CN107392821B - 基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，包括：步骤1，准备数据；步骤2，识别出若干个行政区中的若干个污染排放响应单元及其对应的土地利用类型；步骤3，划分出控制单元，得到位于其内的多个污染排放响应单元，并计算所述若干个行政区内各个污染排放响应单元的面积；步骤4，计算所述若干个行政区内多类土地利用类型所对应的污染排放响应单元的多个参数的单位面积值；步骤5，计算所述若干个行政区内该多类土地利用类型所对应的污染排放响应单元的单位面积污染负荷量；步骤6，基于控制单元的边界，对其内的该多个污染排放响应单元的污染负荷进行统计和计算，得到所述控制单元的污染负荷量。

Description

基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法
技术领域
本发明属于水环境保护和环境管理技术领域，尤其涉及控制单元水质目标管理技术领域。
背景技术
控制单元水质目标管理技术是我国环境管理由目标总量管理模型向环境质量管理转变的重要支撑技术。秉承“分区、分类、分级、分期”管理模式，以保障流域水生态系统健康和提升水环境污染控制与管理决策支撑能力为核心，考虑社会经济发展水平，落实控制单元污染物排污许可管理，支撑我国环境管理进展。
流域控制单元是水污染控制和水环境管理的基础单元，包括水域和陆域两个部分。控制单元的划定，需以水生态功能区及其水质保护目标为依据，综合考虑流域汇水特征、行政区划、污染发生情况、监测数据完整状况以及计划制定成本等因素。控制单元划分是使复杂的流域系统性问题分解为相对独立的单元问题，易于进行水环境容量核算，排放总量分配的分割。通过解决控制单元内水环境问题和处理好单元间的关系，实现各控制单元的水质目标和流域整体水质目标，达到保护水体生态功能的目的。
控制单元水质目标管理的核心是把握污染源与环境质量的关系，定量管理措施与环境质量改善之间的对应关系，为环境管理提供依据，其中最核心的问题是控制单元内污染物产排量的核算，需要解析控制单元内污染物的产生量、削减量、排放量和入河量等。
从2014年开始，环境保护部开展基于控制单元的水质考核管理制度，地方逐步开展控制单元水质达标方案编制，但是由于控制单元兼具行政区和流域特征，很多的数据资料无法统一有效使用，很多时候仍采用比较简单粗放的方法，也使得该项工作仍然处于一种实施困难的境地。因此，如何将行政区数据统计资料落实到流域控制单元尺度，需要进行怎样的转化和核定，是一个需要解决的问题，现有的文献、规范和指南中也尚未见基于土地利用对控制单元污染源核定的相关说明信息。
发明内容
本发明目的是提出一种基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其可利用土地利用资料和现有统计资料进行控制单元污染负荷核定，从而有效支撑控制单元水质目标管理。
为实现上述目的，本发明提出一种基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其特点在于，包括：
步骤1，准备数据，至少包括收集与流域及行政区相关的空间数据、污染源数据和统计年鉴数据，其中所述空间数据至少包括土地利用数据、行政区划数据以及子流域数据；
步骤2，利用所述土地利用数据，识别出若干个行政区中的若干个污染排放响应单元及其对应的土地利用类型；
步骤3，利用所述行政区划数据及所述子流域数据，划分出控制单元，得到位于所述控制单元内的多个污染排放响应单元，并计算所述若干个行政区内各个所述污染排放响应单元的面积；
步骤4，利用所述统计年鉴数据，计算所述若干个行政区内多类土地利用类型所对应的污染排放响应单元的多个参数的单位面积值；
步骤5，利用所述污染源数据，计算所述若干个行政区内该多类土地利用类型所对应的污染排放响应单元的单位面积污染负荷量；
步骤6，基于所述控制单元的边界，对所述控制单元内的该多个污染排放响应单元的污染负荷进行统计和计算，得到所述控制单元的污染负荷量。
在本发明的一实施例中，所述的核定方法还包括：
步骤7，利用所述控制单元的水系数据、水文数据和水质数据，进行所述控制单元的污染物通量计算，以得到所述控制单元的污染负荷计算总量，并将其与实测得到的污染物通量进行对比校核。
在本发明的一实施例中，所述土地利用数据为遥感影像栅格数据或矢量数据，其至少具有能够分辨出各个所述污染排放响应单元的土地利用类型及其空间范围的土地利用特征；所述行政区划数据为矢量数据，其至少具有能够分辨出行政区域的空间范围的行政区划特征；所述水系数据为矢量数据，其至少具有能够体现出所述控制单元内的河流信息及水质目标断面信息的水系特征；所述子流域数据为矢量数据，其至少具有能够体现出所述流域的基本汇水特征的子流域特征；所述污染源数据包括污染源普查成果数据和环境统计数据，并能够全面覆盖所述若干个行政区，及至少全面覆盖生活污染源、工业污染源、农业污染源、渔业养殖污染源；所述统计年鉴数据能够全面覆盖所述若干个行政区，并至少包括不同行政区的相关人口、经济、农业、工业和渔业养殖的基础数据。
在本发明的一实施例中，在步骤2中，是通过对所述土地利用数据进行解译来识别出所述若干个行政区内各个所述污染排放响应单元及其对应的土地利用类型，其中所述土地利用类型至少全面覆盖所述污染源数据中位于主要排放指标前面的多类土地利用类型。
在本发明的一实施例中，在步骤3中，是通过所述子流域特征和所述行政区划特征来划分所述控制单元；并利用GIS工具，通过栅格数据计算或者矢量数据叠加的方法，得到位于所述控制单元内的该多个污染排放响应单元。
在本发明的一实施例中，在步骤4中，是通过整编所述统计年鉴数据，得到所述若干个行政区的不同行政区内该多类土地利用类型所对应的各类污染排放响应单元的基础数据，并汇总所述各类污染排放响应单元的面积，计算出所述若干个行政区内该多类土地利用类型所对应的各类污染排放响应单元的多个参数的单位面积值，从而得到所述若干个行政区的污染排放响应单元分布情况。
在本发明的一实施例中，在步骤5中，是通过整编所述若干个行政区内的所述污染源普查成果数据和所述环境统计数据，结合所述若干个行政区的污染排放响应单元的分布情况，计算出所述若干个行政区内该多类土地利用类型所对应的各类污染排放响应单元的污染负荷量，然后计算出所述各类污染排放响应单元的单位面积的污染负荷量，从而得到所述若干个行政区的污染负荷分布情况。
在本发明的一实施例中，在步骤6中，是以所述控制单元为边界，统计所述控制单元内该多个污染排放响应单元所对应的土地利用类型和面积，考虑所述各类污染排放响应单元的单位面积的污染负荷量，并进行汇总计算得到所述控制单元的污染负荷量。
在本发明的一实施例中，在步骤7中包括，利用所述控制单元的水系数据，计算所述控制单元内各个所述污染排放响应单元的坡度和水质考核断面距离，用以进行所述控制单元的污染物通量计算，其中所述坡度为所述污染排放响应单元汇入下游断面路径的比降，所述水质考核断面距离为所述污染排放响应单元距离下游断面的距离。
在本发明的一实施例中，在步骤3中，是通过将所述子流域数据和所述行政区划数据的面状数据进行叠加或切割，从而得到所述控制单元；并通过将所述若干个行政区的该若干个污染排放响应单元的面状数据与所述控制单元进行叠加或切割，从而得到位于所述控制单元内的该多个污染排放响应单元。
本发明通过将行政区统计数据按照土地利用转换成更小尺度的污染排放响应单元的参数，并充分考虑了流域内行政区与自然流域空间不一致的特点，以及行政区内人口、经济发展、土地利用开发模式不同的特点，协调了行政区和流域的空间关系，更好地解决了流域控制单元污染负荷估算的问题，从而为控制单元水质目标管理提供了有效的支撑。
附图说明
图1是本发明的一较佳的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法的流程图；
图2是本发明的行政区土地利用分布情况示意图，其中示出了若干个行政区内的若干个污染排放响应单元，每一污染排放响应单元对应一土地利用类型；
图3是本发明的行政区和子流域分布情况示意图；
图4是本发明的控制单元的示意图；
图5是本发明的控制单元内的土地利用分布情况示意图，其中示出了位于控制单元内的多个污染排放响应单元。
具体实施方式
下面结合图1～图5详细说明本发明的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其主要是利用土地利用资料和现有统计资料进行控制单元污染负荷核定，从而有效支撑控制单元水质目标管理。
如图1所示，本发明的一较佳的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法主要包括：
步骤1，准备数据，至少包括收集与流域及行政区相关的空间数据、污染源数据和统计年鉴数据，其中所述空间数据至少包括土地利用数据、行政区划数据以及子流域数据；
步骤2，利用所述土地利用数据，识别出若干个行政区中的若干个污染排放响应单元及其对应的土地利用类型；
步骤3，利用所述行政区划数据及所述子流域数据，划分出控制单元，得到位于所述控制单元内的多个污染排放响应单元，并计算所述若干个行政区内各个所述污染排放响应单元的面积；
步骤4，利用所述统计年鉴数据，计算所述若干个行政区内多类土地利用类型所对应的污染排放响应单元的多个参数的单位面积值；
步骤5，利用所述污染源数据，计算所述若干个行政区内该多类土地利用类型所对应的污染排放响应单元的单位面积污染负荷量；
步骤6，基于所述控制单元的边界，对所述控制单元内的该多个污染排放响应单元的污染负荷进行统计和计算，得到所述控制单元的污染负荷量。
在本发明的另一实施例中，所述的核定方法还可进一步包括：
步骤7，利用所述控制单元的水系数据、水文数据和水质数据，进行所述控制单元的污染物通量计算，以得到所述控制单元的污染负荷计算总量，并将其与实测得到的污染物通量进行对比校核。
在本发明中，所准备的数据的要求如下：
所述土地利用数据，可为遥感影像栅格数据或矢量数据，要求其至少具有能够分辨出各个所述污染排放响应单元的土地利用类型及其空间范围的土地利用特征，例如要能够分辨出居住区、工业区、农田等基本类型。其中，所述遥感影像栅格数据的精度要求不大于15米，所述矢量数据要求1:50000。
所述行政区划数据，可为区县、乡镇、村级矢量数据，其精度可不做具体要求，但要求其至少具有能够分辨出行政区域的空间范围的行政区划特征，即要求能够分辨出区县、乡镇、村的边界。
所述水系数据，可为矢量数据，其精度可不做具体要求，但要求其至少具有能够体现出所述控制单元内的河流信息及水质目标断面信息的水系特征。
所述子流域数据，可为矢量数据，其精度可不做具体要求，但要求其至少具有能够体现出所述流域的基本汇水特征的子流域特征。
所述污染源数据，可包括污染源普查成果数据和环境统计数据(例如由环保局每年上报的数据)，并要求能够全面覆盖所述若干个行政区，及至少全面覆盖生活污染源、工业污染源、农业污染源、渔业养殖污染源。
所述统计年鉴数据，要求与控制单元使用行政区要求吻合，即要求能够全面覆盖所述若干个行政区，并至少包括不同行政区的相关人口、经济、农业、工业和渔业养殖的基础数据。
在步骤2中，可以通过对所述土地利用数据进行解译来识别出所述若干个行政区内各个所述污染排放响应单元及其对应的土地利用类型，其中所述土地利用类型至少全面覆盖所述污染源数据中位于主要排放指标前面的多类土地利用类型。
如图2所示，即示出了本发明的行政区土地利用分布情况，其中示出了整个行政区10(如图3所示，可包括行政区101、102及103)内的若干个污染排放响应单元11，每一污染排放响应单元11是对应一土地利用类型，例如可包括农田、居住区、山区、工业区、林地、矿山、绿地、鱼塘等基本类型。
在步骤3中，可通过所述子流域特征和所述行政区划特征来划分所述控制单元；并可利用GIS工具，通过栅格数据计算或者矢量数据叠加的方法，得到位于所述控制单元内的该多个污染排放响应单元。
例如，可通过将所述子流域数据和所述行政区划数据的面状数据进行叠加或切割，如图3所示，将整个行政区10(包括若干个行政区101～103)与流域20(包括若干个子流域201～204)进行图层空间叠加，可得到如图4所示的控制单元30；并通过将所述若干个行政区的该若干个污染排放响应单元的面状数据(如图2所示)与所述控制单元30(如图4所示)进行叠加或切割，从而得到位于所述控制单元内的多个污染排放响应单元11(如图5所示)，这些污染排放响应单元11均具有行政区属性、流域属性和土地利用属性，即具有所述行政区划特征、子流域特征和土地利用特征。
本发明中的污染排放响应单元的属性例如可如下表所示：
Figure BDA0001341959650000071
Figure BDA0001341959650000072
在步骤4中，可通过整编所述统计年鉴数据，得到所述若干个行政区的不同行政区内该多类土地利用类型所对应的各类污染排放响应单元的基础数据，并汇总所述各类污染排放响应单元的面积，计算出所述若干个行政区内该多类土地利用类型所对应的各类污染排放响应单元的多个参数的单位面积值，从而得到所述若干个行政区的污染排放响应单元分布情况。
其中，例如可参照统计年鉴数据，统计行政区统计人口数量、工业区资料、农田、鱼塘、矿山等统计资料，与行政区内居民区面积、工业区面积、农田面积、鱼塘面积、矿山面积等进行比较，得到各个污染排放响应单元的居民区居住密度、工业区特征参数、农田特征参数、鱼塘特征参数、矿山参数等。并通过整编统计年鉴数据，得到不同行政区内多类土地利用类型所对应的各类污染排放响应单元的相关人口、经济、农业、工业、渔业养殖等基础数据。由此可计算出所述若干个行政区内该多类土地利用类型所对应的各类污染排放响应单元的多个参数(例如包括但不限于人口密度、经济产值、农田产量、工业产值等)的单位面积值，例如可计算出：
Figure BDA0001341959650000081
Figure BDA0001341959650000082
Figure BDA0001341959650000083
Figure BDA0001341959650000084
Figure BDA0001341959650000085
其中：
Figure BDA0001341959650000086
为i行政区k类土地单位面积人口密度(万人/km2)；Pi,k为i行政区k类土地人口(万人)；
Figure BDA0001341959650000087
为i行政区k类土地单位面积工业产值(万元/km2)；G1i,k为i行政区k类土地工业总产值(万元)；
Figure BDA0001341959650000088
为i行政区k类土地单位面积农作物产量(kg/亩)；G2i,k为i行政区k类土地农作物总产量(kg)；
Figure BDA0001341959650000089
为i行政区k类土地单位面积渔业养殖产量(kg/亩)；G3i,k为i行政区k类土地渔业总产量(kg)；AAi,k为i行政区k类土地面积(km2)；Ai,j,k为i行政区j子流域k类土地响应单元面积(km2)；n为子流域总数。
在本实施例中，对于k＝7～10类的例如林地、绿地、矿山和水体的土地利用类型的污染排放响应单元，其污染物排放可忽略不计。当然，可以理解的是，在其它实施例中，也可以对这些类型的污染排放响应单元进行统计和计算，这些并不作为对本发明的限制。
在步骤5中，是通过整编所述若干个行政区内的所述污染源普查成果数据和所述环境统计数据，结合所述若干个行政区的污染排放响应单元的分布情况，计算出所述若干个行政区内该多类土地利用类型所对应的各类污染排放响应单元的污染负荷量，然后计算出所述各类污染排放响应单元的单位面积的污染负荷量，从而得到所述若干个行政区的污染负荷分布情况。
例如，可计算出：
Figure BDA0001341959650000091
Figure BDA0001341959650000092
Figure BDA0001341959650000093
Figure BDA0001341959650000094
其中，W0i,j,k,l为i行政区j子流域k类土地生活污染l类污染物排放量(kg)；W1i,j,k,l为i行政区j子流域k类土地工业污染l类污染物排放量(kg)；W2i,j,k,l为i行政区j子流域k类土地种植污染l类污染物排放量(kg)；W3i,j,k,l为i行政区j子流域k类土地水产养殖污染l类污染物排放量(kg)；Ai,j,k为i行政区j子流域k类土地响应单元面积(km2)；Ci,k,l为i行政区k类土地响应单元l类污染物排放系数(kg/单位)，可根据污染源普查成果数据或者环境统计成果数据得到。
在步骤6中，是以所述控制单元为边界，统计所述控制单元内该多个污染排放响应单元所对应的土地利用类型和面积，考虑所述各类污染排放响应单元的单位面积的污染负荷量，并进行汇总计算得到所述控制单元的污染负荷量。
例如，可计算出：
Figure BDA0001341959650000095
Figure BDA0001341959650000096
Figure BDA0001341959650000097
Figure BDA0001341959650000101
W01u,k,l为u控制单元k类土地生活污染l类污染物排放量(kg)；W11u,k,l为u控制单元k类土地工业污染l类污染物排放量(kg)；W21u,k,l为u控制单元k类土地农业种植污染l类污染物排放量(kg)；W31u,k,l为u控制单元k类土地水产养殖污染l类污染物排放量(kg)；m,n为控制单元u分别涉及行政区和子流域的个数。
在步骤7中，还包括，利用所述控制单元的水系数据，计算所述控制单元内各个所述污染排放响应单元的坡度和水质考核断面距离，用以进行所述控制单元的污染物通量计算，其中所述坡度为所述污染排放响应单元汇入下游断面路径的比降，所述水质考核断面距离为所述污染排放响应单元距离下游断面的距离。
例如，可计算出：
Figure BDA0001341959650000102
Figure BDA0001341959650000103
其中，WQr,l为汇入r断面l类污染物总量(kg)；Wr,k,l为所有汇入r断面的控制单元k类土地利用l类污染物排放量(kg)；f(k,x,s)为流达率函数，无量纲；x为u控制单元距离下游断面的距离(km)；s为u控制单元k类土地利用响应单元汇入下游断面路径的比降(％)；n1为汇入r断面的所有控制单元数目；n2为汇入r断面的控制单元包含的土地利用类型数目。
通过WQr,l可以与实测河流污染物通量进行对比校核。
本发明通过将行政区统计数据按照土地利用转换成更小尺度的污染排放响应单元的参数，并充分考虑了流域内行政区与自然流域空间不一致的特点，以及行政区内人口、经济发展、土地利用开发模式不同的特点，协调了行政区和流域的空间关系，更好地解决了流域控制单元污染负荷估算的问题，从而为控制单元水质目标管理提供了有效的支撑。
当然，本发明在细节处理方面还有很大的选择余地，或者有不同的处理方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其特征在于，包括：
步骤1，准备数据，至少包括收集与流域及行政区相关的空间数据、污染源数据和统计年鉴数据，其中所述空间数据至少包括土地利用数据、行政区划数据以及子流域数据；
步骤2，利用所述土地利用数据，识别出若干个行政区中的若干个污染排放响应单元及其对应的土地利用类型；
步骤3，利用所述行政区划数据及所述子流域数据，划分出控制单元，得到位于所述控制单元内的多个污染排放响应单元，并计算所述若干个行政区内各个所述污染排放响应单元的面积；
步骤4，利用所述统计年鉴数据，计算所述若干个行政区内多类土地利用类型所对应的污染排放响应单元的多个参数的单位面积值；
步骤5，利用所述污染源数据，计算所述若干个行政区内该多类土地利用类型所对应的污染排放响应单元的单位面积污染负荷量；
步骤6，基于所述控制单元的边界，对所述控制单元内的该多个污染排放响应单元的污染负荷进行统计和计算，得到所述控制单元的污染负荷量；
其中，所述土地利用数据为遥感影像栅格数据或矢量数据，其至少具有能够分辨出各个所述污染排放响应单元的土地利用类型及其空间范围的土地利用特征；所述行政区划数据为矢量数据，其至少具有能够分辨出行政区域的空间范围的行政区划特征；所述子流域数据为矢量数据，其至少具有能够体现出所述流域的基本汇水特征的子流域特征；所述污染源数据包括污染源普查成果数据和环境统计数据，并能够全面覆盖所述若干个行政区，及至少全面覆盖生活污染源、工业污染源、农业污染源、渔业养殖污染源；所述统计年鉴数据能够全面覆盖所述若干个行政区，并至少包括不同行政区的相关人口、经济、农业、工业和渔业养殖的基础数据。
2.根据权利要求1所述的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其特征在于，所述的核定方法还包括：
步骤7，利用所述控制单元的水系数据、水文数据和水质数据，进行所述控制单元的污染物通量计算，以得到所述控制单元的污染负荷计算总量，并将其与实测得到的污染物通量进行对比校核。
3.根据权利要求2所述的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其特征在于，
所述水系数据为矢量数据，其至少具有能够体现出所述控制单元内的河流信息及水质目标断面信息的水系特征。
4.根据权利要求3所述的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其特征在于，在步骤2中，是通过对所述土地利用数据进行解译来识别出所述若干个行政区内各个所述污染排放响应单元及其对应的土地利用类型，其中所述土地利用类型至少全面覆盖所述污染源数据中位于主要排放指标前面的多类土地利用类型。
5.根据权利要求4所述的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其特征在于，在步骤3中，是通过所述子流域特征和所述行政区划特征来划分所述控制单元；并利用GIS工具，通过栅格数据计算或者矢量数据叠加的方法，得到位于所述控制单元内的该多个污染排放响应单元。
6.根据权利要求5所述的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其特征在于，在步骤4中，是通过整编所述统计年鉴数据，得到所述若干个行政区的不同行政区内该多类土地利用类型所对应的各类污染排放响应单元的基础数据，并汇总所述各类污染排放响应单元的面积，计算出所述若干个行政区内该多类土地利用类型所对应的各类污染排放响应单元的多个参数的单位面积值，从而得到所述若干个行政区的污染排放响应单元分布情况。
7.根据权利要求6所述的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其特征在于，在步骤5中，是通过整编所述若干个行政区内的所述污染源普查成果数据和所述环境统计数据，结合所述若干个行政区的污染排放响应单元的分布情况，计算出所述若干个行政区内该多类土地利用类型所对应的各类污染排放响应单元的污染负荷量，然后计算出所述各类污染排放响应单元的单位面积的污染负荷量，从而得到所述若干个行政区的污染负荷分布情况。
8.根据权利要求7所述的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其特征在于，在步骤6中，是以所述控制单元为边界，统计所述控制单元内该多个污染排放响应单元所对应的土地利用类型和面积，考虑所述各类污染排放响应单元的单位面积的污染负荷量，并进行汇总计算得到所述控制单元的污染负荷量。
9.根据权利要求8所述的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其特征在于，在步骤7中包括，利用所述控制单元的水系数据，计算所述控制单元内各个所述污染排放响应单元的坡度和水质考核断面距离，用以进行所述控制单元的污染物通量计算，其中所述坡度为所述污染排放响应单元汇入下游断面路径的比降，所述水质考核断面距离为所述污染排放响应单元距离下游断面的距离。
10.根据权利要求5～9任一权利要求所述的基于污染排放响应单元的控制单元污染负荷核定方法，其特征在于，在步骤3中，是通过将所述子流域数据和所述行政区划数据的面状数据进行叠加或切割，从而得到所述控制单元；并通过将所述若干个行政区的该若干个污染排放响应单元的面状数据与所述控制单元进行叠加或切割，从而得到位于所述控制单元内的该多个污染排放响应单元。
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