一种大流域尺度水氮迁移耦合模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种大流域尺度水氮迁移耦合模拟方法，包括S1、根据地表水文过程，结合地表氮素总量，分别计算由于氮沉降和施肥沉降到地表的随地表径流流失、下渗到土壤以及储存在地表洼地的溶解态氮分量；S2、以土壤水文过程为基础，计算源汇项，并根据源汇项利用对流弥散方程计算土壤各层氮素浓度；S3、根据地下水水文过程，利用质量守恒方程计算地下水氮素浓度；S4、根据坡面沟水文过程，利用对流弥散方程计算坡面沟中氮素浓度；S5、根据河道水文过程，利用对流弥散方程计算河道断面氮素浓度。优点是：提高了水文过程模拟的准确性，并且可以很好的模拟冻土融化期河道断面流量和污染物氮素的浓度。

【技术实现步骤摘要】
一种大流域尺度水氮迁移耦合模拟方法
本专利技术涉及寒区氮循环
，尤其涉及一种大流域尺度水氮迁移耦合模拟方法。
技术介绍
由于人口数量的增长以及工业化的加快发展，氮肥施用量、畜禽养殖量、城镇农村生活污水量等也在逐渐增长并且通过人类活动进入到生态系统，破坏了原有生态系统的平衡，造成土壤污染、水体富营养化等问题。在寒区土壤冻结过程中会有大量的面源氮污染物持留，在融冻过程中伴随着冻土和冰雪融化过程以及春季降水进入地表和地下水体，导致水质迅速下降，造成寒冷地区面源污染物流出具有累积性和突发性。此外，国内主流的流域水文模型之一的大尺度流域水与能量转化过程模拟(WaterandEnergytranferProcessesinLargeriverbasins，简称WEP-L)可以很好的模拟冻融过程中地表、土壤、地下水、坡面沟以及河道中的水分迁移；该模型为水文模型，未考虑土壤中污染物的迁移过程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大流域尺度水氮迁移耦合模拟方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种大流域尺度水氮迁移耦合模拟方法，包括如下步骤，S1、根据地表水文过程，结合地表氮素总量，分别计算由于氮沉降和施肥沉降到地表的随地表径流流失、下渗到土壤以及储存在地表洼地的溶解态氮分量；S2、以土壤水文过程为基础，计算源汇项，并根据源汇项利用对流弥散方程计算土壤各层氮素浓度；S3、根据地下水水文过程，利用质量守恒方程计算地下水氮素浓度；S4、根据坡面沟水文过程，利用对流弥散方程计算坡面沟中氮素浓度；S5、根据河道水文过程，利用对流弥散方程计算河道断面氮素浓度。优选的，步骤S1具体为，根据地表水文过程，计算由于氮沉降和施肥沉积到地表的氮素随地表径流流失、下渗到土壤以及储存在地表洼地的比例，并利用比例乘以地表氮素总量分别计算随地表径流流失、下渗到土壤以及储存在地表洼地的溶解态氮量；计算公式分别如下，Min＝Mfer+MwetMrun＝raterun·MinMinf＝rateinf·MinMstore＝ratestore·Min其中，Rsuf_C为地表径流量；inf_c为地表下渗到土壤的水量；Rstore_C为洼地储留量；raterun为地表径流流失的水量占地表总水量的比例；rateinf为下渗到土壤的水量占地表总水量的比例；ratestore为储存在地表的水量占地表总水量的比例；Min为地表氮的输入总量；Mfer为地表施肥量；Mwet为地表氮沉降量；Mrun为随地表径流流失的溶解态氮量；Minf为下渗到土壤的溶解态氮量；Mstore为储存在地表的溶解态氮量。优选的，步骤S2具体为，根据土壤水文过程，计算源汇相，源汇项包括由于土壤吸力引起的上下迁移量、氮素转化量以及通过壤中流流失量；进而利用源汇项使用对流弥散方程计算土壤各层氮素的浓度；利用下式计算在dt时间内的源汇项其中，V为土壤体积；Mfer为施氮量；Mwet为每日氮沉降量；Mupdown为由于土壤吸引力引起的氮素在相邻两层的迁移量；Mtran为氮素不同成分之间的转化量，Mtran＝-μiCi，μi为各种反应系数，Ci表示土壤中污染物的浓度；Muptake为植物根系吸收量；Mrunoff为壤中流损失量；在冻融期，施氮量和植物根系吸收量为零；土壤分为11层，只在第一层土壤考虑氮沉降与施肥，层与层之间考虑由于重力势引起的下渗，由于吸引力引起的土壤水分在上下层的迁移量，进而引起氮素在上下层的迁移；利用对流弥散方程计算土壤各层氮素浓度的计算公式如下，其中，Cdis为土壤水中溶解态氮的浓度；Csorb为吸附态氮的浓度，Csorb＝Kd·Cdis，Kd表示固相、液相分配系数；·为土壤容重；v为土壤水流通量；z为表示各层土壤相对于基准面的深度；θ为t时刻位于深度z处的土壤体积含水率；D为水动力弥散系数。优选的，步骤S3具体为，根据地下水水文过程，统计土壤下渗到地下水的氮量、该等高带地下水与周围等高带地下水氮素交换量、地下水与河道的交换量以及地下水氮素转化量，并利用质量守恒方程计算地下水氮素浓度；部分溶解态有机氮、氨氮和硝态氮会进一步淋溶到地下水中，其在地下水中的迁移转化过程采用质量守恒方程描述，其中，P为饱和含水率；h为饱和带的厚度；qr为非饱和土壤带向饱和土壤带的渗漏速率；Cri为非饱和带渗漏水中溶解态氮的浓度；qriver为地下水与河道交换水量；qdgd为地下水与周围等高带地下水的交换水量。优选的，步骤S4具体为，根据坡面沟水文过程，统计由地表径流以及壤中流进入坡面沟的氮量以及坡面沟中氮素转化量，利用对流弥散方程计算坡面沟中氮素浓度；除对流扩散过程之外还包括旁侧入流、一个等高带的坡面沟到下一个等高带的坡面沟以及不同组分之间的相互转化作用，具体计算公式为，其中，C′dis为河道中溶解态氮的浓度；v为水流的流速；Ex为扩散系数；S为有机氮、氨氮或硝态氮的源汇项，用于表示旁侧入流以及不同组分之间的相互转化作用，具体指代哪一种氮素的源汇项，需要根据计算的氮素种类进行确定。优选的，对于有机氮，矿化作用会使有机氮转化为氨氮从而减少，有机氮在坡面沟中或河道中的源汇项可表示为，其中，M1为有机氮的旁侧入流；dx为河流的长度；A为河流的横截面积；K1为有机氮的矿化速率；C1为河流中有机氮的浓度；对于氨氮，矿化作用会使有机氮转化为氨氮从而使河流中氨氮含量增加，硝化作用会使氨氮转化为硝态氮从而使河流中氨氮含量降低；则氨氮在坡面沟中或河道中的源汇项可表示为：其中，M2表示氨氮的旁侧入流；K2表示氨氮的硝化速率；C2表示河流中氨氮的浓度；对于硝态氮，硝化作用会使氨氮转化为硝态氮从而使河流中硝态氮含量增大，反硝化作用可使硝态氮转化为N2O，使河流中硝态氮含量降低；则硝态氮在坡面沟中或河道中的源汇项可表示为：式中，M3表示硝态氮的旁侧入流；K3表示硝态氮的反硝化速率；C3表示河流中硝态氮的浓度。优选的，步骤S5具体为，根据河道水文过程，统计坡面沟流入河道的量以及地下水与河道交换量，计算河道中氮素转化量，利用对流弥散方程计算河道断面氮素浓度；河道断面氮素浓度的计算方式与步骤S4相同；溶解态有机氮、氨氮和硝态氮在坡面沟与河道中的迁移转化过程均使用对流弥散方程进行描述，除对流扩散过程之外还包括旁侧入流、上一个子流域的河道到下一个子流域的河道以及不同组分之间的相互转化作用。优选的，若坡面沟或河道窄而直，则Ex＝5.93·d·v，d表示河流深度；若坡面沟或河道宽大，则Ex＝0.11·v·w2/d，w表示坡面沟或河道宽度。优选的，河道中有机氮、氨氮以及硝态氮的旁侧入流包括地下水与河道的交换量以及该子流域各等高带的坡面沟汇入河道的氮量。本专利技术的有益效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大流域尺度水氮迁移耦合模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，/nS1、根据地表水文过程，结合地表氮素总量，分别计算由于氮沉降和施肥沉降到地表的随地表径流流失、下渗到土壤以及储存在地表洼地的溶解态氮分量；/nS2、以土壤水文过程为基础，计算源汇项，并根据源汇项利用对流弥散方程计算土壤各层氮素浓度；/nS3、根据地下水水文过程，利用质量守恒方程计算地下水氮素浓度；/nS4、根据坡面沟水文过程，利用对流弥散方程计算坡面沟中氮素浓度；/nS5、根据河道水文过程，利用对流弥散方程计算河道断面氮素浓度。/n

【技术特征摘要】
1.一种大流域尺度水氮迁移耦合模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1、根据地表水文过程，结合地表氮素总量，分别计算由于氮沉降和施肥沉降到地表的随地表径流流失、下渗到土壤以及储存在地表洼地的溶解态氮分量；
S2、以土壤水文过程为基础，计算源汇项，并根据源汇项利用对流弥散方程计算土壤各层氮素浓度；
S3、根据地下水水文过程，利用质量守恒方程计算地下水氮素浓度；
S4、根据坡面沟水文过程，利用对流弥散方程计算坡面沟中氮素浓度；
S5、根据河道水文过程，利用对流弥散方程计算河道断面氮素浓度。


2.根据权利要求1所述的大流域尺度水氮迁移耦合模拟方法，其特征在于：步骤S1具体为，根据地表水文过程，计算由于氮沉降和施肥沉积到地表的氮素随地表径流流失、下渗到土壤以及储存在地表洼地的比例，并利用比例乘以地表氮素总量分别计算随地表径流流失、下渗到土壤以及储存在地表洼地的溶解态氮量；计算公式分别如下，









Min＝Mfer+Mwet
Mrun＝raterun·Min
Minf＝rateinf·Min
Mstore＝ratestore·Min
其中，Rsuf_C为地表径流量；inf_c为地表下渗到土壤的水量；Rstore_C为洼地储留量；raterun为地表径流流失的水量占地表总水量的比例；rateinf为下渗到土壤的水量占地表总水量的比例；ratestore为储存在地表的水量占地表总水量的比例；Min为地表氮的输入总量；Mfer为地表施肥量；Mwet为地表氮沉降量；Mrun为随地表径流流失的溶解态氮量；Minf为下渗到土壤的溶解态氮量；Mstore为储存在地表的溶解态氮量。


3.根据权利要求2所述的大流域尺度水氮迁移耦合模拟方法，其特征在于：步骤S2具体为，根据土壤水文过程，计算源汇相，源汇项包括由于土壤吸力引起的上下迁移量、氮素转化量以及通过壤中流流失量；进而利用源汇项使用对流弥散方程计算土壤各层氮素的浓度；
利用下式计算在dt时间内的源汇项



其中，V为土壤体积；Mfer为施氮量；Nwet为每日氮沉降量；Mupdown为由于土壤吸引力引起的氮素在相邻两层的迁移量；Mtran为氮素不同成分之间的转化量，Mtran＝-μiCi，μi为各种反应系数，Ci表示土壤中污染物的浓度；Muptake为植物根系吸收量；Mrunoff为壤中流损失量；
在冻融期，施氮量和植物根系吸收量为零；土壤分为11层，只在第一层土壤考虑氮沉降与施肥，层与层之间考虑由于重力势引起的下渗，由于吸引力引起的土壤水分在上下层的迁移量，进而引起氮素在上下层的迁移；
利用对流弥散方程计算土壤各层氮素浓度的计算公式如下，



其中，Cdis为土壤水中溶解态氮的浓度；Csorb为吸附态氮的浓度，Csorb＝Kd·Cdis，Kd表示固相、液相分配系数；ρ为土壤容重；v为土壤水流通量；z为表示各层土壤相对于基准面的深度；θ为t时刻位于深度z处的土壤体积含水率；D为水动力弥散系数。


4.根据权利要求3所述的大流域尺度水氮迁移耦合模拟方法，其特征在于：步骤S3具体为，根据地下水水文过程，统计土壤下渗到地下水的氮量、该等高带地下水...

【专利技术属性】
技术研发人员：周祖昊，刘水清，李佳，蒋云钟，严子奇，刘佳嘉，贾仰文，王浩，
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