CN109063904B - 一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，在典型流域的农业区，通过确定m到n年进入地下水的氮污染量、第n年地下水氮污染的量、第m年地下水氮污染的量及地下水在m到n年期间地下水中氮污染的衰减量，基于氮的均衡模型方程计算得到m到n年地下水向地表水输运氮污染量，可通过采集相关统计数据及实验数据进行计算，方法简单，成本低，对确定的农业区的氮污染量估算较为准确，可为农业区氮污染的治理和防控提供科学的指导。
Description
技术领域
本发明属于水环境科学和水资源管理技术领域，具体涉及一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法。
背景技术
氮是促进农作物生长和提高农作物产量必不可少的营养元素。然而，过量的氮素会导致农田生态系统中的地表水体缺氧、富营养化，引发严重的水体污染问题。研究表明，农业面源是造成水体氮污染的主要原因，而农业面源中的氮污染物主要通过地表径流和地下径流进入地表水体，已有关于氮污染的研究多针对其随地表径流进入地表水体，而忽略其随地下径流进入地表水体的研究。据估算，密西西比河所携带的硝酸盐氮70％以上来自地下水；依阿华州Raccoon河年径流总量的60％和硝酸盐总量的65％以上均来自地下水；在我国沙颍河流域，2010年由地下水进入地表水中的硝酸盐氮达3.06万吨，占进入地表水硝酸盐氮总量的40％左右。可见，地下水向地表水输运的氮占地表水氮污染物总量相当大的比例，定量评价地下水向地表水的氮输运量，对流域地表水氮污染总量控制具有十分重要的意义。
相关技术中，从流域尺度识别出地下水向地表水排氮的高风险区域，在高风险区域采取氮运输阻断控制区降低地下水中向地表水运输的氮含量，但不能确定地下水向地表水输运氮含量。
目前，该方面技术较少，仅有的现有技术，需基于水流模型和氮污染物产生传输过程的面源污染机理模型两方面来估算地下水向地表水的氮输运量，由于模型结构复杂、所需参数繁多、部分基础数据难以获取，在一定程度上制约了其在大流域尺度上的应用效果。
鉴于此，如何能简单、准确、快速地获取地下水向地表水的氮输运量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，，本发明的实施例提供了一种可估算流域农业区地下水向地表水输运氮污染量的方法，从水循环角度，基于地表水与地下水之间的质量平衡构建氮均衡模型方程，间接估算地下水向地表水的氮输运量，模型结构简单、所需参数较少、数据获取相对容易，对确定的农业区的氮污染量估算较为准确，在大流域尺度同样适用，可简单、准确、快速的估算流域农业区地下水向地表水输运的氮污染量。
本发明实施例采用的技术方案是，一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，包括以下步骤：
1)典型流域农业区的确定，建立m～n年均衡期地下水氮的均衡模型方程；
Smn+Gm-Pmn-Dmn＝Gn (1)
其中，Smn指m到n年氮污染物进入地下水的量，Gn指第n年地下水氮污染的量，Gm指第m年地下水氮污染的量，Pmn指m到n年地下水向地表水输运氮污染量，Dnm指在m到n年期间地下水中氮污染的衰减量，n＞m；
2)通过所述地下水氮的均衡模型方程得到计算地下水向地表水输运氮污染量的方程；
Pmn＝Smn+Gm-Gn-Dmn (2)
3)计算所述典型流域农业区从m到n年氮污染进入地下水的量Smn，并确定淋溶系数；
4)分别确定第m年、第n年受氮污染的水体体积，分别计算受污染水体中的氮污染物浓度，通过得到的受污染水体体积及氮污染物浓度分别计算得到第m年、第n年地下水氮污染的量Gm、Gn；
5)确定地下水中氮的衰减速率，计算m到n年期间地下水中氮污染的衰减量Dnm；
6)根据计算得到Smn、Gm、Gn、Dnm，通过公式(2)计算得到地下水向地表水输运氮污染量Pmm。
优选地，所述步骤1)中，所述典型流域农业区从m到n年氮污染进入地下水的量Smn通过公式(3)计算，
Smn＝(Ni-No)*l (3)
其中，Ni是指m到n年流域农业区氮输入总量，No是指m到n年流域农业区氮输出总量，l是指淋溶系数；所述氮输入总量Ni是化肥施用氮含量、人畜返田氮含量、生物固氮含量、大气沉降氮含量、种子带入氮含量和秸秆还田氮含量的总和；所述氮输出总量No为作物收获氮、反硝化脱氮、氨挥发脱氮含量的总和。
优选地，所述化肥施用氮含量通过化肥施用总量与化肥中的氮含量计算得到。
优选地，所述人畜返田氮通过统计的农业人口数量、牲畜数量与相应的单位人畜排污系数计算得到。
优选地，所述生物固氮含量通过确定的各类固氮生物总量及其固氮率计算得到。
优选地，所述大气沉降氮含量为大气氮湿沉降量与大气氮干沉降量的总和。
优选地，所述种子带入氮含量通过籽粒含氮量、单位面积种子投入量及作物种植面积计算得到。
优选地，所述秸秆还田氮含量通过作物年产量、茎秆与籽粒比值、茎秆含氮量和秸秆返田比值计算得到。
优选地，所述作物收获氮含量通过农作物的产量及单位产量的氮的摄取量计算得到。
优选地，所述反硝化脱氮量为有机肥反硝化脱氮量与化肥反硝化脱氮量的总和。
优选地，所述氨挥发脱氮量为化肥氮挥发量、有机肥氨挥发量与土壤背景值排放量的总和。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，从水循环角度，基于地表水与地下水之间的质量平衡，构建氮均衡模型方程，模型结构简单、所需参数较少、数据获取相对容易，对确定的农业区的氮污染量估算较为准确，在大流域尺度同样适用，可简单、准确、快速的估算流域农业区地下水向地表水输运的氮污染量。在典型流域的农业区，通过确定m到n年氮污染物进入地下水的量、第n年地下水氮污染的量、第m年地下水氮污染的量及地下水在m到n年期间地下水中氮污染的衰减量，计算得到m到n年地下水向地表水输运氮污染量，可通过采集相关统计数据及实验数据进行计算，方法简单，对确定的农业区的氮污染量估算较为准确，可为农业区氮污染的治理和防控提供科学的指导。
附图说明
图1是本发明实施例的估算方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例一
请参考图1，本发明的实施例提供了一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，包括以下步骤：
1)典型流域农业区的确定，建立m～n年均衡期地下水氮的均衡模型方程；
Smn+Gm-Pmn-Dmn＝Gn (1)
其中，Smn指m到n年氮污染物进入地下水的量，Gn指第n年地下水氮污染的量，Gm指第m年地下水氮污染的量，Pmn指m到n年地下水向地表水输运氮污染量，Dnm指m到n年期间地下水中氮污染的衰减量，n＞m；
具体地，所述典型流域农业区从m到n年氮污染进入地下水的量Smn通过公式(3)计算，
Smn＝(Ni-No)*l (2)
其中，Ni是指m到n年流域农业区氮输入总量，No是指m到n年流域农业区氮输出总量，l是指淋溶系数；所述氮输入总量Ni是化肥施用氮含量、人畜返田氮含量、生物固氮含量、大气沉降氮含量、种子带入氮含量和秸秆还田氮含量的总和；所述氮输出总量No为作物收获氮、反硝化脱氮、氨挥发脱氮含量的总和。
2)通过所述地下水氮的均衡模型方程得到计算地下水向地表水输运氮污染量的方程；
Pmn＝Smn+Gm-Gn-Dmn (3)
3)计算所述典型流域农业区从m到n年氮污染进入地下水的量Smn，并确定淋溶系数；氮在土壤-地下水系统循环中，经过一系列的矿化、固化、硝化、反硝化、氨化等迁移转化过程，主要以硝酸盐的形式污染地下水；氮素移动性大，不易在土壤中贮存，未被作物吸收利用的硝态氮极易向下淋洗；淋溶系数的确定主要与降雨量、施肥量、土壤类型有关；
4)分别确定第m年、第n年受氮污染的水体体积，分别计算受污染水体中的氮污染物浓度，通过得到的受污染水体体积及氮污染物浓度分别计算得到第m年、第n年地下水氮污染的量Gm、Gn；受氮污染的水体体积可通过相关统计数据获得，污染水体中的氮浓度可采取取样检测获得；
5)确定地下水中氮的衰减速率，计算m到n年期间地下水中氮污染的衰减量Dnm；氮的衰减速率根据选定区域通过实验获得或者采用相关统计数据获得；
6)根据计算得到Smn、Gm、Gn、Dnm，通过公式(3)计算得到地下水向地表水输运氮污染量Pmn。
进一步地，所述化肥施用氮含量通过化肥施用总量与化肥中的氮含量计算得到。化肥施用总量可通过统计获得，化肥中的氮含量为已知的，两者的乘积即是化肥施用氮含量。
进一步地，所述人畜返田氮含量通过统计的农业人口数量、牲畜数量与相应的单位人畜排污系数计算得到。农业人口数量、牲畜数量通过统计数据获得，二单位排污系数可通过计算得到，两者的乘积即为人畜返田氮的含量。
进一步地，所述生物固氮含量通过确定的各类固氮生物总量及其固氮率计算得到。生物种类通过统计数据获得，而生物固氮率根据各类生物的特性实验获得。
进一步地，所述大气沉降氮含量为大气氮湿沉降量与大气氮干沉降量的总和。
进一步地，所述种子带入氮含量通过籽粒含氮量、单位面积种子投入量及作物种植面积计算得到。单位面积种子投入量及作物种植面积均可通过统计数据获得，三者的乘积即为种子带入氮含量。
进一步地，所述秸秆还田氮含量通过作物年产量、茎秆与籽粒比值、茎秆含氮量和秸秆返田比值计算得到。统计作物年产量，计算茎秆与籽粒比值、茎秆含氮量和秸秆返田比值，得到的数值相乘即为秸秆还田氮。
进一步地，所述作物收获氮含量通过农作物的产量及单位产量的氮的摄取量计算得到。单位产量的氮的摄取量通过计算得到，而农作物的产量通过统计数据可获得，两者的乘积即为作物收获氮
进一步地，所述反硝化脱氮量为有机肥反硝化脱氮量与化肥反硝化脱氮量的总和。
进一步地，所述氨挥发脱氮量为化肥氮挥发量、有机肥氨挥发量与土壤背景值排放量的总和。
实施例二
采用本发明实施例一的方法估算某一流域农业区地下水向地表水输运氮污染量，具体包括以下步骤：
1)以该流域35个地级市为单位，建立2012～2013年均衡期地下水氮素均衡模型方程；
2)通过所述地下水氮的均衡模型方程得到计算地下水向地表水输运氮污染量的方程；
3)计算所述典型流域农业区从2012到2013年氮污染进入地下水的量Smn，并确定淋溶系数；
其中，氮污染进入地下水的量Smn包括化肥施用、人畜粪便返田氮、生物固氮、大气沉降氮、种子带入氮、秸秆返田氮6个部分；
氮肥折纯量和复合肥施用折纯的含氮量共同构成化肥氮的输入；通过当地统计年鉴获取该流域35个地级市氮肥和复合肥的折纯量为该区化肥氮的输入量；
人畜粪便返田氮数据具体见表1，并按照公式(4)计算总量；
表1人畜粪便返田氮系数表
L总＝L存栏+L出栏×β (4)
其中，L存栏表示畜禽年末存栏数，L出栏表示畜禽当年出栏；β是校正系数(假设一年中平均每月的畜禽出栏量相等)；
大气中悬浮的尘埃中含有大量氮元素，沉降到农田中，为农田输入氮量，具体为农业用地面积乘以单位面积的氮沉降量，得到通过大气沉降输入到农田中的氮量；大气沉降数据可来源于当地环境监测站的环境监测数据；
空气中含有大量氮，可通过固氮植物和固氮微生物将其固定到土壤中。根据固氮量的不同，固氮生物可以分为共生固氮植物(包括豆类、花生、豆科绿肥)、非固氮植物、土壤微生物(包括旱地非共生固氮、水田非共生固氮)3种类型，其固氮率见表2；将该流域收集的35个市耕地面积与固氮率相乘即可得到生物固氮量；
表2流域生物固氮率
种子带入氮含量也是农业生态系统的一个重要来源，其计算方式通过籽粒含氮量与单位面积种子投入量及其作物种植面积相乘得到；目前关于种子带入氮的农作物类型包括：水稻、玉米、大豆、油菜、葵花仔、小麦、高粱、麻类、甜菜等；根据该流域概况介绍：小麦、水稻、玉米、油菜、花生是流域主要作物类型，因此本次种子含氮量和秸秆含氮量主要考虑小麦、水稻、玉米、油菜、花生，其对应参数见表3；
秸秆作为传统有机氮不仅能够改良土壤性质，又能给农田提供养分,秸秆还田指将不宜直接作饲料的秸秆直接或堆积腐熟后输入土壤的方法；秸秆还田氮可以经过一定处理返还农田和直接在农田焚烧后返还农田；秸秆还田带入氮通过年产量与草谷比以及不同作物秸秆氮含量和返田率相乘得到；秸秆焚烧返田氮量等于作物年产量乘以草谷比、作物的焚烧比例以及秸秆焚烧产生氮的系数，具体见表3；
表3秸秆与种子带入氮参数表
该流域氮输出量主要包括：作物收获、氨挥发、反硝化氮输出3个部分；作物氮输出在氮输出量中占到很大比例，根据每种作物的产量及单位产量的氮的摄取量，分别计算各作物的氮输出量，各种农作物的氮的摄取量具体参数见表4；
表4农作物的氮的摄取量参数表
氨挥发分为两部分：一部分为化肥的挥发，另一部分为有机肥的挥发；化肥的挥发在水田和和旱田中分别占25％和9％；有机肥的挥发按照IPCC(1996)制定的标准为20％；反硝化脱氮分为两部分，一部分为有机肥脱氮，一部分为化肥反硝化作用；其中化肥反硝化中水田和旱地反硝化氮输出系数分别是32％和15％，有机肥反硝化氮输出系数为13％；
进入该流域地下水氮素在5％～15％之间，同时根据数据统计结果发现，流域各市降雨量在335.3～1039.3mm之间，施肥量在2.96～34.32×104t/a之间，土壤类型在粘土、壤土、砂土三种类型之间；因此按降水量低于800mm，施肥量低于10万吨，土壤类型为粘土的淋溶系数设置为5％，另外降水量高于1000mm，施肥量高于20万吨，土壤类型为砂土的淋溶系数设置为15％，其余为10％；
根据上述数据计算可得到该流域2012～2013年氮输入、氮输出量及最终进入地下水的量Smn，具体见表5。
表5 2012-2013年流域农业区氮收支平衡表
4)分别确定2012年、2013年该流域农业区受氮污染的水体体积，分别计算受污染水体中的氮污染物浓度，通过得到的受污染水体体积及氮污染物浓度分别计算得到2012年、2013年地下水氮污染的量Gm、Gn；受氮污染的水体体积可通过相关统计数据获得，污染水体中的氮浓度可采取取样检测或查阅地下水水质监测数据获得；
5)确定地下水中氮的衰减速率，计算2012到2013年期间地下水中氮污染的衰减量量Dnm；氮的衰减速率根据选定区域通过实验获得或者采用相关统计数据获得；
6)根据计算得到Smn、Gm、Gn、Dnm，通过公式(2)计算得到该流域农业区地下水向地表水输运氮污染量Pmn。其余同实施例一。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，其特征是，包括以下步骤：
1)典型流域农业区的确定，建立m～n年均衡期地下水氮的均衡模型方程；
Smn+Gm-Pmn-Dmn＝Gn (1)
其中，Smn指m到n年氮污染物进入地下水的量，Gn指第n年地下水氮污染的量，Gm指第m年地下水氮污染的量，Pmn指m到n年地下水向地表水输运氮污染量，Dnm指m到n年期间地下水中氮污染的衰减量，n＞m；
2)通过所述地下水氮的均衡模型方程得到计算地下水向地表水输运氮污染量的方程；
Pmn＝Smn+Gm-Gn-Dmn (2)
3)计算所述典型流域农业区从m到n年氮污染进入地下水的量Smn，并确定淋溶系数；
4)分别确定第m年、第n年受氮污染的水体体积，分别计算受污染水体中的氮污染物浓度，通过得到的受污染水体体积及氮污染物浓度分别计算得到第m年、第n年地下水氮污染的量Gm、Gn；
5)确定地下水中氮的衰减速率，计算m到n年期间地下水中氮污染的衰减量Dnm；
6)根据计算得到Smn、Gm、Gn、Dnm，通过公式(2)计算得到地下水向地表水输运氮污染量Pmn。
2.根据权利要求1所述的一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，其特征是，所述步骤1)中，所述典型流域农业区从m到n年氮污染进入地下水的量Smn通过公式(3)计算，
Smn＝(Ni-No)*l (3)
其中，Ni是指m到n年流域农业区氮输入总量，No是指m到n年流域农业区氮输出总量，l是指淋溶系数；所述氮输入总量Ni是化肥施用氮含量、人畜返田氮含量、生物固氮含量、大气沉降氮含量、种子带入氮含量和秸秆还田氮含量的总和；所述氮输出总量No为作物收获氮、反硝化脱氮、氨挥发脱氮含量的总和。
3.根据权利要求2所述的一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，其特征是，所述化肥施用氮含量通过化肥施用总量与化肥中的氮含量计算得到。
4.根据权利要求2所述的一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，其特征是，所述人畜返田氮含量通过统计的农业人口数量、牲畜数量与相应的单位人畜排污系数计算得到。
5.根据权利要求2所述的一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，其特征是，所述生物固氮含量通过确定的各类固氮生物总量及其固氮率计算得到。
6.根据权利要求2所述的一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，其特征是，所述大气沉降氮含量为大气氮湿沉降量与大气氮干沉降量的总和。
7.根据权利要求2所述的一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，其特征是，所述种子带入氮含量通过籽粒含氮量、单位面积种子投入量及作物种植面积计算得到。
8.根据权利要求2所述的一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，其特征是，所述秸秆还田氮含量通过作物年产量、茎秆与籽粒比值、茎秆含氮量和秸秆返田比值计算得到。
9.根据权利要求2所述的一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，其特征是，所述作物收获氮含量通过农作物的产量及单位产量的氮的摄取量计算得到。
10.根据权利要求2所述的一种流域农业区地下水向地表水输运氮污染量估算方法，其特征是，所述反硝化脱氮量为有机肥反硝化脱氮量与化肥反硝化脱氮量的总和；所述氨挥发脱氮量为化肥氮挥发量、有机肥氨挥发量与土壤背景值排放量的总和。
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| 基于模型的上海郊区地下水氮素非点源污染特征研究;黄秀梅等;《农业环境科学学报》;20110720(第07期);第88-93页 * |
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