CN114169266A - 一种河流污染源解析和污染物运移计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种河流污染源解析和污染物运移计算方法及系统，该方法包括：基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，确定目标子流域以及建立目标流域河流干支流水质监测断面网络，进而确定计算单元；基于计算单元和社会经济信息数据库，计算各个目标子流域的污染物入河量；基于计算单元和流域空间属性数据库，计算干支流节点断面月平均流量；基于污染物入河量和干支流节点断面月平均流量，考虑岩溶发育对于河流渗漏量和补给量的影响，构建目标流域河流水量水质运移模拟模型；该模型用于模拟目标流域中各个污染物运移过程，为流域水环境治理、实施水污染控制措施提供科学指导。
Description
技术领域
本发明涉及河流水环境治理技术领域，特别是涉及一种河流污染源解析和污染物运移计算方法及系统。
背景技术
在生态文明建设越来越受重视的背景下，污水处理的投入显著增加和技术取得明显进步，入河的点源污染物量越来越小，而非点源污染比例逐步上升。合理确定流域点源和非点源污染物来源及其对河流水环境的影响，对于生态环境改善和水污染治理具有重要意义。
污染负荷计算模型用于确定污染物来源及其贡献，是研究污染物排放的重要工具。水质模型是描述污染物在水环境中混合、迁移过程的数学方程或方程组。根据研究精度，可把水质模型分为零维、一维、二维、三维水质模型，其中零维水质模型较为粗略，仅是对流量的加权平均，因此常常用做其他维度模型的初始值和估算值，而三维水质模型虽然能够精确地反映水质变化，但是受到紊流理论研究的局限，对资料要求高，计算效率难以满足管理需求。一维和二维模型则较为简单实用，对资料要求不高，计算效率高，满足一般应用要求的精度。根据水体的水力学和排放条件，可以把水质模型分为稳态和非稳态两种，稳态水质模型可以用于模拟水质的物理、化学和水力学过程，而非稳态水质模型则用于计算径流、暴雨过程中水质的瞬时变化。
但是上述模型，均未考虑岩溶分布和岩溶发育对污染物入河量、河流渗漏量、区域产流对河流补给量的影响。
发明内容
本发明考虑岩溶分布和岩溶发育对污染物入河量、河流渗漏量、区域产流对河流补给量的影响，提供了一种河流污染源解析和污染物运移计算方法及系统，能够为岩溶区河流水环境保护、水污染防治和污染源治理等提供科学支撑和技术对策。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种河流污染源解析和污染物运移计算方法，包括：
基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，确定目标子流域以及建立目标流域河流干支流水质监测断面网络；所述流域空间属性数据库包括流域地形地貌信息、干支流水系分布信息、土地利用数据、土壤类型、气象数据、水文站点位置信息、以及所述水文站点采集的径流信息和水质信息；所述社会经济信息数据库包括流域行政区、以及每个所述流域行政区对应的排污点分布信息、点源污染物统计数据和非点源污染物统计数据；
基于所述目标子流域和所述目标流域河流干支流水质监测断面网络，确定计算单元；所述计算单元包括干流计算单元、支流计算单元以及计算节点；所述干流计算单元为干流河段涉及的子流域范围；所述支流计算单元为子流域；所述计算节点为位于支流对应子流域的出水口；
基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，并基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量；
基于所述计算单元和所述流域空间属性数据库，计算干支流节点断面月平均流量；
基于所述污染物入河量和所述干支流节点断面月平均流量，考虑岩溶发育对于河流渗漏量和补给量的影响，构建目标流域河流水量水质运移模拟模型；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型用于模拟目标流域中各个污染物运移过程。
可选的，所述基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，确定目标子流域以及建立目标流域河流干支流水质监测断面网络，具体包括：
基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，利用GIS将所述目标流域进行划分，得到多个目标子流域；
根据所述多个目标子流域以及所述目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，建立目标流域河流干支流水质监测断面网络。
可选的，所述基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，具体包括：
基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，综合采用污染源普查方法、环境统计方法和输出系数法，统计各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量。
可选的，所述基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量，具体包括：
确定点源污染物的入河系数和非点源污染物的入河系数；
将所述目标子流域的点源污染物排放量与所述点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的点源污染物年入河量；
将所述点源污染物年入河量按月平均分配，以获得各个所述目标子流域的点源污染物月入河量；
将所述目标子流域的非点源污染物排放量与所述非点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的非点源污染物年入河量；
将所述非点源污染物年入河量分别按照丰平枯水期进行年内分配，以获得各个所述目标子流域的非点源污染物月入河量。
可选的，所述基于所述污染物入河量和所述干支流节点断面月平均流量，考虑岩溶发育对于河流渗漏量和补给量的影响，构建目标流域河流水量水质运移模拟模型，具体包括：
基于所述干支流节点断面月平均流量，构建相邻干流计算节点的水量平衡方程；
采用一维稳态模型，确定相邻两个干流计算节点之间的污染物运移过程方程；
基于所述污染物入河量，构建干流节点污染负荷计算方程；
基于水量平衡方程、所述污染物运移过程方程和干流节点污染负荷计算方程，构建水质-水量平衡方程；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型的表达式为水质-水量平衡方程。
一种河流污染源解析和污染物运移计算系统，包括：
目标子流域以及目标流域河流干支流水质监测断面网络确定模块，用于基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，确定目标子流域以及建立目标流域河流干支流水质监测断面网络；所述流域空间属性数据库包括流域地形地貌信息、干支流水系分布信息、土地利用数据、土壤类型、气象数据、水文站点位置信息、以及所述水文站点采集的径流信息和水质信息；所述社会经济信息数据库包括流域行政区、以及每个所述流域行政区对应的排污点分布信息、点源污染物统计数据和非点源污染物统计数据；
计算单元划分模块，用于基于所述目标子流域和所述目标流域河流干支流水质监测断面网络，确定计算单元；所述计算单元包括干流计算单元、支流计算单元以及计算节点；所述干流计算单元为干流河段涉及的子流域范围；所述支流计算单元为子流域；所述计算节点为位于支流对应子流域的出水口；
污染物入河量计算模块，用于基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，并基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量；
干支流节点断面月平均流量计算模块，用于基于所述计算单元和所述流域空间属性数据库，计算干支流节点断面月平均流量；
目标流域河流水量水质运移模拟模型构建模块，用于基于所述污染物入河量和所述干支流节点断面月平均流量，考虑岩溶发育对于河流渗漏量和补给量的影响，构建目标流域河流水量水质运移模拟模型；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型用于模拟目标流域中各个污染物运移过程。
可选的，所述目标子流域以及目标流域河流干支流水质监测断面网络确定模块，具体包括：
目标子流域确定单元，用于基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，利用GIS将所述目标流域进行划分，得到多个目标子流域；
目标流域河流干支流水质监测断面网络确定单元，用于根据所述多个目标子流域以及所述目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，建立目标流域河流干支流水质监测断面网络。
可选的，在所述基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量方面，所述污染物入河量计算模块，具体包括：
基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，综合采用污染源普查方法、环境统计方法和输出系数法，统计各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量。
可选的，在所述基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量方面，所述污染物入河量计算模块，具体包括：
确定点源污染物的入河系数和非点源污染物的入河系数；
将所述目标子流域的点源污染物排放量与所述点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的点源污染物年入河量；
将所述点源污染物年入河量按月平均分配，以获得各个所述目标子流域的点源污染物月入河量；
将所述目标子流域的非点源污染物排放量与所述非点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的非点源污染物年入河量；
将所述非点源污染物年入河量分别按照丰平枯水期进行年内分配，以获得各个所述目标子流域的非点源污染物月入河量。
可选的，所述目标流域河流水量水质运移模拟模型构建模块，具体包括：
污染物入河量计算模块构建单元，用于基于所述干支流节点断面月平均流量，构建相邻干流计算节点的水量平衡方程；
污染物运移过程方程构建单元，用于采用一维稳态模型，确定相邻两个干流计算节点之间的污染物运移过程方程；
干流节点污染负荷计算方程构建单元，用于基于所述污染物入河量，构建干流节点污染负荷计算方程；
水质-水量平衡方程构建单元，用于基于水量平衡方程、所述污染物运移过程方程和干流节点污染负荷计算方程，构建水质-水量平衡方程；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型的表达式为水质-水量平衡方程。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种河流污染源解析和污染物运移计算方法及系统，包括：基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，确定目标子流域以及建立目标流域河流干支流水质监测断面网络，进而确定计算单元；基于计算单元和社会经济信息数据库，计算各个目标子流域的污染物入河量；基于计算单元和流域空间属性数据库，计算干支流节点断面月平均流量；基于污染物入河量和干支流节点断面月平均流量，考虑岩溶发育对于河流渗漏量和补给量的影响，构建目标流域河流水量水质运移模拟模型；该模型用于模拟目标流域中各个污染物运移过程。本发明考虑岩溶分布和岩溶发育对污染物入河量、河流渗漏量、区域产流对河流补给量的影响，重新构建目标流域河流水量水质运移模拟模型，实现流域各类污染物来源解析和河流污染物运移计算，能够为岩溶区河流水环境保护、水污染防治和污染源治理等提供科学支撑和技术对策。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一所述的一种河流污染源解析和污染物运移计算方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二所述的一种河流污染源解析和污染物运移计算方法的流程示意图；
图3为本发明实施例三所述的一种河流污染源解析和污染物运移计算系统的结构示意图；
图4为本发明流域空间属性数据库和社会经济信息数据库建立示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种河流污染源解析和污染物运移计算方法及系统，为流域水环境治理、实施水污染控制措施提供科学指导。。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
本实施例提供了一种河流污染源解析和污染物运移计算方法，包括以下步骤：
步骤1，构建流域空间属性数据库和社会经济信息数据库。所述流域空间属性数据库包括流域地形地貌、干支流水系分布、土地利用数据、土壤类型、气象数据、水文站点及其径流和水质监测数据等，所述社会经济信息数据库包括流域行政区划、种植结构，各行政区面积、人口、工业生活和养殖等排污点分布，以及工业、生活、养殖、种植等不同行业点源污染物统计数据和非点源污染物统计数据。
步骤2，根据流域水系、行政区划、地形地貌等空间信息、河流干支流水力关系，利用GIS将流域划分为子流域，结合流域已有的国控/省(区)控/市控/县控等多级监测断面，根据子流域划分情况、流域河流干支流关系及水力条件，加密新增必要的干支流水质监测断面，建立流域河流干支流水质监测断面网络。
步骤3，污染物排放量、入河量及运移过程计算单元划分。河段划分为干流计算单元和支流计算单元，根据步骤2划分的子流域和流域河流干支流水质监测断面网络确定干支流计算单元和计算节点：干流计算单元为干流河段涉及的子流域范围；支流计算单元为对应的子流域，计算节点一般为位于支流对应子流域的出水口，即各支流计算节点控制了其所在子流域主要的污染负荷。
步骤4，子流域污染物排放量计算。该发明所述污染物分为点源污染物和非点源污染物，综合采用污染源普查方法、环境统计方法和输出系数法，统计各子流域点源和非点源污染物排放量。本步骤进一步包括子步骤：
4.1点源污染排放量计算。所述点源污染物包括工业源污染物、规模以上畜禽养殖场污染物、城镇污水处理厂污染物、农村集中污水处理设施污染物，根据《第二次污染源普查》、《环境统计》资料获取点源数量、位置、排放污水量、水质浓度，排放污水量乘以水质浓度获得污染物排放量，叠加子流域边界获取各子流域点源污染物排放量。
4.2非点源污染排放量计算。所述非点源污染物包括未处理的城镇和农村生活污染物、种植业污染物、水产养殖污染物、规模以下畜禽养殖污染物、其他土地利用污染物，采用面积比例法估算各子流域城市和农村人口，根据城市和农村生活污水集中收集率确定未经处理的城市和农村生活污水量，根据各子流域人口数量按比例计算各子流域城市和农村生活污染产生量；种植业和其他土地利用污染物排放量采用输出系数法计算；采用面积比例法将污染源普查法确定的各行政区水产养殖、规模以下畜禽养殖污染物排放量转化为以子流域为单元的统计数据，从而确定各子流域水产养殖和规模以下畜禽养殖污染物排放量。
步骤5，子流域污染物入河量计算。确定点源污染的入河系数和非点源污染的入河系数，乘以步骤4中计算的各子流域污染物排放量，从而计算各子流域污染物入河量。所述点源和非点源污染物月入河量计算首先需确定入河系数，然后乘以相应点源污染物排放量，确定污染物年入河量。点源污染物年入河量按月平均分配获得点源污染物月入河量，非点源污染物入河量按照丰平枯水期将年入河量进行年内分配。
步骤6，干支流节点断面月流量计算。所述的干支流节点断面月流量，具有长系列水位、流量资料的干支流节点断面，采用水位～流量关系曲线法计算；具有长系列水位资料、无流量资料的干支流节点断面，采用水文比拟法计算；无长系列水位、流量资料的干支流节点采用等值线图法近似估计。
步骤7，考虑岩溶发育对于河流渗漏量和补给量(子流域产流对河流的补给)的影响，构建流域河流水量水质运移模拟模型。各子流域污染物入河之后进行运移转化，本步骤构建水量水质平衡方程，基于一维稳态模型计算和模拟污染物在河流中的运移和削减过程，建立水量与水质浓度联系，计算和模拟干流节点污染物浓度。
步骤8，根据步骤7河流水量水质模拟模型，模拟河流污染物运移过程，比较污染物月均浓度模拟值与实测值，校准和验证模型模拟效果。
实施例二
如图2所示，本实施例提供的一种河流污染源解析和污染物运移计算方法，包括：
步骤201：基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，确定目标子流域以及建立目标流域河流干支流水质监测断面网络；所述流域空间属性数据库包括流域地形地貌信息、干支流水系分布信息、土地利用数据、土壤类型、气象数据、水文站点位置信息、以及所述水文站点采集的径流信息和水质信息；所述社会经济信息数据库包括流域行政区、以及每个所述流域行政区对应的排污点分布信息、点源污染物统计数据和非点源污染物统计数据；
步骤202：基于所述目标子流域和所述目标流域河流干支流水质监测断面网络，确定计算单元；所述计算单元包括干流计算单元、支流计算单元以及计算节点；所述干流计算单元为干流河段涉及的子流域范围；所述支流计算单元为子流域；所述计算节点为位于支流对应子流域的出水口。
步骤203：基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，并基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量。
步骤204：基于所述计算单元和所述流域空间属性数据库，计算干支流节点断面月平均流量。
步骤205：基于所述污染物入河量和所述干支流节点断面月平均流量，考虑岩溶发育对于河流渗漏量和补给量的影响，构建目标流域河流水量水质运移模拟模型；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型用于模拟目标流域中各个污染物运移过程。
其中，步骤201，具体包括：
基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，利用GIS将所述目标流域进行划分，得到多个目标子流域；根据所述多个目标子流域以及所述目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，建立目标流域河流干支流水质监测断面网络。
所述基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，具体包括：
基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，综合采用污染源普查方法、环境统计方法和输出系数法，统计各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量。
所述基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量，具体包括：
确定点源污染物的入河系数和非点源污染物的入河系数。
将所述目标子流域的点源污染物排放量与所述点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的点源污染物年入河量；将所述点源污染物年入河量按月平均分配，以获得各个所述目标子流域的点源污染物月入河量。
将所述目标子流域的非点源污染物排放量与所述非点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的非点源污染物年入河量；将所述非点源污染物年入河量分别按照丰平枯水期进行年内分配，以获得各个所述目标子流域的非点源污染物月入河量。
步骤205具体包括：
基于所述干支流节点断面月平均流量，构建相邻干流计算节点的水量平衡方程；采用一维稳态模型，确定相邻两个干流计算节点之间的污染物运移过程方程；基于所述污染物入河量，构建干流节点污染负荷计算方程；基于水量平衡方程、所述污染物运移过程方程和干流节点污染负荷计算方程，构建水质-水量平衡方程；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型的表达式为水质-水量平衡方程。
实施例三
如图3所示，本实施例提供的一种河流污染源解析和污染物运移计算系统，包括：
目标子流域以及目标流域河流干支流水质监测断面网络确定模块301，用于基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，确定目标子流域以及建立目标流域河流干支流水质监测断面网络；所述流域空间属性数据库包括流域地形地貌信息、干支流水系分布信息、土地利用数据、土壤类型、气象数据、水文站点位置信息、以及所述水文站点采集的径流信息和水质信息；所述社会经济信息数据库包括流域行政区、以及每个所述流域行政区对应的排污点分布信息、点源污染物统计数据和非点源污染物统计数据。
计算单元划分模块302，用于基于所述目标子流域和所述目标流域河流干支流水质监测断面网络，确定计算单元；所述计算单元包括干流计算单元、支流计算单元以及计算节点；所述干流计算单元为干流河段涉及的子流域范围；所述支流计算单元为子流域；所述计算节点为位于支流对应子流域的出水口。
污染物入河量计算模块303，用于基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，并基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量。
干支流节点断面月平均流量计算模块304，用于基于所述计算单元和所述流域空间属性数据库，计算干支流节点断面月平均流量。
目标流域河流水量水质运移模拟模型构建模块305，用于基于所述污染物入河量和所述干支流节点断面月平均流量，考虑岩溶发育对于河流渗漏量和补给量的影响，构建目标流域河流水量水质运移模拟模型；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型用于模拟目标流域中各个污染物运移过程。
所述目标子流域以及目标流域河流干支流水质监测断面网络确定模块301，具体包括：
目标子流域确定单元，用于基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，利用GIS将所述目标流域进行划分，得到多个目标子流域。
目标流域河流干支流水质监测断面网络确定单元，用于根据所述多个目标子流域以及所述目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，建立目标流域河流干支流水质监测断面网络。
在所述基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量方面，所述污染物入河量计算模块303，具体包括：
基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，综合采用污染源普查方法、环境统计方法和输出系数法，统计各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量。
在所述基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量方面，所述污染物入河量计算模块303，具体包括：
确定点源污染物的入河系数和非点源污染物的入河系数。
将所述目标子流域的点源污染物排放量与所述点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的点源污染物年入河量；将所述点源污染物年入河量按月平均分配，以获得各个所述目标子流域的点源污染物月入河量。
将所述目标子流域的非点源污染物排放量与所述非点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的非点源污染物年入河量；将所述非点源污染物年入河量分别按照丰平枯水期进行年内分配，以获得各个所述目标子流域的非点源污染物月入河量。
所述目标流域河流水量水质运移模拟模型构建模块305，具体包括：
污染物入河量计算模块构建单元，用于基于所述干支流节点断面月平均流量，构建相邻干流计算节点的水量平衡方程。
污染物运移过程方程构建单元，用于采用一维稳态模型，确定相邻两个干流计算节点之间的污染物运移过程方程。
干流节点污染负荷计算方程构建单元，用于基于所述污染物入河量，构建干流节点污染负荷计算方程。
水质-水量平衡方程构建单元，用于基于水量平衡方程、所述污染物运移过程方程和干流节点污染负荷计算方程，构建水质-水量平衡方程；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型的表达式为水质-水量平衡方程。
实施例四
下面选择COD、氨氮、总氮、总磷4种主要污染物作为典型污染物，结合本发明提供的技术方案，在漓江流域上游(岩溶发育区)的应用作为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。
本实施例提供的一种河流污染源解析和污染物运移计算方法，包括以下步骤：
步骤1，构建流域空间属性数据库和社会经济信息数据库。
参见图4，对漓江流域上游进行现场勘测、调查和收集资料，获取流域地形地貌、干支流水系分布、土地利用数据、土壤类型、气象数据、水文站点及其径流和水质等数据，构建流域空间属性数据库。
收集和统计流域行政区划、种植结构，各行政区面积、人口、工业生活和养殖等排污点分布，以及工业、生活、养殖、种植等不同行业点源污染物数据和非点源污染物数据，建立社会经济信息数据库。
步骤2，根据漓江流域水系、行政区划、地形地貌等空间信息、河流干支流水力关系，利用GIS将总面积2759.78km2的漓江上游流域划分为11个子流域，结合流域已有的国控/省(区)控/市控/县控干支流13个监测断面，根据子流域划分情况、流域河流干支流关系及水力条件，在干流和支流上分别加密新增水质监测断面9个和11个，建立流域河流干支流水质监测断面网络。
步骤3，COD、氨氮、总氮、总磷排放量、入河量及运移过程计算单元划分。根据步骤2划分的11个子流域和流域河流干支流水质监测断面网络，确定7个干流河段计算节点，6个干流河段计算区间；每个子流域为一个计算单元，确定9个主要支流的出水口作为支流计算节点。干流计算单元为干流河段涉及的子流域范围；支流计算单元为对应的子流域，计算节点一般为位于支流对应子流域的出水口，即各支流计算节点控制了其所在子流域主要的污染负荷。
步骤4，子流域COD、氨氮、总氮、总磷排放量计算。所述污染物分为点源污染物和非点源污染物，综合采用污染源普查方法、环境统计方法和输出系数法，统计各子流域点源和非点源污染物排放量。本步骤进一步包括子步骤：
4.1点源污染排放量计算。所述点源污染物包括工业源污染物、规模以上畜禽养殖场污染物、城镇污水处理厂污染物、农村集中污水处理设施污染物。
其中，根据《第二次污染源普查》获取各子流域工业企业共计46家、规模以上畜禽养殖场347家，工业企业COD、氨氮、总氮和总磷年排放量分别为89.42吨/年、2.38吨/年、4.77吨/年、0.93吨/年，规模以上畜禽养殖场COD、氨氮、总氮和总磷年排放量分别为2568.82吨/年、29.43吨/年、173.68吨/年、36.71吨/年，利用GIS将工业污染排放点与子流域边界叠加分析，从而获取各子流域内工业企业和规模化养殖场分布和污染物排放情况。
获取漓江流域上游(城区)城镇污水处理厂6座，查询《环境统计》获取污水处理厂年污水处理量，乘以出水水质标准值估算污水处理厂的年污染物排放量，经计算获得6座城镇污水处理厂COD、氨氮、总氮和总磷年排放量。
根据《第二次污染源普查》获取121座农村集中污水处理设施位置、污水处理量、农村生活污水收集率，由于农村集中污水处理设施污染物排放缺少国家标准，故参考《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)和《环境统计》确定农村集中污水处理设施出水水质，估算农村集中污水处理设施年污染物排放量，经计算获得各子流域农村集中污水处理设施COD、氨氮、总氮和总磷年排放量。
4.2非点源污染排放量计算。非点源污染物包括未处理的城镇生活污染物、未处理的农村生活污染物、种植业污染物、水产养殖污染物、规模以下畜禽养殖污染物、其他土地利用污染物。
其中，根据流域当地统计年鉴等资料获取2019年漓江流域(城区)城镇人口数量94.01万人、城区人口密度0.992万人/平方公里、桂林市区日均接待游客约计22.7万人，采用面积比例法估算各子流域城镇人口数量；根据桂林市排水公司封闭测试结果确定城镇生活污水集中收集率为73.4％，则有26.6％的城镇生活污水未进入污水处理厂，查询《环境统计》获取COD、氨氮、总氮、总磷人均年生活污染排放量分别为24.45kg、3.03kg、3.80kg、0.3kg，结合各子流域人口数量，计算得到各子流域城镇生活污染产生量，乘以城镇生活污染物未集中收集率26.6％确定未处理的城镇生活污染排放量。
根据《第二次污染源普查》获取各行政区农村常住158525户、人口512419人，采用面积比例法确定各子流域农村常住人口，根据《环境统计》数据确定流域所在地区获取人均生活用水污染物排放量，进而计算各子流域内农村生活污染排放量，然后各子流域扣除37734户进入农村集中式处理设施和市政管网的农村生活污染物排放量，最终确定各子流域未处理的农村生活污水COD、氨氮、总氮、总磷排放量。
种植业COD、氨氮、总氮、总磷排放量采用输出系数法计算。根据《全国水环境容量核定技术指南》初步确定流域各类土地利用COD基础源强系数为10kg/亩，以漓江流域特性作适当修正，其中坡度修正系数1.1、农作物修正系数水田1.1(旱地1.0)、土壤修正系数0.8、降雨修正系数1.3，综合修正系数水田1.258、旱地1.144，则水田COD排放系数12.58kg/亩，旱地11.44kg/亩；查询《第一次全国污染源普查—农业污染源—肥料流失系数手册》确定水田氨氮、总氮、总磷流失系数分别为0.93kg/亩、0.24kg/亩、0.077kg/亩，旱地氨氮、总氮、总磷流失系数分别为0.95kg/亩、0.092kg/亩、0.049kg/亩，流域农田种植面积乘以相应输出系数计算各子流域种植业COD、氨氮、总氮、总磷排放量。
根据《第二次污染源普查》各行政区有3128家水产养殖，其中2937家规模以下畜禽养殖场，确定水产养殖COD、氨氮、总氮、总磷排放量，采用面积比例法将以行政区为单元的统计数据转化为以子流域为单元的统计数据，从而确定各子流域水产养殖和规模以下畜禽养殖COD、氨氮、总氮、总磷排放量。
其他土地利用(如林地、草地、工交建设用地)COD、氨氮、总氮、总磷排放量采用输出系数法计算。根据漓江流域(城区)土地利用资料确定各类土地利用类型面积，根据流域特征确定林地、草地、公交建设用地等COD、氨氮、总氮、总磷输出系数，流域土地利用类型面积乘以相应输出系数计算各子流域其他土地利用COD、氨氮、总氮、总磷排放量。
步骤5，子流域COD、氨氮、总氮、总磷入河量计算。确定点源污染的入河系数和非点源污染的入河系数，乘以步骤4中计算的各子流域污染物排放量，从而计算各子流域污染物入河量。本步骤以下子步骤：
5.1点源污染物月入河量计算。点源污染物计算首先需确定入河系数，入河系数主要与河流的距离有关，参照《全国水环境容量核定技术指南》确定点源污染入河系数，然后乘以相应点源污染物排放量获取污染物年入河量，最后平均分配到12个月，确定点源污染物月入河量。具体如下：
(1)根据排污口到入河排污口的距离(L)远近，确定入河系数。
L≤1km，入河系数取1.0；
1＜L≤10km，入河系数取0.9；
10＜L≤20km，入河系数取0.8。
(2)入河系数修正
①渠道修正系数：通过未衬砌明渠入河，修正系数取0.6～0.9；通过衬砌暗管入河，修正系数取0.9～1.0。
②温度修正系数：气温在10℃以下，修正系数取0.95～1.0；气温在10℃以下，修正系数取0.95～1.0；气温在10～30℃之间时，修正系数取0.85～0.95。
根据各子流域特征和点源污染源分布情况，确定工业污染源、规模以上畜禽养殖污染源、城镇污水污染源和农村集中污水污染源的点源污染入河系数。
(3)点源污染月入河量计算。点源污染排放过程和入河过程较为稳定，受天气和降雨等影响较小。点源污染年排放量乘以各子流域点源污染入河系数，得到各子流域点源污染年入河量，将点源污染年入河量直接除以12得到污染物月入河量。点源污染月平均入河量计算公式为：
LDn＝WDn×λD÷12 (1)；
式中：LDn为点源污染物月入河量；WD为污染物年排放量；λD为非点源入河系数。
5.2非点源污染物入河量计算。具体如下：
(1)非点源污染物入河系数。首先需确定非点源污染物入河系数。根据子流域的地形地貌、水文地质条件和入河距离等综合因素，参考相关研究和《全国水环境容量技术指南》，确定各子流域城镇生活、农村生活、种植业、水产养殖、规模以下畜禽养殖、其他土地利用等非点源污染物入河系数。
(2)非点源污染月入河量计算。非点源污染入河量受降雨、径流等影响较大，丰平枯水期年入河量进行年内分配，非点源污染在丰平枯水期月平均入河量计算公式为：
LFDn＝WFD×λFD×P (2)；
式中：LFDn为污染物月入河量；WFD为污染物年排放量；λFD为非点源入河系数；p为月降雨量占年降雨量的比值。
综合点源和非点源污染物入河量，确定各子流域COD、氨氮、总氮、总磷入河量。
步骤6，干支流节点断面月流量计算。
其中，具有长系列水位、流量资料的干支流节点断面，采用Z～Q关系曲线法计算月平均流量。具体方法为：建立高水位、中水位、低水位不同水位下日水位和日流量的Z～Q关系曲线，得到相应拟合方程，将月平均水位代入相应拟合方程中，即得月平均流量。
具有长系列水位资料、无流量资料的干支流节点断面，采用水文比拟法计算月平均流量，水文比拟法算出的是年平均流量，按照参证断面(桂林水文站)各年的月平均流量等比例分配确定断面月均流量。具体方法为：
K1＝A/Ac；K2＝P/Pc (4)；
式中：
表示设计流域(站)平均流量，m3/s；
表示表参证流域(站)平均流量，m3/s；K1为面积修正系数，A为设计流域(站)集水面积km2，Ac为参证流域(站)集水面积km2；K2为降雨修正系数，P为设计流域(站)多年平均降雨量mm，Pc为参证流域(站)多年平均降雨量mm。
其中，无长系列水位、流量资料的干支流节点采用等值线图法近似估计月平均流量。根据研究区所在流域现有的多年平均径流深等值线图、Cv等值线图、多年平均降雨量等值线图等资料，近似估计年平均流量，按照参证断面各年的月平均流量等比例分配所求计算节点的月平均流量。
步骤7，流域河流水量水质运移模拟模型。各子流域污染物入河后随水流运移转化，本步骤采用水量水质平衡方程、一维稳态模型计算和模拟污染物在河流中的运移和削减过程，建立水量与水质浓度联系，计算和模拟干流节点污染物浓度。本步骤包括以下子步骤：
7.1相邻干流计算节点的水量平衡方程。不考虑蒸发影响的条件下，两个干流节点A到B，流量关系应满足以下方程：
式中，QA为上游节点A的流量，m3/s；QB为下游节点B的流量，m3/s；
为A到B之间汇入的支流流量的加和，m3/s；Q地表为A到B之间汇入的地表径流补给量，m3/s；Q地下为A到B之间汇入的地下径流补给量，m3/s；Q渗漏为A到B之间渗漏进入河床、溶洞、地下裂隙等的流量，m3/s。
径流补给总量由干流B点的流量QB减去A点流量QA、支流汇入流量
渗漏量Q渗漏计算得到，QA，QB，
根据步骤6计算。径流补给量又分为地表径流补给Q地表和地下径流补给Q地下，其中地下径流又称之为基流。采用数字滤波法对干流计算节点进行基流分割，可得到基流指数g％为20％，即地下径流补给量为径流补给总量的20％，地表径流补给量为径流补给总量的80％。流量渗漏率参考相关研究和经验值确定其平均值为12％，根据计算干流节点之间河段的岩溶发育程度进行修正，估算相应计算河段流量的渗漏量。
7.2采用一维稳态模型计算相邻两个干流计算节点之间污染物运移过程。
河流一维稳态模式：
式中，C为干流计算节点的污染物浓度，mg/L；C0为初始点污染物浓度，mg/L；K为综合衰减系数，1/d；u为河流流速，m/s；x为初始计算节点到下游计算节点的距离，m。
污染物的消减能力与综合衰减系数K、断面距离x，流速u相关，河流干流的消减能力可表示为
用字母e1表示。
由于流域支流、地表径流补给、地下径流补给、渗漏及外源污染的汇入都是沿程随机进出河道干流，为方便计算，将平均消减距离概化为干流节点间距离的一半，即0.5x，则支流、地表径流补给、地下径流补给、渗漏及外源污染的消减能力可表示为：
用字母e2表示。
7.3计算干流节点污染负荷，建立水量与水质浓度联系。
(1)月污染负荷计算公式：W＝T×C×Q月 (7)
式中：W为月负荷，单位t；T为时段转换系数(以秒计，一个月的秒数为2592000s)；C为污染物浓度，单位mg/L；Q月为月平均流量，单位m3/s。
(2)水质-水量平衡方程式的建立。水量平衡方程两边同时乘以对应的浓度C和时间T，并采用一维稳态模型计算干流计算节点A点对汇流污染物浓度的消减，可表示为：
式中，CB为下游节点B的浓度，mg/L；CA为上游节点A的浓度，mg/L；C支为A到B之间汇入的支流的浓度，mg/L；C地表为在无外源污染排放下地表径流补给的基底浓度，mg/L；C地下为在无外源污染排放下地下径流补给的基底浓度，mg/L；C渗漏为A到B之间渗漏量的浓度，m3/s。
结合负荷计算公式(7)，则公式(8)又可以表示为：
其中方程(5)和(6)中的W外源表示在AB区间内点源和非点源污染的月入河量，即干流节点之间的入河负荷；河流中污染物的平均渗漏浓度概化为A、B两点污染物浓度的平均值；地表径流污染物基底值取干流一年中水质最好月份的浓度值，地下径流污染物浓度基底值取地下水Ⅱ类水标准值。
步骤8，根据步骤7河流水量-水质模拟模型，模拟河流COD、氨氮、总氮、总磷运移过程，比较污染物月均浓度模拟值与实测值，校准和验证模型模拟效果。以COD和氨氮为例，干流6个计算节点枯丰平季节月均流量和污染物月均浓度模拟值与实测值统计参数如表1所示。
表1干流计算节点枯-丰-平水期氨氮、COD浓度模拟值对比表
依据《水文情报预报规范》(GB/T 22482-2008)，水质模拟许可误差为实测值的30％。表1显示构建模型模拟误差基本上在-30％～30％以内，说明模型总体模拟效果良好，可用于COD、氨氮、总氮、总磷等污染物排放的评价。
本发明提供了一种河流污染源解析及污染物运移计算方法，基于流域空间属性和社会经济数据，利用GIS技术划分子流域和河流分段计算单元，根据统计和调查数据确定不同行业子流域点源和非点源污染物排放量、入河量，解析河流污染物来源及其贡献；考虑了岩溶分布和发育程度对污染物入河系数、河流渗漏量、河流补给量的影响，构建了水量水质平衡方程，基于一维稳态模型计算和模拟污染物在河流中的运移和削减过程，建立水量与水质浓度联系，实现流域各类污染物来源解析和河流污染物运移计算。本发明可用于分析流域主要污染物空间分布及来源解析、河流水环境治理等领域，以为流域水污染防治、水环境保护、水质管理等提供决策依据和管理对策。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种河流污染源解析和污染物运移计算方法，其特征在于，包括：
基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，确定目标子流域以及建立目标流域河流干支流水质监测断面网络；所述流域空间属性数据库包括流域地形地貌信息、干支流水系分布信息、土地利用数据、土壤类型、气象数据、水文站点位置信息、以及所述水文站点采集的径流信息和水质信息；所述社会经济信息数据库包括流域行政区、以及每个所述流域行政区对应的排污点分布信息、点源污染物统计数据和非点源污染物统计数据；
基于所述目标子流域和所述目标流域河流干支流水质监测断面网络，确定计算单元；所述计算单元包括干流计算单元、支流计算单元以及计算节点；所述干流计算单元为干流河段涉及的子流域范围；所述支流计算单元为子流域；所述计算节点为位于支流对应子流域的出水口；
基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，并基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量；
基于所述计算单元和所述流域空间属性数据库，计算干支流节点断面月平均流量；
基于所述污染物入河量和所述干支流节点断面月平均流量，考虑岩溶发育对于河流渗漏量和补给量的影响，构建目标流域河流水量水质运移模拟模型；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型用于模拟目标流域中各个污染物运移过程。
2.根据权利要求1所述的一种河流污染源解析和污染物运移计算方法，其特征在于，所述基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，确定目标子流域以及建立目标流域河流干支流水质监测断面网络，具体包括：
基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，利用GIS将所述目标流域进行划分，得到多个目标子流域；
根据所述多个目标子流域以及所述目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，建立目标流域河流干支流水质监测断面网络。
3.根据权利要求1所述的一种河流污染源解析和污染物运移计算方法，其特征在于，所述基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，具体包括：
基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，综合采用污染源普查方法、环境统计方法和输出系数法，统计各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量。
4.根据权利要求1所述的一种河流污染源解析和污染物运移计算方法，其特征在于，所述基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量，具体包括：
确定点源污染物的入河系数和非点源污染物的入河系数；
将所述目标子流域的点源污染物排放量与所述点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的点源污染物年入河量；
将所述点源污染物年入河量按月平均分配，以获得各个所述目标子流域的点源污染物月入河量；
将所述目标子流域的非点源污染物排放量与所述非点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的非点源污染物年入河量；
将所述非点源污染物年入河量分别按照丰平枯水期进行年内分配，以获得各个所述目标子流域的非点源污染物月入河量。
5.根据权利要求1所述的一种河流污染源解析和污染物运移计算方法，其特征在于，所述基于所述污染物入河量和所述干支流节点断面月平均流量，考虑岩溶发育对于河流渗漏量和补给量的影响，构建目标流域河流水量水质运移模拟模型，具体包括：
基于所述干支流节点断面月平均流量，构建相邻干流计算节点的水量平衡方程；
采用一维稳态模型，确定相邻两个干流计算节点之间的污染物运移过程方程；
基于所述污染物入河量，构建干流节点污染负荷计算方程；
基于水量平衡方程、所述污染物运移过程方程和干流节点污染负荷计算方程，构建水质-水量平衡方程；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型的表达式为水质-水量平衡方程。
6.一种河流污染源解析和污染物运移计算系统，其特征在于，包括：
目标子流域以及目标流域河流干支流水质监测断面网络确定模块，用于基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，确定目标子流域以及建立目标流域河流干支流水质监测断面网络；所述流域空间属性数据库包括流域地形地貌信息、干支流水系分布信息、土地利用数据、土壤类型、气象数据、水文站点位置信息、以及所述水文站点采集的径流信息和水质信息；所述社会经济信息数据库包括流域行政区、以及每个所述流域行政区对应的排污点分布信息、点源污染物统计数据和非点源污染物统计数据；
计算单元划分模块，用于基于所述目标子流域和所述目标流域河流干支流水质监测断面网络，确定计算单元；所述计算单元包括干流计算单元、支流计算单元以及计算节点；所述干流计算单元为干流河段涉及的子流域范围；所述支流计算单元为子流域；所述计算节点为位于支流对应子流域的出水口；
污染物入河量计算模块，用于基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，并基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量；
干支流节点断面月平均流量计算模块，用于基于所述计算单元和所述流域空间属性数据库，计算干支流节点断面月平均流量；
目标流域河流水量水质运移模拟模型构建模块，用于基于所述污染物入河量和所述干支流节点断面月平均流量，考虑岩溶发育对于河流渗漏量和补给量的影响，构建目标流域河流水量水质运移模拟模型；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型用于模拟目标流域中各个污染物运移过程。
7.根据权利要求6所述的一种河流污染源解析和污染物运移计算系统，其特征在于，所述目标子流域以及目标流域河流干支流水质监测断面网络确定模块，具体包括：
目标子流域确定单元，用于基于目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，利用GIS将所述目标流域进行划分，得到多个目标子流域；
目标流域河流干支流水质监测断面网络确定单元，用于根据所述多个目标子流域以及所述目标流域的流域空间属性数据库和社会经济信息数据库，建立目标流域河流干支流水质监测断面网络。
8.根据权利要求6所述的一种河流污染源解析和污染物运移计算系统，其特征在于，在所述基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，计算各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量方面，所述污染物入河量计算模块，具体包括：
基于所述计算单元和所述社会经济信息数据库，综合采用污染源普查方法、环境统计方法和输出系数法，统计各个所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量。
9.根据权利要求6所述的一种河流污染源解析和污染物运移计算系统，其特征在于，在所述基于所述目标子流域的点源污染物排放量和非点源污染物排放量，计算各个所述目标子流域的污染物入河量方面，所述污染物入河量计算模块，具体包括：
确定点源污染物的入河系数和非点源污染物的入河系数；
将所述目标子流域的点源污染物排放量与所述点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的点源污染物年入河量；
将所述点源污染物年入河量按月平均分配，以获得各个所述目标子流域的点源污染物月入河量；
将所述目标子流域的非点源污染物排放量与所述非点源污染物的入河系数相乘，确定各个所述目标子流域的非点源污染物年入河量；
将所述非点源污染物年入河量分别按照丰平枯水期进行年内分配，以获得各个所述目标子流域的非点源污染物月入河量。
10.根据权利要求6所述的一种河流污染源解析和污染物运移计算系统，其特征在于，所述目标流域河流水量水质运移模拟模型构建模块，具体包括：
污染物入河量计算模块构建单元，用于基于所述干支流节点断面月平均流量，构建相邻干流计算节点的水量平衡方程；
污染物运移过程方程构建单元，用于采用一维稳态模型，确定相邻两个干流计算节点之间的污染物运移过程方程；
干流节点污染负荷计算方程构建单元，用于基于所述污染物入河量，构建干流节点污染负荷计算方程；
水质-水量平衡方程构建单元，用于基于水量平衡方程、所述污染物运移过程方程和干流节点污染负荷计算方程，构建水质-水量平衡方程；所述目标流域河流水量水质运移模拟模型的表达式为水质-水量平衡方程。
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