CN115935615A - 场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法及系统 - Google Patents

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CN115935615A CN202211454758.3A CN202211454758A CN115935615A CN 115935615 A CN115935615 A CN 115935615A CN 202211454758 A CN202211454758 A CN 202211454758A CN 115935615 A CN115935615 A CN 115935615A
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沈剑
赵利东
王欣泽
封吉猛
迟莉娜
王田田
刘华基
章瑶
李承汉
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Shanghai Jiaotong University
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Yunnan Dali Research Institute Of Shanghai Jiao Tong University
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Abstract

本发明提供了一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法及系统，包括：获取目标流域基础资料；根据目标流域特征进行面源污染定义、时期划分和土地利用类型划分；根据收集的基础资料构建ICM综合流域模型；根据历史降雨数据或水文手册计算不同降雨特征设计暴雨；根据不同降雨特征设计暴雨和雨前干旱期组成特征因子组；根据设计暴雨驱动模型，获取不同特征因子的面源污染负荷；构建面源污染负荷与不同特征因子之间的响应关系；识别实测场次降雨特征因子，根据响应关系，获取实测场次降雨面源污染负荷。本发明具有明确的降雨径流和面源污染形成过程物理机制，经过实测数据的率定和验证，能较准确的计算流域面源污染负荷。

Description

场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法及系统
技术领域
本发明涉及环境污染治理的技术领域，具体地，涉及场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法及系统，尤其涉及一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷快速估算方法。
背景技术
污染负荷估算是实施水环境质量管控和水资源保护利用的基础和关键。近年来，随着我国污染管理水平逐渐提升，点源污染管控取得明显效果，面源污染则由于监测困难，具有不确定性、随机性和广泛性等特点，已日益成为水环境质量管控和水资源保护利用的重点和难点，因此，系统地对区域面源污染负荷进行估算已成为不可回避的重要研究内容。这其中，快速估算场次降雨径流冲刷面源污染负荷又是实现水环境质量动态管理，快速响应区域水污染防治应急机制的关键，因此，迫切需要提出一种针对目标流域场次降雨径流冲刷面源污染负荷的快速估算方法。
目前，国内外常用的面源污染负荷估算方法主要包括输出系数模型、实证模型和机理模型。其中，输出系数模型和实证模型计算相对简单，但在估算精度和可移植性等方面存在不足，并且不具备描述面源污染形成物理机制的能力。机理模型通过数学模型，对降雨径流的形成及污染物的迁移转化过程进行模拟，实现对污染负荷的估算，但其对数据要求较高，且参数众多、操作复杂，不宜用于污染负荷的快速估算。
在现有的面源污染模拟研究中，SWAT(Soil and Water Assessment Tool)和AGNPS(Agricultural Non-point Source)模型常用于农业区的面源污染模拟，而SWMM(Storm Water Management Model)模型则被用于城市区域的面源污染模拟。目前尚缺乏考虑综合流域面源污染模拟的方法。
同时，目前面源污染估算的研究中通常以年或月为时间尺度，没有详细考虑场次降雨径流冲刷带来的面源污染负荷，而场次降雨径流冲刷面源污染正是水环境质量实时管理的重要内容。
综上所述，目前各类面源污染负荷估算方法存在局限性，缺乏综合流域面源污染模拟方法，不能满足场次降雨尺度实时估算面源污染负荷的需求。
在公告号为CN104951986B的专利文献中公开了一种流域农业面源污染物入湖负荷估算方法，包括：获取目标流域中典型小流域数据，构造典型小流域SWAT，根据SWAT获取典型小流域中LoadLr及LoadLo；获取典型小流域各子流域的种植业源、畜禽养殖业源、水产养殖业源和农村生活源产排污系数，结合基本信息调查数据，获取典型小流域中LoadLs；根据LoadLs和LoadLr获取目标流域农业面源污染物沟渠削减系数Factorcr；根据水系数据获取LengthLr；根据LoadLr、LoadLo和LengthLr，获取目标流域农业面源污染物河道削减系数Factorrr；获取目标流域农业面源氮磷排放负荷和目标流域内河道总长度LengthBr；根据目标流域农业面源氮磷排放负荷、Factorcr和Factorrr及LengthBr，获取目标流域农业面源污染物入湖负荷。
因此，需要提出一种新的技术方案以改善上述技术问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法及系统。
根据本发明提供的一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：获取目标流域基础资料；
步骤S2：根据目标流域特征进行面源污染定义、时期划分和土地利用类型划分；
步骤S3：根据收集的基础资料构建ICM综合流域模型，并利用实测降雨径流及水质数据校准模型；
步骤S4：根据历史降雨数据或暴雨强度公式计算不同降雨特征设计暴雨，根据典型暴雨或设计雨型计算设计暴雨过程；
步骤S5：根据不同降雨特征设计暴雨和雨前干旱期组成特征因子组；
步骤S6：根据设计暴雨驱动模型，获取不同特征因子的面源污染负荷；
步骤S7：构建面源污染负荷与不同特征因子之间的响应关系；
步骤S8：识别实测场次降雨特征因子，根据特征因子与面源污染负荷之间的响应关系，获取实测场次降雨面源污染负荷。
优选地，所述步骤S1中的目标流域基础资料包括地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据、实测降雨径流和水质数据；
所述地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据在构建流域面源污染数值模型中使用，实测降雨径流和水质数据在模型参数率定和验证中使用。
优选地，所述步骤S2根据流域特征，将面源污染定义为农村生活污染、散养畜禽养殖污染、农业面源污染和城市降雨径流污染；将模拟时期划分为施肥期和非施肥期；将土地利用类型划分为耕地、园地、林草地、建设用地和其他土地。
优选地，所述步骤S3中的ICM模型将面源污染形成过程表达为污染物累积过程、污染物冲刷过程和污染物清扫过程。
优选地，所述步骤S4中的降雨特征包括降雨量级、雨型和降雨历时，其中降雨量级用重现期表达，雨型用雨峰系数表达。
本发明还提供一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算系统，所述系统包括如下模块：
模块M1：获取目标流域基础资料；
模块M2：根据目标流域特征进行面源污染定义、时期划分和土地利用类型划分；
模块M3：根据收集的基础资料构建ICM综合流域模型，并利用实测降雨径流及水质数据校准模型；
模块M4：根据历史降雨数据或暴雨强度公式计算不同降雨特征设计暴雨，根据典型暴雨或设计雨型计算设计暴雨过程；
模块M5：根据不同降雨特征设计暴雨和雨前干旱期组成特征因子组；
模块M6：根据设计暴雨驱动模型，获取不同特征因子的面源污染负荷；
模块M7：构建面源污染负荷与不同特征因子之间的响应关系；
模块M8：识别实测场次降雨特征因子，根据特征因子与面源污染负荷之间的响应关系，获取实测场次降雨面源污染负荷。
优选地，所述模块M1中的目标流域基础资料包括地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据、实测降雨径流和水质数据；
所述地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据在构建流域面源污染数值模型中使用，实测降雨径流和水质数据在模型参数率定和验证中使用。
优选地，所述模块M2根据流域特征，将面源污染定义为农村生活污染、散养畜禽养殖污染、农业面源污染和城市降雨径流污染；将模拟时期划分为施肥期和非施肥期；将土地利用类型划分为耕地、园地、林草地、建设用地和其他土地。
优选地，所述模块M3中的ICM模型将面源污染形成过程表达为污染物累积过程、污染物冲刷过程和污染物清扫过程。
优选地，所述模块M4中的降雨特征包括降雨量级、雨型和降雨历时，其中降雨量级用重现期表达，雨型用雨峰系数表达。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明具有明确的降雨径流和面源污染形成过程物理机制，经过实测数据的率定和验证，能较准确的计算流域面源污染负荷；
2、本发明通过面源污染定义、时期划分和土地利用类型划分，能实现综合流域面源污染负荷模拟，对不同流域的面源污染产生环境差异具有较好的适应性；
3、本发明通过识别特征因子，基于构建的面源污染与特征因子响应关系，能实现快速估算场次降雨径流冲刷面源污染负荷。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明技术路线图；
图2为本发明建模流程图；
图3为本发明不同降雨特征设计暴雨示意图；
图4为本发明实测场次降雨估算面源污染负荷流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
根据本发明提供的一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：获取目标流域基础资料；目标流域基础资料包括地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据、实测降雨径流和水质数据；地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据在构建流域面源污染数值模型中使用，实测降雨径流和水质数据在模型参数率定和验证中使用。
步骤S2：根据目标流域特征进行面源污染定义、时期划分和土地利用类型划分；根据流域特征，将面源污染定义为农村生活污染、散养畜禽养殖污染、农业面源污染和城市降雨径流污染；将模拟时期划分为施肥期和非施肥期；将土地利用类型划分为耕地、园地、林草地、建设用地和其他土地。
步骤S3：根据收集的基础资料构建ICM综合流域模型，并利用实测降雨径流及水质数据校准模型；ICM模型将面源污染形成过程表达为污染物累积过程、污染物冲刷过程和污染物清扫过程。
步骤S4：根据历史降雨数据或暴雨强度公式计算不同降雨特征设计暴雨，根据典型暴雨或设计雨型计算设计暴雨过程；降雨特征包括降雨量级、雨型和降雨历时，其中降雨量级用重现期表达，雨型用雨峰系数表达。
步骤S5：根据不同降雨特征设计暴雨和雨前干旱期组成特征因子组；
步骤S6：根据设计暴雨驱动模型，获取不同特征因子的面源污染负荷；
步骤S7：构建面源污染负荷与不同特征因子之间的响应关系；
步骤S8：识别实测场次降雨特征因子，根据特征因子与面源污染负荷之间的响应关系，获取实测场次降雨面源污染负荷。
本发明还提供一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算系统，所述场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算系统可以通过执行所述场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法理解为所述场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算系统的优选实施方式。
实施例2：
本发明还提供一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算系统，所述系统包括如下模块：
模块M1：获取目标流域基础资料；目标流域基础资料包括地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据、实测降雨径流和水质数据；地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据在构建流域面源污染数值模型中使用，实测降雨径流和水质数据在模型参数率定和验证中使用。
模块M2：根据目标流域特征进行面源污染定义、时期划分和土地利用类型划分；根据流域特征，将面源污染定义为农村生活污染、散养畜禽养殖污染、农业面源污染和城市降雨径流污染；将模拟时期划分为施肥期和非施肥期；将土地利用类型划分为耕地、园地、林草地、建设用地和其他土地。
模块M3：根据收集的基础资料构建ICM综合流域模型，并利用实测降雨径流及水质数据校准模型；ICM模型将面源污染形成过程表达为污染物累积过程、污染物冲刷过程和污染物清扫过程。
模块M4：根据历史降雨数据或暴雨强度公式计算不同降雨特征设计暴雨，根据典型暴雨或设计雨型计算设计暴雨过程；降雨特征包括降雨量级、雨型和降雨历时，其中降雨量级用重现期表达，雨型用雨峰系数表达。
模块M5：根据不同降雨特征设计暴雨和雨前干旱期组成特征因子组；
模块M6：根据设计暴雨驱动模型，获取不同特征因子的面源污染负荷；
模块M7：构建面源污染负荷与不同特征因子之间的响应关系；
模块M8：识别实测场次降雨特征因子，根据特征因子与面源污染负荷之间的响应关系，获取实测场次降雨面源污染负荷。
实施例3：
实施例3为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
本发明基于ICM综合流域模型和数理统计方法，通过面源污染定义、时期划分和土地利用类型划分，提出了一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷快速估算方法，在具有明确的面源污染形成机理的同时，实现快速估算综合流域场次降雨径流冲刷面源污染负荷。
参照图1，为了解决上述问题，本发明提出了一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷快速估算方法，主要步骤如下：
S1：获取目标流域基础资料，主要包括：地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据、实测降雨径流和水质数据；
S2：根据目标流域特征进行面源污染定义、时期划分和土地利用类型划分；
S3：根据收集的基础资料构建ICM综合流域模型，并利用实测降雨径流及水质数据校准模型；
S4：根据历史降雨数据或暴雨强度公式计算不同降雨特征设计暴雨，根据典型暴雨或设计雨型计算设计暴雨过程；
S5：根据不同降雨特征设计暴雨和雨前干旱期组成特征因子组；
S6：根据设计暴雨驱动模型，获取不同特征因子的面源污染负荷；
S7：构建面源污染负荷与不同特征因子之间的响应关系；
S8：识别实测场次降雨特征因子，根据特征因子与面源污染负荷之间的响应关系，获取实测场次降雨面源污染负荷。
获取目标流域基础资料，主要包括：地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据、实测降雨径流和水质数据。其中地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据用于构建流域面源污染数值模型，实测降雨径流和水质数据用于模型参数率定和验证。
根据目标流域特征进行面源污染定义、时期划分和土地利用类型划分。根据流域特征，将面源污染定义为农村生活污染、散养畜禽养殖污染、农业面源污染和城市降雨径流污染；将模拟时期划分为施肥期和非施肥期；将土地利用类型划分为耕地、园地、林草地、建设用地和其他土地。
Figure BDA0003952988010000071
根据收集的基础资料构建ICM综合流域模型。ICM模型将面源污染形成过程表达为污染物累积过程、污染物冲刷过程和污染物清扫过程。其中：
污染物累积模型可选：
幂函数：
Figure BDA0003952988010000072
式中，C1是可能的最大累积量；C2是累积速率常数；C3是时间指数；t是前期旱天数。
指数函数：
Figure BDA0003952988010000073
式中，C1是可能的最大累积量；C2是累积速率常数；t是前期旱天数。
饱和函数：
Figure BDA0003952988010000074
式中，C1是可能的最大累积量；C2是半饱和常数；t是前期旱天数。
污染物冲刷模型可选：
指数方程：
Figure BDA0003952988010000075
式中，C1是冲刷系数；C2是冲刷指数；q是每单位面积的径流量；B是累积的污染物。
流量特性冲刷曲线：
Figure BDA0003952988010000081
式中，C1是冲刷系数；C2是冲刷指数；Q是用户定义的流量单位中的径流率。
次降雨平均浓度：这是等级曲线冲刷的特殊情况，其中指数为1.0，系数C1表示冲刷下来的污染物浓度。
清扫模式：通过清扫定期减少特定污染物的累积量，包括清扫时间间隔和清扫去除率两个参数。
参照图2，在建模过程中进一步将土地利用类型中耕地划分为水田和旱地，建设用地划分为农村居住区、城镇居住区、商业区、工业区和公共服务区，进而根据区域面源污染类型和土地利用类型划分子流域/子集水区，选择适合该子流域/子集水区的污染物累积、冲刷模型和清扫模式。完成子流域/子集水区划分后，根据基础资料构建管网模型和一维河道模型，实现综合流域面源污染模拟。最后，利用实测降雨径流及水质数据在施肥期和非施肥期分别校准模型，确定包括水文、水动力和水质模块的模型参数。
参照图3，推求不同降雨特征设计暴雨，根据历史降雨数据或当地暴雨强度公式计算设计暴雨，根据典型暴雨或设计雨型计算设计暴雨过程。所述降雨特征包括：降雨量级、雨型和降雨历时，其中降雨量级用重现期表达，雨型用雨峰系数表达。
根据不同降雨特征设计暴雨和雨前干旱期组成特征因子组。所述特征因子组包括降雨历时、雨峰系数、重现期和雨前干旱期。
Xi＝(ti,ri,Ti,Ai)      (6)
式中，Xi是第i个特征因子组；ti是第i个降雨历时；ri是第i个雨峰系数；Ti是第i个降雨重现期；Ai是第i个雨前干旱期。
根据设计暴雨驱动模型，获取不同特征因子下的面源污染负荷。目标流域面源污染负荷为各子流域/子集水区面源污染负荷之和。
Figure BDA0003952988010000082
式中，LoadT是流域总面源污染负荷；Loadi,j是第i个特征因子组，第j个子流域/子集水区面源污染负荷。
构建面源污染负荷与不同特征因子之间的响应关系。通过多元回归模型，人工神经网络等方法确定面源污染负荷与特征因子之间的响应关系。
Loadi,T1＝f(Xi)      (8)
Loadi,T2＝f(Xi)      (9)
式中，Loadi,T1是第i个特征因子组下的施肥期面源污染负荷；Loadi,T2是第i个特征因子组下的非施肥期面源污染负荷；Xi是第i个特征因子组。
参照图4，识别实测场次降雨特征因子，根据特征因子与面源污染之间响应关系，获取实测场次降雨面源污染负荷。
LoadM＝f(XM)      (10)
式中，LoadM是实测M场次降雨下的面源污染负荷；XM是实测M场次降雨的特征因子组。
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：获取目标流域基础资料；
步骤S2：根据目标流域特征进行面源污染定义、时期划分和土地利用类型划分；
步骤S3：根据收集的基础资料构建ICM综合流域模型，并利用实测降雨径流及水质数据校准模型；
步骤S4：根据历史降雨数据或暴雨强度公式计算不同降雨特征设计暴雨，根据典型暴雨或设计雨型计算设计暴雨过程；
步骤S5：根据不同降雨特征设计暴雨和雨前干旱期组成特征因子组；
步骤S6：根据设计暴雨驱动模型，获取不同特征因子的面源污染负荷；
步骤S7：构建面源污染负荷与不同特征因子之间的响应关系；
步骤S8：识别实测场次降雨特征因子，根据特征因子与面源污染负荷之间的响应关系，获取实测场次降雨面源污染负荷。
2.根据权利要求1所述的场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法，其特征在于，所述步骤S1中的目标流域基础资料包括地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据、实测降雨径流和水质数据；
所述地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据在构建流域面源污染数值模型中使用，实测降雨径流和水质数据在模型参数率定和验证中使用。
3.根据权利要求1所述的场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法，其特征在于，所述步骤S2根据流域特征，将面源污染定义为农村生活污染、散养畜禽养殖污染、农业面源污染和城市降雨径流污染；将模拟时期划分为施肥期和非施肥期；将土地利用类型划分为耕地、园地、林草地、建设用地和其他土地。
4.根据权利要求1所述的场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法，其特征在于，所述步骤S3中的ICM模型将面源污染形成过程表达为污染物累积过程、污染物冲刷过程和污染物清扫过程。
5.根据权利要求1所述的场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算方法，其特征在于，所述步骤S4中的降雨特征包括降雨量级、雨型和降雨历时，其中降雨量级用重现期表达，雨型用雨峰系数表达。
6.一种场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算系统，其特征在于，所述系统包括如下模块：
模块M1：获取目标流域基础资料；
模块M2：根据目标流域特征进行面源污染定义、时期划分和土地利用类型划分；
模块M3：根据收集的基础资料构建ICM综合流域模型，并利用实测降雨径流及水质数据校准模型；
模块M4：根据历史降雨数据或暴雨强度公式计算不同降雨特征设计暴雨，根据典型暴雨或设计雨型计算设计暴雨过程；
模块M5：根据不同降雨特征设计暴雨和雨前干旱期组成特征因子组；
模块M6：根据设计暴雨驱动模型，获取不同特征因子的面源污染负荷；
模块M7：构建面源污染负荷与不同特征因子之间的响应关系；
模块M8：识别实测场次降雨特征因子，根据特征因子与面源污染负荷之间的响应关系，获取实测场次降雨面源污染负荷。
7.根据权利要求6所述的场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算系统，其特征在于，所述模块M1中的目标流域基础资料包括地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据、实测降雨径流和水质数据；
所述地形数据、排水系统数据、河流水系断面数据在构建流域面源污染数值模型中使用，实测降雨径流和水质数据在模型参数率定和验证中使用。
8.根据权利要求6所述的场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算系统，其特征在于，所述模块M2根据流域特征，将面源污染定义为农村生活污染、散养畜禽养殖污染、农业面源污染和城市降雨径流污染；将模拟时期划分为施肥期和非施肥期；将土地利用类型划分为耕地、园地、林草地、建设用地和其他土地。
9.根据权利要求6所述的场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算系统，其特征在于，所述模块M3中的ICM模型将面源污染形成过程表达为污染物累积过程、污染物冲刷过程和污染物清扫过程。
10.根据权利要求6所述的场次降雨径流冲刷面源污染负荷估算系统，其特征在于，所述模块M4中的降雨特征包括降雨量级、雨型和降雨历时，其中降雨量级用重现期表达，雨型用雨峰系数表达。
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CN117494477A (zh) * 2023-12-29 2024-02-02 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 一种区域磷污染负荷评估方法及系统
CN117992799A (zh) * 2024-03-27 2024-05-07 长江三峡集团实业发展(北京)有限公司 径流污染负荷计算方法、装置、电子设备以及存储介质

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