一种定量确定湖泊流域水体氮磷背景浓度的方法
【专利摘要】一种定量确定湖泊流域水体氮磷背景浓度的方法，其主要步骤包括：1）基础数据收集整理；2）划分湖泊小流域；3）进行参照小流域筛选；4）建立回归模型，预测参照小流域氮磷背景负荷；5）对流域氮磷营养物背景负荷的回归方程进行校准，估算流域地区河网从源头到各支流的氮磷背景负荷；6）计算湖泊流域水体氮磷背景浓度。本发明为湖泊富营养化问题研究提供一种新的途径，为湖泊营养物基准奠定基础，对于湖泊流域水体背景浓度的确定以及湖泊的保护、评估和管理都有重要的实际意义。
【专利说明】一种定量确定湖泊流域水体氮磷背景浓度的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境保护和资源综合利用【技术领域】，尤其涉及一种定量确定湖泊流域水体氮磷背景浓度的技术方法，解决人类活动强烈干扰下，难以确定自然背景条件下的氮磷浓度问题。
【背景技术】
[0002]随着经济社会的发展,人为富营养化(artificial eutrophication),即由社会的城市化、植物营养物的工农业利用及其废弃物的排放等所引起的富营养化及其影响，日益引起人们的关注。依照国外经验，在营养物生态分区基础上制定的湖泊营养物评价基准和标准有利于对湖泊富营养化进行评估、预防、控制和管理，是建立湖泊环境质量统一监控，减少决策管理与实施过程盲目性的重要手段(Isaac B, 1999)。
[0003]营养物基准制定过程，建立参照状态至关重要，为确定随时间推移由人类引起的湖泊变化提供基线，若无参照状态则很难得出湖泊现状及未来潜在变化受人类影响的程度(Painting, 2005 ;陈奇等，2010)。所谓营养物基准参照状态是指“受影响最小的状态或认为可达到的最佳状态”，即每一水体类型的本底值，然而，我国因气候、地理等区域性差异显著，且多数湖泊受人类活动影响较大而富营养化严重，事实上我们很难得到这样的自然本底值，同时由于普遍缺乏湖泊水量水质长期的历史监测数据，因而导致国外许多成功的营养物基准参照状态确定方法在我国的适用性显著降低。
[0004]湖泊流域水体氮磷自然背景浓度对于制定营养物基准来说是反映自然因素对营养物达到水质目标的影响，区域尺度的背景浓度变化为区域营养物基准的制定提供了一个途径(Dodds等，2000)，因此如何科学的确定天然水质受到越来越多的关注。对某一生态分区的湖泊，其营养物的产生、输移、转化等一般是以湖泊-流域为基础而构成一个相对独立、封闭的自然与社会复合大系统。以湖泊-流域系统为单元对湖泊营养物进行整体研究，能适应河川、湖泊水资源的自然规律和流域社会经济发展相互联系的特点(Gaiser，2008)。湖泊-流域系统一般具有规模庞大、结构复杂、影响因素众多的特点，以及存在诸多不确定性因素(如隶属不确定、外延不清晰、内部信息不完全、关系不明确等)，且通常情况下，湖泊-流域没有接受过系统的监测调查，可收集到信息资料有限。采用常规的机理描述和推理分析难以建立完整的系统模型(成思危，1999)，较合适的方法就是建立复杂模拟模型。
[0005]目前，国际上尚未形成统一的确定湖泊流域水体氮磷背景浓度技术，没有系统的技术方法，方法存在应用局限性。研究受限于湖泊-流域系统监测资料的缺乏。因而，选取湖泊-流域指未受人类影响或受人类影响非常小的上游小流域，作为湖泊-流域系统的参照小流域，并对其进行监测调查，有效的填补信息资料缺失空白，建立湖泊流域水体营养物背景浓度模型，科学地计算湖泊流域背景浓度，是研究湖泊营养物基准，进行湖泊的保护、评估和管理的重要基础。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于:针对国际上缺乏一种成体系的计算湖泊流域水体氮磷背景浓度的技术，提供一种基于受人类扰动较小的上游小流域的确定湖泊流域水体氮磷背景浓度的方法，解决人类活动强烈干扰下，普遍缺乏湖泊-流域系统长期的历史监测资料数据，难以确定自然背景条件下的氮磷浓度问题。
[0007]本发明提供的定量确定湖泊流域水体氮磷背景浓度的方法，其主要步骤如下:
[0008](I)基础数据收集整理。在实地踏勘、资料收集与整理的基础上，以GIS技术为支持，构建研究区流域营养物空间和属性数据库。空间数据库主要包括数字高程图、土地利用图、土壤类型图、河流水系图；属性数据库主要包括土壤的物理属性数据和化学属性数据，土地利用、植被覆盖的参数，气象数据(降雨量，温度，大气沉降速率)，河流水系数据(径流量，流量，水流速度，河段长度，水质监测数据)。
[0009](2 )在目标湖泊流域内，按照自然水流从高处流往低处的自然规律，对DEM数据进行计算，划分小流域；
[0010](3)确定上游小流域为区域候选参照小流域。应用主成分分析方法确定流域人类扰动的强度指标，建立候选参照小流域评价指标体系及其等级标准，并对候选参照小流域进行评价筛选；
[0011](4)建立回归模型，预测参照小流域氮磷背景负荷；
[0012](5)对流域氮磷营养物背景负荷的回归方程进行校准，估算流域地区河网从源头到各支流的营养物背景负荷。
[0013](6)根据流域氮磷背景负荷，模拟氮磷在流域中的运移，计算湖泊流域水体氮磷背景浓度。
[0014]本发明具有以下优势:
[0015](I)本发明的方法能够建立连续的评价基线，对生态分区湖泊的环境条件要求不高，可用于流域受人类影响较严重的流域的背景浓度确定。
[0016](2)本发明的方法将空间特性和空间过程相结合，通过对河流水质数据和流域属性建立空间回归实现污染负荷产生和迁移的定量化。
[0017](3)本发明的方法的最大特色是其空间特性非常显著，可以将上游的氮磷污染源数据和下游的氮磷负荷数据联系起来，同时可以将河流中的水质监测数据或氮磷通量数据和流域的空间属性特征(比如土地利用类型、河网、大气沉降等)联系起来。该技术可以基于小参照流域提供的数据调试流域内的流失作用效果，去估算大尺度流域的氮磷浓度。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明一个实施例中巢湖流域水系图。
[0019]图2是本发明一个实施例中巢湖流域划分图。
[0020]图3是本发明一个实施例中巢湖流域参照流域图。
[0021]图4是本发明一个实施例中氮背景浓度图。
[0022]图5是本发明一个实施例中磷背景浓度图。
【具体实施方式】
[0023]本发明提供的定量确定湖泊流域水体氮磷背景浓度的技术，按照以下步骤进行:[0024]1、基础数据收集整理
[0025]在实地踏勘、资料收集与整理的基础上，以GIS技术为支持，构建研究区流域营养物空间和属性数据库。空间数据库主要包括数字高程图、土地利用图、土壤类型图、河流水系图；属性数据库主要包括土壤的物理属性数据和化学属性数据，土地利用、植被覆盖的参数，气象数据(降雨量，温度，大气沉降速率)，河流水系数据(径流量，流量，水流速度，河段长度，水质监测数据)。对河网进行编号，输入整理河网上各支流的属性。划分湖泊小流域
[0026]2、划分小流域
[0027]在目标湖泊流域内，按照自然水流从高处流往低处的自然规律，对目标区域DEM数据进行计算。计算区域地形的水流方向数据及每点处所流过的水量数值，得到该区域的汇流累积量，从而形成河网，并划分出区域内小流域。
[0028]3、进行参照小流域筛选
[0029]对目标区域湖泊小流域进行筛选，确定区域内上游小流域为候选参照小流域。应用主成分分析方法确定流域人类扰动强度的指标。建立候选参照小流域评价指标体系及其等级标准，如表2。
[0030]表2候选参照小流域评价指标体系及其等级标准
[0031]
【权利要求】
1.一种定量确定湖泊流域水体氮磷背景浓度的方法，其主要步骤包括: (1)基础数据收集整理 在实地踏勘、资料收集与整理的基础上构建研究区流域营养物空间数据库和属性数据库； (2)划分湖泊小流域 在目标湖泊流域内，按照自然水流从高处流往低处的自然规律，对目标区域数据进行计算; (3)进行参照小流域筛选 对目标区域湖泊小流域进行筛选，确定区域内上游小流域为候选参照小流域； (4)建立回归模型，预测参照小流域氮磷背景负荷； (5)对流域氮磷营养物背景负荷的回归方程进行校准，估算流域地区河网从源头到各支流的氮磷背景负荷； (6)计算湖泊流域水体氮磷背景浓度。
2.根据权利要求1所述的 方法，其中，步骤I是以GIS技术为支持，构建研究区流域营养物空间数据库和属性数据库。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，流域营养物空间数据库为:数字高程图、土地利用图、土壤类型图、河流水系图； 属性数据库为:土壤的物理属性数据和化学属性数据、土地利用、植被覆盖的参数、气象数据、河流水系数据、对河网进行编号输入整理河网上各支流的属性。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤2是对目标区域DEM数据进行计算，计算区域地形的水流方向数据及每点处所流过的水量数值，得到该区域的汇流累积量，从而形成河网，并划分出区域内小流域。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤3是应用主成分分析方法确定流域人类扰动强度的指标，建立候选参照小流域评价指标体系及其等级标准；应用模糊综合评价法对候选小流域进行评价筛选，选出参照小流域。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其中，候选参照小流域评价指标体系及其等级标准为: I类，理想的流域状态，没有人类干扰的流域； 2类，优良的流域状态； 3类，临界的流域状态，有一定的人类干扰，但流域水生态系统稳定； 4类，低于临界流域的状态，在流域有相当的人类干扰出现； 5类，差的流域状态，在流域有相当的人类干扰出现； 6类，非常差的流域状态，人类干扰大范围的贯穿流域。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤4中流域氮磷背景负荷的回归模型为:
8.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤5中估算流域地区河网从源头到各支流的氮磷背景负荷通过河网传输计算公式为:
9.根据权利要求1所述的方法，其中，湖泊流域水体氮磷背景浓度计算公式为:
10.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤4-6的过程是在SAS统计软件界面中，基于地理信息系统计算提供区域相关图件以及部分区域信息数据，设计控制文件编程语言，对模型各部分各参数进行设定，执行程序语言后，针对估算结果对模型各参数进行调整校验，形成合理模型，最终得到预测的背景浓度结果，结果有数据文件形式和图件形式两种。
【文档编号】G06F19/00GK103473463SQ201310423174
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】霍守亮, 席北斗, 姜甜甜, 何卓识, 张列宇 申请人:中国环境科学研究院