流域尺度地下水向地表水氮输运阻断优先控制区划分方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种流域尺度地下水向地表水氮输运阻断优先控制区划分方法，属于 水环境科学和水资源管理领域。
【背景技术】
[0002] 氮在自然界广泛存在，是农业生产的重要肥料，人类W及动、植物生长、生存的基 本营养元素。伴随着农业活动、工业活动广度和强度的快速发展，人类向环境中输入氮的当 量日益增加，水环境氮污染问题已成为全球性环境问题，尤W我国为重。
[0003] 通过地下水向地表水体排氮是一种重要而又被忽略的氮污染途径。已有研究表 明，地下水所携带的氮污染物可能占河流或湖泊氮污染物总量的相当大的比例。密西西比 河所携带的硝酸盐70% W上来自地下水，依阿华州Raccoon河年径流总量的60 %和硝酸盐 总量的65% W上均来自地下水。据估算，在我国沙颖河流域，2010年由地下水进入地表水中 的硝酸盐达3.06万吨，占进入地表水硝酸盐总量的40%左右。显然，从水循环角度有效控制 地下水中的氮向地表水排泄是地表水氮污染控制的关键问题，而如何从流域尺度识别出地 下水向地表水排氮的高风险区域，即地下水向地表水氮输运阻断的优先控制区，则是阻控 地下水向地表水排氮的难点。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种流域尺度地下水向地表水氮输运阻 断优先控制区划分方法，该方法为流域尺度下的优先控制区划分方法。考本发明认为优先 控制区应同时具备如下条件：（1)地下水与地表水具有水力联系，存在向地表水的排泄途 径；（2)地下水氮污染程度较高，地下水有氮可排；（3)地下水遭受氮污染的风险较高，对氮 污染的净化能力差，容易积累氮。本发明弥补了现有技术忽略氮污染随地下径流进入地表 水体运一过程造成的不足，解决了 "如何从流域尺度对地下水向地表水排氮的高风险区域 进行识别和等级划分"运一问题。
[0005] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种流域尺度地下水向地 表水氮输运阻断优先控制区划分方法，包括W下步骤：
[0006] 步骤1、根据地下水与地表水的相互作用关系，初步确定研究区内的优先控制区识 别祀区：根据流域地下水源、汇区分布和地下水、地表水水位W及水文地质条件，确定可能 存在地下水向地表水排泄的区域，所述区域即优先控制区识别祀区；
[0007] 步骤2、在优先控制区识别祀区内，对地下水氮污染等级进行划分，形成地下水氮 污染等级分区图，W反映地下水氮污染程度；
[000引步骤3、在优先控制区识别祀区内，进行地下水氮污染特殊脆弱性等级划分，得到 地下水氮污染特殊脆弱性等级分区图，W反映地下水遭受氮污染的风险；
[0009]步骤4、基于GIS技术，将地下水污染等级分区图与地下水氮污染特殊脆弱性等级 分区图进行图层叠加，对两图层叠加所形成的各多边形小区域，根据防控时间与防控方法 上的不同，按照地下水氮污染程度越严重、地下水遭受氮污染的风险越高，则越优先治理的 原则，在确定的优先控制区识别祀区内，进一步划分地下水向地表水氮输运阻断的优先控 制区等级，得到地下水向地表水氮输运阻断的优先控制区等级分区图。
[0010] 步骤1中，所述根据流域地下水源、汇区分布和地下水、地表水水位W及水文地质 条件，确定可能存在地下水向地表水排泄的区域，具体包括W下过程：比较各区域地下水、 地表水水位W及水文地质条件，圈画地下水水位高于地表水水位所在区域，根据水文地质 条件，确定区域源、汇区分布;从圈画区域中除去流域尺度上的源区区域，剩余区域即为可 能存在地下水向地表水排泄的区域。
[0011] 所述比较各区域地下水、地表水水位，选取枯水期、平水期、丰水期=水文期水位 分别进行对比。
[0012] 步骤2中，所述在优先控制区识别祀区内，对地下水氮污染等级进行划分，形成地 下水氮污染等级分区图，具体包括W下过程:选取氮污染物:硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮中的 一种或一种W上作为指标;根据地下水水质调查分析资料或水质监测资料获取氮污染物含 量，根据《GB/T 14848-93地下水质量标准》，对各项氮污染指标分别进行评价，形成各项氮 污染物的污染等级分区图；对于优先控制区识别祀区内的各个区域，取各项氮污染物污染 等级的最高值为该区域最终的氮污染等级，形成地下水氮污染等级分区图。
[0013] 步骤3中，所述在优先控制区识别祀区内，进行地下水氮污染特殊脆弱性等级划 分，得到地下水氮污染特殊脆弱性等级分区图，具体包括W下步骤：
[0014] (3-1)根据钻孔、经验值或野外抽水试验结果获取地下水氮污染特殊脆弱性评价 指标和参数；
[0015] (3-2)基于层次分析法，对两两指标的重要性进行比较，W确定各指标权重值：
[0016] (3-3)检验指标权重值合理性:基于层次分析法根据指标权重值构造评价指标权 重判断矩阵，计算评价指标权重判断矩阵的一致性比率CR,若该矩阵的一致性比率CR< 0.1，则指标权重分配合理;否则若CR > 0.1，则改变指标权重值，调整判断矩阵，直至取得满 意的一致性比率；
[0017] (3-4)分别获取各脆弱性评价指标独立评价结果；
[0018] (3-5)根据所述权重值和各评价指标独立评价结果获取地下氮污染特殊脆弱性指 数，按特殊脆弱性指数，将研究区特殊脆弱性等级由低到高进行分级。
[0019] 步骤3中，所述地下水氮污染特殊脆弱性指标包括固有脆弱性指标和特殊脆弱性 指标，其中固有脆弱性指标包括地下水埋深、净补给量、含水层介质、±壤类型、地形坡度、 包气带介质和水力传导系数中的一种或一种W上，特殊脆弱性指标包括±地利用类型、地 下水开采量、河网密度中的一种或一种W上。
[0020] 步骤4划分地下水向地表水氮输运阻断的优先控制区等级之后，根据W下方法中 的一种或一种W上对划分结果进行验证：（a)根据皮尔森相关系数进行验证；（b)根据示踪 实验进行验证；（C)通过分析典型区实际情况对结果进行验证。
[0021] 所述根据皮尔森相关系数进行验证，具体为计算各单点氮污染物浓度与和对应的 地下水氮污染特殊脆弱性指数的皮尔森相关系数P，根据所述相关系数确定评价的合理性。
[0022] 所述根据示踪实验进行验证包括W下过程:在待验证水力联系的两处地方中的一 处投放示踪剂，另一处接收所述示踪剂;根据接收的示踪剂获取显示首次到达时间的示踪 曲线，根据所述示踪曲线的对称性确定评价的合理性。
[0023] 所述通过分析典型区实际情况对结果进行验证包括W下过程：了解典型区实际情 况;对比该区地下水-地表水氮污染阻断优先控制区划分结果;根据二者间匹配度，论证其 合理性。
[0024] 本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
[0025] (1)本发明的流域尺度地下水向地表水氮输运阻断优先控制区划分方法，在步骤1 利用地下水与地表水的相互作用关系参与识别优先控制区识别祀区，其必要性和作用主要 在于:优先控制区作为地下水向地表水排氮的高风险区域，其必然是存在地下水向地表水 排泄的区域，对地下水和地表水相互作用关系的研究是识别优先控制区的基础，且由此可 大大减少优先控制区后续划分工作的任务量；
[0026] (2)本发明的流域尺度地下水向地表水氮输运阻断优先控制区划分方法，通过识 别优先控制区，划分了不同的优先控制等级，按照优先控制等级，进行对应的污染防控，可 将流域尺度的氮污染