流域地表径流面源污染物输出关键源区识别方法与流程

本发明涉及一种流域地表径流面源污染物输出关键源区识别方法，属于水文水资源监测技术领域。

背景技术：

在进行面源污染治理时，应首先识别出流域地表径流面源污染物输出的关键源区，然后在关键源区有针对性地采取控制措施将会节约面源污染控制成本，提高面源污染控制效果。然而，我国大部分地区的基础资料相对欠缺，数据的可靠性也较差，已有的资料分布于不同业务部门，且资料共享性差，难以收集整理面源污染物输出的全面信息。因此，如何利用仅有的少量数据资料，快速识别出流域地表径流面源污染物输出关键源区、并为制定面源污染防治规划提供依据成为采取治理措施的首要问题。

经检索发现，申请号cn200610041538.2、公开号cn1920556a、名称《基于gis的农业非点源污染发生潜力指数评价方法》的中国发明专利申请，采用mapinfo作为平台，建立村界、土壤类型、土地利用类型和高程四个图层，录入属性数据，计算各行政村的年径流量指数(ri)、土壤流失量指数(spi)、化肥使用量指数(cui)、人畜排放量指数(pal)，运用模型，计算各行政村的非点源污染发生潜力指数(appi)，然后通过appi大小来比较污染发生潜力，并通过分级在gis图上进行直观显示。然而，该技术方案并不能直接适用于流域地表径流面源污染物输出关键源区的识别。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种流域地表径流面源污染物输出关键源区识别方法，对数据资料要求相对简单，能有效识别关键源区，为制定面源污染防治规划提供依据。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

一种流域地表径流面源污染物输出关键源区识别方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步、选定目标流域，并确定目标污染物；在目标流域内设置若干采样点，并通过gps设备记录各采样点的地理坐标；在各采样点取土壤样品，检测其中的目标污染物含量，然后采用地统计学的克里格插值法，得出目标流域内所有空间的目标污染物含量，然后按预设的目标污染物低限值和目标污染物高限值，将目标流域内所有空间进行分级，并赋予目标污染物风险值p；

第二步、根据目标流域的数字高程图，经计算获得目标流域内所有空间的地形指数，然后按预设的地形指数低限值和地形指数高限值，将目标流域内所有空间进行分级，并赋予地形产流风险值ti；

第三步、根据目标流域内所有空间与河道的最短距离，按预设的距离低限值和距离高限值，将目标流域内所有空间进行分级，并赋予迁移风险值d；

第四步、按下式计算目标流域内所有空间的目标污染物输出风险值r：

r＝p·(0.5·ti+0.5·d)

然后计算出平均值和标准偏差；以平均值与两倍标准偏差之和为输出风险高限值，目标污染物输出风险值r大于或等于输出风险高限值的目标流域内空间即为目标污染物输出的关键源区。

本发明进一步完善的技术方案如下：

优选地，第一步中，若目标流域内某空间的目标污染物含量小于目标污染物低限值，则该空间的目标污染物风险值p为第一预设值p1；

若目标流域内某空间的目标污染物含量大于或等于目标污染物低限值、且小于目标污染物高限值，则该空间的目标污染物风险值p为第二预设值p2；

若目标流域内某空间的目标污染物含量大于或等于目标污染物高限值，则该空间的目标污染物风险值p为第三预设值p3；且p1<p2<p3。

优选地，第一步中，目标污染物为磷素或氮素；当目标污染物为磷素时，目标污染物含量为总磷含量或有效磷含量；当目标污染物为氮素时，目标污染物含量为总氮含量。

优选地，第一步中，目标污染物为磷素，目标污染物含量为有效磷含量，目标污染物低限值为17.0mg/l，目标污染物高限值为39.0mg/l。

优选地，第二步中，若目标流域内某空间的地形指数小于地形指数低限值，则该空间的地形产流风险值ti为第一预设值ti1；

若目标流域内某空间的地形指数大于或等于地形指数低限值、且小于地形指数高限值，则该空间的地形产流风险值ti为第二预设值ti2；

若目标流域内某空间的地形指数大于或等于地形指数高限值，则该空间的地形产流风险值ti为第三预设值ti3；且ti1<ti2<ti3。

优选地，第二步中，地形指数低限值为8.5，地形指数高限值为11。

优选地，第三步中，若目标流域内某空间与河道的最短距离大于或等于距离高限值，则该空间的迁移风险值d为第一预设值d1；

若目标流域内某空间与河道的最短距离大于或等于距离低限值、且小于距离高限值，则该空间的迁移风险值d为第二预设值d2；

若目标流域内某空间与河道的最短距离小于距离低限值，则该空间的迁移风险值d为第三预设值d3；且d1<d2<d3。

优选地，第三步中，距离低限值为100m，距离高限值为300m。

优选地，第一步中，第一预设值p1＝1，第二预设值p2＝3，第三预设值p3＝5；或者，第二步中，第一预设值ti1＝1，第二预设值ti2＝3，第三预设值ti3＝5；或者，第三步中，第一预设值d1＝1，第二预设值d2＝3，第三预设值d3＝5。

优选地，第四步中，以平均值作为输出风险低限值；

若目标流域内某空间的目标污染物输出风险值r小于输出风险低限值，则该空间的目标污染物输出风险等级为低；

若目标流域内某空间的目标污染物输出风险值r大于或等于输出风险低限值、且小于输出风险高限值，则该空间的目标污染物输出风险等级为中；

若目标流域内某空间的目标污染物输出风险值r大于或等于输出风险高限值，则该空间的目标污染物输出风险等级为高，且该空间即为目标污染物输出的关键源区。

本发明没有通过计算流域内各个单元实际污染物输出量获得面源污染物输出的关键源区，而主要是通过对影响面源污染物输出的因素进行分级评价，利用分级评价值计算评价等级，将不同识别因子无量纲化，避免了因直接利用相关不同单位指标计算带来的权重确定等问题。

本发明建立了基于土壤污染物含量、地形指数、河道距离的流域地表径流面源污染物输出关键源区识别方法，该方法对数据资料的要求相对简单，利用数字高程图(dem)和流域内土壤污染物含量数据即可开展污染物输出关键源区的有效识别，为制定面源污染防治规划提供依据。

附图说明

图1为试验案例中土壤有效磷含量的频率分布图。

图2为试验案例中土壤有效磷的空间分布图。

图3为试验案例中磷素风险空间分布图。

图4为试验案例中流域地形指数空间分布图。

图5为试验案例中流域地形指数总体分布图。

图6为试验案例中地形产流风险空间分布图。

图7为试验案例中迁移风险空间分布图。

图8为试验案例中磷素输出风险值空间分布图。

图9为试验案例中磷素输出风险等级空间分布图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

本发明具体实施的流域地表径流面源污染物输出关键源区识别方法，包括：

第一步、选定目标流域，并确定目标污染物；在目标流域内设置若干采样点，并通过gps设备记录各采样点的地理坐标；在各采样点取土壤样品，检测其中的目标污染物含量，然后采用地统计学的克里格插值法，得出目标流域内所有空间的目标污染物含量，然后按预设的目标污染物低限值和目标污染物高限值，将目标流域内所有空间进行分级，并赋予目标污染物风险值p。

其中，若目标流域内某空间的目标污染物含量小于目标污染物低限值，则该空间的目标污染物风险值p为第一预设值p1；

若目标流域内某空间的目标污染物含量大于或等于目标污染物低限值、且小于目标污染物高限值，则该空间的目标污染物风险值p为第二预设值p2；

若目标流域内某空间的目标污染物含量大于或等于目标污染物高限值，则该空间的目标污染物风险值p为第三预设值p3；且p1<p2<p3。

具体而言，第一预设值p1＝1，第二预设值p2＝3，第三预设值p3＝5。

此外，目标污染物为磷素或氮素；当目标污染物为磷素时，目标污染物含量为总磷含量或有效磷含量；当目标污染物为氮素时，目标污染物含量为总氮含量。

举例来说，目标污染物为磷素，目标污染物含量为有效磷含量，目标污染物低限值为17.0mg/l，目标污染物高限值为39.0mg/l。

第二步、根据目标流域的数字高程图，经计算获得目标流域内所有空间的地形指数，然后按预设的地形指数低限值和地形指数高限值，将目标流域内所有空间进行分级，并赋予地形产流风险值ti。

其中，若目标流域内某空间的地形指数小于地形指数低限值，则该空间的地形产流风险值ti为第一预设值ti1；

若目标流域内某空间的地形指数大于或等于地形指数低限值、且小于地形指数高限值，则该空间的地形产流风险值ti为第二预设值ti2；

若目标流域内某空间的地形指数大于或等于地形指数高限值，则该空间的地形产流风险值ti为第三预设值ti3(注：此类空间的地表易蓄满产流)；且ti1<ti2<ti3。

具体而言，第一预设值ti1＝1，第二预设值ti2＝3，第三预设值ti3＝5。

此外，地形指数低限值为8.5，地形指数高限值为11。

第三步、根据目标流域内所有空间与河道的最短距离，按预设的距离低限值和距离高限值，将目标流域内所有空间进行分级，并赋予迁移风险值d。

其中，若目标流域内某空间与河道的最短距离大于或等于距离高限值，则该空间的迁移风险值d为第一预设值d1；

若目标流域内某空间与河道的最短距离大于或等于距离低限值、且小于距离高限值，则该空间的迁移风险值d为第二预设值d2；

若目标流域内某空间与河道的最短距离小于距离低限值，则该空间的迁移风险值d为第三预设值d3(注：此类空间的地表径流容易进入河道)；且d1<d2<d3。

具体而言，第一预设值d1＝1，第二预设值d2＝3，第三预设值d3＝5。

此外，距离低限值为100m，距离高限值为300m。

第四步、按下式计算目标流域内所有空间的目标污染物输出风险值r：

r＝p·(0.5·ti+0.5·d)

然后计算出平均值和标准偏差；以平均值与两倍标准偏差之和为输出风险高限值，目标污染物输出风险值r大于或等于输出风险高限值的目标流域内空间即为目标污染物输出的关键源区。

其中，还以平均值作为输出风险低限值；

若目标流域内某空间的目标污染物输出风险值r小于输出风险低限值，则该空间的目标污染物输出风险等级为低；

若目标流域内某空间的目标污染物输出风险值r大于或等于输出风险低限值、且小于输出风险高限值，则该空间的目标污染物输出风险等级为中；

若目标流域内某空间的目标污染物输出风险值r大于或等于输出风险高限值，则该空间的目标污染物输出风险等级为高，且该空间即为目标污染物输出的关键源区。

具体试验案例如下。

以西某子流域为目标流域，以磷素为目标污染物，并以有效磷含量为目标污染物含量。

在目标流域内设置43个采样点，并通过gps设备记录各采样点的地理坐标。土壤样品风干磨碎后，在实验室分析测定得到土壤样品的有效磷含量。结果表明，目标流域土壤有效磷含量范围为4.59～92.2mg/kg，平均值为16.35mg/kg，中位数为14.23mg/kg，其频率分布如图1所示。然后，采用地统计学的克里格插值法，得出目标流域内所有空间的有效磷含量，其分布图如图2所示。按前述第一步进行分级并赋值，所得磷素风险空间分布图如图3所示。

根据目标流域的数字高程图(dem)，以目前普遍采用的8向计算法，算出目标流域内所有空间的地形指数，所得流域地形指数空间分布图如图4所示。西某子流域不同地形指数总体分布情况如图5所示，地形指数范围为4.9～16.41，平均值8.05；从图中可以看出，西某子流域地形指数总体呈偏正态分布，地形指数在6.5时分布最多，面积占西源子流域总面积的25.3％，地形指数7.5时次之，占西某子流域总面积的19.2％。按前述第二步进行分级并赋值，所得地形产流风险空间分布图如图6所示。

根据目标流域内所有空间与河道的最短距离，按前述第三步进行分级并赋值，所得迁移风险空间分布图如图7所示。

按前述第四步计算磷素输出风险值r，最大值为25，最小值为1，平均值为3.79，标准偏差为3.92，其空间分布图如图8所示。继续按前述第四步划分风险等级，并识别关键源区，结果表明，西某子流域中，磷素输出风险等级为高、中、低的面积占全流域面积的比例分别为8％、23％和69％，磷素输出的关键源区面积占全流域的8％，如图9所示。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。