一種農藥面源污染的模擬與評估方法與流程

本發明涉及水文與環境技術領域，特別涉及一種農藥面源污染的模擬與評估方法。

背景技術：

近年來，由于人們越來越關注水環境安全，和水環境相關的農藥面源污染也引起了一些學者的重視。農藥面源污染是流域非點源污染的重要組成部分，其對人類健康、水環境、土壤和生物的危害最為嚴重。我國是世界上農藥使用量最大的國家。據統計，中國農藥年施用量達130多萬噸，而利用率僅為30％左右，約70％的農藥以大氣沉降和雨水沖刷的形式進入到土壤、水體、大氣和農作物中，造成地表水、土壤和地下水污染。

一般來說，農藥面源污染物在自然水體環境中的產生、遷移及輸出過程的研究鮮有報道。目前，酶聯免疫法、色譜快速檢測法、氣相色譜和質譜聯用是監測農藥殘留的重要方法，生物降解、吸附和光降解方法是研究農藥在自然界水體中遷移與消亡規律的主要方法。然而，確定水體中農藥濃度水平的實驗程序總是耗時和昂貴的，且很難準確的區分具有相似物理化學性質屬性的農藥品種。

國內研究多集中在高殘留的有機氯農藥和施用量大、毒性強的有機磷農藥的檢測方法的構建、以及蔬菜水果作物中的農藥殘留分析方面，在區域范圍對農藥隨降雨徑流的流失過程研究甚少；并且對田間尺度的農藥徑流流失過程進行研究時，很少把整個區域作為一個完整的生態系統(包括大氣圈、土壤圈、作物、地表徑流和地下水)進行綜合考慮。因此，需要尋求快速、高效和低消耗的分析方法來探索和定量分析這些污染物在水環境中的遷移和輸出規律。在應用模型對農藥在土壤亞表面環境遷移轉化的模擬研究過程中，國外的學者已經做出了相當大的努力，并且在過去的三十年中，已經開發出了一些分析和數值模擬農藥遷移模型。對于分析模型，模型通常需要較少的數據輸入，且能提供連續的和精確的封閉形式的解，這就便利了計算機應用。但是，為了得到解析解，需要設置過多的假定條件以便簡化初始和邊界條件、水流條件、灌溉方法、以及農藥的物理與生物化學過程，且已有的農藥遷移分析模型不能夠解釋這些重要因子相互關聯的過程。相比之下，數值模擬模型能夠處理復雜的水流運動和污染物遷移問題(如不同的初始和邊界條件，非穩態流動，生物化學動力學特性，非均勻介質和時變農藥屬性參數)。

技術實現要素：

本發明實施例提供了一種農藥面源污染的模擬與評估方法，用以解決現有技術中存在的問題。

一種農藥面源污染的模擬與評估方法，所述方法包括：

搜集研究地區的氣象、地形、土壤、土壤質地、作物、農藥施用、灌溉、葉面積指數、水文水力和水質空間屬性數據，根據模型需求進行參數估算，使用估算得到的數據構建環境數據庫；

利用所述環境數據庫中的數據建立農藥綜合運移模型和作物需水模型，使用農藥綜合運移模型模擬黃土丘陵區作物地農藥面源污染的時空分布、徑流與侵蝕輸出量，根據所述作物需水模型模擬得到的作物灌溉需水量，分析與評價降雨和灌溉變化條件下農藥面源污染物在農業用地土壤亞環境系統中的時空分布與運移規律。

優選地，所述農藥綜合運移模型的表達式為：

式中：C是溶解項農藥污染濃度；θ是體積含水量；K_H是無量綱的亨利定律常數；t是時間；z是土壤深度；E_g是氣相擴散系數；E_l是溶解相擴散系數；q是水流量；K_S是一階降解速率常數；r是農藥徑流率，農藥侵蝕率，植物根部農藥吸收率；M是農藥負荷相。

本發明的有益效果在于：本發明從農藥面源污染的產生、發展和運移過程出發，建立適合黃土丘陵區的、考慮作物需水量變化、具有物理機制的不同作物用地農藥運移與分布的動態模擬方法，估算降雨和灌溉條件下農藥面源污染時空分布、徑流和侵蝕輸出量，揭示不同參數(農藥屬性、農藥施用方式、農業耕作措施、水文地質、水動力條件、土壤和下滲區的水力傳導性能等)對農藥在地表徑流、土壤和地下水中運移的影響規律。以期為農業用地制定科學合理的農藥施用方式、灌溉模式和面源污染控制措施提供科學的理論依據和重要的數據參考。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種農藥面源污染的模擬與評估方法中冬小麥灌溉制度設計示意圖；

圖2為研究區日降水量示意圖；

圖3為第一種農藥施用方法示意圖；

圖4為第二種農藥施用方法示意圖；

圖5為冬小麥農藥在0.005-0.035m深土壤中的時空分布；

圖6為冬小麥農藥在0.035-0.185m深土壤中的時空分布；

圖7為冬小麥農藥在0.235-0.385m深土壤中的時空分布；

圖8為不同農藥施用下0.005-0.085m深土壤中的時空分布；

圖9為不同農藥施用下0.185-0.335m深土壤中的時空分布；

圖10為農藥施用與灌溉相結合時農藥在0.005-0.035m深土壤中的時空分布；

圖11為農藥施用與灌溉相結合時農藥在0.085-0.235m深土壤中的時空分布；

圖12為農藥施用與灌溉間隔30天時農藥在0.005-0.035m深土壤中的時空分布；

圖13為農藥施用與灌溉間隔30天時農藥在0.085-0.235m深土壤中的時空分布；

圖14為灌溉時間對不同深度土壤農藥濃度的影響示意圖；

圖15為使用最佳灌溉方法時農藥在0.005-0.035m深土壤中的時空分布；

圖16為使用最佳灌溉方法時農藥在0.085-0.235m深土壤中的時空分布。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明實施例提供了一種農藥面源污染的模擬與評估方法，該方法包括：

第一步驟，搜集研究地區的氣象、地形、土壤、土壤質地、作物、農藥施用(農藥種類、施用量、施用時間、施用方式)、灌溉(灌溉量、灌溉時間、灌溉模式)、葉面積指數(LAI)、水文水力、水質等空間和屬性數據，根據模型需求進行參數估算，使用估算得到的數據構建環境數據庫；

第二步驟，利用所述環境數據庫中的數據建立農藥綜合運移模型和作物需水模型，使用農藥綜合運移模型模擬黃土丘陵區作物用地農藥面源污染的時空分布、徑流與侵蝕輸出量，根據所述作物需水模型模擬得到的作物灌溉需水量，分析與評價降雨和灌溉變化條件下農藥面源污染物在農業用地土壤亞環境系統中的時空分布與運移規律。

下面結合具體實例對本發明的技術方案進行詳細說明：

1、研究區概況

研究區位于陜西楊凌渭河三道臺塬地區，東經108°248，北緯34°20緯，海拔521m，所處地理位置屬于暖濕帶季風半濕潤氣候區，年降水量635.1～663.9毫米，年均氣溫12.9℃。地下水埋藏較深，其向上補給量可以忽略不計。土壤質地為中壤土，1m土層的平均田間持水量為24％，凋萎含水量為8.5％(以上均為重量含水量)，平均干容重為1.44g.cm^-3。

2、農藥運移模型

農藥綜合運移模型(IPTM-CS)開發是基于時間連續和空間離散(TC-SD)的模型，可以模擬作物-土壤系統一維、三相(溶解的、吸附的和氣態的)的農藥運移過程。在模擬過程中模型考慮對流、擴散(彌散)、吸附作用、蒸發、氣液二相之間的線性平衡分割、降解、植物根系在下滲區的吸收、地表徑流和土壤侵蝕、農藥施用方法和灌溉模式對農藥運移的影響。一維三相農藥運移過程方程可表示為：

式中：C是溶解項農藥污染濃度(M/L³)；θ是體積含水量(L³/L³)；K_H是無量綱的亨利定律常數；t是時間(T)；z是土壤深度(L)；E_g是氣相擴散系數(L²/T)；E_l是溶解相擴散系數(L²/T)；q是水流量(L/T)；K_S是一階降解速率常數(1/T)；r是農藥損失率(1/T)；M是農藥負荷相(M/L³/T)。

結合初始和邊界條件，應用時間上連續、空間上離散的半離散方法可以將一維三相農藥運移過程方程解出。對于間歇和連續的農藥輸入，其常微分方程可表示為：

間歇式輸入：

連續式輸入：

3、灌溉需水量計算

由于灌溉用水量一般比較大，對土壤中農藥分布影響較為密切，所以對灌溉制度的確定非常重要。作物的灌溉制度是在作物播種前和全生育期內的灌水次數，以及每次灌水的灌水日期、灌水定額和灌溉定額。在一般的農田灌溉設計或管理中，常用到的灌溉制度確定方法有：一，依據群眾豐產的灌水經驗，確定作物灌溉制度；二，依據灌溉試驗資料制定灌溉制度；三，依據水量平衡原理分析制定作物灌溉制度。

在氣象資料、土壤資料和作物資料已知的情況下，就可以通過水量平衡原理推求作物的灌溉制度，這里以楊凌地區的相關資料為例，推求冬小麥的灌溉制度。

(1)冬小麥作物蒸發蒸騰量確定

冬小麥一般于當年10月份播種，在來年6月份成熟，氣象資料選取西北農林科技大學灌排站氣象觀測站2010年10月1日至2011年9月30日(365d)的測量數據(見圖2)，采用Penman-monteith公式計算各月的ET₀，具體公式如下：

式中：ET₀是參照騰發速率(mm/d)；R_n是作物表面上的凈輻射(MJ/m²·d)；G是土壤熱通量(MJ/m²·d)；T是2米高處日平均氣濕(℃)；u₂是2米高處的風速(m/s)；e_s是飽合水汽壓(kPa)；e_a是實際水汽壓(kPa)；e_s-e_a是飽和水汽壓差(kPa)；Δ是飽和水汽壓曲線的傾率；γ是濕度計常數(kPa/℃)

根據氣象資料，通過彭曼公式以一個月為步長確定參考作物蒸發蒸騰量。認為灌區內僅種植冬小麥，不考慮復種，實際作物蒸發蒸騰量由作物系數乘以參考作物蒸發蒸騰量得出。具體冬小麥作物系數、生育期劃分以及蒸發蒸騰量見表1。

表1冬小麥各生育期劃分及所需灌溉水量

(2)灌溉制度

冬小麥的灌溉制度由以下水量平衡方程式確定，具體灌溉制度見圖1。

W_t-W_o＝W_T+P_o+K+M-ET

式中：W_t和W_o分別為時段末與時段初的土壤計劃濕潤層內的儲水量(mm)，W_T為由于計劃濕潤層增加而增加的可利用水量(mm)，P_o為土壤計劃濕潤層內保存的有效降水量(mm)，K為地下水補給量，由于灌區地下水埋深大于10m,故本次計算忽略地下水補給對土壤計劃濕潤層內的有效含水量的影響，M為時段內的灌溉水量(mm)，ET為作物各生育階段的需水量(mm)。

由灌溉制度設計示意圖可以得出冬小麥的灌溉制度為灌溉次數：2次，第一次，1月23日，灌水定額187.4mm第二次，4月11日，灌水定額207.2mm。

4、模型參數估算

以楊凌地區冬小麥作為研究作物，進行農藥綜合模擬運移需要氣象、土壤屬性、農藥參數和施用方式、作物特征、水文、水力等資料，例如圖2。選擇粉銹寧作為代表性農藥進行模擬，其施用時間和施用量，組合選擇了兩種不同農藥施用方案，具體見圖3和圖4。劃分土壤空間結構參數：①假定表面區為一個單元格，其土層厚度為0.01m；②假定冬小麥根區厚度為50cm，等分為10個單元格，每個單元格厚度為0.05cm；③下滲區劃分為10個單元格，每個單元格的厚度為20cm，總厚度為2m。由以上分析和相關研究和資料確定模型的各個參數值見表2。

表2楊凌地區土壤、水文水力和粉銹寧屬性等參數

5、冬小麥農藥的時空分布

由圖5-7農藥運移模擬結果可以發現：

(1)表層(0.005m)的農藥運移直接受農藥施用的影響，其農藥濃度增長速度快，峰值達到了1.5(mg/L)，并在灌溉的作用下衰減很快。其下層土壤(0.035m)的農藥運移由于其深度相對增加，所以農藥濃度增長有了明顯延時，最后兩次間隔時間不長的農藥施用產生的效果轉化為一個峰值，且相比于0.005m，其峰值為0.026(mg/L)，衰減了近60倍。

(2)從表層(0.085m)開始，農藥運移由于深度進一步加深，其濃度基本僅受灌溉影響，并伴隨一個緩慢的濃度衰減過程。0.085m深處農藥濃度峰值和0.035由灌溉引起的峰值相當，從0.135m開始土壤中農藥濃度加倍衰減，到0.285m處已經不足0.002(mg/L)。

(3)由于灌溉水量引起的大量滲透水和深層滲漏的存在，上層的農藥迅速向下滲漏，反而導致該層土壤農藥濃度急劇上升，其值遠超過該土壤本身農藥濃度，甚至對于該層土壤，這成為該層土壤農藥濃度上升的原因。

6、不同農藥施用下農藥的時空分布

由圖8-9可以看出，0.005m處的農藥運移依舊與農藥施用時間直接相關，并且農藥濃度增速快衰減慢，受灌溉影響顯著；0.035m處的農藥依舊有延時效應，峰值濃度與0.005m相差大約11倍；0.085m及以下深度農藥濃度增長主要受灌溉影響。總體而言，農藥運移規律大體一致，并且可以認為相對于降雨，灌溉是影響不同深度土壤農藥運移的主要因素。

7、不同灌溉下農藥的時空分布

由以上模擬可以看出灌溉對于0.085m及以下深度的土壤濃度影響比較明顯，且是該深度下土壤農藥濃度增長的核心因素，所以通過研究灌溉時間與農藥施用時間的關系，來研究怎樣的灌溉時間才能使土壤農藥濃度最小，進而提出一個環保性的灌溉時間。對此，采用農藥使用量比較高的第一種農藥施用方案為例，研究單次農藥施用和單次灌溉對農田土壤中農藥濃度變化的規律。

8、農藥施用與灌溉結合

由圖10-11可以看出，對于0.005m深度的土壤，農藥濃度到達峰值后由于灌溉沖洗而急劇降低，而對于0.035m深度的土壤，其峰值也迅速到達了0.07(mg/L)，而對于0.085m深度的土壤，受灌溉影響其土壤農藥濃度立即迅速達到0.07(mg/L)，這種情況下土壤農藥污染嚴重，應當避免發生。

9、農藥施用與灌溉間隔30天

由圖12-13可以看出，在灌溉推遲30以后，可以看出0.035m及以上土壤中農藥濃度受灌溉影響不大，基本是隨時間自行衰減，而0.085m-0.235m土壤中農藥基本由灌溉引起，不過因為灌溉時間推遲時間長，所以表層農藥濃度含量已經比較低，此時峰值濃度只在0.01mg/L左右。分析不同的灌溉時間對不同深度土壤農藥濃度的影響(見圖14)，可以發現0.085m-0.1855m深度出土壤農藥濃度隨灌溉時間推遲近似為指數函數降低的特征(相關系數R²分別為0.998、0.989、0.930)，所以土壤中農藥濃度隨著灌溉時間的推遲，有著剛開始效果明顯，后效果不明顯的特征，但由于灌溉推遲對于作物生長可能帶來很多不利因素，所以除了從推遲灌溉時間的方法上，還可以從灌溉方式上找到對土壤農藥污染影響最小的方法。

10、最佳灌溉方法和時間安排

考慮到灌溉為一次性向農田里灌溉大量的水，致使表層農藥迅速向下層擴散，使得該層土壤中農藥濃度急劇升高，所以為了減少灌溉對土壤農藥污染的影響，除了考慮推遲灌溉時間，還可以將灌溉分散化，即將灌溉分為多次多天灌完。經過對一系列灌溉方法的比較，最終確定將灌水定額分為5次進行，每次間隔1天，可以使土壤農藥污染程度最小，見圖15-16。

根據圖15-16可以看出，將灌水定額分次間隔進行后，因為單次的灌水量少，所以由灌溉帶入深層土壤的農藥變得不明顯，0.085m及以下土壤農藥濃度主要由后期的降雨引起，并且峰值不超過0.0025mg/L，與之對應的是表層0.005m處農藥被沖刷也不明顯。同時，0.035m深度土壤中的農藥濃度為0.026mg/L左右，這也是通過推遲灌溉時間而使得該層土壤農藥濃度所能降到的最低值。所以可以認為，將一次灌水定額分為5次進行，每次間隔1天，可以有效的防治表層農藥滲入下層，造成深層土壤污染。

11、農藥分布規律

土壤中農藥殘留取決于降雨強度和歷時、農藥施用模式和農田灌溉方式，其中灌溉對農藥殘留濃度變化最為顯著；不同深度土壤的農藥濃度變化趨勢不同，0.035m及以下深度土壤農藥濃度變化有明顯延時，且受灌溉影響最為密切；農藥濃度隨著土壤深度迅速衰減，在正常條件下0.5m及以下深度的土壤農藥濃度可以忽略不計。

12、農藥運移模擬方法

根據已知的氣象、降雨、土壤和作物相關系數等參數，結合農藥的參數和施用方法，利用IPTM-CS軟件，可以數值模擬出不同深度下土壤中農藥濃度的變化過程，這對于土壤農藥污染的情況預測有很大的指導作用，這可以通過改變不同的參數，來預測不同作物、不同地區的農藥污染情況，起到控制污染不超標的作用。

13、農田管理制度

不同深度土壤的農藥濃度受灌溉和農藥施用時間影響比較大，所以通過研究灌溉時間與農藥施用時間的關系，來研究怎樣的灌溉時間才能使土壤農藥濃度最小，進而提出一個環保性的灌溉時間。認為在本次實驗條件下，灌溉時間推遲時間越久對土壤農藥污染程度越小，但以不影響作物正常生長為前提；當將一次灌水定額分為5次進行，每次間隔1天，可以有效的降低深層土壤污染。這可以指導農民選擇合理的灌溉時間和農藥施用時間。

本領域內的技術人員應明白，本發明的實施例可提供為方法、系統、或計算機程序產品。因此，本發明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的計算機程序產品的形式。

本發明是參照根據本發明實施例的方法、設備(系統)、和計算機程序產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

盡管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例做出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。