流域尺度地下水向地表水氮輸運阻斷優(yōu)先控制區(qū)劃分方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種流域尺度地下水向地表水氮輸運阻斷優(yōu)先控制區(qū)劃分方法，屬于 水環(huán)境科學和水資源管理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 氮在自然界廣泛存在，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要肥料，人類W及動、植物生長、生存的基 本營養(yǎng)元素。伴隨著農(nóng)業(yè)活動、工業(yè)活動廣度和強度的快速發(fā)展，人類向環(huán)境中輸入氮的當 量日益增加，水環(huán)境氮污染問題已成為全球性環(huán)境問題，尤W我國為重。
[0003] 通過地下水向地表水體排氮是一種重要而又被忽略的氮污染途徑。已有研究表 明，地下水所攜帶的氮污染物可能占河流或湖泊氮污染物總量的相當大的比例。密西西比 河所攜帶的硝酸鹽70% W上來自地下水，依阿華州Raccoon河年徑流總量的60 %和硝酸鹽 總量的65% W上均來自地下水。據(jù)估算，在我國沙穎河流域，2010年由地下水進入地表水中 的硝酸鹽達3.06萬噸，占進入地表水硝酸鹽總量的40%左右。顯然，從水循環(huán)角度有效控制 地下水中的氮向地表水排泄是地表水氮污染控制的關(guān)鍵問題，而如何從流域尺度識別出地 下水向地表水排氮的高風險區(qū)域，即地下水向地表水氮輸運阻斷的優(yōu)先控制區(qū)，則是阻控 地下水向地表水排氮的難點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種流域尺度地下水向地表水氮輸運阻 斷優(yōu)先控制區(qū)劃分方法，該方法為流域尺度下的優(yōu)先控制區(qū)劃分方法?？急景l(fā)明認為優(yōu)先 控制區(qū)應(yīng)同時具備如下條件：（1)地下水與地表水具有水力聯(lián)系，存在向地表水的排泄途 徑；（2)地下水氮污染程度較高，地下水有氮可排；（3)地下水遭受氮污染的風險較高，對氮 污染的凈化能力差，容易積累氮。本發(fā)明彌補了現(xiàn)有技術(shù)忽略氮污染隨地下徑流進入地表 水體運一過程造成的不足，解決了 "如何從流域尺度對地下水向地表水排氮的高風險區(qū)域 進行識別和等級劃分"運一問題。
[0005] 本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供了一種流域尺度地下水向地 表水氮輸運阻斷優(yōu)先控制區(qū)劃分方法，包括W下步驟：
[0006] 步驟1、根據(jù)地下水與地表水的相互作用關(guān)系，初步確定研究區(qū)內(nèi)的優(yōu)先控制區(qū)識 別祀?yún)^(qū)：根據(jù)流域地下水源、匯區(qū)分布和地下水、地表水水位W及水文地質(zhì)條件，確定可能 存在地下水向地表水排泄的區(qū)域，所述區(qū)域即優(yōu)先控制區(qū)識別祀?yún)^(qū)；
[0007] 步驟2、在優(yōu)先控制區(qū)識別祀?yún)^(qū)內(nèi)，對地下水氮污染等級進行劃分，形成地下水氮 污染等級分區(qū)圖，W反映地下水氮污染程度；
[000引步驟3、在優(yōu)先控制區(qū)識別祀?yún)^(qū)內(nèi)，進行地下水氮污染特殊脆弱性等級劃分，得到 地下水氮污染特殊脆弱性等級分區(qū)圖，W反映地下水遭受氮污染的風險；
[0009]步驟4、基于GIS技術(shù)，將地下水污染等級分區(qū)圖與地下水氮污染特殊脆弱性等級 分區(qū)圖進行圖層疊加，對兩圖層疊加所形成的各多邊形小區(qū)域，根據(jù)防控時間與防控方法 上的不同，按照地下水氮污染程度越嚴重、地下水遭受氮污染的風險越高，則越優(yōu)先治理的 原則，在確定的優(yōu)先控制區(qū)識別祀?yún)^(qū)內(nèi)，進一步劃分地下水向地表水氮輸運阻斷的優(yōu)先控 制區(qū)等級，得到地下水向地表水氮輸運阻斷的優(yōu)先控制區(qū)等級分區(qū)圖。
[0010] 步驟1中，所述根據(jù)流域地下水源、匯區(qū)分布和地下水、地表水水位W及水文地質(zhì) 條件，確定可能存在地下水向地表水排泄的區(qū)域，具體包括W下過程：比較各區(qū)域地下水、 地表水水位W及水文地質(zhì)條件，圈畫地下水水位高于地表水水位所在區(qū)域，根據(jù)水文地質(zhì) 條件，確定區(qū)域源、匯區(qū)分布;從圈畫區(qū)域中除去流域尺度上的源區(qū)區(qū)域，剩余區(qū)域即為可 能存在地下水向地表水排泄的區(qū)域。
[0011] 所述比較各區(qū)域地下水、地表水水位，選取枯水期、平水期、豐水期=水文期水位 分別進行對比。
[0012] 步驟2中，所述在優(yōu)先控制區(qū)識別祀?yún)^(qū)內(nèi)，對地下水氮污染等級進行劃分，形成地 下水氮污染等級分區(qū)圖，具體包括W下過程:選取氮污染物:硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮中的 一種或一種W上作為指標;根據(jù)地下水水質(zhì)調(diào)查分析資料或水質(zhì)監(jiān)測資料獲取氮污染物含 量，根據(jù)《GB/T 14848-93地下水質(zhì)量標準》，對各項氮污染指標分別進行評價，形成各項氮 污染物的污染等級分區(qū)圖；對于優(yōu)先控制區(qū)識別祀?yún)^(qū)內(nèi)的各個區(qū)域，取各項氮污染物污染 等級的最高值為該區(qū)域最終的氮污染等級，形成地下水氮污染等級分區(qū)圖。
[0013] 步驟3中，所述在優(yōu)先控制區(qū)識別祀?yún)^(qū)內(nèi)，進行地下水氮污染特殊脆弱性等級劃 分，得到地下水氮污染特殊脆弱性等級分區(qū)圖，具體包括W下步驟：
[0014] (3-1)根據(jù)鉆孔、經(jīng)驗值或野外抽水試驗結(jié)果獲取地下水氮污染特殊脆弱性評價 指標和參數(shù)；
[0015] (3-2)基于層次分析法，對兩兩指標的重要性進行比較，W確定各指標權(quán)重值：
[0016] (3-3)檢驗指標權(quán)重值合理性:基于層次分析法根據(jù)指標權(quán)重值構(gòu)造評價指標權(quán) 重判斷矩陣，計算評價指標權(quán)重判斷矩陣的一致性比率CR,若該矩陣的一致性比率CR< 0.1，則指標權(quán)重分配合理;否則若CR > 0.1，則改變指標權(quán)重值，調(diào)整判斷矩陣，直至取得滿 意的一致性比率；
[0017] (3-4)分別獲取各脆弱性評價指標獨立評價結(jié)果；
[0018] (3-5)根據(jù)所述權(quán)重值和各評價指標獨立評價結(jié)果獲取地下氮污染特殊脆弱性指 數(shù)，按特殊脆弱性指數(shù)，將研究區(qū)特殊脆弱性等級由低到高進行分級。
[0019] 步驟3中，所述地下水氮污染特殊脆弱性指標包括固有脆弱性指標和特殊脆弱性 指標，其中固有脆弱性指標包括地下水埋深、凈補給量、含水層介質(zhì)、±壤類型、地形坡度、 包氣帶介質(zhì)和水力傳導系數(shù)中的一種或一種W上，特殊脆弱性指標包括±地利用類型、地 下水開采量、河網(wǎng)密度中的一種或一種W上。
[0020] 步驟4劃分地下水向地表水氮輸運阻斷的優(yōu)先控制區(qū)等級之后，根據(jù)W下方法中 的一種或一種W上對劃分結(jié)果進行驗證：（a)根據(jù)皮爾森相關(guān)系數(shù)進行驗證；（b)根據(jù)示蹤 實驗進行驗證；（C)通過分析典型區(qū)實際情況對結(jié)果進行驗證。
[0021] 所述根據(jù)皮爾森相關(guān)系數(shù)進行驗證，具體為計算各單點氮污染物濃度與和對應(yīng)的 地下水氮污染特殊脆弱性指數(shù)的皮爾森相關(guān)系數(shù)P，根據(jù)所述相關(guān)系數(shù)確定評價的合理性。
[0022] 所述根據(jù)示蹤實驗進行驗證包括W下過程:在待驗證水力聯(lián)系的兩處地方中的一 處投放示蹤劑，另一處接收所述示蹤劑;根據(jù)接收的示蹤劑獲取顯示首次到達時間的示蹤 曲線，根據(jù)所述示蹤曲線的對稱性確定評價的合理性。
[0023] 所述通過分析典型區(qū)實際情況對結(jié)果進行驗證包括W下過程：了解典型區(qū)實際情 況;對比該區(qū)地下水-地表水氮污染阻斷優(yōu)先控制區(qū)劃分結(jié)果;根據(jù)二者間匹配度，論證其 合理性。
[0024] 本發(fā)明基于其技術(shù)方案所具有的有益效果在于：
[0025] (1)本發(fā)明的流域尺度地下水向地表水氮輸運阻斷優(yōu)先控制區(qū)劃分方法，在步驟1 利用地下水與地表水的相互作用關(guān)系參與識別優(yōu)先控制區(qū)識別祀?yún)^(qū)，其必要性和作用主要 在于:優(yōu)先控制區(qū)作為地下水向地表水排氮的高風險區(qū)域，其必然是存在地下水向地表水 排泄的區(qū)域，對地下水和地表水相互作用關(guān)系的研究是識別優(yōu)先控制區(qū)的基礎(chǔ)，且由此可 大大減少優(yōu)先控制區(qū)后續(xù)劃分工作的任務(wù)量；
[0026] (2)本發(fā)明的流域尺度地下水向地表水氮輸運阻斷優(yōu)先控制區(qū)劃分方法，通過識 別優(yōu)先控制區(qū)，劃分了不同的優(yōu)先控制等級，按照優(yōu)先控制等級，進行對應(yīng)的污染防控，可 將流域尺度的氮污染