[发明专利]结合沉积物和模型的流域面源磷污染入河系数计算方法

摘要

本发明一种结合沉积物和模型的流域面源磷污染入河系数计算方法：步骤一：在典型小流域进行农业面源磷污染产生负荷的模拟;步骤二：沉积物的采集和总磷沉积通量的测定；步骤三：流域面源磷负荷与磷沉积通量相关关系建立及入河系数的计算。本发明优点：一、只需在典型小流域建立流域磷污染产生负荷与总磷沉积通量之间的关系，便可将公式应用于其他相似流域进行磷污染产生负荷的计算，并用于入河系数的计算；二、建立计算公式之后，在应用流域只需采集表层沉积物进行测定，并掌握流域出口磷负荷量数据即可计算该流域当年的面源污染入河系数，简单易行；三，结合了沉积物实验、模型模拟及实际监测数据，结果较为准确。

主权项

1.一种结合沉积物和模型的流域面源磷污染入河系数计算方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：S1.在典型小流域进行农业面源磷污染产生负荷的模拟S11.典型小流域的选取选取典型小流域作为研究区，首先，研究区需要具有相对完备的区域气象、水文、地形地貌、农业管理措施的数据；其次，研究区内还需具有便于沉积物采集的相对稳定的沉积环境；再次，研究区还必须具有代表性，其所具备的地形、气候、水文以及所涵盖的土壤种类、土地利用类型都需具备代表性；S12.典型小流域农业面源磷污染负荷SWAT模型模拟土壤中的磷通过扩散作用迁移，在SWAT模型中随地表径流迁移的可溶性磷量为：其中P_surf表示随地表径流迁移的可溶性磷量(kg·hm^‑2)，P_{solution.surf}表示表层10mm土层中的可溶性磷量(kg·hm^‑2)，Q_surf表示某天的地表径流量(mm)，ρ_b表示表层10mm的容重(mg·m^‑3),depth_surf表示表层土壤深度(10mm)，k_d.surf表示磷的土壤分配系数(m³·mg^‑1)；随泥沙迁移到河流中的磷量为：其中sedP_surf表示随地表径流中的泥沙迁移到主河道的磷量(kg·hm^‑2)，conc_sdep表示表层10mm土层中吸附在泥沙上的磷量(g·t^‑1),sed表示某天的产沙量(t)，area_hru表示HRU的面积(hm²),ε_Pised表示磷的富集比；SWAT模型模拟所需的输入数据包含研究区DEM、气象数据、土壤数据、土地利用数据、农业管理措施数据；因此首先进行相应数据的收集，通过调查收集研究区的农业生产资料，包括农业生产状况、施肥情况、灌排方式、施肥量；通过中国气象数据网或气象站获取研究区气象数据；运用研究区遥感图像进行土地利用类型解译，获取土地利用数据；土壤数据则通过土壤类型分布图及现场实验获取；建立SWAT模型所需数据库之后，将数据输入模型系统，进行参数率定和调整，对研究区的面源磷负荷进行模拟，得到研究区面源磷负荷的时空分布；S2.沉积物的采集和总磷沉积通量的测定S21.沉积物的采集在流域出口使用沉积物采样器采集深度为30厘米的沉积柱，并现场将沉积柱切成1厘米厚的圆片，将圆片装入塑封袋内并进行标记后在低温下进行保存，并尽快将样品带回实验室进行预处理；S22.沉积柱的定年将采集的沉积柱样品进行预处理后进行定年的放射性同位素活度测定；沉积物定年采用210Pb定年法，使用恒定补给速率模型进行定年计算，获得沉积柱内不同深度的沉积物年龄；沉积物的年龄计算公式为：其中T_m为深度m的沉积物年龄，T₀为采样年份，λ为²¹⁰Pb的衰变速率(0.03114y^‑1)，A为整个沉积柱过剩²¹⁰Pb总量(Bq·m^‑2)，A_m为沉积柱深度m以下的过剩²¹⁰Pb总量(Bq·m^‑2)；沉积物沉积速率的计算公式为：其中λ为²¹⁰Pb的衰变速率(0.03114y^‑1)，A_m为沉积柱深度m以下的过剩²¹⁰Pb总量(Bq·m^‑2)，I_m为深度m的沉积物中过剩²¹⁰Pb的含量(Bq·m^‑2)；S23.沉积物总磷浓度测定及磷沉积通量的计算沉积物样品总磷浓度的测定采用NaOH熔融‑钼锑抗比色法，沉积物样品与NaOH熔融，使样品中的含磷矿物及有机磷化合物全部转化为可溶性正磷酸盐，用水和稀硫酸溶解熔块，在规定条件下样品溶液与钼锑抗显色剂反应，生成磷钼蓝，用分光光度法定量测定；沉积物中总磷的计算公式为：其中C₀为从校准曲线上查得待测样品溶液中磷的含量(mg/L)，M为称样量(g),V₁为样品熔融后的定容体积(mL)，V₂为色时溶液定容的体积(ml),V₃为后分取的体积(ml)，10^‑4为将mg/L浓度单位换算为百分含量的换算因数；总磷的沉积通量为沉积物中总磷浓度与沉积物的沉积速率的乘积，沉积速率通过定年模型中的公式计算得到，沉积物中总磷浓度通过实验测定获得；结合沉积物定年结果，可以获得长时间序列的磷沉积通量数据；沉积通量的计算公式为：S＝R×C其中S为总磷沉积通量(g·m^‑2·a^‑1)，R为沉积物沉积速率(kg·m^‑2·a^‑1),C为沉积物中的总磷浓度(g·kg^‑1)；S3.流域面源磷负荷与磷沉积通量相关关系建立及入河系数的计算S31.流域面源磷负荷与磷沉积通量相关关系的建立基于步骤S2已经得到的以年为单位的长时间序列上的磷沉积通量数据和通过步骤S1模型模拟得到的对应年份的流域面源磷负荷数据，通过线性回归建立二者之间的相关关系，获得关系公式，关系公式的形式为y＝ax+b，其中y为总磷沉积通量，x为流域面源磷负荷，a和b为公式中的常数；将此公式应用于待计算入河系数的流域，通过与步骤S2类似的沉积物的测定，获得待计算流域的总磷沉积通量，即可运用公式计算该流域的面源磷负荷；S32.入河系数的计算入河系数的计算公式为：其中λ_i为入河系数，L_sub为流域出口面源磷污染负荷量，S_sub为流域面源磷负荷；其中，待计算流域的S_sub通过步骤S31得到，L_sub通过在待计算流域的出口进行水质监测获得。