[发明专利]基于非点源氮磷流失风险对流域水环境安全评估的方法

权利要求书

1.一种基于非点源氮磷流失风险对流域水环境安全评估的方法，其特征在于：该方法步骤如下：

步骤一：研究区选择，SWAT模型模拟氮磷流失负荷

研究区应具备以下几项基本特征：流域较为典型，受到农业活动的长期影响，区域气象、地形地貌、水文数据完备，模型模拟精度高；在中国气象数据网收集流域内的气象资料，建立模型所需的气象数据库；以中科院南京土壤所提供的1:100万土壤类型分布图为基础，结合中国土壤属性数据库，建立模型所需土壤数据库；根据Landsat-8数据，利用监督分类和现场调查获得研究区土地利用数据库；由地理空间数据云获得流域内空间分辨率为30×30m的DEM数据；补充整理有关农业生产资料，包括流域农业生产状况、主要作物、施肥方式、灌排方式等，构建流域农业管理措施数据库；数据收集完成后，将数据库输入SWAT模型系统，在敏感性分析的基础上，进行参数率定和调整,建立SWAT模型，作为流域非点源氮磷流失负荷计算的工具；

步骤二：降雨径流因子的计算

SWAT模型中采用SCS曲线数法与GreenAmpt下渗法估算地表径流，本方法直接采用SWAT模型中输出的地表径流量作为降雨径流因子进行计算；

步骤三：土壤渗透性因子的计算

土壤渗透性因子主要反映土壤氮素、磷素在降雨作用下，随下渗水淋溶流失的风险性，从粘土到砂土流失风险逐步增加，采 用以下经验公式进行计算：

X＝(20Y)^1.8

Y＝ω/10*0.03+0.002

式中：X为土壤渗透系数，单位是mm/h；Y为土壤平均颗粒直径值，单位是mm；ω为砂粒含量的百分比；

步骤四：输移距离因子的计算

输移距离的计算是运用ArcGIS软件的距离计算功能，基于水流流向图来计算每个栅格的点到水体之间的距离，根据SWAT模型生成的河流流向图，ArcGIS空间分析模块中的Distance工具进行顺流计算，得到各点到水体的距离；

步骤五：数据标准化处理

根据标准化公式，将各评价因子都标准化为0-1之间，评价因子中，若评价指标值越大评价结果越大，则该因子为正相关评价指标，反则为负相关因子；

正相关评价指标的一般标准化量化公式为：

负相关评价指标的一般标准化量化公式为：

式中：x_ij表示第i(i＝1,2,3,…,m)个流域单元第j(j＝1,2,3,4,5)个指标值；r_ij表示因子标准化后的值；x_jmin表示第j个指标最小值；x_jmax表示第j个指标最大值；

步骤六：评价指标权重的计算

采用改进的理想解法对归一化后的因子进行权重的计算，利用既有的指标数据建立目标规划模型解出权重，目标规划模型构建如下：

其中，f_i(w₁，w₂，w₃，w₄)为第i个土地单元与污染最为严重土地单元与污染最轻土地单元的加权距离平方和：

其中，w1+w2+w3+w4＝1,wi≥0；

令

通过解出方程的解，即可得到权重值；

步骤七：流域氮磷污染风险指数计算及风险等级区划

将步骤五标准化处理后的各评价因子乘以步骤六得到的权重加和得到流域非点源氮磷污染风险评价分值，计算公式如下：

式中：NPA表示非点源风险评价分值；P_i表示第i个评价指标；W_i表示第i种评价指标的权重；

这样得到每个单元单元的氮磷流失风险指数，分布范围在0-1之间，呈正态分布，而不是均匀分布；因此在划分时不能简单的进行均匀划分，利用詹金斯自然间断分类方法对氮磷流失风险指数进行分类，即通过数据搜索，计算能够降低每个分类数据与该类平均值的差值，并同时增大分类间平均值的差值分类阈值，最小化分类内的差别，同时最大化分类间的差别；

步骤八：流域水环境安全评估

将分类后的非点源氮磷流失等级导入ArcGIS，实现非点源氮磷流失风险的空间可视化，通过叠加土地利用空间分布，利用空间分析功能来研究流域中农田的空间分布对水流水环境安全的影响，识别流域非点源氮磷流失关键源区；基于SWAT逐月或逐日的输出文件，结合流域内的耕作时间表，以及降雨时间分布特征，可以识别流域非点源氮磷流失风险的关键时期。