基于制造技术

基于

【技术实现步骤摘要】
基于SWMM的典型流域非点源污染模拟与控制决策系统


[0001]本专利技术属于水环境治理工程领域，具体涉及一种基于典型流域非点源污染模拟系统与控制决策系统
。

技术介绍

[0002]水是基础性的自然资源和战略性的经济资源，在国民经济和国家环境安全中占有重要的战略地位，加强重点流域水污染防治
,
是保障国家水环境安全的迫切需要
。
党的二十大报告提出，统筹水资源
、
水环境
、
水生态治理，一方面要持续加强重点流域
、
重点湖泊
、
城市水体和近岸海域污染综合治理；另一方面要推动重要江河湖库生态保护治理，加强重点跨界水体共保联治
。
[0003]非点源污染中的污染物通常在降雨
、
融雪等过程中，以径流形态迅速进入水体环境中，直接对水体造成严重的污染
。
农业非点源污染是非点源污染的最主要来源，主要包括农业生产过程中过度使用化肥造成氮
、
磷等污染物残留，畜牧业和养殖业污水粪便的不合理排放
。
因此非点源污染具有偶然性，随机性等特点，污染范围广，治理难度大，威胁着生态环境可持续发展
。
综上可知，农业发展带来的非点源污染给流域水环境造成巨大压力，导致河流水体遭受严重的污染问题
。
正确认识并有效的进行防控治理成为了水环境污染亟待解决的重大科学问题
。
[0004]一般来说，城市流域具有完备的排水管网系统以及规范的街区划分，而管渠和街区是水体在下垫面产流与汇流过程的水力基础，即降雨冲刷下污染物运移的重要媒介
。
而以耕地为主的自然流域则缺少或不具备规范的排水管渠系统，尤其对于基础地理数据匮乏的区域，尚且缺乏一套完整的非点源污染模拟与控制体系
。
[0005]在缺乏基础地理数据
、
排水管网数据以及下垫面用地类型数据等水文水力资料条件下，利用
SWMM
搭建分布式自然流域降雨径流模型，并基于
GIS
和
PIE
平台提取
SWMM
建模所需数据参数
。
运用模型模拟不同强度短历时降雨情景下研究区径流量与污染物冲刷负荷的分布规律，进一步对低影响开发措施在研究区非点源污染削减与控制中的作用效果进行评估与论证
。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决现有的非点源污染模拟与控制决策方法存在在缺少基础地理数据与水文水力数据时模拟准确度与控制有效性有待于进一步提高的问题
。
[0007]基于
SWMM
的典型流域非点源污染模拟系统，包括空间遥感与基础地理要素数据库，以及下垫面遥感解译模型
(1)、
区子汇水区的生成与概化模型
(2)、
基于
SWMM
的降雨径流模型
(3)
和
SWMM
模型建立模块
(4)
；
[0008]所述的空间遥感与基础地理要素数据库：用于存储
DEM
数据
、
降雨数据以及遥感影像数据；
[0009]所述的遥感解译模型
(1)
：基于
PIE
‑
Engine
平台调用研究区范围内高分6号卫星的
B2、B3、B4
波段计算归一化植被指数
NDVI
和归一化水体指数
NDWI
，并将
NDVI
和
NDWI
进行融合得到融合影像，最后在上述研究区融合影像上采样并构建
K
‑
Means
分类器进行非监督学习；然后利用
Arcgis
统计分类结果并分析解译的合理性，得到子流域拓扑关系，将研究区地物解译结果转为栅格数据以供后续
SWMM
建模使用；
[0010]子汇水区的生成与概化模型
(2)
：用于生成子汇水区并进行概化；
[0011]所述的降雨径流模型
(3)
：利用芝加哥雨型生成器构造多种重现期降雨事件，作为雨量计的数据源来驱动
SWMM
进行水文水质模拟；
[0012]SWMM
模型建立模块：基于河网拓扑关系和子流域拓扑关系，利用
ArcGIS
分别对各子汇水分区的特征宽度
、
不透水百分比以及坡度进行统计和计算；并根据研究区遥感解译与统计结果，为各子汇水区添加用地属性并分别设置相应的污染物累计与冲刷函数；
[0013]同时利用
ArcGIS
根据空间地理要素数据库完成研究区
SWMM
模型的建立，基于降雨径流模型，建立典型降雨情景对模型运行状态进行校验，并分析非点源污染负荷在不同子汇水区上的时空分布特征；
[0014]SWMM
模型建立模块建立的
SWMM
模型用于典型流域非点源污染模拟
。
[0015]进一步地，所述空间遥感与基础地理要素数据库中
DEM
数据的获取及处理过程包括以下步骤：
[0016]利用阿拉斯加卫星设备获取研究区数字高程数据，即
DEM
数据；以研究区高程栅格数据为基础，调用
ArcGIS
系统工具箱中的空间分析模块下得到坡度与坡向数据
。
[0017]进一步地，
DEM
数据的获取及处理过程中，调用
ArcGIS
系统工具箱中的空间分析模块下得到坡度与坡向数据的同时，还利用表面分析工具对研究区地形地貌进行量化与可视化
。
[0018]进一步地，子汇水区的生成与概化模型
(2)
生成子汇水区并进行概化的过程包括以下步骤：
[0019]首先对河道与子汇水区进行概化：
[0020](2.1)
利用雨量计概化降雨事件，且流域研究区范围内降雨强度保持一致；
[0021](2.2)
根据研究区实际干流与支流分布情况，将天然河道概化成
SWMM
模型中的管渠，根据丰水期卫星图片测量支流与干流河道宽度，设置河道断面参数，并参考研究区实地资料设置各干流渠道与支流渠道的深度；
[0022](2.3)
利用
ArcGIS
对研究区
DEM
数据进行填洼处理，进一步使用河道栅格数据对地表数字高程进行修正，在此基础上使用
ArcGIS
空间分析工具中的水文分析模块进行流向与流量计算，进一步提取河网并进行河流连接与河网分级操作；
[0023](2.4)
最后进行研究区子汇水区的生成与概化：
[0024]基于上述处理后的研究区地表数字本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于
SWMM
的典型流域非点源污染模拟系统，其特征在于，包括空间遥感与基础地理要素数据库，以及下垫面遥感解译模型
(1)、
区子汇水区的生成与概化模型
(2)、
基于
SWMM
的降雨径流模型
(3)
和
SWMM
模型建立模块
(4)
；所述的空间遥感与基础地理要素数据库：用于存储
DEM
数据
、
降雨数据以及遥感影像数据；所述的遥感解译模型
(1)
：基于
PIE
‑
Engine
平台调用研究区范围内高分6号卫星的
B2、B3、B4
波段计算归一化植被指数
NDVI
和归一化水体指数
NDWI
，并将
NDVI
和
NDWI
进行融合得到融合影像，最后在上述研究区融合影像上采样并构建
K
‑
Means
分类器进行非监督学习；然后利用
Arcgis
统计分类结果并分析解译的合理性，得到子流域拓扑关系，将研究区地物解译结果转为栅格数据以供后续
SWMM
建模使用；子汇水区的生成与概化模型
(2)
：用于生成子汇水区并进行概化；所述的降雨径流模型
(3)
：利用芝加哥雨型生成器构造多种重现期降雨事件，作为雨量计的数据源来驱动
SWMM
进行水文水质模拟；
SWMM
模型建立模块：基于河网拓扑关系和子流域拓扑关系，利用
ArcGIS
分别对各子汇水分区的特征宽度
、
不透水百分比以及坡度进行统计和计算；并根据研究区遥感解译与统计结果，为各子汇水区添加用地属性并分别设置相应的污染物累计与冲刷函数；同时利用
ArcGIS
根据空间地理要素数据库完成研究区
SWMM
模型的建立，基于降雨径流模型，建立典型降雨情景对模型运行状态进行校验，并分析非点源污染负荷在不同子汇水区上的时空分布特征；
SWMM
模型建立模块建立的
SWMM
模型用于典型流域非点源污染模拟
。2.
根据权利要求1所述的基于
SWMM
的典型流域非点源污染模拟与控制决策系统，其特征在于，所述空间遥感与基础地理要素数据库中
DEM
数据的获取及处理过程包括以下步骤：利用阿拉斯加卫星设备获取研究区数字高程数据，即
DEM
数据；以研究区高程栅格数据为基础，调用
ArcGIS
系统工具箱中的空间分析模块下得到坡度与坡向数据
。3.
根据权利要求2所述的基于
SWMM
的典型流域非点源污染模拟与控制决策系统，其特征在于，
DEM
数据的获取及处理过程中，调用
ArcGIS
系统工具箱中的空间分析模块下得到坡度与坡向数据的同时，还利用表面分析工具对研究区地形地貌进行量化与可视化
。4.
根据权利要求
1、2
或3所述的基于
SWMM
的典型流域非点源污染模拟与控制决策系统，其特征在于，子汇水区的生成与概化模型
(2)
生成子汇水区并进行概化的过程包括以下步骤：首先对河道与子汇水区进行概化：
(2.1)
利用雨量计概化降雨事件，且流域研究区范围内降雨强度保持一致；
(2.2)
根据研究区实际干流与支流分布情况，将天然河道概化成
SWMM
模型中的管渠，根据丰水期卫星图片测量支流与干流河道宽度，设置河道断面参数，并参考研究区实地资料设置各干流渠道与支流渠道的深度；
(2.3)
利用
ArcGIS
对研究区
DEM
数据进行填洼处理，进一步使用河道栅格数据对地表数字高程进行修正，在此基础上使用
ArcGIS
空间分析工具中的水文分析模块进行流向与流量计算，进一步提取河网并进行河流连接与河网分级操作；
(2.4)
最后进行研究区子汇水区的生成与概化：
基于上述处理后的研究区地表数字高程数据，进行流向分析与流量统计，然后提取河网和河道，并以高水高排
、
低水低排为原则进行子汇水分区的划分，从而确定河网拓扑关系，后续
SWMM
的建模工作将在由各子汇水流域组成的汇水总区内进行
。5.
根据权利要求4所述的基于
SWMM
的典型流域非点源污染模拟与控制决策系统，其特征在于，步骤
(2.3)
中利用
ArcGIS
对研究区
DEM
数据进行填洼处理，进一步使用河道栅格数据对地表数字高程进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨旭，曾赛星，由丹丹，高鑫，张静晓，陈宏权，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：