[发明专利]一种半湿润区流域面源污染负荷的确定方法

摘要

本发明公开了一种半湿润区流域面源污染负荷的确定方法，属于污染控制领域。其步骤为：（A）收集整理水文气象和水环境历史观测资料以及野外实验资料；（B）划分子流域和水文响应单元；（C）改进水文模块；（D）采用MUSLE方程进行土壤侵蚀量的计算；（E）进行面源污染负荷量的计算；（F）将计算得到的水文过程和面源污染负荷量与实测数据进行对比，确定水文模块、MUSLE方程以及水污染负荷计算模块的参数值，完成模型的建立。本方法能够有效地模拟半湿润地区淮河流域典型区域的面源污染负荷估算，给出合理科学的计算结果，提高了模型应用的普及性和有效性，能更好地服务于水环境保护与水污染控制等水环境研究项目。

主权项

1.一种半湿润区流域面源污染负荷的确定方法，其步骤为：（A）收集整理水文气象和水环境历史观测资料以及野外实验资料，具体包括水文气象数据、水环境数据、社会经济数据以及水利工程调度数据；（B）根据DEM数据、土地利用数据以及土壤类型数据划分子流域和水文响应单元；其中，子流域的划分是基于DEM数据利用D8算法设定流向，进而获取坡度、集水面积以及水系拓扑关系，最终完成子流域的划定；水文响应单元的生成是根据各栅格土地利用类型以及土壤类型属性，进而将具有相同属性的栅格视为具有相同水文响应的单元；（C）改进水文模块，包括：先设定上层张力水容量WUM、下层张力水容量WLM、深层张力水容量WDM、蒸散发折算系数K、张力水蓄水容量曲线指数B、自由水蓄水库容量SM、壤中流出流系数KI、地下径流出流系数KG模型参数的初始值，建立基于栅格的产流模块，将径流量进行水源划分，针对不同的径流成分进行流域汇流计算，获取流量过程时间序列；a)产流模块的构建，以栅格作为单元，根据蓄满产流的概念，采用下式进行产流计算：当PE≤0时，不产流，即产流量R=0；当PE＞0时产流，若PE+A＜W’_mm；R=PE-WM+W0+WM[1-PE+AW′m]B+1---(1)]]>若PE+A≥W’_mmR＝PE-(WM-W₀)                        （2）其中PE为净雨量，W’_mm为栅格单元内最大的点蓄水容量，WM为栅格单元平均蓄水容量，W₀栅格单元初始平均蓄水量；A为初始土壤含水量对应的纵坐标，B为土壤蓄水容量曲线指数，R为产流量，W’_m为单点最大蓄水容量；b)水源划分是引入自由水蓄水库的概念，假定自由水蓄水库设置两个出口，其出流系数分别为KI和KG，产流量R进入自由水库内，通过两个出流系数和溢流的方式把它分成地面径流RS、壤中流RI和地下径流RG，计算流程如下：当PE＋AU＜SMMF时，地面径流RS为：RS=FR*{PE-SMF+S+SMF[1-(PE+AU)SMMF]EX+1}---(3)]]>当PE＋AU≥SMMF时RS＝FR*（PE+S-SMF）                    (4)壤中流RI、地下径流RG的计算式为：RI＝[(PE+S)*FR-RS]*KI                   (5)RG＝[(PE+S)*FR-RS]*KG                    (6)其中，AU为初始含水量对应的纵坐标值，FR为产流面积，PE为净雨量，S为自由水蓄水深，SMF为自由水平均蓄水容量，SMMF为最大点自由水蓄水容量，KI为壤中流出流系数，KG为地下径流出流系数，FR为产流面积百分比，EX为自由水蓄水容量曲线指数；c)汇流计算分为坡地汇流计算和河网汇流计算；汇流模块又包含坡面流演算以及壤中流和地下水流演算，坡面流演算采用运动波的方法，壤中流和地下水流演算采用串联的线性水库的方法；河网汇流计算采用马斯京根-康吉方法；（D）基于改进水文模块计算得到的水文过程结果，先设定土壤侵蚀因子、植被覆盖和管理因子、保持措施因子、地形因子和粗碎屑因子模型参数初始值，然后采用MUSLE方程进行土壤侵蚀量的计算，公式如下：m_sed＝11.8×(Q_surf·q_peak·A_hru)^0.56·K_USLE·C_USLE·P_USLE·LS_USLE·CFRG    （7）式中：m_sed为土壤侵蚀量，t；Q_surf为地表径流，mm/h；q_peak为洪峰径流，m³/s；A_hru为水文响应单元的面积，hm²；K_USLE为土壤侵蚀因子；C_USLE为植被覆盖和管理因子；P_USLE为保持措施因子；L_SUSLE为地形因子；CFRG为粗碎屑因子；（E）基于水文过程以及土壤侵蚀量的计算结果，首先设定氮渗透系数NPERCO、生物混合效率系数BIOMIX、氨氮氧化为亚硝氮的速率常数BC1、亚硝氮氧化为硝氮的速率常数BC2和有机氮氧化为氨氮的速率常数BC3水污染负荷模块的参数初始值，然后采用水污染负荷模块，包括溶解态氮污染负荷模块、吸附态氮污染负荷模块、溶解态磷污染负荷模块、吸附态磷污染负荷模块以及河道中各种形态氮的转化模块，进行面源污染负荷量的计算，溶解态氮污染负荷估算方程如下式：ρNO3,mobile=ρNO3ly·exp[-wmobile(1-θe)SATly]wmobile---(8)]]>式中为自由水中硝态氮浓度，kg/mm；为土壤中硝态氮的量，kg/hm²；W_mobile为土壤中自由水的量，mm；θ_e为孔隙度；STA_ly为土壤饱和含水量；吸附态氮污染负荷估算方程如下式：ρorgNsurf=0.001×ρorgN·mAhru·ϵN---(9)]]>式中：ρ_orgNsurf为有机氮流失量，kg/hm²；ρ_orgN为有机氮在表层土壤中的浓度（以N计），kg/t；m为土壤流失量，t；A_hru水表响应单元的面积，hm²，ε_N为氮富集系数，氮富集系数是随土壤流失的有机氮浓度和土壤表层有机氮浓度的比值；溶解态磷污染负荷估算方程如下式：Psurf=Psolution,surf·Qsurfρb·hsurf·kd,surf---(10)]]>式中：P_surf为通过地表径流流失的溶解态磷，kg/hm²；P_{solution，surf}为土壤中溶解态磷，kg/hm²；Q_surf为地表径流量；ρ_b为土壤溶质密度，kg/m³；h_surf为表层土壤深度，mm；k_d，surf为土壤磷分配系数，表层土壤中溶解态磷的浓度和地表径流中溶解态磷浓度的比值；吸附态磷污染负荷估算方程如下式：mPsurf=0.001×ρP·mAhru·ϵP---(11)]]>式中：m_Psurf为有机磷流失量，kg/hm²；ρ_P为有机磷氮在表层土壤中的浓度，kg/t；m为土壤流失量，t；A_hru为水表响应单元的面积，hm²，ε_P为磷富集系数；河道中各种形态氮的转化量估算，计算流程如下：一天内有机氮的变化可以用下式来描述：Δρ_orgNstr＝(α₁·ρ_a·ρ_algae-β_N,3·ρ_orgNstr-σ₄ρ_orgNstr)·TT    （12）式中：Δρ_orgNstr为有机氮浓度的变化量，mg/L：α₁为藻类生物量中的氮含量，mg/mg；ρ_a为当地藻类的死亡速度，d^-1，；ρ_algae为一天中开始时藻类生物量的含量，mg/L；β_N,3为有初氮转化为氨的速度常数，d^-1；ρ_orgNstr为一天中开始时有机氮的含量，mg/L；σ₄为有机氮的沉淀系数，d^-1；TT为在该河段的运动时间，d；一天内氨的变化可以用下式来描述：ΔρNH4str=(βN,3·ρorgNstr-βN,1·ρNH4str+σ3100×h-frNH4·α1·μa·ρalgae)·TT---(13)]]>式中：为氨含量的变化量，mg/L；β_N,3为有机氮转化为氨氮的速度常数，d^-1；ρ_orgNstr为一天中开始时有机氮的含量，mg/L；β_N,1为氨氮的氧化速度常数，d^-1；为一天开始时氨氮的含量，mg/L；σ₃为沉淀物的氨释放速度，mg/(m³d)；h为河道中的水深，m；为藻类的氨氮吸收系数；α₁为藻类生物量中氮含量，mg/mg；μ_a为藻类的生长速度，d^-1；ρ_algae为一天开始时藻类生物量的含量，mg/L；TT为在该河段的运动时间，d;一天内亚硝酸盐的变化用下式来描述：ΔρNO2str=(βN,1·ρNH4str-βN,2·ρNO2str)·TT---(14)]]>式中：为亚硝酸盐的改变量，mg/L；β_N,1为氨氮的生物氧化速度常数d^-1；为一天中开始时的氨氮含量，mg/L；β_N，2为由亚硝酸盐到硝酸盐的氧化速度常数，d^-1；为一天开始时亚硝酸盐的含量，mg/L；TT为在河段中的运动时间，d;一天内硝酸盐的变化量为：ΔρNO3str=[βN,2·ρNO2str-(1-frNH4)·α1·μa·ρalgae]·TT---(15)]]>式中：为硝酸盐的改变量，mg/L；β_N，2为氨氮的生物氧化速度常数d^-1；为一天中开始时的氨氮含量，mg/L；为藻类的氨氮吸收系数；α₁为藻类生物量中氮含量，mg/mg；μ_a为藻类的生长速度，d^-1；ρ_algae为一天开始时藻类生物量的含量，mg/L；TT为在该河段的运动时间，d;（F）将计算得到的水文过程和面源污染负荷量与实测数据进行对比，确定水文模块、MUSLE方程以及水污染负荷计算模块的参数值，完成模型的建立，其中，模型参数的确定是分两个层次进行，首先利用水文气象资料对水文模块的参数进行率定，然后利用水质数据对水污染负荷模块进行率定，率定的方法就是先设定上层张力水容量WUM、下层张力水容量WLM、深层张力水容量WDM、蒸散发折算系数K、张力水蓄水容量曲线指数B、自由水蓄水库容量SM、壤中流出流系数KI、地下径流出流系数KG、氮渗透系数NPERCO、生物混合效率系数BIOMIX、氨氮氧化为亚硝氮的速率常数BC1、亚硝氮氧化为硝氮的速率常数BC2和有机氮氧化为氨氮的速率常数BC3、MUSLE方程和水污染负荷模块参数的初始值，然后通过（C）-（E）步骤的计算得到模拟的结果，与实测数据进行比较，当相对误差不超过20%时，就认为值是合理可靠的，如果大于20%，继续假定另一组参数值，重复上述步骤（C）-（E）的计算过程，直到参数值符合要求为止；参数的验证方法与率定相同，只是选取与率定期不同期的数据；土壤特性数据、土壤中的氮以及有机质含量参数，通过野外试验资料获取。