CN111899126B - 基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法 - Google Patents
基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法，该方法包括构建分布式二元水循环模型，获取分布式二元水循环模型构建所需数据，设定目标年份的社会经济规模与用水强度，判断水功能区达标状况，当水功能区水质达标时确定三条红线控制指标。本发明依据二元水循环理论，通过构建分布式二元水循环模型，考虑水量、水效、水质三者之间的有机互动关系，根据水功能区水质达标率模拟结果对研究区的水量和水质进行调控，计算行政区用水总量和污染物入河排放量，最终划定研究区的“三条红线”控制指标。与现有技术相比，本发明充分考虑用水总量、用水效率与污染负荷指标之间的内在机理与联系，使“三条红线”控制指标的划定更加合理。
Description
技术领域
本发明涉及区域或流域级的水资源与水环境调控技术领域，具体涉及一种基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法。
背景技术
用水总量红线、用水效率红线和水功能区限制纳污红线三者之间相互联系、相互影响，存在着“此消彼长”或“同消同长”的动态响应关系，改变其中一项因子就可能使整个红线指标值发生变化。流域水循环与水环境系统的物质、能量在时空尺度下进行着复杂的循环交换，又相互交错，彼此关联，并直接受到人类活动的影响。人类生产活动显著的改变了天然水循环过程，同时也改变了氮、磷等营养物质在大气、土壤、水体中的迁移转化过程，使其附有显著的“人工-自然”特性，人为地割裂二者之间的联系必然难以准确描述人工扰动下的水循环及其伴生的水化学过程，进而影响红线指标确定结果的科学性和合理性。当前的“三条红线”划分没有从水循环的角度去定量研究指标与水资源系统、经济系统和生态环境系统之间的联系，指标划定存在大量主观性因素，缺乏水量、水效、水质互馈机制的考量，难以保证指标量化的科学性与合理性。采用基于物理机制的、可操作性强且功能完善的模型工具才是“三条红线”控制指标划定的必要手段。
分布式水文模型已成为探索复杂水循环机理的有效工具，在水资源管理、气候变化与下垫面改变对水循环的影响等方面的研究中发挥了不可替代的作用。其中，SWAT模型是目前最为经典的、在世界范围内使用最广、改进研究最多的分布式水文模型之一。不仅可以研究水文循环，还能够分析农业面源污染、水土流失、营养物质的迁移转化和大规模农业管理活动等。但是，SWAT模型在一些功能方面存在着不足，使其不能成为一个完整的二元水循环模型，主要因为：
(1)SWAT模型无法体现经济结构调整、节水与减排等措施对国民经济用水、污染排放的调控；
(2)SWAT模型对社会水循环模拟刻画不足，只能以人工用水量、点源排放量作为边界条件进行输入，而不考虑用水户分类，在人工“取-用-耗-排”过程模拟有明显短板；
(3)SWAT模型计算的人工取用水量、污染排放量仅是模拟中的过程量，并不作为最终结果进行统计与输出。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法，包括以下步骤：
S1、构建分布式二元水循环模型；
S2、获取分布式二元水循环模型构建所需数据；
S3、设定目标年份的社会经济规模与用水强度；
S4、利用分布式二元水循环模型对监测断面进行水质过程模拟，根据模拟得到的监测断面的水质浓度判断水功能区水质达标率；若达标则根据模型计算的用水总量和入河污染物负荷量划分三条红线指标；否则返回步骤S3调整用水效率数据。
进一步地，所述步骤S1构建分布式二元水循环模型具体包括以下分步骤：
S11、划分计算单元；
S12、添加SWAT模型功能；
S13、修改SWAT模型源代码。
进一步地，所述步骤S11划分计算单元具体包括以下分步骤：
S111、划分天然子流域，包括填洼、水流流向分析、汇流分析、河网的生成、天然子流域的形成处理；
S112、将研究区的土地利用类型、土壤类型和坡度类型进行叠加，将每个子流域划分出若干个HRU。
进一步地，所述步骤S12添加SWAT模型功能具体包括：
添加社会经济数据读取模块、供水源设置模块、空间展布模块、需水计算模块、耗水计算模块、排水计算模块、污染排放计算模块以及统计模块；
所述社会经济数据读取模块用于通过读取社会经济数据文件，获得以行政区为单位的城乡人口、畜禽、工业产值、服务业产值数据；
所述供水源设置模块用于为子流域指定水源类型及代码；
所述空间展布模块用于根据城市、乡镇和农村居工地分布对国民经济数据进行空间展布；
所述需水计算模块用于计算生活需水、工业需水、服务业需水和农业需水；
所述耗水计算模块用于计算生活耗水、工业耗水和畜禽养殖耗水；
所述排水计算模块用于计算生活排水量、工业排水量和畜禽排水量；
所述污染排放计算模块用于计算城镇生活污染排放量、工业污染排放量和农村生活污染排放量；
所述统计模块用于统计居民生活用水量、工业用水量、服务业用水量、灌溉用水量、点源污染入河排放量和面源污染入河排放量。
进一步地，所述需水计算模块计算生活需水的计算公式为：
WDurban,i＝Popurban,i·γurban,i·365/1000/(1-θpipe,i)
WDrural,i＝Poprural,i·γrural,i·365/1000
其中，WDurban表示城镇居民生活用水量，Popurban表示城镇人口数量，γurban表示城镇人口用水定额量，WDrural表示农村人口居民生活用水量，Poprural表示农村人口数量，γrural表示农村人口用水定额量，θpipe表示管网漏损率，i表示行政区代码；
所述需水计算模块计算工业需水和服务业需水的计算公式为：
WDsec＝Addsec·ηsec·(1-θpipe)
其中，WDsec表示工业和服务业需水量，Addsec表示产业增加值，ηsec表示万元产业增加值用水量，θpipe表示管网漏损率；
所述需水计算模块计算农业需水的计算公式为：
其中，WDirr表示农田灌溉需水量，m表示灌溉作物的种类，Areai表示第i种作物的灌溉面积，Irri表示第i种作物的净灌溉定额，ηIrr表示灌溉水有效利用系数。
进一步地，所述耗水计算模块计算生活耗水的计算公式为：
WCdom＝WUurban·τurban+WUrural·τrural
其中，WCdom表示生活耗水量，τurban表示城镇生活耗水率，τrural表示农村生活耗水率；
所述耗水计算模块计算工业耗水的计算公式为：
WCind＝WUind·τind
其中，WCind表示工业耗水量，τind表示工业耗水率；
所述耗水计算模块计算畜禽养殖耗水量的计算公式为：
WCani＝WUani·τani
其中，WCani表示畜禽养殖耗水量，τani表示畜禽养殖耗水率。
进一步地，所述排水计算模块计算生活排水量的计算公式为：
WDdom＝WUdom-WCdom
其中，WDdom表示生活排水量；
所述排水计算模块计算工业排水量的计算公式为：
WDind＝WUind-WCind
其中，WDind表示工业排水量；
所述排水计算模块计算畜禽排水量的计算公式为：
WDani＝WUani-WCani
其中，WDani表示畜禽排水量。
进一步地，所述污染排放计算模块计算城镇生活污染排放量的计算公式为：
Pdom＝WDdom·(1-a)·c0/100+WDdom·a·c1/100
其中，Pdom表示城镇生活污染排放量，a表示污水处理厂的污水处理率，c0表示未处理的污染物排放浓度，c1表示经过处理后的污染物达标排放浓度；
所述污染排放计算模块计算工业污染排放量的计算公式为：
Pind＝WDind·(1-a)·c0/100+WDind·a·c1/100
其中，Pind表示工业污染排放量；
所述污染排放计算模块计算农村生活污染排放量的计算公式为：
PDani＝Numani·c/100
其中，PDani表示农村生活污染排放量，Numani表示农村居民人口或畜禽养殖数量，c表示农村居民生活污染或者畜禽污染的排放强度。
进一步地，所述步骤S13修改SWAT模型源代码具体包括：
修改rchuse模块、res模块和watuse模块中的取水参数，将其与空间展布模块的参数传递，实现水源类型、水源代码、社会经济数据读取模块以及空间展布模块的调用。
进一步地，所述步骤S4具体包括：
利用分布式二元水循环模型对监测断面进行水质过程模拟，根据模拟得到的监测断面的水质浓度判断是否超过水功能区的水质控制目标；若超过，则判定监测断面水质不达标；否则判断监测断面水质达标，并统计达标次数，得到水功能区水质达标率；
判断水功能区水质达标率是否达到目标值；若达到，则根据模型计算的用水总量和入河污染物负荷量划分三条红线指标；否则返回步骤S3调整用水效率数据。
本发明具有以下有益效果：
本发明依据二元水循环理论，通过构建分布式二元水循环模型，考虑水量、水效、水质三者之间的有机互动关系，根据水功能区水质达标率模拟结果对研究区的水量和水质进行调控，计算行政区用水总量和污染物入河排放量，最终划定研究区的“三条红线”控制指标。与现有技术相比，本发明充分考虑了用水总量、用水效率与污染负荷指标之间的内在机理与联系，使“三条红线”控制指标的划定更加合理。
附图说明
图1为本发明基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法流程图；
图2为本发明中社会经济数据空间展布流程图；
图3为本发明实施例中南流江流域国民经济用水实际值与模拟值对比图；
图4为本发明实施例中博白站的实测与模拟月径流过程对比图；
图5为本发明实施例中常乐站的2010年和2014年水质模拟结果对比图；其中图(a)为氨氮浓度模拟值和实测值对比图，图(b)为总磷浓度模拟值和实测值对比图；
图6为本发明实施例中2010年南流江流域水功能区水质类别的模拟结果与实际结果对比图；其中图(a)为模拟结果示意图，图(b)为实际结果示意图。
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，本发明实施例提供了一种基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法，在现有模型的基础上进行改进，通过添加人工用水模块、耗水模块、排水模块以及污染排放模块等，使其具有自然-人工水循环耦合模拟功能，成为一个分布式二元水循环模型；并且对模型进行参数率定和模型验证，分析径流量、国民经济用水量、污染物入河排放量等结果，使“三条红线”控制指标的划定更加科学、合理。
本发明的方法包括以下步骤S1至S4：
S1、构建分布式二元水循环模型；
在本实施例中，本发明针对人工侧枝水循环关键过程以及水资源开发利用与生态环境保护的需求，通过改进SWAT模型相关模块，增加人工侧枝水循环功能，实现人工需水-取水-用水-耗水-排水-排污过程的模拟，最终实现自然-人工水循环耦合模拟。
构建分布式二元水循环模型具体包括以下分步骤：
S11、划分计算单元，具体包括以下分步骤：
S111、划分天然子流域，包括填洼、水流流向分析、汇流分析、河网的生成、天然子流域的形成处理；
本发明对天然子流域划分包括填洼、水流流向分析、汇流分析、河网的生成、天然子流域的形成等步骤。
本发明采用ArcGIS中的Arc Hydro Tools工具进行天然子流域划分。首先对DEM底图进行填洼等修正操作，然后依据设定的生成子流域临界集水面积CSA(Critical SourceArea)阈值要求，确定格网水流流向，识别流域分水线，并依据流域坡度、坡向、坡长等河网特征参数确定天然子流域。
S112、将研究区的土地利用类型、土壤类型和坡度类型进行叠加，将每个子流域划分出若干个HRU。
S12、添加SWAT模型功能，具体包括：
本发明添加SWAT模型功能主要包括添加社会经济数据读取模块、供水源设置模块、空间展布模块、需水计算模块、耗水计算模块、排水计算模块、污染排放计算模块以及统计模块；
其中社会经济数据读取模块用于通过读取社会经济数据文件，获得以行政区为单位的城乡人口、畜禽、工业产值、服务业产值等数据；
供水源设置模块用于为子流域指定水源类型及代码，每个子流域对应一个供水源(河道、水库、浅层含水层、深层含水层、坑塘、外流域调水)；
空间展布模块用于根据城市、乡镇和农村居工地分布对国民经济数据进行空间展布；模型以行政区为单位进行数据输入，根据行政区内的城市、乡镇、农村用地分布和面积大小进行数据分解并展布到计算单元上。展布的数据包括城乡人口、畜禽、工业产值、服务业产值。
数据空间展布的处理流程为：
①将划分的子流域边界与行政区域边界进行叠加，统计属于该行政区的子流域内的城市、乡镇和农村用地面积，并累计行政区内的城市、乡镇和农村用地面积；
②依据读取的行政区城镇和农村用水量数据，将农村人口、畜禽数量等数据分配到农村居工地上，将城镇人口、畜禽、工业产值、服务业产值信息等分配到城镇居工地上；城市和乡镇的用水量依照行政区内城市和乡镇的居工地面积比例进行分配；
③识别行政区的子流域，依据子流域内农村、乡镇和城市居工地面积比例，将经济社会数据继续展布到各HRU上。
需水计算模块用于计算生活需水、工业需水、服务业需水和农业需水，均采用定额计算法进行计算。
生活需水包括城镇居民生活需水和农村居民生活需水，均采用人均日用水量法进行计算。
需水计算模块计算生活需水的计算公式为：
WDurban,i＝Popurban,i·γurban,i·365/1000/(1-θpipe,i)
WDrural,i＝Poprural,i·γrural,i·365/1000
其中，WDurban表示城镇居民生活用水量，Popurban表示城镇人口数量，γurban表示城镇人口用水定额量，WDrural表示农村人口居民生活用水量，Poprural表示农村人口数量，γrural表示农村人口用水定额量，θpipe表示管网漏损率，i表示行政区代码。
工业需水和服务业需水依据规划年产业增加值和需水定额计算。
需水计算模块计算工业需水和服务业需水的计算公式为：
WDsec＝Addsec·ηsec·(1-θpipe)
其中，WDsec表示工业和服务业需水量，Addsec表示产业增加值，ηsec表示万元产业增加值用水量，θpipe表示管网漏损率；
农业需水包括农田灌溉需水和林果草灌溉需水、畜禽养殖需水和渔业养殖需水。
需水计算模块计算农业需水的计算公式为：
其中，WDirr表示农田灌溉需水量，m表示灌溉作物的种类，Areai表示第i种作物的灌溉面积，Irri表示第i种作物的净灌溉定额，ηIrr表示灌溉水有效利用系数。
林果草灌溉需水量的计算可以采用与农田灌溉需水量相似的计算方式，采用灌溉面积和灌溉定额计算需水。畜禽养殖需水的计算可以采用与生活需水计算相似的计算方式。
耗水计算模块用于计算生活耗水、工业耗水和畜禽养殖耗水，耗水量由用水量乘以耗水率计算。
耗水计算模块计算生活耗水的计算公式为：
WCdom＝WUurban·τurban+WUrural·τrural
其中，WCdom表示生活耗水量，τurban表示城镇生活耗水率，τrural表示农村生活耗水率；
耗水计算模块计算工业耗水的计算公式为：
WCind＝WUind·τind
其中，WCind表示工业耗水量，τind表示工业耗水率；
耗水计算模块计算畜禽养殖耗水量的计算公式为：
WCani＝WUani·τani
其中，WCani表示畜禽养殖耗水量，τani表示畜禽养殖耗水率。
排水计算模块用于计算生活排水量、工业排水量和畜禽排水量，排水量由用水量减去耗水量计算；建立子流域与水功能区地表径流汇流与用水排水关系，明确子流域污水排放所汇入的水功能区河段。
排水计算模块计算生活排水量的计算公式为：
WDdom＝WUdom-WCdom
其中，WDdom表示生活排水量；
排水计算模块计算工业排水量的计算公式为：
WDind＝WUind-WCind
其中，WDind表示工业排水量；
排水计算模块计算畜禽排水量的计算公式为：
WDani＝WUani-WCani
其中，WDani表示畜禽排水量。
农田产汇流机制和作物蒸散发耗水与气温、降水、灌溉、土壤性质、作物特性及农田管理等多种因素密切联系，灌溉排水和农田产汇流成因复杂、监测困难，难以精确计算作物耗水和灌溉排水，采用水文模块做精准模拟。
污染排放计算模块用于计算城镇生活污染排放量、工业污染排放量和农村生活污染排放量；
污染排放计算模块计算城镇生活污染排放量的计算公式为：
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其中，Pdom表示城镇生活污染排放量，a表示污水处理厂的污水处理率，c0表示未处理的污染物排放浓度，c1表示经过处理后的污染物达标排放浓度；
污染排放计算模块计算工业污染排放量的计算公式为：
Pind＝WDind·(1-a)·c0/100+WDind·a·c1/100
其中，Pind表示工业污染排放量；
农村生活污染包括农村居民生活污染和畜禽养殖污染，污染排放计算模块计算农村生活污染排放量的计算公式为：
PDani＝Numani·c/100
其中，PDani表示农村生活污染排放量，Numani表示农村居民人口或畜禽养殖数量，c表示农村居民生活污染或者畜禽污染的排放强度。
统计模块用于统计居民生活用水量、工业用水量、服务业用水量、灌溉用水量、点源污染入河排放量和面源污染入河排放量。
S13、修改SWAT模型源代码，具体包括：
修改rchuse模块、res模块和watuse模块中的取水参数，将其与空间展布模块的参数传递，实现水源类型、水源代码、社会经济数据读取模块以及空间展布模块的调用。
本发明采用Fortran语言在Windows平台应用程序开发环境Visual Studio2012中对SWAT源代码进行修改，改进后的SWAT模型实现了对各模块的逐日调用。
S2、获取分布式二元水循环模型构建所需数据；
在本实施例中，本发明构建分布式二元水循环模型所需数据包括数字高程(DEM)、土地利用数据、土壤分布数据、水系图、行政区划等空间数据、气象观测数据、水文观测数据、水质观测数据、土壤属性数据、水库数据和施肥、灌溉等农业管理数据、人口及国民经济产值数据等。
S3、设定目标年份的社会经济规模与用水强度；
在本实施例中，社会经济规模数据包括城镇人口数量和农村人口数量、工业产值、服务业产值、畜禽养殖数量等。
用水强度数据包括城镇供水管网漏损率、城镇居民生活用水定额、农村居民生活用水定额、万元工业增加值用水量、农田灌溉水有效利用系数等。
S4、利用分布式二元水循环模型对监测断面进行水质过程模拟，根据模拟得到的监测断面的水质浓度判断水功能区水质达标率；若达标则根据模型计算的用水总量和入河污染物负荷量划分三条红线指标；否则返回步骤S3调整用水效率数据。
在本实施例中，本发明利用构建的分布式二元水循环模型对监测断面进行水质过程模拟，根据模拟得到的当月或当日监测断面的水质浓度判断是否超过水功能区的水质控制目标；若超过，则判定当日监测断面水质不达标；否则判断当日监测断面水质达标，并统计达标次数，得到水功能区水质达标率；
判断水功能区水质达标率是否达到目标值；若达到，则根据模型计算的用水总量和入河污染物负荷量划分三条红线指标；否则返回步骤S3调整用水效率数据，重新进行模拟计算，直至实现水功能区达标率，则结束调整过程。
本发明通过以上调控，模型计算出的研究区用水总量和入河污染物负荷量，即为研究区用水总量控制红线、用水效率控制红线以及水功能区限制纳污红线。
本发明选取广西南流江流域作为实施例，采用2000-2016年的气象数据和社会经济数据构建南流江流域二元水循环模拟模型，并参照相关规划，计算并划分2030年南流江流域境内各行政分区的“三条红线”控制指标。
南流江流域地处广西壮族自治区东南部，发源于玉林市大容山，地理坐标介于东经109°00′03″～110°23′12″，北纬21°35′54″～22°52′32″之间，流域面积9565km2。南流江流域属于南亚热带季风气候，降水丰富，集中在4～9月份，降水量占全年的80％，年均降水量在1700mm以上，全流域多年平均年径流总量为74.94亿m3(常乐站以上)。南流江流域内有北流市、玉州区、福绵区、博白县、陆川县、灵山县、浦北县、钦南区和合浦县等10个市县级单位。流域内共8个一级水功能区，15个二级水功能区。Ⅲ类水断面占评价河流断面的12.5％，Ⅳ类水断面占62.5％，劣Ⅴ类水断面占25.0％，水环境状况不容乐观。
数据准备：
本次建模采用的数据包括数字高程、土地利用数据、土壤分布数据等空间数据、气象观测数据、水文观测数据、水质观测数据、土壤属性数据、水库数据、农业管理数据等，如表1所示。
表1建模准备的基础数据
模型校验：
(1)国民经济用水校验。由于国民经济用水数据以行政区为单位发布，缺乏南流江流域内各行政分区的连续资料，本次采用《南流江水量分配方案》报告中的2010年流域国民经济社会用水数据，对南流江流域的国民经济用水进行校验，模拟误差结果见图6所示。可以看出，流域用水总量模拟误差在5％以下，除钦南区农村生活用水模拟误差达到20％、浦北县农业用水和灵山县的城镇居民生活用水、生态环境用水模拟误差高于15％以外，各行政分区的各类用水指标模拟值与实测值误差大多在10％以内，但钦南区、浦北县和灵山县的用水量相对较小，所以没有影响流域的整体模拟结果。总体上，模拟结果基本能够反映南流江流域实际用水情况。
(2)径流校验。以横江、博白、常乐为代表的南流江主要水文站实测流量数据为基准，取横江站和博白站2002-2007年的月径流数据进行率定，取2008-2016年的月径流数据进行验证；取常乐站2006-2010年的月径流数据进行率定，取2011-2016年的月径流数据进行验证。以博白站为例，校准结果如图3所示。结果显示，率定期月径流模拟值和实测值的相关系数R2和纳什效率系数Ens基本上在0.80以上；验证期内各水文站的纳什效率系数Ens和相关系数R2也均在0.75以上，各水文站的月径流模拟结果较好。
(3)水质校验。在水文过程模拟合理的基础上，再进行氨氮与总磷的模拟校验。由于南流江流域各水质监测站点的资料有限，本次仅采用2010年为率定期，2014年为验证期，对南流江流域的岭塘、博白和常乐三个主要的水质测站有限的水质监测资料进行校验。由于篇幅限制，仅给出常乐站校验结果，见图4所示。总体上，各水质测站的水质模拟值与实测值拟合程度良好，基本能够反映各断面水质浓度的变化过程。
(4)功能区水质类别结果校验。在水质模拟结果合理的基础上，再进行南流江流域水功能区水质达标结果校验。本次采用南流江流域2010年水功能区水质类别数据进行校验，模拟结果与实际结果对比见图5所示。从图中可以看到，全流域25个水功能区中共有23个与实际情况相符。可见，模型所模拟的流域水功能区水质类别基本能够反映水功能区的水质实际情况。
社会经济规模与用水强度设定：
参照广西水资源综合规划报告、广西灌溉发展总体规划报告以及玉林、钦州、北海市水资源综合规划报告等规划报告，搜集2030年玉林、钦州、北海市的社会经济规模与用水强度信息。其中，社会经济规模主要包括城镇人口数量、农村人口及畜禽数量、工业产值、服务业产值、农业种植面积以及灌溉面积等；设定的用水强度主要包括城镇居民生活用水定额、农村生活用水定额、畜禽用水定额、管网漏损率、万元工业增加值用水量、灌溉水有效利用系数等。对只有部分区域位于南流江流域内的行政区，采用面积比例进行估算，得出的南流江流域各行政分区的社会经济规模信息输入到模型中。
判断水功能区达标状况：
通过模型模拟分析，可以得出各水功能区的水质达标情况，通过与水功能区水质目标对比，判断各行政区水功能区水质达标率。若水功能区达标率未达到目标值，调整用水效率，重新进行模拟计算，直至实现该行政区的水功能区达标，此时模型计算出的用水总量和入河污染物负荷量，即为该行政区的用水总量控制红线和水功能区限制纳污红线。依照从上游至下游的原则依次调节各行政区，最终得出了南流江流域的“三条红线”控制指标，如表2所示。
表2南流江流域“三条红线”控制指标划分结果
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建分布式二元水循环模型，具体包括以下分步骤：
S11、划分计算单元，具体包括以下分步骤：
S111、划分天然子流域，包括填洼、水流流向分析、汇流分析、河网的生成、天然子流域的形成处理；
S112、将研究区的土地利用类型、土壤类型和坡度类型进行叠加，将每个子流域划分出若干个HRU；
S12、添加SWAT模型功能，具体包括：
添加社会经济数据读取模块、供水源设置模块、空间展布模块、需水计算模块、耗水计算模块、排水计算模块、污染排放计算模块以及统计模块；
所述社会经济数据读取模块用于通过读取社会经济数据文件，获得以行政区为单位的城乡人口、畜禽、工业产值、服务业产值数据；
所述供水源设置模块用于为子流域指定水源类型及代码；
所述空间展布模块用于根据城市、乡镇和农村居工地分布对国民经济数据进行空间展布；
所述需水计算模块用于计算生活需水、工业需水、服务业需水和农业需水；
所述耗水计算模块用于计算生活耗水、工业耗水和畜禽养殖耗水；
所述排水计算模块用于计算生活排水量、工业排水量和畜禽排水量；
所述污染排放计算模块用于计算城镇生活污染排放量、工业污染排放量和农村生活污染排放量；
所述统计模块用于统计居民生活用水量、工业用水量、服务业用水量、灌溉用水量、点源污染入河排放量和面源污染入河排放量；
S13、修改SWAT模型源代码；
S2、获取分布式二元水循环模型构建所需数据；
S3、设定目标年份的社会经济规模与用水强度；
S4、利用分布式二元水循环模型对监测断面进行水质过程模拟，根据模拟得到的监测断面的水质浓度判断水功能区水质达标率；若达标则根据模型计算的用水总量和入河污染物负荷量划分三条红线指标；否则返回步骤S3调整用水效率数据。
2.根据权利要求1所述的基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法，其特征在于，所述需水计算模块计算生活需水的计算公式为：
WDurban,i＝Popurban,i·γurban,i•365/1000/(1-θpipe,i)
WDrural,i＝Poprural,i•γrural,i•365/1000
其中，WDurban表示城镇居民生活用水量，Popurban表示城镇人口数量，γurban表示城镇人口用水定额量，WDrural表示农村人口居民生活用水量，Poprural表示农村人口数量，γrural表示农村人口用水定额量，θpipe表示管网漏损率，i表示行政区代码；
所述需水计算模块计算工业需水和服务业需水的计算公式为：
WDsec＝Addsec·ηsec•(1-θpipe)
其中，WDsec表示工业和服务业需水量，Addsec表示产业增加值，ηsec表示万元产业增加值用水量，θpipe表示管网漏损率；
所述需水计算模块计算农业需水的计算公式为：
其中，WDirr表示农田灌溉需水量，m表示灌溉作物的种类，Areai表示第i种作物的灌溉面积，Irri表示第i种作物的净灌溉定额，ηIrr表示灌溉水有效利用系数。
3.根据权利要求1所述的基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法，其特征在于，所述耗水计算模块计算生活耗水的计算公式为：
WCdom＝WUurban•τurban+WUrural·τrural
其中，WCdom表示生活耗水量，τurban表示城镇生活耗水率，τrural表示农村生活耗水率；
所述耗水计算模块计算工业耗水的计算公式为：
WCind＝WUind·τind
其中，WCind表示工业耗水量，τind表示工业耗水率；
所述耗水计算模块计算畜禽养殖耗水量的计算公式为：
WCani＝WUani·τani
其中，WCani表示畜禽养殖耗水量，τani表示畜禽养殖耗水率。
4.根据权利要求3所述的基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法，其特征在于，所述排水计算模块计算生活排水量的计算公式为：
WDdom＝WUdom-WCdom
其中，WDdom表示生活排水量；
所述排水计算模块计算工业排水量的计算公式为：
WDind＝WUind-WCind
其中，WDind表示工业排水量；
所述排水计算模块计算畜禽排水量的计算公式为：
WDani＝WUani-WCani
其中，WDani表示畜禽排水量。
5.根据权利要求4所述的基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法，其特征在于，所述污染排放计算模块计算城镇生活污染排放量的计算公式为：
Pdom＝WDdom·(1-a)·c0/100+WDdom·a·c1/100
其中，Pdom表示城镇生活污染排放量，a表示污水处理厂的污水处理率，c0表示未处理的污染物排放浓度，c1表示经过处理后的污染物达标排放浓度；
所述污染排放计算模块计算工业污染排放量的计算公式为：
Pind＝WDind·(1-a)·c0/100+WDind·a·c1/100
其中，Pind表示工业污染排放量；
所述污染排放计算模块计算农村生活污染排放量的计算公式为：
PDani＝Numani·c/100
其中，PDani表示农村生活污染排放量，Numani表示农村居民人口或畜禽养殖数量，c表示农村居民生活污染或者畜禽污染的排放强度。
6.根据权利要求1所述的基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法，其特征在于，所述步骤S13修改SWAT模型源代码具体包括：
修改rchuse模块、res模块和watuse模块中的取水参数，将其与空间展布模块的参数传递，实现水源类型、水源代码、社会经济数据读取模块以及空间展布模块的调用。
7.根据权利要求1所述的基于水循环模拟的三条红线控制指标划分方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
利用分布式二元水循环模型对监测断面进行水质过程模拟，根据模拟得到的监测断面的水质浓度判断是否超过水功能区的水质控制目标；若超过，则判定监测断面水质不达标；否则判断监测断面水质达标，并统计达标次数，得到水功能区水质达标率；
判断水功能区水质达标率是否达到目标值；若达到，则根据模型计算的用水总量和入河污染物负荷量划分三条红线指标；否则返回步骤S3调整用水效率数据。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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