一种GIS技术支持下的小流域环境容量计算方法

摘要

本发明涉及GIS技术支持下的小流域环境容量计算方法，避免因不考虑非点源的影响或各控制单元非点源入河量的差异造成容量计算结果不精确的问题，方法是，确定控制单元的水域范围；利用ArcGIS软件中的水文分析模块及GPS定位校正的实际河流数据相结合的方法，确定控制单元的陆域汇水范围，得到水陆响应的控制单元；评价水质状况；利用污染源统计数据，结合污染源实际调研结果，按控制单元统计点源及非点源污染物入河量；根据水量平衡反推其上各控制断面的流量；水质模型参数率定、验证和应用，扣除各控制单元非点源污染物入河量，得到可利用水环境容量，本发明利用GIS技术考虑非点源污染物在各控制单元排放的差异，计算入河量，确定流域可利用环境容量。

主权项

一种GIS技术支持下的小流域环境容量计算方法，其特征在于，充分利用GIS技术，考虑非点源污染物在各控制单元排放的差异，将其入河量进行计算，确定小流域可利用环境容量，科学地指导水环境管理，具体步骤如下：(1)、根据区域水污染物总量控制的需求，确定控制单元的水域范围：根据《全国水环境容量核定技术指南》中的节点划分法，同时结合区域近年来已设置的地表水目标考核控制断面，以河流上下游控制断面之间的水域作为一个控制单元的水域范围，得到若干个控制单元的水域范围，作为水环境容量计算的基础；(2)、利用ArcGIS软件中的水文分析模块及GPS定位校正的实际河流数据相结合的方法，用计算机确定控制单元的陆域汇水范围，得到水陆响应的控制单元：以ArcGIS软件用计算机确定控制单元水域范围对应陆域汇水区域，确定控制单元的陆域范围，利用ArcGIS中的水文分析模块，运用数字高程模型数据进行河流网络提取和流域划分；首先，填充洼地得到无洼地的DEM，使DEM高程数据适用于水文分析工具，水文分析的步骤包括加载无洼地的DEM数据、水流方向分析、计算流水累积量、提取河流网络以及流域分析5个环节；得到流域分区图后，将通过现场GPS定位校正的实际河流数据与其进行叠加，结合区域等高线地形图，采用ArcGIS软件中的EDITOR编辑绘图工具绘制流域汇水区域图，得到控制单元的汇水陆域范围，采用ArcGIS软件中的CALCULATE GEOMETRY地理计算测量工具计算闭合汇水区域面积，得到能够做到水陆响应的控制单元；(3)、收集河流水质监测数据，评价水质状况：收集河流近年水质监测数据，采用综合污染指数法对河流进行水质评价，并按河流进行现状分析；采用spearman秩相关系数对水质进行趋势分析，得到各河流近年的水质变化趋势；评价因子污染指数的计算公式为：$P=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_i$                   式(1)$P_i=\frac{C_i}{C_{oi}}$                   式(2)式中：P_i为断面评价因子i的污染指数；i为评价因子；C_i为评价因子i的实测浓度值；C_oi为评价因子i的评价标准值；P为断面污染综合指数；n为参与评价的因子数；采用spearman秩相关系数法对水质进行趋势分析，列出5年的排列序号Y_j，设为Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅和他们所对应的年均综合污染指数设为P₁、P₂、P₃、P₄、P₅，将其按从小到大的顺序排列，统计检验用的秩相关系数按下式计算：$r_s=1-[6\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{d}_{\stackrel{·}{i}}^2]/[N^3-N],d_i=X_i-Y_j$       式(3)式中：r_s为秩相关系数；d_i—为变量X_i和变量Y_j的差值；X_i—为周期i到周期N按浓度值从小到大排列的序号；Y_j—为按时间排列的序号；N—为周期数；将秩相关系数r_s的绝对值同spearman秩相关系数统计中的临界值WP进行比较；当r_s＞WP则表明变化趋势有显著意义；当r_s≤WP则表明变化趋势没有显著意义：说明在评价时段内水质变化稳定或平稳；当r_s是负值，表明在评价时段内水质变化呈下降趋势或好转趋势；当r_s是正值，表明在评价时段内水质变化呈上升趋势或加重趋势；(4)、利用污染源统计数据，结合污染源实际调研结果，计算农田径流、农村生活和畜禽养殖非点源污染物入河量，按控制单元统计点源及非点源污染物入河量：污染源调查的结果，将作为水环境容量计算时河流各控制单元的输入因子，污染源数据采用全国污染源普查数据结合点源在线监测数据；点源的调查按照污染源、入河排污口、控制单元水域、陆域的对应关系展开，对入河排污口进行GPS定位，明确影响河流水质的主要入河排污口及污染物排放量，按控制单元统计点源污染物入河量；非点源污染物包括农村生活污染物、畜禽养殖污染物及农田径流污染物，污染物排放量按照《全国水环境容量核定指南》的产污系数推荐值进行计算，得到各行政区的农村生活污染物排放量，然后分配到各河流，分配原则是：依据河流的分布情况，按照居民点、控制单元汇水面积对排放的污染物量进行分配；(5)、利用水文比拟法、等值线图法、径流系数经验公式法得到控制断面汇水区域增加的径流量，根据水量平衡反推其上各控制断面的流量：利用前述步骤中所得各控制单元汇水面积，以及邻近参证水文站点的资料，采用水文比拟法、等值线图法、径流系数经验公式法相互验证，求得各控制单元90％保证率的设计年径流量；水文比拟法常用年径流移置的公式如下：Q_p＝K₁K₂Q_p,c                式(4)式中：Q_p、Q_p,c分别为设计流域和参证流域的多年平均流量，单位为m³/s；K₁、K₂分别为流域面积和年降水量的修正系数；$K_1=\frac{A}{A_c},K_2=\frac{\bar{P}}{\overline{P_c}}$                  式(5)式中：A、A_c分别为设计流域和参证流域的流域面积，单位为km²；分别为设计流域和参证流域的多年平均降水量，单位为mm；等值线法年径流量计算公式：Q_p＝KRA                        式(6)式中：Q_p为年径流量，单位为m³；R为年径流深，单位为mm；A为流域面积，单位为km²；K为单位换算系数；径流系数经验公式法计算公式：Q_p＝1000aPF                式(7)式中：Q_p为研究流域多年平均径流量，单位为m³；a为研究流域径流系数，无量纲；P为研究流域或者参证流域多年平均降雨量，单位为mm；F为研究流域面积，单位为Km²；在年均径流量计算的基础上，根据邻近水文站月径流量分配比得到设计年径流量的年内分配，采用水文比拟法直接移用附近水文站的月径流量分配比，乘以研究流域的设计年径流量，即得到设计年径流量的年内分配，以近10年最枯月平均流量和近三年枯水期平均流量作为研究流域容量计算的设计流量，得到控制断面汇水区域增加的径流量；对于流域中的主干河流控制断面流量的确定则根据已有水文站点流量数据，结合污染源调查废水流量、控制断面汇水区域增加的径流量及支流流量、支流汇水流量，根据水量平衡反推其上各控制断面的流量；(6)、水质模型参数率定、验证和应用，扣除各控制单元非点源污染物入河量，得到可利用水环境容量：对于小流域水环境容量计算通常采用一维水质模型，公式：C_x＝C_o·e^‑kx/u                 式(8)式中：C_x为预测断面的水质浓度，单位为mg/L；C_o为起始断面的水质浓度，单位为mg/L；K为水质综合降解系数；e是自然对数，x—断面间河段长，单位为km；u—河段平均流速，单位为m/s；选择现状没有排污口和支流汇入的河段，利用其枯水期实测资料对水质综合降解系数进行率定，降解系数计算公式：式(9)式中：C_上为上断面污染物浓度监测值，单位为mg/L；C_下为下断面污染物浓度监测值，单位为mg/L；x为河段长度，单位为km；u为河段平均流速，单位为m/s；K为水质综合降解系数；选取一河段，采用一维水质模型，利用已有水质监测数据对模型进行验证，水质模型经过验证后，利用该水质模型扣除各控制单元非点源入河量，计算得到各控制单元可利用环境容量。