流域侵蚀与营养盐动态测评系统

方案背景　　湖泊、水库水体作为我国重要的饮用水源水，其水质的好坏关系到亿万民众饮水健康。然而，现有的站房式水质自动监测站，建设过程用地审批、站房建设等工作，手续繁杂，建设周期长。同时，受现场条件限制站房选址难度大，采水工程复杂，也大大增加了项目建设费用。此外，受管路滋生的微生物影响，经过长距离输送采集的水样氨氮、溶解氧、浊度等参数易发生变化，导致结果缺乏代表性。以上诸多问题大大限制了水质自动监测系统在湖库水体水质保障领域的应用。　　为满足湖泊、水库，及河口等水体水质的自动监测和安全保障应用需求，聚光科技（杭州）股份有限公司结合多年水质在线监测系统研发和集成经验，研制推出了Buoy-3000型浮标式水质自动监测系统。Buoy-3000型浮标式水质自动监测系统采用太阳能供电，集成探头式化学法氨氮、总磷、总氮分析仪，电化学法多参数水质分析仪，光学法COD分析仪，以及气象多参数监测仪，监测指标涵盖氨氮、总磷、总氮、COD（UV）、pH、溶解氧、浊度、温度、叶绿素A、蓝绿藻、水中油等参数，并可根据现场应用灵活配置。系统组成　　Buoy-3000型浮标式水质自动监测系统综合先进监测传感器、自动化控制、无线通讯传输、智能信息化等技术，对现场水域水环境进行实时在线监测，真实、系统地反映水域水质、气象等状况及其变化趋势，对水域水体污染情况进行准确、及时预警，为湖泊、水库和河口等水体环境保护和污染应急处置提供科学依据。系统特点　　集成探头式化学法营养盐分析仪，实现总磷、总氮等营养盐参数的原位准确监测，填补浮标站不能监测总磷、总氮等营养盐参数的空白；　　采用探头式化学法氨氮分析仪，相比于离子选择电极法氨氮分析技术，仪器灵敏度高、稳定性好，测量结果能更真实反映水质情况；　　系统配备4个仪表安装孔位，采用可编程式数据采集系统，支持多种不同厂家仪表接入，可扩展性强；　　系统支持无线远程登录管理，可在办公室或者岸站远程对系统参数进行设置和仪器调试，维护方便；　　太阳能供电，支持外接备用蓄电池，有效保障持续阴雨天气的连续运行；　　浮标采用聚脲弹性体材料，具备良好的抗冲击、防腐蚀特性，皮实耐用。 系统应用场景图系统原理图

采用WET Labs 先进科技的Sea-Bird Coastal Cycle P 分析仪，专门设计用于对生物量丰富的水体进行溶解性磷酸盐的长期在线监测。Cycle P 测量方法主要依据美国EPA标准方法，将 WET Lab 精准的微流控技术与最先进的光学部件完美结合，为营养盐的现场检测领域提供了无与伦比的精确度与准确度。由于 Cycle P分析仪配有使用方便的原位试剂盒与试剂，可实现磷酸盐的原位自动监测；非常适合应用于无人值守区域的长期在线监测。该仪器的试剂盒通过颜色区分试剂种类，每个试剂盒安装采用位置编码，非常便于用户在现场作业期间进行更换。此外，Cycle P 配有NIST标准物质，可用于原位自动进行峰值校准，使用户能够对仪器测定的数据质量进行评估，对仪器采集的数据质量放心。校准频率用户可根据使用情况自行设定。直观的软件界面上配备所有必要的功能，例如，设置仪器、执行验标和数据下载等。此外，还可以对实时数据和下载后的数据进行做图，清晰的展示数据变化趋势。应用领域用于对下述水体中的溶解性磷酸盐进行持续性长期在线监测或实时监测：湖泊和水库小溪、河流、河槽或沟渠河口湾非常适合监测：点源和非点源营养盐输入环境动态和变化性能特性和优势耐用 — 进水口通过铜网和10 μm不锈钢滤膜双重屏障为仪器提供卓越的防污能力。精准 — 纳摩尔级分辨率和不易受散射干扰的光学反应池。性价比高 — 可测定超过 1000 个样品，包括针对QA/QC的现场峰值校准、长达三个月的典型布放周期，降低了现场操作成本。所有仪表出厂时，均经过校准，并配有NIST标准物质。客户可以自行安排校准频率。智能化采样，可以降低功耗软件使用方便操作简单。登录以下网站查看 LOBO 监测平台上的SUNA 实时数据： 技术指标 仪器参数：高度（含手柄） 56 cm宽度 18 cm空气中重量 6.8 kg（含试剂）深度 200 m温度1 1- 35°C光学参数：LED 波长 870 nm光程长度 5 cm线性度 ≥ 95% R2电源：电源输入 10～18VDC电流消耗 最大：2.0 A；平均：125 mA数据输出 RS-232 或 SDI-12主机接口 MCBH-6-MP SDI 接口 MCBH-8-MP采样速率 每小时 2 次数据内存 1 GB分析：检测限：18Mohm水的三个标准偏差≤75nM≤0.0023 mg P/L PO4-P定量限：18Mohm水的十个标准偏差≤ 0.25 μM≤ 0.0077 mg/L PO4-P2.6 μM 标准溶液的标准偏差≤ 0.05 μM≤ 0.0015 mg/L PO4-P量程，标称20 – 10 μM0 – 0.3 mg/L PO4-P 1. 传感器和试剂的贮存和操作温度。2. 可以超出规定量程（比如，0-40 μM, 0-1.2 mg/L PO4-P），但这样准确度就超出技术规格了。

1引言密集农业活动和管理不善的土壤耕作造成的土壤侵蚀和面源污染营养盐负荷导致水生生境和沿岸植被退化（鱼类产卵区域、底部动物），水库库容迅速丧失及其使用寿命的缩短，养分微粒和有毒物质的输移导致水体富营养化、中毒和浑浊。流域管理急需流域尺度的近似估算法和模型模拟，并且，能采用实时调查的土壤侵蚀及库区淤积污染数据与模型计算结果比照，从而确定模型能够用于无测站流域面源污染的测评，并动态模拟关键污染源采用调控措施后，污染变化情况。 2 系统的应用水土面源污染调查及动态测评系统通过确定总负荷中点源/非点源比率，采用模型计算与实地面源污染调查比照，识别流域内面源污染贡献最大的关键点来协助制定流域管理战略。可用于大尺度有测站或无测站流域的管理，评估气候变化，流域最优管理的设计，面源污染调控、污染排放控制、湿地养分监测等领域。 3 系统组成 水土面源污染调查及动态测评系统 由PhosFate 模型、污染调查系统组成。PhosFate模型(Kovacs et al. 2008)是一种用来模拟流域和河网内水文、土壤流失、点源、面源污染P排放及其输移的GIS工具。通过流域尺度的模拟计算，减少侵蚀和面源污染营养盐排放。模型融合了单个经验模型和边界清晰的物理集水区模型的优势，它由已有的独立的方法构建而来，这些独立的方法通过适当的修正、延展，最后被整合到一个通用的模型框架中。 关于空间变异性，PhosFate完全忽略河水流动、水质成份，模型所有的输入与结果都是“长期平均值”。 PhosFate模型主要分为两部分：侵蚀／排放和输移子模型。模型的输入数据如下（针对水文和侵蚀模拟）：数字地图（ 海拔、土地利用类型、物理表土质量、腐殖质含量）气象资料（时间尺度内的平均降水、与不同降雨强度相关的降雨分布、平均潜在蒸散量、温度和风速）点源信息（水库的位置和运作容积） 流域水文采用WetSpass长期水文学模型(Batelaan and Woldeamlak, 2004)运算。地表径流计算基于土壤类型、土地利用类型、取决于坡面的潜在径流系数以及与土壤入渗能力有关的分配系数。参考蒸散量用成熟的Penman-Monteith方程计算，实际蒸散量采用恒定不变的水分相关系数修订参考蒸散量得到。入渗和地下水补充是该水分平衡方程的剩余条件，分别描述土壤表面和表土层情况。土壤流失采用通用土壤流失方程（USLE，Novotny, 2003）计算。输移子模型加入了单独的单元来提供相邻单元的交互作用，并计算流域内本地泥沙输移通量。模型单独计算水、沉积物、地表面源溶解态磷（DP）和颗粒态磷（PP）排放，地下排放和点源排放。计算的结果是流域内任意点的排放总量、泥沙、DP和PP负荷值，这些值的组分（地表、地下、点源）以及流域内泥沙与P的滞留模式。 污染调查系统即可便携式测量各点的营养盐参数 如 硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、磷酸盐，也可固定在观测点长期、动态观测营养盐或水体物理和化学参数。 4、系统技术指标计算面积： 10000平方公里－50000平方公里基本单元面积：100m x 100m单元计算参数：植被截流、地表径流、地表渗透、实际蒸散、地下水补给输出结果： BMPs，河床和库底的滞留量，营养盐负荷运算法则： 1、对每个单元可达增益进行估算 2、以最大可达增益为指导，对单元实施干预（转变土地利用方式） 3、在受影响的区域实施模型运算（被干预单元的上/下游相邻单元） 4、如果预算用完，进行第5步，否则从第1步开始重复。 5、结束测量范围：氨氮 ：0~0.4/1/2/5/mg/l ，其它范围可定制硝酸盐＋亚硝酸盐： 0~0.5/1/5/10 mg/l ，其它范围可定制亚硝酸盐： 0~0.1/0.2/0.5 mg/l ，其它范围可定制磷酸盐： 0~0.3/1/2/5/ mg/l ，其它范围可定制 5、应用案例5.1流域管理评估PhosFate模型工具允许编制流域最佳管理措施（BMPs），并可模拟对泥沙和营养盐负荷可能的影响。多种BMP可选方案及方案间的组合能有效降低土壤流失(Campbell et al., 2004)。模型尤其关注农村土地利用管理，包括土地利用方式转变，耕作方法改变，缓冲区和湿地建立等，如通过减少径流和土壤流失为手段的源控制干预措施，减少 耕作方式的改变（例如耕地的方向，保护性耕地，等高条植，耕后覆盖，梯田耕作等）对土壤流失值也有影响。根据计划好的干预措施，更改土地利用图并运行排放和运移模型后，改良后的水文和负荷降低功效能被模拟出来。模型还可跟踪河网内的点源排放情况。模型可计算河床和库底的滞留量，因此可以模拟距下游目标（河段或静水）有较远距离的点源的影响。5.2 评估气候变化情形因为一些输入数据是气候变量，PhosFate可以被用来开展气候变化影响评价。因为输出的是长时期平均值，模型可以方便地根据预期气候变化修改输入数据，不需对每日或更密时间频率作缩小尺度规模的预报。气候情形可以与预期土地利用发展相关联，创造一个综合的框架，为流域管理预报未来的变化或挑战。5.3最优管理技术的设计为了达到最优管理（低成本高效地降低土壤流失），不是所有的侵蚀源区域都必须被干预措施涉及，因为不是所有的源区域对泥沙和营养盐负荷都有有效的贡献率。最优策略受两个目标功能支配（现有固定成本下的负荷降低功率和固定污染限度下的成本效益）。最优化过程的目标功能是以最有效的干涉方法（涵盖尽量少的单元）减少输移进入河网的SS总量。或者，反过来讲，怎样在指定数量的单元内以干预措施实现负荷下降的最大效益？那些成功将最大总量的侵蚀物送入河网的单元可以被当作理想的源控制目标（本地侵蚀的减少）。然而，其它仅具有有限侵蚀率的单元，也能输移从其直接邻近区域过来的具有相当总量的SS。这些是最佳的输移控制地点，即用来建立滞留区域（多数沿着水流方向）。按照这两个特性排列单元为最优干预计算构建基础。这两种干预类型（源控制和输移控制）在计算过程中必须相互协调。如果一个高度侵蚀的单元被干预，其下游相邻单元的相对重要性也就减少。同样，通过安置缓冲区，上游相邻单元的有效贡献也会降低。因此，在每个特定单元实施干预活动后，单元的重要性排序必须被更新。 5.4匈牙利大尺度、有测站流域PhosFate 系统在匈牙利全境的小流域内，为不同管理计划的水质评估模拟水平衡、土壤侵蚀、磷排放及负荷。4个试点流域被选择出来用于校准和详细分析，这是为在其它无测站流域的后续应用提供参数范围。试点流域出口观测站测量出的排放量、颗粒态磷（PP）和可溶性活性磷（SRP）负荷被用作校准。各参数在终点校正都取得了成功，最佳参数值（与实测值）显示出显著的相似性。Zala流域是用于校准模型的试点流域之一。不仅在该流域的出口处，在其它3个沿河监测站的排放量，校准的模型输出值与测量值也有很好的一致性。计算得出的主河道内的平均行程时间与基于小型洪峰传播速度的估算值非常接近。模型的良好性能允许将其扩展应用到校准区以外的流域。除了计算基准值，5个全国管理策略对营养盐负荷和水质也进行了测试。测试显示，土地利用管理策略（曾是BMP的可选措施）自发和统一的应用对于减少侵蚀和富营养化，是一种没有经济和社会效益的方法。在已识别出的“热点”实施最优干预措施，成本效益可增加2倍，而且，在总侵蚀量显著下降的情况下，影响面积缩小50％。因此，在具有代表性的有测站区域应用 PhosFate有助于对无测站流域进行高精度的流域管理评估和设计。 5.5阿尔巴尼亚大尺度、无测站流域 阿尔巴尼亚（28 750 km2）是坐落于亚得里亚、爱奥利亚海岸与巴尔干山脉之间的欧洲小国。东部沿海部分是平原，而其余部分是山区。关于该国对整个地中海水文，泥沙及营养负荷贡献率的评估很稀少，其精度也不准确。PhosFate的任务是用该国高空间分辨率的数据对当时的侵蚀状况作基准评估，并检验设计的干预措施的功效。除此之外，还分析了由数据缺失造成的不确定性。为了完成侵蚀和泥沙输移评估，建立起了一个符合PhosFate要求的GIS数据库。从不同来源收集到了必要的数字地图和气候数据。除此之外，也从文献中收集了SS负荷数据以及其它侵蚀研究的结果，用来校准模型和执行对比。对比文献中评估结果，校正了河流长期平均排放。单参数组被用于整个国家。计算好的排放值与监测数据有很好的一致性，与文献中（不是很准确的）评估值的最高偏差为30%，土壤流失和滞留的参数被校正过，因此计算出的对地中海SS负荷的贡献率与文献中相关数据相吻合。 土壤流失在阿尔巴尼亚整个区域普遍显著，但在位于该国北方、中部和南部的三个小区域特别显著。与Grazhdani（2006）研究结果相似，在这三个小区域中，土壤流失率高达超过10 t﹒ha-1﹒a-1 (吨每公顷每年),甚至损失率超过100 t﹒ha-1﹒a-1的情况也频繁出现。全国范围内平均土壤流失率为31.5 t﹒ha-1﹒a-1，这一数字大大超过了10 t﹒ha-1﹒a-1的承受极限，但符合Bockheim (1997)报导的平均损失率。该国总面积中近80%的区域遭受的是可以承受的土壤侵蚀。然而，其余20%的面积是大部分（93%）土壤侵蚀结果的主要原因。具有最高土壤流失级别的区域面积最小（其国土面积的8%），然而它制造了总土壤流失量的79%。尽管该国产生了巨大的土壤流失量（90.5×106 t﹒ha-1﹒a-1），但只有大约60×106吨/年的悬浮泥沙通过河流被输移到了海洋中。因此，大约1/3的流失土壤因为输移路径的滞留能力而不能到达海洋。相当多的泥沙截留是通过沉淀造成的，这种沉淀可能发生在地面，当地表径流经过时速度降低（坡度减缓，土地覆盖方式改变）；也可能发生在河流系统，当水流速度因为渠道水文改变而下降（水库、植被生长的渠道、缓水区、以及流经洪泛平原）。在那些明确土壤流失率计算值高于10 t﹒ha-1﹒a-1的区域，按照其几个干预方式，实施了管理方案分析。除此之外，沿永久性水道的缓冲区也被评估。除了综合管理策略的评估，最优干预程序也被应用。其目标是通过干预措施，使最大负荷减少量最高达到全部区域总量的4.5%。干预措施的成效随流域的不同而变化，减少量从50%（Erzeni）到68%（Vjosa）。同样的，该国干预场所的空间分布也并非均匀。大部分的干预措施集中于在3个主要区域中。从全国水平来说，这3个区域是侵蚀及泥沙负荷的热点。 参考文献： Bockheim JG. Proposal to study economic and environmental benefits of reducing soil erosion in Albania. Land Tenure Center, University of Wisconsin, Madison USA 1997.Borah DK, Bera M. Watershed-scale hydrologic and nonpoint-source pollution models. Review of mathematical bases. Trans ASAE 2003 46(6):1553–66.Campbell N, D’Arcy B, Frost A, Novotny V, Sansom A. Diffuse Pollution: An Introduction to the Problems and Solutions. London: IWA Publishing 2004.Fread DL. Flow routing. In: Maidment DR, editor. Handbook of Hydrology. New York: McGraw-Hill 1993. p. 10.1–10.36.Grazhdani S. Albania, in: Soil Erosion in Europe (eds Boardman J and Poesen J), John Wiley & Sons Ltd, Chichester, UK. 2006.Kovacs AS, Honti M, Clement A. Design of best management practice applications for diffuse phosphorus pollution using interactive GIS. Wat Sci Tech 2008 57:1727-33.Liu YB, de Smedt F. WetSpa Extension: A GIS-based Hydrologic Model for Flood Prediction and Watershed Management, User Manual. 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