一种灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷模拟方法技术方案

本发明专利技术公开了一种灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷模拟方法，方法步骤如下，(1)研究区灌溉和排水系统分析；(2)SWAT模型构建与校准，模型输入数据准备及格式化处理，模型校准和验证；(3)总氮、总磷计算。与现有技术相比较，本发明专利技术在分析研究区灌溉和排水系统的基础上，通过收集整理DEM、土壤、气象、土地利用等多项资料并进行格式化处理，完成SWAT模型的构建，结合研究区内水文站点多年实测径流数据对模型进行校验，最后根据SWAT模型对非点源污染的迁移转化过程和原理，计算湖泊总氮、总磷污染负荷，实现对灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷进行模拟分析。可广泛应用于灌溉渠系发达区湖泊氮磷污染负荷模拟计算。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水污染模拟
，尤其涉及一种灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷模拟方法。
技术介绍
近年来水循环过程不仅受到气候变化影响，而且随着人类不合理的开发活动，已经逐渐打破了水循环过程的自然路径，水循环过程呈现出“自然-人工”二元驱动特征，点源、面源污染物通过水循环过程进行迁移转化，新的“自然-人工”水循环特性会进一步扩大污染物的迁移范围，由于大气干湿沉降，土壤面源污染物严重，固体废弃物的堆积等因素，这些污染物通过降水和地表径流等途径参与到水循环过程中而扩散迁移范围。研究地表水质的变化已成为各国学者新的关注热点。现有的技术手段的无法应用在灌溉系统发达的区域，由于灌溉系统发达区域数据较难获取，渠系复杂，进入湖泊的污染物的迁移转化机理亦复杂，模型构建与校准的难度大。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于针对现有氮磷污染负荷模拟方法的不足，提出一种灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷模拟方法。该方法在分析研究区灌溉和排水系统的基础上，通过收集整理DEM、土壤、气象、土地利用等多项资料并进行格式化处理，完成SWAT模型的构建，结合研究区内水文站点多年实测径流数据对模型进行校验，最后根据SWAT模型对非点源污染的迁移转化过程和原理，计算湖泊总氮、总磷污染负荷。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷模拟方法，方法步骤如下，步骤一，研究区灌溉和排水系统分析分析研究区的灌溉系统，包括总干渠、干渠、分干渠、支渠、斗渠、农渠、毛渠等；分析研究区的排水系统，包括总排干沟、干沟、分干沟、支沟、斗沟、农沟、毛沟等。步骤二，SWAT模型构建与校准1)模型输入数据准备及格式化处理SWAT模型为了使模拟结果更加准确，需要输入的数据有土地利用类型、土壤类型、温度降雨等气象条件、河流水质等，格式需要经过标准化处理后才可以输入到模型中去，其中数字高程模型图、土壤类型图、土地利用类型图需要使用ArcGIS采用GRID或shp格式生成地形图，而降雨、气温等气象数据和水质数据等一般以dbf格式生成输入文件，具体格式见下表。表1 SWAT模型输入数据及格式①DEM数据数字高程模型(DEM)是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。在DEM中包括得到坡度、坡向和坡度变化率等地形参数，只有在高精度DEM的基础上才能准确的进行子流域划分、河网水系的生成。DEM数据来源于地理空间数据云网站，下载为STRM30米分辨率的数据高程数据。DEM在载入SWAT模型进行计算分析前，需要先进行预处理。预处理的作用是从原有的DEM中去除洼地，因为洼地在DEM划分河网时改变水流出口方向，影响到SWAT模型下一步分析。②土地利用数据SWAT模型模拟会根据土地利用类型划分水文响应单元，并且流域内不同的土地利用类型的分布会对非点源污染物的来源和迁移产生显著的影响，因此不同的土地类型对模型过程中作用重大。模型模拟之间需要建立土地利用类型数据库，根据不同的土地利用分类输入到数据库中。在获得土地利用类型分布图后，需要对原有的土地类型进行重分类过程，因为SWAT模型中所使用的分类原则与我国现有的土地类型划分原则不同。因此，在将土地利用类型图输入在SWAT模型之前，需要把土地利用类型按照规定重分类，方便SWAT模型模拟时可以直接从土地利用类型数据库中获取相关数据。③土壤数据SWAT模型需要输入的土壤数据主要包括土壤类型和土壤的理化性质两个方面。土壤类型在ArcGIS中以GRID格式直接输入，土壤各项理化性质需要资料收集和计算得到。土壤属性不仅对土壤水下渗和蒸发起着重要作用，并且不同的土壤属性对氮、磷等营养元素的迁移转化有着重要影响，为了后续更准确研究氮、磷非点源污染，需要将以下参数输入到在SWAT模型的usersoil数据库中。表2土壤数据库的建立④气象数据SWAT模型气象数据库主要包括降水数据、最高和最低温度数据、风速、辐射数据等。这些数据来源可以是当地气象站点多年实测数据，也可以是气象站点实测数据与天气发生器生成数据结合，在实测数据不完整和部分缺失时，是输入气象数据的常用方法。SWAT模型内嵌的天气发生器利用数理统计原理，通过气象资料(如气温和降水等的平均值、标准偏差等)的统计学规律来模拟气象条件变化过程。由于SWAT模型需要多项长时间序列的逐日气象数据，当研究区内部分资料难以获得或缺失时，可以利用天气发生器弥补气象数据缺失进行模拟。天气发生器需要计算的参数较多，主要包括月平均最高和最低气温、最高和最低气温标准偏差、月均降雨量等。天气发生器具体需要的各项参数以及计算公式如下表所示：表3天气发生器各参数计算公式统计表⑤划分子流域在模型运行开始前，首先需要将整个研究区域划分为模型所需要的较小的空间单元，一般划分步骤为流域-子流域-水文响应单元，水文响应单元是水文模型模拟的基础。研究区域根据DEM生成子流域，再根据每个子流域上不同土壤类型、土地利用类型以及不同坡度进一步划分水文响应单元，将流域被划分成土壤类型和土地利用类型一致的水文响应单元。SWAT模型通过DEM提取河网，确定水流方向和汇水范围，模型通过DEM识别的子流域出口，可能会由于DEM精度问题导致出口与现实中的出口不能完全一致，因此，根据研究的需要可以进行人工添加出口点，方便模拟结果的获取和模型参数的验证。2)模型校准和验证①确定模型评价指标选取相对误差(Re)、决定系数(R2)和Nash-Suttcliffe效率系数(Ens)三个指标用于评价模型的适用性。根据模拟标准，模拟结果与实测值误差应小于20％，决定系数R2大于0.6且Ens大于0.5，当模拟结果满足以上条件时，模拟结果才可以进行使用。②参数敏感性分析SWAT模型在水文模拟、泥沙量和非点源污染模拟中需要计算大量的参数，而绝大多数参数是无法通过实际调查而获取。因此在SWAT模型本身对各项参数都设置了一个初始值，这些参数的初始值不能与每一个研究区域都很好的吻合，因此需要针对不同地区对各项参数进行调整。由于模型本身原理复杂，需要计算的参数较多，无法做到对每一个参数都进行仔细调整。因此在调节参数之前需要进行敏感性分析，敏感性分析是评估各项参数对模拟结果的影响程度，优先选择影响程度大的参数进行调整。所以SWAT模型敏感性分析，是模型调参和校验的前提和基础工作。根据敏感性分析结果优先选择需要调节的参数，有助于对模型准确性的提高。根据模拟结果进行敏感性分析后，从SWAT模型中众多参数中筛选以下敏感性较高参数，优先进行参数率定。③模型校准基于上述步骤，对模型进行校准和验证。步骤三，总氮、总磷计算SWAT模型非点源污染模拟过程中将氮分为不同形态的氮循环转化过程进行模拟。在模型模拟过程中主要将氮分为有机氮、硝态氮、氨态氮和亚硝态氮四大类。氮在模型中迁移过程主要是通过地表径流流失和下渗，来源主要是农业施肥等物理过程，氮循环过程包括有机氮氨化、土壤中硝态氮反硝化、氨态氮硝化作用等化学过程。计算公式如下：式中：ρNO3，mobile为自由水中硝态氮浓度(以N计)；ρNO3ly为土壤中硝态氮的量(以N计)，kg/hm2；为土壤中自由水的量(mm)；θe为孔隙度；SATly为土壤饱和含水量。εN＝0.78×(ρsurf)-0.2468 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷模拟方法，其特征在于：方法步骤如下，步骤一，研究区灌溉和排水系统分析步骤二，SWAT模型构建与校准1)模型输入数据准备及格式化处理将土地利用类型、土壤类型、气象条件、河流水质数据经过标准化处理后输入到SWAT模型中；2)模型校准和验证①确定模型评价指标选取相对误差Re、决定系数R2和Nash‑Suttcliffe效率系数Ens三个指标用于评价模型的适用性，根据模拟标准，模拟结果与实测值误差应小于20％，决定系数R2大于0.6且Ens大于0.5，当模拟结果满足以上条件时，模拟结果才可以进行使用；②参数敏感性分析根据模拟结果进行敏感性分析后，从SWAT模型中众多参数中筛选以下敏感性较高参数，优先进行参数率定；③模型校准对模型进行校准和验证；步骤三，总氮、总磷计算根据SWAT模型对非点源污染的迁移转化过程和原理，可以对非点源污染物进行模拟，模拟的对象主要是氮元素和磷元素负荷量，对总氮和总磷负荷量进行计算。

【技术特征摘要】
1.一种灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷模拟方法，其特征在于：方法步骤如下，步骤一，研究区灌溉和排水系统分析步骤二，SWAT模型构建与校准1)模型输入数据准备及格式化处理将土地利用类型、土壤类型、气象条件、河流水质数据经过标准化处理后输入到SWAT模型中；2)模型校准和验证①确定模型评价指标选取相对误差Re、决定系数R2和Nash-Suttcliffe效率系数Ens三个指标用于评价模型的适用性，根据模拟标准，模拟结果与实测值误差应小于20％，决定系数R2大于0.6且Ens大于0.5，当模拟结果满足以上条件时，模拟结果才可以进行使用；②参数敏感性分析根据模拟结果进行敏感性分析后，从SWAT模型中众多参数中筛选以下敏感性较高参数，优先进行参数率定；③模型校准对模型进行校准和验证；步骤三，总氮、总磷计算根据SWAT模型对非点源污染的迁移转化过程和原理，可以对非点源污染物进行模拟，模拟的对象主要是氮元素和磷元素负荷量，对总氮和总磷负荷量进行计算。2.根据权利要求1所述一种灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷模拟方法，其特征在于：步骤二中，进行输入数据准备及格式化处理时，土地利用类型、土壤类型数据中的数字高程模型图、土壤类型图、土地利用类型图需要使用ArcGIS采用GRID或shp格式生成地形图，而降雨、气温等气象数据和水质数据以dbf格式生成输入文件；①数字高程模型DEM数据数字高程模型DEM中包括得到坡度、坡向和坡度变化率地形参数，DEM数据来源于地理空间数据云网站，下载为STRM30米分辨率的数据高程数据，DEM在载入SWAT模型进行计算分析前，需要先进行预处理，从原有的DEM中去除洼地；②土地利用数据模型模拟之间建立土地利用类型数据库，根据不同的土地利用分类输入到数据库中，在获得土地利用类型分布图后，需要对原有的土地类型进行重分类；③土壤数据SWAT模型需要输入的土壤数据主要包括土壤类型和土壤的理化性质两个方面，土壤类型在ArcGIS中以GRID格式直接输入；④气象数据SWAT模型气象数据库主要包括降水数据、最高和最低温度数据、风速、辐射数据，SWAT模型内嵌天气发生器利用数理统计原理，通过气象资料的统计学规律来模拟气象条件变化过程，当研究区内部分资料难以获得或缺失时，可以利用天气发生器弥补气象数据缺失进行模拟；⑤划分子流域在模型运行开始前，首先需要将整个研究区域划分为模型所需要的较小的流域-子流域-水文响应单元，研究区域根据DEM生成子流域，再根据每个子流域上不同土壤类型、土地利用类型以及不同坡度进一步划分水文响应单元，将流域被划分成土壤类型和土地利用类型一致的水文响应单元；SWAT模型通过DEM提取河网，确定水流方向和汇水范围，通过DEM识别的子流域出口，若出现由于DEM精度问题导致出口与现实中的出口不能完全一致情况时，根据研究的需要可以进行人工添加出口点，方便模拟结果的获取和模型参数的验证。3.根据权利要求2所述一种灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷模拟方法，其特征在于：在土壤参数计算过程中，采用三次样条插值法，在MATLAB软件中实现粒径的转换，将国际制土壤粒径转换为模型所需要的CLAY、SILT、SAND、ROCK 4个参数，才能计算土壤理化性质数据。4.根据权利要求2所述一种灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷模拟方法，其特征在于：SWAT模型中需要土壤容重、土壤层有效持水量和饱和导水率三项参数，计算方式采用土壤水特性软件SPAW，根据土壤数据资料，得到不同土壤类型的有机质含量、含盐量以及转换完成后的美国制粒径组成分类数据，将以上数据输入到SPAW软件中可以直接计算出土壤的土壤容重、土壤层有效持水量、饱和导水率三个参数的结果。5.根据权利要求1所述一种灌溉系统发达区湖泊氮磷污染负荷模拟方法，其特征在于：步骤二中，确定模型评价指标时，相对误差Re按下式计算， Re = P i - Q i Q i × 100 % - - - ( 10 ) ]]>式中：Re是模型的相对误差值，Pi是模拟值，Qi是实际值；如果Pi＞Qi，则Re＞0，表示模型预测值偏大，如果Pi＜Qi，则Re＜0，表示模型预测值偏小，如果Pi＝Qi，则Re＝0，表示模型预测准确；决定系数R2按下式计算， R 2 = [ Σ l = 1 n ( X m i - X m ) ( X s i - X s ) ] Σ i = 1 n ( X m i - X m ) 2 · Σ i = 1 n ( X s i - X s ) 2 - - - ( 11 ) ]]>式中：Xmi为实测值；Xsi为模拟值；Xm为实测值的平均值；Xs为模拟值的平均值；n为实测次数；决定系数R2即相关系数R的平方，通过线性回归法来计算，从R2可以看出实测值和模拟值之间的相关程度，R2的值越接近1，则相关性越高；Nash-Suttcliffe效率系数Ens按下式计算， E n s = 1 - Σ i = 1 n ( Q m - Q p ) 2 Σ i = 1 n ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁白莎，严登华，王浩，吕睿喆，严登明，刘芳，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11