一种流域层面的污染数值溯源分析方法技术

本申请涉及一种流域层面的污染数值溯源分析方法，其中技术包括：构建研究区域的LSPC流域水文水质模型；依据LSPC流域水文水质模型主控文件获取子流域与河道的拓扑关系；在LSPC流域水文水质模型中依据上述拓扑关系建立子流域入流与河段流量之间的关系，推导流量贡献因子表达式；在LSPC流域水文水质模型中依据上述拓扑关系建立子流域某污染负荷与河段某污染负荷之间的关系，推导负荷贡献因子表达式；利用LSPC流域水文水质模型模拟水量和负荷在分水、灌溉、蒸发、降解、沉降等各种迁移过程中的损失或者增加；根据河道流量守恒和负荷质量守恒约束，基于LSPC流域水文水质模型在所述各迁移过程的中间状态变量，求解得到流量与负荷贡献因子。本申请具有的技术效果是：该技术能够在流域水文水质模型运行过程中直接求解上游子流域对下游河道断面水量及负荷的贡献，实现对下游河道水量及负荷的精准溯源分析。现对下游河道水量及负荷的精准溯源分析。现对下游河道水量及负荷的精准溯源分析。

【技术实现步骤摘要】
一种流域层面的污染数值溯源分析方法


[0001]本申请涉及水生态环境综合治理与保护的
，尤其是涉及一种流域层面的污染数值溯源分析方法。

技术介绍

[0002]随着我国水环境治理工作的不断推进，水环境治理的方向逐步转向科学治理、精准治理。在流域水污染治理及湖泊河道等水域保护工作中，要做到精准治污、有的放矢，就需要能说清楚河道的污染来源、算明白上游流域的污染贡献，就需要具备高效、精准且系统的污染溯源技术，从而为制定系统合理的精准治污方案和建立起长效精细化管理机制提供技术支撑。
[0003]然而，现阶段的流域模型只能自上而下计算上游各子流域汇入下游河道的总水量和总负荷量，无法自下而上反向计算下游河道的水量和负荷中来自于上游各子流域的贡献各有多少。为了定量计算下游河道的水量和污染负荷来源及其占比，常采用的传统污染溯源方法主要有两种，第一种为通过产排污系数等来粗略核算各个流域的污染物产生量，该方法仅通过产排污系数计算负荷贡献量，其准确性会高度依赖系数的合理性，系数的主观设定和陈旧会导致统计的流域污染物产生量与实际相差甚大，且这种方法用流域的负荷产生量作为流域实际的入河负荷量，无法考虑流域的水量和负荷在到达河道之前在分水、灌溉、蒸发、降解、沉降等各种迁移过程中的损失或者增加，从而影响计算结果的准确度和可靠度；第二种方法是在流域模型中逐个删减某子汇水区，计算删减前、后河道水量与负荷量模型结果的差值，作为该子汇水区对下游河道的贡献量。该等价求解方法为一种近似方法，忽略了子汇水区删减带来的模型流速、水位及污染物动力学过程的差异，无法保证计算的整体性和连续性，且操作繁琐、灵活性差，不适用体量较大的模型。
[0004]可见，传统污染溯源方法不仅其污染溯源结果的准确性不足，而且耗时耗力，不利于管理者精准把控流域对河道的污染贡献，不便于决策者有效应对复杂的治理形势，包括流域治理项目开展等带来的诸多变化，进而影响流域治理与管控方案的科学制定与实施。因此，亟需建立一种高效、准确的流域层面的污染数值溯源分析方法。

技术实现思路

[0005]为解决以上水环境精准决策过程中面临的技术挑战和现有技术方法的局限性，本申请提供一种流域层面的污染数值溯源分析方法。利用本申请的技术专利技术，有助于解决传统污染溯源方法耗时耗力、且无法准确核算上游流域对下游河道水量及负荷贡献量的难题，能够帮助管理者结合河道监测断面的超标污染负荷进行超标原因分析，明确污染治理的重点区域，为精准治污等流域治理及水域保护工作提供数据支撑。
[0006]本申请提供一种流域层面的污染数值溯源分析方法，采用如下的技术方案：
[0007]构建研究区域的LSPC流域水文水质模型；依据LSPC流域水文水质模型主控文件获取子流域与河道的拓扑关系；在LSPC流域水文水质模型中依据上述拓扑关系建立子流域入
流与河段流量之间的关系，得到流量贡献因子表达式；在LSPC流域水文水质模型中依据上述拓扑关系建立子流域某污染负荷与河段某污染负荷之间的关系，得到负荷贡献因子表达式；利用LSPC流域水文水质模型模拟水量和负荷在分水、灌溉、蒸发、降解、沉降等各种迁移过程中的损失或者增加；根据河道流量守恒和负荷质量守恒约束，基于LSPC流域水文水质模型在所述各迁移过程的中间状态变量，求解得到流量与负荷贡献因子。
[0008]通过上述技术方案，能够利用流域模型快捷得到河道的上游汇水区对其水量及负荷的贡献量，有效节约污染溯源的时间成本；能够考虑水量和负荷在分水、灌溉、蒸发、降解、沉降等各种迁移过程中的损失或者增加，依据实际入河的水量及负荷来核算上游汇水区的贡献量，提升了污染溯源分析的准确性，为水环境的精准治理提供理论支撑。
[0009]优选的，所述构建研究区域的LSPC流域水文水质模型主要包括以下步骤：
[0010]利用高程和河流数据划分研究区域的子流域；
[0011]利用土壤类型图、土地利用类型图、坡度、子流域划分水文响应单元；
[0012]提取模型各组成元素的特征值，包括子流域面积和坡度、河流长度、坡度、流向、宽度、深度、最小高程、最大高程、研究区土地利用类型、污染源位置信息、气象站点海拔；
[0013]构建气象条件、灌溉提水、流域分水、河道分水、点源数据、流量边界、污染负荷边界输入文件；
[0014]生成流域水文水质模型；
[0015]结合监测数据校准模型水文参数和水质参数。
[0016]通过上述技术方案，构建研究区域的流域水文水质模型，为流域污染溯源提供数据基础。
[0017]优选的，所述子流域对河道流量的贡献因子具体推导过程包括：设某河段的流量Q
i
，将其对上游子流域j求导，得到子流域j对流量Q
i
的贡献因子其中，d代表微分算子，q
j
为子流域j的局部产流量。
[0018]通过上述技术方案，构建上游子流域产流与河道流量之间的关系。
[0019]优选的，所述子流域对河段某污染因子负荷量的贡献因子的具体推导过程包括：设某河段某污染因子k的污染负荷为L
i，k
，将其对上游子流域j求导，得到子流域j对负荷L
i，k
的贡献部分其中，d代表微分算子，L
k，j
为子流域j的污染因子k的局部负荷产生量。
[0020]通过上述技术方案，构建上游子流域某污染负荷与河道某污染负荷之间的关系。
[0021]优选的，在利用所述流域模型模拟水量和负荷在分水、灌溉、蒸发、降解、沉降等各种迁移过程中的损失或者增加的过程之后还包括，用运算符S
i，q
和表达在q
j
和L
k，j
在到达河段i之前所有的过程，则子流域j对流量Q
i
的贡献量和子流域j对负荷L
i，k
的贡献部分可分别表达为式(1)和式(2)。
[0022][0023][0024]通过上述技术方案，利用流域模型模拟水量和负荷在分水、灌溉、蒸发、降解、沉降等各种迁移过程中的损失或者增加，利用实际入河流量及负荷量计算上游子汇水区的贡献量，使入河流量及负荷量的溯源分析更为准确。
[0025]优选的，所述根据河道流量守恒和负荷质量守恒约束，基于LSPC流域水文水质模型在所述各迁移过程的中间状态变量，用牛顿法联立求解流量与负荷贡献因子，具体包括：根据式(3)和式(4)的河道流量守恒约束和负荷质量守恒约束，对上游有n个子流域的河段i，将q
j
(j＝1，n)，L
k，j
(j＝1，n)生成状态变量，在流域模型内部与所有水文过程、水质过程、分水、灌溉等一起用牛顿法联立求解。
[0026][0027][0028]牛顿法求解步骤如下：首先，选择一个接近函数f(x
n
)零点的x0，计算相应的f(x0)和切线斜率f
′
(x0)，其中f
′
为函数f的导数。然后计算穿过点(x0，f(x本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种流域层面的污染数值溯源分析方法，其特征在于，所述技术包括：构建研究区域的LSPC流域水文水质模型；依据LSPC流域水文水质模型主控文件获取子流域与河道的拓扑关系；在LSPC流域水文水质模型中依据上述拓扑关系建立子流域入流与河段流量之间的关系，得到流量贡献因子表达式；在LSPC流域水文水质模型中依据上述拓扑关系建立子流域某污染负荷与河段某污染负荷之间的关系，得到负荷贡献因子表达式；利用LSPC流域水文水质模型模拟水量和负荷在分水、灌溉、蒸发、降解、沉降等各种迁移过程中的损失或者增加；根据河道流量守恒和负荷质量守恒约束，基于LSPC流域水文水质模型在所述各迁移过程的中间状态变量，求解得到流量与负荷贡献因子。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建研究区域的LSPC流域水文水质模型主要包括以下步骤：利用高程和河流数据划分研究区域的子流域；利用土壤类型图、土地利用类型图、坡度、子流域划分水文响应单元；提取模型各组成元素的特征值，包括子流域面积和坡度、河流长度、坡度、流向、宽度、深度、最小高程、最大高程、研究区土地利用类型、污染源位置信息、气象站点海拔；构建气象条件、灌溉提水、流域分水、河道分水、点源数据、流量边界、污染负荷边界输入文件；生成流域水文水质模型；结合监测数据校准模型水文参数和水质参数。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子流域对河道流量的贡献因子表达式推导过程为：设某河段的流量Q
i
，将其对上游子流域j求导，得到子流域j对流量Q
i
的贡献因子其中，d代表微分算子，q
j
为子...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹锐，钱秋培，马文静，花玉龙，宋寒，
申请(专利权)人：北京英特利为环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：