[发明专利]一种平原河网区农村河流氮拦截能力评估方法

说明书

本发明涉及一种平原河网区农村河流氮拦截能力评估方法，针对平原河网区农村河流氮拦截能力不清的问题，开发涵盖水生植物与生物地球化学循环的河流氮循环模型（River‑N），耦合现有的河网三维水动力模型（EFDC）、圩区氮循环模型（NDP），模拟农村河流三种形态氮（颗粒态氮、氨氮、硝氮）的输入、输出与迁移转化过程，探明氮素的源汇平衡规律，量化评估平原河网区农村河流氮拦截能力。本发明融合了河网水动力、生物地球化学循环、圩区水文与氮流失等模拟技术，充分考虑了平原河网区农村河流水流缓慢与水生植物广泛分布的独特规律，突破了平原河网区农村河流氮拦截的精准估算难题,可为平原河网区农村河流氮污染治理与管控提供技术支撑。

技术领域

本发明属于水环境健康评价技术领域，具体涉及联合多尺度模型，评估平原农村河流氮素拦截能力的方法。

背景技术

平原河网区广泛分布于世界各地的河流中下游，比如长江、湄公河、荷兰大部分地区等，具有地势平坦、河流纵横、河网高度发育、圩区遍布、受人类活动影响大等特征。受人类农业生产生活影响，平原河网区氮污染问题十分突出，严重影响区域水环境质量，甚至导致水体富营养化与蓝藻水华；目前有大量研究致力于探寻区域水体氮的削减模式，其中农村河流被认为是平原河网区的“毛细血管”，具有显著的氮拦截潜力。但平原河网区农村河流周边人类活动强度大，氮来源众多(圩区农田排水、周边鱼塘换水、外围河流汇入等)，迁移转化过程复杂，导致精细化评估氮拦截能力难度大，是氮污染防控实践中亟待解决的难题。

水动力-水质模型(MIKE11、EFDC等)可系统模拟河流氮的迁移转化规律，是当前评估河流氮拦截能力的重要方法；但上述方法缺乏考虑大型水生植物组分，无法大型水生植物作用下不同形态氮的生物地球化学循环，因此不适用于大型水生植物密集的平原河网区农村河流，亟需发展新技术方法。

发明内容

本发明目的在于填补现有技术空白，开发涵盖水生植物与生物地球化学循环的河流氮循环模型(River-N)，耦合现有的河网三维水动力模型(EFDC)、圩区氮循环模型(NDP)，精细化模拟氮的源汇、消纳与滞留等过程，形成适用于平原河网区农村河流的氮拦截能力评估方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种平原河网区农村河流氮拦截能力评估方法，其特征在于，包括：

基于三维水动力模型(EFDC)模拟平原河网区农村河流与外围河流的水量交换，即平原河网区农村河流与外围河流的水体输入与输出量；

基于圩区氮循环模型(NDP)模拟平原河网区农村河流与圩区的水体和氮素交换通量，即圩区抽水灌溉、洪涝排水、涵洞引水等过程对河流氮循环过程的影响；所述氮素包括颗粒态氮、氨氮和硝氮；

建立涵盖水生植物与生物地球化学循环的河流氮循环模型(River-N)，所述河流氮循环模型的控制方程包含水生植物生消过程；

根据三维水动力模型和圩区氮循环模型的模拟结果确定河流的边界条件(主河道汇入、圩区与河流物质交换等)并输入河流氮循环模型，模拟平原河网区农村河流中氮素的逐日动态变化，评估平原河网区农村河流氮拦截能力。

本发明的方法，所述基于三维水动力模型，模拟平原河网区农村河流与外围河流的水量交换具体过程包括：

收集气象水文监测数据，其中气象数据包括太阳辐射、降雨量等逐日数据，水文数据包括河流水位等逐日数据；

梳理平原河网区复杂河网水系，设计河流网格与断面的概化模式，即确定网格单元大小与形状，以此作为三维水动力模型中最小的基本计算单元；

明确模型边界条件的类型与输入模式，输入收集的时间系列监测数据，测试筛选适合模型的空间分辨率与时间步长；

设计典型气象水文条件的模拟情景，模拟网格单元的水流方向，核算河流与外围河网之间的水量交换。