CN115221592B - 农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法及系统，属于农业环境保护领域。方法包括：获取工程区域地图，并对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数和容积指数；计算所述各个分区内排水沟渠的污染负荷指数；所述污染负荷指数包括长度负荷指数和容积负荷指数；根据所述平面密度指数、所述容积指数以及所述污染负荷指数确定所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区；对所述重点分区内的生态沟渠进行空间布局优化。采用本发明方法能够准确识别工程区域生态沟渠布设的敏感区与重点区，从而有针对性地优化敏感区与重点区的生态沟渠空间布局。

Description

农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法

技术领域

本发明涉及农业环境保护技术领域，特别是涉及一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法。

背景技术

在点源污染得到有效控制后，农田面源污染已成为水环境污染的重要来源，同时，农田面源污染排放具有明显的不确定性、随机性和空间异质性，为污染防控、治理带来了较大难度。目前，中国从管理和治理角度，多角度、多方位开展了农田面源污染的控制，农田排水生态拦截净化工程近年来投资比例逐年上升，也成为研究与关注的热点，在农田面源污染控制进程中发挥了较大作用。其中，生态沟渠是当前常用的技术之一，该技术通过农田田块内部排水沟渠的生态化改造，在排水迁移过程中，利用物理、化学及生物作用，对氮磷污染物进行沉淀、吸附、吸收及降解，实现生态拦截净化的功能，该技术从构造、填料、植被等角度有多种形式，充实了生态沟渠的构建方式，在农田排水生态拦截工程中得到了广泛应用。但在实际工程设计中，生态沟渠在平面的布局仍以经验为主，即仅根据农田现状条件，对新建或改建生态沟渠进行随机布设，这种较为随意的设计带来的针对性不强等问题，对整体生态拦截工程的效果发挥势必造成影响。因此，本领域亟需一种生态沟渠的科学空间布局方法，以解决农田面源污染生态拦截工程中生态沟渠平面布局不精确的问题。

发明内容

为解决或至少缓解上述问题，本发明提出一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法，能够准确识别工程区域生态沟渠布设的敏感区与重点区，从而有针对性地优化敏感区与重点区的生态沟渠空间布局。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法，包括：

获取工程区域地图，并对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；

计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数和容积指数；

计算所述各个分区内排水沟渠的污染负荷指数；所述污染负荷指数包括长度负荷指数和容积负荷指数；

根据所述平面密度指数、所述容积指数以及所述污染负荷指数确定所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区；

对所述重点分区内的生态沟渠进行空间布局优化。

可选地，所述对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区，具体包括：

若所述工程区域地图内的天然分隔界限清晰，采用天然分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；

若所述工程区域地图内的天然分隔界限不清晰，采用象限分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区。

可选地，所述计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数和容积指数，具体包括：

统计所述各个分区的分区面积；

测量所述各个分区内排水沟渠的总长度和总有效容积；所述排水沟渠包括土质排水沟和硬质排水渠；

将所述各个分区内排水沟渠的总长度分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数；

将所述各个分区内排水沟渠的总有效容积分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的容积指数。

可选地，所述计算所述各个分区内排水沟渠的污染负荷指数，具体包括：

确定各个分区内的不同类型空间以及不同类型空间对应的污染物排放系数；所述不同类型空间包括农田、菜地、村庄；

统计各个分区内的不同类型空间的空间面积；

根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总长度，采用公式

计算所述各个分区内排水沟渠的长度负荷指数；其中q_li表示第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数；A_ik表示第i个分区内第k种类型空间的空间面积；Q_ik表示第i个分区内第k种类型空间对应的污染物排放系数；M表示第i个分区内不同类型空间的数量；L_i表示第i个分区内排水沟渠的总长度；

根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总有效容积，采用公式

计算所述各个分区内排水沟渠的容积负荷指数；其中q_vi表示第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数；V_i表示第i个分区内排水沟渠的总有效容积。

可选地，所述根据所述平面密度指数、所述容积指数以及所述污染负荷指数确定所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区，具体包括：

分别计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数、容积指数、长度负荷指数以及容积负荷指数的总平均值，得到平面密度指数总平均值、容积指数总平均值、长度负荷指数总平均值以及容积负荷指数总平均值；

针对所述各个分区内的第i个分区，若第i个分区内排水沟渠的平面密度指数小于平面密度指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积指数小于容积指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数大于长度负荷指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数大于容积负荷指数总平均值，则确定第i个分区为所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区。

一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化系统，包括：

工程区域分区划分模块，用于获取工程区域地图，并对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；

平面密度与容积指数计算模块，用于计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数和容积指数；

污染负荷指数计算模块，用于计算所述各个分区内排水沟渠的污染负荷指数；所述污染负荷指数包括长度负荷指数和容积负荷指数；

分区比较与综合分析模块，用于根据所述平面密度指数、所述容积指数以及所述污染负荷指数确定所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区；

空间布局优化模块，用于对所述重点分区内的生态沟渠进行空间布局优化。

可选地，所述工程区域分区划分模块具体包括：

天然分隔单元，用于若所述工程区域地图内的天然分隔界限清晰，采用天然分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；

象限分隔单元，用于若所述工程区域地图内的天然分隔界限不清晰，采用象限分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区。

可选地，所述平面密度与容积指数计算模块具体包括：

分区面积统计单元，用于统计所述各个分区的分区面积；

总长度和总有效容积测量单元，用于测量所述各个分区内排水沟渠的总长度和总有效容积；所述排水沟渠包括土质排水沟和硬质排水渠；

平面密度指数计算单元，用于将所述各个分区内排水沟渠的总长度分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数；

容积指数计算单元，用于将所述各个分区内排水沟渠的总有效容积分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的容积指数。

可选地，所述污染负荷指数计算模块具体包括：

不同类型空间系数获取单元，用于确定各个分区内的不同类型空间以及不同类型空间对应的污染物排放系数；所述不同类型空间包括农田、菜地、村庄；

空间面积统计单元，用于统计各个分区内的不同类型空间的空间面积；

长度负荷指数计算单元，用于根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总长度，采用公式

计算所述各个分区内排水沟渠的长度负荷指数；其中q_li表示第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数；A_ik表示第i个分区内第k种类型空间的空间面积；Q_ik表示第i个分区内第k种类型空间对应的污染物排放系数；M表示第i个分区内不同类型空间的数量；L_i表示第i个分区内排水沟渠的总长度；

容积负荷指数计算单元，用于根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总有效容积，采用公式

计算所述各个分区内排水沟渠的容积负荷指数；其中q_vi表示第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数；V_i表示第i个分区内排水沟渠的总有效容积。

可选地，所述分区比较与综合分析模块具体包括：

总平均值计算单元，用于分别计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数、容积指数、长度负荷指数以及容积负荷指数的总平均值，得到平面密度指数总平均值、容积指数总平均值、长度负荷指数总平均值以及容积负荷指数总平均值；

重点分区判断单元，用于针对所述各个分区内的第i个分区，若第i个分区内排水沟渠的平面密度指数小于平面密度指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积指数小于容积指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数大于长度负荷指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数大于容积负荷指数总平均值，则确定第i个分区为所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区。

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：

本发明提供了一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法及系统，所述方法包括：获取工程区域地图，并对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数和容积指数；计算所述各个分区内排水沟渠的污染负荷指数；所述污染负荷指数包括长度负荷指数和容积负荷指数；根据所述平面密度指数、所述容积指数以及所述污染负荷指数确定所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区；对所述重点分区内的生态沟渠进行空间布局优化。本发明提出了农田生态沟渠负荷指数的概念，根据平面密度指数、容积指数、长度负荷指数和容积负荷指数计算研判工程区域生态沟渠布设的重点分区，为生态沟渠平面布局设计提供直接、便捷、针对性强的技术标准支撑，解决了农田排水生态拦截工程设计针对性不强的缺点，能够有针对性地优化重点分区的生态沟渠空间布局，从而提高工程总体效果，成为生态拦截工程设计、生态沟渠技术应用的有效补充。

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为本发明一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法的流程图；

图2为本发明一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法的原理示意图；

图3为本发明实施例对工程区域进行分区划分的示意图；

图4为本发明实施例对工程区域各个分区进行平面调查的示意图；

图5为本发明实施例依据采用本发明方法计算出的各类指数进行分区比较与综合分析的示意图。

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农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法，能够准确识别工程区域生态沟渠布设的敏感区与重点区，从而有针对性地优化敏感区与重点区的生态沟渠空间布局。

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。

图1为本发明一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法的流程图，图2为本发明一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法的原理示意图。参见图2，本发明方法主要包括工程区域分区划分、排水沟渠平面密度与容积指数计算、排水沟渠污染负荷指数计算、以及分区比较与综合分析等步骤。参见图1，本发明一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法，具体包括：

步骤1：获取工程区域地图，并对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区。

本发明获取的工程区域地图可以是工程区域的地形图、卫星地图、遥感地图等。采用天然分隔或象限分隔对工程区域进行分区划分，目的是为后续调查分析提供基础图件与数据。

所述步骤1对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区，具体包括：

步骤1.1：若所述工程区域地图内的天然分隔界限清晰，采用天然分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区。

天然分隔方法是采用设计对象工程区域内的河浜水系、主要道路、灌渠、主要田埂等进行，外围边界即为工程设计对象边界，分隔的不规则区块即为划分好的分区。

步骤1.2：若所述工程区域地图内的天然分隔界限不清晰，采用象限分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区。

如天然分隔界限不清晰，可先大体确定不规则工程区域的平面中心点，以此为原点构建直角坐标系，各象限与外围边界所围区域形成分区，并用田块田埂等进行边界修正，优先采用天然分隔法进行分区划分。

划分好工程区域各个分区后，利用AutoCAD等软件绘制分区边界，计算各分区面积，以亩(mu)计。

步骤2：计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数和容积指数。

步骤2用于沟渠平面密度与容积指数调查、统计及计算。

所述步骤2计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数和容积指数，具体包括：

步骤2.1：统计所述各个分区的分区面积。

划分好工程区域各个分区后，利用AutoCAD等软件绘制分区边界，计算各个分区的分区面积A，以亩(mu)计。将第i个分区的分区面积表示为A_i。

步骤2.2：测量所述各个分区内排水沟渠的总长度和总有效容积；所述排水沟渠包括土质排水沟和硬质排水渠。

首先对步骤1中划分出的各分区内部排水沟渠或灌排两用沟渠进行调查，包括土质排水沟和硬质排水渠两大类，配合图上作业，测量每条排水沟渠长度L(土质排水沟长度为L_s、硬质排水渠长度为L_c)。

测量排水沟渠的断面型式，例如梯形断面，测量沟顶宽W_u、沟底宽W_d、垂直深度H₁，并计算沟渠有效容积(单位m³)，其中，沟渠深度采用有效深度H₀计算，即H₀＝H₁-0.2(单位m，0.2为沟渠保护深度，可根据实际情况进行调整)。也就是说，根据沟顶宽W_u、沟底宽W_d以及沟渠有效深度H₀计算每条排水沟渠的梯形断面的面积S，再乘以每条排水沟渠长度L，可计算得到每条排水沟渠的有效容积V(单位m³)。

汇总分区内各条排水沟渠的长度L(m)和有效容积V(m³)，得到各个分区内排水沟渠的总长度和总有效容积。将第i个分区内排水沟渠的总长度表示为L_i；将第i个分区内排水沟渠的总有效容积表示为V_i。

步骤2.3：将所述各个分区内排水沟渠的总长度分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数。

排水沟渠平面密度指数D_d定义为单位田块内部排水沟渠的长度，单位为m·mu^-1，可反映工程区域分区内排水沟渠的平面占比，可按下述公式(1)进行计算：

其中A_i为工程区域第i个分区的分区面积，单位为亩(mu)；L_i为第i个分区内排水沟渠的总长度，单位为米(m)；D_di为工程区域第i个分区内排水沟渠的平面密度指数。

步骤2.4：将所述各个分区内排水沟渠的总有效容积分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的容积指数。

排水沟渠容积指数D_v定义为单位田块内部排水沟渠的有效容积，单位为m³·mu^-1，可反映工程区域分区内排水沟渠的容积占比，可按下述公式(2)进行计算：

其中A_i为工程区域第i个分区的分区面积，单位为亩(mu)；V_i为第i个分区内排水沟渠的总有效容积，单位为立方米(m³)；D_vi为工程区域第i个分区内排水沟渠的容积指数。

平面密度指数D_d与容积指数D_v可为分区设计生态沟渠提供参数依据。在实际应用中，排水沟渠平面密度指数和容积指数又可按土质排水沟、硬质排水渠进行拆分计算与统计。具体地，若工程区域第i个分区内土质排水沟和硬质排水渠占比差异较大，例如土质排水沟或硬质排水渠的比例超过80％，则土质排水沟和硬质排水渠的长度L(m)和有效容积V(m³)可以共同汇总，得到第i个分区内排水沟渠的总长度L_i和总有效容积V_i。

若工程区域第i个分区内土质排水沟和硬质排水渠占比差异较小，例如土质排水沟或硬质排水渠的比例均未超过80％，则可按土质排水沟、硬质排水渠进行拆分计算与统计。即统计第i个分区内土质排水沟的总长度L_si和总有效容积V_si，将总长度L_si替换公式(1)中的L_i可以计算出工程区域第i个分区内土质排水沟的平面密度指数，将总有效容积V_si替换公式(2)中的V_i可以计算出工程区域第i个分区内土质排水沟的容积指数。同理，统计第i个分区内硬质排水渠的总长度L_ci和总有效容积V_ci，将总长度L_ci替换公式(1)中的L_i可以计算出工程区域第i个分区内硬质排水渠的平面密度指数，将总有效容积V_ci替换公式(2)中的V_i可以计算出工程区域第i个分区内硬质排水渠的容积指数。

步骤3：计算所述各个分区内排水沟渠的污染负荷指数。

本发明提出了农田空间沟渠污染负荷指数的概念，所述污染负荷指数包括长度负荷指数和容积负荷指数。

所述步骤3计算所述各个分区内排水沟渠的污染负荷指数，具体包括：

步骤3.1：确定各个分区内的不同类型空间以及不同类型空间对应的污染物排放系数。

各个分区内的不同类型空间包括但不限于农田、菜地、村庄等。各个分区内不同类型空间的污染物包括但不局限于总氮(TN)、总磷(TP)。利用第二次中国污染源普查产排污核算系数手册，或通过工程所属地区相关文献调研等资料查询，获得不同类型空间污染物排放系数，将第i个分区内第k种类型空间对应的污染物排放系数表示为Q_ik。

本发明以氮进行说明，结合步骤2中调查分析的排水沟渠长度L及有效容积V，计算排水沟渠污染负荷指数，分为长度负荷指数q_l及容积负荷指数q_v。长度负荷指数q_l单位为kgN·m^-1·a^-1；容积负荷指数q_v单位为kgN·m^-3·a^-1，

步骤3.2：统计各个分区内的不同类型空间的空间面积；将第i个分区内第k种类型空间的空间面积表示为A_ik。

步骤3.3：根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总长度计算所述各个分区内排水沟渠的长度负荷指数。

往往存在农村、农田在空间上相互交织，或菜地等镶嵌其中的现象，本发明虽然针对农田面源污染拦截工程，但实际应充分考虑上述土地利用形式的影响，因此，污染物年负荷量应包含各类型空间的污染物量，其中，农村不包含生活污水或其尾水，但包括村庄地表径流污染。

各个分区内排水沟渠的长度负荷指数计算公式如下：

其中q_li表示第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数，单位kgN·m^-1·a^-1；A_ik表示第i个分区内第k种类型空间的空间面积，单位mu；Q_ik表示第i个分区内第k种类型空间对应的污染物排放系数；M表示第i个分区内不同类型空间的数量；L_i表示第i个分区内排水沟渠的总长度，单位m。

步骤3.4：根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总有效容积，计算所述各个分区内排水沟渠的容积负荷指数，公式如下：

其中q_vi表示第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数，单位kgN·m^-3·a^-1；V_i表示第i个分区内排水沟渠的总有效容积，单位m³。

在实际应用中，与平面密度指数D_d和容积指数D_v类似，也可按照土质排水沟、硬质排水渠进行拆分，分别计算第i个分区内土质排水沟或硬质排水渠的长度负荷指数和容积负荷指数，以更好的反映分区内排水沟渠承受的污染负荷情况。

步骤4：根据所述平面密度指数、所述容积指数以及所述污染负荷指数确定所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区。

步骤4分区比较与综合分析是在步骤1～3基础上，首先对各分区的排水沟渠平面密度指数D_d、容积指数D_v、长度负荷指数q_l、容积负荷指数q_v进行计算，并计算工程区域各类指数的总平均值，作为分区比较分析的基准，其次利用EXCEL等软件，作图比较分析各分区内各指数、各分区与总平均值基准间的差异，判断生态沟渠新建或改建的重点分区。

所述步骤4根据所述平面密度指数、所述容积指数以及所述污染负荷指数确定所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区，具体包括：

步骤4.1：分别计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数、容积指数、长度负荷指数以及容积负荷指数的总平均值，得到平面密度指数总平均值、容积指数总平均值、长度负荷指数总平均值以及容积负荷指数总平均值；

步骤4.2：针对所述各个分区内的第i个分区，若第i个分区内排水沟渠的平面密度指数小于平面密度指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积指数小于容积指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数大于长度负荷指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数大于容积负荷指数总平均值，则确定第i个分区为所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区。

步骤5：对所述重点分区内的生态沟渠进行空间布局优化。

在步骤4确定出工程区域生态沟渠布设的敏感区与重点区后，根据农田排水沿程、不同类型污染负荷等，来优化所述重点分区内生态沟渠的空间布局，初步确定生态沟渠的断面设计型式。

本发明提供的农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优方法中，如是比较均一的排水沟渠类型及农业生产方式，可选择其中的部分指数进行调查、计算和分析。

本发明方法的优点在于：本发明提供的农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优方法，直接与工程设计对应，利用调查计算的各指数(包括平面密度指数、容积指数、长度负荷指数和容积负荷指数)差异，在短时间内通过简易手段和计算，获取各指数值作为生态沟渠建设中的空间布局依据，计算研判出工程区域生态沟渠布设的重点分区，为后续有针对性地设计重点分区的生态沟渠空间布局提供了基础，部分规避了农田面源污染生态拦截工程空间设计的随意性，为工程建设提供有效的调查依据和方法支撑。

下面采用一个具体实施例说明本发明方法的实施过程。

本实施例是中国南方某平原河网区农田面源污染生态拦截工程，农田以稻麦轮作为主，工程区域内还分布有零散菜地及村庄，工程区域总面积2019.8亩。该实施例具体包含以下步骤：

S1、根据工程区域内主要道路、支浜水系等现状，采用分隔法划分成6个分区，标记为区1、区2、区3、区4、区5和区6，见图3。统计各个分区的分区面积(规模)，其中，区1规模421.3亩，区2规模402.5亩，区3规模268.1亩，区4规模396.8亩，区5规模320.3亩，区6规模210.8亩。

S2、结合相关图件及现场调查，首先对各分区排水沟渠的类型、长度、断面规格进行调查统计，见图4，本实施例中，工程区域范围内硬质排水渠为统一建设，断面规格相同，均为梯形断面，沟顶宽W_u 0.8m、沟底宽W_d 0.4m、垂直深度H₁0.8m；土质排水沟基本均一，沟顶宽W_u 0.6m、沟底宽W_d 0.4m、垂直深度H₁ 0.7m。区1中排水沟渠全部为硬质排水渠，总长度L₁ 2316.3m，总有效容积V₁ 833.9m³；区2中硬质排水渠总长度L_c2 2316.2m，土质排水沟总长度L_s2 84.2m，总长度L₂ 2400.4m，总有效容积V₂ 854.9m³；区3中硬质排水渠总长度L_c31057.7m，土质排水沟总长度L_s3 374.6m，总长度L₃ 1432.3m，总有效容积V₃ 474.4m³；区4中硬质排水渠总长度L_c4 2473.3m，土质排水沟总长度L_s4 281.3m，总长度L₄ 1432.3m，总有效容积V₄ 960.7m³；区5中硬质排水渠总长度L_c5 2348.8m，土质排水沟总长度L_s5 80.3m，总长度L₅ 2429.1m，总有效容积V₅ 865.6m³；区6中全部为硬质排水渠，总长度L₆ 1361.9m，总有效容积V₆ 490.3m³。利用本发明提供的式(1)、式(2)，可分别计算出分区排水沟渠平面密度指数D_d及容积指数D_v，并利用总规模、总长度、总有效容积，计算两个指数的平均值。本实施例中，土质排水沟占比较小，因此不进行拆分计算。根据式(1)、式(2)计算出区1～区6的平面密度指数D_d分别为：5.50、5.96、5.34、6.94、7.58、6.46m·mu^-1，平面密度指数总平均值为6.29m·mu^-1；容积指数D_v分别为：1.98、2.12、1.77、2.42、2.70、2.33m3·mu^-1，容积指数总平均值为2.22m³·mu^-1。

S3、本实施例工程区域中，主要土地利用类型为稻麦轮作农田、分散菜地及村庄，面源产生类型分别为农田排水、分散菜地排水和村庄地表径流，本实施例仅以总氮(TN)负荷为污染物对象，进行长度负荷指数q_l及容积负荷指数q_v计算。其中，总氮排放系数(即污染物排放系数)农田为2.27kg·mu^-1·a^-1、菜地为1.14kg·mu^-1·a^-1、村庄地表径流为1.66kg·mu^-1·a^-1，根据图4调查统计，计算区1～区6区总氮排放负荷分别为883.3、867.4、547.0、759.1、672.7、375.8kg·a^-1，按照本发明中式(3)计算各分区排水沟渠长度负荷指数q_l分别为：0.38、0.36、0.38、0.28、0.28、0.28kgN·m^-1·a^-1，长度负荷指数总平均值为0.32kgN·m^-1·a^-1；按照本发明中式(4)计算各分区排水沟渠容积负荷指数q_v分别为：1.06、1.01、1.15、0.79、0.78、0.77kg N·m^-3·a^-1，容积负荷指数总平均值为0.92kgN·m^-3·a^-1。

S4、根据S3计算结果，利用EXCEL等软件作图，比较分析分区之间各指数、各分区与总平均基准间的差异，见图5。本实施例中，区1、区2、区3排水沟渠的平面密度指数D_d、容积指数D_v低于总平均基准值，对应的，三个分区长度负荷指数q_l、容积负荷指数q_v高于总平均基准值，可初步判断此三个分区为重点分区，尤其是区1和区3应加强生态沟渠的新建或改建，后续设计可从农田排水沿程、不同类型污染负荷等出发，优化生态沟渠的空间布局，初步确定生态沟渠的断面设计型式。

本实施例中，各地块间土地利用方式及排水沟渠建设相对均一，因此各指数比较后的结论一致。如排水沟渠类型多样、土地利用方式比例存在差异的情况下，需要对各个指数进行综合分析，尤其以负荷指数为依据指导生态沟渠空间布局设计。

本发明提供了一种农田面源污染生态拦截工程建设中的沟渠调查及空间布局优化方法，在工程尺度上，将田块空间、沟渠平面与断面、污染负荷等相结合，建立田块与沟渠的关联，根据各指数(包括平面密度指数、容积指数、长度负荷指数和容积负荷指数)计算研判工程区域生态沟渠布设的敏感区与重点区，为生态沟渠平面布局设计提供直接、便捷、针对性强的技术方法支撑，从而可以有针对性地对敏感区与重点区的生态沟渠布设进行优化设计，弥补农田排水生态拦截工程设计针对性不强的缺点，提高工程总体效果，成为生态拦截工程设计、生态沟渠技术应用的有效补充。

基于本发明提供的方法，本发明还提供一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化系统，所述系统包括：

工程区域分区划分模块，用于获取工程区域地图，并对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；

平面密度与容积指数计算模块，用于计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数和容积指数；

污染负荷指数计算模块，用于计算所述各个分区内排水沟渠的污染负荷指数；所述污染负荷指数包括长度负荷指数和容积负荷指数；

分区比较与综合分析模块，用于根据所述平面密度指数、所述容积指数以及所述污染负荷指数确定所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区；

空间布局优化模块，用于对所述重点分区内的生态沟渠进行空间布局优化。

其中，所述工程区域分区划分模块具体包括：

天然分隔单元，用于若所述工程区域地图内的天然分隔界限清晰，采用天然分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；

象限分隔单元，用于若所述工程区域地图内的天然分隔界限不清晰，采用象限分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区。

所述平面密度与容积指数计算模块具体包括：

分区面积统计单元，用于统计所述各个分区的分区面积；

总长度和总有效容积测量单元，用于测量所述各个分区内排水沟渠的总长度和总有效容积；所述排水沟渠包括土质排水沟和硬质排水渠；

平面密度指数计算单元，用于将所述各个分区内排水沟渠的总长度分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数；

容积指数计算单元，用于将所述各个分区内排水沟渠的总有效容积分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的容积指数。

所述污染负荷指数计算模块具体包括：

不同类型空间系数获取单元，用于确定各个分区内的不同类型空间以及不同类型空间对应的污染物排放系数；所述不同类型空间包括农田、菜地、村庄；

空间面积统计单元，用于统计各个分区内的不同类型空间的空间面积；

长度负荷指数计算单元，用于根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总长度，采用公式

计算所述各个分区内排水沟渠的长度负荷指数；其中q_li表示第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数；A_ik表示第i个分区内第k种类型空间的空间面积；Q_ik表示第i个分区内第k种类型空间对应的污染物排放系数；M表示第i个分区内不同类型空间的数量；L_i表示第i个分区内排水沟渠的总长度；

容积负荷指数计算单元，用于根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总有效容积，采用公式

计算所述各个分区内排水沟渠的容积负荷指数；其中q_vi表示第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数；V_i表示第i个分区内排水沟渠的总有效容积。

所述分区比较与综合分析模块具体包括：

总平均值计算单元，用于分别计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数、容积指数、长度负荷指数以及容积负荷指数的总平均值，得到平面密度指数总平均值、容积指数总平均值、长度负荷指数总平均值以及容积负荷指数总平均值；

重点分区判断单元，用于针对所述各个分区内的第i个分区，若第i个分区内排水沟渠的平面密度指数小于平面密度指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积指数小于容积指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数大于长度负荷指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数大于容积负荷指数总平均值，则确定第i个分区为所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区。

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 (8)

1.一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化方法，其特征在于，包括：

获取工程区域地图，并对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；

计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数和容积指数；

所述计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数和容积指数，具体包括：

统计所述各个分区的分区面积；

测量所述各个分区内排水沟渠的总长度和总有效容积；所述排水沟渠包括土质排水沟和硬质排水渠；

将所述各个分区内排水沟渠的总长度分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数；排水沟渠平面密度指数D_d定义为单位田块内部排水沟渠的长度，单位为m·mu^-1，按公式

进行计算；其中A_i为工程区域第i个分区的分区面积，单位为亩；L_i为第i个分区内排水沟渠的总长度，单位为米；D_di为工程区域第i个分区内排水沟渠的平面密度指数；

将所述各个分区内排水沟渠的总有效容积分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的容积指数；排水沟渠容积指数D_v定义为单位田块内部排水沟渠的有效容积，单位为m³·mu^-1，按公式

进行计算；其中V_i为第i个分区内排水沟渠的总有效容积，单位为立方米；D_vi为工程区域第i个分区内排水沟渠的容积指数；

计算所述各个分区内排水沟渠的污染负荷指数；所述污染负荷指数包括长度负荷指数和容积负荷指数；

根据所述平面密度指数、所述容积指数以及所述污染负荷指数确定所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区；

对所述重点分区内的生态沟渠进行空间布局优化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区，具体包括：

若所述工程区域地图内的天然分隔界限清晰，采用天然分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；

若所述工程区域地图内的天然分隔界限不清晰，采用象限分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述各个分区内排水沟渠的污染负荷指数，具体包括：

确定各个分区内的不同类型空间以及不同类型空间对应的污染物排放系数；所述不同类型空间包括农田、菜地、村庄；

统计各个分区内的不同类型空间的空间面积；

根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总长度，采用公式

计算所述各个分区内排水沟渠的长度负荷指数；其中q_li表示第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数；A_ik表示第i个分区内第k种类型空间的空间面积；Q_ik表示第i个分区内第k种类型空间对应的污染物排放系数；M表示第i个分区内不同类型空间的数量；L_i表示第i个分区内排水沟渠的总长度；

根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总有效容积，采用公式

计算所述各个分区内排水沟渠的容积负荷指数；其中q_vi表示第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数；V_i表示第i个分区内排水沟渠的总有效容积。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述平面密度指数、所述容积指数以及所述污染负荷指数确定所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区，具体包括：

分别计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数、容积指数、长度负荷指数以及容积负荷指数的总平均值，得到平面密度指数总平均值、容积指数总平均值、长度负荷指数总平均值以及容积负荷指数总平均值；

针对所述各个分区内的第i个分区，若第i个分区内排水沟渠的平面密度指数小于平面密度指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积指数小于容积指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数大于长度负荷指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数大于容积负荷指数总平均值，则确定第i个分区为所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区。

5.一种农田面源污染生态拦截工程的生态沟渠空间布局优化系统，其特征在于，包括：

工程区域分区划分模块，用于获取工程区域地图，并对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；

平面密度与容积指数计算模块，用于计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数和容积指数；

所述平面密度与容积指数计算模块具体包括：

分区面积统计单元，用于统计所述各个分区的分区面积；

总长度和总有效容积测量单元，用于测量所述各个分区内排水沟渠的总长度和总有效容积；所述排水沟渠包括土质排水沟和硬质排水渠；

平面密度指数计算单元，用于将所述各个分区内排水沟渠的总长度分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数；排水沟渠平面密度指数D_d定义为单位田块内部排水沟渠的长度，单位为m·mu^-1，按公式

进行计算；其中A_i为工程区域第i个分区的分区面积，单位为亩；L_i为第i个分区内排水沟渠的总长度，单位为米；D_di为工程区域第i个分区内排水沟渠的平面密度指数；

容积指数计算单元，用于将所述各个分区内排水沟渠的总有效容积分别除以所述各个分区的分区面积，计算得到所述各个分区内排水沟渠的容积指数；排水沟渠容积指数D_v定义为单位田块内部排水沟渠的有效容积，单位为m³·mu^-1，按公式

进行计算；其中V_i为第i个分区内排水沟渠的总有效容积，单位为立方米；D_vi为工程区域第i个分区内排水沟渠的容积指数；

污染负荷指数计算模块，用于计算所述各个分区内排水沟渠的污染负荷指数；所述污染负荷指数包括长度负荷指数和容积负荷指数；

分区比较与综合分析模块，用于根据所述平面密度指数、所述容积指数以及所述污染负荷指数确定所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区；

空间布局优化模块，用于对所述重点分区内的生态沟渠进行空间布局优化。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述工程区域分区划分模块具体包括：

天然分隔单元，用于若所述工程区域地图内的天然分隔界限清晰，采用天然分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区；

象限分隔单元，用于若所述工程区域地图内的天然分隔界限不清晰，采用象限分隔法对所述工程区域地图进行分区划分，得到工程区域内的各个分区。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述污染负荷指数计算模块具体包括：

不同类型空间系数获取单元，用于确定各个分区内的不同类型空间以及不同类型空间对应的污染物排放系数；所述不同类型空间包括农田、菜地、村庄；

空间面积统计单元，用于统计各个分区内的不同类型空间的空间面积；

长度负荷指数计算单元，用于根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总长度，采用公式

计算所述各个分区内排水沟渠的长度负荷指数；其中q_li表示第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数；A_ik表示第i个分区内第k种类型空间的空间面积；Q_ik表示第i个分区内第k种类型空间对应的污染物排放系数；M表示第i个分区内不同类型空间的数量；L_i表示第i个分区内排水沟渠的总长度；

容积负荷指数计算单元，用于根据所述各个分区内的不同类型空间的空间面积、不同类型空间对应的污染物排放系数以及所述各个分区内排水沟渠的总有效容积，采用公式

计算所述各个分区内排水沟渠的容积负荷指数；其中q_vi表示第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数；V_i表示第i个分区内排水沟渠的总有效容积。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述分区比较与综合分析模块具体包括：

总平均值计算单元，用于分别计算所述各个分区内排水沟渠的平面密度指数、容积指数、长度负荷指数以及容积负荷指数的总平均值，得到平面密度指数总平均值、容积指数总平均值、长度负荷指数总平均值以及容积负荷指数总平均值；

重点分区判断单元，用于针对所述各个分区内的第i个分区，若第i个分区内排水沟渠的平面密度指数小于平面密度指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积指数小于容积指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的长度负荷指数大于长度负荷指数总平均值，或第i个分区内排水沟渠的容积负荷指数大于容积负荷指数总平均值，则确定第i个分区为所述工程区域内应加强生态沟渠新建或改建的重点分区。

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