CN113919127A - 一种水库流域尺度面源有机碳负荷的快速估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水库流域尺度面源有机碳负荷的估算方法，针对现有水电站水库流域缺少面源有机碳负荷观测资料的情况，利用观测的径流中有机碳和TN、TP之间的数学关联，提供一个有机碳面源污染输出系数法模型，从而快速估算流域尺度有机碳面源负荷。该估算方法针对流域尺度现有面源污染负荷估算只针对TN和TP而缺少针对有机碳流失入河入库的情况，本发明选择通过先估算TN和TP负荷，然后分别根据径流水质中有机碳与TN和TP的数学关系，将TN和TP负荷分别代入对应构建的数学模型，分别得到基于TN的有机碳负荷量和基于TP的有机碳负荷量，分别赋予二者不同的权重，得到流域尺度有机碳面源污染负荷量。

Description

一种水库流域尺度面源有机碳负荷的快速估算方法
技术领域
本发明涉及水库的碳源计算领域，具体涉及一种水库流域尺度面源有机碳负荷的估算方法。
背景技术
目前，面源污染的研究对象主要还是针对TN和TP两个指标，大量的地面观测和面源污染模型也都是针对TN、TP等指标。在面源污染负荷模型计算中，基于长时间序列研究区土地利用方式和地面水质、面源污染负荷观测结果而构建的输出系数法模型是一种简便的集总式面源污染负荷估算方法，与机理模型所需参数众多不同，在缺失大量观测数据的区域，可以通过借鉴类似流域或相近区域面源污染的输出系数，快速计算得到流域尺度面源污染负荷量。
与传统的研究面源污染-水质响应关系不同，面源污染形式迁移转换的有机碳流失是流域尺度甚至区域尺度碳循环的重要组成部分，尤其对于水电站修建形成的水库，估算面源有机碳入库量是水电站形成的新水库碳“源”、“汇”属性评估的重要过程，也是评判水电能源绿色属性的重要一环，但由于水体水质标准中没有有机碳等指标，有机碳也不是水体富营养化的标准，以往的研究中，以有机碳为研究对象的流域尺度面源负荷几乎没有。因此，如何通过借鉴流域范围内研究相对较多的TN、TP负荷估算方法，尤其是可以快速估算流域尺度负荷的输出系数法模型，运用到流域尺度面源有机碳负荷估算中，是本发明的主要目标。
现有的流域尺度面源有机碳负荷量估算方法很少，传统的流域尺度有机碳估算主要是通过水土流失通用方程或在此基础上拓展的其它水土流失模型开展运算，水土流失过程和面源污染过程虽然都是随着降雨产生地表径流而发生，但水土流失过程主要关注于颗粒态物质的运移，而面源污染过程不但关注颗粒态物质运移，同样关注可溶性物质随水流的入河入库过程。
因此，在缺乏有机碳面源污染形式的研究和监测区域，利用有限的资料，快速运算得到流域尺度有机碳入河入库量意义重大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种水库流域尺度面源有机碳负荷的快速估算方法，针对现有水电站水库流域缺少面源有机碳负荷观测资料的情况，利用观测的径流中有机碳和TN、TP之间的数学关联，提供一个有机碳面源污染输出系数法模型，从而快速估算流域尺度有机碳面源负荷。
为达到上述目的，本发明的技术方案一种水库流域尺度面源有机碳负荷的估算方法，包括如下步骤：
步骤(1)选定感兴趣的水库流域边界文件为研究区域，提取研究区域的土地利用方式数据，收集研究区域面源污染输出系数法里的牲畜数据，收集研究区域地表径流以及降水的水质数据，包括总氮、总磷和有机碳浓度，收集研究区域降水量数据。
步骤(2)研究区域的面源污染总氮TN、总磷TP负荷估算，具体采用如下方式：
通过面源污染输出系数法模型运算得到流域尺度总氮TN、总磷TP负荷，面源污染输出系数法中面源污染负荷包括三个部分，第一部分来自遍历步骤(1)中不同土地利用方式单元产生的面源污染负荷，第二部分来自遍历步骤(1)中畜牧数据的畜禽排泄量产生的面源污染负荷，第三部分来自降水本身产生的面源污染负荷。
步骤(3)有机碳TOC与总氮TN、总磷TP数据关联：遍历步骤(1)中的地表径流的水质观测数据，基于单变量回归分析，分别得到水质有机碳TOC和总氮TN、总磷TP的数学关系。
步骤(4)有机碳面源污染负荷估算：遍历步骤(2)中研究区域基于总氮TN、总磷TP的面源污染负荷量估算结果，遍历步骤(3)中有机碳TOC和总氮TN、总磷TP的数学关系，分别得到基于总氮TN和总磷TP的研究区域有机碳面源负荷，二者取平均值，即得到研究区域基于输出系数法模型的有机碳面源负荷量。
进一步地，步骤(1)中，提取研究区域的土地利用方式分布数据，根据研究区域的面源污染输出系数法对土地利用方式进行重新分类，使得最终的土地利用方式分类结果匹配面源污染输出系数法所需的分类结果。
进一步地，土地利用方式单元包括城镇用地、耕地、草地、林地以及未利用地。
进一步地，畜牧数据中的畜禽排泄量产生的面源污染负荷采用单位畜禽排泄量与畜禽量的乘积。
进一步地，降水产生的面源污染负荷为遍历步骤(1)中降水的水质数据、降水量以及研究区域面积三者的乘积。
有益效果：
1、本发明提供的一种水库流域尺度面源有机碳负荷的估算方法，针对流域尺度现有面源污染负荷估算只针对TN和TP而缺少针对有机碳流失入河入库的情况，本发明选择通过先估算TN和TP负荷，然后分别根据径流水质中有机碳与TN和TP的数学关系，将TN和TP负荷分别代入对应构建的数学模型，分别得到基于TN的有机碳负荷量和基于TP的有机碳负荷量，分别赋予二者不同的权重，得到流域尺度有机碳面源污染负荷量。
2、针对流域尺度有机碳面源污染估算过程中缺少大量实地监测数据的情况，本发明选择输出系数法模型快速估算流域尺度TN和TP面源污染负荷量的方式，使得本发明最终需要估算的有机碳面源污染负荷量可以快速的运行得到。
附图说明
图1为本发明提供的一种水库流域尺度面源有机碳负荷的估算方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种水库流域尺度面源有机碳负荷的估算方法，本发明实施例中以地理信息系统软件(ARCGIS)为运算环境，其流程如图1所示，包括如下步骤：
步骤(1)选定感兴趣的水库流域边界文件，确定研究区域，提取研究区域的土地利用方式分布数据。其中水库流域边界文件是通过提取水库流域边界，得到流域范围的shp格式文件。
各区域的土地利用方式分布数据可以从共享数据平台上提取，例如可以从地理资源所的资源环境科学数据中心的共享数据平台获取。若土地利用方式分布数据缺乏，也可以通过遥感影像自主解译获得，解译方法可以是监督分类，也可以采用非监督分类的方式。
收集研究区域面源污染输出系数法里的牲畜数据，其中牲畜数据包括牲畜数量、畜禽排泄量。
收集研究区域地表径流数据以及降水的水质数据，其中区域水质数据的水质指标包括总氮TN、总磷TP、有机碳TOC，收集研究区域降水量数据。
步骤(2)研究区域的面源污染总氮TN、总磷TP负荷估算，具体采用如下方式：
通过面源污染输出系数法模型运算得到流域尺度总氮TN、总磷TP负荷，面源污染输出系数法中面源污染负荷包括三个部分：
第一部分来自遍历步骤(1)中不同土地利用方式单元产生的面源污染负荷，本发明实施例中，土地利用方式单元包括城镇用地、耕地、草地、林地以及未利用地，其中各土地利用方式单元的面源污染负荷根据已有研究结果赋予；
第二部分来自遍历步骤(1)中畜牧数据的畜禽排泄量产生的面源污染负荷，其中畜牧数据中的畜禽排泄量采用单位畜禽排泄量与畜禽量的乘积，其中单位畜禽排放量根据研究区域或相近相似区域已有研究赋予，畜禽量来自统计年鉴数据；
第三部分来自降水本身产生的面源污染负荷，相关结果来自于已有研究或遍历步骤(1)中降水的水质数据、降水量以及研究区域面积三者的乘积。
步骤(3)有机碳TOC与总氮TN、总磷TP数据关联：遍历步骤(1)中的地表径流的水质观测数据，基于单变量回归分析，分别得到水质有机碳TOC和总氮TN、总磷TP的数学关系；
步骤(4)有机碳面源污染负荷估算：遍历步骤(2)中研究区域基于总氮TN、总磷TP的面源污染负荷量估算结果，遍历步骤(3)中有机碳TOC和总氮TN、总磷TP的数学关系，分别得到基于总氮TN和总磷TP的研究区域有机碳面源负荷，二者取加权平均值，即得到研究区域基于输出系数法模型的有机碳面源负荷量。
有机碳面源污染负荷估算可以不取基于TN和TP的区域有机碳面源负荷二者的平均值，二者的权重可根据区域特征取不同结果，如在径流中悬浮泥沙较多的区域，增加以颗粒态为主流失的TP指标得到的负荷量的权重，在径流中泥沙较少，可增加以可溶性为主流失的TN指标得到的负荷量的权重。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (5)

1.一种水库流域尺度面源有机碳负荷的快速估算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)选定感兴趣的水库流域边界文件为研究区域，提取研究区域的土地利用方式数据，收集研究区域面源污染输出系数法里的牲畜数据，收集研究区域地表径流以及降水的水质数据，包括总氮、总磷和有机碳浓度，收集研究区域降水量数据；
步骤(2)研究区域的面源污染总氮TN、总磷TP负荷估算，具体采用如下方式：
通过面源污染输出系数法模型运算得到流域尺度总氮TN、总磷TP负荷，面源污染输出系数法中面源污染负荷包括三个部分，第一部分来自遍历步骤(1)中不同土地利用方式单元产生的面源污染负荷，第二部分来自遍历步骤(1)中畜牧数据的畜禽排泄量产生的面源污染负荷，第三部分来自降水本身产生的面源污染负荷；
步骤(3)有机碳TOC与总氮TN、总磷TP数据关联：遍历步骤(1)中的地表径流的水质观测数据，基于单变量回归分析，分别得到水质有机碳TOC和总氮TN、总磷TP的数学关系；
步骤(4)有机碳面源污染负荷估算：遍历步骤(2)中研究区域基于总氮TN、总磷TP的面源污染负荷量估算结果，遍历步骤(3)中有机碳TOC和总氮TN、总磷TP的数学关系，分别得到基于总氮TN和总磷TP的研究区域有机碳面源负荷，二者取平均值，即得到研究区域基于输出系数法模型的有机碳面源负荷量。
2.如权利要求1所述的估算方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述提取研究区域的土地利用方式分布数据，根据研究区域的面源污染输出系数法对土地利用方式进行重新分类，使得最终的土地利用方式分类结果匹配面源污染输出系数法所需的分类结果。
3.如权利要求1或2所述的估算方法，其特征在于，所述土地利用方式单元包括城镇用地、耕地、草地、林地以及未利用地。
4.如权利要求1或2所述的估算方法，其特征在于，所述畜牧数据中的畜禽排泄量产生的面源污染负荷采用单位畜禽排泄量与畜禽量的乘积。
5.如权利要求1或2所述的估算方法，其特征在于，所述降水产生的面源污染负荷为遍历步骤(1)中降水的水质数据、降水量以及研究区域面积三者的乘积。
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