一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法，其特征在于，所述方法包括：S1，建立蒸散發(fā)模型和產(chǎn)流模型，根據(jù)所述蒸散發(fā)模型和所述產(chǎn)流模型對農(nóng)業(yè)區(qū)用水進行診斷；S2，建立非點源污染模型，對農(nóng)業(yè)區(qū)非點源污染進行診斷；S3，根據(jù)所述農(nóng)業(yè)區(qū)用水的診斷和所述非點源污染的診斷，對農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境進行診斷。本發(fā)明的方法既考慮不同種植結構的下墊面非均一性帶來的總的用水和灌溉用水空間差異，又考慮了不同下墊面非點源污染排放強度，能夠有效地診斷水資源環(huán)境問題。
【專利說明】一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法及其系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及生態(tài)水文和遙感【技術領域】，具體地，涉及一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境的診斷方法及其系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]農(nóng)業(yè)區(qū)指以種植業(yè)為主，既生產(chǎn)糧食作物與經(jīng)濟作物，同時兼營林、牧、漁各業(yè)的地區(qū)。是糧食和經(jīng)濟作物產(chǎn)品的最大提供者，也是輕工業(yè)原料、畜禽產(chǎn)品、水產(chǎn)品等各種農(nóng)副產(chǎn)品的主要產(chǎn)地。
[0003]我國干旱和半干旱地區(qū)面積占到了國土面積的近60%，而農(nóng)業(yè)用水仍延續(xù)粗放式管理，據(jù)統(tǒng)計，我國農(nóng)田單位用水的糧食產(chǎn)量不足2.4斤/立方米，而世界先進水平為4斤/立方米左右。隨著近些年地表與地下水資源持續(xù)超采導致生態(tài)環(huán)境惡化、地下水位下降等問題十分突出。與此同時，農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)田、居民點、畜禽養(yǎng)殖區(qū)等農(nóng)藥、化肥過量施用、廢棄與排泄物無序排放產(chǎn)生的大量非點源污染物嚴重污染著水環(huán)境，直接威脅者農(nóng)村飲用水、灌溉和生態(tài)環(huán)境用水安全，實行嚴格的水環(huán)境管理制度，推進農(nóng)業(yè)灌溉用水總量控制和定額管理勢在必行。
[0004]農(nóng)業(yè)區(qū)的種植用水主要來自大氣降水和灌溉用水，其中，大氣降水到地面后分流成冠層截留、補充土壤水和徑流三個部分，而土壤水又以土壤蒸發(fā)和植被蒸騰(ET)的形式耗散到大氣中；灌溉用水主要用于補充土壤水，同樣以土壤蒸發(fā)和植被蒸騰的形式耗散到大氣中。
[0005]傳統(tǒng)的地表蒸散估算方法局限于單點尺度，而且大范圍密集觀測成本較高。對于區(qū)域而言，下墊面情況復雜且非均一，土地類型和小氣候環(huán)境差異大，傳統(tǒng)地表蒸散單點監(jiān)測和計算方法局限性日益突出。遙感技術的出現(xiàn)和發(fā)展為這個問題的解決帶來了新的希望，可見光、近紅外和熱紅外等波段能夠提供與水分和能量平衡過程密切相關的一些參數(shù)。蒸散的測定可分為直接測量與間接估算，直接測定地表蒸散發(fā)主要采用的是蒸發(fā)皿和蒸發(fā)池、蒸滲儀、波文比-能量平衡觀測系統(tǒng)、渦動相關儀(EC)、大孔徑閃爍儀(LAS)等。間接測定或估算方法有水量平衡法、Penman-Montieth公式、Priestley-Taylor模型、互補相關方法、作物缺水指數(shù)法等。目前，利用遙感監(jiān)測地表蒸散量的方法，概括起來可分為:(I)經(jīng)驗統(tǒng)計方法；(2)與傳統(tǒng)計算方法相結合模型；(3)基于能量平衡方程模型；(4)數(shù)值模擬以及數(shù)據(jù)同化方法。
[0006]非點源污染是相對點源污染而言，是指溶解的和固體的污染物從非特定的地點，在降水(或融雪)沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體(包括河流、湖泊、水庫和海灣等)并引起水體的富營養(yǎng)化或其它形式的污染(Novotny和Olem, 1993)。美國清潔水法修正案(1997)對非點源污染的定義為:污染物以廣域的、分散的、微量的形式進入地表及地下水體。
[0007]非點源污染根據(jù)污染物產(chǎn)生和遷移轉化過程可分為溶解態(tài)非點源污染和吸附態(tài)非點源污染。溶解態(tài)非點源污染具有水溶性，污染物伴隨水文產(chǎn)匯流過程聚集；吸附態(tài)非點源污染是指污染物吸附在土壤顆粒上，污染物匯集多受土壤侵蝕過程控制?；谏鲜鰞煞N污染物產(chǎn)生機理，將非點源污染負荷分為溶解態(tài)非點源污染負荷和吸附態(tài)非點源污染負荷分別進行計算。相關非點源污染模型包括SWAT、AWMM、新安江等國內外模型，近些年我國郝芳華等(2006)針對我國的大尺度區(qū)域特征，結合自然因子和社會因子建立了二元結構溶解態(tài)非點源污染模型。該模型綜合了物理模型和統(tǒng)計模型的優(yōu)勢，比較適合我國地形地貌特征的非點源污染負荷估算。楊勝天等(2006)以USLE 土壤侵蝕方程為基礎，建立了吸附態(tài)氮和磷流失量的估算模型，并進行了全國境內水土流失影響下吸附態(tài)氮磷流失量估算。
[0008]上述的蒸散發(fā)模型(ET)和非點源污染估算模型分別以能量或水平衡過程和以徑流過程為非點源污染負荷產(chǎn)生的基本動力過程進行蒸散發(fā)和非點源污染估算的，結合遙感和GIS空間技術可以對下墊面進行農(nóng)業(yè)種植用水和農(nóng)業(yè)區(qū)所產(chǎn)生的非點源污染進行估算。然而，系統(tǒng)的針對農(nóng)業(yè)區(qū)種植結構進行種植用水，尤其是灌溉用水估算存在明顯不足，很難揭示超采地下或過量使用河流湖泊水量。同時，對于非點源污染除則更多的是污染負荷量的估算，因為缺乏徑流量分析而難以得出單位徑流量中所含的污染物量(即評估單元非污染排放強度=非點源污染負荷/徑流量)的診斷依據(jù)。
[0009]故存在，針對不同農(nóng)業(yè)區(qū)的種植結構，不能有系統(tǒng)效地解析出農(nóng)業(yè)區(qū)不同種植結構的下墊面灌溉用水量和評估單元非污染排放強度的空間格局，面向農(nóng)業(yè)區(qū)精細化水資源環(huán)境管理具有較大的局限性。


【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明針對上述情況，提供一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法及系統(tǒng)，該方法既考慮不同種植結構的下墊面非均一性帶來的總的用水和灌溉用水差異，又考慮了不同下墊面非點源污染排放強度，能夠有效地診斷水資源環(huán)境問題。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法，所述方法包括:Si，建立蒸散發(fā)模型和產(chǎn)流模型，根據(jù)所述蒸散發(fā)模型和所述產(chǎn)流模型對農(nóng)業(yè)區(qū)用水進行診斷；S2，建立非點源污染模型，對農(nóng)業(yè)區(qū)非點源污染進行診斷；S3，根據(jù)所述農(nóng)業(yè)區(qū)用水的診斷和所述非點源污染的診斷，對農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境進行診斷。
[0012]其中，所述步驟SI具體包括:S11，建立蒸散發(fā)模型，計算農(nóng)業(yè)區(qū)的蒸散發(fā)量；S12，建立產(chǎn)流模型，計算農(nóng)業(yè)區(qū)的徑流量；S13，根據(jù)所述蒸散發(fā)量和所述徑流量，計算農(nóng)業(yè)區(qū)用水診斷值St;S14，若St< 1，則說明農(nóng)業(yè)區(qū)用水量在控制的范圍內，反之則超用。
[0013]其中，在所述步驟Sll具體包括:S111，計算植被截留蒸發(fā)量:
[0014]

【權利要求】
1.一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法，其特征在于，所述方法包括: Si，建立蒸散發(fā)模型和產(chǎn)流模型，根據(jù)所述蒸散發(fā)模型和所述產(chǎn)流模型對農(nóng)業(yè)區(qū)用水進行診斷； S2，建立非點源污染模型，對農(nóng)業(yè)區(qū)非點源污染進行診斷； S3，根據(jù)所述農(nóng)業(yè)區(qū)用水的診斷和所述非點源污染的診斷，對農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境進行診斷。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法，其特征在于，所述步驟SI具體包括: S11，建立蒸散發(fā)模型，計算農(nóng)業(yè)區(qū)的蒸散發(fā)量； S12，建立產(chǎn)流模型，計算農(nóng)業(yè)區(qū)的徑流量； S13，根據(jù)所述蒸散發(fā)量和所述徑流量，計算農(nóng)業(yè)區(qū)用水診斷值St ； S14，若St< 1，則說明農(nóng)業(yè)區(qū)用水量在控制的范圍內，反之則超用。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法，其特征在于，在所述步驟Sll具體包括: S111，計算植被截留蒸發(fā)量:
Ecan = min(Sv, ETP’，P) 其中，Sv為植被截留量
cv為植被覆蓋度，Pcum為累積降水量，Smax為林冠最大截留量，且Smax =0.935+0.498XLA1-0.00575 X LAI2 ； η 為校正系數(shù)，η = 0.046 X LAI，ΕΤΡ’ 為潛在蒸散發(fā)量，P為降水量，LAI為葉面積指數(shù)； S112，計算植被蒸騰量:
Eat = (LAI) X f2 ( θ ) X (RDF) X (ETP，-EcJ 其中，RDF為根系分布函數(shù)A(LAI)為蒸騰對植被葉面積的依賴度，f2( Θ )為根系層土壤水分函數(shù)；(ETP’ -Ecan)為扣除林冠截留量后的最大蒸發(fā)能力。 S113，計算土壤蒸發(fā)量:
Es = ΕΤΡ，X f3 ( θ ) + (ETP，-Eat-ETp' X f3 ( θ )) X f4 ( θ ) X (U1 (LAI)) 其中，f3(0)為，f4(e)為； S114，計算所述農(nóng)業(yè)區(qū)的蒸散發(fā)量:
ET = Ecan+Eat+Eso
4.根據(jù)權利要求2所述的一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法，其特征在于，所述步驟S12具體包括: S121，計算地表徑流量:
其中，AWu為表層土壤濕度，WMu為表層土壤飽和含水量，P’為有效降雨量，gl為土壤飽和后徑流系數(shù)，g2為土壤水影響系數(shù)0〈gl〈l，Kg2 ；C為覆被影響參數(shù)； S122，計算表層壤中流量:Rss = AWu.Kr.Thick， 其中，AWu為表層土壤含水量，Kr為土壤水出流系數(shù)；Thick為表層土壤厚度； S123，計算深層壤中流:
Rds = AWd.Kd.Thick—s 其中，AWd為深層土壤含水量，Kd為深層土壤徑流出流系數(shù)，Thick_s為深層土壤厚度； S124,計算地下徑流:
Rg = Affg.Kg.Thick_g 其中，AWg為地下層含水量，Kg為地下徑流出流系數(shù)，Thick_g為地下層土壤厚度； S125,計算所述農(nóng)業(yè)區(qū)的徑流量:R= Rs+Rss+Rsd+Rg。
5.根據(jù)權利要求2所述的一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法，其特征在于，所述步驟S13具體包括: S131，建立降水平衡公式:
P = ETP+R+ Δ Aff, 式中，ETp為降水中用于蒸散發(fā)部分的量，R為徑流量，AAW為土壤濕度增加量； S132，計算農(nóng)業(yè)區(qū)總用水量:
W = ffj+ffp 其中，W1 = ET-ETp = ET+R-P, W1為灌溉用水量，ET為農(nóng)業(yè)區(qū)的蒸散量，Wp為因種植污染等級為劣III類水量， S133，根據(jù)所述農(nóng)業(yè)區(qū)總用水量計算農(nóng)業(yè)種植用水診斷值:
st = (W^ffp)Zffs 其中，WsS可供用水量。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括: S21，計算溶解態(tài)非點源污染的值:
其中，C為污染負荷，i為溶解態(tài)污染類型,η為類型數(shù)；Qi為污染源強；k為地面沖刷系數(shù)；Rci為標準雨強，ε為徑流系數(shù)，ε ^為標準徑流系數(shù)，Ni為自然因子修正系數(shù)；Si為社會因子修正系數(shù)； S22，計算吸附態(tài)非點源污染的值:
Ca = X.Qa.τ 式中，X為土壤侵蝕量；Qa為流失土壤中的氮磷污染物背景含量；τ為吸附態(tài)污染物富集系數(shù)； S23，計算非點源污染量的值:
NP = C+Ca S24，計算子區(qū)域水環(huán)境的診斷值=S1 = NP1A1，其中，I為自然數(shù)，表示第I個子區(qū)域； S25，計算所述農(nóng)業(yè)區(qū)的水環(huán)境的診斷值:
S = Σ S1O
7.根據(jù)權利要求6所述的一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷方法，其特征在于，所述污染源強的計算如下: S71，計算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的污染源強:
其中，X為農(nóng)田類型，η為農(nóng)田類型數(shù)，y為農(nóng)田污染物指標類型，m為農(nóng)田染物指標類型的類型數(shù)，A為農(nóng)田面積，《xy為各種作為不同污染物指標的源強系數(shù)，M為修正系數(shù)；S72，計算畜禽養(yǎng)殖污染源強:
其中，h為畜禽養(yǎng)殖類型，nn為畜禽養(yǎng)殖類型數(shù)，k為畜禽養(yǎng)殖污染物指標類型，mm為畜禽養(yǎng)殖污染物指標類型數(shù)，C為畜禽數(shù)量，D為不同畜禽類型飼養(yǎng)周期，kh為不同畜禽類型糞便排泄指數(shù)，Qhk為不同畜禽類型不同污染物指標的源強系數(shù)；Jlhk為不同畜禽類型不同污染物指標的流失率； S73，計算農(nóng)村居民點的污染源強:
其中，f為污染物指標類型，mn為類型數(shù),P。為鄉(xiāng)村人口數(shù)量，Qf為不同污染物指標的源強系數(shù)； S74，計算城鎮(zhèn)居民點的污染源強:
其中，g為污染物指標類型，nm為類型數(shù),Pd為城鎮(zhèn)人口數(shù)量，ω8為不同污染物指標的源強系數(shù)； S75，計算所述農(nóng)業(yè)區(qū)的污染源強:Q = Qa+Qb+Qc+Qd。
8.一種農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)包括: 農(nóng)業(yè)區(qū)用水診斷模塊，用于建立蒸散發(fā)模型和產(chǎn)流模型，根據(jù)所述蒸散發(fā)模型和所述產(chǎn)流模型對農(nóng)業(yè)區(qū)用水進行診斷； 農(nóng)業(yè)區(qū)非點源污染診斷模塊，用于建立非點源污染模型，對農(nóng)業(yè)區(qū)非點源污染進行診斷； 農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境診斷模塊，根據(jù)所述農(nóng)業(yè)區(qū)用水的診斷和所述非點源污染的診斷，對農(nóng)業(yè)區(qū)水資源環(huán)境進行診斷。
【文檔編號】G06F19/00GK104200080SQ201410418833
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權日:2014年8月22日
【發(fā)明者】王樹東, 張立福, 曾紅娟, 王玉娟, 吳太夏, 劉佳, 楊邦會, 王曉華, 曹秀麗 申請人:中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所