一种基于人工降雨实验的北方平原农田区非点源污染负荷估算方法

本发明是一种基于人工降雨实验的农田区非点源污染负荷估算的方法，属于农业非点源 污染负荷量估算领域，可适用于不同降雨强度、地形地貌、土壤类型、施肥及植被覆盖条件， 尤其可结合当地农田区特点，对农田区非点源污染负荷进行较为准确地估算。

近年来，随着农业的发展和人类生活水平的提高，水体污染等现象日益严重。伴随点源 污染控制能力的提高，非点源环境污染逐渐得到各国环境保护部门的重视。农业非点源污染 严重性逐渐显现，农田地表径流中所包含的氮磷等营养物加剧了流域水体富营养化现象，其 造成的影响不容忽视。

目前，国内外非点源污染的负荷估算方法主要为：机理模型法和经验统计法。

1)机理模型法是利用数学模型来估算非点源污染负荷的一种重要手段，为监测、评价、 研究流域水环境非点源污染状况提供了强大的支持平台，在农业非点源污染研究中得到了广 泛的应用。主要模型包括SWAT、AGNPS、AnnAGNPS、ANSWERS、HSPF、PLOAD等。

不同模型有不同的适用空间尺度和时间尺度，各有优缺点。采用模型估算的基础是要有明确 的流域汇流关系以及丰富的监测数据，但我国北方平原农田区地势平坦，人类活动强烈，水 利联系复杂多变，自然的产汇流特征不明显。同时，水质监测数据较少，导致机理模型的应 用受到极大的限制。

2)经验统计法不涉及污染的具体过程与机理，而仅涉及其输入与输出关系。对数据要求 低，模型简单，对于大尺度流域以及人为干扰性强的区域表现了较强的实用性。目前应用较 多的经验统计模型主要有降雨量差值法、水文分割法、平均浓度法、统计相关法、输出系数 法等。输出系数法作为一种经验模型法于20世纪70年代初，由美国、加拿大两国科学家在 研究土地利用‑营养负荷‑湖泊富营养化关系的过程中提出。20多年来，研究工作者对输出系 数模型进行了不同的改进，并实现了较好的运用。但现有经验模型的应用多采取文献调研的 方法来确定模型系数，具有较强的主观性，误差大，不适宜推广。

本发明在传统输出系数模型的基础上，创造性地提出了基于田间尺度人工降雨实验到流 域尺度非点源污染负荷估算的方法。根据流域地区特性，设计人工降雨实验，综合考虑地区 地理位置、地形地貌、降雨及下垫面情况，构建具有当地特征的输出特征数据库，结合3S技 术，最终提出了适合我国北方平原农田区的非点源污染估算方法。

本发明的目的是提供一种可结合研究区实际条件，更合理、准确地估计北方平原农田区 非点源污染负荷的方法。

本发明通过以下方案实现：

一种基于人工降雨实验的农田区非点源污染负荷估算的方法，包括如下步骤：

1)田间尺度数据库建立

a)人工降雨实验：结合地区降雨量空间分布和土地利用类型种类，选定具有代表性实验 点，进行人工降雨模拟实验。实验过程中，记录降雨径流量、径流总量、采样间隔时间。根 据收集水样，采用国家标准方法测定径流中污染物质含量，分析测定农田土壤水分及理化性 质，掌握研究区当地农田区在不同降雨强度、施肥及植被覆盖自然条件下地表径流特征及其 氮磷污染物输出状况。

b)确定输出系数，建立输出特征数据库：根据步骤a)结合实验数据，确定本地化输出 系数，包括产流时间、径流量、污染物次降雨径流平均浓度(EMC)、污染物多场降雨径流平 均浓度(SMC)；建立本地化的非点源输出特征数据库，所述数据库包括径流系数(a)及输出系 数(E)。

2)流域尺度非点源负荷估算

c)建立模型数据库：基于雨量站降雨数据，通过克里格空间插值方法获取流域降水量分 布图；利用降水量等值线图与径流深图叠加的方式获取地表径流系数图；利用遥感影像数据 获取流域内土地利用类型的种类、数量及其空间分布。在此基础上，建立流域尺度非点源模 拟的数据库。

d)非点源污染负荷模型估算：按照产生‑入河‑受纳水体的关系建立本地化的输出系数模 型，进行流域尺度非点源污染的模拟，得到该区域农田区非点源污染物的负荷量，并结合GIS 确定污染的空间分布情况。

本发明中，步骤a)中的人工降雨模拟实验根据该地区气象站点历年实测降雨监测统计资 料，设置大、中、小三个梯度的降雨强度及不同降雨历时。

本发明中，步骤b)中污染物次降雨径流平均浓度EMC的计算公式为：

$\mathrm{EMC}=\frac{M_0}{V_0}=\frac{{\∫}_0^t{C}_t{Q}_t\mathrm{dt}}{{\∫}_0^t{Q}_t\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\Σ}{C}_t{Q}_t\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Σ}{Q}_t\mathrm{\Δt}}$

式中：M0表示整个径流过程中污染物的总量，单位为g；V0表示总径流量，单位为m3； Ct表示t时刻污染物的浓度，单位为mg/L；Qt表示t时刻径流流量，单位为m3/min；△t表 示采样时间间隔，单位为min。

SMC的公式为： $\mathrm{SMC}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j\×{\mathrm{EMC}}_j/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j$

式中：SMC表示多场降雨径流平均浓度，单位为mg/L；Vj表示第j场降雨径流量，单位 为m3；EMCj表示第j场降雨的次降雨径流平均浓度，单位为mg/L；n表示降雨场次。

本发明中，步骤b)中径流系数a的公式为：a＝V0/V

式中：a表示径流系数，为无量纲常数；V0表示总径流量，单位为m3；V表示总降雨量， 单位为m3。

污染物输出系数E_j的公式为： $E_j=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{10}^{-2}a\·W\·{\mathrm{SMC}}_j$

式中：j为不同农田类型种类；a表示当地多年平均地表径流系数，为无量纲常数；W表 示当地实测年降雨量，单位为mm；SMCj表示当地某类农田类型多场降雨径流污染物平均浓 度，单位为mg/L；10‑2为单位转换系数。

本发明中，步骤d)中根据下面的公式进行该区域农田区非点源污染物的荷量估算，并确 定污染物的空间分布情况。

其中，农田非点源污染产生负荷：

按公式 $L_0=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{E}_j\·A_j$ 计算

式中：L0表示不同农田类型非点源污染物输出负荷，单位为kg/a；j为农田类型种类；Ej 表示不同农田类型的非点源污染物输出系数，单位为kg/(ha·a)；Aj表示第j类农田类型面积。

农田污染物入河负荷：

按公式L1＝μA·L0计算

式中：L1表示该农田非点源污染入河负荷(kg)；μA为某类型农田非点源污染入河系数， 为无量纲参数，范围0～1。

农田污染物进入受纳水体：

按公式L2＝ζA·L1计算

式中：L2表示农田非点源污染进入受纳水体负荷(kg)；ζA为河道迁移系数，为无量纲参 数，范围0～1。

本发明提出的基于人工降雨实验的农田区非点源污染负荷估算方法，具有以下优点：

1)本方法在人工降雨模拟的基础上，创造性地提出了基于田间尺度人工降雨实验的流域 尺度非点源污染负荷估算方法。本方法既有一定的理论依据，又有大量实测资料，能充分结 合流域的特征，可用来分析流域内污染负荷的时空分布模式及其驱动因素，为非点源污染识 别和污染控制提供决策支持。

2)与机理模型相比，本方法不涉及流域尺度污染的具体迁移过程，计算简单，操作方便， 运用灵活，同时还具有满意的模拟精度和准确性。

3)本方法对数据要求较低，表现了较强的实用性，尤其针对我国北方平原非点源污染负 荷估算具有较强的应用价值。

基于人工降雨实验的农田区非点源污染负荷估算方法的流程图。

为了更清楚的对本发明进行说明，以实施例来进一步说明本发明，但不用来限制本发明 的范围。

某北方流域平原区，总面积1.28万km2，占流域总面积的40.76％。该平原区地势平坦河 网复杂，产汇流边界不明确，传统机理模型应用受限。加之水利工程建设、交通设施修建、 地下水的开采等强烈的人类干扰活动，使流域下垫面发生很大变化，运用机理模型模拟精度 与实际误差较大。运用本发明方法进行非点源污染模拟，其步骤如下：

1)人工降雨实验：

a)试验点选择：根据研究区实际情况，选择试验点。

该平原区主要由洪积湖积平原区、山前冲洪积洪平原区两部分组成。主要土壤类型为潮 土及褐土，土地类型单一，旱地比例达70％。该流域平原农田区作物种植结构以冬小麦‑夏玉 米轮作为主，兼顾花生、蔬菜、瓜果等经济作物。根据以上多因素，选择不同地形、初始土 壤条件、植被覆盖及施肥量的试验点。本实例各试验点基本情况如表1。

表1各试验点基本情况

b)实验条件设置与实验：根据该流域平原区气象站点历年实测降雨监测统计资料，该区 域最大小时降雨强度25.0‑67.3mm/h，最大日降雨量44.0‑137.0mm，本实例设置90mm(大)、 60mm(中)、30mm(小)三个梯度的降雨强度及不同降雨历时，进行降雨模拟实验。

实验所用人工模拟降雨设备由南京林业大学于2010年生产，设备型号为TSJY型，主要 设备构造包括支架、喷降系统、测控系统、电子雨量计及相关附属物。本套设备降雨高度为 4m，有效降雨面积为12m2，降雨均匀度大于80％。通过控制喷头组合，可产生0～120mm/h 不同强度的人工模拟降雨。

在降雨产流后，以产流为起点，0‑10min，每隔2min采一次水样；10‑30min每隔5min采 一个水样；30‑60min每隔10min采一个水样；每个水样采集500ml，未采集的径流用桶收集， 用以计算其总径流量。

记录采样间隔时间、降雨径流量及总径流量。收集水样采用国家标准方法测定径流水样 中溶解态氮、溶解态磷、硝态氮、铵态氮、磷酸盐等指标分析测定农田土壤水分及理化性质。 按公式计算次降雨径流的平均浓度EMC(TN)、EMC(TP)及多场降雨径流平均浓度SMC(TN)、 SMC(TP)。

2)本地化输出系数的确定：

根据实验，按公式计算得该平原农田区地表径流中总氮TN平均浓度(EMC)为
2.58～8.98mg/L，总磷TP平均浓度(EMC)为0.18～1.25mg/L。以此作为输入确定本地化的输出
系数。本实验区总氮TN及总磷TP的输出系数，按公式计算而得。
选取其中3个试验点，与前期文献报道中该平原区总氮TN、总磷TP多场降雨径流平均浓度
(SMC)进行比较，结果如表1、表2所示。

表1总氮TN多场降雨径流平均浓度(SMC)比较

表2总磷TP多场降雨径流平均浓度(SMC)比较

本发明方法所得的SMC值与前期文献报道的SMC值具有显著差异，使用本发明方法有 利于本地化输出系数，从而提高流域尺度非点源负荷模拟的精度。

3)流域尺度非点源污染负荷估算：地表径流系数分布由1956‑2000多年平均降水量等值 线图与多年平均径流深图叠加获得；降水量栅格图基于16个均匀分布的雨量站点数据通过空 间插值获得；土地利用类型数据通过解译Landsat‑5TM遥感影像数据获得。通过计算得出该 流域总氮输出负荷为7623.17t/a，总磷输出负荷分别为636.34t/a。

应用本发明方法所得的流域尺度非点源污染负荷，最终得到农田非点源污染负荷产生量、 入河负荷及在流域出口的负荷，以及污染源的时空分布。本估算过程中，由于所用多场降雨 径流平均浓度系数是基于实际人工降雨试验获得，与以往通过前期文献获取系数不同，两种 方法计算所得的非点源污染负荷量相差40％～90％，和监测数据相比，本发明估算精度可提高 30％左右。

结论：本发明方法，将人工降雨模拟实验与传统输出系数法估算非点源污染负荷相结合， 考虑当地地形地貌、土壤类型、气候条件、植被覆盖等因素，通过人工降雨实验，获取该地 区污染物输出系数，其所得非点源污染负荷量更符合地区实际情况。