[发明专利]一种基于GIS的分布式稻田氮素径流流失负荷估算方法

摘要

本发明涉及一种分布式稻田氮素径流流失负荷估算方法，其步骤包括1）研究区域基础资料搜集收集研究区域日降雨量、蒸发量及研究区域的行政区划图、土地利用图和土壤图；2）施肥及田间水分管理基础数据调查；3）相关空间分布栅格图层生成；4）不同土壤类型下稻田田面水氮素浓度动态变化规律测算；对不同壤类型和不同施肥水平下的稻田田面水进行动态监测，并计算其拟合方程参数；5）稻田氮素径流流失负荷计算，包括水量平衡模块、初始浓度计算模块和负荷输出模块三个部分。本方法能反映出非点源产排污系数的时空变化，且所需的基础资料和参数相对较少，模型构建较容易，运行效率较高。

主权项

一种基于GIS的分布式稻田氮素径流流失负荷估算方法，其特征在于包括如下步骤：1)研究区域基础资料搜集收集研究区域内研究时间范围内的不同气象站点的日降雨量、蒸发量及研究区域的行政区划图、土地利用图和土壤图；2)施肥及田间水分管理基础数据调查根据预先制定的实地调查和空间分析方案，在研究区域开展施肥及田间水分管理基础数据调查，调查内容包括稻田氮肥施用量、施肥时间、不同田块稻田排水口高度和田面水高度；3)相关空间分布栅格图层生成根据步骤2)中的调查结果，确定研究区域的稻田施肥时间、稻田排水口高度和田面水高度的概率分布函数，并在GIS中分别生成符合各自概率分布函数的随机栅格图层；同时，对步骤2)中得到的不同调查点位的氮肥施用量进行空间插值，得到氮肥施用量的空间分布栅格图层；4)不同土壤类型下稻田田面水氮素浓度动态变化规律测算选择该地区所有水稻土亚类中所占比例最大的土种作为代表该类型水稻土的试验土壤，各土种分别建立试验小区，按照预先制定的氮素浓度监测分析方案，定期对不同氮肥施用量下的各试验小区中田面水所含氮素浓度进行取样分析；获得稻田田面水氮素浓度动态变化数据后，分别对不同土壤亚类下的污染物浓度数据进行拟合，拟合方程如下：式中：n为降雨距离施肥的天数，单位为d；—第n天降雨开始时水稻田表水层的氮素浓度，单位为mg/l；F为氮肥施用量，单位为kg/hm2；a、b、k、c为常数；5)稻田氮素径流流失负荷计算稻田氮素径流流失负荷计算以栅格为计算基本单元，将不同栅格图层的对应栅格值按日步长进行迭代运算；每次迭代均包含水量平衡、初始浓度计算和负荷输出模块三个部分，各模块均以第n‑1天的各个参数作为第n天的输入数据，结合第n天的降雨量、蒸发量数据，按照模块内预设的公式计算第n天的各个参数，并生成包含新值的栅格图层，其对应的栅格值又作为第n+1天的各个公式的输入数据，依次循环，直至计算结束；第1日的计算以步骤 1)中的各种基础资料和步骤3)中得到栅格图层为当日计算公式的输入数据；所述的水量平衡模块、初始浓度计算模块和负荷输出模块内预设的公式如下：5.1水量平衡模块：水量平衡的各计算公式如下：径流量：当时，当时，灌溉水量：当时，当时，田面水初始高度：当n＝0时，Hn+1＝H0当n>0时，式中：Hmax为稻田排水口高度，单位为m；Hmin为农事管理中稻田最低水深，取值为2，单位为m；Hn为第n天田间田面水初始高度，单位为m；为第n天降雨量，单位为m；为第n天径流水深，单位为m；为第n天蒸发量，单位为m；为第n天灌溉水深，单位为m；Hn+1为第n+1天田面水初始高度，单位为m；H0为初始田面水高度，单位为m；5.2初始浓度计算模块：各栅格单元按照对应规则，利用步骤4)中对应的拟合方程计算第n天降雨开始时水稻田表水层的氮素浓度5.3负荷输出模块第n天的稻田径流流失量计算公式如下：式中：Qn—稻田污染物流失量，单位为g；A—稻田面积，单位为m2；—第n天降雨开始时水稻田表水层的氮素浓度，单位为mg/l；Hn—第n天田面水初始高度，单位为m；为第n天径流水深，单位为m；为第n天雨水中污染物浓度，取值为1，单位为mg/l；Hmax为稻田排水口高度，单位为m；施肥后n天内累计负荷计算公式如下式中：Q为为施肥后n天内累计负荷流失量，单位为g。