CN104217064A - 一种农村生活类面源负荷的空间展布方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种农村生活类面源负荷的空间展布方法及装置，利用GIS工具对数字高程模型进行河网数字化，根据Pfafstetter流域编码方法进行“计算单元”编码；通过建立时间-空间尺度下农村人口数量、地形因子以及负荷量之间的非线性关系，实现面源负荷的空间分布特征预测，该计算结果具有动态性和稳定性，模拟精度较高，是识别此类面源污染的有效方法，能够指导水环境保护部门“哪里有污染”、“哪里污染严重”、“哪里污染急需治理”并做出迅速、有效的响应。具有使用便捷性、可操作性等特点。

Description

一种农村生活类面源负荷的空间展布方法及装置

技术领域

本发明属于水环境技术领域，尤其涉及一种农村生活类面源负荷的空间展布方法及装置。 

背景技术

农村生活类面源负荷泛指由农村人口生活垃圾、粪便等产生的污染物，此类污染物主要包括有机物、氮、磷等。农村生活面源负荷通常采用经验取值法或借助数理统计等非物理机制方法进行研究。前者具有宏观性，需依靠经验公式或部分实验数据确定，受行政单元口径约束(如：以市、县等行政单元为主)；后者依靠完整、连续的环境统计数据，计算范围受行政单元和数据连续性限制，且无法实现农村生活类面源负荷的预测，运用数理统计法(如：人工神经网络法)，对农村人口面源负荷的数据之间的联系进行分析，分析结果物理机制性弱。通过上述两种方法进行农村人口面源负荷的预测，需依靠完整、连续的环境统计数据，一旦数据缺失，预测结果偏差大。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种农村生活类面源负荷的空间展布方法及装置，旨在解决上述背景技术中的不足。 

本发明是这样实现的，一种农村生活类面源负荷的空间展布方法，包括以 下步骤： 

S1、利用GIS工具对数字高程模型进行河网数字化，根据Pfafstetter流域编码方法进行“计算单元”编码； 

S2、建立时间-空间尺度下农村人口数量、地形因子以及农村生活类面源负荷之间的非线性关系； 

S3、利用Fortran语言进行编程将社会经济整体属性进行分割，并赋值给“计算单元”； 

S4、将Fortran语言运行结果导入GIS工具中，完成负荷空间分布图绘制。 

优选地，所述步骤S1包括以下具体步骤： 

收集栅格型数字高程模型DEM、实测河网、社会经济信息、下垫面类型、农村人口负荷定额信息； 

利用GIS软件对数字高程模型DEM数据进行填洼、生成流向并提取河道信息； 

利用实测河网修正DEM，获取“计算单元”面积信息； 

根据Pfafstetter流域编码方法对子流域进行编码。 

优选地，所述步骤S2包括以下具体步骤：利用WEQ分布式水质模型模拟农村人口负荷定额与农村人口、坡度信息、计算单元面积因素的非线性关系，并输出计算单元农村生活类面源负荷。 

优选地，在步骤S2中，所述农村人口数量、地形因子以及负荷量之间的非线性关系用函数定义为： 

$W=\mathrm{Quota}\×\mathrm{Pop}\×\mathrm{AREA}\×e^{[-a\×{(\mathrm{slop}/\mathrm{slop}\max )}^b]}/\mathrm{\ΣAREA}$

式中：Quota为农村人口负荷定额，Pop为农村人口，AREA为计算单元面 积，a、b为可调整参数；slop为坡度信息；slopmax为计算单元中坡度最大值。 

优选地，在步骤S3中，所述赋值的内容主要包括：下垫面类型、坡度、人口、农村人口负荷定额、计算单元面积。 

本发明进一步提供了一种农村生活类面源负荷的空间展布装置，包括： 

河网数字化模块，用于利用GIS工具对数字高程模型进行河网数字化，根据Pfafstetter流域编码方法进行“计算单元”编码； 

关系建立模块，用于建立时间-空间尺度下农村人口数量、地形因子以及农村生活类面源负荷之间的非线性关系； 

赋值模块，用于利用Fortran语言进行编程将社会经济整体属性进行分割，并赋值给“计算单元”； 

分布图绘制模块，用于将Fortran语言运行结果导入GIS工具中，完成负荷空间分布图绘制；其中， 

所述河网数字化模块、关系建立模块、赋值模块以及分布图绘制模块依次连接。 

优选地，所述河网数字化模块包括： 

信息收集模块，用于收集栅格型数字高程模型DEM、实测河网、社会经济信息、下垫面类型、农村人口负荷定额信息； 

河道信息提取模块，用于利用GIS软件对数字高程模型DEM数据进行填洼、生成流向并提取河道信息； 

面积信息计算模块，用于利用实测河网修正DEM，获取“计算单元”面积信息； 

子流域编码模块，用于根据Pfafstetter流域编码方法对子流域进行编码； 

其中，所述信息收集模块、河道信息提取模块、面积信息计算模块以及子流域编码模块依次连接。 

优选地，所述关系建立模块，用于利用WEQ分布式水质模型模拟农村人口负荷定额与农村人口、坡度信息、计算单元面积因素的非线性关系，并输出计算单元农村生活类面源负荷。 

优选地，所述农村人口数量、地形因子以及负荷量之间的非线性关系用函数定义为： 

$W=\mathrm{Quota}\×\mathrm{Pop}\×\mathrm{AREA}\×e^{[-a\×{(\mathrm{slop}/\mathrm{slop}\max )}^b]}/\mathrm{\ΣAREA}$

式中：Quota为农村人口负荷定额，Pop为农村人口，AREA为计算单元面积，a、b为可调整参数；slop为坡度信息；slopmax为计算单元中坡度最大值。 

优选地，所述赋值的内容主要包括：下垫面类型、坡度、人口、农村人口负荷定额、计算单元面积。 

本发明克服现有技术的不足，提供一种农村生活类面源负荷的空间展布方法及装置，利用GIS工具对数字高程模型进行河网数字化，根据Pfafstetter流域编码方法进行“计算单元”编码；通过建立时间-空间尺度下农村人口数量、地形因子以及负荷量之间的非线性关系，实现面源负荷的空间分布特征预测，该计算结果具有动态性和稳定性，模拟精度较高，是识别此类面源污染的有效方法，能够指导环境保护部门“哪里有污染”、“哪里污染严重”、“哪里污染急需治理”并做出迅速、有效的响应。具有使用便捷性、可操作性等特点。 

附图说明

图1是本发明农村生活类面源负荷的空间展布方法的步骤流程图； 

图2是本发明实施例中实测河网图； 

图3是本发明实施例中概化河网图； 

图4是本发明实施例中子流域划分及编码图； 

图5是本发明农村生活类面源负荷的空间展布装置的结构示意图； 

图6是本发明农村生活类面源负荷的空间展布装置中河网数字化模块的结构示意图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

一种农村生活类面源负荷的空间展布方法，如图1所示，包括以下步骤： 

S1、利用GIS工具对数字高程模型进行河网数字化，根据Pfafstetter流域编码方法进行“计算单元”编码 

在步骤S1中，更具体的，包括以下具体步骤： 

收集栅格型数字高程模型DEM、实测河网、社会经济信息、下垫面类型、人口负荷定额信息；栅格型数字高程模型DEM用于提取模拟河网；实测河网用于校核由DEM提取的模拟河网。模拟河网是为了将空间单元栅格化，是对空间连续属性的概化。数据来自美国地质调查局(USGS)EROS数据中心网站。 

社会经济信息主要包括农村人口、行政单元面积等，用于确定污染物的来源及污染物量。数据来自各省、市、县《统计年鉴》 

下垫面类型是指林地、草地、人口聚集地等土地利用类型，是识别农村人 口聚集的因子。数据由中国科学院地理科学与资源研究所提供。 

人口负荷定额用于估算农村生活面源负荷。数据来自各省、市、县《统计年鉴》、《水资源公报》、《环境统计年鉴》、《环境年鉴》等。 

利用GIS软件(GIS型号为Arcgis10.0)对数字高程模型DEM数据进行填洼、生成流向并提取河道信息(河道信息主要包括：上下游拓扑关系(即河流流向))。 

利用实测河网修正DEM，如图2和图3所示，获取“计算单元”面积信息，参照实测河网对模拟河网进行手动修复。 

根据Pfafstetter流域编码方法对子流域进行编码，如图4所示，具体操作可参见文献《基于DEM与实测河网的流域编码方法》(作者罗翔宇；期刊：水科学进展)。 

S2、建立时间-空间尺度下农村人口数量、地形因子以及负荷量之间的非线性关系 

在步骤S2中，利用WEQ分布式水质模型模拟农村人口负荷定额与农村人口、坡度信息、计算单元面积因素的非线性关系，并输出计算单元农村人口负荷定额。WEQ分布式水质模型可参考2篇文章： 

1、【NIU CUNWEN,JIA YANGWEN,WANG HAO,2011.Assessment of water quality under changing climate conditions in the Haihe River Basin,China.Proceedings of symposium H04held during IUGG2011in Melbourne,Australia,July2011(IAHSPubl.348,2011),165-171.】 

2、【贺华翔,周祖昊,牛存稳,王浩.基于二元水循环的流域分布式水质模型构建与应用[J].水利学报.2013.44(3):284-294.】 

其中，农村人口数量、地形因子以及负荷量之间的非线性关系用函数定义为： 

$W=\mathrm{Quota}\×\mathrm{Pop}\×\mathrm{AREA}\×e^{[-a\×{(\mathrm{slop}/\mathrm{slop}\max )}^b]}/\mathrm{\ΣAREA}$

式中：Quota为农村人口负荷定额，Pop为农村人口，AREA为计算单元面积，a、b为可调整参数；slop为坡度信息；slopmax为计算单元中坡度最大值。 

S3、利用Fortran语言进行编程，将社会经济整体属性进行分割，并赋值给“计算单元” 

在步骤S3中，例如：根据《统计年鉴》获得行政单元的农村人口(如：北京市农村人口50万)，地级市界内包含若干个“计算单元”(如：北京市包含1200个计算单元)，利用Fortran语言对上述公式进行编程处理，将50万人口分配到1200个“计算单元”内，使得每个“计算单元”具有农村人口这一属性。在步骤S3中，赋值的内容主要包括：下垫面类型、坡度、人口、用水效率。 

S4、将Fortran语言运行结果导入GIS工具中，完成负荷空间分布图绘制。 

本发明具有物理机制，可合理预测面源负荷空间分布特征，能应用于无环境统计资料条件下，农村生活类面源负荷空间分布规律反演。 

本发明进一步提供了一种农村生活类面源负荷的空间展布装置，如图5所示，包括： 

河网数字化模块1，用于利用GIS工具对数字高程模型进行河网数字化，根据Pfafstetter流域编码方法进行“计算单元”编码； 

关系建立模块2，用于建立时间-空间尺度下农村人口数量、地形因子以及农村生活类面源负荷之间的非线性关系； 

赋值模块3，用于利用Fortran语言进行编程将社会经济整体属性进行分割，并赋值给“计算单元”； 

分布图绘制模块4，用于将Fortran语言运行结果导入GIS工具中，完成负荷空间分布图绘制；其中， 

所述河网数字化模块1、关系建立模块2、赋值模块3以及分布图绘制模块4依次连接。 

在本发明实施例中，更具体的，所述河网数字化模块1，如图6所示，包括： 

信息收集模块11，用于收集栅格型数字高程模型DEM、实测河网、社会经济信息、下垫面类型、农村人口负荷定额信息； 

河道信息提取模块12，用于利用GIS软件对数字高程模型DEM数据进行填洼、生成流向并提取河道信息； 

面积信息计算模块13，用于利用实测河网修正DEM，获取“计算单元”面积信息； 

子流域编码模块14，用于根据Pfafstetter流域编码方法对子流域进行编码； 

其中，所述信息收集模块11、河道信息提取模块12、面积信息计算模块13以及子流域编码模块14依次连接。 

在本发明实施例中，更具体的，所述关系建立模块2，用于利用WEQ分布式水质模型模拟农村人口负荷定额与农村人口、坡度信息、计算单元面积因素的非线性关系，并输出计算单元农村生活类面源负荷。 

在本发明实施例中，所要保护的装置与上述方法向对应，以上述方法所记载内容同样解释本发明实施例所要保护装置，在此不再赘述。 

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果： 

(1)本发明具有物理机制，可合理预测农村生活类面源负荷空间分布特征。 

(2)本发明能应用于无环境统计资料条件下，农村生活类面源负荷空间分布规律反演。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种农村生活类面源负荷的空间展布方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、利用GIS工具对数字高程模型进行河网数字化，根据Pfafstetter流域编码方法进行“计算单元”编码；

S2、建立时间-空间尺度下农村人口数量、地形因子以及农村生活类面源负荷之间的非线性关系；

S3、利用Fortran语言进行编程将社会经济整体属性进行分割，并赋值给“计算单元”；

S4、将Fortran语言运行结果导入GIS工具中，完成负荷空间分布图绘制。

2.如权利要求1所述的农村生活类面源负荷的空间展布方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下具体步骤：

收集栅格型数字高程模型DEM、实测河网、社会经济信息、下垫面类型、农村人口负荷定额信息；

利用GIS软件对数字高程模型DEM数据进行填洼、生成流向并提取河道信息；

利用实测河网修正DEM，获取“计算单元”面积信息；

根据Pfafstetter流域编码方法对子流域进行编码。

3.如权利要求1所述的农村生活类面源负荷的空间展布方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下具体步骤：利用WEQ分布式水质模型模拟农村人口负荷定额与农村人口、坡度信息、计算单元面积因素的非线性关系，并输出计算单元农村生活类面源负荷。

4.如权利要求3所述的农村生活类面源负荷的空间展布方法，其特征在于，在步骤S2中，所述农村人口数量、地形因子以及负荷量之间的非线性关系用函数定义为：

$W=\mathrm{Quota}\×\mathrm{Pop}\×\mathrm{AREA}\×e^{[-a\×{(\mathrm{slop}/\mathrm{slop}\max )}^b]}/\mathrm{\ΣAREA}$

式中：Quota为农村人口负荷定额，Pop为农村人口，AREA为计算单元面积，a、b为可调整参数；slop为坡度信息；slopmax为计算单元中坡度最大值。

5.如权利要求1所述的农村生活类面源负荷的空间展布方法，其特征在于，在步骤S3中，所述赋值的内容主要包括：下垫面类型、坡度、人口、农村人口负荷定额、计算单元面积。

6.一种农村生活类面源负荷的空间展布装置，其特征在于包括：

河网数字化模块，用于利用GIS工具对数字高程模型进行河网数字化，根据Pfafstetter流域编码方法进行“计算单元”编码；

关系建立模块，用于建立时间-空间尺度下农村人口数量、地形因子以及农村生活类面源负荷之间的非线性关系；

赋值模块，用于利用Fortran语言进行编程将社会经济整体属性进行分割，并赋值给“计算单元”；

分布图绘制模块，用于将Fortran语言运行结果导入GIS工具中，完成负荷空间分布图绘制；其中，

所述河网数字化模块、关系建立模块、赋值模块以及分布图绘制模块依次连接。

7.如权利要求6所述的农村生活类面源负荷的空间展布装置，其特征在于，所述河网数字化模块包括：

信息收集模块，用于收集栅格型数字高程模型DEM、实测河网、社会经济信息、下垫面类型、农村人口负荷定额信息；

河道信息提取模块，用于利用GIS软件对数字高程模型DEM数据进行填洼、生成流向并提取河道信息；

面积信息计算模块，用于利用实测河网修正DEM，获取“计算单元”面积信息；

子流域编码模块，用于根据Pfafstetter流域编码方法对子流域进行编码；其中，

所述信息收集模块、河道信息提取模块、面积信息计算模块以及子流域编码模块依次连接。

8.如权利要求6所述的农村生活类面源负荷的空间展布方法，其特征在于，

所述关系建立模块，用于利用WEQ分布式水质模型模拟农村人口负荷定额与农村人口、坡度信息、计算单元面积因素的非线性关系，并输出计算单元农村生活类面源负荷。

9.如权利要求8所述的农村生活类面源负荷的空间展布方法，其特征在于，所述农村人口数量、地形因子以及负荷量之间的非线性关系用函数定义为：

$W=\mathrm{Quota}\×\mathrm{Pop}\×\mathrm{AREA}\×e^{[-a\×{(\mathrm{slop}/\mathrm{slop}\max )}^b]}/\mathrm{\ΣAREA}$

式中：Quota为农村人口负荷定额，Pop为农村人口，AREA为计算单元面积，a、b为可调整参数；slop为坡度信息；slopmax为计算单元中坡度最大值。

10.如权利要求6所述的农村生活类面源负荷的空间展布方法，其特征在于，所述赋值的内容主要包括：下垫面类型、坡度、人口、农村人口负荷定额、计算单元面积。