一种流域灰水足迹评估方法及水环境治理策略制定方法与流程

决策制定方法3: 使用SWOT分析，评估自身优势和环境机会 #生活知识# #生活心理学# #生活技能训练# #决策制定方法#

本发明属于水环境保护领域，具体涉及一种流域灰水足迹评估方法及水环境治理策略制定方法。
背景技术：
：灰水足迹(gwf,graywaterfootprint)是与水污染有关的指标，表征经济社会排污过程对河湖等水体的环境影响。灰水足迹一般被定义为以自然本底浓度和现有的水环境质量标准为基准，将一定污染负荷稀释至高于一定环境水质标准所需的淡水的体积。因而，灰水足迹评估将污染负荷排放对水体的影响量化为水量，可定量化评价排污引起自然水体纳污能力的消耗，能较直观的反映污染排放对水环境的胁迫程度。目前灰水足迹核算多针对大尺度区域开展宏观量化分析，未从集水流域系统性角度考虑差异化的水质目标管理需求进行灰水足迹评估核算，对不同类型污染源排放条件下的河流水污染过程机理考虑不足，影响水足迹评估结果的科学性和实用性，难以支撑水陆一体化的水环境管控应用。技术实现要素：因此，本发明提供一种流域灰水足迹评估方法及水环境治理策略制定方法，克服了现有技术中未从流域系统性和水质管控目标空间差异性角度衡量灰水足迹以及对不同类型污染源排放条件下的水污染过程机理考虑不足的缺陷。第一方面，本发明实施例提供了一种流域灰水足迹评估方法，包括：获取待评估的流域的基础数据，根据所述基础数据将待评估的流域进行评估单元划分；对各评估单元内的各类污染源位置和入河污染负荷过程进行核算分析，获取各类污染源的负荷排放量；对各评估单元的点源和非点源排污入河负荷，依据不同污染排放方式和污染物迁移削减方程，建立灰水足迹核算模型；根据流域上下游关系和水质目标差异性，确定灰水足迹核算参数；根据所述灰水足迹核算参数及灰水足迹核算模型测算待评估单元各类灰水足迹量。在一实施例中，所述待评估流域的基础数据，包括：空间数据、污染数据和水文数据。在一实施例中，所述对各评估单元内的各类污染源位置和入河污染负荷过程进行核算分析的目标，包括：点源负荷核算和非点源负荷核算。在一实施例中，河道型评估单元灰水足迹核算模型通过以下公式表示：式中，gwf为评估单元的灰水足迹总量；gwfm为评估单元第m种(共a种)点源排放产生的灰水足迹量；gwfn为评估单元第n种(共b种)非点源排放产生的灰水足迹量。在一实施例中，河道型评估单元点源排放产生的灰水足迹和非点源排放产生的灰水足迹核算通过以下公式计算：式中，cs为控制断面污染物水质管理目标浓度；x为控制断面至上游基准断面或控制断面到第m种点源排口处河道断面的距离；k为污染物综合衰减系数；μ为河段设计平均流速；c0为基准断面上游来水中污染物浓度；qm1为第m种点源排污水量；cm1为第m种点源排放的污染物浓度；mn为河段两岸排放第n种非点源污染物负荷量。在一实施例中，湖库型评估单元灰水足迹核算通过以下公式计算：式中，gwfl为湖库评估单元灰水足迹量；cs为湖体控制断面污染物水质管控目标浓度；ce为流入湖库的某污染源水质浓度；k为污染物综合衰减系数；q为流入湖库的某污染源的流量。在一实施例中，所述根据流域上下游关系和水质目标差异性，确定灰水足迹核算参数，包括：确定控制断面污染物的水环境质量标准浓度、确定基准断面上游来水中污染物背景浓度、确定污染物综合衰减系数、确定控制断面至基准断面或点源排污入河口的距离及确定河段设计平均流速。在一实施例中，所述控制断面污染物的水环境质量标准浓度通过以下公式计算：cs＝(cdown-s-c0)/adown×ak+ck-0，式中，adown为下游最近的管控断面集水区总面积；ak为本评估单元的面积；cdown-s为下游最近的管控断面水质标准浓度；c0为最上游端评估单元的基准断面污染物背景浓度；ck-0为本评估单元基准断面污染物背景浓度。在一实施例中，所述基准断面上游来水中污染物背景浓度通过以下公式计算：式中，ae为上游紧邻的各汇入断面集水区面积；ces为上游紧邻的汇入控制断面水质标准浓度；e为上游紧邻的汇入断面数量。第二方面，本发明实施例提供了一种水环境治理策略制定方法，根据本发明实施例第一方面所述的流域灰水足迹评估方法得到的灰水足迹核算结果，分析流域灰水足迹结构、时空分布特征，识别污染源类型及其时空分布，制定流域水环境治理策略。本发明技术方案，具有如下优点：1.本发明提供的流域灰水足迹评估方法，从流域水陆系统性角度，考虑流域内水质断面管理目标差异性，划分评估空间单元，为差异化水质目标浓度下的评估单元灰水足迹测算奠定基础，评估结果能有效反映不同水质目标要求的空间单元的灰水足迹过程，为水陆一体化、空间差异化的水环境分区管理提供参考。2.本发明提供的流域灰水足迹评估方法，使灰水足迹核算考虑了各类污染源负荷迁移转化机理，提升评估结果的科学性与实用性。依据不同污染排放方式和污染物迁移削减方程，建立不同类排污负荷与控制断面水质浓度下的灰水足迹计量关系，提出流域灰水足迹分区测算模型方法，定量化各类污染(点源、非点源)负荷排放产生的灰水足迹，可为精细化的水环境管理措施制定提供技术持。附图说明为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明实施例的提供的流域灰水足迹评估方法的一个示例的流程图；图2是本发明实施例提供的划分获得的流域评估空间单元边界和编号示意图；图3是本发明实施例提供的河道评估单元河道点源和非点源排放的灰水足迹示意图；图4是本发明实施例提供的湖库评估单元任一污染源输入的灰水足迹示意图；图5是本发明实施例提供的一个流域添加水质控制断面的示意图；图6是本发明实施例提供的一个流域灰水足迹评估单元生成示意图；图7是本发明实施例提供的一个流域各河道型评估单元灰水足迹总量与结构比较图；图8是本发明实施例提供的一个流域湖库评估单元灰水足迹结构比较示意图。具体实施方式下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。实施例1本发明实施例提供了一种流域灰水足迹评估方法，适用于对流域的灰水足迹进行定量评估。如图1所示，该评估方法包括如下步骤：步骤s1：获取待评估的流域的基础数据，根据基础数据将待评估的流域进行评估单元划分。在本发明实施例中，针对某河流集水流域，利用arcswat软件的子流域划分模块工具，依据流域内dem数据、水系和水质断面位置，将被评估流域按集水区划分为统筹考虑流域汇水规律和断面目标考核的评估空间单元。具体的，在demsetup模块中导入dem栅格数据、水系和湖库矢量数据，进行河网定义和生成，得到水系分布和干支流交汇节点；进一步，在outletandinletdefinition模块中，参考arcgis中流域内水质监测管控断面位置，增加子流域出口节点，并在选择流域出口进行子流域评估单元划分并编号，形成如图2所示的评估空间单元划分结果。进一步，利用gis空间几何分析工具，计算每个评估单元的面积和河段长度。步骤s2：对各评估单元内的各类污染源位置和入河污染负荷过程进行核算分析，获取各类污染源的负荷排放量。在本发明实施例中，依据划定的评估单元，逐个核定各类污染源的位置和入河污染负荷过程。每个评估单元内，污染源类型包括点源(城镇污水处理厂尾水、工业企业废水、规模化养殖场排污等)和非点源(城市径流、农田径流、农村生活、分散养殖等)多项污染源，可通过数据统计分析、实地监测等方式获得各类污染源的负荷排放量。步骤s3：对各评估单元的点源和非点源排污入河负荷，依据不同污染排放方式和污染物迁移削减方程，建立灰水足迹核算模型。在本发明实施例中，对于河道型评估单元，入河污染源类型包括点源和非点源，分别依据点源和非点源污染排放方式和河道污染物迁移削减方程，建立精细化灰水足迹核算模型。对于湖库评估单元，入湖库的污染源类型包括河流注入、湖岸点源及非点源，污染源输入的灰水足迹量以湖体需要的水量进行量化，在假设湖库输入输出水量达到稳态条件下，依据湖库零维水质方程建立灰水足迹核算模型。步骤s4：根据流域上下游关系和水质目标差异性，确定灰水足迹核算参数。在本发明实施例中，考虑流域上下游关系和水质目标差异性确定各评估单元灰水足迹核算参数。步骤s5：根据灰水足迹核算参数及灰水足迹核算模型测算待评估单元各类灰水足迹量。在本发明实施例中，对于河道型评估单元，依据点源和非点源污染排放方式和河道污染物迁移削减方程建立的灰水足迹核算模型以及考虑流域上下游关系和水质目标差异性确定的核算参数，测算待评估单元各类灰水足迹量。对于湖库评估单元，依据湖库零维水质方程建立的灰水足迹核算模型及考虑流域上下游关系和水质目标差异性确定的核算参数，测算待评估单元各类灰水足迹量。在一实施例中，待评估流域的基础数据，包括：空间数据、污染数据和水文数据。在本发明实施例中采用的基础数据，具体如下表所示：在一实施例中，对各评估单元内的各类污染源位置和入河污染负荷过程进行核算分析的目标，包括：点源负荷核算和非点源负荷核算。在本发明实施例中，评估空间单元各类排污负荷核定项目与要求具体如下表所示：本发明实施例中对各类污染源负荷核定方法包括：1、工业企业负荷核定计算公式：工业排污负荷＝排水量×污染物出水浓度本发明实施例中各类污染源负荷的数据来源包括：工业企业监测数据、环境统计数据。2、城镇生活负荷核定计算公式：污水处理厂负荷＝处理污水量×污染物出水浓度本发明实施例中各类污染源负荷的数据来源包括：城镇污水处理厂监测数据及环境统计数据。3、规模化养殖厂负荷核定计算公式：养殖厂负荷＝养殖数量×排污系数×入河系数本发明实施例中各类污染源负荷的数据来源包括：环境统计数据、污染源普查排污系数及实地监测。4、城市径流负荷核定计算公式：城市径流负荷＝地表径流量×污染物浓度本发明实施例中各类污染源负荷的数据来源包括：降水产流数据、实地监测及污染源普查数据。5、农村非点源负荷核定农村非点源负荷核定项目包括农村分散式养殖场、农田径流和农村生活排污负荷。计算公式：l面,i＝aiki式中，l面,i为第i种污染源的入河负荷(g/d)；ai为第i种污染源的数量(畜禽、水田旱地、农村人口)；ki为第i种污染源的输出系数(0<ki<1)。本发明实施例中各类污染源负荷的数据来源包括：统计年鉴数据、监测数据、土地利用数据及污染源普查数据。在一实施例中，对任一河道型评估单元的点源和非点源排污入河负荷，分别依据不同污染排放方式和河道污染物迁移削减方程，建立精细化灰水足迹测算模型，如图3所示的为河道型评估单元点源和非点源排放的灰水足迹示意图。本实施例中河道型评估单元灰水足迹核算模型通过以下公式表示：式中，gwf为评估单元的灰水足迹总量(m3/s)；gwfm为评估单元第m种(共a种)点源排放产生的灰水足迹量(m3/s)；gwfn为评估单元第n种(共b种)非点源排放产生的灰水足迹量(m3/s)。在一实施例中，河道型评估单元点源排放产生的灰水足迹和非点源排放产生的灰水足迹核算通过以下公式计算：式中，cs为控制断面污染物水质管理目标浓度(mg/l)；x为控制断面至上游基准断面或控制断面到第m种点源排口处河道断面的距离(m)；k为污染物综合衰减系数(1/d)；μ为河段设计平均流速(m/s)；c0为基准断面上游来水中污染物浓度(mg/l)；qm1为第m种点源排污水量(m3/s)；cm1为第m种点源排放的污染物浓度(mg/l)；mn为河段两岸排放第n种非点源污染物负荷量(g/d)。在一实施例中，如图4所示的为湖库评估单元任一污染输入的灰水足迹示意图，对于湖泊型评估单元，依据湖库零维水质方程，假设湖库输入输出水量达到稳态条件下，对各类污染源输入的灰水足迹量以湖体需要的水量进行量化。其中，污染源包括河流注入负荷、湖岸点源和非点源负荷。本发明实施例中，湖泊型评估单元灰水足迹核算通过以下公式计算：式中，gwfl为湖库评估单元灰水足迹量(m3)；cs为湖体控制断面污染物水质管控目标浓度(mg/l)；ce为流入湖库的某污染源水质浓度(mg/l)；k为污染物综合衰减系数(1/d)；q为流入湖库的某污染源的流量(m3/s)。在一实施例中，根据流域上下游关系和水质目标差异性，确定灰水足迹核算参数，包括：确定控制断面污染物的水环境质量标准浓度、确定基准断面上游来水中污染物背景浓度、确定污染物综合衰减系数、确定控制断面至基准断面或点源排污入河口的距离及确定河段设计平均流速，其中：控制断面污染物的水环境质量标准浓度通过以下公式计算：cs＝(cdown-s-c0)/adown×ak+ck-0，式中，adown为下游最近的管控断面集水区总面积(km2)；ak为本评估单元的面积(km2)；cdown-s为下游最近的管控断面水质标准浓度(mg/l)；c0为最上游端评估单元的基准断面污染物背景浓度(mg/l)；ck-0为本评估单元基准断面污染物背景浓度(mg/l)。在本发明实施例中，如图2所示，对于控制断面为水环境管控断面(如评估单元2、4、14)是依据收集的管控断面水质标准浓度确定。对于控制断面不是管控断面的评估单元(如评估单元3、7、9、10)，则以下游最近的管控断面及其集水区域内其他评估单元面积和控制断面水质标准浓度核定。基准断面上游来水中污染物背景浓度通过以下公式计算：式中，ae为上游紧邻的各汇入断面集水区面积(即相关上游评估单元面积之和，km2)；ces为上游紧邻的汇入控制断面水质标准浓度(mg/l)；e为上游紧邻的汇入断面数量。在本发明实施例中，如图2划分获得的流域评估空间单元边界和编号示意图所示，对于流域干支流源头基准断面(如评估单元1、2)，取源头背景浓度值；对于属于水质管控断面的(例评估单元5、14)取管控断面的水质管理目标浓度；对于其他情况(如评估单元4)，依据上游评估单元控制断面的水质标准浓度确定。污染物综合衰减系数在本发明实施例中，可采用分析借用法、实测法确定。分析借用法是将评估单元以往工作和研究中的有关资料分析检验后采用，无相关资料时，可借用水力特征、污染状况及地理、气象条件相似的邻近河流或湖库的资料。实测法是选取评估单元河段中间某段河道顺直、水流稳定、中间无支流汇入、无排污口的子河段，分别在子河段上游(a点)和下游(b点)布设采样点，监测污染物浓度值，并同时测验水文参数以确定断面平均流速，并按下列公式计算：式中：k为污染物综合衰减系数(1/d)；ca为上断面污染物浓度(mg/l)；cb为下断面污染物浓度(mg/l)；l为子河段长度(km)；v为子河段平均流速(km/d)。控制断面至基准断面或点源排污入河口的距离在本发明实施例中，依据河段gis数据，排污口和控制断面位置数据，利用arcgis软件的地理分析功能计算各类河段的实际长度。河段设计平均流速在本发明实施例中，利用收集的邻近水文站10年丰水期历史监测流速均值作为设计平均流速。对于水文站距离较远或没有历史监测情况，可在评估时段的平水期采用现场监测方式获取。本发明从流域水陆系统性角度考虑差异化的水质目标管理需求，划分不同水质目标管理的评估单元，针对不同类型入河污染源，提出了基于排污负荷迁移转化过程的灰水足迹综合核算方法，形成一种流域灰水足迹定量评估技术方法，以期使灰水足迹测算结果更能反映实际情况，并有效表征小时空尺度污染负荷排放的水环境影响，促进灰水足迹评估技术支撑精细化科学化水环境管理应用。实施例2本发明实施例提供了一种水环境治理策略制定方法，根据流域灰水足迹评估方法得到的灰水足迹核算结果，分析流域灰水足迹结构、时空分布特征，识别污染源类型及其时空分布，提出流域水环境治理策略。基于本发明实施例1提供的流域灰水足迹评估方法，现以某典型湖泊型流域(既包括河道型评估单元，也包括湖库型评估单元)为实例进行说明，以典型污染物化学需氧量(cod)为例，开展某年5月流域灰水足迹评估分析，具体地分步骤阐述如下：第一步：基础数据收集收集该流域基础数据包括空间数据、污染数据和水文数据三类，所需收集的基础数据具体如下表所示：第二步：河湖水系定义与生成本发明实施例利用arcswat软件的watersheddelineation工具，在demsetup模块中导入dem栅格数据、水系矢量数据，进行河网定义和生成，得到水系分布和干支流交汇节点，仅以此举例不以此为限，在其他实施例中可以通过其他方式进行河网定义和生成。河网生成结果与该流域内6个水质监测管控断面位置如图5所示。第三步：河道水质监测管控断面添加本发明实施例在watersheddelineation工具的outletandinletdefinition模块中，参考arcgis中流域内水质监测管控断面位置，针对其中未自动生成子流域出口的水质监测管控断面1、5和6分别增加子流域出口节点，添加结果如图5所示，其中，监测管控断面2、3和4为自动生成子流域出口的水质监测管控断面，监测管控断面1、5和6为增加的子流域出口的水质监测管控断面。第四步：选择流域出口生成评估单元本发明实施例在选择流域出口模块中，选择该流域评估范围出口，将水质监测管控断面6处选为流域总出口，进行子流域评估单元划分并编号，形成如图6所示的评估空间单元划分结果。进一步地使用子流域单元参数计算功能，计算并确定各评估单元基本参数，在本实施例中的流域评估单元的面积、河长、断面水质标准具体如下表所示：第五步：评估单元点非点源负荷核定本发明实施例依据评估单元类型，依据各类点源与非点源污染负荷核定方法，针对如图6所示的评估空间单元划分结果，逐个单元核定5月份各类污染源入河污染负荷，包括：河道型评估单元点源负荷核定结果及其到控制断面距离、河道型评估单元非点源负荷核定结果和湖库评估单元各类污染负荷核定结果。其中，河道型评估单元点源负荷核定结果及其到控制断面距离如下表所示：河道型评估单元非点源负荷核定结果如下表所示：湖库评估单元各类污染负荷核定结果如下表所示：第六步：河湖灰水足迹核算参数确定本发明实施例利用收集到的基础数据和流域评估单元面积、河长、断面水质标准统计结果，考虑流域上下游关系和水质管控目标差异性，进一步补充确定评估单元3控制断面的水质目标浓度和评估单元4的水质背景浓度。依据控制断面污染物的水环境质量标准浓度核算公式和基准断面上游来水中污染物背景浓度核算公式，补充评估单元3、4、6、7、8的控制断面水质目标浓度或基准断面背景浓度，补充核定后的评估单元断面水质标准结果如下表所示：污染物综合衰减系数(k，1/d)确定：采用分析借用法，分析借用相关文献资料，确定各河段cod降解系数为0.12/d。控制断面至基准断面或点源排污入河口的距离(x，m)：依据河段gis数据，利用arcgis软件的地理分析功能计算各评估单元河长，进一步依据排污口和控制断面位置，分析计算各点源排污入河处到控制断面距离。河段设计平均流速(μ，m/s)：在5月平水期采用现场监测方式获取，各河道评估单元评估期平均流速如下表所示：评估单元河道平均流速(m/s)20.730.2440.2850.5660.570.3880.3190.33第七步：灰水足迹分区分类评估本发明实施例基于上述确定的核算参数，依据河道型评估单元灰水足迹核算公式以及湖泊型评估单元灰水足迹核算公式分别计算各河道评估单元中点源和非点源排污的灰水足迹量及湖库评估单元各类污染源的灰水足迹量。其中，河道型评估单元点源排放灰水足迹核算参数及核算结果如下表所示：河道评估单元非点源排放灰水足迹核算参数及核算结果如下表所示：湖库型评估单元各类污染负荷排放的灰水足迹核算参数及核算结果如下表所示：第八步：结果分析依据各评估单元各类排污负荷的灰水足迹核算结果，进一步按评估单元和污染类型统计分析灰水足迹的流域空间和结构特征，分析结果如图7和图8所示。由图7和图8所示，该流域5月期间灰水足迹总量在9个评估空间单元上各异。湖库评估单元1灰水足迹主要来自于上游河流汇入(评估单元3出口以上，占29％)、本空间单元农村非点源(23％)，其次是工业企业、规模化养殖、城市径流和城镇生活。评估单元2-9中，灰水足迹总量较大的分别是评估单元8、6、4、7，均大于30m3/s；评估单元3、5、9灰水足迹总量较小。此外，从灰水足迹结构来看，流域整体上农村非点源、规模化养殖排放产生的灰水足迹占主导地位，其次是城镇生活、工业企业和城市径流。因此，在流域水环境整治工作中，可将农村非点源污染防控和规模化畜禽养殖整治作为优先项目重点开展相关工作。由以上实施例分析可知，相较于前人的大尺度区域灰水足迹核算方法，本发明将从流域水陆系统性角度出发，考虑流域内水质断面管理目标差异性，划分评估空间单元，有效量化了河流或湖泊型流域差异化的水质目标要求下的灰水足迹。同时，利用不同类排污负荷与控制断面水质标准要下的灰水足迹计量关系，提出流域灰水足迹分区测算模型方法，定量化各类污染(点源、非点源)负荷排放入河和入湖产生的灰水足迹。在本发明实施例中，依据评估得到的各评估单元各类污染源灰水足迹核算结果，进一步分析流域灰水足迹总量、结构、空间分布等特征，为流域水环境优化管控政策制定提供技术支持。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。当前第1页1 2 3 

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