專利名稱：一種gis技術(shù)支持下的小流域環(huán)境容量計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境保護與資源綜合利用技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種GIS技術(shù)支持下的小流域環(huán)境容量計算方法，所述的小流域是指與主河相連通的支流河的流域。
背景技術(shù)：
《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》指出“根據(jù)水環(huán)境功能分區(qū)和水質(zhì)目標(biāo)，依據(jù)河段的水文特征、入河排污口分布等因素，計算水環(huán)境功能區(qū)、水體的水環(huán)境容量，并進一步實施水污染物容量總量控制，是實現(xiàn)水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的主要手段，是保證水環(huán)境質(zhì)量的根本方法，也是水污染防治量化的依據(jù)。”實施污染物排放總量控制是解決區(qū)域性水環(huán)境污染問題的重要手段。目前，我國污染物排放總量控制正逐步從目標(biāo)總量控制向容量總量控制過渡。而水環(huán)境容量計算是容量總量控制的基礎(chǔ)和前提，科學(xué)可靠的水環(huán)境容量計算成果是容量總量控制順利實施的重要保障。目前，我國總量控制重點仍主要放在點源上，非點源污染沒有得到應(yīng)有的重視，國外已實行多年的點源一非點源污染總量控制在我國才剛剛起步，總體積累不足，通常非點源數(shù)據(jù)不用于水環(huán)境容量計算的模型輸入。對考慮非點源污染影響的河流水環(huán)境容量研究相對較少(見李家科，周君君，李懷恩，蔡明，朱磊.考慮非點源污染影響的河流污染物總量控制研究.[J]西安理工大學(xué)學(xué)報，2012，28 (3):269-277)。隨著水污染物總量控制制度的逐步更加嚴(yán)格，水環(huán)境容量的計算需要更加精細(xì)化，需要考慮更多的小流域的水環(huán)境容量測算問題，以便更好地利用小流域的水環(huán)境容量為經(jīng)濟社會發(fā)展服務(wù)，而對于小流域水環(huán)境容量計算存在兩個不足:1)小流域往往因水文等資料不足而造成環(huán)境容量計算無從下手，僅能根據(jù)水污染物排放量統(tǒng)計等數(shù)據(jù)進行粗略計算，導(dǎo)致計算結(jié)果不精確；2)在小流域水環(huán)境容量計算中未考慮非點源的影響或未考慮各控制單元間非點源入河量的差異，造成計算結(jié)果精確度不夠，難以適應(yīng)水環(huán)境管理精細(xì)化的要求。綜上所述，目前對于小流域水環(huán)境容量計算主要存在兩方面的不足:因缺乏水文等資料所造成的計算結(jié)果粗略的問題；因未考慮非點源的影響或未考慮各控制單元間非點源入河量的差異，會造成小流域水環(huán)境容量的計算不精確，影響河流的保護和管理。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的小流域水環(huán)境容量計算方法存在的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是建立新的確定小流域水環(huán)境容量的一種GIS技術(shù)支持下的小流域環(huán)境容量計算方法，不僅能夠克服小流域水環(huán)境容量計算時因水文等資料缺乏所造成的無從下手的問題，還可以避免因不考慮非點源的影響或不考慮各控制單元非點源入河量的差異所造成的容量計算結(jié)果不夠精確的問題，提高水環(huán)境容量計算的精確度，有利于河流生態(tài)環(huán)境的管理。本發(fā)明解決的技術(shù)方案是，根據(jù)水污染物區(qū)域總量控制的需求，確定控制單元的水域范圍；利用ArcGIS軟件中的水文分析模塊及GPS定位校正的實際河流數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，確定控制單元的陸域匯水范圍，得到水陸響應(yīng)的控制單元；收集河流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價水質(zhì)狀況；利用污染源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合污染源實際調(diào)研結(jié)果，計算農(nóng)田徑流、農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖非點源污染物入河量，按控制單元統(tǒng)計點源及非點源污染物入河量；利用水文比擬法、等值線圖法、徑流系數(shù)經(jīng)驗公式法得到控制斷面匯水區(qū)域增加的徑流量，根據(jù)水量平衡反推其上各控制斷面的流量；水質(zhì)模型參數(shù)率定、驗證和應(yīng)用，扣除各控制單元非點源污染物入河量，得到可利用水環(huán)境容量。本發(fā)明與傳統(tǒng)水環(huán)境容量計算方法相比，利用GIS技術(shù)的支持充分考慮非點源污染物在各控制單元排放的差異，精細(xì)化的將其入河量進行計算，能更加準(zhǔn)確的確定流域可利用環(huán)境容量，具有科學(xué)、簡單實用與適用范圍廣，可更加科學(xué)地指導(dǎo)水環(huán)境管理，實現(xiàn)對河流的環(huán)境保護。


圖1為本發(fā)明的方法流程框示圖。圖2為本發(fā)明的ArcGIS流域水文分析步驟圖。圖3為本發(fā)明的主干河流斷面流量推求示意圖。圖4為本發(fā)明的某斷面COD預(yù)測值與實測值對比圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細(xì)說明。由圖1所示，本發(fā)明是在確定小流域水環(huán)境容量計算控制單元的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件的水文分析工具將數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)DEM進行河流網(wǎng)絡(luò)提取和流域劃分，計算閉合匯水區(qū)域面積，得到水陸對應(yīng)的控制單元；然后收集河流歷年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對河流進行水質(zhì)評價，并對水質(zhì)進行趨勢分析，按控制單元統(tǒng)計點源及非點源污染物入河量，對于非點源污染物是指農(nóng)村生活污染物、畜禽養(yǎng)殖污染物及農(nóng)田徑流污染物，根據(jù)流域非點源污染物入河情況，分農(nóng)田徑流、農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖三方面計算非點源污染物入河量，并匯總分配到各控制單元；利用各控制單元匯水面積，以及鄰近參證水文站點的資料，采用水文比擬法、等值線圖法、徑流系數(shù)經(jīng)驗公式法相互驗證求得各控制單元90%保證率的設(shè)計年徑流量，根據(jù)鄰近水文站月徑流量分配比得到設(shè)計年徑流量的年內(nèi)分配，進而得出近10年最枯月平均流量和近三年枯水期平均流量作為計算的流量條件；最后，進行模型參數(shù)率定、驗證和利用，扣除各控制單元非點源入河量得到各控制單元可利用環(huán)境容量，充分利用GIS技術(shù)，考慮非點源污染物在各控制單元排放的差異，精細(xì)化的將其入河量進行計算，能更加準(zhǔn)確的確定小流域可利用環(huán)境容量，具有科學(xué)、簡單實用與適用范圍廣等特點，可以更加科學(xué)地指導(dǎo)水環(huán)境管理，具體步驟如下:(I)、根據(jù)區(qū)域水污染物總量控制的需求，確定控制單元的水域范圍:根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中的節(jié)點劃分法，同時結(jié)合區(qū)域近年來已設(shè)置的地表水目標(biāo)考核控制斷面，以河流上下游控制斷面之間的水域作為一個控制單元的水域范圍，得到若干個控制單元的水域范圍，作為水環(huán)境容量計算的基礎(chǔ)；(2)、利用ArcGIS軟件中的水文分析模塊及GPS定位校正的實際河流數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，用計算機確定控制單元的陸域匯水范圍，得到水陸響應(yīng)的控制單元:
以ArcGIS軟件用計算機確定控制單元水域范圍對應(yīng)陸域匯水區(qū)域,確定控制單元的陸域范圍，利用ArcGIS軟件中的水文分析模塊，運用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DigitalElevation Model, DEM)進行河流網(wǎng)絡(luò)提取和流域劃分，首先，填充洼地得到無洼地的DEM，使DEM高程數(shù)據(jù)適用于水文分析工具，水文分析的步驟包括加載無洼地的DEM數(shù)據(jù)、水流方向分析、計算流水累積量、提取河流網(wǎng)絡(luò)以及流域分析5個環(huán)節(jié)；得到流域分區(qū)圖后，將通過現(xiàn)場GPS定位校正的實際河流數(shù)據(jù)與其進行疊加，結(jié)合區(qū)域等高線地形圖，采用ArcGIS軟件中的EDITOR編輯繪圖工具繪制流域匯水區(qū)域圖，得到控制單元的匯水陸域范圍，采用ArcGIS軟件中的CAIXULATE GEOMETRY地理計算測量工具計算閉合匯水區(qū)域面積，得到能夠做到水陸響應(yīng)的控制單元；( 3 )、收集河流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價水質(zhì)狀況:收集河流近年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用綜合污染指數(shù)法對河流進行水質(zhì)評價，并按河流進行現(xiàn)狀分析；采用spearman秩相關(guān)系數(shù)(Spearman's rank correlationcoefficient)對水質(zhì)進行趨勢分析,得到各河流近年的水質(zhì)變化趨勢。評價因子污染指數(shù)的計算公式為:
權(quán)利要求
1.一種GIS技術(shù)支持下的小流域環(huán)境容量計算方法，其特征在于，充分利用GIS技術(shù)，考慮非點源污染物在各控制單元排放的差異，將其入河量進行計算，確定小流域可利用環(huán)境容量，具有科學(xué)、簡單實用與適用范圍廣特點，科學(xué)地指導(dǎo)水環(huán)境管理，具體步驟如下: (1)、根據(jù)區(qū)域水污染物總量控制的需求，確定控制單元的水域范圍: 根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中的節(jié)點劃分法，同時結(jié)合區(qū)域近年來已設(shè)置的地表水目標(biāo)考核控制斷面，以河流上下游控制斷面之間的水域作為一個控制單元的水域范圍，得到若干個控制單元的水域范圍，作為水環(huán)境容量計算的基礎(chǔ)； (2)、利用ArcGIS軟件中的水文分析模塊及GPS定位校正的實際河流數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，用計算機確定控制單元的陸域匯水范圍，得到水陸響應(yīng)的控制單元: 以ArcGIS軟件用計算機確定控制單元水域范圍對應(yīng)陸域匯水區(qū)域，確定控制單元的陸域范圍，利用ArcGIS中的水文分析模塊，運用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進行河流網(wǎng)絡(luò)提取和流域劃分。首先，填充洼地得到無洼地的DEM，使DEM高程數(shù)據(jù)適用于水文分析工具，水文分析的步驟包括加載無洼地的DEM數(shù)據(jù)、水流方向分析、計算流水累積量、提取河流網(wǎng)絡(luò)以及流域分析5個環(huán)節(jié)；得到流域分區(qū)圖后，將通過現(xiàn)場GPS定位校正的實際河流數(shù)據(jù)與其進行疊力口，結(jié)合區(qū)域等高線地形圖，采用ArcGIS軟件中的EDITOR編輯繪圖工具繪制流域匯水區(qū)域圖，得到控制單元的匯水陸域范圍，采用ArcGIS軟件中的CAIXULATE GEOMETRY地理計算測量工具計算閉合匯水區(qū)域面積，得到能夠做到水陸響應(yīng)的控制單元； (3 )、收集河流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價水質(zhì)狀況: 收集河流近年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用綜合污染指數(shù)法對河流進行水質(zhì)評價，并按河流進行現(xiàn)狀分析；采用spearman 秩相關(guān)系數(shù)對水質(zhì)進行趨勢分析，得到各河流近年的水質(zhì)變化趨勢。
評價因子污染指數(shù)的計算公式為: 巧式(2) ^oi 式中=Pi為斷面評價因子i的污染指數(shù)；i為評價因子；Ci為斷面污染物i的實測濃度值;Coi為斷面污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)值；P為斷面污染綜合指數(shù)；n為參與評價的因子數(shù)； 采用spearman秩相關(guān)系數(shù)法對水質(zhì)進行趨勢分析,列出5年的排列序號Yj,設(shè)為YpY2、Y3> Y4> Y5和他們所對應(yīng)的年均綜合污染指數(shù)Xi，設(shè)為Pp P2、P3> P4> Ρ5，將其按從小到大的順序排列，統(tǒng)計檢驗用的秩相關(guān)系數(shù)按下式計算:rf = 1- [6|>,2]/[妒-N] d, = X, -1:.式(3 )/=1 式中:rs為秩相關(guān)系數(shù)噸一為變量Xi和變量I的差值A(chǔ)—為周期i到周期N按濃度值從小到大排列的序號&一為按時間排列的序號；N—為周期數(shù)； 將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對值同spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計中的臨界值WP進行比較； 當(dāng)rs > WP則表明變化趨勢有顯著意義； 當(dāng)rs < WP則表明變化趨勢沒有顯著意義:說明在評價時段內(nèi)水質(zhì)變化穩(wěn)定或平穩(wěn)；當(dāng)rs是負(fù)值，表明在評價時段內(nèi)水質(zhì)變化呈下降趨勢或好轉(zhuǎn)趨勢； 當(dāng)rs是正值，表明在評價時段內(nèi)水質(zhì)變化呈上升趨勢或加重趨勢； (4)、利用污染源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合污染源實際調(diào)研結(jié)果，計算農(nóng)田徑流、農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖非點源污染物入河量，按控制單元統(tǒng)計點源及非點源污染物入河量: 污染源調(diào)查的結(jié)果，將作為水環(huán)境容量計算時河流各控制單元的輸入因子，污染源數(shù)據(jù)采用全國污染源普查數(shù)據(jù)結(jié)合點源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)； 點源的調(diào)查按照污染源、入河排污口、控制單元水域、陸域的對應(yīng)關(guān)系展開，對入河排污口進行GPS定位，明確影響河流水質(zhì)的主要入河排污口及污染物排放量，按控制單元統(tǒng)計點源污染物入河量； 非點源污染物包括農(nóng)村生活污染物、畜禽養(yǎng)殖污染物及農(nóng)田徑流污染物，污染物排放量按照《全國水環(huán)境容量核定指南》的產(chǎn)污系數(shù)推薦值進行計算，得到各行政區(qū)的農(nóng)村生活污染物排放量，然后分配到各河流，分配原則是:依據(jù)河流的分布情況，按照居民點、控制單元匯水面積對排放的污染物量進行分配； (5)、利用水文比擬法、等值線圖法、徑流系數(shù)經(jīng)驗公式法得到控制斷面匯水區(qū)域增加的徑流量，根據(jù)水量平衡反推其上各控制斷面的流量: 利用前述步驟中所得各控制單元匯水面積，以及鄰近參證水文站點的資料，采用水文比擬法、等值線圖法、徑流系數(shù)經(jīng)驗公式法相互驗證，求得各控制單元90%保證率的設(shè)計年徑流量； 水文比擬法常用年徑流移置的公式如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS技術(shù)支持下的小流域環(huán)境容量計算方法，其特征在于畜禽養(yǎng)殖污染物排放量的分配原則是:確定規(guī)?；B(yǎng)殖場的地理位置，并將排污量分配到相應(yīng)的控制單元，對分散的、規(guī)模較小的養(yǎng)殖場或散養(yǎng)畜禽，依據(jù)河流的分布情況按照控制單元匯水面積對排放的污染物量進行分配。農(nóng)田徑流污染物排放量分配原則是:將農(nóng)田徑流污染物排放量按照控制單元匯水面積進行分配，排放量與該控制單元匯水面積成正比。根據(jù)流域非點源污染物入河系數(shù)，分農(nóng)田徑流、農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖三方面計算非點源污染物入河量，匯總分配到各控制單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及GIS技術(shù)支持下的小流域環(huán)境容量計算方法，避免因不考慮非點源的影響或各控制單元非點源入河量的差異造成容量計算結(jié)果不精確的問題，方法是，確定控制單元的水域范圍；利用ArcGIS軟件中的水文分析模塊及GPS定位校正的實際河流數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，確定控制單元的陸域匯水范圍，得到水陸響應(yīng)的控制單元；評價水質(zhì)狀況；利用污染源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合污染源實際調(diào)研結(jié)果，按控制單元統(tǒng)計點源及非點源污染物入河量；根據(jù)水量平衡反推其上各控制斷面的流量；水質(zhì)模型參數(shù)率定、驗證和應(yīng)用，扣除各控制單元非點源污染物入河量，得到可利用水環(huán)境容量，本發(fā)明利用GIS技術(shù)考慮非點源污染物在各控制單元排放的差異，計算入河量，確定流域可利用環(huán)境容量。
文檔編號G06F17/50GK103218485SQ201310116788
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者王莉, 于魯冀, 劉春曉, 張培 申請人:鄭州大學(xué)