CN116307768B - 流域农业农村面源污染不同时空尺度动态排放清单方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了流域农业农村面源污染不同时空尺度动态排放清单方法，所述方法包括：利用硝酸根氮氧同位素、磷氧同位素示踪技术定量水体可溶性氮磷污染物来源贡献与负荷，联合环境放射性核素与单体化合物稳定性碳同位素联合示踪技术定量泥沙沉积物的不同土地利用来源的贡献与负荷，然后得到水沙两相污染的负荷总量及各自贡献，再综合污染物空间分布和时间排放信息，从而精准构建水沙两相的时空动态排放清单。本发明准确高效且经济地实现清单编制，同时构建水沙两相的时空动态排放清单。

Description

流域农业农村面源污染不同时空尺度动态排放清单方法

技术领域

本发明属于领域，具体涉及流域农业农村面源污染不同时空尺度动态排放清单方法。

背景技术

农业面源污染主要是指农业生产和农村生活的过程产生的污染物，在降水或灌溉过中，通过地表径流、农田排水、地下渗漏等途径进入水体引起的有机物或者氮、磷污染，而水体和泥沙是这些污染物迁移转化的主要载体。由于农业的弱质性和农业面源污染时空广，不确定性高，过程复杂，事实上全球范围内的农业面源污染在很大程度上仍缺乏监管，因此确定面源污染污染源、计算面源污染物排放量，对实现农业面源污染控制和农业绿色发展具有重要意义。

排放源清单是对某一地区一种或几种污染物排放源的排放量进行统计或估算，它对于政策制定和科学研究都具有重要的价值。农业面源污染涉及种养殖业种类多、数量大，导致农业面源污染形成具有随机性。另外很多污染物存在于土壤、水体中，隐蔽性强，量化监测比较困难，控制难度大等，给农业面源污染治理带来了难度。在这一背景下，加强农业面源污染相关研究，搭建面源污染排放清单估算系统，摸清农业面源污染排放情况，不仅对改善我国流域水环境质量具有重要作用，而且对于支撑生态环境部农业非点源监管的科学决策意义重大。

污染源排放清单的构建主要包括污染源分类和面源污染负荷估算两部分。首先调研流域基本信息及农业生产现状，再结合污染源的产污方式、排污路径等将污染源进行类别划分，然后根据流域水域特征及规划管理要求，选择影响流域水质的主要污染物为污染源清单关注的污染物。其次根据数据和污染物产排规律，选择合适的计算方法对不同污染源进行负荷估算。最后综合污染源空间分布和时间排放规律信息，形成污染源排放清单。

其中，面源污染负荷估算方法主要分为经验统计法、机理模型法两种。经验统计法是在流域自然地理特征与污染物关系的基础上产生，与污染物的转化机理过程无关，与污染源的输入有关的统计方法。经验系数法包括两种计算方法，一种是输出系数法，即利用污染物输出系数来估算流域输出的面源污染负荷，其特点在于能够利用土地利用状况等资料，通过相关分析，直接建立流域土地利用类型与面源污染输出量的关系，然后通过对不同来源污染负荷求和，便得到区域污染总负荷；另一种是源强系数法，这是一种计算单位面积污染物负荷量的估算方法，是对某一宏观尺度污染物排放均值的描述。而机理模型法在考虑了降雨、径流、蒸发等水循环过程影响下，描述了在不同土地利用条件下流域内面源污染物的迁移转化、最终入河的一系列过程，定量分析了农业面源污染物的迁移流失机理过程，通过模型追溯各类污染源的来源，其中主要包括SWAT模型、HSPF模型、AnnAGNPS模型等。

当前我国各地区的农业面源污染监测资料相对短缺，且研究时间跨度不足，机理模型无法在资料尚不完全收集之处应用，造成研究误差颇大，不具有较高准确度。而经验统计法对流域数据获取要求较低，仅利用土地利用、施肥量、牲畜、人口等基础数据计算出流域负荷总量及水系出水口的负荷量，误差也比较大。此外，这些方法未考虑不同土地利用对流域泥沙的面源污染贡献，无法形成水沙两相的时空动态排放清单。因此，在农业面源污染未知的地区或流域，如何快速构建污染源排放清单，获取污染源排放的动态变化是亟待解决的技术问题。

现有技术一

农业面源污染在线监测系统

该发明提供了一种农业面源污染在线监测系统，包括多个监测站、通信网络和监控中心，监测站设置在不同的面源污染点，用于实时采集污水并进行水质分析，将水质分析数据通过通信网络传输至监控中心；监测站内设置有采样及预处理单元、水质分析单元、照明单元和监控单元；采样及预处理单元包括采样泵和过滤器，水质分析单元包括取样池和设置在取样池内的分析仪；分析仪连接有控制柜，控制柜内设置有控制单元，所述控制单元，用于控制监测站内的采样泵、水位计、分析仪的动作及与监控中心的通信，将监测站内的水质分析结果、照明情况及监控单元的监测信息传送至监控中心。本发明实现了对农业面源污染多点在线监测，自动化程度高，节省人力物力。

现有技术一的缺点

(1)该专利只对不同面源污染点的水质进行分析，但没有对泥沙中的污染物进行分析，无法得到水沙两相污染的排放清单；

(2)该专利采用在线监测系统对多段水域进行水质分析，但没有计算污染排放量，无法形成时空动态排放清单；

(3)该专利设置了多个监测站、通信网络和监控中心，需要大量硬件支持，成本较高。

现有技术二的技术方案

一种地表水流域污染源排放清单(动态清单)的编制方法

本发明涉及一种地表水流域污染源排放清单(动态清单)的编制方法，本方法分别从污染源的分类、污水中主要污染物的识别与排放量的计算、排放量与水质之间的关系构建等方面的工作，最后以GIS为载体，形成具有可以计算、归纳、统计、预测等功能的随时间、空间变化的污染源(动态)清单，为流域环境综合管控重点对象识别提供支持，支持流域水质目标管理体系和水环境精细化管理。

现有技术二的缺点

(1)该专利只对污水中主要污染物进行了监测，未考虑泥沙中的污染物，无法得到水沙两相污染的排放清单；

(2)该专利采用产排污系数法核算面源污染物的产生量和排放量，误差较大。

现有技术三的技术方案

一种非点源污染排放清单快速处理方法

本发明公开了一种非点源污染排放清单快速处理方法，涉及流域污染防治技术领域。该方法，通过将非点源污染数据规范到流域尺度，综合考虑北方片区和南方片区污染产生数据之间的差异，以及季节性污染产生数据之间的差异，提高了污染源排放清单编制效率和科学性，可以通过技术手段分析非点源污染的减排措施和减排效益，所以，应用于流域污染防治中，在总量控制、节能减排方面具有较广泛的应用前景。

现有技术三的缺点

(1)该专利结合面源污染输出系数和统计参数、土地利用类型面积和全国行政区划统计数据得到所述流域面源污染产生量数据，误差较大；

(2)该专利未考虑泥沙中的污染物，无法得到水沙两相污染的排放清单。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了流域农业农村面源污染不同时空尺度动态排放清单方法。

具体技术方案如下：

流域农业农村面源污染不同时空尺度动态排放清单方法，包括以下步骤：

步骤S1：确定流域农业农村水沙两相氮磷污染源；

步骤S2：采集与分析流域污染源和汇水区的水体和泥沙样品；

步骤S3：解析流域农业农村氮磷面源污染时空动态排放负荷。

优选地，步骤S1包括以下子步骤：

子步骤S11：排放源种类的确定需要实地调研与GIS遥感影像对照相结合，从而确定土地利用类型和流域水系分布，再结合流域连通性确定流域的水沙两相的污染源；

子步骤S12：在分类明晰的基础上再展开水沙两相排放源的监测、估算和排放清单的编制。

优选地，子步骤S12的流域的主要污染源来源于不同的土地利用。

优选地，步骤S2包括以下子步骤：

子步骤S21：泥沙样品采集；

子步骤S22：水体样品采集。

优选地，子步骤S21包括以下子步骤：

子步骤S211：采集源区表层土壤，测定土壤脂肪酸中的碳同位素，构建源区脂肪酸碳同位素指纹数据库，当源区土地利用类型发生重大变化，则重新采集样品建立源区指纹数据库；

子步骤S212：所述泥沙样品采集分不同时间尺度：分别为季节尺度和强降雨尺度；

季节尺度为对流域出口的泥沙按季节进行采样，利用泥沙采样器采集流域出口河底泥沙剖面样品；

强降雨尺度为次降雨事件或短期连续强降雨尺度，降雨事件后，采集流域出口泥沙剖面样品，同时采集流域参考点土壤剖面样品，测定样品中的⁷Be比活度，估算次降雨事件下流域出口产沙速率，根据流域出口面积估算产沙量。

优选地，子步骤S22包括以下子步骤：

子步骤S221：通过流域水系和污染物调研，确定不同污染源区，在主干流和支流处以及汇水断面处，按自下而上的原则系统采集水体样品，采样时期按季节划分；

子步骤S222：水体样品采集时，利用采集器采集表层水20cm或水下0.5m、中层水或处于中部位置样品。

优选地，步骤S3包括以下子步骤：

子步骤S31：流域泥沙不同土地利用类型来源解析；

子步骤S32：流域水体氮磷污染物来源解析；

子步骤S33：计算流域水体氮、磷污染物来源的负荷。

优选地，子步骤S31包括以下子步骤：

子步骤S311：通过方差分析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；

子步骤S312：基于不同土地利用类型筛选的脂肪酸δ¹³C和bulk¹³C的结果，应用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；

子步骤S313：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。

优选地，子步骤S32包括以下子步骤：

子步骤S321：流域泥沙来源是农地、林地、草地等不同土地利用类型，不同土地利用类型对流域出口泥沙的贡献为不同土地利用类型产沙量占流域出口泥沙输出量来源的百分比；

子步骤S322：流域不同土地利用类型的泥沙输出通量为流域出口泥沙通量与不同土地利用类型对流域输出泥沙贡献的乘积。

优选地，子步骤S33包括以下子步骤：

子步骤S331：根据流域出口断面月排放加权浓度和月平均排放量估算流域年硝酸盐或磷酸盐通量；

子步骤S332：流域水体氮、磷污染物来源负荷计算为流域年硝酸盐或磷酸盐通量乘以相应来源的贡献率。

本发明流域农业农村面源污染不同时空尺度动态排放清单方法的有益效果如下：

1.准确高效且经济地实现清单编制，传统的农业面源污染排放清单编制主要依托于统计年鉴等信息，采用“自上而下”的估算方法，通常以镇、县等行政单位为最小单元对污染物排放总量进行计算，误差较大，还有一些面源污染在线监测系统需要硬件投入，成本较高。而本发明通过建立指纹数据库和采用独特的采样策略大大提高了精确度和降低了成本。首先是采集源区表层土壤，测定脂肪酸中的碳同位素，构建源区指纹数据库，然后是采用“自下而上”的计算方法，对流域出口的泥沙和不同来源点位的水体进行动态监测，不需要硬件投入且省时省力，在保证准确度的基础上大大节约了成本。

2.构建水沙两相的时空动态排放清单，本发明根据需求划分采样时期，对泥沙和水体进行动态监测，即对流域出口的泥沙和不同来源点位的水体进行动态采样，然后利用硝酸根氮氧同位素、磷酸根磷氧同位素示踪技术定量水体可溶性氮磷污染物来源贡献与负荷，采用⁷Be与单体化合物稳定性碳同位素联合示踪技术得到泥沙沉积物的不同土地利用来源的贡献与负荷，最后得到水沙两相污染的负荷总量及各自的贡献，再综合污染物空间分布和时间排放信息，从而构建水沙两相的时空动态排放清单。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中仅以示意方式说明本发明的基本构想。

本发明利用硝酸根氮氧同位素、磷酸根磷氧同位素示踪技术定量水体可溶性氮磷污染物来源贡献与负荷，采用环境放射性核素与单体化合物稳定性碳同位素联合示踪技术得到泥沙沉积物的不同土地利用来源的贡献与负荷，然后得到水沙两相污染的负荷总量及各自贡献，从而构建水沙两相的排放清单。

另外对源区表层土壤进行采样分析，建立不同泥沙来源的指纹数据库，并根据需求划分采样时期，对泥沙和水体进行动态监测，即对流域出口的泥沙和不同来源点位的水体进行动态采样和分析，然后综合污染物空间分布和时间排放信息，从而构建时空动态的排放清单。

本发明提供的流域农业农村面源污染不同时空尺度动态排放清单技术，利用硝酸根氮氧同位素、磷氧同位素示踪技术定量水体可溶性氮磷污染物来源贡献与负荷，采用环境放射性核素与单体化合物稳定性碳同位素联合示踪技术定量泥沙沉积物的不同土地利用来源的贡献与负荷，然后得到水沙两相污染的负荷总量及各自的贡献，再综合污染物空间分布和时间排放信息，从而精准构建水沙两相的时空动态排放清单。

(1)确定流域农业农村水沙两相氮磷污染源

为编制面源污染排放清单，首先需要确定排放源的种类，在分类明晰的基础上再展开各种排放源的监测、估算和排放清单的编制。

而排放源种类的确定需要实地调研与GIS遥感影像对照相结合，从而确定土地利用类型，再结合流域连通性确定流域的主要污染源。

通常，泥沙污染物主要来源于不同的土地利用，例如耕地(水田和旱地)、林地、园地和草地等，而水体污染物主要来源于农业种植、水产养殖、畜禽养殖、农村生活(生活垃圾、生活污水和人粪尿)等。

(2)采集与分析流域污染源和汇水区的水体和泥沙样品

在确定污染源的基础上，要通过进一步采样分析来确定水沙两相污染的来源负荷与贡献。

根据需求划分采样时期，例如以季节或月为周期进行采样，对泥沙和水体进行动态监测。

泥沙样品采集：1)季节性采样。首先采集源区(不同土地利用类型)表层土壤，测定脂肪酸中的碳同位素，构建源区指纹数据库，如若源区土地利用类型发生重大变化，则重新采集样品建立源区指纹数据库。然后对流域出口的泥沙按季节进行采样，利用泥沙采样器采集河底泥沙剖面样品。

2)次降雨事件或短期连续强降雨采样。降雨(大暴雨)事件后，采集流域出口泥沙剖面样品，同时采集流域参考点土壤剖面样品，测定样品中的7Be比活度，估算次降雨事件下流域出口产沙速率，根据流域出口面积估算产沙量。

水体样品采集：通过流域水系和污染物调研，确定不同污染源区，在主干流和支流处以及汇水断面处，按自下而上的原则系统采集水体样品，采样时期按季节划分。水体样品采集时，利用采集器采集表层水20cm(水下0.5m)、中层水(处于中部)位置样品。

实验室分析土壤和泥沙核素⁷Be、δ¹³C_FAME，水体δ¹⁵N-NO³、δ¹⁸O-NO³、δ¹⁸O-PO₄等指标数据。

(3)解析流域农业农村氮磷面源污染时空动态排放负荷

流域泥沙不同土地利用类型来源解析

1)流域泥沙不同土地利用类型来源贡献

通过方差分析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bulk¹³C的结果，应用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。

2)流域泥沙不同土地利用类型的泥沙通量估算

流域泥沙来源是农地、林地、草地等不同土地利用类型，不同土地利用类型对流域出口泥沙的贡献为不同土地利用类型产沙量占流域出口泥沙输出量来源的百分比。流域不同土地利用类型的泥沙输出通量为流域出口泥沙通量与不同土地利用类型对流域输出泥沙贡献的乘积。

3)流域泥沙不同土地利用类型的氮磷污染负荷

流域不同土地利用类型泥沙氮磷输出通量为不同土地利用类型土壤全氮或全磷浓度乘以该土地利用类型泥沙输出通量。

流域水体氮磷污染物来源解析

基于流域出口水体氮磷污染物以及不同来源水体氮氧、磷氧同位素特征，使用SIAR模型的稳定同位素分析计算流域水体硝酸盐或磷酸盐的来源和贡献。

流域水体氮、磷污染物来源负荷

根据流域出口断面月排放加权浓度和月平均排放量估算流域年硝酸盐或磷酸盐通量。流域水体氮、磷污染物来源负荷计算为流域年硝酸盐或磷酸盐通量乘以相应来源的贡献率。

本发明提供的流域农业农村面源污染不同时空尺度动态排放清单技术。本发明的关键点是，根据需求划分采样时期，对泥沙和水体进行动态监测，即对流域出口的泥沙和不同来源点位的水体进行动态采样，再利用氮氧、磷氧同位素示踪技术定量水体污染物来源贡献与负荷，利用⁷Be与单体化合物稳定性碳同位素联合示踪技术得到泥沙沉积物的不同土地利用来源的贡献与负荷，最后得到水沙两相污染的负荷总量及各自的贡献，再综合污染物空间分布和时间排放信息，从而构建水沙两相的时空动态排放清单。

保护点

(1)构建水沙两相的排放清单。本发明对流域出口的泥沙和不同来源点位的水体进行采样，利用氮氧、磷氧同位素示踪技术定量水体污染物来源贡献与负荷，利用环境放射性核素与单体化合物稳定性碳同位素联合示踪技术得到泥沙沉积物的不同土地利用来源的贡献与负荷，最后得到水沙两相污染的负荷总量及各自的贡献，从而构建水沙两相的排放清单。

(2)构建精准经济的时空动态排放清单。本发明通过建立指纹数据库和采用独特的采样策略大大提高了精确度和降低了成本。首先是采集源区表层土壤，构建源区指纹数据库，然后是根据需求划分采样时期，采用“自下而上”的计算方法，对流域出口的泥沙和不同来源点位的水体进行动态监测，然后综合污染物空间分布和时间排放信息，从而构建精准经济的时空动态排放清单。

Claims (1)

1.流域农业农村面源污染不同时空尺度动态排放清单方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：确定流域农业农村水沙两相氮磷污染源；

步骤S2：采集与分析流域污染源和汇水区的水体和泥沙样品；

步骤S3：解析流域农业农村氮磷面源污染时空动态排放负荷；

所述步骤S1包括以下子步骤：

子步骤S11：排放源种类的确定需要实地调研与GIS遥感影像对照相结合，从而确定土地利用类型和流域水系分布，再结合流域连通性确定流域的水沙两相的污染源；

子步骤S12：在分类明晰的基础上再展开水沙两相排放源的监测、估算和排放清单的编制；

所述子步骤S12的流域的主要污染源来源于不同的土地利用；

所述步骤S2包括以下子步骤：

子步骤S21：泥沙样品采集；

子步骤S22：水体样品采集；

所述子步骤S21包括以下子步骤：

子步骤S211：采集源区表层土壤，测定土壤脂肪酸中的碳同位素，构建源区脂肪酸碳同位素指纹数据库，当源区土地利用类型发生重大变化，则重新采集样品建立源区指纹数据库；

子步骤S212：所述泥沙样品采集分不同时间尺度：分别为季节尺度和次降雨尺度；

季节尺度为对流域出口的泥沙按季节进行采样，利用泥沙采样器采集流域出口河底泥沙剖面样品；

次降雨尺度为次降雨事件或短期连续强降雨时间尺度，降雨事件后，采集流域出口泥沙剖面样品，同时采集流域参考点土壤剖面样品，测定样品中的⁷Be比活度，估算次降雨事件下流域出口产沙速率，根据流域出口面积估算产沙量；

所述子步骤S22包括以下子步骤：

子步骤S221：通过流域水系和污染物调研，确定不同污染源区，在主干流和支流处以及汇水断面处，按自下而上的原则系统采集水体样品，采样时期按季节划分；

子步骤S222：水体样品采集时，利用采集器采集表层水20 cm或水下0.5m、中层水或处于中部位置样品；

所述步骤S3包括以下子步骤：

子步骤S31：流域泥沙不同土地利用类型来源解析；

子步骤S32：流域水体氮磷污染物来源解析；

子步骤S33：计算流域水体氮、磷污染物来源的负荷；

所述子步骤S31包括以下子步骤：

子步骤S311：通过方差分析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；

子步骤S312：基于不同土地利用类型筛选的脂肪酸δ¹³C和bulk¹³C的结果，应用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；

子步骤S313：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；

所述子步骤S32包括以下子步骤：

子步骤S321：流域泥沙来源是农地、林地、草地不同土地利用类型，不同土地利用类型对流域出口泥沙的贡献为不同土地利用类型产沙量占流域出口泥沙输出量来源的百分比；

子步骤S322：流域不同土地利用类型的泥沙输出通量为流域出口泥沙通量与不同土地利用类型对流域输出泥沙贡献的乘积；

子步骤S323：流域泥沙氮、磷污染物来源负荷为流域不同土地利用类型的泥沙输出通量乘以不同土地利用类型氮、磷污染物浓度；

所述子步骤S33包括以下子步骤：

子步骤S331：根据流域出口断面月排放加权浓度和月平均排放量估算流域年硝酸盐或磷酸盐通量；

子步骤S332：流域水体氮、磷污染物来源负荷计算为流域年硝酸盐或磷酸盐通量乘以相应来源的贡献率。