本發(fā)明屬于環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種丘陵區(qū)非點源氮磷流失形態(tài)構(gòu)成分布式模擬方法，具體地說，涉及一種基于gis的丘陵區(qū)非點源氮磷流失形態(tài)構(gòu)成分布式模擬方法。

背景技術(shù)：

形態(tài)構(gòu)成比例是評估非點源污染形成過程的重要手段，也是制定非點源污染控制對策的理論依據(jù)。我國黃土丘陵區(qū)水沙過程的典型性使非點源氮磷負荷形態(tài)構(gòu)成比例的研究顯得很有必要，而氮磷形態(tài)構(gòu)成比例的分布式模擬研究對污染控制決策的制定有重要參考作用，具體可根據(jù)非點源污染形態(tài)構(gòu)成比例特征設置相應的流域綜合治理措施，為政府制定氮磷非點源污染的防控決策提供依據(jù)。

在流域尺度上，模型是非點源氮磷污染負荷研究中從多點監(jiān)測擴展到整個流域的必要手段，且流域降水和下墊面特征的空間不均勻性是分布式模型研究的必然要求。目前應用最廣泛的是scs-cn、usle/rulse與非點源污染監(jiān)測的結(jié)合，對于把降雨徑流、土壤侵蝕與非點源污染物運移相耦合的研究報道較少。國外眾多的流域非點源污染綜合模型如agnps、swat等的徑流模擬部分基本上采用徑流曲線數(shù)法(scs-cn)，scs法是否完全適合我國的實際情況，還需進行本地化修正；此外，scs法不包含對壤中流的單獨模擬，而壤中流對侵蝕泥沙搬運和農(nóng)業(yè)非點源污染形成也有重要貢獻，考慮到上述原因，很難根據(jù)現(xiàn)有集成模型估算流域氮磷流失量。

從上述分析可知，過去國內(nèi)外對非點源污染形成的子過程進行了大量的研究，取得了顯著的成果，但到目前為止，大多數(shù)研究是把分布式水文模型、土壤侵蝕模型和非點源污染模型分開進行的，或者是水文模型與土壤侵蝕模型結(jié)合，或者是土壤侵蝕模型與非點源污染模型結(jié)合，或者是國外開發(fā)的有局地特點的綜合模型，沒有把三者有機結(jié)合起來研究非點源污染形態(tài)構(gòu)成，更沒有與我國黃土丘陵區(qū)水沙過程的典型性和氮磷流失的特殊性相結(jié)合。因此，借鑒國內(nèi)外非點源污染的研究成果，構(gòu)建溶解態(tài)與吸附態(tài)非點源污染分布式模擬方法，定量估算吸附態(tài)與溶解態(tài)非點源污染負荷量，分析評估非點源污染形態(tài)構(gòu)成時空分布特征。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種丘陵區(qū)非點源氮磷流失形態(tài)構(gòu)成分布式模擬方法，該方法采用野外監(jiān)測與模型模擬相結(jié)合的技術(shù)途徑。在野外監(jiān)測分析的基礎上，構(gòu)建溶解態(tài)與吸附態(tài)非點源污染分布式模擬方法，模擬與分析研究區(qū)非點源污染形態(tài)構(gòu)成比例特征，形成一套丘陵區(qū)非點源污染形態(tài)構(gòu)成模擬與分析方法框架。

其具體技術(shù)方案為：

一種丘陵區(qū)非點源氮磷流失形態(tài)構(gòu)成分布式模擬方法，根據(jù)收集整理的氣象、徑流、泥沙、數(shù)字高程、土壤、土地利用、植被覆蓋、行政區(qū)劃、社會經(jīng)濟等相關(guān)數(shù)據(jù)與資料，通過gis技術(shù)對各種空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行處理，制作專題圖層，進而構(gòu)建具有物理機制、考慮溶解態(tài)與吸附態(tài)非點源污染負荷的綜合模擬方法，定量模擬非點源氮磷時空分布規(guī)律與形態(tài)構(gòu)成特征。

包括以下步驟：

步驟1、觀測試驗設計與參數(shù)測定

野外觀測試驗設計：選取野外不同土地利用類型徑流測試小區(qū)和典型子流域出口：第一，改造徑流測試平臺，在人工降雨條件下監(jiān)測土壤參數(shù)，人工降雨采用側(cè)噴式自動模擬降雨系統(tǒng)；第二，在自然降雨條件下監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)；

步驟2、模型模擬

①構(gòu)建基于分布式水文過程的溶解態(tài)非點源污染模型；

②構(gòu)建黃土區(qū)流域基于分布式水文過程的吸附態(tài)非點源污染模型；

③模擬與分析黃土區(qū)小流域非點源氮磷污染負荷形態(tài)構(gòu)成特征。

進一步，所述土壤參數(shù)測定：參照標準測試方法，對常規(guī)施肥和降雨前后土壤樣品進行采集與分析，分析指標包括總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總磷、土壤有機質(zhì)和土壤機械組成。

進一步，所述水質(zhì)參數(shù)測定：監(jiān)測項目包括地表徑流量、壤中流量、總氮、水溶性氮、泥沙結(jié)合態(tài)氮、nh3-n、no2-n、no3-n，總磷、水溶性磷和泥沙結(jié)合態(tài)磷，其中自然降雨條件下試驗時間安排在研究區(qū)多雨季節(jié)，合理確定降雨前、降雨期間和降雨后的采樣時間和頻率。

再進一步，采樣點與采樣頻率：通過不同土地利用類型暴雨產(chǎn)生地表徑流和壤中流集流槽對徑流氮磷濃度進行監(jiān)測。降雨開始，記錄開始降雨時間、初始產(chǎn)流時間、停水時間、徑流停止時間；坡面產(chǎn)流后，產(chǎn)流前10min內(nèi)，每間隔一分鐘用塑料小桶收集徑流樣，此外每隔10min取一次樣；壤中流出現(xiàn)后，取樣過程與坡面徑流相同。在自然降雨條件下，子流域出口每次進行24h連續(xù)采樣，每次采樣間隔3～4h。

進一步，具體測定方法：1)水樣氮磷含量①tp：過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法；②tn：過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；③nh3-n：納氏試劑光度法，dr4000/5000分光光度儀；④no3-n：酚二磺酸光度法；⑤no2-n：n-(1-萘基)-乙二胺光度法。其中，水樣經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾后，濾液與總氮、總磷同法測得水溶性氮與水溶性磷；泥沙結(jié)合態(tài)氮和泥沙結(jié)合態(tài)磷為總氮、總磷與水溶性氮、水溶性磷之差。2)土壤氮磷含量①全磷采用hclo4-h2so4消煮-鉬銻抗比色法測定；②全氮采用半微量凱氏法測定；③有機質(zhì)采用重鉻酸鉀紅外加熱氧化法測定。

進一步，步驟2中所述構(gòu)建基于分布式水文過程的溶解態(tài)非點源污染模型具體為：

引入具有物理機制的slurp分布式水文模型，以流域土地利用類型為研究單元，模擬典型流域不同土地利用類型從降雨到徑流的整個水文循環(huán)過程；該過程易于與同樣基于不同土地利用類型來模擬溶解態(tài)非點源氮磷負荷的污染模型耦合，從而構(gòu)建與分布式水文模型耦合的溶解態(tài)非點源污染分布式模型。

進一步，步驟2中所述構(gòu)建黃土區(qū)流域基于分布式水文過程的吸附態(tài)非點源污染模型具體為：

提出降雨徑流影響因子，把分布式水文模型的徑流模擬與土壤流失模型的徑流作用耦合，建立基于陣性降雨事件的分布式土壤侵蝕動態(tài)模型，進而構(gòu)建月、年土壤侵蝕模型；借助改進的流域空間泥沙輸移比因子，把分布式土壤侵蝕模型與吸附態(tài)非點源污染模型鏈接，實現(xiàn)分布式水文模型和吸附態(tài)非點源污染模型的耦合，構(gòu)建基于分布式水文過程的吸附態(tài)非點源污染模型。

進一步，步驟2中所述模擬與分析黃土區(qū)小流域非點源氮磷污染負荷形態(tài)構(gòu)成特征具體為：

根據(jù)野外監(jiān)測結(jié)果，對所建模型進行驗證；利用驗證后的流域溶解態(tài)與吸附態(tài)非點源污染模型，估算不同降雨徑流、不同土地利用方式等條件下非點源氮、磷流失量，分析與評估研究區(qū)氮、磷非點源污染的時空分布特征、形態(tài)構(gòu)成比例、關(guān)鍵源區(qū)等。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明為丘陵區(qū)非點源氮磷流失形態(tài)模擬提供了一條新的技術(shù)途徑，克服了溶解態(tài)與吸附態(tài)非點源負荷因發(fā)生范圍的廣泛性而無法準確定量的難題。本方法簡便易行，提高了非點源流失形態(tài)負荷的估算精度，可為非點源污染控制決策提供技術(shù)支持。

附圖說明

圖1是丘陵區(qū)非點源氮磷流失形態(tài)構(gòu)成分布式模擬與分析方法技術(shù)路線；

圖2是黃綿土坡地水文路徑：地表徑流和壤中流觀測小區(qū)示意圖；

圖3是水文模型與溶解態(tài)非點源污染模型的分布式耦合；

圖4是水文模型與吸附態(tài)非點源污染模型的分布式耦合；

圖5是延河流域地理位置、dem、子流域、氣象站點及甘谷驛水文站；

圖6延河流域降雨量、徑流量(a)、侵蝕產(chǎn)沙量模擬值與實測值對比(b)；

圖7是延河流域1999-2012降雨侵蝕力、非點源總氮、總磷及趨勢線；

圖8是延河流域1999-2012溶解態(tài)、吸附態(tài)總氮(a)與總磷(b)及變化趨勢；

圖9是延河流域1999-2012年溶解態(tài)與吸附態(tài)總氮總磷構(gòu)成比例；

圖10是延河流域1995和2010年吸附態(tài)總氮負荷模數(shù)(t/hm²·a)空間分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方案對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細地說明。

本發(fā)明的技術(shù)方案總體采用野外監(jiān)測與模型模擬相結(jié)合的技術(shù)途徑。在野外監(jiān)測分析的基礎上，構(gòu)建溶解態(tài)與吸附態(tài)非點源污染分布式模擬方法，模擬與分析研究區(qū)非點源污染形態(tài)構(gòu)成比例特征，形成一套丘陵區(qū)非點源污染形態(tài)構(gòu)成模擬與分析方法框架(圖1)。具體方案如下：

1)觀測試驗設計與參數(shù)測定

野外觀測試驗設計：選取野外不同土地利用類型徑流測試小區(qū)和典型子流域出口：第一，改造徑流測試平臺(如圖2)，在人工降雨條件下監(jiān)測地表徑流、壤中流、泥沙和土壤氮磷參數(shù)，人工降雨采用側(cè)噴式自動模擬降雨系統(tǒng)；第二，在自然降雨條件下監(jiān)測子流域出口徑流、泥沙、土壤及其氮磷參數(shù)。

土壤參數(shù)測定：參照標準測試方法，對常規(guī)施肥和降雨前后土壤樣品進行采集與分析，分析指標包括總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總磷、土壤有機質(zhì)和土壤機械組成等。

水質(zhì)參數(shù)測定：監(jiān)測項目包括地表徑流量、壤中流量、總氮、水溶性氮、泥沙結(jié)合態(tài)氮、nh3-n、no2-n、no3-n，總磷、水溶性磷和泥沙結(jié)合態(tài)磷，其中自然降雨條件下試驗時間安排在研究區(qū)多雨季節(jié)，合理確定降雨前、降雨期間和降雨后的采樣時間和頻率。

采樣點與采樣頻率：通過不同土地利用類型暴雨產(chǎn)生地表徑流和壤中流集流槽對徑流氮磷濃度進行監(jiān)測。降雨開始，記錄開始降雨時間、初始產(chǎn)流時間、停水時間、徑流停止時間；坡面產(chǎn)流后，產(chǎn)流前10min內(nèi)，每間隔一分鐘用塑料小桶收集徑流樣，此外每隔10min取一次樣；壤中流出現(xiàn)后，取樣過程與坡面徑流相同。在自然降雨條件下，子流域出口每次進行24h連續(xù)采樣，每次采樣間隔3～4h。

分析測試方法：1)水樣氮磷含量①tp：過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法；②tn：過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；③nh3-n：納氏試劑光度法，dr4000/5000分光光度儀；④no3-n：酚二磺酸光度法；⑤no2-n：n-(1-萘基)-乙二胺光度法。其中，水樣經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾后，濾液與總氮、總磷同法測得水溶性氮與水溶性磷；泥沙結(jié)合態(tài)氮和泥沙結(jié)合態(tài)磷為總氮、總磷與水溶性氮、水溶性磷之差。2)土壤氮磷含量①全磷采用hclo4-h2so4消煮-鉬銻抗比色法測定；②全氮采用半微量凱氏法測定；③有機質(zhì)采用重鉻酸鉀紅外加熱氧化法測定。

2)模型模擬

①構(gòu)建基于分布式水文過程的溶解態(tài)非點源污染模型

引入具有物理機制的slurp分布式水文模型，以流域土地利用類型為研究單元，模擬典型流域不同土地利用類型從降雨到徑流的整個水文循環(huán)過程；該過程易于與同樣基于不同土地利用類型來模擬溶解態(tài)非點源氮磷負荷的污染模型耦合(如圖3)，從而構(gòu)建與分布式水文模型耦合的溶解態(tài)非點源污染分布式模型。

②構(gòu)建黃土區(qū)流域基于分布式水文過程的吸附態(tài)非點源污染模型

提出降雨徑流影響因子，把分布式水文模型的徑流模擬與土壤流失模型的徑流作用耦合，建立基于陣性降雨事件的分布式土壤侵蝕動態(tài)模型，進而構(gòu)建月、年土壤侵蝕模型；借助改進的流域空間泥沙輸移比因子，把分布式土壤侵蝕模型與吸附態(tài)非點源污染模型鏈接，實現(xiàn)分布式水文模型和吸附態(tài)非點源污染模型的耦合(如圖4)，構(gòu)建基于分布式水文過程的吸附態(tài)非點源污染模型。

③模擬與分析黃土區(qū)小流域非點源氮磷污染負荷形態(tài)構(gòu)成特征

根據(jù)野外監(jiān)測結(jié)果，對所建模型進行驗證；利用驗證后的流域溶解態(tài)與吸附態(tài)非點源污染模型，估算不同降雨徑流、不同土地利用方式等條件下非點源氮、磷流失量，分析與評估研究區(qū)氮、磷非點源污染的時空分布特征、形態(tài)構(gòu)成比例、關(guān)鍵源區(qū)等。

以黃土丘陵區(qū)延河流域為研究對象，根據(jù)構(gòu)建的溶解態(tài)與吸附態(tài)非點源氮磷流失分布式模擬方法，模擬與分析典型流域溶解態(tài)與吸附態(tài)非點源氮磷負荷時空分布特征。主要模擬結(jié)果如圖5-圖10所示。

黃土區(qū)典型流域非點源氮磷污染負荷形態(tài)構(gòu)成特征如下。

(1)非點源氮磷年負荷模擬結(jié)果與驗證

由于非點源污染負荷監(jiān)測難度較大，因此非點源污染實測值較為缺乏。為解決這個問題，本研究采用延河流域甘谷驛水文站實測泥沙數(shù)據(jù)對構(gòu)建的動態(tài)產(chǎn)沙模型進行驗證(圖6)。從模擬值與實測值的對比情況看，多年平均產(chǎn)沙值的相對誤差為14.5％，雖然1996年產(chǎn)生了較大的計算誤差，但對流域面積較大的延河流域來說，模擬誤差在較為合理范圍內(nèi)，表明本研究所建模型對1999～2012年侵蝕產(chǎn)沙的模擬，在多數(shù)年份取得了良好的模擬效果，模擬效果較為理想，產(chǎn)沙結(jié)果可用來估算吸附態(tài)非點源污染負荷。

(2)非點源氮磷污染負荷年際變化分析

從時間序列上看，流域降雨侵蝕力沒有一定的變化規(guī)律，其值在平均水平上下隨機波動，水文豐、枯年份出現(xiàn)頻率較為穩(wěn)定(圖7)。非點源總氮負荷略有下降趨勢，非點源總磷負荷下降趨勢較為明顯。在個別年份隨著水文豐枯條件的變化，非點源氮磷負荷發(fā)生反彈或回落。在2002年大暴雨的情況下，氮磷負荷都產(chǎn)生急劇上升態(tài)勢，且總磷污染負荷增加略高于總氮。在1999、2000年等降雨量較小的年份，氮磷負荷也較少，說明非點源氮磷污染負荷受水文因素的影響相當顯著?？偭棕摵上陆第厔菝黠@的原因可歸結(jié)為1999年以來的退耕還林/草工程的減水減沙效益，植被固土作用尤為突出。

(3)非點源氮磷污染負荷形態(tài)構(gòu)成分析

由圖8可以看出，非點源溶解態(tài)和吸附態(tài)總氮負荷的變化趨勢分別與降雨侵蝕力和輸沙量年際變化基本一致，說明了溶解態(tài)總氮負荷與降雨徑流量、吸附態(tài)總氮負荷與輸沙量的線性相關(guān)性。溶解態(tài)總氮負荷的趨勢規(guī)律不是十分明顯，在受水文影響隨機上下波動的同時略微有上升趨勢，原因是隨著農(nóng)田化肥施用量的增多、畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，伴隨降雨徑流流失的溶解態(tài)總氮量呈上升趨勢。吸附態(tài)總氮負荷由于流域出口輸沙量的逐年降低整體呈現(xiàn)下降趨勢，究其原因主要是流域內(nèi)1999年以來水土流失治理工程的實施。另外，溶解態(tài)和吸附態(tài)非點源總磷負荷的變化趨勢同總氮污染負荷呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，都表現(xiàn)出溶解態(tài)負荷與徑流量、吸附態(tài)負荷與輸沙量的相關(guān)性。

由圖9可知，溶解態(tài)與吸附態(tài)非點源總氮負荷的構(gòu)成比例逐年發(fā)生變化，溶解態(tài)總氮負荷所占的比例越來越高，由1999年的53.5％上升到2012年的65.7％；吸附態(tài)總氮負荷比例有逐年降低的趨勢，原因是泥沙輸出量的顯著減少導致了吸附態(tài)總氮負荷的降低，突顯了流域水土流失治理的成效。吸附態(tài)非點源總磷的負荷整體雖有下降趨勢，但與溶解態(tài)非點源總磷相比，吸附態(tài)總磷始終占據(jù)絕對比例。一方面說明了流域水土流失治理的成效，泥沙輸出量的減少導致了吸附態(tài)總磷污染負荷的降低，使得吸附態(tài)總磷污染負荷比例略微降低，另一方面說明由水土流失導致的吸附態(tài)總磷流失比例仍然較高，非點源總磷污染的控制仍需從防治水土流失的方面來開展。

(4)非點源氮磷污染關(guān)鍵源區(qū)識別

由于吸附態(tài)氮磷負荷空間分布大體相似，僅列出1995年和2010年延河流域非點源總氮負荷來源空間分布圖，見圖10。就非點源總氮負荷而言，退耕前延河上游流域總氮負荷模數(shù)較大；退耕后延河上游流域總氮負荷模數(shù)明顯減小，關(guān)鍵源區(qū)集中分布在延河中下游流域。與總磷負荷空間分布類似，1995、2010兩典型年延河流域吸附態(tài)總氮負荷模數(shù)空間分布圖與產(chǎn)沙模數(shù)空間分布格局相似，總氮負荷流失峰值區(qū)域均主要發(fā)生在從流域西北部向東南部貫穿整個流域的河流沿岸兩側(cè)，而后分別向河流兩岸逐漸遞減；距離河道越近，吸附態(tài)總氮非點源污染負荷越大，隨著距離的增大，總氮流失模數(shù)逐漸減小。1995、2010兩典型年總氮流失模數(shù)空間分布情況的變化，主要取決于相應年份土壤流失模數(shù)分布格局的狀況，這說明了吸附態(tài)總氮流失是以水土流失為基礎并隨侵蝕輸沙的變化而變化。因此，加強對土壤侵蝕過程機理的研究及持續(xù)開展水土保持項目建設對減緩流域水土流失，消減吸附態(tài)非點源污染、調(diào)控改善水環(huán)境質(zhì)量意義重大。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，本發(fā)明的保護范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術(shù)方案的簡單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。