CN114460271A - 基于cssi溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法 - Google Patents

基于cssi溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于农业面源污染技术领域，具体涉及一种基于CSSI溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法，包括以下步骤：S1.流域入河泥沙土地利用来源的CSSI溯源示踪；S2.流域入河泥沙负荷的实时监测；S3.联合应用CSSI泥沙溯源与实时监测技术，确定流域不同土地利用类型侵蚀土壤的入河泥沙负荷。本发明能简单、全面、准确地定量解析入河泥沙来源负荷，为水生态治理提供科学依据，可有效防控输入河湖库的泥沙负荷。

Description

基于CSSI溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法
技术领域
本发明属于农业面源污染技术领域，具体涉及基于CSSI溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法。
背景技术
降雨径流引起的土壤侵蚀是表层土壤及养分流失的主要驱动因子，导致土壤退化，威胁农业可持续发展，同时引起大量的泥沙及相关养分等进入河湖水体，造成水体和生态环境恶化。准确辨识泥沙的来源以及核算泥沙的入河负荷是有效防控泥沙入河入湖的前提。
目前，特定单体化合物稳定性同位素技术(compound-specific stable isotope，CSSI)可以确定不同土地利用类型入河泥沙的贡献百分比,其原理利用不同植物产生相同的脂肪酸作为生物标志物标记土壤，通过分析不同植物的脂肪酸稳定性同位素(δ13C)值辨识流域出口输出不同来源的泥沙贡献比例(Gibbs,2008)，但不能计算泥沙的入河负荷；散落的环境放射性核素(fallout radionuclides，FRN)技术利用137Cs、210Pbex和7Be具有不同半衰期(30年、22年和53天)，确定不同土地利用类型的土壤侵蚀速率(Li et al.,2010)但不能辨识泥沙的来源；流域实时监测技术是一种通过监测降雨条件下流域出口径流和泥沙输出量来反映流域内部泥沙输出实时情况的经典方法(Li et al.,2020)，但只能量化泥沙的入河负荷，不能辨识泥沙的来源。
目前，定量解析入河泥沙来源负荷的专利有FRN-CSSI联合溯源示踪解析法(于寒青等，2020)，该技术原理是利用FRN示踪技术定量评价不同土地利用类型土壤侵蚀产沙速率，利用CSSI技术辨识不同土地利用来源的入河泥沙贡献百分比,联合应用FRN-CSSI，定量解析流域泥沙的土地利用来源及其输入水系的负荷通量。但这一方法在技术原理、采样时间、方法以及入河负荷的计算等方面存在如下问题：
(1)技术原理存在的问题：FRN包括137Cs、210Pb和7Be，分别用于测定过去50年、100年和数月的平均土壤侵蚀速率。CSSI测定是次降雨事件不同土地利用类型侵蚀泥沙入河的贡献百分比，所以，137Cs和210Pb测定的长时间平均土壤侵蚀速率与CSSI确定的次降雨事件下的入河泥沙来源在时间上不匹配。尽管7Be可以测定次降雨事件侵蚀速率，但只局限于面蚀，不包括沟蚀过程。因此，于寒青等(2020)提出的联合应用FRN与CSSI技术辨识流域不同土地利用类型对河湖泥沙的贡献通量缺乏理论基础。
(2)CSSI采样存在的问题:采样时间不明确；采样土壤不一定发生侵蚀；流域出口低洼处采集的沉积泥沙样品不会进入河湖水体。
(3)入河负荷存在的问题：入河负荷应该包括集水区所有的泥沙来源，但FRN估算的侵蚀只局限于面蚀和细沟间侵蚀，不包括沟蚀。
因此，FRN技术与CSSI示踪技术得到的不同土地利用类型泥沙来源贡献百分比联用，确定入河泥沙来源负荷是不正确的。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于CSSI溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法，能简单、全面、准确地定量解析入河泥沙来源负荷，为水生态治理提供科学依据。
本发明的技术方案为：
基于CSSI溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法，包括以下步骤：
S1.流域入河泥沙土地利用来源的CSSI溯源示踪；
S2.流域入河泥沙负荷的实时监测；
S3.联合应用CSSI泥沙溯源与实时监测技术，确定流域不同土地利用类型侵蚀土壤的入河泥沙负荷。
进一步地，所述步骤S1.流域入河泥沙土地利用来源的CSSI溯源示踪包括：
S11.样品的采集
A.不同土地利用类型样品采集：降雨径流发生后，在不同土地利用类型集水区采集0-2cm的移动泥沙样品；
B.入河泥沙样品采集：降雨径流发生期间，采集河口悬浮泥沙样品；
S12.室内分析
采集的CSSI样品一部分经酸化去除无机碳后，直接用元素分析仪测定土壤δ13C丰度；另一部分使用二氯甲烷萃取、皂化后调至酸性，使用无水硫酸钠去除水分后，再采用三氟化硼甲醇溶液将脂肪酸甲酯化后溶解在正己烷溶液中，然后利用气相色谱-红外质谱系统(GC-IRMS)用于分析脂肪酸甲酯化合物燃烧转化成CO2中的13C值，得到脂肪酸中的δ13C丰度；
S13.泥沙来源贡献比例计算
选择合适的脂肪酸来确定泥沙中不同土地利用来源的碳同位素比例；基于不同土地利用类型筛选的脂肪酸δ13C和Bulkδ13C的结果，应用Iso-Source混合模型，确定泥沙混合物中不同土地利用来源的碳同位素比例；将泥沙中的有机碳含量和模型输出碳同位素比例转换成不同土地利用泥沙来源贡献，计算公式如式Ⅰ所示：
Figure BDA0003478935580000031
式Ⅰ中，Sn％:泥沙第n个源土壤贡献，In:使用同位素混合模型估算的混合物中第n个源土壤的同位素比例(％)，Cn％:第n个源土壤有机碳含量。
进一步地，所述步骤S2.流域入河泥沙负荷的实时监测包括：
采集入河口悬浮泥沙样品，将泥沙样品过滤后，一部分105℃后烘干用于计算径流中泥沙浓度，另一部分40℃烘干用于测定泥沙含量，根据式Ⅱ和式Ⅲ分别计算泥沙浓度和泥沙入河负荷量；泥沙浓度：
Figure BDA0003478935580000032
式Ⅱ中，Si是1L水沙混合物中烘干泥沙的质量(g)；
Figure BDA0003478935580000033
式Ⅲ中，n是样本总数，i是次降雨事件中的单个样本数，Sci是泥沙浓度(g L-1)，Vi是不同样本期的径流量(m3 h-1),Ti是不同样本数的采样间隔时间(h)，Ax是子流域面积(ha)。
进一步地，步骤S3中，所述流域不同土地利用类型侵蚀土壤的入河泥沙负荷根据公式Ⅳ
和公式Ⅴ计算：
源N的泥沙的入河负荷(t·ha-1)＝泥沙入河负荷量(t·ha-1)×源N对流域入河泥沙贡献的百分数Sn％(％)Ⅳ
Figure BDA0003478935580000041
式Ⅴ中，An是子流域n的面积(ha),A是全流域的面积(ha)。
本发明的有益效果为：
本发明通过CSSI溯源技术对流域中的入河泥沙来源进行辨识，得到不同泥沙来源的贡献比例；通过实时监测流域出口的径流泥沙，确定流域中总的入河负荷；采用联合应用CSSI泥沙溯源与实时监测技术，确定不同土地利用来源入河泥沙负荷。本发明的优点是能简单、全面、准确地定量解析入河泥沙来源负荷，为水生态治理提供科学依据，可有效防控输入河湖库的泥沙负荷。
附图说明
图1为实施例的流域入河泥沙来源负荷辨识结果。
具体实施方式
下面将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。
实施例1
基于CSSI溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法，包括以下步骤：
S1.流域入河泥沙土地利用来源的CSSI溯源示踪：
S11.样品的采集
A.不同土地利用类型样品采集：降雨径流发生后，在不同土地利用类型集水区采集0-2cm的移动泥沙样品；
B.入河泥沙样品采集：降雨径流发生期间，采集河口悬浮泥沙样品；
S12.室内分析
采集的CSSI样品一部分经酸化去除无机碳后，直接用元素分析仪测定土壤δ13C丰度；另一部分使用二氯甲烷萃取、皂化后调至酸性，使用无水硫酸钠去除水分后，再采用三氟化硼甲醇溶液将脂肪酸甲酯化后溶解在正己烷溶液中，然后利用气相色谱-红外质谱系统(GC-IRMS)用于分析脂肪酸甲酯化合物燃烧转化成CO2中的13C值，得到脂肪酸中的δ13C丰度；
S13.泥沙来源贡献比例计算
选择合适的脂肪酸来确定泥沙中不同土地利用来源的碳同位素比例；基于不同土地利用类型筛选的脂肪酸δ13C和Bulkδ13C的结果，应用Iso-Source混合模型，确定泥沙混合物中不同土地利用来源的碳同位素比例；将泥沙中的有机碳含量和模型输出碳同位素比例转换成不同土地利用泥沙来源贡献，计算公式如式Ⅰ所示：
Figure BDA0003478935580000051
式Ⅰ中，Sn％:泥沙第n个源土壤贡献，In:使用同位素混合模型估算的混合物中第n个源土壤的同位素比例(％)，Cn％:第n个源土壤有机碳含量。
S2.流域入河泥沙负荷的实时监测：
采集入河口悬浮泥沙样品，将泥沙样品过滤后，一部分105℃后烘干用于计算径流中泥沙浓度，另一部分40℃烘干用于测定泥沙含量，根据式Ⅱ和式Ⅲ分别计算泥沙浓度和泥沙入河负荷量；泥沙浓度：
Figure BDA0003478935580000052
式Ⅱ中，Si是1L水沙混合物中烘干泥沙的质量(g)；
Figure BDA0003478935580000053
式Ⅲ中，n是样本总数，i是次降雨事件中的单个样本数，Sci是泥沙浓度(g L-1)，Vi是不同样本期的径流量(m3 h-1),Ti是不同样本数的采样间隔时间(h)，Ax是子流域面积(ha)。
S3.联合应用CSSI泥沙溯源与实时监测技术，确定流域不同土地利用类型侵蚀土壤的入河泥沙负荷。
其中，所述流域不同土地利用类型侵蚀土壤的入河泥沙负荷根据公式Ⅳ和公式Ⅴ计算：
源N的泥沙的入河负荷(t·ha-1)＝泥沙入河负荷量(t·ha-1)×源N对流域入河泥沙贡献的百分数Sn％(％)Ⅳ
Figure BDA0003478935580000061
式Ⅴ中，An是子流域n的面积(ha),A是全流域的面积(ha)。
以某流域为例，入河泥沙来自三个子流域，在一次暴雨事件下，在雨后采集每个子流域中来自农地、林地、河岸以及道路集水区0-2cm的移动泥沙样品，同时在暴雨过程中，在流域入河口采集悬浮泥沙样品。将这些样品带回实验室处理分析。基于CSSI溯源技术得出泥沙的贡献百分比，结果如表1所示；基于实时监测技术确定流域出口的入河泥沙负荷，结果如表2所示，联合应用流域CSSI泥沙溯源与实时监测可以定量辨识流域不同土地利用类型下的土壤侵蚀泥沙入河负荷，结果如图1所示。
表1不同土地利用类型泥沙的贡献百分比
Figure BDA0003478935580000062
表2流域出口的入河泥沙负荷
Figure BDA0003478935580000063
本发明能简单、全面、准确地定量解析入河泥沙来源负荷，为水生态治理提供科学依据，可有效防控输入河湖库的泥沙负荷。
上述说明是针对发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (4)

1.基于CSSI溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.流域入河泥沙土地利用来源的CSSI溯源示踪；
S2.流域入河泥沙负荷的实时监测；
S3.联合应用CSSI泥沙溯源与实时监测技术，确定流域不同土地利用类型侵蚀土壤的入河泥沙负荷。
2.如权利要求1所述的基于CSSI溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法，其特征在于：所述步骤S1.流域入河泥沙土地利用来源的CSSI溯源示踪包括：
S11.样品的采集
A.不同土地利用类型样品采集：降雨径流发生后，在不同土地利用类型集水区采集0-2cm的移动泥沙样品；
B.入河泥沙样品采集：降雨径流发生期间，采集河口悬浮泥沙样品；
S12.室内分析
采集的CSSI样品一部分经酸化去除无机碳后，直接用元素分析仪测定土壤δ13C丰度；另一部分使用二氯甲烷萃取、皂化后调至酸性，使用无水硫酸钠去除水分后，再采用三氟化硼甲醇溶液将脂肪酸甲酯化后溶解在正己烷溶液中，然后利用气相色谱-红外质谱系统(GC-IRMS)用于分析脂肪酸甲酯化合物燃烧转化成CO2中的13C值，得到脂肪酸中的δ13C丰度；
S13.泥沙来源贡献比例计算
选择合适的脂肪酸来确定泥沙中不同土地利用来源的碳同位素比例；基于不同土地利用类型筛选的脂肪酸δ13C和Bulkδ13C的结果，应用Iso-Source混合模型，确定泥沙混合物中不同土地利用来源的碳同位素比例；将泥沙中的有机碳含量和模型输出碳同位素比例转换成不同土地利用泥沙来源贡献，计算公式如式Ⅰ所示：
Figure FDA0003478935570000011
式Ⅰ中，Sn％:泥沙第n个源土壤贡献，In:使用同位素混合模型估算的混合物中第n个源土壤的同位素比例(％)，Cn％:第n个源土壤有机碳含量。
3.如权利要求1所述的基于CSSI溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法，其特征在于：所述步骤S2.流域入河泥沙负荷的实时监测包括：
采集入河口悬浮泥沙样品，将泥沙样品过滤后，一部分105℃后烘干用于计算径流中泥沙浓度，另一部分40℃烘干用于测定泥沙含量，根据式Ⅱ和式Ⅲ分别计算泥沙浓度和泥沙入河负荷量；泥沙浓度：
Figure FDA0003478935570000021
式Ⅱ中，Si是1L水沙混合物中烘干泥沙的质量(g)；
Figure FDA0003478935570000022
式Ⅲ中，n是样本总数，i是次降雨事件中的单个样本数，Sci是泥沙浓度(g L-1)，Vi是不同样本期的径流量(m3h-1),Ti是不同样本数的采样间隔时间(h)，Ax是子流域面积(ha)。
4.如权利要求1所述的基于CSSI溯源与实时监测的流域入河泥沙来源负荷辨识方法，其特征在于：步骤S3中，所述流域不同土地利用类型侵蚀土壤的入河泥沙负荷根据公式Ⅳ和公式Ⅴ计算：
源N的泥沙的入河负荷(t·ha-1)＝泥沙入河负荷量(t·ha-1)×源N对流域入河泥沙贡献的百分数Sn％(％) Ⅳ
Figure FDA0003478935570000023
式Ⅴ中，An是子流域n的面积(ha),A是全流域的面积(ha)。
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