土壤农药浓度所能降到的最低值。所以可以认为，将一次灌水定额分为5次进行，每次间隔1天，可以有效的防治表层农药渗入下层，造成深层土壤污染。

11、农药分布规律

土壤中农药残留取决于降雨强度和历时、农药施用模式和农田灌溉方式，其中灌溉对农药残留浓度变化最为显著；不同深度土壤的农药浓度变化趋势不同，0.035m及以下深度土壤农药浓度变化有明显延时，且受灌溉影响最为密切；农药浓度随着土壤深度迅速衰减，在正常条件下0.5m及以下深度的土壤农药浓度可以忽略不计。

12、农药运移模拟方法

根据已知的气象、降雨、土壤和作物相关系数等参数，结合农药的参数和施用方法，利用IPTM-CS软件，可以数值模拟出不同深度下土壤中农药浓度的变化过程，这对于土壤农药污染的情况预测有很大的指导作用，这可以通过改变不同的参数，来预测不同作物、不同地区的农药污染情况，起到控制污染不超标的作用。

13、农田管理制度

不同深度土壤的农药浓度受灌溉和农药施用时间影响比较大，所以通过研究灌溉时间与农药施用时间的关系，来研究怎样的灌溉时间才能使土壤农药浓度最小，进而提出一个环保性的灌溉时间。认为在本次实验条件下，灌溉时间推迟时间越久对土壤农药污染程度越小，但以不影响作物正常生长为前提；当将一次灌水定额分为5次进行，每次间隔1天，可以有效的降低深层土壤污染。这可以指导农民选择合理的灌溉时间和农药施用时间。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种农药面源污染的模拟与评估方法，其特征在于，所述方法包括：

搜集研究地区的气象、地形、土壤、土壤质地、作物、农药施用、灌溉、叶面积指数、水文水力和水质空间属性数据，根据模型需求进行参数估算，使用估算得到的数据构建环境数据库；

利用所述环境数据库中的数据建立农药综合运移模型和作物需水模型，使用农药综合运移模型模拟黄土丘陵区作物地农药面源污染的时空分布、径流与侵蚀输出量，根据所述作物需水模型模拟得到的作物灌溉需水量，分析与评价降雨和灌溉变化条件下农药面源污染物在农业用地土壤亚环境系统中的时空分布与运移规律。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述农药综合运移模型的表达式为：

$(\mathrm{\θ}\·R)\frac{\∂C}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂z}\[E_g\frac{\∂(K_H\·C)}{\∂z}\]+\frac{\∂}{\∂z}\[E_l\frac{\∂C}{\∂z}\]-\frac{\∂}{\∂z}(q\·C)-(\mathrm{\θ}\·R\·K_S)C-r\·C+M$

式中：C是溶解项农药污染浓度；θ是体积含水量；K_H是无量纲的亨利定律常数；t是时间；z是土壤深度；E_g是气相扩散系数；E_l是溶解相扩散系数；q是水流量；K_S是一阶降解速率常数；r是农药径流率，农药侵蚀率，植物根部农药吸收率；M是农药负荷相。