CN114936339B - 一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法 - Google Patents

一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其涉及农业环境保护技术领域，包括以下步骤：步骤一，整理并输入气象数据以及空间拓扑关系；步骤二，根据气象相关数据以及空间拓扑关系进行蒸散发计算，步骤三，根据拓扑关系进行产汇流计算，步骤四，根据现场采样监测结果输入水质参数；步骤五，测算污染物负荷输出量，并根据计算数据进行相关分析。其解决了现有技术中不能简单且精确的测算不同用地类型在不同位置的截污量及小流域面源污染负荷，不利于提升农田面源污染防治效果的问题。

Description

一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法
技术领域
本发明涉及农业环境保护技术领域，尤其是涉及一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法。
背景技术
随着我国经济的迅猛发展，水体污染与湖泊富营养化现象屡屡出现。根据重庆市第二次全国污染普查资料统计，农业面源已成为重庆市氮、磷等污染物的主要来源，总氮、总磷排放量分别占全市排放总量65.30％和64.74％，远超工业与生活污染源排放，成为污染源之首。农业源污染在对河流湖泊水体产生负面影响的同时，也成为了制约农业可持续发展的重要因素，更是实现乡村振兴战略道路上不可逾越的屏障。
针对以上问题国内外学者提出了农业面源污染负荷模拟方法与人工湿地、生态缓冲带、生态拦截沟等从源头控制到末端治理的全过程治理方案；但其均不能简单且精确的测算不同用地类型在不同位置的截污量及小流域面源污染负荷，不利于指导用地规划与提升农田面源污染防治效果。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其解决了现有技术中不能简单且精确的测算不同用地类型在不同位置的截污量及小流域面源污染负荷，不利于指导用地规划进而提升农田面源污染防治效果的问题。
根据本发明的实施例，一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，包括以下步骤：
步骤一，整理并输入气象数据以及空间拓扑关系；
步骤二，根据气象相关数据以及空间拓扑关系进行蒸散发计算，
其中，蒸散发量按彭曼-蒙特斯公式计算；
步骤三，根据拓扑关系进行产汇流计算，
其中，若计算对象为旱地，按公式(1)计算，
包气带水量平衡方程：
P＝E+(W’m-W’0)+RS+RG (1)
W’m称包气带达到田间持水量时的蓄水量为包气带蓄水容量，另令W’0表示降雨开始时包气带的初始蓄水量，W’0初始条件为0，RS为地面径流，RG为地下径流；
W’m＝θ·F·h
式中θ为土壤饱和含水率，F为地块面积，h为土壤深度；
根据水量平衡公式产流量：
RS+RG＝R
Figure GDA0004067997590000021
若计算对象为水田，采用两层水箱模型计算，分别计算地表径流量及深层侧向地下径流量，
第一层水箱：
当Hw1+R+P＞h1时
Q1＝(Hw1+R+P-E)·α1
I1＝(Hw1+R+P-E)·β1
当Hw1+R+P＜h1时
Q1＝0
第二层水箱：
Q2＝(Hw2+I1)·α2
式中Q1为水田地表漫流，Hw1为水田初始蓄水深度，R为上游地表径流，P为降雨量，E为蒸发量，α1为第一层侧向径流系数，β1为深层入渗系数，I1为深层入渗量，Q2为水田深层侧向地下径流，Hw2为深层土壤最大持水量，α2为第二层侧向径流系数；
水田汇流按公式(2)计算，
Figure GDA0004067997590000022
式中F为流域面积，Δt为单位线时段，ui为单位入流；
步骤四，根据现场采样监测结果输入水质参数；
步骤五，测算污染物负荷输出量，并根据计算数据进行相关分析。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
采用本发明提出的一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，可简单精确的测算出不同用地类型分布情况下的地表径流量及污染负荷量，且当假设存在水田的情况下，测算水田在不同位置的截污量及小流域面源污染负荷，为农村小流域土地利用结构优化提出指导意见，进而提升面源污染的防控效果。
附图说明
图1为本发明实施例中的计算流程图；
图2为本发明实施例中水田产汇流计算的两层水箱模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
如图1所示，一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，包括以下步骤：
步骤一，整理气象数据并将其输入到计算机中，气象数据主要包括蒸发、降雨、湿度、太阳辐射、风速等，其余采集数据根据本发明所涉及到的计算参数相应补充；随后输入空间拓扑关系(该步骤与气象数据的输入顺序可以互换)，本实施例中以上游为旱地，下游试验田为水田这一拓扑关系为例，且其适用对象为小流域；
步骤二，根据气象相关数据以及空间拓扑关系进行蒸散发计算，
其中，蒸散发量计算利用彭曼-蒙特斯公式(P-M公式)进行理论计算，该公式由联合国粮农组织根据彭曼公式，融合植被蒸散发理论，提出的最新修正彭曼公式，并已广泛应用且已证实具有较高精度。
Figure GDA0004067997590000031
ET0：参考作物蒸发蒸腾量，mm/d
Δ：温度-饱和水气压关系曲线在T处的切线斜率，kPa·℃-1
Figure GDA0004067997590000032
T：平均气温，℃
Figure GDA0004067997590000033
Rn：净辐射，MJ/(㎡·d)
U2：2m高出风速，m/s
ea：饱和水气压，kPa
Rn＝Rns-Rnl
Rns＝0.77(0.25+0.5n/N)Ra
Rns：净短波辐射，MJ/(m2·d)
Rnl：净长波辐射，MJ/(m2·d)
N＝7.64Ws
n：实际日照时数，h
N：最大可能日照时数，h
Ws＝arccos(-tanψ·tanδ)
WS：日照时数角，rad
Ψ：地理纬度，rad
δ：日倾角，rad
δ＝0.409·sin(0.0172J-1.39)
J：日序数(元月1日为1，逐日累加)
Ra＝37.6·dr(Ws·sinψ·sinδ+cosψ·cosδ·sinWs)
Ra：大气边缘太阳辐射，MJ/(m2·d)
Figure GDA0004067997590000041
Figure GDA0004067997590000042
ed：实际水气压，kPa
Figure GDA0004067997590000043
Tkx：绝对最高温度，K
Tkn：绝对最低温度，K
Tks＝Tmax+273
Tkn＝Tmin+273
Tmax：日最高气温，℃
Tmin：日最低气温，℃
G＝0.38(Td-Td-1)
G：土壤热通量，MJ/(m2·d)
γ＝0.00163P/λ
γ：湿度表常数，kPa·℃-1
P：气压，kpa
Figure GDA0004067997590000051
Z：计算地点海拔高程，m
λ：潜热，MJ·kg-1
λ＝2.501-(2.361×10-3)T
P-M公式对参考作物蒸发蒸腾量定义如下：参考作物的蒸发蒸腾量为一种假想的参考作物冠层的蒸发蒸腾速率，假想作物的高度为0.12m，固定叶面阻力位70s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面且不缺水的植物蒸发蒸腾量计算；
进一步的，由于P-M公式主要适用于旱地作物种植情况下的蒸散发计算，对于林地、草地、建筑用地的蒸散发计算，在P-M公式的基础上引入修正系数来提升计算结果的准确度，其具体计算过程如下：
Ei＝αEi*ET0
式中αEi表示不同土地利用类型的修正系数，Ei为不同用地类型蒸散发量；
更进一步的，水塘蒸散发为水面蒸发采用气象站蒸散发测量数据；
步骤三，根据拓扑关系进行产汇流计算，
其中，若计算对象为旱地，旱地土壤下渗采用蓄满产流模式；蓄满产流多发生在植被覆盖较好的湿润地区，由于计算方法主要用于野外农田地区，符合蓄满产流适用条件，其具体计算方法如下，
包气带水量平衡方程：
P＝E+(Wm-W0)+RS+RG (1)
W’m称包气带达到田间持水量时的蓄水量为包气带蓄水容量，另令W’0表示降雨开始时包气带的初始蓄水量，其中田间持水量可根据土壤理化性质实验测定，或根据土壤饱和含水率计算，W’0初始条件为0，RS为地面径流，RG为地下径流；
W’m＝θ·F·h
式中θ为土壤饱和含水率，F为地块面积，h为土壤深度；
根据水量平衡公式产流量：
RS+RG＝R
Figure GDA0004067997590000061
若计算对象为水田，水田产汇流计算采用两层水箱模型模拟水田地下水流情况，分别计算地表径流量及深层侧向地下径流量；
第一层水箱：
当Hw1+R+P＞h1时
Q1＝(Hw1+R+P-E)·α1
I1＝(Hw1+R+P-E)·β1
当Hw1+R+P＜h1时
Q1＝0
第二层水箱：
Q2＝(Hw2+I1)·α2
式中Q1为水田地表漫流，Hw1为水田初始蓄水深度，R为上游地表径流，P为降雨量，E为蒸发量，α1为第一层侧向径流系数，β1为深层入渗系数，I1为深层入渗量，Q2为水田深层侧向地下径流，Hw2为深层土壤最大持水量，α2为第二层侧向径流系数；
进一步的，水田汇流计算采用无因次单位线法，按公式(2)计算，
Figure GDA0004067997590000062
式中F为流域面积，Δt为单位线时段，ui为单位入流；
步骤四，根据现场采样监测结果输入水质参数，
其中，水质模拟根据现场实验监测获取相关数据，通过对野外农田地表径流、水田、鱼塘等径流采样，监测不同水样中的总氮、氨氮、总磷、溶解性总磷、磷酸盐等指标，并以此浓度作为输入参数进行计算。
N＝ci·qi
式中N为污染负荷，ci为污染物浓度，qi为径流量；
步骤五，测算污染物负荷输出量，并根据计算数据进行相关分析。
采用本发明提出的一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，可验证水田能够拦截大部分的旱地径流并储存在水田内部，存在水田内部的水量主要通过蒸发消耗及下渗通过土壤净化后侧向流出，其中侧向流出的地下径流中一些污染物可以被土壤吸收，实现净化水质的效果。
此外，可较为简单精确的测算出不同用地类型分布情况下的地表径流量及污染负荷量，且当假设存在水田的情况下，测算水田在不同位置的截污量及小流域面源污染负荷，为农村小流域土地利用结构优化提出指导意见，进而提升面源污染的防控效果。
本发明提出了另一实施例，在步骤一和步骤二之间增加根据拓扑关系制作流场图的步骤，这样可使不同用地类型的不同地理位置之间的流向更为清晰，方便后续进行模拟计算。
本发明提出了另一实施例，在步骤三和步骤四之间增加参数调整步骤，根据实测数据或历史经验数据对结果进行验证与参数校正，进一步提高结果的准确性。
下面结合具体的计算案例进一步阐述本发明：
算例：算例流域为为第二节提及小流域。
蒸发量计算：
表1蒸发量测算
Figure GDA0004067997590000071
续表1蒸发量测算
Figure GDA0004067997590000072
径流量计算
旱地径流量计算
根据拓扑上下游关系，降雨产生的旱地地表径流流入水田中，因此先进行旱地地表径流量计算，研究区汇水面积2543平方米。
以研究区气象数据观测4月数据为例，4月总降水量为52.8mm，4月蒸发量为36.4mm，分别根据流域面积换算为水量为降水量133.0立方米，蒸发量92.6立方米。
根据实测数据旱地土壤饱和含水率为0.58，土壤初始含水率为0.32，土壤表层深度为0.02m，
W’m-W’0＝(0.58-0.32)*0.02*2543＝13.2
R＝133-92.6-13.2＝27.2，
旱地产流量为27.2立方米，转化为径流深为10.7mm；N＝27.2*0.13＝3.54。
汇流计算所需降雨资料时间尺度为1小时，由于本流域面积较小，汇流过程中损耗较小，因此忽略汇流损失。
水田径流量计算
水田对于降雨有一定调蓄作用，在降雨量较小的情况下，部分初期地表径流经水田调蓄后，储存在水田中，无法进一步出流，根据研究区相关数据测算，水田能够蓄积最大水深为11cm，水田内平均水深4cm，水田面积844平方米。
根据水田产流模型，测算水田水量变化情况，结果如下：
第一层水箱Hw1为8.44立方米，R为27.2立方米，h1为92.84立方米，降雨量为133立方米，蒸发量为92.6立方米。
Q1＝(33.76+27.2+133-92.6)*0.15＝15.2
I1＝(33.76+27.2+133-92.6)*0.1＝10.1
第二层水箱Hw2根据深层土壤深度、水田深层土壤饱和含水率实测计算，计算结果为42.2立方米。
Q2＝(42.2+10.1)*0.2＝10.5
根据计算结果水田产生的地表径流量为15.2立方米，产生的地下径流量为10.5立方米。
水质参数输入
根据实验结果，冬水田土壤对污染物有较好的削减效果，农田地表径流中总磷浓度平均为0.13mg/L；水田上覆水主要承接进入水田中的地表径流，其中总磷浓度平均为0.12mg/L；地下径流中总磷浓度平均为0.05mg/L。
N＝15.2*0.12+10.5*0.05＝2.35，即小流域总磷污染负荷为2.35g。
水田总磷削减量测算
若旱地下游无水田情况下，旱地总磷污染负荷为3.54g，对比两种情况，有水田建设的情况下，水田能够削减总磷负荷为3.54-2.35＝1.19g。针对此情况，可建议小流域旱地下游建设大面积水田，以削减小流域农田污染负荷。
为方便直观对比，本实施例还给出了另一情景，即小流域土地利用上下游均为旱地；
蒸发量同上，此处不做重新计算；
径流量计算
径流量均采用旱地径流模型计算，流域面积3387平方公里，降水量177.1立方米，蒸发量123.3立方米，其余参数无变化。
″
W’m-W’0＝(0.58-0.32)*0.02*3387＝17.6
R＝177.1-123.3-17.6＝36.2
小流域总磷负荷量计算
N＝36.2*0.13＝4.71g；
水田总磷削减量测算
相对于上述用地情景，4月旱地总磷污染负荷为4.71g，对比两种情况，有水田建设的情况下，水田能够削减总磷负荷为2.36g。针对此情况，可建议小流域旱地下游建设大面积水田，以削减小流域农田污染负荷。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，整理并输入气象数据以及空间拓扑关系；
步骤二，根据气象相关数据以及空间拓扑关系进行蒸散发计算，
其中，蒸散发量按彭曼-蒙特斯公式计算；
步骤三，根据拓扑关系进行产汇流计算，
其中，若计算对象为旱地，按公式(1)计算，
包气带水量平衡方程：
P＝E+(W’m-W’0)+RS+RG (1)
W’m称包气带达到田间持水量时的蓄水量为包气带蓄水容量，另令W’0表示降雨开始时包气带的初始蓄水量，W’0初始条件为0，RS为地面径流，RG为地下径流；
W′m＝θ·F·h
式中θ为土壤饱和含水率，F为地块面积，h为土壤深度；
根据水量平衡公式产流量：
Figure FDA0004067997580000011
若计算对象为水田，采用两层水箱模型计算，分别计算地表径流量及深层侧向地下径流量，
第一层水箱：
当Hw1+R+P>h1时
Q1＝(Hw1+R+P-E)·a1
I1＝(Hwl+R+P-E)·β1
当Hw1+R+P<h1时
Q1＝0
第二层水箱：
Q2＝(Hw2+I1)·α2
式中Q1为水田地表漫流，Hw1为水田初始蓄水深度，R为上游地表径流，P为降雨量，E为蒸发量，α1为第一层侧向径流系数，β1为深层入渗系数，I1为深层入渗量，Q2为水田深层侧向地下径流，Hw2为深层土壤最大持水量，α2为第二层侧向径流系数；
水田汇流按公式(2)计算，
Figure FDA0004067997580000021
式中F为流域面积，Δt为单位线时段，ui为单位入流；
步骤四，根据现场采样监测结果输入水质参数；
步骤五，测算污染物负荷输出量，并根据计算数据进行相关分析。
2.如权利要求1所述的一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其特征在于：水质参数包括对测算地形进行径流采样并监测不同水样中的污染物浓度，然后通过公式(3)计算，
N＝ci·qi (3)
式中N为污染负荷，ci为污染物浓度，qi为径流量。
3.如权利要求2所述的一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其特征在于：测算地形包括野外农田、鱼塘，污染物浓度检测对象包括总氮、氨氮、总磷、溶解性总磷和磷酸盐。
4.如权利要求1至3任意一项所述的一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其特征在于：步骤三中田间持水量根据土壤理化性质实验测定或根据土壤饱和含水率计算。
5.如权利要求4所述的一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其特征在于：在步骤一和步骤二之间增加根据拓扑关系制作流场图的步骤。
6.如权利要求5所述的一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其特征在于：在步骤三和步骤四之间增加参数调整步骤，根据实测数据或历史经验数据对结果进行验证与参数校正。
7.如权利要求1或2所述的一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其特征在于：对于林地、草地、建筑用地的蒸散发计算，在彭曼-蒙特斯公式的基础上引入修正系数，
Ei＝αEi*ET0
式中αEi表示不同土地利用类型的修正系数，Ei为不同用地类型蒸散发量。
8.如权利要求7所述的一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其特征在于：水塘蒸散发为水面蒸发采用气象站蒸散发测量数据。
9.如权利要求1所述的一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其特征在于：所述拓扑关系为上游旱地，旱地下游试验田为水田。
10.如权利要求1所述的一种提升农业面源污染防治效果的模拟方法，其特征在于：该模拟方法所测算的对象为小流域。
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