CN110675091A - 一种城市地表径流污染物负荷计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种城市地表径流污染物负荷计算方法，根据汇水区的土地利用性质以及下垫面的条件，提出了透水区特征面积、不透水区特征面积和特征面积的计算模型，并建立了城市地表径流污染物负荷的计算模型，可快速估算不同降雨条件下各种污染物在地表径流下的污染负荷。

Description

一种城市地表径流污染物负荷计算方法
技术领域
本发明涉及城市水系工程领域，具体涉及一种城市地表径流污染物负荷计算方法。
背景技术
城市径流所产生的非点源污染是城市水质恶化的主要原因。分析不同降雨强度情况下的地表径流污染物总量，可为地表径流污染控制和城市水环境治理提供科学依据。
对于城区内不同子汇水区中污染物累积总量的估算，目前尚缺乏一种科学的、快速的以及高效的方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种城市地表径流污染物负荷计算方法，解决了城区内不同子汇水区中污染物累积总量估算的工程难题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种城市地表径流污染物负荷计算方法，包括以下步骤：
S1、根据研究区的土地利用分布图，将研究区内的透水区上的土地利用分为M类，将研究区内的不透水区上的土地利用分为N类；
S2、根据ArcGIS地理信息系统，计算透水区上每一类的面积，并计算不透水区上每一类的面积；
S3、根据监测数据得到污染物在透水区每一类土地上的最大堆积量以及污染物在不透水区每一类土地上的最大堆积量，并遍历出透水区和不透水区的污染物最大堆积量中的最大值，记为地面污染物堆积量最大值；
S4、通过监测得到研究区的降雨总量和各污染物累积负荷的样本数据集；
S5、根据特征面积模型，通过透水区上每一类的面积、不透水区上每一类的面积、污染物在透水区每一类土地上的最大堆积量、污染物在不透水区每一类土地上的最大堆积量和地面污染物堆积量最大值计算得到汇水区透水区特征面积和汇水区不透水区特征面积；
S6、根据线性回归算法，通过样本数据集、汇水区透水区特征面积和汇水区不透水区特征面积，训练得到汇水区特征面积计算模型；
S7、根据研究区监测得到的降雨总量、汇水区特征面积，通过城市地表径流污染物累计负荷的计算模型，得到城市地表径流污染物累计负荷的实际计算模型；
S8、根据城市地表径流污染物累计负荷的实际计算模型，计算不同降雨条件下研究区中各汇水区的各污染物的负荷情况。
进一步地：步骤S5中特征面积模型中的汇水区透水区特征面积表达式为：
Figure BDA0002235901550000021
其中，Sam为汇水区透水区特征面积，i为当前透水区类别标识，其值在区间[1，M]内，cmz[i]为污染物透水区在第i类土地上的最大堆积量，smz[i]为透水区上第i类的面积，Cmax为地面污染物堆积量最大值。
进一步地：步骤S5中特征面积模型中的汇水区不透水区特征面积表达式为：
其中，Siam为汇水区不透水区特征面积，j为当前不透水区类别标识，其值在区间[1，N]内，cimz[j]为污染物在不透水区第j类土地上的最大堆积量，simz[j]为不透水区第j类的面积，Cmax为地面污染物堆积量最大值。
进一步地：步骤S6包括以下步骤：
S61、建立污染物累积负荷、降雨总量、汇水区透水区特征面积和汇水区不透水区特征面积的多元线性表达式；
S62、根据最小二乘法，通过已求得的汇水区透水区特征面积和汇水区不透水区特征面积，以及事先监测得到的样本数据集，对多元线性表达式进行训练，率定出第一比例系数、第二比例系数和偏置系数；
S63、归一化第一比例系数和第二比例系数，得到透水区权重系数和不透水区权重系数；
S64、根据汇水区透水区特征面积、汇水区不透水区特征面积、透水区权重系数和不透水区权重系数，得到汇水区特征面积计算模型。
进一步地：步骤S61中污染物累积负荷、降雨总量、汇水区透水区特征面积和汇水区不透水区特征面积的多元线性表达式为：
MPload＝k1SamP+k2SiamP+bbias (3)
其中，污染物累积负荷MPload，降雨总量P，k1为第一比例系数，k2为第二比例系数，bbias为偏置系数，Sam为汇水区透水区特征面积，Siam为汇水区不透水区特征面积。
进一步地：步骤S63中归一化表达式为：
Figure BDA0002235901550000031
Figure BDA0002235901550000032
其中，k1为第一比例系数，k2为第二比例系数，wmz为透水区权重系数，wimz不透水区权重系数。
进一步地：步骤S64中汇水区特征面积计算模型表达式：
Sa＝wmzSam+wimzSiam (6)
其中，Sa汇水区特征面积，wmz为透水区权重系数，wimz不透水区权重系数，Sam为汇水区透水区特征面积，Siam为汇水区不透水区特征面积。
进一步地：步骤S7中城市地表径流污染物累计负荷的实际计算模型表达式：
MPload＝k·Sa·P+b (7)
其中，MPload为污染物累积负荷，P为降雨总量，Sa汇水区特征面积，k为比例系数，b为偏置因子，均由线性回归法，根据事先监测得到的样本数据集率定得到。
本发明的有益效果为：根据汇水区的土地利用性质以及下垫面的条件，提出了透水区特征面积、不透水区特征面积和特征面积的计算模型，并建立了城市地表径流污染物负荷的计算模型，可快速估算不同降雨条件下各种污染物在地表径流下的污染负荷。
附图说明
图1为一种城市地表径流污染物负荷计算方法流程示意图；
图2为研究区的土地利用分析图；
图3为污染物累积量实际值与预测值的对比图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种城市地表径流污染物负荷计算方法，包括以下步骤：
S1、根据研究区的土地利用分布图，将研究区内的透水区上的土地利用分为M类，将研究区内的不透水区上的土地利用分为N类；
如图2所示，在该研究区的土地利用有交通、耕地、居民地、工业用地、裸地和林地六种类别，而居民地归为屋面，交通和工业用地归为路面，裸地、林地和耕地归为绿地，由于屋面和路面不透水，绿地透水，故不透水区N＝2，透水区M＝1；
S2、根据ArcGIS地理信息系统，计算透水区上每一类的面积smz[i]，并计算不透水区上每一类的面积simz[j]，其中i为当前透水区类别标识，其值在区间[1，M]内，j为当前不透水区类别标识，其值在区间[1，N]内；
由ArcGIS信息得到smz[1]＝577.44hm2，simz[1]＝232.31hm2，simz[2]＝105.32hm2；
S3、根据监测数据得到污染物在透水区每一类土地上的最大堆积量cmz[i]以及污染物在不透水区每一类土地上的最大堆积量cimz[j]，并遍历出透水区和不透水区的污染物最大堆积量中的最大值，记为地面污染物堆积量最大值Cmax；
得到cmz[1]＝40kg/m2，cimz[1]＝170kg/m2，cimz[2]＝80kg/m2，故地面污染物堆积量最大值Cmax＝170kg/m2；
S4、通过监测得到研究区的降雨总量P和各污染物累积负荷MPload的样本数据集；
S5、根据特征面积模型，通过透水区上每一类的面积smz[i]、不透水区上每一类的面积simz[j]、污染物在透水区每一类土地上的最大堆积量cmz[i]、污染物在不透水区每一类土地上的最大堆积量cimz[j]、地面污染物堆积量最大值Cmax计算得到汇水区透水区特征面积Sam和汇水区不透水区特征面积Siam；
步骤S5中特征面积模型中的汇水区透水区特征面积Sam表达式为：
Figure BDA0002235901550000051
其中，i为当前透水区类别标识，其值在区间[1，M]内，cmz[i]为污染物透水区在第i类土地上的最大堆积量，smz[i]为透水区上第i类的面积。
步骤S5中特征面积模型中的汇水区不透水区特征面积Siam表达式为：
Figure BDA0002235901550000061
其中，j为当前不透水区类别标识，其值在区间[1，N]内，cimz[j]为污染物在不透水区第j类土地上的最大堆积量，simz[j]为不透水区第j类的面积。
S6、根据线性回归算法，通过样本数据集、汇水区透水区特征面积Sam和汇水区不透水区特征面积Siam，训练得到汇水区特征面积计算模型；
步骤S6包括以下步骤：
S61、建立污染物累积负荷MPload、降雨总量P、汇水区透水区特征面积Sam和汇水区不透水区特征面积Siam的多元线性表达式：
MPload＝k1SamP+k2SiamP+bbias (3)
其中，k1为第一比例系数，k2为第二比例系数，bbias为偏置系数。
S62、根据最小二乘法，通过已求得的汇水区透水区特征面积Sam和汇水区不透水区特征面积Siam，以及事先监测得到的样本数据集，对多元线性表达式进行训练，率定出第一比例系数k1、第二比例系数k2和偏置系数bbias；
S63、归一化第一比例系数k1和第二比例系数k2，得到透水区权重系数wmz和不透水区权重系数wimz；
Figure BDA0002235901550000062
Figure BDA0002235901550000063
S64、根据汇水区透水区特征面积Sam、汇水区不透水区特征面积Siam、透水区权重系数wmz和不透水区权重系数wimz，得到汇水区特征面积Sa计算模型。
步骤S64中汇水区特征面积Sa计算模型表达式：
Sa＝wmzSam+wimzSiam (6)
S7、根据研究区监测得到的降雨总量、汇水区特征面积，通过城市地表径流污染物累计负荷的计算模型，得到城市地表径流污染物累计负荷的实际计算模型；
步骤S7中城市地表径流污染物累计负荷的实际计算模型表达式：
MPload＝k·Sa·P+b (7)
其中，MPload为污染物累积负荷，k为比例系数，b为偏置因子，均由线性回归法，根据事先监测得到的样本数据集率定得到。
S8、根据城市地表径流污染物累计负荷的实际计算模型，计算不同降雨条件下研究区中各汇水区的各污染物的负荷情况。
表1特征面积与监测实际污染物累积总量
Figure BDA0002235901550000071
根据污染物累计负荷公式和表1中排水口对应汇水区的特征数据，率定系数k1＝0.0356，k2＝0.0339，b＝-74.34。
本发明根据城区内不同子汇水区的土地利用性质以及下垫面透水区和不透水区的条件，提出了特征面积的计算模型，并建立了城市地表径流污染物负荷的实际计算模型，可快速估算不同降雨条件下的污染物累积总量。
图3为不同降雨条件下TN(污染物)累积总量与特征体积关系曲线，汇水区特征面积Sa与降雨总量P乘积为特征体积，地表径流污染负荷TN与特征体积具有较好的线性关系，其中，TN的相关系数达到了0.96，不同降雨条件下，地表径流污染负荷与特征体积成正比。
因此，可以利用原型观测的数据拟合出，在观测条件下地表径流污染负荷和特征体积的计算公式，可预测不同降雨条件下地表径流污染负荷，从而可以大大的降低原型观测的工作量，并能快速计算出不同降雨条件下各汇水区的污染物负荷情况。

Claims (8)

1.一种城市地表径流污染物负荷计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据研究区的土地利用分布图，将研究区内的透水区上的土地利用分为M类，将研究区内的不透水区上的土地利用分为N类；
S2、根据ArcGIS地理信息系统，计算透水区上每一类的面积，并计算不透水区上每一类的面积；
S3、根据监测数据得到污染物在透水区每一类土地上的最大堆积量以及污染物在不透水区每一类土地上的最大堆积量，并遍历出透水区和不透水区的污染物最大堆积量中的最大值，记为地面污染物堆积量最大值；
S4、通过监测得到研究区的降雨总量和各污染物累积负荷的样本数据集；
S5、根据特征面积模型，通过透水区上每一类的面积、不透水区上每一类的面积、污染物在透水区每一类土地上的最大堆积量、污染物在不透水区每一类土地上的最大堆积量和地面污染物堆积量最大值计算得到汇水区透水区特征面积和汇水区不透水区特征面积；
S6、根据线性回归算法，通过样本数据集、汇水区透水区特征面积和汇水区不透水区特征面积，训练得到汇水区特征面积计算模型；
S7、根据研究区监测得到的降雨总量、汇水区特征面积，通过城市地表径流污染物累计负荷的计算模型，得到城市地表径流污染物累计负荷的实际计算模型；
S8、根据城市地表径流污染物累计负荷的实际计算模型，计算不同降雨条件下研究区中各汇水区的各污染物的负荷情况。
2.根据权利要求1所述的城市地表径流污染物负荷计算方法，其特征在于，所述步骤S5中特征面积模型中的汇水区透水区特征面积表达式为：
Figure FDA0002235901540000011
其中，Sam为汇水区透水区特征面积，i为当前透水区类别标识，其值在区间[1，M]内，cmz[i]为污染物透水区在第i类土地上的最大堆积量，smz[i]为透水区上第i类的面积，Cmax为地面污染物堆积量最大值。
3.根据权利要求1所述的城市地表径流污染物负荷计算方法，其特征在于，所述步骤S5中特征面积模型中的汇水区不透水区特征面积表达式为：
Figure FDA0002235901540000021
其中，Siam为汇水区不透水区特征面积，j为当前不透水区类别标识，其值在区间[1，N]内，cimz[j]为污染物在不透水区第j类土地上的最大堆积量，simz[j]为不透水区第j类的面积，Cmax为地面污染物堆积量最大值。
4.根据权利要求1所述的城市地表径流污染物负荷计算方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下步骤：
S61、建立污染物累积负荷、降雨总量、汇水区透水区特征面积和汇水区不透水区特征面积的多元线性表达式；
S62、根据最小二乘法，通过已求得的汇水区透水区特征面积和汇水区不透水区特征面积，以及事先监测得到的样本数据集，对多元线性表达式进行训练，率定出第一比例系数、第二比例系数和偏置系数；
S63、归一化第一比例系数和第二比例系数，得到透水区权重系数和不透水区权重系数；
S64、根据汇水区透水区特征面积、汇水区不透水区特征面积、透水区权重系数和不透水区权重系数，得到汇水区特征面积计算模型。
5.根据权利要求4所述的城市地表径流污染物负荷计算方法，其特征在于，所述步骤S61中污染物累积负荷、降雨总量、汇水区透水区特征面积和汇水区不透水区特征面积的多元线性表达式为：
MPload＝k1SamP+k2SiamP+bbias (3)
其中，污染物累积负荷MPload，降雨总量P，k1为第一比例系数，k2为第二比例系数，bbias为偏置系数，Sam为汇水区透水区特征面积，Siam为汇水区不透水区特征面积。
6.根据权利要求4所述的城市地表径流污染物负荷计算方法，其特征在于，所述步骤S63中归一化表达式为：
Figure FDA0002235901540000032
其中，k1为第一比例系数，k2为第二比例系数，wmz为透水区权重系数，wimz不透水区权重系数。
7.根据权利要求4所述的城市地表径流污染物负荷计算方法，其特征在于，所述步骤S64中汇水区特征面积计算模型表达式：
Sa＝wmzSam+wimzSiam (6)
其中，Sa汇水区特征面积，wmz为透水区权重系数，wimz不透水区权重系数，Sam为汇水区透水区特征面积，Siam为汇水区不透水区特征面积。
8.根据权利要求1所述的城市地表径流污染物负荷计算方法，其特征在于，所述步骤S7中城市地表径流污染物累计负荷的实际计算模型表达式：
MPload＝k·Sa·P+b (7)
其中，MPload为污染物累积负荷，P为降雨总量，Sa汇水区特征面积，k为比例系数，b为偏置因子，均由线性回归法，根据事先监测得到的样本数据集率定得到。
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