CN107066808A - 一种丘陵区非点源氮磷流失形态构成分布式模拟方法 - Google Patents

一种丘陵区非点源氮磷流失形态构成分布式模拟方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

一种丘陵区非点源氮磷流失形态构成分布式模拟方法
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，涉及一种丘陵区非点源氮磷流失形态构成分布式模拟方法，具体地说，涉及一种基于GIS的丘陵区非点源氮磷流失形态构成分布式模拟方法。
背景技术
形态构成比例是评估非点源污染形成过程的重要手段，也是制定非点源污染控制对策的理论依据。我国黄土丘陵区水沙过程的典型性使非点源氮磷负荷形态构成比例的研究显得很有必要，而氮磷形态构成比例的分布式模拟研究对污染控制决策的制定有重要参考作用，具体可根据非点源污染形态构成比例特征设置相应的流域综合治理措施，为政府制定氮磷非点源污染的防控决策提供依据。
在流域尺度上，模型是非点源氮磷污染负荷研究中从多点监测扩展到整个流域的必要手段，且流域降水和下垫面特征的空间不均匀性是分布式模型研究的必然要求。目前应用最广泛的是SCS-CN、USLE/RULSE与非点源污染监测的结合，对于把降雨径流、土壤侵蚀与非点源污染物运移相耦合的研究报道较少。国外众多的流域非点源污染综合模型如AGNPS、SWAT等的径流模拟部分基本上采用径流曲线数法(SCS-CN)，SCS法是否完全适合我国的实际情况，还需进行本地化修正；此外，SCS法不包含对壤中流的单独模拟，而壤中流对侵蚀泥沙搬运和农业非点源污染形成也有重要贡献，考虑到上述原因，很难根据现有集成模型估算流域氮磷流失量。
从上述分析可知，过去国内外对非点源污染形成的子过程进行了大量的研究，取得了显著的成果，但到目前为止，大多数研究是把分布式水文模型、土壤侵蚀模型和非点源污染模型分开进行的，或者是水文模型与土壤侵蚀模型结合，或者是土壤侵蚀模型与非点源污染模型结合，或者是国外开发的有局地特点的综合模型，没有把三者有机结合起来研究非点源污染形态构成，更没有与我国黄土丘陵区水沙过程的典型性和氮磷流失的特殊性相结合。因此，借鉴国内外非点源污染的研究成果，构建溶解态与吸附态非点源污染分布式模拟方法，定量估算吸附态与溶解态非点源污染负荷量，分析评估非点源污染形态构成时空分布特征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种丘陵区非点源氮磷流失形态构成分布式模拟方法，该方法采用野外监测与模型模拟相结合的技术途径。在野外监测分析的基础上，构建溶解态与吸附态非点源污染分布式模拟方法，模拟与分析研究区非点源污染形态构成比例特征，形成一套丘陵区非点源污染形态构成模拟与分析方法框架。
其具体技术方案为：
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时空分布规律与形态构成特征。
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；
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；
③模拟与分析黄土区小流域非点源氮磷污染负荷形态构成特征。
进一步，所述土壤参数测定：参照标准测试方法，对常规施肥和降雨前后土壤样品进行采集与分析，分析指标包括总氮、硝态氮、铵态氮、总磷、土壤有机质和土壤机械组成。
进一步，所述水质参数测定：监测项目包括地表径流量、壤中流量、总氮、水溶性氮、泥沙结合态氮、NH3-N、NO2-N、NO3-N，总磷、水溶性磷和泥沙结合态磷，其中自然降雨条件下试验时间安排在研究区多雨季节，合理确定降雨前、降雨期间和降雨后的采样时间和频率。
再进一步，采样点与采样频率：通过不同土地利用类型暴雨产生地表径流和壤中流集流槽对径流氮磷浓度进行监测。降雨开始，记录开始降雨时间、初始产流时间、停水时间、径流停止时间；坡面产流后，产流前10min内，每间隔一分钟用塑料小桶收集径流样，此外每隔10min取一次样；壤中流出现后，取样过程与坡面径流相同。在自然降雨条件下，子流域出口每次进行24h连续采样，每次采样间隔3～4h。
进一步，具体测定方法：1)水样氮磷含量①TP：过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法；②TN：过硫酸钾氧化紫外分光光度法；③NH3-N：纳氏试剂光度法，DR4000/5000分光光度仪；④NO3-N：酚二磺酸光度法；⑤NO2-N：N-(1-萘基)-乙二胺光度法。其中，水样经0.45μm微孔滤膜过滤后，滤液与总氮、总磷同法测得水溶性氮与水溶性磷；泥沙结合态氮和泥沙结合态磷为总氮、总磷与水溶性氮、水溶性磷之差。2)土壤氮磷含量①全磷采用HCLO4-H2SO4消煮-钼锑抗比色法测定；②全氮采用半微量凯氏法测定；③有机质采用重铬酸钾红外加热氧化法测定。
进一步，步骤2中所述构建基于分布式水文过程的溶解态非点源污染模型具体为：
引入具有物理机制的SLURP分布式水文模型，以流域土地利用类型为研究单元，模拟典型流域不同土地利用类型从降雨到径流的整个水文循环过程；该过程易于与同样基于不同土地利用类型来模拟溶解态非点源氮磷负荷的污染模型耦合，从而构建与分布式水文模型耦合的溶解态非点源污染分布式模型。
进一步，步骤2中所述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具体为：
提出降雨径流影响因子，把分布式水文模型的径流模拟与土壤流失模型的径流作用耦合，建立基于阵性降雨事件的分布式土壤侵蚀动态模型，进而构建月、年土壤侵蚀模型；借助改进的流域空间泥沙输移比因子，把分布式土壤侵蚀模型与吸附态非点源污染模型链接，实现分布式水文模型和吸附态非点源污染模型的耦合，构建基于分布式水文过程的吸附态非点源污染模型。
进一步，步骤2中所述模拟与分析黄土区小流域非点源氮磷污染负荷形态构成特征具体为：
根据野外监测结果，对所建模型进行验证；利用验证后的流域溶解态与吸附态非点源污染模型，估算不同降雨径流、不同土地利用方式等条件下非点源氮、磷流失量，分析与评估研究区氮、磷非点源污染的时空分布特征、形态构成比例、关键源区等。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明为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，提高了非点源流失形态负荷的估算精度，可为非点源污染控制决策提供技术支持。
附图说明
图1是丘陵区非点源氮磷流失形态构成分布式模拟与分析方法技术路线；
图2是黄绵土坡地水文路径：地表径流和壤中流观测小区示意图；
图3是水文模型与溶解态非点源污染模型的分布式耦合；
图4是水文模型与吸附态非点源污染模型的分布式耦合；
图5是延河流域地理位置、DEM、子流域、气象站点及甘谷驿水文站；
图6延河流域降雨量、径流量(a)、侵蚀产沙量模拟值与实测值对比(b)；
图7是延河流域1999-2012降雨侵蚀力、非点源总氮、总磷及趋势线；
图8是延河流域1999-2012溶解态、吸附态总氮(a)与总磷(b)及变化趋势；
图9是延河流域1999-2012年溶解态与吸附态总氮总磷构成比例；
图10是延河流域1995和2010年吸附态总氮负荷模数(t/hm2·a)空间分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
本发明的技术方案总体采用野外监测与模型模拟相结合的技术途径。在野外监测分析的基础上，构建溶解态与吸附态非点源污染分布式模拟方法，模拟与分析研究区非点源污染形态构成比例特征，形成一套丘陵区非点源污染形态构成模拟与分析方法框架(图1)。具体方案如下：
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(如图2)，在人工降雨条件下监测地表径流、壤中流、泥沙和土壤氮磷参数，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子流域出口径流、泥沙、土壤及其氮磷参数。
土壤参数测定：参照标准测试方法，对常规施肥和降雨前后土壤样品进行采集与分析，分析指标包括总氮、硝态氮、铵态氮、总磷、土壤有机质和土壤机械组成等。
水质参数测定：监测项目包括地表径流量、壤中流量、总氮、水溶性氮、泥沙结合态氮、NH3-N、NO2-N、NO3-N，总磷、水溶性磷和泥沙结合态磷，其中自然降雨条件下试验时间安排在研究区多雨季节，合理确定降雨前、降雨期间和降雨后的采样时间和频率。
采样点与采样频率：通过不同土地利用类型暴雨产生地表径流和壤中流集流槽对径流氮磷浓度进行监测。降雨开始，记录开始降雨时间、初始产流时间、停水时间、径流停止时间；坡面产流后，产流前10min内，每间隔一分钟用塑料小桶收集径流样，此外每隔10min取一次样；壤中流出现后，取样过程与坡面径流相同。在自然降雨条件下，子流域出口每次进行24h连续采样，每次采样间隔3～4h。
分析测试方法：1)水样氮磷含量①TP：过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法；②TN：过硫酸钾氧化紫外分光光度法；③NH3-N：纳氏试剂光度法，DR4000/5000分光光度仪；④NO3-N：酚二磺酸光度法；⑤NO2-N：N-(1-萘基)-乙二胺光度法。其中，水样经0.45μm微孔滤膜过滤后，滤液与总氮、总磷同法测得水溶性氮与水溶性磷；泥沙结合态氮和泥沙结合态磷为总氮、总磷与水溶性氮、水溶性磷之差。2)土壤氮磷含量①全磷采用HCLO4-H2SO4消煮-钼锑抗比色法测定；②全氮采用半微量凯氏法测定；③有机质采用重铬酸钾红外加热氧化法测定。
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
引入具有物理机制的SLURP分布式水文模型，以流域土地利用类型为研究单元，模拟典型流域不同土地利用类型从降雨到径流的整个水文循环过程；该过程易于与同样基于不同土地利用类型来模拟溶解态非点源氮磷负荷的污染模型耦合(如图3)，从而构建与分布式水文模型耦合的溶解态非点源污染分布式模型。
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
提出降雨径流影响因子，把分布式水文模型的径流模拟与土壤流失模型的径流作用耦合，建立基于阵性降雨事件的分布式土壤侵蚀动态模型，进而构建月、年土壤侵蚀模型；借助改进的流域空间泥沙输移比因子，把分布式土壤侵蚀模型与吸附态非点源污染模型链接，实现分布式水文模型和吸附态非点源污染模型的耦合(如图4)，构建基于分布式水文过程的吸附态非点源污染模型。
③模拟与分析黄土区小流域非点源氮磷污染负荷形态构成特征
根据野外监测结果，对所建模型进行验证；利用验证后的流域溶解态与吸附态非点源污染模型，估算不同降雨径流、不同土地利用方式等条件下非点源氮、磷流失量，分析与评估研究区氮、磷非点源污染的时空分布特征、形态构成比例、关键源区等。
以黄土丘陵区延河流域为研究对象，根据构建的溶解态与吸附态非点源氮磷流失分布式模拟方法，模拟与分析典型流域溶解态与吸附态非点源氮磷负荷时空分布特征。主要模拟结果如图5-图10所示。
黄土区典型流域非点源氮磷污染负荷形态构成特征如下。
(1)非点源氮磷年负荷模拟结果与验证
由于非点源污染负荷监测难度较大，因此非点源污染实测值较为缺乏。为解决这个问题，本研究采用延河流域甘谷驿水文站实测泥沙数据对构建的动态产沙模型进行验证(图6)。从模拟值与实测值的对比情况看，多年平均产沙值的相对误差为14.5％，虽然1996年产生了较大的计算误差，但对流域面积较大的延河流域来说，模拟误差在较为合理范围内，表明本研究所建模型对1999～2012年侵蚀产沙的模拟，在多数年份取得了良好的模拟效果，模拟效果较为理想，产沙结果可用来估算吸附态非点源污染负荷。
(2)非点源氮磷污染负荷年际变化分析
从时间序列上看，流域降雨侵蚀力没有一定的变化规律，其值在平均水平上下随机波动，水文丰、枯年份出现频率较为稳定(图7)。非点源总氮负荷略有下降趋势，非点源总磷负荷下降趋势较为明显。在个别年份随着水文丰枯条件的变化，非点源氮磷负荷发生反弹或回落。在2002年大暴雨的情况下，氮磷负荷都产生急剧上升态势，且总磷污染负荷增加略高于总氮。在1999、2000年等降雨量较小的年份，氮磷负荷也较少，说明非点源氮磷污染负荷受水文因素的影响相当显著。总磷负荷下降趋势明显的原因可归结为1999年以来的退耕还林/草工程的减水减沙效益，植被固土作用尤为突出。
(3)非点源氮磷污染负荷形态构成分析
由图8可以看出，非点源溶解态和吸附态总氮负荷的变化趋势分别与降雨侵蚀力和输沙量年际变化基本一致，说明了溶解态总氮负荷与降雨径流量、吸附态总氮负荷与输沙量的线性相关性。溶解态总氮负荷的趋势规律不是十分明显，在受水文影响随机上下波动的同时略微有上升趋势，原因是随着农田化肥施用量的增多、畜禽养殖规模的扩大，伴随降雨径流流失的溶解态总氮量呈上升趋势。吸附态总氮负荷由于流域出口输沙量的逐年降低整体呈现下降趋势，究其原因主要是流域内1999年以来水土流失治理工程的实施。另外，溶解态和吸附态非点源总磷负荷的变化趋势同总氮污染负荷呈现出相似的规律，都表现出溶解态负荷与径流量、吸附态负荷与输沙量的相关性。
由图9可知，溶解态与吸附态非点源总氮负荷的构成比例逐年发生变化，溶解态总氮负荷所占的比例越来越高，由1999年的53.5％上升到2012年的65.7％；吸附态总氮负荷比例有逐年降低的趋势，原因是泥沙输出量的显著减少导致了吸附态总氮负荷的降低，突显了流域水土流失治理的成效。吸附态非点源总磷的负荷整体虽有下降趋势，但与溶解态非点源总磷相比，吸附态总磷始终占据绝对比例。一方面说明了流域水土流失治理的成效，泥沙输出量的减少导致了吸附态总磷污染负荷的降低，使得吸附态总磷污染负荷比例略微降低，另一方面说明由水土流失导致的吸附态总磷流失比例仍然较高，非点源总磷污染的控制仍需从防治水土流失的方面来开展。
(4)非点源氮磷污染关键源区识别
由于吸附态氮磷负荷空间分布大体相似，仅列出1995年和2010年延河流域非点源总氮负荷来源空间分布图，见图10。就非点源总氮负荷而言，退耕前延河上游流域总氮负荷模数较大；退耕后延河上游流域总氮负荷模数明显减小，关键源区集中分布在延河中下游流域。与总磷负荷空间分布类似，1995、2010两典型年延河流域吸附态总氮负荷模数空间分布图与产沙模数空间分布格局相似，总氮负荷流失峰值区域均主要发生在从流域西北部向东南部贯穿整个流域的河流沿岸两侧，而后分别向河流两岸逐渐递减；距离河道越近，吸附态总氮非点源污染负荷越大，随着距离的增大，总氮流失模数逐渐减小。1995、2010两典型年总氮流失模数空间分布情况的变化，主要取决于相应年份土壤流失模数分布格局的状况，这说明了吸附态总氮流失是以水土流失为基础并随侵蚀输沙的变化而变化。因此，加强对土壤侵蚀过程机理的研究及持续开展水土保持项目建设对减缓流域水土流失，消减吸附态非点源污染、调控改善水环境质量意义重大。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一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。
2.根据权利要求1所述的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，所述土壤参数测定：参照标准测试方法，对常规施肥和降雨前后土壤样品进行采集与分析，分析指标包括总氮、硝态氮、铵态氮、总磷、土壤有机质和土壤机械组成。
3.根据权利要求1所述的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，所述水质参数测定：监测项目包括地表径流量、壤中流量、总氮、水溶性氮、泥沙结合态氮、NH3-N、NO2-N、NO3-N，总磷、水溶性磷和泥沙结合态磷，其中自然降雨条件下试验时间安排在研究区多雨季节，合理确定降雨前、降雨期间和降雨后的采样时间和频率。
4.根据权利要求3所述的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，采样时间和频率：通过不同土地利用类型暴雨产生地表径流和壤中流集流槽对径流氮磷浓度进行监测；降雨开始，记录开始降雨时间、初始产流时间、停水时间、径流停止时间；坡面产流后，产流前10min内，每间隔一分钟用塑料小桶收集径流样，此外每隔10min取一次样；壤中流出现后，取样过程与坡面径流相同；在自然降雨条件下，子流域出口每次进行24h连续采样，每次采样间隔3～4h。
5.根据权利要求1所述的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，具体测定方法：1)水样氮磷含量①TP：过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法；②TN：过硫酸钾氧化紫外分光光度法；③NH3-N：纳氏试剂光度法，DR4000/5000分光光度仪；④NO3-N：酚二磺酸光度法；⑤NO2-N：N-(1-萘基)-乙二胺光度法；其中，水样经0.45μm微孔滤膜过滤后，滤液与总氮、总磷同法测得水溶性氮与水溶性磷；泥沙结合态氮和泥沙结合态磷为总氮、总磷与水溶性氮、水溶性磷之差；2)土壤氮磷含量①全磷采用HCLO4-H2SO4消煮-钼锑抗比色法测定；②全氮采用半微量凯氏法测定；③有机质采用重铬酸钾红外加热氧化法测定。
6.根据权利要求1所述的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，步骤2中所述构建基于分布式水文过程的溶解态非点源污染模型具体为：
引入具有物理机制的SLURP分布式水文模型，以流域土地利用类型为研究单元，模拟典型流域不同土地利用类型从降雨到径流的整个水文循环过程；该过程易于与同样基于不同土地利用类型来模拟溶解态非点源氮磷负荷的污染模型耦合，从而构建与分布式水文模型耦合的溶解态非点源污染分布式模型。
7.根据权利要求1所述的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，步骤2中所述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具体为：
提出降雨径流影响因子，把分布式水文模型的径流模拟与土壤流失模型的径流作用耦合，建立基于阵性降雨事件的分布式土壤侵蚀动态模型，进而构建月、年土壤侵蚀模型；借助改进的流域空间泥沙输移比因子，把分布式土壤侵蚀模型与吸附态非点源污染模型链接，实现分布式水文模型和吸附态非点源污染模型的耦合，构建基于分布式水文过程的吸附态非点源污染模型。
8.根据权利要求1所述的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，步骤2中所述模拟与分析黄土区小流域非点源氮磷污染负荷形态构成特征具体为：
根据野外监测结果，对所建模型进行验证；利用验证后的流域溶解态与吸附态非点源污染模型，估算不同降雨径流、不同土地利用方式的条件下非点源氮、磷流失量，分析与评估研究区氮、磷非点源污染的时空分布特征、形态构成比例、关键源区。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107655961A (zh) * 2017-09-26 2018-02-02 临沂大学 基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值的方法
CN107704684A (zh) * 2017-10-09 2018-02-16 中国科学院生态环境研究中心 非点源磷污染指数模型的构建及交互应用方法
CN108536908A (zh) * 2018-03-01 2018-09-14 北京师范大学 基于非点源氮磷流失风险对流域水环境安全评估的方法
CN108717453A (zh) * 2018-05-21 2018-10-30 河海大学 一种基于gis平台的平原河网区污染负荷计算方法
CN111680385A (zh) * 2020-04-13 2020-09-18 郑州大学环境技术咨询工程有限公司 一种流域内水土流失面源污染物入河量核算方法
CN111955305A (zh) * 2020-08-24 2020-11-20 广西壮族自治区农业科学院 一种坡地糖料蔗的清洁生产方法
CN113033020A (zh) * 2021-04-16 2021-06-25 中国水利水电科学研究院 一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法
CN113654943A (zh) * 2021-04-13 2021-11-16 北京师范大学 环境系统模拟中化学物质的土壤行为模拟方法
CN115758068A (zh) * 2022-11-15 2023-03-07 东北农业大学 一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法
CN116108662A (zh) * 2023-01-14 2023-05-12 四川省环境政策研究与规划院 一种人口城镇化对流域磷污染负荷的驱动模型

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006121268A1 (en) * 2005-05-09 2006-11-16 Engitech, Inc. Non-point source pollution treatment apparatus
CN103020424A (zh) * 2012-11-22 2013-04-03 北京师范大学 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

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006121268A1 (en) * 2005-05-09 2006-11-16 Engitech, Inc. Non-point source pollution treatment apparatus
CN103020424A (zh) * 2012-11-22 2013-04-03 北京师范大学 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

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴磊: "三峡库区典型区域氮、磷和农药非点源污染物随水文过程的迁移转化及其归趋研究", 《中国博士学位论文全文数据库信息科技I辑》 *
吴邦灿等: "《辽宁省水利普查技术与应用》", 30 April 2014, 辽宁科学技术出版社 *
徐立红等: "基于流域降雨强度的氮磷输出系数模型改进及应用", 《农业工程学报》 *

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107655961B (zh) * 2017-09-26 2020-07-21 临沂大学 基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值的方法
CN107655961A (zh) * 2017-09-26 2018-02-02 临沂大学 基于沉积物同位素分析的计算农业面源重金属流失负荷值的方法
CN107704684A (zh) * 2017-10-09 2018-02-16 中国科学院生态环境研究中心 非点源磷污染指数模型的构建及交互应用方法
CN108536908B (zh) * 2018-03-01 2021-10-15 北京师范大学 基于非点源氮磷流失风险对流域水环境安全评估的方法
CN108536908A (zh) * 2018-03-01 2018-09-14 北京师范大学 基于非点源氮磷流失风险对流域水环境安全评估的方法
CN108717453A (zh) * 2018-05-21 2018-10-30 河海大学 一种基于gis平台的平原河网区污染负荷计算方法
CN108717453B (zh) * 2018-05-21 2020-05-05 河海大学 一种基于gis平台的平原河网区污染负荷计算方法
CN111680385A (zh) * 2020-04-13 2020-09-18 郑州大学环境技术咨询工程有限公司 一种流域内水土流失面源污染物入河量核算方法
CN111680385B (zh) * 2020-04-13 2023-05-02 郑州大学环境技术咨询工程有限公司 一种流域内水土流失面源污染物入河量核算方法
CN111955305B (zh) * 2020-08-24 2022-04-01 广西壮族自治区农业科学院 一种坡地糖料蔗的清洁生产方法
CN111955305A (zh) * 2020-08-24 2020-11-20 广西壮族自治区农业科学院 一种坡地糖料蔗的清洁生产方法
CN113654943A (zh) * 2021-04-13 2021-11-16 北京师范大学 环境系统模拟中化学物质的土壤行为模拟方法
CN113033020B (zh) * 2021-04-16 2022-02-01 中国水利水电科学研究院 一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法
CN113033020A (zh) * 2021-04-16 2021-06-25 中国水利水电科学研究院 一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法
CN115758068A (zh) * 2022-11-15 2023-03-07 东北农业大学 一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法
CN115758068B (zh) * 2022-11-15 2024-04-16 东北农业大学 一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法
CN116108662A (zh) * 2023-01-14 2023-05-12 四川省环境政策研究与规划院 一种人口城镇化对流域磷污染负荷的驱动模型
CN116108662B (zh) * 2023-01-14 2023-10-20 四川省环境政策研究与规划院 一种人口城镇化对流域磷污染负荷的驱动模型

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