CN115758068B - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于运移‑扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法。包括以下步骤：S1：收集农田面源污染相关因素基础数据；S2：构建氮素磷素运移试验：①设置模拟实验；②取样测试；S3：构建纵向‑横向污染物扩散模型，计算吸附在土壤颗粒上的养分质量比；S4：计算径流养分累计流失量；S5：构建农田面源污染模型，量化农田尺度面源污染的排放量。本发明通过模拟试验把控氮素磷素的变化机理，以及不同生育期氮素和磷素的变化响应特征，构建了针对农田面源污染的改进模型，提高了农田尺度面源污染的计算精度。
Description
技术领域
本发明创造属于农业水管理技术领域，尤其涉及一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法。
背景技术
世界范围内农业面源污染导致的土壤、水体及空气变化成为威胁着人类社会经济发展及生态环境安全的重要因素之一，管理和控制农业面源污染已成为国际社会共识。时至今日，随着人口增长与农业产业发展，农业面源污染仍然是水体污染的重要原因之一。化肥有改善土壤条件和土壤肥力的作用，在提高粮食产量、解决世界粮食危机中发挥了重要作用，但同时也是农业面源污染重要来源之一。2017年我国农业面源污染产生的TN和TP排放量分别占地表水体污染总负荷量的46.52％和67.22％，仍然是水体污染的主要贡献源。
面源污染的形成和迁移转化受到降雨、径流、入渗等水文气候，地质地貌、土壤、植被等地理环境因子等多因素综合影响。作为污染物运移驱动力的径流和污染物运移载体之一的泥沙，其运动都存在尺度效应，再加上农业区域下垫面条件和人为管理活动的影响，农业面源污染负荷的排放存在复杂性。其中降雨-径流过程，降雨对土壤的侵蚀及土壤淋溶过程决定了非点源污染的产生与迁移转化。面源污染负荷排放研究的空间区域比较广泛，小至田间和小区尺度，大至流域尺度，研究者所选取的研究尺度不同，得出的研究结果也有所差异。美国水土保持局提出的用于计算径流的SCS径流曲线法，及通用土壤侵蚀方程USLE，结合各种商业化软件被迅速广泛的应用于非点源模型中，在径流计算、土壤侵蚀预报等方面发挥了重要作用。随着遥感技术的不断发展，流域非点源模拟发展了一些空间动态监测与统计、高精度定位、空间信息综合处理等功能于一体的流域分布式综合模型体系，能量化非点源污染。但是上述面源污染的计算方法所针对的研究对象都是尺度较大的流域，而相对于农田尺度面源污染的计算精度不高，且计算繁琐。因此，亟需考虑农田尺度的面源污染量化精度的提升，开发一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法。
发明内容
本发明创造的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法，对农田尺度面源污染的氮素和磷素进行空间动态监测，重点考虑了不同生育期氮素、磷素的分布对改进面源污染模型的影响，量化了农田尺度上面源污染，并改进了面源污染的计算方法。
本发明具有如下优点：通过模拟试验把控氮素磷素的变化机理，以及不同生育期氮素和磷素的变化响应特征，构建了针对农田面源污染的改进模型，提高了农田尺度面源污染的计算精度。
本发明创造的技术方案是这样实现的：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，包含如下步骤：
S1：收集农田面源污染相关因素基础数据；
S2：构建氮素磷素运移试验：①设置模拟实验；②取样测试；
S3：构建纵向-横向污染物扩散模型，计算吸附在土壤颗粒上的养分质量比；
S4：计算径流养分累计流失量：
式中，β径流养分浓度与有效混合深度内养分浓度的比值；q1单位面积径流强度，cm/min；cm为达到产流时刻tp时有效混合深度养分质量浓度，mg/L；q0单位面积的入流量，cm/min；S坡面面积，m2；ρs土壤容重，g/cm3；a为第一单位时间末土壤入渗率，cm/min；b为经验指数；α入渗水养分浓度与有效混合深度内养分浓度的比值；
S5：构建农田面源污染模型，量化农田尺度面源污染的排放量；
M＝EkAk
式中，k为作物种类；M表示污染物(包括氮、磷)输出量含量，kg/a；Ek为作物k的输出系数，kg/ha；Ak为作物k在土地利用面积，ha。
优选地，S1中所述基础数据包括：产流时间、径流到达已设定好的断面的时间、径流水样的质量、流速、土壤中氮磷含量、种植面积、泥沙质量。
优选地，S2中所述模拟实验为：设立试验小区坡长10m，宽度1m，坡度10.8°；上方来水流量为21L/min，单位面积的放水流量为0.21cm/min；当流量和均匀度均达到要求时开始径流冲刷试验，单场放水时间为40min；当径流冲刷试验开始后，记录坡面径流到达试验前已设定好的断面的时间；当坡面水流到达小区出口断面时，记录产流时间；
优选地，S2中所述取样测试为：产流开始后，每隔1min用容量大约18L的塑料桶收集径流水样，用称重法测定每个径流水样的质量，数据记录为体积；之后将各径流桶中的泥沙风干，用来测定各时段的泥沙质量；当坡面水流稳定之后，用高锰酸钾溶液染色剂法来测定流速；用容量为100mL的塑料瓶从收集径流的塑料桶中采集径流澄清液冷藏，测定硝态氮和水溶性磷的质量浓度；每次放水试验前后，在小区顺坡方向上、中、下坡段采集土壤剖面土样用来测定土壤养分浓度，所述养分浓度为质量浓度，表层至地下10cm土壤按照深度0～1cm、1～3cm、3～5cm、5～7.5cm、7.5～10cm的原则分层采集，深度超过10cm则每隔5cm采集一次土样，直至地下50cm为止；测定土壤剖面含水率时，采集土样原则和上述采样原则一致，用烘干法测定土壤含水率；小区进行土壤采样和土壤水分测定之后，用小区周围土壤进行等质量回填，并进行压实，使得填充土的密实度尽量与小区内的原土壤接近。
优选地，S3中所述纵向-横向污染物扩散模型可表示为：
式中：i入渗率，cm/min；I累计入渗量，cm/min；t放水时间，min；tp产流时间，min；a第一单位时间末土壤入渗率cm/min；b经验指数。
优选地，S3中所述吸附在土壤颗粒上的养分质量比可按下述方法计算：
①计算饱和有效混合深度内土壤需要的时间t0为：
式中，θs为土壤的饱和含水率，cm3/cm3；θi为初始含水率，cm3/cm3；hm为有效混合层深度，cm；I0时间为t0时的累计入渗量，cm；
②如果tp＜t0，则应调整有效混合深度，使两者相等；如果tp＞t0，则按照上述假设计算产流时刻混合层内养分浓度。如果将养分吸附过程看成是等温线性吸附过程，则有
cs＝kc0
式中，cs吸附在土壤颗粒上的养分质量比，mg/kg；k等温线性吸附系数，L/kg；c0土壤溶液养分浓度，mg/L。
优选地，S4中所述达到产流时刻tp时有效混合深度养分质量浓度cm：
式中，ρs土壤容重，g/cm3；ci土壤养分初始浓度换算成饱和状态的养分浓度；α入渗水养分浓度与有效混合深度内养分浓度的比值。
附图说明
图1是一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法流程示意图；
具体实施方式
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，其特征在于，包含如下步骤：
S1：收集农田面源污染相关因素基础数据；产流时间、径流到达已设定好的断面的时间、径流水样的质量、流速、土壤中氮磷含量、种植面积、泥沙质量；
S2：构建氮素磷素运移试验：
①设置模拟实验：
设立试验小区坡长10m，宽度1m，坡度10.8°；上方来水流量为21L/min，单位面积的放水流量为0.21cm/min；当流量和均匀度均达到要求时开始径流冲刷试验，单场放水时间为40min；当径流冲刷试验开始后，记录坡面径流到达试验前已设定好的断面的时间；当坡面水流到达小区出口断面时，记录产流时间；
②取样测试：
产流开始后，每隔1min用容量大约18L的塑料桶收集径流水样，用称重法测定每个径流水样的质量，数据记录为体积；之后将各径流桶中的泥沙风干，用来测定各时段的泥沙质量；当坡面水流稳定之后，用高锰酸钾溶液染色剂法来测定流速；用容量为100mL的塑料瓶从收集径流的塑料桶中采集径流澄清液冷藏，测定硝态氮和水溶性磷的质量浓度；每次放水试验前后，在小区顺坡方向上、中、下坡段采集土壤剖面土样用来测定土壤养分浓度，所述养分浓度为质量浓度，表层至地下10cm土壤按照深度0～1cm、1～3cm、3～5cm、5～7.5cm、7.5～10cm的原则分层采集，深度超过10cm则每隔5cm采集一次土样，直至地下50cm为止；测定土壤剖面含水率时，采集土样原则和上述采样原则一致，用烘干法测定土壤含水率；小区进行土壤采样和土壤水分测定之后，用小区周围土壤进行等质量回填，并进行压实，使得填充土的密实度尽量与小区内的原土壤接近。
S3：构建纵向-横向污染物扩散模型，计算吸附在土壤颗粒上的养分质量比；
对于坡长较短的坡面，为了简化入渗过程，将坡面看成一个单元体，并假设整个坡面入渗从产流时间的一半开始，即入渗开始时间为tp/2，因此纵向-横向污染物扩散模型可表示为：
式中：i入渗率，cm/min；I累计入渗量，cm/min；t放水时间，min；tp产流时间，min；a第一单位时间末土壤入渗率cm/min；b经验指数。
设土壤的饱和含水率为θs，cm3/cm3；初始含水率为θi，单位:cm3/cm3)，有效混合层深度为hm(单位:cm)，则饱和有效混合深度内土壤需补充的含水量w0(单位:cm)为：
w0＝(θs-θi)hm
I0＝w0
则饱和有效混合深度内土壤需要的时间t0为：
式中，I0时间为t0时的累计入渗量，cm。
如果tp＜t0，则应调整有效混合深度，使两者相等。如果tp＞t0，则按照上述假设计算产流时刻混合层内养分浓度。如果将养分吸附过程看成是等温线性吸附过程，则有
cs＝kc0
式中，cs吸附在土壤颗粒上的养分质量比，mg/kg；k等温线性吸附系数，L/kg；c0土壤溶液养分浓度，mg/L。
S4：计算径流养分累计流失量：
有效混合深度内养分浓度与入渗水携带养分浓度以及径流养分浓度成比例，假定时间达到产流时刻tp时，混合层开始向地表径流传递养分，此时有效混合深度内养分浓度(单位:mg/L)可表示为：
式中，ρs土壤容重，g/cm3；ci土壤养分初始浓度换算成饱和状态的养分浓度；α入渗水养分浓度与有效混合深度内养分浓度的比值。
产流之后，有效混合深度内的养分一部分随地表径流迁移，另一部分随入渗水向深层迁移，因此有效混合深度内养分随时间变化可表示为：
式中，β径流养分浓度与有效混合深度内养分浓度的比值；q单位面积径流强度，cm/min；c产流后任意时刻有效混合深度养分质量浓度，mg/L。
对上式积分得：
径流养分浓度可表示为：
式中第1个积分项表示累计入渗量，第2个积分项表示累计径流量，用入流总量减去累计入渗量则得到累计径流量，表示为：
式中，q0单位面积的入流量，cm/min。
进一步简化得到不完全混合模型：
上式描述了径流养分浓度变化过程。由于养分流失量是径流量和养分浓度的乘积，径流强度q(单位:L/min)可以表示为：
式中，S坡面面积，m2；
q1的单位为L/min，则单位时间内的径流养分流失量W(单位:mg/min)表示为：
径流养分累计流失量W1(单位:mg)表示为：
式中，β径流养分浓度与有效混合深度内养分浓度的比值；q1单位面积径流强度，cm/min；cm为达到产流时刻tp时有效混合深度养分质量浓度，mg/L；q0单位面积的入流量，cm/min；S坡面面积，m2；ρs土壤容重，g/cm3；a为第一单位时间末土壤入渗率，cm/min；b为经验指数；α入渗水养分浓度与有效混合深度内养分浓度的比值；
S5：构建农田面源污染模型，量化农田尺度面源污染的排放量；
M＝EkAk
式中，k为作物种类；M表示污染物(包括氮、磷)输出量含量，kg/a；Ek为作物k的输出系数，kg/ha；Ak为作物k在土地利用面积，ha。
Claims (6)
1.一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1：收集农田面源污染相关因素基础数据；
S2：构建氮素磷素运移试验：①设置模拟实验；②取样测试；
S3：构建纵向-横向污染物扩散模型，计算吸附在土壤颗粒上的养分质量比；所述纵向-横向污染物扩散模型表示为：
式中：i入渗率，cm/min；I累计入渗量，cm/min；t放水时间，min；tp产流时间，min；a第一单位时间末土壤入渗率cm/min；b经验指数；
S4：计算径流养分累计流失量：
式中，β径流养分浓度与有效混合深度内养分浓度的比值；q1单位面积径流强度，cm/min；cm为达到产流时刻tp时有效混合深度养分质量浓度，mg/L；q0单位面积的入流量，cm/min；S坡面面积，m2；ρs土壤容重，g/cm3；a为第一单位时间末土壤入渗率，cm/min；b为经验指数；α入渗水养分浓度与有效混合深度内养分浓度的比值；θs为土壤的饱和含水率，cm3/cm3；hm为有效混合层深度，cm；
S5：构建农田面源污染模型，量化农田尺度面源污染的排放量；
M＝EkAk
式中，k为作物种类；M表示氮素和磷素的污染物输出量含量，kg/a；Ek为作物k的输出系数，kg/ha；Ak为作物k在土地利用面积，ha。
2.根据权利要求1所述的一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法，其特征在于：S1中所述基础数据包括：产流时间、径流到达已设定好的断面的时间、径流水样的质量、流速、土壤中氮磷含量、种植面积、泥沙质量。
3.根据权利要求1所述的一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法，其特征在于：S2中所述模拟实验为：设立试验小区坡长10m，宽度1m，坡度10.8°；上方来水流量为21L/min，单位面积的放水流量为0.21cm/min；当流量和均匀度均达到要求时开始径流冲刷试验，单场放水时间为40min；当径流冲刷试验开始后，记录坡面径流到达试验前已设定好的断面的时间；当坡面水流到达小区出口断面时，记录产流时间。
4.根据权利要求1所述的一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法，其特征在于：S2中所述取样测试为：产流开始后，每隔1min用容量大约18L的塑料桶收集径流水样，用称重法测定每个径流水样的质量，数据记录为体积；之后将各径流桶中的泥沙风干，用来测定各时段的泥沙质量；当坡面水流稳定之后，用高锰酸钾溶液染色剂法来测定流速；用容量为100mL的塑料瓶从收集径流的塑料桶中采集径流澄清液冷藏，测定硝态氮和水溶性磷的质量浓度；每次放水试验前后，在小区顺坡方向上、中、下坡段采集土壤剖面土样用来测定土壤养分浓度，所述养分浓度为质量浓度，表层至地下10cm土壤按照深度0～1cm、1～3cm、3～5cm、5～7.5cm、7.5～10cm的原则分层采集，深度超过10cm则每隔5cm采集一次土样，直至地下50cm为止；测定土壤剖面含水率时，在小区顺坡方向上、中、下坡段采集土壤剖面土样用来测定土壤养分浓度，所述养分浓度为质量浓度，表层至地下10cm土壤按照深度0～1cm、1～3cm、3～5cm、5～7.5cm、7.5～10cm的原则分层采集，深度超过10cm则每隔5cm采集一次土样，直至地下50cm为止，用烘干法测定土壤含水率；小区进行土壤采样和土壤水分测定之后，用小区周围土壤进行等质量回填，并进行压实，使得填充土的密实度尽量与小区内的原土壤接近。
5.根据权利要求1所述的一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法，其特征在于：S3中所述吸附在土壤颗粒上的养分质量比按下述方法计算：
①计算饱和有效混合深度内土壤需要的时间t0为：
式中，θs为土壤的饱和含水率，cm3/cm3；θi为初始含水率，cm3/cm3；hm为有效混合层深度，cm；I0时间为t0时的累计入渗量，cm；
②如果tp<t0，则应调整有效混合深度，使两者相等；如果tp>t0，则计算产流时刻混合层内养分浓度；如果将养分吸附过程看成是等温线性吸附过程，则有
cs＝kc0
式中，cs吸附在土壤颗粒上的养分质量比，mg/kg；k等温线性吸附系数，L/kg；c0土壤溶液养分浓度，mg/L。
6.根据权利要求1所述的一种基于运移-扩散试验拟合优化的面源污染排放量估算方法，其特征在于：S4中所述达到产流时刻tp时有效混合深度养分质量浓度cm：
式中，ρs土壤容重，g/cm3；ci土壤养分初始浓度换算成饱和状态的养分浓度；α入渗水养分浓度与有效混合深度内养分浓度的比值。
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| CN202211430414.9A Active CN115758068B (zh) | 2022-11-15 | 2022-11-15 | 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 |
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| CN116431954B (zh) * | 2023-06-14 | 2023-08-18 | 中国环境科学研究院 | 定量降水溅蚀对农田生态系统养分径流流失贡献的方法 |
Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| 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 |
| CN107066808A (zh) * | 2017-02-28 | 2017-08-18 | 西北农林科技大学 | 一种丘陵区非点源氮磷流失形态构成分布式模拟方法 |
| CN107273679A (zh) * | 2017-06-09 | 2017-10-20 | 农业部环境保护科研监测所 | 东北集约化玉米单作区农田面源污染评价与监测方法 |
| US11382255B1 (en) * | 2021-02-09 | 2022-07-12 | Zhejiang Province Eco-Environmental Low-Carbon Development Center | Method and system for storing emission rights for point and nonpoint source pollution based on internet of things |
-
2022
- 2022-11-15 CN CN202211430414.9A patent/CN115758068B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| 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 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 冀南地区农田氮磷流失模拟降雨试验研究;关荣浩;马保国;黄志僖;齐拴旺;;农业环境科学学报(第03期);全文 * |
| 径流冲刷条件下坡地养分随地表径流迁移数学模型;王全九;赵光旭;陶汪海;刘艳丽;张鹏宇;柴晶;;农业机械学报(第07期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115758068A (zh) | 2023-03-07 |
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