一种基于水位调控的灌区水田非点源污染负荷估算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于水位调控的灌区水田非点源污染负荷估算方法，步骤如下：步骤一：壶穴构型改良；步骤二：蒸散发算法的改良；步骤三：下渗量计算方法的改良；步骤四：灌溉及排水控制模块的构建；步骤五：水田土壤侵蚀量计算方法的调整；步骤六：水田氮、磷流失量的计算方法；步骤七：改进模型的运行；步骤八：计算水田非点源污染负荷。本发明专利技术方法，分别考虑了水田在浸没状态下和排空期内的不同水文特征，同时也对各种算法进行了优化改良，有助于得到更为精确的稻田水文循环过程和养分流失过程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水位调控的灌区水田非点源污染负荷估算方法
本专利技术涉及一种灌区水田非点源污染负荷估算方法。尤其涉及一种基于水位调控的灌区水田非点源污染负荷估算方法，属于农业环境保护技术。
技术介绍
流域农业非点源污染是指在降水、融雪及农田退水等过程中，部分土壤颗粒物、营养元素及有毒害作用的农药和重金属等污染物随径流从农田进入水体，进而形成的水体污染。而径流作为非点源污染形成的重要驱动因子，在非点源污染生成、运移及转化过程中起着举足轻重的作用。水田作为人工营造的湿地系统，其表层的溢流和排水及地下渗透过程贯穿水稻整个生长过程，同时也势必加剧氮磷等营养元素的流失，威胁脆弱的流域水环境。传统的田间采样技术虽然能够用于分析田间尺度的水田非点源污染负荷，但该技术成本高，且监测周期较长，在采样区选取方面也具有一定的技术难度。此外，在流域尺度下，非点源污染的输出过程具有普遍的时空异质性规律，因此也限制田间采样法的应用和推广。相较而言，模型技术在流域非点源污染时空序列绘制及风险源区识别方面有着突出的优势。在模型率定和模型验证技术的支持下，模型技术能够直观的对流域非点源污染进行量化分析。但目前主流的流域非点源预测模型(如SWAT，HSPF和AnnAGNPS)在灌区的应用过程中也存在着明显的缺陷：(1)主流流域非点源预测模型并未内置水田模块，仅通过径流曲线法、Green-Ampt入渗模型等将水田简化为旱田处理；(2)未考虑水田的淹没状态，在灌溉发生时，除部分灌溉水按下渗量计算，其余均视为地表径流量；(3)不能模拟水田的水位的年季波动特性，无法在非点源污染与水田水位调控之间建立起联系。目前的非点源污染的预测方法正在不断发展，但考虑水田实际灌溉特征的预测方法却十分匮乏，例如申请号为CN201410619286.1，名称为一种基于GIS的分布式水田氮素径流流失负荷估算方法，公开号CN104361523A，仅利用GIS系统、土地利用情景和肥料施用情况构建了简单的输出系模型，用于评价水田非点源污染输出负荷，缺乏足够的模型机理支持，也无助与建立水位调控与非点源污染的对应关系。又如申请号为CN201310232100.2，名称为水田非点源污染流出负荷的观测方法及系统，公开号CN103294923A，构建了一种田间尺度的水田非点源污染分析及估算方法，但因成本问题难以在流域尺度展开。再如申请号为CN201210326701.5，名称为一种基于遥感像元的非点源污染计算方法，公开号为CN102867120A，该方法根据土地利用、植被盖度、土壤属性及氮磷平衡规律估算非点源污染释放规律，但该方法难以表征浸没状态下水田的氮磷释放规律。鉴于此种背景，有必要对现有的流域非点源污染预测模型进行修正，使其能够高效、准确的模拟水位变化条件下的水田非点源污染输出负荷。
技术实现思路
1、目的：本专利技术的目的是提供一种基于水位调控的灌区水田非点源污染负荷估算方法，进而可以模拟水田水位变化条件下水田的非点源污染输出规律，有助于精准、有效的灌区的流域非点源污染进行分析。2、技术方案：本专利技术一种基于水位调控的灌区水田非点源污染负荷估算方法，其特征在于利用FORTRAN语言对SWAT模型的壶穴模块进行改良，建立起能够表征水田水循环过程和非点源污染之间关联的水田模块。其具体方法步骤如下：步骤一：壶穴构型改良利用FORTRAN77语言对SWAT模型的壶穴模块的源代码进行编译，并据此构建符合水田灌溉和排水特征的水田模型。本专利对壶穴模型的构型进行了必要改良，将其由原SWAT模型中的圆锥体设定改良为截面积恒定的多边形结构，并基于改进方法增设了田埂面积的补充算法。田埂面积和改进的水田有效储水面积的计算方法如公式1和2所示。SR＝SHD·FR(1)SA＝SHD·(1-FR)(2)式中：SR表示田埂面积，ha；FR表示田埂面积与水文响应单元面积之比，％；SHD表示水田所处的水文响应单元的总面积，ha；SA表示水田有效储水面积，ha。步骤二：蒸散发算法的改良利用编译器对壶穴模块的蒸散发算法进行修正，由原模型提出的基于叶面积指数与最大潜在蒸散发量之间关系的概化算法，改进为根据水田淹没或排空状态，分别计算叶片截留蒸发量、水稻蒸散发量、田面水蒸散发量、土壤蒸散发量的优化算法。当叶片截留量大于水田日潜在蒸散发量时，水田模块将先计算叶片截留蒸发量，见公式(3)。当叶片截留量小于水田日潜在蒸散发量时，其差值由水稻蒸散发量弥补，见公式(4)。当水稻蒸散发量及叶片截留量之和仍小于水田日潜在蒸散发量时，水田模块将根据水位条件，分别进行计算：在浸没状态下，蒸发量的差额由田面水蒸散发量补足，见公式(5)；在排空状态下，蒸发量的差额由土壤蒸散发量补足，见公式(6)。其中，水田日潜在蒸散发量由Penman-Monteith方程计算。水稻蒸散发量可根据稻田的叶面积指数，分别由公式(7)和公式(8)计算。当水田处于排空状态下，其土壤蒸散发规律与旱田相近，因此仍沿用原SWAT模型的计算方法，不进行改动。Ea＝EcanEcan>PET(3)Ea＝Ep+EcanEcan<PET<Ecan+Ep(4)Ea＝Ep+Ecan+EWPET>Ecan+Ep(5)Ea＝Ep+Ecan+EsPET>Ecan+Ep(6)Ep＝(PET-Ecan)·L/30≤L≤3(7)Ep＝PET-EcanL>3(8)式中：PET表示水田日潜在蒸散发量，mm；Ea表示水田实际蒸发量，mm；Ecan表示叶片截留蒸发量，mm；Ep表示水稻蒸散发量，mm；Ew表示田面水蒸发量，mm；Es表示土壤蒸散发量，mm；L表示叶面积指数。步骤三：下渗量计算方法的改良利用编译器对壶穴模型的渗透算法进行编译，由原壶穴模型提出的基于土壤最大持水能力和土壤含水量的计算方法，改进为基于水田储水量与水田日稳定下渗量关系的优化算法。当水田处于浸没状态时，若水田储水量大于水田日稳定下渗量时，水田实际下渗量与水田日稳定下渗量在数值上相等，如公式(9)所示；若水田储水量小于水田日稳定下渗量时，则水田储水量即为水田实际下渗量，如公式(10)。当水田处于排空状态时，其水文循环过程与旱田类似，下渗量的计算方法与原SWAT模型旱田的下渗量计算方式一致，不做修改。Vinf＝Ks·SA＝VmaxVs≥Vmax(9)Vinf＝VsVs<Vmax(10)式中：Vinf表示水田实际下渗量，m3；Ks表示土壤稳定入渗速率，cm/day；SA表示土壤有效储水面积，ha；Vs表示水田储水量，m3；Vmax表示水田日稳定下渗量。步骤四：灌溉及排水控制模块的构建基于水稻的实际设置规程，对水位控制单元进行编译。共设置最低三条水位线用于控制水田的排水及灌溉过程：最低水位、最适水位和最高水位。当稻田水位小于最低水位时，水田模块将触发灌溉功能，直至水位达到最适水位，如公式(11)。在降雨事件中，当水田的水位上升至最高水位时，将触发水田的排水功能，多余的田面水将以溢流的形式排入河网，直至水位回落至最高水位以下，如公式(12)。三条水位线均可设定逐日数据，并以txt文本格式保存，供模型读取。Ri＝(H-Pd,i)·SAPd本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水位调控的灌区水田非点源污染负荷估算方法，其特征在于：利用FORTRAN语言对SWAT模型的壶穴模块进行改良，建立起能够表征水田水循环过程和非点源污染之间关联的水田模块，具体方法步骤如下：步骤一：壶穴构型改良利用FORTRAN 77语言对SWAT模型的壶穴模块的源代码进行编译，并据此构建符合水田灌溉和排水特征的水田模型；步骤二：蒸散发算法的改良利用编译器对壶穴模块的蒸散发算法进行修正，由原模型提出的基于叶面积指数与最大潜在蒸散发量之间关系的概化算法，改进为根据水田淹没或排空状态，分别计算叶片截留蒸发量、水稻蒸散发量、田面水蒸散发量、土壤蒸散发量的优化算法；步骤三：下渗量计算方法的改良利用编译器对壶穴模型的渗透算法进行编译，由原壶穴模型提出的基于土壤最大持水能力和土壤含水量的计算方法，改进为基于水田储水量与水田日稳定下渗量关系的优化算法；步骤四：灌溉及排水控制模块的构建基于水稻的实际设置规程，对水位控制单元进行编译；共设置最低三条水位线用于控制水田的排水及灌溉过程：最低水位、最适水位和最高水位；步骤五：水田土壤侵蚀量计算方法的调整为保持新水田模块与原SWAT模型的参数一致性，仍采用改进通用流失方程作为水田土壤侵蚀量的计算公式；并根据水田的水位条件，对计算方法进行了优化调整；当水田处于浸没状态时，若未发生溢流或排水，则不计算土壤侵蚀过程；若有溢流或排水发生，则仅计算田埂侵蚀量，水田表土由于受到自由液面保护，不计算其侵蚀量；当水田处于排空状态下，水田田埂及田面均按可侵蚀面计算；步骤六：水田氮、磷流失量的计算方法氮、磷的流失量按其流失形态分别计算，氮的流失形态包括颗粒态氮和硝态氮，磷的流失形态包括颗粒态有机磷、颗粒态无机磷和溶解态磷；步骤七：改进模型的运行录入模型所需的基础数据，根据模型率定结果对参数进行调整；设置与改进模型相关的参数：包括壶穴面积、田埂占比、水田逐日水位数据及运行模型；步骤八：计算水田非点源污染负荷在模型输出文件中，读取水田的氮磷流失数据，分别计算流域中各水文响应单元的总氮及总磷的非点源污染负荷。...

【技术特征摘要】
1.一种基于水位调控的灌区水田非点源污染负荷估算方法，其特征在于：利用FORTRAN语言对SWAT模型的壶穴模块进行改良，建立起能够表征水田水循环过程和非点源污染之间关联的水田模块，具体方法步骤如下：步骤一：壶穴构型改良利用FORTRAN77语言对SWAT模型的壶穴模块的源代码进行编译，并据此构建符合水田灌溉和排水特征的水田模型；步骤二：蒸散发算法的改良利用编译器对壶穴模块的蒸散发算法进行修正，由原模型提出的基于叶面积指数与最大潜在蒸散发量之间关系的概化算法，改进为根据水田淹没或排空状态，分别计算叶片截留蒸发量、水稻蒸散发量、田面水蒸散发量、土壤蒸散发量的优化算法；步骤三：下渗量计算方法的改良利用编译器对壶穴模型的渗透算法进行编译，由原壶穴模型提出的基于土壤最大持水能力和土壤含水量的计算方法，改进为基于水田储水量与水田日稳定下渗量关系的优化算法；步骤四：灌溉及排水控制模块的构建基于水稻的实际设置规程，对水位控制单元进行编译；共设置最低三条水位线用于控制水田的排水及灌溉过程：最低水位、最适水位和最高水位；步骤五：水田土壤侵蚀量计算方法的调整为保持新水田模块与原SWAT模型的参数一致性，仍采用改进通用流失方程作为水田土壤侵蚀量的计算公式；并根据水田的水位条件，对计算方法进行了优化调整；当水田处于浸没状态时，若未发生溢流或排水，则不计算土壤侵蚀过程；若有溢流或排水发生，则仅计算田埂侵蚀量，水田表土由于受到自由液面保护，不计算其侵蚀量；当水田处于排空状态下，水田田埂及田面均按可侵蚀面计算；步骤六：水田氮、磷流失量的计算方法氮、磷的流失量按其流失形态分别计算，氮的流失形态包括颗粒态氮和硝态氮，磷的流失形态包括颗粒态有机磷、颗粒态无机磷和溶解态磷；步骤七：改进模型的运行录入模型所需的基础数据，根据模型率定结果对参数进行调整；设置与改进模型相关的参数：包括壶穴面积、田埂占比、水田逐日水位数据及运行模型；步骤八：计算水田非点源污染负荷在模型输出文件中，读取水田的氮磷流失数据，分别计算流域中各水文响应单元的总氮及总磷的非点源污染负荷。2.根据权利要求1所述的一种基于水位调控的灌区水田非点源污染负荷估算方法，其特征在于：所述步骤一具体过程如下：对壶穴模型的构型进行改良，将其由原SWAT模型中的圆锥体设定改良为截面积恒定的多边形结构，并基于改进方法增设了田埂面积的补充算法；田埂面积和改进的水田有效储水面积的计算方法如公式(1)和(2)所示：SR＝SHD·FR(1)SA＝SHD·(1-FR)(2)式中：SR表示田埂面积，ha；FR表示田埂面积与水文响应单元面积之比，％；SHD表示水田所处的水文响应单元的总面积，ha；SA表示水田有效储水面积，ha。3.根据权利要求1所述的一种基于水位调控的灌区水田非点源污染负荷估算方法，其特征在于：所述步骤二具体过程如下：当叶片截留量大于水田日潜在蒸散发量时，水田模块将先计算叶片截留蒸发量，见公式(3)；当叶片截留量小于水田日潜在蒸散发量时，其差值由水稻蒸散发量弥补，见公式(4)；当水稻蒸散发量及叶片截留量之和仍小于水田日潜在蒸散发量时，水田模块将根据水位条件，分别进行计算：在浸没状态下，蒸发量的差额由田面水蒸散发量补足，见公式(5)；在排空状态下，蒸发量的差额由土壤蒸散发量补足，见公式(6)；其中，水田日潜在蒸散发量由Penman-Monteith方程计算，水稻蒸散发量可根据稻田的叶面积指数，分别由公式(7)和公式(8)计算；当水田处于排空状态下，其土壤蒸散发规律与旱田相近，因此仍沿用原SWAT模型的计算方法，不进行改动；Ea＝EcanEcan>PET(3)Ea＝Ep+EcanEcan&lt...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳威，魏鹏，谢先红，郝增超，张璇，刘莲华，郝新，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11