CN112765531A - 一种流域非点源排放量自动计算方法和系统 - Google Patents

一种流域非点源排放量自动计算方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种流域非点源排放量自动计算方法和系统，其中，所述方法包括流域范围自动划分、流域与行政区划自动匹配、非点源模型构建、统计年鉴数据爬取、排污系数库构建、非点源自动计算、污染源排放量结果分配等过程。所述的系统包括客户端用于确定要计算的时间和范围，并进行非点源计算结果的展现、提供查询服务；数据库包括DEM数据库、行政区空间数据库、排污系数库、模型库。其中空间分析和数据爬取模块包括流域划分子模块、行政区匹配子模块，年鉴爬取子模块。通过本发明，能形成自动化的流域非点源排放量计算方法和查询、展示系统，为非点源的核算提供支撑。

Description

一种流域非点源排放量自动计算方法和系统
技术领域
本发明涉及污染源核算领域，特别涉及一种流域非点源排放量自动计算方法和系统。
背景技术
开展水环境质量目标管理的根本目标就是改善水环境质量，其中的重要手段则是控制污染源，其中污染源的解析是控制污染源的基础支撑。随着我国水环境管理方案和管理目标的不断变化，流域非点源成为主要污染源。开展非点源计算，已成为我国水环境治理的重要内容。
非点源的污染过程受区域自然环境和社会环境等多种因素的影响，具有随机性、分散性、隐蔽性、不确定性和模糊性等特点，一般包括农村居民生活污水、农业活动、水产养殖、畜禽散养污染、径流冲刷污染等。非点源的计算，包括排放量和入河量。目前，主要采用排污系数法和机理模型法。排污系数法，方法简单，得到了大量的应用。如杨水化等在《城市富营养化湖泊的外源污染负荷与贡献解析——以武汉市后官湖为例》中，结合实测法、平均浓度法与排污系数法,构建了农村生活、农业种植、水产养殖、畜禽养殖和城市径流的非点源计算方法，进行了流域非点源的计算。在排污系数法之外，专利《一种基于遥感像元的非点源污染计算方法，(CN102867120A)》，该方法通过构建土地利用数据库和植被覆盖度数据库以遥感像元为基本计算单元，计算不同污染类型下的各个非点源污染物指标的溶解态非点源负荷和吸附态非点源负荷，这种方法倾向于应用遥感技术进行非点源计算。运用机理模型对非点源污染进行时空模拟是目前非点源污染研究的重要手段，当前应用较为广泛的非点源污染模型主要有ANSWERS、CREAMS、AGNPS、SWAT、HSPF和BASINS等，已有的非点源模型大都是针对小区域的精细模拟，率定出的参数和结果带有较大的区域性，很难适用于大中尺度流域的负荷模拟。而像HSPF和BASINS等可用于大流域的模型却又对参数的要求很高，且率定困难，不便于推广和应用。我国还处于非点源研究的初步阶段，缺乏大尺度的监测参数成果。因此，采用基于系数法定额非点源排放量计算具有更大的适应性和可推广性。但是，现有的技术，均需要大量的人工操作和手动数据整理，参数查找速度慢、整理工作量巨大。一套能自动化进行非点源计算的方法，显得尤为重要。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种流域非点源排放量自动计算方法和系统，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种流域非点源排放量自动计算方法，包括流域范围自动划分、流域与行政区划自动匹配、非点源模型构建、统计年鉴数据爬取、排污系数库构建、非点源自动计算、污染源排放量结果分配等步骤。
步骤1：在确定要进行计算的河流和年份后，检索区域范围内的DEM数据，根据D8水文分析算法，进行流域划分，确定河流的流域范围、水文计算单元；
步骤2：根据流域范围，在全国地级市行政区划空间数据库中，通过空间切割的方式，得到流域范围内的地级市，包括地级市名称、范围和面积等基本信息；
步骤3：根据排污系数法，研发城市生活源、农村生活源、农业种植源、畜禽养殖源、水产养殖源等非点源在内的非点源核算模型，明确这些模型核算需要的基础数据和系数；
步骤4：根据流域范围内的地级市，自动检索该地级市所在的省份的统计年鉴网站，根据所选年份，爬取流域范围内地级市当年的统计年鉴数据，获得非点源排放量计算需要的基础数据，包括，获取城市人口、耕地面积、施肥量等相关的统计数据；
步骤5：根据污染源普查成果，建立全国不同区域的排污系数数据库；
步骤6：根据流域位置和地级市范围，在排污系数数据库中，自动检索流域范围内地级市的相关排污系数等参数；
步骤7：基于统计年鉴数据、排污系数数据等基础数据，利用非点源计算模型，自动进行每个地级市的非点源排放量；
步骤8：根据流域汇水区单元和地级市的面积相关关系，将非点源排放量分配到每个汇水单元，得到每个汇水单元的非点源排放量和不同污染源的排放占比；
步骤9：根据地级市范围内的县级市、乡镇所占地级市的面积比，将地级市计算得到的非点源分配到县级市和乡镇，得到县级市和乡镇的非点源排放量和不同污染源的排放占比；
步骤10：以渲染专题图、统计图表等不同的形式，展示流域内每个行政区、每个计算单元、不同污染物不同污染源的排放量及其排放量贡献。
一种流域非点源排放量自动计算系统，该系统采用C/S架构，包括客户端、数据库和服务端，其中客户端用于确定要计算的时间和范围，并进行非点源计算结果的展现、提供查询服务；数据库包括DEM数据库、行政区空间数据库、排污系数库、模型库；服务端包括空间分析模块非点源自动计算和分配模块以及结果可视化模型。其中空间分析和数据爬取模块包括流域划分子模块、行政区匹配子模块，年鉴爬取子模块；非点源自动计算与分配模块包括非点源模型子模块、非点源自动计算子模块和非点源分配子模块，结果可视化模块用于将得到的结果以图表、地图等形式进行可视化出图。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中，通过设置的针对当前非点源计算领域的需求，采用爬虫技术、自动化计算技术和非点源计算技术相结合，发明了非点源自动计算方法和系统，能为业务部门和管理部门，提供强有力的计算支撑。
附图说明
图1是本发明的的非点源排放量自动计算技术流程图；
图2是非点源排放量自动计算系统架构图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
一种流域非点源排放量自动计算方法，包括流域范围自动划分、流域与行政区划自动匹配、非点源模型构建、统计年鉴数据爬取、排污系数库构建、非点源自动计算、污染源排放量结果分配等步骤，如附图1所示。
步骤1：在确定要进行计算的河流和年份后，检索区域范围内的DEM数据，根据D8水文分析算法，进行流域划分，确定河流的流域范围、水文计算单元；
步骤2：根据流域范围，在全国地级市行政区划空间数据库中，通过空间切割的方式，得到流域范围内的地级市，包括地级市名称、范围和面积等基本信息；
步骤3：根据排污系数法，研发城市生活源、农村生活源、农业种植源、畜禽养殖源、水产养殖源等非点源在内的非点源核算模型。其中，本发明中考虑的不同非点源计算的模型包括如下：
(1)城镇生活源
根据《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》，城市生活污染源污染物排放量公式的核算方法为：
Gp＝365×NSp×10-10
式中：Gp分别为城镇居民生活污水和污染物排放量(万吨/年)；N为城镇居民常住人口(人)；SP为城镇居民生活污水或污染物产生系数和排放系数(升/天.人)。城镇生活源排污系数参考《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》确定。
(2)农村生活源
农村生活污水污染负荷的排放量计算公式如下：
Gp＝365×NSp×10-10
式中，Gp代表农村生活中，某种污染物的排放量(万吨/年)；N为农村居住区人口数，人；SP为农村人均污染物排放定额，克/(人·天)。根据《村镇生活污染防治最佳可行技术指南(试行)(HJ-BAT-9)》获得相关系数。
(3)农业种植源
农田径流负荷主要包括农田固废和农业化肥两大类。农田固废主要包括秸秆、残株、藤蔓、外壳、蔬菜废物和其它物品等，是种植业生产过程中的副产物。一些农田固废的处理方式与地表径流密切相关，如直接还田、堆肥还田和弃置乱堆等，其中以弃置乱堆受地表径流的影响最大，污染也最为直接；农业化肥的施用可为植物生长提供必需的一种或多种营养元素，能提高作物产量并保持作物稳产，是现代农业种植中不可缺少的一种物质投入。化肥中的氮、磷等营养元素随地表径流或农田排水进入水体是造成河流湖泊富营养化的一个重要原因。本次主要对农田化肥施用过程所带来的污染进行估算。农田中，氮肥和磷肥施用带来的污染负荷量计算公式为：
P＝∑(ANFN+APFP)/104
式中：P为农业种植污染物负荷量(万吨/年)，AN为农田氮肥施用量(t/a)、AP为磷肥施用量(t/a)；FN和FP分布为氮肥、磷肥的流失系数(％)。流失系数参考《第一次全国污染源普查农业污染源肥料流失系数手册》获取得到。
(4)畜禽养殖源
畜禽养殖废弃物处理不及时不合理，其堆放或排放将造成大量养分流失，从而带来严重的水污染问题。如在畜禽粪尿的储存和处理过程中，由于储粪池、氧化塘等设备的设计问题，导致粪污下渗或污染物外溢造成水体污染；粪尿归田利用的过程中，随地表径流、农田排水和土壤水等途径进入水体造成污染；其它随意堆放未经处理的畜禽粪便，在降水动力冲刷作用下，大量流失进入水体造成水体污染。粪尿污染物数量通常与动物种类、生长期、生产性能(如蛋鸡和肉鸡)、饲料种类等因素有密切关系。需求养殖源的计算公式为：
M＝∑CiPi×365/107
式中：M为畜禽养殖污染物排放量(万吨/年)，Ci为猪(牛)的总头数(头)、Pi为猪(牛)的排放系数(kg/头/天)。排污系数参照《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》确定。计算过程中，根据全国水纳污能力核定要求，将畜禽换算成猪，换算关系如下：30只蛋鸡折合为1头猪，60只肉鸡折合为1头猪，3只羊折合为1头猪，1头牛折合为5头猪。
(5)水产养殖源
水产养殖的废污水主要来自于水产养殖的饵料投放、水产品的粪便排放等。水产养殖污水直接入水体，本课题中，选择区域养殖量最大的水产品为该区域的代表性水产品，根据排污系数法核算其污染排放量，计算公式为：
MN＝(C×Nf-Nb)×103
MP＝(C×Pf-Pb)×103
其中，MN、MP分别表示氮负荷量和磷负荷量(千克/吨)；C为饵料系数；Nf、Pf分别为饵料中的氮、磷含量百分比；Nb、Pb分别为养殖生物体内氮和磷的含量百分比。
步骤4：根据流域范围内的地级市，自动检索该地级市所在的省份的统计年鉴网站，根据所选年份，爬取流域范围内地级市当年的统计年鉴数据，获得非点源排放量计算需要的基础数据，包括，获取城市人口、耕地面积、施肥量等相关的统计数据；
步骤5：根据污染源普查成果和相关成果，建立全国不同区域的排污系数数据库。其中种植、畜禽养殖等的排污系数参考《第一次全国污染源普查农业污染源肥料流失系数手册》、《第一次全国污染源普查水产养殖业污染源产排污系数手册》、《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》、《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册》确定；城镇生活源排污系数参考《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》确定，农村生活排污系数参考《村镇生活污染防治最佳可行技术指南(试行)(HJ-BAT-9)》确定。水产品养殖的污染物排污系数根据《第一次全国污染源普查水产养殖业污染源产排污系数手册》中的产排污系数获得。
步骤6：根据流域位置和地级市范围，在排污系数数据库中，自动检索流域范围内地级市的相关排污系数等参数；
步骤7：基于统计年鉴数据、排污系数数据等基础数据，利用非点源计算模型，自动进行每个地级市的非点源排放量；
步骤8：根据流域汇水区单元和地级市的面积相关关系，将非点源排放量分配到每个汇水单元，得到每个汇水单元的非点源排放量和不同污染源的排放占比；
步骤9：根据地级市范围内的县级市、乡镇所占地级市的面积比，将地级市计算得到的非点源分配到县级市和乡镇，得到县级市和乡镇的非点源排放量和不同污染源的排放占比；
步骤10：以渲染专题图、统计图表等不同的形式，展示流域内每个行政区、每个计算单元、不同污染物不同污染源的排放量及其排放量贡献。
为确保上述过程的自动实现，搭建一种流域非点源排放量自动计算系统，该系统采用C/S架构，包括客户端、数据库和服务端，系统功能结构如附图2所示。
模块1：系统包括客户端，客户端用于确定要计算的时间和范围，并进行非点源计算结果的展现、提供查询服务；
模块2：数据库包括DEM数据库、行政区空间数据库、排污系数库、模型库；
模块3：服务端包括空间分析模块非点源自动计算和分配模块以及结果可视化模型。其中空间分析和数据爬取模块包括流域划分子模块、行政区匹配子模块，年鉴爬取子模块；非点源自动计算与分配模块包括非点源模型子模块、非点源自动计算子模块和非点源分配子模块，结果可视化模块用于将得到的结果以图表、地图等形式进行可视化出图。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种流域非点源排放量自动计算方法，其特征在于：包括流域范围自动划分、流域与行政区划自动匹配、非点源模型构建、统计年鉴数据爬取、排污系数库构建、非点源自动计算、污染源排放量结果分配等步骤。
步骤1：在确定要进行计算的河流和年份后，检索区域范围内的DEM数据，根据D8水文分析算法，进行流域划分，确定河流的流域范围、水文计算单元；
步骤2：根据流域范围，在全国地级市行政区划空间数据库中，通过空间切割的方式，得到流域范围内的地级市，包括地级市名称、范围和面积等基本信息；
步骤3：根据排污系数法，研发城市生活源、农村生活源、农业种植源、畜禽养殖源、水产养殖源等非点源在内的非点源核算模型，明确这些模型核算需要的基础数据和系数；
步骤4：根据流域范围内的地级市，自动检索该地级市所在的省份的统计年鉴网站，根据所选年份，爬取流域范围内地级市当年的统计年鉴数据，获得非点源排放量计算需要的基础数据，包括，获取城市人口、耕地面积、施肥量等相关的统计数据；
步骤5：根据污染源普查成果，建立全国不同区域的排污系数数据库；
步骤6：根据流域位置和地级市范围，在排污系数数据库中，自动检索流域范围内地级市的相关排污系数等参数；
步骤7：基于统计年鉴数据、排污系数数据等基础数据，利用非点源计算模型，自动进行每个地级市的非点源排放量；
步骤8：根据流域汇水区单元和地级市的面积相关关系，将非点源排放量分配到每个汇水单元，得到每个汇水单元的非点源排放量和不同污染源的排放占比；
步骤9：根据地级市范围内的县级市、乡镇所占地级市的面积比，将地级市计算得到的非点源分配到县级市和乡镇，得到县级市和乡镇的非点源排放量和不同污染源的排放占比；
步骤10：以渲染专题图、统计图表等不同的形式，展示流域内每个行政区、每个计算单元、不同污染物不同污染源的排放量及其排放量贡献。
2.一种流域非点源排放量自动计算系统，其特征在于：该系统采用C/S架构，包括客户端、数据库和服务端，其中客户端用于确定要计算的时间和范围，并进行非点源计算结果的展现、提供查询服务；数据库包括DEM数据库、行政区空间数据库、排污系数库、模型库；服务端包括空间分析模块非点源自动计算和分配模块以及结果可视化模型。其中空间分析和数据爬取模块包括流域划分子模块、行政区匹配子模块，年鉴爬取子模块；非点源自动计算与分配模块包括非点源模型子模块、非点源自动计算子模块和非点源分配子模块，结果可视化模块用于将得到的结果以图表、地图等形式进行可视化出图。
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