CN110991007A - 海岸带环境污染模拟方法 - Google Patents

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CN110991007A CN201911086864.9A CN201911086864A CN110991007A CN 110991007 A CN110991007 A CN 110991007A CN 201911086864 A CN201911086864 A CN 201911086864A CN 110991007 A CN110991007 A CN 110991007A
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白风亭
谢子书
于京要
崔福占
曹华音
田海军
李文清
单长河
梁发彪
朱艳明
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Hebei University of Water Resources and Electric Engineering
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Abstract

本发明于海岸带生态环境评价领域，尤其涉及海岸带环境污染模拟方法，其中，包括降雨径流模型模拟、农村污染物负荷估算、工业污染物估算和子区域污染物元素排放量分布；降雨径流模型模拟包括选取降雨量资料、确定降雨重现期、降雨径流关系验证；农村污染物负荷估算包括农村居民生活污染、牲畜养殖、禽类养殖、海水养殖、淡水养殖、田间施肥和工业排放污染源估算。本发明的有益效果：将海岸带范围内与污染物负荷有关的主要因素进行概化，建立一套完整的海岸带污染物负荷估算体系，分析海岸带范围内的污染物负荷水平现状。

Description

海岸带环境污染模拟方法
技术领域
本发明于海岸带生态环境评价利用领域，尤其涉及海岸带环境污染模拟方法。
背景技术
我国北部、南部沿海发达地区已经历了发展-污染-治理-保护的过程，近年来我国更加注重生态环境保护，将生态环境保护放在十分优先的地位。与我国北部和南部沿海发达地区相比，渤海新区地区城市化进程及总体开发利用水平还较低，目前以港口建设、城市拓展为主，后期将承载更多企业和其他建设项目。当前的经济发展水平对生态环境的影响及造成的问题尚没有充分显现，但随着沿海滩涂、区域湿地面积的占用，经济发展与生态环境保护间的矛盾将越来越突出。海岸带区范围内与生态环境有关的主要因素多，缺少一套完整的海岸带生态环境承载能力估算体系，无法分析渤海新区范围内的生态环境承载能力现状。
发明内容
为要解决的上述问题，本发明提供海岸带环境污染模拟方法。
海岸带环境污染模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：降雨径流模型模拟；
步骤2：农村污染物负荷估算；
步骤3：工业污染物估算；
步骤4：子区域污染物元素排放量分布。
优选地，在步骤1前还包括数据处理步骤。
优选地，在步数据处理步骤包括降雨数据处理、网格划分、子区域划分、污染物数据处理、生态性指标确定。
优选地，步骤1中降雨径流模型模拟包括选取降雨量资料、确定降雨重现期、降雨径流关系验证。
优选地，步骤2农村污染物负荷估算包括农村居民生活污染、牲畜养殖、禽类养殖、海水养殖、淡水养殖、田间施肥和工业排放污染源估算。
优选地，工业污染物估算采用同类产业的总值进行平均分配估算。
优选地，子区域污染物元素排放量分布是指各村庄的污染物排放量转换为子流域的污染物元素排放量。
优选地，各村庄的污染物排放量转换为子流域的污染物排放量，具体步骤为：(1)对于非点源污染，将村庄作为样点，利用泰森多边形，分配各网格单元的污染物排放量；(2)对于工业污染，将其污染物排直接叠加在污染企业所在单元网格上；(3)将子区域内各网格单元的污染物排放量相加，得到各子区域的污染物排放量。
优选地，确定降雨重现期具体按照频率分析分析方法，得到不同频率的设计雨量。
优选地，降雨标准选取5年、50年一遇分别反映常遇多水年，稀遇丰水年的情况。
本发明的有益效果：将海岸带范围内与污染物负荷有关的主要因素进行概化，建立一套完整的海岸带污染物负荷估算体系，分析海岸带范围内的污染物负荷水平现状。
附图说明
图1是海岸带环境污染模拟方法的流程图；
图2是实施例1研究区域位置图；
图3是雨量站的位置图；
图4是沧州站、黄骅站、海兴站、盐山站的逐月降雨量柱状图；(a)沧州站2015年逐月降雨量；(b)黄骅站2015年逐月降雨量；(c)海兴站2015年逐月降雨量；(d)盐山站 2015年逐月降雨量；
图5是对渤海新区海岸带子区域划分示意图；
图6是渤海新区海岸带河道分级及河流流向示意图；
图7是1986～2015年逐年降雨量图柱状图；
图8是暴雨累计频率曲线图；
图9是现状各乡镇的各类污染物排放量柱状图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做出说明。
海岸带环境污染模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：降雨径流模型模拟；
步骤2：农村污染物负荷估算；
步骤3：工业污染物估算；
步骤4：子区域污染物元素排放量分布。
在步骤1前还包括数据处理步骤。
在步数据处理步骤包括降雨数据处理、网格划分、子区域划分、污染物数据处理、生态性指标确定。
步骤1中降雨径流模型模拟包括选取降雨量资料、确定降雨重现期、降雨径流关系验证。
步骤2农村污染物负荷估算包括农村居民生活污染、牲畜养殖、禽类养殖、海水养殖、淡水养殖、田间施肥和工业排放污染源估算。
工业污染物估算采用同类产业的总值进行平均分配估算。
子区域污染物元素排放量分布是指各村庄的污染物排放量转换为子流域的污染物元素排放量。
各村庄的污染物排放量转换为子流域的污染物排放量，具体步骤为：(1)对于非点源污染，将村庄作为样点，利用泰森多边形，分配各网格单元的污染物排放量；(2)对于工业污染，将其污染物排直接叠加在污染企业所在单元网格上；(3)将子区域内各网格单元的污染物排放量相加，得到各子区域的污染物排放量。
确定降雨重现期具体按照频率分析分析方法，得到不同频率的设计雨量。
降雨标准选取5年、50年一遇分别反映常遇多水年、稀遇丰水年的情况。
实施例1
渤海新区海岸带为例进行海岸带环境污染模拟
研究区域选定为沧州市海兴县、黄骅市及其以北10km范围内的区域。东起渤海湾岸线 (东经117°52’)，西至黄骅市、海兴县行政边界(东经117°04’)，南以漳卫新河为边界(北纬37°55’)，北以港中公路、徐太公路、太沙路、红旗路、西图堤路及创新路为界(北纬38°40’)。
研究区域内主要河流有子牙河、北排河、南排河及漳卫新河，主要水库有沙井子水库、南大港水库、杨埕水库等。
研究区域的资源条件
(1)土地资源
渤海新区除拥有290km2的滩涂和大面积、临港口的浅海外，还拥有88万亩建设用地和108万亩的未利用地。工业用地按现状条件和产业园区建设规划的布局。
(2)海洋资源
渤海湾有丰富的油气资源。由于渤海湾为陆上黄骅含油凹陷的自然延伸地带，生油凹陷面积大，第三系沉积厚，含油前景很大，为中国油气资源较丰富的海域之一。
地下热水、煤气资源也丰富。渤海新区海岸带滩涂广阔，潮间带宽达3～7.3km，淤泥滩蓄水条件好，利于盐业开发。长芦盐区是中国最大盐场，盐产量占全国的1/3。海洋生物种类丰富，是我国黄、渤海地区大型洄游经济鱼虾类和各种地方性经济鱼虾蟹类产卵、繁育、索饵、育肥、生长的良好场所。有各种海洋生物600余种，其中，有较高经济价值的种类30余种；适宜筏式养殖的浅海面积22万余hm2，适宜底播养殖的浅海和潮间带面积5万余hm2，适宜养殖池塘的潮间带面积6万余hm2。
(3)生物资源
渤海新区光热较为充足，且地处亚洲候鸟迁徙必经路线，所以生物种类相当繁多，以动物和盐地动物为主。湿地芦苇、禾本科及莎草科植物在植被中占主要地位，区内哺乳动物的种类和数量都较少，浮游动物、底栖动物、鱼类和鸟类等相当丰富。
进行海岸带生态环境承载能力估算之前需要进行数据处理，数据处理包括降雨数据处理、网格划分、子区域划分、污染物数据处理、生态性指标确定。降雨数据处理
对于研究区域降雨计算的入流采用面雨量网格、河段入流方式，根据可获得的河北省4 个雨量站的2015年全年的降雨过程进行相关计算。雨量站的位置如图2所示。雨量站的位置坐标等信息见表1。图4为沧州站、黄骅站、海兴站、盐山站的逐月降雨量。
表1雨量站坐标位置
站号 站名 经度/度 纬度/度 X坐标/m Y坐标/m
54616 沧州站 116.85 38.35 487149.170 4246688.516
54624 黄骅站 117.32 38.4 528212.586 4252191.860
54628 海兴站 117.48 38.15 542605.948 4224675.138
54627 盐山站 117.14 38.02 511914.220 4209858.442
网格划分
按300m尺度划分任意网格，划分网格后生成结点28900个，单元33345个，通道62244 条。网格划分方法为：(1)找到概化后平原河网中所有的河道交点，在交点处打断，形成多个河道线段；(2)将每条河道线段以300m尺度均匀化，对于不足300m的河道线段进行适当调整；(3)将等分后的河道线段连接为封闭多边形，以每个封闭多边形为控制边界进行网格划分。
子区域划分
由于非点源污染具有动态性和空间差异性，为明确非点源污染的空间量化关系及随河网产汇流过程的迁移变化，从而得到非点源污染在空间尺度上的分布规律以及在时间尺度上的迁移规律，本文对研究区域在已划分的网格的基础上进行子区域的划分。同时，通过划分子区域，还可确定在各单元网格处产生的径流进入平原河网的汇流方向及污染物进入平原河网的分配方式。在进行研究区域降雨径流模拟以及污染物迁移模拟时，在同一子区域内的网格单元处所产生的径流及污染物全部汇入相应子区域内的唯一河道。子区域之间的汇流关系与河道间的汇流关系一致，对河道进行分级拟序处理。
在研究区域平原河网及单元网格的基础上可实现对研究区域子区域的划分，最终形成子区域397个，见图5。
子区域的划分方法为：
(1)利用单元网格的形心坐标，计算划分的各单元网格形心与研究区域平原河网内每条河道的距离，与网格形心距离最短的河道即为该网格的汇入河道，需确保每个单元网格仅有一条汇入河道；
(2)将汇入同一河道的单元网格合并，形成包含该河道的子区域；
(3)对合并过程中出现的不合理的网格与汇入河道的对应情况进行适当调整；
(4)对生成的子区域进行编号，与平原河网中河道编号一一对应。子区域中河道的流向决定了子区域之间的汇流关系，即子区域之间的衔接与河道的流动方向一致,见图6，子流域间通道衔接情况见表2。
表2子流域间通道衔接情况
Figure BDA0002265678880000041
污染物
利用沧州、黄骅近年统计资料，对计算污染物所需各项数据进行统计。农村与污染有关的因素包括人口、牲畜、种植(养殖)面积、化肥与农药使用量等。
黄骅市南排河镇典型统计情况见表3。
表3村庄污染物分布
Figure BDA0002265678880000042
Figure BDA0002265678880000051
续表3村庄污染物分布
Figure BDA0002265678880000052
生态评价指标确定
根据PSR模型评价指标选择原则，结合研究区域的实际情况及资料可获得情况，将PSR 模型评价指标体系见表4。
表4 PSR模型评价指标
Figure BDA0002265678880000061
续表4 PSR模型评价指标
Figure BDA0002265678880000062
Figure BDA0002265678880000071
以上为前期数据处理步骤
海岸带环境污染模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：海岸带环境污染模拟，包括降雨径流模型模拟、农村污染物负荷估算、工业污染物估算和子区域污染物元素排放量分布；
降雨径流模型模拟
(1)降雨量资料
利用区域内沧州站、黄骅站和海兴站3个雨量站的2015年全年的逐日降雨监测数据，按各部控制面积反映不同区域的防雨量。逐月降雨量见表5。
表5各雨量站2015年降雨资料统计单位：mm
Figure BDA0002265678880000072
Figure BDA0002265678880000081
降雨重现期
利用1986～2015年长系列降雨资料，按照频率分析分析方法，得到不同频率的设计雨量。降雨标准选取5年、50年一遇，分别反映常遇多水年，稀遇丰水年的情况。
系列降雨情况见图7。
由上述系列通过频率分析得到频率曲线，见图8。
暴雨累计频率曲线的主要参数和典型频率的设计值见表6。
表6年降雨频率统计参数及设计成果表
Figure BDA0002265678880000082
采用滑动截取方法，选取5年一遇和50年一遇典型过程中最大1小时、6小时、12小时、24小时、48小时、72小时的最大雨量。不同频率不同时段雨量成果见7。
表7不同时段的最大雨量
时间 72小时 48小时 24小时 12小时 6小时 1小时
5年一遇 179.1 179.1 174.7 171.6 146.3 34.5
50年一遇 222.9 222.9 217.4 213.5 181.9 42.9
分析表明，两天的最大雨量与3天的最大雨量基本相同，说明在设计条件下可以用3天的暴雨量作为评估模型的面雨量条件。
降雨径流关系验证
采用模型范围附近的3个雨量站2015年的降雨过程，生成有限体积单元上的时空面雨量过程，模拟单元集水过程，经子区域河道汇流后，流向河口，汇入海区。由于缺乏径流测站实测资料，模型计算成果采用水位、流动分布趋势和入海总量进行验证。
日最大降雨量最大值出现在沧州站，但沧州站在模型计算范围之外，所控制降雨区域在模型西部，且控制范围较小；黄骅站和海兴站均在模型计算范围之内，海兴站年、月、日最大降雨量最大值均大于黄骅站，海兴站主要控制范围为南部，黄骅站主要控制范围为北部。模型南部积水深度较大，与面雨量控制区域一致，在沿海区域水塘湿地较多，积水深度较小；流动方向受地形影响较大，以向河道和洼地汇流为主要流动趋势，模型总体模拟水流的运动趋势基本合理。
农村污染物负荷估算
(1)村庄污染物分布和污染物元素
渤海新区污染物源头主要有村庄居民生活污染、牲畜养殖、禽类养殖、海水养殖、淡水养殖、田间施肥和工业排放等污染源。典型村庄不同污染源和污染元素排放量统计结果见表 7～表20。
表7典型村庄面积、人口和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000083
Figure BDA0002265678880000091
表8典型村庄存栏猪和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000092
Figure BDA0002265678880000101
表9典型村庄存栏奶牛和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000102
表10典型村庄存栏肉牛和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000103
Figure BDA0002265678880000111
表11典型村庄存栏羊和产生污染物元素
编号 村庄 存栏羊/头 TN/kg TP/kg COD/kg 氨氮/kg
1 豆腐营 66 53 10 1111 28
2 刘巡庄 155 125 24 2609 66
3 苗庄子 199 160 31 3349 85
4 刘佃庄 133 107 21 2238 57
5 孔庄子 310 250 49 5217 132
6 高湾西南 22 18 3 370 9
7 前刁 89 72 14 1498 38
8 后刁 133 107 21 2238 57
9 东尤庄子 177 143 28 2979 76
10 张常丰 199 160 31 3349 85
11 付常丰 66 53 10 1111 28
12 安常丰 44 35 7 741 19
13 蒋常丰 22 18 3 370 9
14 武常丰 44 35 7 741 19
15 李常丰 66 53 10 1111 28
16 陶常丰 44 35 7 741 19
17 苏基镇村 2216 1787 347 37296 945
18 后毕王文 355 286 56 5975 151
19 曹庄子 89 72 14 1498 38
20 山后 643 518 101 10822 274
表12典型村庄蛋鸡数量和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000112
Figure BDA0002265678880000121
表13典型村庄肉鸡数量和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000122
Figure BDA0002265678880000131
表14各村庄海鱼类养殖量和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000132
表15各村庄海虾蟹类养殖量和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000133
Figure BDA0002265678880000141
表16各村庄其他海水养殖量和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000142
表17各村庄淡水鱼类养殖量和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000143
Figure BDA0002265678880000151
表18各村庄淡水虾蟹类养殖量和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000152
Figure BDA0002265678880000161
表19各村庄化肥施用量和产生污染物元素
Figure BDA0002265678880000162
表20各类污染源估算出的污染物元素的总量单位：t
Figure BDA0002265678880000163
Figure BDA0002265678880000171
根据污染源数量及各类污染物负荷的估算方法，最终计算得到研究区域现状(2015年)各村庄的各类污染物负荷。模型研究区域内各污染物年均排放总量为：总氮(TN)为3513.29t，总磷(TP)为542.06t，化学需氧量(COD)为37836.79t，氨氮(NH3-N)为1613.38t。
研究区域内各乡镇的各类污染物排放量如图9所示。
(3)工业污染物估算
工业污染物排放量估算中，由于缺少产值规模等资料，采用同类产业的总值进行平均分配，整个研究区域内工业污染物元素年均排放总量为：总氮(TN)为307.26t，总磷(TP) 为20.92t，化学需氧量(COD)为128.24t，氨氮(NH3-N)为30.72t。
工业污染物排放单位列表见表21。
表21部分工业污染物排放单位列表
Figure BDA0002265678880000172
Figure BDA0002265678880000181
(4)子区域污染物元素排放量分布
子在模拟污染物迁移时，以子流域为计算单位，所以需将计算出的各村庄的污染物排放量转换为子流域的污染物排放量。分配方法具体步骤为：(1)对于非点源污染，将村庄作为样点，利用泰森多边形，分配各网格单元的污染物排放量；(2)对于工业污染，将其污染物排直接叠加在污染企业所在单元网格上；(3)将子区域内各网格单元的污染物排放量相加，得到各子区域的污染物排放量。
现状四种污染物排放量的分布情况基本一致，主要集中在黄骅市城区骅西、骅中、骅东街道、吕桥镇、苏基镇等，主要原因为这些地区人口分布较多，除此之外，还集中在南大港管理区、中捷产业园等区域，主要原因为这些地区工业企业分布较为集中，人口也较多。
步骤2：现状生态环境评价及结果分析，包括现状地表水环境评价和现状生态环境综合评价。
渤海新区海岸带生态环境评价模型主要包括地表水环境评价及生态环境综合评价。地表水环境评价主要通过评估各子区域内河道残留污染物浓度进行，生态环境综合评价主要通过建立PSR模型进行。
以上对本发明的实例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.海岸带环境污染模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：降雨径流模型模拟；
步骤2：农村污染物负荷估算；
步骤3：工业污染物估算；
步骤4：子区域污染物元素排放量分布。
2.根据权利要求1所述的海岸带环境污染模拟方法，其特征在于在步骤1前还包括数据处理步骤。
3.根据权利要求2所述的海岸带环境污染模拟方法，其特征在于数据处理步骤包括降雨数据处理、网格划分、子区域划分、污染物数据处理、生态性指标确定。
4.根据权利要求1所述的海岸带环境污染模拟方法，其特征在于步骤1中降雨径流模型模拟包括选取降雨量资料、确定降雨重现期、降雨径流关系验证。
5.根据权利要求1所述的海岸带环境污染模拟方法，其特征在于步骤2农村污染物负荷估算包括农村居民生活污染、牲畜养殖、禽类养殖、海水养殖、淡水养殖、田间施肥和工业排放污染源估算。
6.根据权利要求1所述的海岸带环境污染模拟方法，其特征在于工业污染物估算采用同类产业的总值进行平均分配估算。
7.根据权利要求1所述的海岸带环境污染模拟方法，其特征在于子区域污染物元素排放量分布是指各村庄的污染物排放量转换为子流域的污染物元素排放量。
8.根据权利要求7任一所述的海岸带环境污染模拟方法，其特征在于各村庄的污染物排放量转换为子流域的污染物排放量，具体步骤为：(1)对于非点源污染，将村庄作为样点，利用泰森多边形，分配各网格单元的污染物排放量；(2)对于工业污染，将其污染物排直接叠加在污染企业所在单元网格上；(3)将子区域内各网格单元的污染物排放量相加，得到各子区域的污染物排放量。
9.根据权利要求4所述的海岸带环境污染模拟方法，其特征在于确定降雨重现期具体按照频率分析分析方法，得到不同频率的设计雨量。
10.根据权利要求9所述的海岸带环境污染模拟方法，其特征在于降雨标准选取5年、50年一遇分别反映常遇多水年、稀遇丰水年的情况。
CN201911086864.9A 2019-11-08 2019-11-08 海岸带环境污染模拟方法 Pending CN110991007A (zh)

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JP2008210362A (ja) * 2007-02-27 2008-09-11 Inha-Industry Partnership Inst Ｇｉｓを利用した水質汚染負荷算定用の意思決定支援システム及びその運営方法
CN103020424A (zh) * 2012-11-22 2013-04-03 北京师范大学 一种基于人工降雨实验的北方平原农田区非点源污染负荷估算方法
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